煤焦与生物质焦CO_2共气化特性及分布活化能研究

煤与生物质共热解工艺的研究进展摘要：热解是将固态原料转化为液体燃料、可燃气和焦的重要途径，是实现生物质资源清洁、高效利用的重要技术。

将生物质与煤混合共热解是生物质资源利用的重要方法，两者混合热解不仅有助于降低CO2的排放量，还能有效地解决能源短缺和环境污染带来的问题。

文章综述了煤与生物质共热解技术的研究进展，系统地介绍了共热解过程中煤与生物质的相互作用以及热解温度、混合比例、滞留时间、升温速率、矿物质成分、物料粒径和热解反应器类型等因素对热解过程的影响，并对煤与生物质共热解技术的发展前景进行了展望。

前言工业革命以来，化石资源的过度开发带来了资源短缺、环境污染、温室效应和全球气候变化等一系列问题[1]。

我们必须要加快能源结构体系的调整，加快可再生能源的开发、利用，以及实现资源的分级转化与梯级利用。

生物质是一种重要的可再生资源，具有与化石燃料相似的一些特性，能够部分替代化石能源，维持环境碳平衡，并具有较低的硫含量[2]。

生物质的利用不仅可以充分发挥农林废弃物等资源的价值、降低化石燃料的消耗，还可以降低燃料燃烧过程中污染物的排放量[3]。

与燃烧相比，热解能够实现生物质资源的高效、清洁利用，煤炭与生物质都可以通过热解的方式得到焦炭、热解气和焦油，并进一步合成化工原料，提取化工中间体[4]。

目前，对于煤和生物质单独热解气化方面的研究比较多。

Frau Caterina利用Sotacarrrbo型小规模气化炉对褐煤和木屑分别进行气化实验，当气化原料的进料速率同为24kwh时，获得的两种粗合成气的产率分别为79.67kg/h和23.32kg/h，热值分别为5.14MJ/kg和7.49MJ/kg[5]。

Li利用新型热解反应器对废木屑进行热解试验，在填料速率为300kg/h，热解温度为500℃的工况下产物中焦油、合成气和焦炭的含量(质量分数)分别为52.5％，27％和20.5％[6]。

相比于单独热解.煤与生物质的共热解不仅可以减少CO2，SOx和NOx的排放，减少因厌氧发酵而产生的NH3，H2S、氨基化合物和挥发性有机酸等化学成分的释放.而且可以改善生物质资源自身水分含量高、热值低和密度低等不利于单独热解的问题。

生物质气化及生物质与煤共气化技术的研发与应用摘要：总结了生物质原料的特点及生物质单独气化的缺点；介绍了国内外生物质气化技术及生物质与煤共气化技术的研发与应用现状；分析了在此领域国内外的发展趋势与前景；概括了开展生物质与煤共气化技术研发的意义。

生物质包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。

与煤炭相比，生物质原料具有如下特点：①挥发分高而固定碳含量低。

煤炭的固定碳一般为60%左右；而生物质原料特别是秸秆类原料的固定碳在20%以下，挥发分却高达70%左右，是适合热解和气化的原料。

②原料中氧含量高，灰分含量低。

③热值明显低于煤炭，一般只相当于煤炭的1/2～2/3。

④低污染性。

一般生物质硫含量、氮含量低，燃烧过程中产生的SO2、NOx较低。

⑤可再生性。

因生物质生长过程中可吸收大气中的CO2，其CO2净排放量近似于零，可有效减少温室气体的排放。

⑥广泛的分布性。

生物质气化是生物质利用的重要途径之一。

生物质气化技术已有一百多年的发展历史，特别是近年来，对生物质气化技术的研究日趋活跃。

但生物质单独气化存在一些缺点。

首先，生物质的产生存在季节性，不能稳定供给；其次，由于生物质处理后形成的颗粒具有不规则性，在流化床气化炉内不易形成稳定的料层，需要添加一定量的惰性重组分床料如河砂、石英砂等；第三，生物质单独气化时生成较多的焦油，不仅降低了生物质的气化效率，而且对气化过程的稳定运行造成不利影响。

