生物质定向气化技术

  生物质气化是指将生物质在高温下（800-900℃）部分氧化或缺氧分解，将生物质转化为富含H的合成气体，即可以做气体燃料，也可用于合成液体燃料与化工产品，是生物质化工和生物精炼的基础（主要思路如下图）。气化过程NOx和CO等有害化学气体含量少，经济性高，是生物质清洁利用的主要形式，也是当前生物质能源化利用的主要途径之一。

  截至目前，参与了“863”“生物质气化发电优化系统及其示范工程”项目，同时对生物质气化过程进行了全面的实验和模拟研究，开发了生物质流化床气化技术，设计并建造了一套处理量为200kg/h，为一个村提供清洁燃气的流化床生物质气化示范装置。在生物质气化灰渣的利用方面也进行了研究，掌握了灰的熔融性，物化组成等特性。针对生物质气化中焦油含量高的问题，承担了武汉市科技攻关项目“生物质气化过程焦油裂解催化剂及催化反应器研究”，经过多年的研究，开发出了新型高效镍基催化剂和焦油催化裂解装置，大幅度的降低了焦油的含量，有利于后续设备的安全、稳定运行。现正在筹建生物质气化发电示范装置。

  负责完成了国家“十五”“211工程”重点学科建设项目“环境友好的多联产资源化系统”的建设，建立了一套从煤/生物质流化床加压气化、合成气净化到合成二甲醚液体燃料以及燃料电池发电系统的环境友好多联产中试系统。该系统将以煤炭、渣油、生物质等作为资源，利用从单一设备（气化炉）中产生的“合成气”（主要成分为CO＋H2）来进行跨行业、跨部门的联合生产，以得到多种具有高的附加价值的化工产品、液体燃料（如：甲醇，F-T合成燃料，二甲醚，城市煤气，氢气），以及供热制冷、产汽发电、灰渣利用等，实现资源的绿色利用。

  针对生物质空气气化气体热值低、焦油等杂质含量高等问题，提出了生物质定向气化技术，并开发了生物质双循环流化床定向气化技术，可根据生物质原料特性和最终产物的需求，经过控制气化反应条件，包括气化剂的供给、催化技术的引用和气体产物的重整、净化等，获得高热值的燃气或高品位的合成气，满足用于发电、合成二甲醚及各种烃类燃料等不同的要求，对实现生物质能的高质化利用有着重要的意义。并作为主要单位参加了973项目“生物质转化为高品位燃料的基础问题研究”，负责“生物质定向气化的基础研究”课题(2007CB210202)。生物质定向气化技术是生物质转化为高品位燃料的关键技术。

  目前：生物质定气化的主体问题是炭转化率低和气体中焦油含量高，气体品质低；针对此，课题组目前开展的相关工作主要有生物质低温分级气化、Ca基增强式CO2 零排放气化，催化气化制氢等相关研究。具体介绍如下：

  生物质分级气化技术因技术灵活和气体品质高近年来得到了同行们的关注和青睐。分级气化具体思路见图2所示。生物质分级气化主要利用了生物质的低温热解和挥发份的部分气化与焦的高温催化还原；但为了更好的提高系统转化率和脱除焦油，生物质焦的燃烧和气化大都在高温下（>

  800℃）进行。然而，生物质特别是农业秸秆类生物质含有较高的钾、Cl等无机矿物质在高温下(>

  800℃)易于挥发析出，进而引起设备的腐蚀和黏污，影响系统正常运行。因此，如何在生物质分级气化过程中有效地控制碱金属等污染物的析出，同时实现焦的高效转化是亟需解决的问题，也是实现生物质高效清洁气化的关键。

