带有集成螺旋导热环的木质生物质颗粒的动态燃烧特性：通过热循环提高氢气产量

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Dynamic combustion characteristics of wood biomass particles with an integrated spiral heat-conducting ring: Enhanced hydrogen production by heat recirculation

生物质制氢螺旋热传导环反应器研究 提出集成木颗粒与螺旋热传导环的新结构，通过调节空气流速（6cm/s时氢气浓度达11.4%）、生物质种类及螺旋环参数（直径、高度），优化热传导效率与气产率，揭示温度分布与产氢浓度的关联规律。

　　生物质能源作为一种可再生能源，近年来在应对全球能源需求和减缓气候变化方面展现出巨大的潜力。氢气作为清洁能源，其生产技术正在不断探索和优化。本文提出了一种新型反应器设计，通过将木材颗粒与螺旋导热环结合，提高生物质的转化效率。研究重点分析了不同木材种类和螺旋导热环参数对产物浓度和燃烧温度的影响，并在不同操作条件下进行了实验验证。

木材的物理特性在热化学转化过程中起着至关重要的作用，影响着热传导、反应动力学以及转化的均匀性。生物质颗粒化处理可以显著改善燃料的性能。例如，Rezaei 等人的研究表明，通过压制成型，木材颗粒从原始针状形态转变为更圆润的形状，不仅提高了堆积密度，还延长了燃烧时间。Lay 等人进一步指出，颗粒化混合物的氢气产量高于粉末状原料。不同种类的生物质由于其半纤维素、纤维素和木质素含量的差异，表现出不同的颗粒特性。Zhylina 等人发现，稻壳颗粒具有最高的密度，这与其较高的半纤维素和纤维素含量有关。Bai 等人则研究了花生壳与小麦秸秆的共颗粒化特性，发现花生壳的加入提高了生物炭的压缩性。此外，生物质的结构对反应过程也有显著影响，Dai 和 Li 的研究指出，圆形结构能够实现更稳定的燃烧速率和转化效率。Ninduangdee 等人则通过减小原料颗粒尺寸，有效控制了CO和CxHy的排放。

多种生物质的协同反应相比单一生物质原料，能够提高热化学转化效率。这是因为某些添加剂在生物质中起到了催化作用。例如，Cui 等人发现，花生壳与油页岩的共热解能够促进油页岩的分解，使原料转化率提高了3.75%。Awais 等人研究了不同原料混合物的共气化效率，发现甘蔗渣和椰壳的低热值（LHV）达到了4.56 MJ/Nm3。Cabuk 等人则发现，经过热解处理的生物质与煤（1:1）混合后，氢气产量最高可达110 mol/kg。尽管生物质共气化能够提高合成气的产量，但不可避免地会产生一些副产物，如焦油。金属催化剂可以促进焦油的二次裂解，从而优化气体产物的组成。其中，镍（Ni）由于其高活性和低成本，被广泛用于蒸汽重整和气化反应。Mastuli 等人的研究表明，催化剂中Ni含量的增加能够减小颗粒尺寸，提高比表面积，从而提升总气体产量。Hu 等人进一步研究了Fe-Ni/AC催化剂对生物质气化中间产物的影响，显著提高了氢气的产量。然而，Ni基催化剂在温度超过600°C时容易失活，这限制了其在高温环境下的应用。

传统的燃烧和气化系统常常面临温度分布不均和局部高温的问题，这不仅影响了转化效率，还可能导致污染物的生成。相比之下，多孔介质燃烧技术在热均匀性、火焰稳定性以及热能回收效率方面表现更优。Dai 和 Dai 的研究指出，添加惰性多孔介质不仅能够实现木材颗粒的高效均匀燃烧，还能获得更多的氢气和更高的LHV。Araus 等人采用木屑颗粒和氧化铝球的混合床过滤燃烧系统，实现了高达99%的氢气转化率。Astorga 等人设计了一种双向多孔介质反应器，发现优化的结构能够提高燃烧温度和燃烧速率。多孔介质的形状和尺寸对热传递路径、火焰传播行为以及局部停留时间有显著影响。Fierro 等人发现，增加空心球的半径会降低热传递效率。而螺旋结构因其紧凑的配置、较高的表面积与体积比以及高效的热传递性能，逐渐受到关注。Güng?r 等人的模拟结果表明，螺旋缠绕热结构的平均热传递速率比传统热交换器提高了7.1%。Mir 等人进一步发现，随着螺距尺寸的减小，热性能得到了显著提升。Wang 和 Dabestani 的研究也证实了螺旋结构在降低整体热损失方面的有效性。然而，目前大多数相关研究集中在气体或液体的热传递应用上，而螺旋结构在生物质燃烧，特别是优化气体产量方面的应用仍较为有限。

