不同农业生物质残渣对连续式太阳能-蒸汽气化过程性能的影响

《Industrial Crops and Products》：Impact of different agricultural biomass residues on the performance of continuous solar-steam gasification

太阳能蒸汽气化七种农业废料的研究显示，棕榈 Empty fruit bunch（PEFB）、槟榔果（BN）和棕榈纤维（PMF）因高挥发性物质含量，总合成气产量达81.5 mmol/g干生物质，碳转化率83.1-96.9%，太阳能转化效率最高18.9%。温度升至1300°C时性能最优，总气化效率达94.3%。PKS和RH因高密度和灰分问题表现不佳。研究证实生物质类型显著影响气化性能，筛选出适合连续太阳能气化的原料类型及优化温度条件。

　　太阳能驱动的生物质气化代表了可持续碳中性燃料生产的一种有前景的方法。然而，原始生物质材料的种类在连续太阳能气化过程中的表现起着至关重要的作用。本研究通过在1.5千瓦的太阳能气化器中进行实验，使用各种农业作物残余物来探讨生物质种类对性能和效率的影响。实验中使用了七种农业残余物作为原料，包括油棕废弃物（棕榈果肉纤维、棕榈空果穗和棕榈核壳）、甘蔗渣、槟榔核、椰子纤维和稻壳。实验结果表明，该系统能够有效地利用所有类型的生物质材料，产生高产量和高质量的合成气。该过程展现出卓越的性能和效率，包括总合成气产量范围为67.9–81.5毫米摩尔/干生物质，达到理论总合成气产量的81.4–95.2%。最大能量升级因子为1.05–1.35，达到理论值的94.2–97.3%，以及最大碳转化率（87.2–96.9%）。原料种类对气化结果有显著影响。空果穗、槟榔核和果肉纤维是太阳能气化的有前途的候选材料，因其高挥发性含量和显著的分解潜力，其次是椰子纤维和甘蔗渣。然而，棕榈核壳和稻壳被发现不适合连续太阳能蒸汽气化，由于高密度的棕榈核壳和高灰分含量的稻壳导致气化活性降低和反应速率限制。建议在1300°C的温度下进行连续太阳能蒸汽气化，以达到13.7–18.9%的太阳能到燃料的能源转换效率。本研究提供了关于农业残余物类型对太阳能蒸汽气化过程影响的见解，同时有助于选择适合高效连续太阳能气化的生物质残余物。

在当今全球能源需求不断增长的背景下，化石燃料的消耗和二氧化碳排放持续上升，特别是在发展中国家，由于能源需求迅速增长，这一趋势更加明显。为了减少国家对进口化石能源的依赖，利用作物进行能源生产成为一种解决方案。泰国拥有丰富的农业废弃物资源，这些资源在能源生产和环境可持续性方面具有巨大潜力。其中，农业废弃物生物质尤为突出，包括稻壳、甘蔗渣、油棕废弃物（如棕榈纤维、棕榈核壳、空果穗）、椰子纤维、槟榔废弃物和稻壳废弃物，它们成为替代进口原油的重要生物燃料来源。泰国能源部制定的《可再生能源发展计划》（AEDP）设定了一个20年的目标，旨在通过国内可再生能源资源的潜力促进能源生产。

气化是利用生物质废弃物和碳质材料进行价值转化的著名过程之一。通过在自热式气化器中对生物质进行部分燃烧，可以生产合成气（syngas）。合成气主要由氢气（H?）和一氧化碳（CO）组成，它可以用作生产氢气、氨气、甲醇或作为费托合成（Fischer-Tropsch）的前驱体（用于生产合成燃料如柴油和汽油），以及发电的通用中间产物。在气化过程中，碳质固体材料与有限量的空气/蒸汽/氧气/二氧化碳反应，以获得具有可用热值的所需气体产物。然而，自热式气化过程中的部分燃烧成为该技术的一个显著缺点，因为约有30–40%的生物质原料在燃烧过程中损失，而产物气体由于含有空气中的氮气或燃烧产生的二氧化碳而不清洁。

