载热体温度和氧气浓度对生物质气化及火焰特性的影响

《Thermochimica Acta》：Influence of Heat Carrier Temperature and Oxygen Concentration on Biomass Gasification and Flame Characteristics

本研究采用自建视觉滴管炉和高速成像技术，探究生物质在热载体层不同位置对气化时间的影响，发现表面放置可减少床层阻力，缩短气化时间至126ms。同时，氧气浓度从0.10增至0.20时，火焰最大亮度及面积分别提升2.72和4.69倍，证实热载体与氧气协同优化气化效率。

　　

Xudong Song|Dongbin Mai|Linmin Zhang|Juntao Wei|Qinghua Guo|Lipeeka Rout|Yan Gong|Yonghui Bai|Peng Lv|Weiguang Su|Guangsuo Yu

中国宁夏大学化学与化学工程学院高效利用煤炭与绿色化学工程国家重点实验室，银川750021

摘要：

本研究使用自制的可视化滴管炉和高速成像技术研究了生物质气化过程，重点探讨了载热体温度和氧浓度对气化过程的影响。研究发现，生物质颗粒在载热体层内的位置显著影响了气化时间。将颗粒放置在床层表面可以降低床层阻力，使气化时间从170毫秒缩短至126毫秒。虽然未观察到明显的挥发火焰，但载热体的热储存能力稳定了生物质火焰的稳定性。当氧浓度从0.10%增加到0.20%时，火焰特性显著改善，最大火焰亮度和火焰面积分别提高了2.72倍和4.69倍。本研究旨在通过固体载热体来优化气化器内的热管理。研究目标有两个：一是探讨载热体的热储存能力对生物质气化反应速率的影响；二是研究在控制氧气添加量条件下火焰亮度的变化情况。这两个因素对于维持稳定的气化过程至关重要。

引言

过去几十年里，中国的经济发展主要依赖于高投入、高消耗和高污染的模式，能源成为推动经济增长的主要动力[1]。这种发展模式对环境造成的影响现已得到广泛认可[2]。由于生物质能源具有碳中和特性，在帮助中国实现“碳达峰”和“碳中和”双重目标方面发挥着重要作用[3]。在各种生物质转化技术中，气化被认为是从生物质中提取能量的最有效方法之一[4,5]。

然而，传统的自热气化需要部分燃烧生物质原料以提供必要的过程热量，这导致了能量损失，从而限制了生物质转化为合成气的整体转化效率[6]。为了克服这一限制，将生物质气化与外部清洁能源（如太阳能热能）相结合已成为一个有前景的研究方向[7,8]。在这种系统中，集中光被用来加热载热体，载热体再将热量传递给生物质以驱动气化反应[9]。高效的传热在工业过程中至关重要，提高传热效率对于减少能量损失和提高生产效率非常重要[10]。

已经对气相、液相和固相载热体进行了大量研究[[11], [12], [13]]。最常用的载热体类型包括液相载热体（如熔盐）和固相载热体（如高炉渣和陶瓷球[[14], [15]]。固相载热体因其优异的传热性能、高比热容和低成本而受到广泛关注[16]。在钢铁工业中，利用高炉渣作为化学反应的热源变得越来越普遍，这得益于其良好的废热回收特性[17,18]。在生物质气化过程中，石英砂和陶瓷球常被用作传热介质。

Quan等人[19]使用高温石英砂作为载热体研究了核桃壳生物质的热解过程，考察了载热体温度和载热体与生物质质量比对生物质层平均温度、石英砂层内最高温度以及产物分布的影响。他们的结果表明，石英砂向生物质的热传递显著影响了热解过程，而砂层内的二次反应降低了生物油的产率。Yang等人[5]在实验室规模的气泡流化床反应器中进行了快速热解的数值模拟，发现砂和生物质之间的颗粒大小和密度差异导致生物质颗粒发生了优先分离。这种分离显著影响了气固流中流体动力学参数、温度和物种浓度的空间分布。Wei等人[20]使用催化固相载热体进行了生物质气化实验，同时实现了载热体的气化并减少了焦油的产率。Tursun等人[21]采用蒸汽作为气化剂，橄榄石作为催化固相载热体，研究了气化器温度、蒸汽/煤质量比（S/C）、床层材料和床层高度对产物气体组成、碳转化率和化学效率的影响。结果表明，随着气化器温度的升高，气体产率和碳转化率均有所提高，固相载热体可以显著提高气化效率。