生物质与煤共气化不仅可以很好地弥补生物质单独气化的上述缺陷，同时在碳反应性、焦油形成和减少污染物排放等方面可能会发生协同作用。

1国外的研究与应用情况(1)生物质气化发电生物质气化及发电技术在发达国家已受到广泛重视，如美国、奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威和瑞典等国家生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。

美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位，美国建立的Battelle生物质气化发电示范工程代表生物质能利用的世界先进水平。

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 10 期煤粉耦合生物质气协同降低NO x 和CO 2的排放技术范宝田1，2，严祯荣1，3，苏厚德2，刘岑凡4，宋玉娟5（1 上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620；2 上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518；3机械工业锅炉低碳化技术重点实验室，上海 201620；4 中国特种设备检测研究院，北京 100029；5上海电器科学研究所(集团)有限责任公司，上海 200063）摘要：针对我国提出的“双碳”目标，以某350MW 煤粉/生物质气混烧锅炉为研究对象，数值模拟了生物质气的掺烧比和空气分级技术对炉内温度、NO x 和CO 2的生成量及煤粉的燃尽特性的影响。

结果表明：增加生物质气的掺烧量和空气分级技术均会降低主燃烧器区的温度，温度由1539K 降至1266K ，炉内火焰中心上移。

由于炉内还原气氛介质增加、主燃烧器区温度降低、生物质气中N 2的占比多及CO 2占比少的综合因素，煤粉/生物质气混烧联合空气分级技术能协同降低NO x 和CO 2的排放量，NO x 排放量由345μL/L 降至88μL/L ，CO 2排放量由22.90%降至10.67%。

但煤粉混烧生物质气会减少煤粉颗粒在炉内的停留时间，建议通过增大炉膛高度、减小煤粉颗粒的粒径、将生物质气预处理到较高温度等方法提高煤粉的燃尽率。

该研究结果可为煤粉/生物质气混烧锅炉的低氮和低碳运行提供技术支持。

关键词：煤粉/生物质气；掺烧比；空气分级；碳排放；数值模拟中图分类号：TK229.91 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）10-5501-08Synergistic reduction of NO x and CO 2 emissions by couplingpulverized coal with biomass gasFAN Baotian 1，2，YAN Zhenrong 1，3，SU Houde 2，LIU Cenfan 4，SONG Yujuan 5(1 School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China;2Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co., Ltd., Shanghai 201518, China; 3 Mechanical Industrial Key Laboratory of Boiler Low-Carbon Technology, Shanghai 201620, China; 4 China Special Equipment Inspection & Research Institute, Beijing 100029, China; 5 Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)Abstract: In view of the “double carbon” policy goal proposed by China, taking a 350MW pulverized coal/biomass gas mixed combustion boiler as the research object, the effects of biomass gas blending ratio and air classification technology on the furnace temperature, NO x and CO 2 generation and the burnout characteristics of pulverized coal were numerically simulated. The results showed that the temperature of the main burner zone will be reduced by increasing the blending amount of biomass gas and the air classification technology. The temperature will be reduced from 1539K to 1266K, and the flame center in the furnace will move upward. Due to the comprehensive factors such as the increase of the reducing atmosphere medium in the furnace, the decrease of the temperature in the main burner area, the large研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-2189收稿日期：2022-11-25；修改稿日期：2023-02-14。

第53卷第4期 辽 宁 化 工 Vol.53，No. 4 2024年4月 Liaoning Chemical Industry April，2024收稿日期： 2024-03-01 生物质气化的研究进展于美双，侯硕*（沈阳工业大学 化工装备学院， 辽宁 辽阳 111000）摘 要： 生物质能源具有安全性高、环保性强、分布广泛、易储存运输和产量大的优点，生物质能已成为继三大化石能源后的第四大能源，生物质气化作为生物质的一种重要应用形式，具有巨大的发展潜力和价值。

