基于生物质导电炭强制脉冲放电的气化重质焦油降解

It is a bottleneck problem for biomass gasification to remove tar completely from the syngas, especially for that wished to produce high-value added products. Catalysis is a common and effective way to decompose light tar in the syngas, but it hardly works for heavy tar, or even brings a negative effect. This proposal tries to find a way to remove heavy tar from the syngas at an acceptable high temperature, in which light tar has been decomposed. Conductive biomass charcoal has a richly porous structure to adsorb heavy tar, and is of highly electrical conductivity to make enforced-pulse discharges to decompose heavy tar. The decomposing products are sent back into the syngas and the conductive biomass charcoal is regenerated. It tries to find an effective method to adsorb heavy tar using the charcoal. The distributions of main components of heavy tar are investigated. Mass and heat transfer characteristics of the charcoal in a discharging process are analyzed. Factors of heavy tar decomposing are studied during an enforced-pulse discharge process, e.g. voltage, impulse gas, temperature, atmospheres, properties of charcoal and inorganic impurities, and the decomposed products are analyzed. The characteristics of original and regenerated charcoal are compared, including electrical resistivity, specific surface, diameter of pores. The decomposing mechanism of heavy tar by an enforced-pulse discharge is raised and control methods are suggested. An optimizing model is built for decomposing heavy tar by enforced-pulse discharges using biomass conductive charcoal. This study is hoped to provide an effective way to purify the syngas of biomass gasification.

生物质气化气大规模高品位利用的瓶颈之一在于气化焦油的深度脱除，常用的催化方法可以有效裂解轻质焦油，但对重质焦油的效果却有限，甚至是负作用。本申请拟针对轻质焦油裂解后的气化气，利用具有良好孔隙结构和导电性能的生物质导电炭在较高温度下吸附脱除重质焦油，并采用强制脉冲放电将其彻底降解，裂解气体送回气化气，再生导电炭循环使用。掌握导电炭高效脱除重质焦油的途径，研究焦油组分在导电炭中的分布规律。分析吸附了重质焦油的导电炭在强制脉冲放电过程中的传热传质规律，考察电压、脉冲气流、温度、气氛、导电炭特性、无机杂质等对重质焦油降解的影响。研究重质焦油主要成分及降解产物的分布和演变，分析导电炭电阻率、比表面积、孔径等特性参数再生前后的变化规律，阐明重质焦油在生物质导电炭强制脉冲放电过程中的降解机理与调控机制，建立基于生物质导电炭强制脉冲放电的气化重质焦油降解模型，为生物质气化气的品位利用提供新方法。

焦油和灰尘是影响气化气品质的典型杂质，它们的高效脱除是提高气化气利用品位和价值的有效手段。本项目提出利用生物质导电炭放电产生活性物质高效降解气化焦油，具体研究了生物质导电炭的电阻率与孔隙率之间的协同优化方法，考察了不同工况下生物质导电炭的吸附与脱附特性，探讨了各类放电过程的基本特性及调控原则，研究了放电过程中焦油降解效率和除尘效果，探讨了导电炭的循环特性，分析了导电炭流态化放电过程中典型焦油的降解过程和机理，并建立了相应的分析模型，为生物质导电炭和气化气的高效利用提供了新思路。发表相关学术论文13篇，其中SCI收录9篇、EI收录4篇；授权国家发明专利3件；培养研究生8名。. 主要研究内容包括：（1）利用催化炭化与活化等方法制备了同时具备高比表面积和优良导电性能的生物质导电炭，最高比表面积达2250 m2/g，最低电阻率达0.15Ω•cm。分析了各类催化剂对导电炭孔隙结构及导电性的影响规律，发现Ni基催化剂可在700-900℃时促进导电炭的石墨化进程，使得无定形炭加速形成石墨微晶。提出了生物质导电炭中石墨微晶含量的定量分析方法，获得国家发明专利授权。（2）生物质导电炭对焦油的吸附容量可达559mg/g；建立生物质导电炭的焦油脱附传质模型，模型化合物的脱附活化能Ed=34 kJ/mol；研究恒温热气流中的焦油脱附率，发现脱附主要集中在前5分钟，240℃时30分钟内的脱附率可达95%。（3）研究了生物质导电炭强制脉冲放电特性，在50Hz电源频率下可产生3100Hz的脉冲放电。在线管式电极中，350-650℃时随着电压的增加，先后出现电晕放电、辉光放电和弧光放电过程；700℃以上时直接出现辉光放电或弧光放电；提高温度可使火花击穿和起晕电压降低，电极间距减小容易直接产生火花击穿。（4）研究了导电炭强制放电的不同形式及对焦油降解的影响，发现圆形电极可有效提升焦油降解能力。在O2浓度为1%时，32W放电功率的焦油降解效率可达92%。分析了导电炭降解吸附的甲苯的反应及传热和传质过程，建立相应的反应动力学模型，发现放电降解反应接近二级反应过程；探讨了甲苯降解过程中在高能电子、O、OH自由基作用下可能的反应路径。（5）提出基于生物质导电炭的气流循环与串联放电降解气化焦油新方法，以期为生物质导电炭和气化气的高品位利用提供新的思路和方法。