本文研究的螺旋导热环结构具有紧凑且易于嵌入的几何特点，能够集成到多孔燃烧床中，同时不影响反应性气体的流动路径。然而，关于木材颗粒与螺旋导热环在多孔介质中的共燃烧研究仍较为缺乏，尤其是在不同材料和尺寸的螺旋导热环应用方面。为提高生物质的热转化效率，本文探讨了利用红木、橡木和松木等生物质资源进行氢气生产的潜力。同时，将木材颗粒与设计为螺旋导热环的金属丝结合，形成了一种催化多孔介质。研究分析了不同生物质混合比例、螺旋导热环类型、尺寸以及实验条件对燃烧产物的影响。研究结果为创新性地利用生物质进行氢气生产提供了理论依据，也推动了氢能的可持续发展。

实验装置方面，每次实验前，系统会预热30分钟，并冷却至323 K，以确保所有实验在相同的初始温度下进行。实验装置如图1所示，主要由质量流量计（Sevenstar D07）和压力调节器组成，用于调节甲烷浓度和空气流速。随后，气体混合物被导入燃烧系统，该系统包括三层逆流反应器和热电偶。如图2(a)所示，燃烧器的结构设计对于实现高效的热传导和气体转化至关重要。

研究中发现，空气流速对燃烧温度和气体产量具有重要影响。随着空气流速的增加，燃烧温度逐渐升高，但氢气产量的变化呈现先上升后下降的趋势。在实验中，当空气流速达到6 cm/s时，氢气产量达到最大值。这表明，空气流速在一定程度上可以促进燃烧反应的进行，但过高的流速可能会导致反应条件的改变，从而影响产物的生成。此外，随着木材颗粒高度的降低，合成气产量呈现上升趋势。这可能是因为颗粒高度的减小增加了反应的接触面积，从而促进了反应的进行。同时，研究还发现，添加镍（Ni）螺旋导热环能够显著提高氢气浓度，达到11.4%，显示出高达122.6%的增长率。这表明，Ni作为一种高效的催化剂，能够显著促进氢气的生成。然而，当螺旋导热环的线径减小时，氢气浓度的变化趋势呈现先上升后下降的特征。这可能是因为线径过小会限制热传导效率，从而影响反应的进行。另一方面，较长的螺旋导热环高度能够延长反应路径，提高合成气的产量。因此，优化螺旋导热环的高度和尺寸对于提高氢气产量具有重要意义。

研究结果为优化反应器几何结构和操作条件提供了宝贵的参考。通过合理设计螺旋导热环的参数，可以有效提高生物质的转化效率，从而实现更高效的氢气生产。此外，不同木材种类的特性对转化效率也有一定影响，因此在选择生物质原料时，需要综合考虑其物理和化学特性。研究还表明，不同操作条件下的实验结果存在显著差异，这提示在实际应用中，应根据具体的原料和反应条件进行优化调整。

在结论部分，本文指出，所提出的新型多孔介质结构能够提高生物质废弃物的利用率。研究结果表明，生物质种类和螺旋导热环对燃烧温度和气体浓度有显著影响。氢气产量随着空气流速的增加先上升后下降，且在6 cm/s时达到峰值。此外，降低木材颗粒高度有助于提高合成气产量。Ni螺旋导热环的引入显著提升了氢气浓度，达到11.4%，显示出122.6%的显著增长。同时，随着螺旋导热环线径的减小，氢气浓度的变化趋势呈现出先升后降的特征，这表明线径的优化对于提高氢气产量至关重要。较长的螺旋导热环高度能够延长反应路径，从而提高合成气的产量。这些发现为生物质氢气生产的优化提供了理论依据和实验支持。

研究还强调了生物质资源的合理利用对于实现“双碳”目标的重要性。通过提高生物质的转化效率，不仅能够满足能源需求，还能有效减少碳排放，推动绿色能源的发展。此外，螺旋导热环的应用为生物质燃烧技术提供了一种新的思路，其紧凑的结构和高效的热传导性能，使其在实际应用中具有较大的潜力。然而，仍需进一步研究不同材料和尺寸的螺旋导热环对转化效率的具体影响，以及如何在不同操作条件下实现最佳的反应效果。

总体而言，本文的研究成果不仅丰富了生物质热化学转化的理论体系，也为实际工程应用提供了可行的技术路径。未来的研究可以进一步探索不同生物质种类的协同作用，以及催化剂在不同温度范围内的性能变化，以实现更高效率和更低排放的生物质氢气生产。此外，还可以结合先进的模拟技术和实验方法，深入分析反应器内部的热传递和反应动力学机制，从而为生物质能源的高效利用提供更加全面的理论支持和技术指导。