介绍了生物质气化的概念、基本原理，并分析了气化剂气化、热解气化、催化气化、等离子体气化、超临界水气化等气化技术的优缺点，同时阐述了固定床气化炉、流化床气化炉、气流床气化炉、回转窑炉和等离子气化炉的工作原理及各自优缺点，最后指出生物质气化技术目前面临的问题，提出解决措施。

关 键 词：生物质能源； 生物质气化； 气化原理； 气化技术； 关键设备中图分类号：X382 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2024）04-0606-06随着社会对能源需求的不断增长，现阶段石油、煤炭等化石能源面临着资源枯竭的风险，同时存在着气候变暖和空气污染等问题，对社会与环境造成很大影响，因此能源问题得到重视[1]。

而生物质能被认为是太阳能等所有可再生能源中最有发展前景，是继煤炭、石油和天然气之后的第四大能源[2]。

所以，生物质能源的利用引起了研究人员的高度重视，本文将对生物质气化技术及气化设备进行了详细概述。

1 生物质气化的概念及基本原理生物质气化是一种将固体生物质物料（如木材、农作物残留物、动植物废弃物、植物纤维等）在高温、无氧或者缺乏足够氧气的条件下转化为可燃气（通常包括氢气、一氧化碳和甲烷等）的技术[3]。

根据反应温度和产物不同，生物质气化主要可以分为4个过程[3-4]：1）干燥过程：是生物质从进料口进入气化炉后，在热量的作用下，将水分蒸发掉，变成干燥的生物质的过程。

燃烧热表5.5，吉布斯自由能，和热的形成在298 K ，1个大气压，和经验系数从 E q s .5.35和5.36E q s .5.35和5.36高热值经验系数产品 (K J /m o l ) (K J /m o l ) (K J /m o l ) a ' b ' c ' d ' e ' f ' g 'C 393.5 0 0C O 283 -137.3 -110.5 5.619×10-3 -1.19×10-5 6.383×10-9 -1.846×10-12 -4.891×102 0.868 -6.131×10-2C O 2 0 −394.4 −393.5 −1.949×10-2 3.122×10-5 −2.448×10-8 6.946×10-12 -4.891×102 5.27 -0.1207C H 4 890.3 −50.8 −74.8 −4.62×10-2 1.13×10-5 1.319×10-8 −6.647×10-12 −4.891×102 14.11 0.2234C 2H 4 1411 68.1 52.3 -7.281××10-2 5.802×10-5 -1.861×10-8 5.648×10-13 -9.782×102 20.32 -0.1076C H 3O H 763.9 -161.6 -201.2 -5.834×10-2 2.07×105 -1.861×10-8 -9.614×10-12 -4.891×102 16.88 -0.2467H 2O 0 -228.6 -241.8 -8.95×10-3 -3.672×10-6 5.209×10-9 -1.478×10-12 0 2.868 -0.0172(蒸汽)H 2O 0 -237.2 -2.858(水)O 2 0 0 0H 2 285.8 0 0来源：改编自p r o b s t e i n 和希克斯，2006，p p . 55，61.140第| 5气化理论和建模气化炉5.4 气化反应动力学的研究相对于气体的分压，Pi 。

煤与生物质流化床共气化的CFD数值模拟研究综述摘要：气化技术作为固体燃料(如煤和生物质等)清洁利用的重要方式，越来越广泛地被应用于生产合成气的工程实践中。

针对煤与生物质在单独气化时存在转换效率低、气体产物热值低以及焦油含量高等问题，提出了共气化技术以改善气化工艺。

文中主要介绍了基于计算流体力学（CFD）的煤与生物质共气化仿真模拟的研究，论述了两种固体燃料在单独气化和共气化时的反应机理，并详细介绍了冷态和热态流化床共气化CFD模拟所用到的模型。