当前的研究主要集中在载热体与生物质之间的传热性能以及气化和热解产物的分布上[22]。Fu等人[23]在定制的V形滴落式热解系统中通过循环载热体加热研究了生物质热解过程，建立了纤维素与木质素以及半纤维素与木质素的比例与生物油产率之间的相关性。使用相同的反应器，Fu等人[24]进一步研究了不同热解温度下生物炭孔结构的演变，发现孔隙率和比表面积通常随温度升高而增加，最大BET比表面积和孔隙体积出现在500°C时。Kong等人[25]应用计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）模拟分析了V形下行反应器中载热体和生物质颗粒的流动和传热行为。他们的结果表明，载热体与生物质的质量比为20:1时可以获得最佳的加热速率和最终的颗粒温度，而增加载热体颗粒直径会显著延长生物质在床层中的停留时间。Xiang等人[26]研究了当量比和气化剂与生物质质量比对合成气产率的影响。他们发现，向气化剂中引入氧气通常可以提高气化效率，但会降低合成气的低位热值（LHV）。在固定床气化器的研究中，Hanaoka等人[27]研究了CO₂/O₂浓度和进料速率对气化行为的影响。使用CO₂/O₂混合物作为气化剂可以提高气体转化率和合成气（CO?+?H₂）的含量。Hu等人[28]通过循环流化床中生物质气化的计算颗粒流体动力学（CPFD）模拟表明，41%的氧浓度可以获得最佳的热化学性能。

尽管固相载热体可以通过外部加热有效防止生物质部分燃烧导致的能量损失，但完全无氧的气化过程仍然面临一个重大技术挑战：焦油产量高[29]。研究表明，在载热体气化系统中引入适量的氧气可以通过温和的氧化反应显著降低焦油产量[30]，而不会像传统自热气化那样产生能量浪费。此外，当载热体温度由于热量损失或负荷波动偏离最佳气化范围（通常为700-900°C）时，精确的氧气注入可以提供必要的补充热量。放热的部分氧化反应可以迅速提高床层温度，确保过程在最佳的热力学条件下进行。在本研究中，我们使用了一种以固相载热体为热源的可视化滴管炉（VDTF）。我们研究了不同床层位置上生物质颗粒的反应特性，以探索纯CO₂气化条件下载热体的增强机制。此外，我们还系统地研究了载热体与氧气在含氧条件下的协同作用对生物质燃烧特性的影响。该分析包括火焰稳定性、反应动力学和能量转化效率等关键参数。这种多模式研究策略紧密符合实际工业需求，并为设计既能高效气化又能灵活控制温度的通用载热体反应系统提供了理论基础。

实验材料与气氛

实验所用生物质为商业玉米秸秆，经过粉碎、干燥后筛分至20-30目。研究针对的是微米级的生物质单颗粒，玉米秸秆的工业分析和元素分析结果见表1。载热体为Al₂O₃含量为92%的陶瓷球，粒径为3.0毫米。选择Al₂O₃含量为92%的陶瓷球作为载热体是因为它们具有以下综合优势：（1）优异的热稳定性，

载热体重损失图像的灰度值分析

图6展示了玉米秸秆的热重分析结果，揭示了四个明显的热分解阶段：水分蒸发阶段（Ⅰ：298K-388K）、过渡阶段（Ⅱ：388K-458K）、初级挥发阶段（Ⅲ：458K-668K）和碳化阶段（Ⅳ：668K-973K）。数据显示，主要的质量损失发生在498K-648K的温度范围内，这与主分解阶段的初级挥发释放期相吻合。

结论

• (1)
  生物质在载热体床层中的空间位置对其气化反应动力学有显著影响。腔体区域的较高床层阻力会抑制气化速率，从而延长反应时间。这种增强的流动阻力阻碍了高温挥发物被低温气化剂的有效置换，导致局部热捕获，从而略微加快了挥发速率。
• (2)
  在载热体加热条件下，

作者贡献声明

Xudong Song：项目管理、资源调配、监督、验证、撰写——审阅与编辑。Dongbin Mai：概念构思、方法论设计、验证、撰写——初稿。Linmin Zhang：监督。Juntao Wei：监督、撰写——审阅与编辑。Qinghua Guo：监督。Lipeeka Rout：撰写——审阅与编辑。Yan Gong：监督。Yonghui Bai：监督。Peng Lv：监督。Weiguang Su：监督。Guangsuo Yu：概念构思、项目管理、资源调配，

作者贡献声明

Xudong Song：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源调配、项目管理。Dongbin Mai：撰写——初稿、验证、方法论设计、概念构思。Linmin Zhang：监督。Juntao Wei：撰写——审阅与编辑、监督。Qinghua Guo：监督。Lipeeka Rout：撰写——审阅与编辑。Yan Gong：监督。Yonghui Bai：监督。Peng Lv：监督。Weiguang Su：监督。Guangsuo Yu：撰写——审阅与编辑、监督、资源调配，