太阳能气化被提出以克服传统气化方法的局限性。它指的是利用太阳能作为外部热源来驱动气化过程，而无需燃烧。因此，生物质可以完全转化为合成气，不会因为空气中的氮气或燃烧产生的二氧化碳而受到污染。这种技术能够将两种可再生能源（太阳能和生物质）整合到一个过程中，为实现可持续和绿色生物燃料生产提供了一条创新路径。太阳能被存储为高质量的合成气，而合成气作为一种可转换和可调度的化学形式，易于运输。从太阳能蒸汽气化中获得的清洁合成气在化学合成（如液体生物燃料）等需要高纯度氢气和一氧化碳的应用中具有优势。然而，太阳能气化技术的一个代价是其对太阳能照射的依赖性，这可能会受到间歇性和照射稳定性的影响。这种依赖性可以通过辅助加热，如结合自热式和外热式气化的混合太阳能气化技术来缓解。此外，动态控制太阳能输入和生物质进料速率对于先进的实时控制系统至关重要，以在可变太阳能照射条件下调整生物质进料速率和蒸汽注入。

原始农业生物残余物的类型在气化性能中起着至关重要的作用。它在气化反应中对气化活性、反应速率、合成气组成和焦炭特性等方面产生显著影响，突显了选择适当的农业残余物对高效气化过程的重要性。富含纤维素的生物质，如松木锯末，会产生更多的焦油和较少的氢气，而富含木质素的生物质，如使用过的咖啡渣和小麦秸秆，则相反。生物质中的特定元素和化合物影响其在气化过程中的反应性。例如，生物质的灰分组成，特别是钾、钠、钙和镁等碱金属的含量，可以作为催化剂或抑制剂，从而增强或降低气化过程。例如，NiO/CaO催化剂有助于分解在棕榈核壳气化过程中产生的焦油成分。生物质类型还影响所生成合成气的组成。例如，根据不同的生物质类型，合成气中的氢气/一氧化碳比例在2到4之间变化，涉及稻壳、稻草、玉米秸秆、棉花秸秆、木屑、椰子纤维和鸡粪等。此外，较高的挥发性物质含量会导致可燃气体的较高产量，而固定碳则在热解/气化过程中转化为焦炭。例如，空果穗具有高挥发性物质含量，这显著提高了其在气化过程中的反应性。此外，较小的生物质颗粒尺寸会由于较大的表面积而提高气体产量，从而加快加热速率和更高效的气化反应。相反，较大的颗粒则显示出较慢的加热速率和较低的气化效率。然而，生物质的类型（即组成）对整体气化性能的影响比颗粒尺寸更为显著。

综上所述，气化反应和性能显著依赖于生物质残余物的类型。值得注意的是，上述研究大多是在实验室规模的反应器中进行的，这些反应器由部分燃烧、电加热或人工光源模拟器驱动。此外，还进行了一些关于使用煤或桦木生物质进行太阳能气化的研究。因此，有必要在完全由自然太阳能辐射驱动的原型太阳能气化器中，实验性地研究原始农业残余物类型对连续太阳能气化的具体影响。

本研究实验性地调查了不同农业残余物的连续太阳能蒸汽气化，以深入了解原始农业残余物类型对太阳能气化反应、性能和效率的影响。选择了七种农业残余物作为原料，包括油棕废弃物（棕榈果肉纤维、空果穗和核壳）、甘蔗渣、槟榔核、椰子纤维和稻壳，因为它们在不同物理和化学特性下具有高可用性和优良的特征。因此，提出了一个全面的原料筛选方法，提供了详细的性能比较。主要目标是证明反应器能够适应各种原料类型，从而展示太阳能过程的灵活性和可靠性，用于将废弃物转化为有价值的燃料。

太阳能蒸汽气化农业残余物的全球化学计量反应如下（根据公式1）：C_xH_yO_z + (x?z)H?O → (y/2 + x?z)H? + xCO。高温度的太阳能气化可以有效促进合成气产量和质量。因此，本研究考虑了在1100°C至1400°C的温度范围内进行太阳能气化，以提高合成气产量和质量。

