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南林张书课题组Fuel Process. Technol. | 生物质和煤共气化过程AAEMs迁移及转化研究进展

The following article is from 科学温故社 Author 张书教授课题组


第一作者和单位:卫俊涛,南京林业大学材料科学与工程学院

通讯作者和单位:张书,南京林业大学材料科学与工程学院;李斌,江苏大学能源动力与工程学院

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378382022002168

关键词:生物质,煤,共气化,AAEM迁移和转化,反应性,协同行为



全文速览

生物质和煤共气化是实现这两种含碳资源清洁高效共转化利用的重要潜在技术。气化原料中的碱(土)金属元素(AAEMs)不仅是共气化反应性协同行为的重要因素,还与实际应用过程中结渣、结垢和腐蚀等问题存在较大联系。因此,系统认识和了解生物质和煤共气化过程AAEMs迁移和转化机制非常必要。该文章详细汇总了共气化过程AAEMs迁移和转化的主要检测手段,系统阐述了共气化过程AAEMs迁移和转化的影响因素,提出了共气化过程AAEMs的迁移和转化路径。此外,该文章对共气化过程AAEMs迁移转化和反应性协同行为的关联进行了深入讨论,并提出了未来研究展望。



背景介绍

共气化作为生物质和煤清洁高效共转化的重要技术路径,获得了研究者和工业界的日渐关注。生物质是唯一的可再生碳基能源,具有碳中和属性,且大部分具有较高的AAEMs含量。与煤共气化将有助于克服煤衍生的系列问题:污染物排放量高、反应活性低等。煤是重要的传统化石能源,也是全球气化市场的主体原料。与生物质共气化将有利于克服生物质衍生的系列问题:能量密度低、焦油产率高、供给不稳定等。


Fig.1 Advantages of biomass and coal co-gasification


生物质和煤中AAEMs被认为是热化学转化过程的天然催化剂,其在反应过程的迁移和转化与共气化反应协同行为(协同促进作用、抑制作用或者加权作用)具有密切联系。另一方面,高温气化过程AAEMs会挥发释放,导致气化炉热交换面结渣、结垢和腐蚀等问题。因此,系统认知共气化过程AAEMs迁移和转化路径有助于进一步揭示共气化反应协同机理,而且将为解决气化过程灰渣难题提供重要理论参考。



图文精读

Fig. 3. Experimental steps of chemical fractionation analysis.


Fig. 6. Relative transformation ratio of active AAEM in blended char co-gasification: (a) rice straw and bituminous coal, (b) rice straw and anthracite


Fig. 9. Surface element contents of coal semi-char with/without undergoing co-gasification with (a) fish bone char; (b) lettuce char (solid line, co-gasification; dotted line, individual gasification)


Fig. 10. Transformation and migration pathways of biomass-derived K during co-gasification.



结论

  1. 离线检测是目前共气化过程AAEMs迁移和转化的主要分析手段,而相应的在线分析方法稀少。

  2. 气化温度越高将导致更多的活性AAEMs挥发并迁移至气相,且加剧了活性AAEMs与Si/Al之间的失活反应。

  3. 气化剂中氧浓度越高,气化原料中活性AAEMs/Cl含量越高以及气化原料中Si/Al含量越低将导致共气化过程更多的AAEMs挥发。

  4. 生物质掺混比越高将导致共气化过程更多的K迁移至煤(焦)表面,以及活性AAEMs与Si/Al发生失活反应的概率降低。

  5. 煤焦吸附的气相钾可能会转化为char-K和K2CO3,且可能被Si/Al捕捉生成稳定态的硅铝酸钾。活性Ca的存在将抑制活性K的失活。

  6. 共气化反应性的协同促进作用与共气化过程生物质基AAEMs向煤(焦)迁移以及对活性AAEMs转化的抑制作用存在较大关联。



展望

  1. 在线检测仅可分析气相AAEMs的迁移和转化,无法检测固相AAEMs并分析其化学赋存形式的演变。离线检测无法准确地反映真实反应条件下的矿物质状态。因此,需要开发一种能同时检测气相和固相AAEMs的分析方法。

  2. 关于共气化过程AAEMs迁移和转化影响因素的研究并不充分,比如气化气氛、反应器类型、共热解、气化原料中的无机非金属元素(S、Cl、P等)等。

  3. 受限于缺乏真实反应的分析手段,共气化过程AAEMs迁移转化的实验研究所提供的数据相对局限。因此未来研究需要基于模拟研究或者模拟结合实验研究。

  4. 共气化反应协同行为是两方面的综合结果:生物质对煤、煤对生物质。因此,非常有必要且有意义去揭示共气化过程生物质(煤)基矿物质对煤(生物质)基矿物质转化的影响。

  5. 反应器类型与真实共气化反应过程的流场和温度场存在直接联系,且决定了颗粒或颗粒群的反应状态。因此,其会显著影响共气化过程的AAEMs迁移和转化。但是目前大部分研究聚焦于TGA和固定床反应器。这些小型或微型研究严重限制了研究结果和结论应用于实际工业。因此,未来研究需更多地关注大型研究。



第一作者及通讯作者介绍

卫俊涛,南京林业大学副教授、硕导,《Energies》客座主编、《煤化工》编委、《煤炭学报》青年编委、《燃料化学学报》学术编辑。主要从事含碳物质共热解/共气化等方面的研究工作。发表论文70余篇,入选ESI高被引/热点论文4篇,申请发明专利5项。获第二届CPCIF-Clariant可持续发展青年创新奖。


张书,南京林业大学教授、博导,材料科学与工程学院副院长,江苏特聘教授、国家重点研发计划项目负责人,《Fuel Process Technol》执行编辑、《Front Nanotechnol》副主编、《燃料化学学报》青年编委。主要从事生物质能源与功能炭材料领域的研究工作。发表SCI论文150余篇,授权专利10余项。


李斌,江苏大学教授、博导,节能技术研究院常务副院长。入选江苏特聘教授、江苏省双创博士和“六大人才高峰”高层次人才。《Frontiers in Chemistry》和《Energies》客座编辑。主要从事生物质的高效热转化与综合利用研究工作。发表SCI论文60余篇,入选ESI高被引/热点论文3篇,授权发明专利12项。

文本编辑:大老猫

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