聚焦太阳能高温气化生物质制备合成气的机理研究

The high tar content and low heating value make conventional biomass gasification gas product difficult for subsequent utilization. Owing to the high temperature (up to 2000oC), solar gasification of biomass not only directly efficiently transforms the biomass, but also stores the intermediate solar energy. However, the synergistical transformation mechanism and gasification kinetics of pyrolysis char and volatile under steam is not clear. It results in the technology integration efficiency low between concentrated solar energy and biomass gasification unsolved. The project based on solar gasification of biomass aims to figure out the reaction mechanism for optimal regulation. The combined method of experimental research, theoretical analysis and CFD simulation are used to reveal the evolution mechanism, kinetics and efficient conversion path of intermediate products (volatile and char) thermal chemical under high temperature. Photolytic formation of free radicals from volatile and their effect on enhancement of thermal chemical reaction is also explored. The expected results of this project will provide scientific reference and theoretical basis for direct production of high quality syngas from solar gasification of biomass. The work shows important theoretical significance and bright application prospects.

传统生物质气化燃气热值低、焦油含量高，后续利用困难。聚焦太阳能高温气化生物质（最高至2000oC），既能直接将生物质高效转化为未被焦油污染的高品位合成气，又储存了间歇性太阳能。但高温下热解焦炭和挥发分在水蒸气气氛中的协同转化机制以及动力学特性尚不明晰，导致太阳能聚光集热和生物质气化两种技术集成方面存在能源转化效率低的问题。本项目以明晰反应机理实现优化调控为出发点，采用实验研究、理论分析、流体动力学和热力学模拟相结合，研究生物质在聚焦太阳能加热下的气化传热传质特性及过程机理，阐明高温和高升温速率下热解焦炭和生物质的气化反应动力学机理，揭示高温下中间产物挥发分和焦炭热化学演变机制及高效协同转化路径，探索挥发分光解形成自由基对热化学反应的增强效应。本项目预期成果可为聚焦太阳能气化生物质直接制备高品位合成气提供科学参考和理论依据，对生物质资源化利用有重要意义。

生物质的高效清洁气化决定合成气的产量和品质，影响后续费托合成工艺经济性。申请人近年来致力于开展聚焦太阳能高温驱动生物质气化新技术研究，明晰了生物质在聚焦太阳能加热下的气化传热传质特性及过程机理，阐明了高温和高升温速率下热解焦炭和生物质的气化反应动力学机理，揭示了高温下中间产物挥发分和焦炭热化学演变机制及高效协同转化路径。具体结果如下：气化反应过程中，焦炭的气化反应速率逐渐降低，焦炭结构趋于有序化和芳构化，无定形碳和脂肪族链式结构逐渐减少，部分孔隙结构发生聚合或坍塌；高能光子会使挥发分中的一些化合物发生光解，从而促进后续的二次反应，热解中间体在高能光子的作用下进一步发生脱氧和芳香化反应，形成大量的稠环芳烃物质；生物质样品内部同时存在干燥，热解和气化锋耦合，焦油的热转化并不局限于样品内，离开样品后它们还会发生热裂解和蒸汽重整；气化温度升高能够提高合成气产量和气化效率。以上研究取得了丰硕的研究成果，培养硕博士研究生5人，发表学术论文12篇，其中国际SCI论文11篇（1篇影响因子过10），国内EI论文1篇，获授权发明专利4项。