CO2/H2O混合气氛下生物质焦气化协同效应的机理研究及其在可持续能源转化中的意义

《Journal of the Energy Institute》：Investigation of the synergistic effect during biomass char gasification under CO 2/H 2O mixed atmospheres

本文通过Y型双通道反应器（Y-DCR）和传统单通道反应器（SCR）实验，揭示了CO2与H2O在生物质焦气化中的协同增强机制。研究发现混合气氛下气化反应性显著高于单一气氛之和，且H2O反应通过构建介孔通道促进CO2扩散并缓解CaO烧结，为生物质能源高效转化提供了新视角。

　　

亮点

• •
  实验首次通过Y-DCR系统证实松木屑焦（PWC）、榛子壳焦（HSC）和花生壳焦（PSC）在CO₂/H₂O混合气化中均存在协同效应。
• •
  协同性表现为焦-H₂O反应显著促进焦-CO₂反应，而反向促进作用未观察到。
• •
  表征分析揭示H₂O反应通过生成更多介孔通道，提升CO₂在焦体内的扩散效率，并抑制焦-CO₂反应中CaO的烧结现象。

材料制备

实验选用松木屑废料（PW）、榛子壳（HS）和花生壳（PS）作为生物质原料。样品经破碎筛分后，选取0.5–0.71 mm粒径颗粒进行实验。其工业分析、元素分析及灰分组成（通过X射线荧光光谱/XRF测定）数据见表1。

PWC在不同反应器中于CO₂/H₂O混合气氛下的气化行为

图2(a)展示了850°C时SCR反应器中PWC在CO₂、H₂O及混合气氛下的碳转化曲线。40% H₂O与20% CO₂ + 20% H₂O的曲线几乎重叠，且显著高于40% CO₂条件下的转化率，表明气化反应性顺序为：40% H₂O ≈ 20% CO₂ + 20% H₂O > 40% CO₂。尽管CO₂分压减半，混合气氛仍达到与纯H₂O气氛相当的 reactivity，暗示二者可能存在协同作用。

结论

本研究通过产物气体释放、孔隙结构演变和残焦形貌分析，得出以下关键结论：

1. 1.
   Y-DCR实验表明三种生物质焦在CO₂/H₂O混合气化中均存在协同效应，且焦-H₂O反应对焦-CO₂反应具有单向增强作用。
2. 2.
   机理上，H₂O反应通过构建介孔网络加速CO₂传输，并缓解CaO烧结，从而提升整体气化效率。