循环流化床中烘焙木质纤维素残渣的空气-蒸汽气化：煅烧白云石与天然橄榄石的催化作用研究

《Biomass and Bioenergy》：Air-steam gasification of raw and torrefied lignocellulosic crop residues in the circulating fluidized bed gasifier with calcined dolomite and raw olivine as bed additives

本文系统研究了木质纤维素类生物质（锯末与稻壳）在循环流化床气化炉（CFBG）中的空气-蒸汽气化性能。重点探讨了蒸汽/生物质比（S/B）、床层添加剂（煅烧白云石、天然橄榄石）及生物质烘焙预处理对合成气（H2含量提升、焦油减排）及转化效率的影响，为生物质能源高效转化提供了优化策略。

　　

Highlight

材料表征

选取稻壳和锯末两种生物质作为原料。使用沙子（颗粒密度：2600 kg/m³）作为床料。煅烧白云石（颗粒密度：2900 kg/m³）和天然橄榄石（颗粒密度：3200 kg/m³）这两种天然催化剂，粒径为0.3–0.4 mm，以不同比例用作床层添加剂。生物质的工业分析按ASTM标准在干基基础上进行，使用热风干燥箱和马弗炉。生物质和床层添加剂样品的元素分析使用元素分析仪进行。使用热重分析仪在氮气气氛下以10 °C/min的加热速率从环境温度加热至900 °C，进行生物质样品的热重（TG）和微分热重（DTG）分析。使用X射线荧光光谱分析床层添加剂的化学成分。表1显示了生物质原料的工业分析和元素分析结果。稻壳的挥发分含量为54.2 wt%，低于锯末的71.8 wt%。稻壳的灰分含量为18.9 wt%，远高于锯末的2.1 wt%。锯末的固定碳含量为16.1 wt%，而稻壳为16.9 wt%。锯末的碳和氢含量分别为45.8 wt%和5.9 wt%，高于稻壳的碳（38.6 wt%）和氢（4.8 wt%）含量。稻壳的氧含量为36.2 wt%，低于锯末的45.2 wt%。稻壳的硫含量为0.2 wt%，而锯末未检测到硫。两种生物质的高位热值（HHV）通过元素组成使用杜隆公式计算。锯末的HHV为16.8 MJ/kg，高于稻壳的14.6 MJ/kg。生物质的表观形态通过扫描电子显微镜（SEM）分析，结果如图1(a)和(b)所示。稻壳显示出粗糙且多孔的表面形态，而锯末显示出相对光滑且纤维状的表面。生物质样品的TG和DTG曲线如图2(a)和(b)所示。锯末在300 °C附近显示出单一的剧烈失重峰，而稻壳在250 °C和350 °C附近显示出两个失重峰，这可归因于其高灰分和硅含量。表2显示了床层添加剂沙、煅烧白云石和天然橄榄石的化学成分。沙子含有93.5 wt%的SiO₂。煅烧白云石含有56.8 wt%的CaO和39.2 wt%的MgO。天然橄榄石含有47.6 wt%的MgO、39.8 wt%的SiO₂和8.2 wt%的Fe₂O₃。

反应器温度分布

研究了以稻壳和锯末为原料进行空气-蒸汽气化时的反应器温度分布。本研究选择的S/B比为0.8、1、1.25、1.5和2。当量比（ER）保持恒定在0.3，用于稻壳和锯末，以获得稳定的床层分布和夹带速率。反应器温度分布如图3(a)和(b)所示。在反应器高度300 mm、450 mm、600 mm和800 mm处安装了四个温度指示器T1至T4，分别测量密相区、过渡区和稀相区的温度。对于稻壳和锯末，随着S/B比从0.8增加到2，反应器温度从密相区到稀相区逐渐降低。对于稻壳，在S/B比为0.8时，T1处记录的最高温度为890 °C，在S/B比为2时，T4处记录的最低温度为750 °C。对于锯末，在S/B比为0.8时，T1处记录的最高温度为910 °C，在S/B比为2时，T4处记录的最低温度为770 °C。反应器温度随S/B比增加而降低的原因是蒸汽的吸热反应，如蒸汽重整反应和水煤气变换反应，消耗了床层内的热量。与稻壳相比，锯末在所有S/B比下都显示出更高的反应器温度，这可归因于其更高的挥发分和碳含量，导致气化过程中氧化反应释放更多热量。

结论

本研究调查了操作参数，包括蒸汽/生物质比（S/B）、床层添加剂和生物质烘焙，对循环流化床气化炉在锯末和稻壳空气-蒸汽气化过程中性能的影响。实验在ER为0.3和S/B比为0.8、1、1.25、1.5和2的条件下进行。为了比较产生的合成气质量，两种生物质的操作条件保持相似。观察到S/B比的增加导致反应器温度降低，因为蒸汽的吸热反应消耗了热量。对于沙床，在S/B比为2时，锯末和稻壳分别产生了最高H₂含量为22.6 vol%和19.5 vol%的合成气。S/B比为0.8时提供了最高低位热值（LHV）的合成气，而S/B比为2时提供了最高焦油含量的合成气。与沙床相比，使用煅烧白云石和天然橄榄石在S/B比为2时，分别将锯末和稻壳的合成气中最大H₂含量进一步提高了2.5–4.6 vol%和2.6–3.9 vol%。煅烧白云石和天然橄榄石分别将合成气中的焦油含量降低了25–33%和18–26%。此外，根据操作条件，生物质烘焙进一步提高了气体产率，并将焦油产率降低了30–40%。