本研究的实验结果表明，连续太阳能蒸汽气化能够成功地应用于七种生物质类型。具体来说，合成气能够持续产生，具有较高的氢气和一氧化碳产量，以及较低的二氧化碳、甲烷和C?H?的产量，这表明产生了高产量和高质量的合成气。这种高价值的合成气主要由氢气和一氧化碳组成，含有较少的副产品。对于任何生物质类型，观察到相似的合成气产量模式，合成气产量在特定时间段内呈现出明显的峰值。这种模式是由于生物质颗粒的逐个注入方式造成的。每个运行的总反应时间主要取决于注入的生物质总量（如表2所示）。因此，注入的生物质越多（如在PKS或BN的情况下），反应时间越长。此外，生物质在达到稳态温度后被注入，这解释了反应开始时间在不同气化实验中有所差异。在合成气产量峰值时，温度会持续下降，这是由于生物质颗粒掉落导致吸热反应的发生。合成气产量峰值的稳定模式主要得到，这些结果表明所选的生物质可以用于连续太阳能蒸汽气化过程。

对于任何生物质类型，氢气和一氧化碳的峰值产量大致为0.4 NL/min，而二氧化碳、甲烷和C?H?的峰值产量约为0.03 NL/min。值得注意的是，BG在反应开始时的合成气产量突然增加至0.8 NL/min以上，而PMF的合成气产量则增加至0.6 NL/min以上，这是由于两个生物质颗粒同时落入反应器，从而减少了总反应时间。如前所述，连续气化反应完全由高度集中的太阳能作为高温工艺热源驱动。在任何合成气产量峰值处，都观察到温度的轻微下降。此外，由于太阳能输入的停止，反应结束时温度迅速下降。这些代表性实验揭示了在太阳照射下进行连续颗粒注入的太阳能气化实际操作。因此，连续太阳能气化在各种农业生物质残余物中的可行性和可靠性得到了验证。

全球质量平衡（m_x）提供了追踪特定材料在输入反应物和输出产物流之间总量的一种结构化方法。在本研究中，通过m_x指标报告了七种农业残余物太阳能蒸汽气化的质量平衡情况，如图4所示。蒸汽输入和合成气产物的量是通过将其流速随时间积分来确定的。未反应的水和剩余的焦炭（混合在一起）的量是通过在实验前后使用分析天平称量出口组件（包括气泡器、氧化铝出口管和不锈钢管）来确定的。观察到每种生物质的水质量不同，这取决于初始生物质量（在2.81–5.66克范围内）和每种生物质的化学组成，如表1所示。在任何生物质类型中，质量平衡都表现出优秀的守恒，因为输出的质量几乎等于输入的质量，如PKS的m_x值为96.6%，BN为99.2%，BG为99.5%，PEFB为99.0%，CCF为98.9%，RH为96.5%，PMF为99.1%。m_x值低于100%是由于反应器腔体接收器和出口组件中残留的灰分和未转化的焦炭微小量。根据图4b，温度（1100–1400°C）对m_x有积极影响，因为m_x值随着温度升高而增加，在任何生物质类型中达到最大值。这表明，温度的增加有利于反应器中固体的转化，从而在较高温度下实现更好的质量平衡。

此外，生物质类型对m_x的影响也得到了识别。RH和PKS的质量平衡低于其他类型，这是因为RH显示出相对较高的剩余灰分，而PKS则由于高碳含量而显示出较高的剩余焦炭。这些残留固体在反应器腔体接收器中发现，如图5所示，难以完全收集。显著高于稻壳的灰分含量被揭示，这可能由于高灰分形成而引起。高温下的灰分烧结必须加以解决，这可能会抵消温度增加带来的有益影响。残留灰分的存在直接取决于农业残余物的类型。这可能会导致热传导减少，并由于积累而造成堵塞。这个问题可以通过与其他生物质类型（如PEFB、BN、PMF或PKS）混合或进一步设计能够去除灰分的反应器来缓解。下一节将更详细地讨论生物质类型和温度对合成气产量的影响。

