生物质与煤矸石共气化过程中协同作用机制的研究

《Journal of Fuel Chemistry and Technology》：Investigation of the synergistic mechanism during biomass and coal gangue co-gasification

　　

牛永红|邵青|李浩|张在伟

内蒙古科技大学能源与环境学院，中国包头014010

摘要

生物质被视为一种可持续的绿色煤炭替代品，其热化学转化——特别是富氢气化技术——为实现高价值利用提供了有效途径。生物质与煤矸石的共气化能够协同利用碳资源，从而在减排和效率提升方面具有巨大潜力。为了阐明典型生物质成分如何影响气化过程，选择了三种具有不同主要特性的原料：松木棒（高纤维素含量，代表高反应性的挥发性物质）、大豆秸秆（高氮含量，易形成含氮焦油）和玉米秸秆（高灰分且富含K⁺，具有催化活性的无机物）。在固定条件下（850 °C，蒸汽流量2 mL/min，N₂流量75 mL/min），研究了它们与煤矸石的共气化过程。结果表明，成分差异导致了不同的协同效应和产物分布。所有系统在原料质量比为5:5时获得了最高的氢气产量。高纤维素含量的松木棒系统产生了最多的H₂（9.06 mmol/g）和H₂+CO（15.25 mmol/g），由于挥发性物质的高效重整作用，表现出“三高、三低”的优势。相比之下，高灰分/K⁺的玉米秸秆系统在CO方面表现出最强的协同效应（协同指数SI = 1.22，其中SI > 0表示具有协同促进作用），这得益于Boudouard反应的催化作用。高氮含量的大豆秸秆系统虽然实现了最佳的H₂/CO比（2.00），但由于含氮焦油的抑制作用，其合成气产量较低。本研究证实，生物质的具体组成——尤其是纤维素、灰分/K⁺和氮含量——通过调控主导反应路径，差异性地影响合成气的产生和协同效应，为废弃资源的定向转化提供了理论基础。

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