目前全球绝大多数能源均由传统化石燃料所提供。

随着能源需求量的不断增加，燃料资源总量也在日益减少，同时在煤等燃料的燃烧利用过程中会产生大量的NOx 、SO2以及颗粒物等污染物，会对环境造成严重的影响[1]。

所以，对资源进行更加清洁高效的利用是目前亟待研究和解决的问题。

在现有的能源利用技术中，气化则被视为传统能源清洁高效利用的重要方式之一[2]，其中对煤与生物质的气化研究较为广泛，此外由于拥有较为适中的温度、物料粒径等条件，使得流化床气化成为活性较高的煤种与生物质等燃料气化的主要方式。

固体燃料流化床气化示意图及气化特点如图1所示。

在已发展较成熟的燃料单独气化技术的基础上，研究人员提出了煤与生物质的共气化技术[3]。

煤与生物质在共气化过程中产生了协同作用，弥补了两种燃料单独进行气化过程中的不足，打破了气化原料选择的限制，同时还可以提高气化时碳的反应速率，抑制焦油的生成并减少污染物的排放[4]。

所以共气化技术在将固体燃料转化为合成气的同时，提高了能源的利用率，并且减少了一部分化石能源的消耗。

由于生物质和煤的气化需要在900～1000℃的高温条件下进行，对实验设备有较高的要求。

此外，在对气化过程进行实验探究时，耗时较长，危险性也较高。

而通过计算流体力学（CFD）等数值模拟的方法则可以使得研究工作的成本较低，能节省更多的时间、人力和物力。

CFD在流化床中的应用主要有三个方面[5]，分别是流化床结构设计与操作条件的优化；模拟流化床冷态气固两相流，研究其中颗粒流动的规律；模拟流化床中热态的化学耦合，建立热态化学反应模型。

生物质气流床气化特性及半焦气化动力学研究的开题报告一、研究背景随着环保意识的不断提高和能源问题的日益紧迫，生物质能作为一种可再生绿色能源，越来越受到人们的重视。

生物质经过气化可以获得高品质的沸腾床燃气，被广泛应用于电力、燃气、制氢等领域。

而气流床气化是一种重要的生物质气化技术，对于生物质气化的研究具有重要意义。

二、研究目的本研究的主要目的是探究生物质气流床气化的特性和半焦气化动力学，以期提高生物质气化的气化效率和产物质量，为生物质气化技术的发展提供理论基础和技术支撑。

三、研究内容本研究将从以下几个方面展开：（1）生物质气流床气化特性的研究，包括气化过程中的关键参数如温度、反应速率等的影响因素。

通过实验研究，探究气化效率和产物质量的变化规律，并以实验结果为依据建立生物质气化的数学模型。

（2）半焦气化动力学的研究，通过对生物质半焦样品的气化实验，研究气化过程中反应速率和反应动力学特性。

根据实验结果，建立半焦气化的数学模型，提高生物质气化产物品质。

（3）生物质气化过程中产物分析，通过实验分析产物中的主要组成和结构特征，了解生物质气化反应的机理和产物的特性。

四、研究方法本研究将采用实验研究和数学模型分析相结合的方法。

具体方法包括：（1）生物质气化实验：使用生物质作为气化原料，在不同的气化条件下进行实验，记录数据并分析结果。

（2）半焦气化实验：采用生物质半焦样品进行实验，研究气化过程中的反应动力学特性。

（3）数据处理和数学模型建立：根据实验结果，建立生物质气化和半焦气化的数学模型，分析数据并进行结果预测。

五、研究意义本研究有助于深入了解生物质气化的反应机理和气化过程中的关键参数，提高生物质气化的效率和产物品质。

同时，研究成果也可以为生物质气化的工程应用提供指导，并且对于节能减排和环保事业的发展也具有重要意义。