合成气产量对生物质类型和温度的影响如图6所示。温度（T?）被调整为1100°C、1200°C、1300°C和1400°C。总体而言，生物质类型和温度对合成气产量有显著影响。如图6a所示，PEFB显示出最高的H?产量，其次是BN和PMF，这归因于其高挥发性物质含量。例如，PEFB的H?产量从1100°C时的35.1毫米摩尔/干生物质增加到1400°C时的42.3毫米摩尔/干生物质，接近其理论值46.0毫米摩尔/干生物质。BG、CCF和PKS的H?产量略低于PEFB，因为它们的挥发性物质含量较低，其趋势相似，因为它们重叠。然而，RH在28.0–37.3毫米摩尔/干生物质范围内显示出最低的H?产量，与理论值43.5毫米摩尔/干生物质相比，这可能归因于其高灰分形成。对于任何特定的生物质类型，H?产量随着温度升高而增加，并在1400°C时达到最大值。

同样，CO产量（图6b）在任何生物质类型中随着温度升高而显著增加。在考虑的温度范围内，BN的CO产量在23.1–32.3毫米摩尔/干生物质之间，这是由于其高固定碳含量，其次是PEFB在22.9–31.0毫米摩尔/干生物质之间，以及PMF在23.1–31.5毫米摩尔/干生物质之间。CCF、PKS和BG的CO产量相似，在20.3–30.7毫米摩尔/干生物质、21.4–30.9毫米摩尔/干生物质和21.0–29.3毫米摩尔/干生物质范围内。预计RH的CO产量最低，在16.6–24.5毫米摩尔/干生物质范围内，这表明该生物质在连续太阳能气化中存在局限性，可能由于高灰分形成而导致。此外，温度的升高有助于减少CO?产量，因为有利于反应，如Boudouard反应（C+CO? ? 2CO）和碳气化反应（C+H?O ? CO+H?），与先前研究一致。

作为预期结果，RH的碳转化率最低，而PEFB的碳转化率最高。这表明生物质类型对碳转化率有显著影响。PEFB、BN和PMF的高碳转化率可以归因于它们的高挥发性物质含量。对于任何特定的生物质类型，碳转化率在1000–1300°C的温度范围内显著增加，随后在1400°C时略有增加。最大碳转化率值在87.2–96.9%之间，与合成气的热值趋势一致。

如预期的那样，太阳能到燃料的效率（η_solar-to-fuel）随着温度升高而增加，在1300°C时达到峰值，然后随着温度升高而显著下降。因此，最优温度出现在1300°C。BN的η_solar-to-fuel最大值为18.9%，PEFB为18.7%，PMF为17.2%，CCF和RH为15.4%，PKS为13.7%。这些结果表明，在1300°C时，η_solar-to-fuel达到最大值，证实了这一温度作为操作温度的推荐。这为扩大此类系统的应用提供了指导。这些关键发现突出了农业生物质残余物的连续太阳能蒸汽气化成功，实现了稳定的合成气生产，具有高碳转化率和能效。通过将广泛的作物废弃物原料加工成压缩颗粒以进行连续注入，展示了该过程的灵活性和可靠性，进一步确认了系统在真实、变化的太阳能条件下的性能。

在本研究中，连续太阳能蒸汽气化不同农业残余物的成功实施，展示了农业残余物的高价值转化和将太阳能转化为高质量、绿色合成气燃料的创新方法。七种作物残余物被成功用于连续太阳能蒸汽气化，确认了反应器能够适应多种生物质类型，具有适当的灵活性和可靠性。太阳能蒸汽气化在太阳照射下连续进行，使用颗粒生物质注入方法，这可以进一步应用于工业规模。农业残余物类型对关键性能指标的影响显著，包括合成气产量率、合成气的低位热值、碳转化效率、能量升级因子和太阳能到燃料的效率。研究还指出，由于其高硬度和高灰分形成，棕榈核壳和稻壳不太适合气化。这些结果表明农业残余物类型对气化性能有显著影响，并进一步有助于评估适合的生物质选择。减少反应器腔体接收器中的灰分积累对于连续太阳能气化器的长期性能稳定性至关重要。未来的研究将集中在农业残余物的太阳能混合气化上，以展示在可变太阳能照射下的受控操作。