CO2/O2两段式煤气化特性实验研究：高温强化CO2还原与合成气制备

针对CO2作为气化剂反应活性低的难题，中国科学院工程热物理研究所团队创新采用两段式系统（900°C部分气化+1300°C强化反应），在38 kg/h煤粉处理量下实现CO产量0.677 Nm3/h、CO2还原率26.0%，为工业CO2资源化利用提供新路径。

　　

全球能源结构转型背景下，煤炭高效清洁利用始终是重要课题。传统煤气化技术面临两难困境：蒸汽气化需外部供热，纯氧气化成本高昂，而直接利用工业排放的CO₂作为气化剂又受限于其固有的低反应活性——核心Boudouard反应（C+CO₂→2CO）作为气固吸热过程，不仅活化能高，在常规流化床≤1100°C的操作温度下反应效率更是大打折扣。如何突破温度限制、提升CO₂转化效率，成为学术界与工业界共同关注的焦点。

中国科学院工程热物理研究所的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表的最新研究中，构建了一套创新的两段式气化系统（PGU+IGU），通过分级温度调控策略破解了这一难题。该系统首先在900°C完成煤粉部分气化，再将炽热的中间产物送入1300°C高温反应器进行深度转化，既避免了单一流化床的结渣风险，又充分发挥了高温对Boudouard反应的促进作用。

研究团队采用循环流化床（CFB）与高温固定床联用技术，通过实时监测系统温度分布、气体组分（GC分析）及碳转化率等参数，系统考察了氧碳摩尔比（O₂/C）、CO₂/O₂体积比等关键变量的影响。实验选用38 kg/h的工业级煤粉处理量，确保数据具有工程参考价值。

温度分布特征
数据显示，当CO₂/C比从0.361增至0.417时，反应器底部、中部、顶部分别出现4°C、10°C、8°C的温降，这源于CO₂在底部区域的强烈吸热效应。而提升O₂/C比至0.385时，系统最高温度梯度达400°C，为CO₂还原创造了理想的热力学环境。

气体产物特性
在O₂/C=0.385的优化条件下，CO产率峰值达到0.677 Nm³/h，较常规单段工艺提升约40%。值得注意的是，CO₂/O₂=1.012时，CO₂还原率突破26.0%，证实高温段对末端反应的显著促进作用。但过量氧气（O₂/C>0.40）会导致燃烧反应竞争性增强，反而降低CO选择性。

结论与展望
该研究首次实现了1300°C高温与两段式流化床的协同应用，通过"温和预转化+深度还原"的分级策略，将CO₂还原率提升至工业可行水平。特别值得关注的是，系统在保持26.0% CO₂转化率的同时，碳转化效率达92.3%，为煤化工碳减排提供了可放大的技术原型。未来研究可进一步探索钙/钾催化剂（如Li等提出的0.5wt.% Ca改性方案）与该高温系统的协同效应，有望在降低能耗的同时突破30% CO₂转化率的技术瓶颈。