化學(xué)鏈燃燒技術(shù)具有CO₂內(nèi)分離特性,被譽(yù)為解決能源與環(huán)境問(wèn)題的創(chuàng)新性突破口。生物質(zhì)能源具有儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、污染小以及碳中性等優(yōu)點(diǎn),是最具潛力替代化石能源的可再生能源。將生物質(zhì)應(yīng)用于化學(xué)鏈技術(shù)中有助于減少碳排放,具有廣闊的發(fā)展前景。鐵基氧載體由于價(jià)格低廉、環(huán)境友好和資源豐富等優(yōu)勢(shì),將其應(yīng)用于化學(xué)鏈技術(shù)中可大幅降低運(yùn)行成本,但其反應(yīng)活性較低,載氧能力低等缺點(diǎn)限制了鐵基載體的應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題,本文以農(nóng)林廢棄生物質(zhì)為燃料,開(kāi)展鐵基氧載體生物質(zhì)化學(xué)鏈技術(shù)研究,主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:（1）采用熱重分析儀研究農(nóng)林廢棄生物質(zhì)原料的熱解特性。與單步反應(yīng)模型相比、組合三平行動(dòng)力學(xué)模型能更好地揭示農(nóng)林廢棄生物質(zhì)熱解機(jī)理。其中,偽組分半纖維素的熱解機(jī)理是成核和擴(kuò)散效應(yīng)的共同作用,偽組分纖維素的熱解符合成核和核心生長(zhǎng)模型,偽組分木質(zhì)素的熱解機(jī)制非常復(fù)雜,可能是成核、擴(kuò)散、幾何收縮以及冪律反應(yīng)機(jī)制的共同作用。偽組分半纖維素、偽組分纖維素以及偽組分木質(zhì)素的熱解機(jī)理函數(shù)分別為f（α）=（1-α）^1.6244α^-0.3371[-ln（1-α）]<... 

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生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒兩種途徑

生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化(Chemical looping gasification,CLG)技術(shù)原理如圖1-4所示。與生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒技術(shù)最大的不同點(diǎn)在于:生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化技術(shù)的目標(biāo)產(chǎn)物是合成氣,而生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的主要目標(biāo)產(chǎn)物為熱量。在生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化技術(shù)中,生物質(zhì)在燃料反應(yīng)器內(nèi)與氧載體提供的晶格氧反應(yīng)獲得合成氣,而氧載體失去晶格氧后被轉(zhuǎn)移到空氣反應(yīng)器中再生。與傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化技術(shù)相比,生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化技術(shù)主要具有以下優(yōu)點(diǎn):首先,在生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化技術(shù)中,通過(guò)氧載體在不同反應(yīng)器間循環(huán)為氣化過(guò)程提供氧,減少了氣化介質(zhì)的使用,有助于降低成本;其次,氧載體在空氣反應(yīng)器內(nèi)的氧化再生過(guò)程屬于放熱反應(yīng),通過(guò)氧載體的循環(huán),可以為生物質(zhì)氣化提供熱量,減少了對(duì)生物質(zhì)氣化過(guò)程的熱能供給;最后,相比于傳統(tǒng)氣化過(guò)程發(fā)生的氣-氣反應(yīng),在生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化過(guò)程中,氧載體與生物質(zhì)熱解氣態(tài)產(chǎn)物之間的氣-固反應(yīng)在常壓下就能進(jìn)行。雖然生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化技術(shù)起步較晚,但在國(guó)內(nèi)外研究人員的努力下,仍然取得了不錯(cuò)的成果。得益于銅基氧載體在化學(xué)鏈燃燒技術(shù)中的廣泛研究,基于銅基氧載體的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化技術(shù)獲得了較多關(guān)注。郭磊等采用溶膠凝膠法制備CuO/CuAl2O4氧載體,研究了木屑的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化過(guò)程,獲得了較高的產(chǎn)氣率以及碳捕獲效率,減少產(chǎn)氣中焦油產(chǎn)率,但是產(chǎn)氣熱值與氣化效率不高[102]。趙坤等采用CuO為氧載體,對(duì)生物質(zhì)化學(xué)氣化進(jìn)行熱動(dòng)力學(xué)分析,結(jié)果認(rèn)為理論合成氣中CO與H2的比例最高可達(dá)98.8%;此外,加入水蒸汽有利于提高碳轉(zhuǎn)化率以及調(diào)節(jié)合成氣中H2/CO比例[113]。Guo Lei等采用天然銅礦石為氧載體進(jìn)行生物質(zhì)化學(xué)鏈制備合成氣實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)銅礦石還表現(xiàn)出較好的循環(huán)性能以及抗燒結(jié)能力,但是合成氣熱值以及氣化效率較低[114]。程明等采用溶膠凝膠法制備了多種銅基氧載體并將其應(yīng)用于煤與稻殼的氣化技術(shù)中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)5%Co3O4/CuO氣化性能最好;與水蒸汽氣化相比,化學(xué)鏈氣化過(guò)程產(chǎn)生更多的H2與CO[115]。付范萱采用CuO/MgAl2O4為氧載體進(jìn)行生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化技術(shù)研究,結(jié)果認(rèn)為添加惰性負(fù)載MgAl2O4明顯改善了銅基載體的釋氧能力以及循環(huán)性能,制備合成氣最佳CuO/C摩爾比例為0.35[116]。

隨著化學(xué)鏈燃燒技術(shù)發(fā)展,還衍生了化學(xué)鏈氣化(Chemical looping gasification)、化學(xué)鏈重整(Chemical looping reforming)及化學(xué)鏈制氫(Chemical looping hydrogen)等技術(shù)�；瘜W(xué)鏈重整技術(shù)原理與化學(xué)鏈氣化技術(shù)相似,在燃料反應(yīng)器出口獲得主要成分為CO與H2的合成氣,為了獲得高濃度H2,在水汽變換后對(duì)H2和CO2進(jìn)行分離即可獲得高純氫氣[125]。然而化學(xué)鏈制氫技術(shù)可在一個(gè)流程中同時(shí)完成高濃度H2的制取和高濃度CO2的富集,不需要?dú)怏w分離裝置,化學(xué)鏈制氫技術(shù)原理如圖1-5所示。在化學(xué)鏈制氫技術(shù)中,氧載體在燃料反應(yīng)器中與燃料反應(yīng)產(chǎn)生CO2和H2O。隨后,還原態(tài)的氧載體進(jìn)入水蒸汽反應(yīng)器與水蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生H2。理想狀態(tài)下,僅僅通過(guò)冷凝即可獲得高純H2與CO2。相比于化學(xué)鏈重整制氫技術(shù),減少了氫氣分離設(shè)備。然而,相比于其他化學(xué)鏈技術(shù),化學(xué)鏈制氫技術(shù)除了要求氧載體具備常規(guī)的性能外,還需要氧載體具備與水蒸汽反應(yīng)制取氫氣的能力。Gupta等人對(duì)多種金屬氧化物進(jìn)行熱力學(xué)分析后認(rèn)為Fe2O3被認(rèn)為是化學(xué)鏈制氫技術(shù)中最為適合的氧載體[126]。由于鐵基載體具有多個(gè)還原形態(tài),Chiesa等對(duì)化學(xué)鏈制氫技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),即在水蒸汽反應(yīng)器后添加一個(gè)空氣反應(yīng)器,也就是三串聯(lián)反應(yīng)器化學(xué)鏈制氫工藝,如圖1-6所示[127]。

【參考文獻(xiàn)】：
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