  针对传统生物质中气化气热值低、焦油含量高以及分级气化过程中温度高，易引起设备腐蚀、黏污等问题，结合我国生物质资源特点（农业秸秆富含碱金属、活性高），本研究以我国典型的高碱金属农业秸秆为研究对象，以低温分级气化为技术路线，以秸秆到高品位合成气为产品路线，结合农业秸秆的结构特性和气化过程等因素，深入研究农业秸秆低温分级水蒸气气化过程中的关键科学问题，探索合成气品质有效调控手段，寻求高碱金属秸秆合适的气化过程控制条件，构建生物质低温分级水蒸气气化理论体系，为农业秸秆气化工艺的设计和优化提供理论依照，从而推动我们国家生物质气化高质化利用技术的发展和产业化进程。主要研究内容如下：

  从生物质的微观化学结构与碱金属组成入手揭示高碱金属秸秆低温分级气化过程中气体挥发份的形成、重整与气化产物分布规律，掌握焦油形成机理和合成气调控途径；

  阐明生物质热解和气化过程中焦炭大分子结构和微观孔隙结构的演变机制，探索生物质焦微观大分子结构与焦水蒸气气化活性的关联，揭示生物质分级气化动力学机理；

  从气固反应入手阐述生物质分级气化过程中固体焦和气体挥发份在气化过程中的相互作用机制，掌握生物质固有碱金属的转化和催化途径，揭示生物质分级气化过程中低焦油和气化气调质机理；

  构建高碱金属生物质分级气化的机理模型，建立生物质低温分级水蒸气气化复杂反应体系，实现生物质低温分级气化的合理开展。

  基于CO2捕集的生物质强化制氢工艺是近年来兴起的一种新型一步制氢方法，该工艺通过在生物质水蒸气气化过程中引入钙基CO2吸收剂，将气化过程中产生的CO2持续从反应体系中移出，改变化学平衡对反应的限制，提高氢的产量。利用该工艺不仅可将低品位的生物质转化为高品位的H2，而且在获得高纯度H2的同时，还可实现CO2的捕集与减排，具体思路如下图所示。

  本项目围绕焦油原位催化转化与 CO2捕集促进生物质转化制氢所述技术路线中的关键科学问题，采用理论分析与实验相结合，开展原位催化转化与CO2捕集促进生物质转化制氢的基础研究，探索通过催化剂表界面结构调控以提高催化活性的新方法，揭示焦油原位催化转化与 CO2捕集促进生物质转化制氢的反应路径与关键步骤，研究CO2的捕集与焦油的催化裂解对生物质制氢的推动作用及其相互作用的影响因素，确定 CO2捕集与焦油催化裂解的生物质制氢过程的调控机制和方法。

  基于密度泛函理论，计算生物质原料气化过程中焦油的模型化合物制氢的过渡态，然后再寻找制氢的重要产物途径与速控步骤，探索催化剂的不同表面化学结构对路径和能垒的影响，寻找降低析炭反应、促进制氢的理想催化剂表面化学结构；揭示焦油热分解与催化裂解过程中主要的中间产物与最终产物的形成机制；建立基于焦油原位催化裂解与 CO 2 捕集作用下促进生物质制氢的机理模型。

  选择拥有非常良好应用前景的金属镍基或钴基催化剂的表界面调控进行了系统研究，包括掺杂K改性、晶面调控、表面电子结构调变和量子点修饰等，评价其对焦油催化剂裂解性能的影响，旨在阐述微观表界面结构和物化性质的可控过程及其对焦油催化裂解的影响规律。

  研究碱金属 K 改性的裂解-重整催化剂、CO 2 捕集剂交互作用促进焦油原位催化转化制氢的反应机理，解答焦油原位催化转化与 CO 2 捕集促进生物质转化制氢过程中的作用机理。在前面研究内容的基础上，进一步深入分析制氢系统中各关键过程作用的机理，建立 CO 2 捕集与碳基原位催化转化促进生物质转化制氢系统的宏观动力学模型，并利用该模型全面预测不同工况下对系统运行特性的影响，探讨不同过程之间的耦合作用特性，确定过程优化的方向。