太陽能熱解氣化的發(fā)展現(xiàn)狀文獻綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u1262太陽能熱解氣化的發(fā)展現(xiàn)狀文獻綜述 1154241.1太陽能聚光系統(tǒng) 178301.2太陽能氣化反應(yīng)器 2130931.3實驗室規(guī)模的太陽能熱解/氣化 413971.4中試規(guī)模的太陽能熱解/氣化 522141參考文獻 6生物質(zhì)氣化與聚光式太陽能的結(jié)合是有利的，太陽能熱解/氣化提供了綜合利用兩種資源的益處。利用高溫太陽熱提供氣化反應(yīng)焓可以避免部分原料燃燒，節(jié)省資源并避免產(chǎn)品被燃燒和副產(chǎn)物污染。因此，使用聚光式太陽能作為外部過程熱源來驅(qū)動氣化吸熱反應(yīng)，可以節(jié)省生物質(zhì)資源，在單位質(zhì)量的原料中產(chǎn)生更多的合成氣，同時具有更高的合成氣質(zhì)量（因為它不會被燃燒產(chǎn)物污染）。太陽能驅(qū)動的氣化促進了生物質(zhì)的利用，同時這是一種以可再生，可調(diào)度和可存儲的太陽能燃料形式存儲間歇性太陽能的有效方法。1.1太陽能聚光系統(tǒng)四種常用的太陽能聚光系統(tǒng)如圖1-2所示，按照聚光系統(tǒng)設(shè)置方式不同可以分為：拋物線槽（PT）和線性菲涅耳式（LF）反射器（圖1-2a,b）采用的是單軸跟蹤和線聚焦技術(shù)，它們的工作溫度范圍為250-400℃。中央接收器（即塔架配置，圖1-2c）和拋物面碟形集中器（圖1-2d）是兩軸跟蹤和點聚焦技術(shù)，很容易達到1000℃，而代價是成本和復(fù)雜性更高[6]。圖1-2聚光系統(tǒng)：（a）拋物線槽式（b）線性菲涅耳式（c）塔式（d）拋物線槽式[6]Fig.1-2Condensersystem:(a)Parabolictrough,(b)LinearFresnel,(c)Tower,(d)Parabolicdish[6]1.2太陽能氣化反應(yīng)器在固定床的研究中，1980年Gregg等設(shè)計了第一個太陽能氣化爐[7]，由直接照射的L型固定床反應(yīng)器組成（圖1-3a）。它成功地將不同的碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為合成氣產(chǎn)品，使氣體產(chǎn)品中所含燃料熱值的形式有效存儲了超過20％的入射陽光。幾年后Taylor等開發(fā)了一種直接輻射的固定床反應(yīng)器（圖1-3b）[8]，用于氣化包括木炭、木材和紙等不同的原料。該反應(yīng)器被來自上側(cè)的太陽輻射加熱，隨著氣化反應(yīng)的進行，原料裝料通過活塞朝著焦點向上移動，并將性能輸出與專用于使用CO2進行木炭氣化的流化床反應(yīng)器的性能輸出進行了比較，氣化效率為流化床的3倍左右。2009年P(guān)iatkowski等開發(fā)了另一種以間歇模式運行的固定床反應(yīng)器（圖1-3c）[9]。該反應(yīng)器由兩個空腔組成，上面的一個接收太陽輻射并加熱發(fā)射板，下面的一個被熱發(fā)射器加熱以驅(qū)動熱化學(xué)氣化反應(yīng)，以最大程度地減少熱量損失。操作該反應(yīng)器可將多種含碳廢物原料氣化，包括木炭，廢輪胎粉以及工業(yè)和污水污泥。反應(yīng)器的主要缺點是整個床層的傳導(dǎo)熱傳遞速度較弱，這會引起明顯的溫度梯度，并且堆積會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)渣和燒結(jié)[9]。圖1-3太陽能反應(yīng)器：(a)(b)(c)固定床床反應(yīng)器，(d)(e)(f)流化床反應(yīng)器，(g)直接輻射渦流反應(yīng)器，(g)間接輻射渦流反應(yīng)器[7-11]Fig.1-3Solarreactor.(a)(b)(c)fixedbedreactor,(d)(e)(f)fluidizedbedreactor,(g)directlyirradiatedvortex-flowreactor,(h)indirectlyirradiatedvortex-flowreactor[7-11]在流化床的研究中，2002年Kodama等研究了在實驗室規(guī)模的流化床反應(yīng)器中使用CO2氣化煙煤的過程，該反應(yīng)器由Xe燈從側(cè)面直接照射（圖1-3d）[10]。流化煤顆粒與石英窗的直接接觸不利于窗的清潔度和機械完整性。因此，在隨后的工作中，通過開發(fā)從頂部照射的不同的流化床反應(yīng)器，改進了先前的概念，從而在窗口區(qū)和反應(yīng)的流化顆粒之間提供了空間間隙[11]（圖1-3e）。接著他們對該流化床反應(yīng)器進行了進一步的改進（圖1-3f）[12]在反應(yīng)器中心增加了引流管，從而使整個床層高度的溫度均勻，同時增強了攪拌。夾帶和渦流反應(yīng)器可是實現(xiàn)與太陽能耦合。2006年Z’Graggen等研究了直接輻照石油焦汽化（圖1-3g）[13]，并在直接和間接加熱模式下進行實驗操作，渦流配置通過1s的停留時間單次通過就獲得了高達87％的碳轉(zhuǎn)化效率。2017年Müller等在壓力為1~6bar的無窗間接輻射加壓反應(yīng)器中測試了木炭/水漿的氣化（圖1-3h）[14]。輻射首先加熱了一個U形SiC腔，氣體粒子流以渦流的形式在該SiC腔周圍流動，在不到5s的時間內(nèi)獲得了超過94％的碳轉(zhuǎn)化效率。1.3實驗室規(guī)模的太陽能熱解/氣化太陽能驅(qū)動生物質(zhì)熱解/氣化的研究目前大多還停留在實驗室規(guī)模。SergioMorales等在實驗室規(guī)模的太陽能反應(yīng)器中進行松木屑，桃子核，葡萄莖和葡萄果渣的太陽能熱解[15]，利用這些農(nóng)業(yè)和林業(yè)副產(chǎn)品生產(chǎn)燃料氣體。實驗結(jié)果表明，氣體產(chǎn)量通常隨著各種生物質(zhì)殘留物的溫度和加熱速率而增加，而液體產(chǎn)率則相反隨著各種生物質(zhì)殘留物的溫度和加熱速率而減少。結(jié)果表明在2000℃的最終溫度和50℃/s的加熱速率下熱解的松木屑獲得高達63.5wt％的氣體產(chǎn)率。HaftomWeldekidan等研究了稻殼的熱解在從聚集的太陽輻射獲得的不同溫度下進行[16]。稻殼的太陽能熱解主要生產(chǎn)生物油（20.6~43.1wt％），其次是生物炭和熱解氣體。觀察到熱解氣體隨溫度從500℃下的14wt％增加至800℃下的最大產(chǎn)率25.48wt％。發(fā)現(xiàn)最高的生物炭產(chǎn)率在500℃下為43wt％。QuentinBellouard等研究設(shè)計了一種具有連續(xù)生物質(zhì)注入的太陽能噴射床反應(yīng)器的新概念，以增強反應(yīng)器中的傳熱，他們通過提供顆粒的恒定攪拌來提高氣化速率和氣體產(chǎn)率，并且能夠連續(xù)操作[17]。他們進行原型的熱模擬以計算溫度分布并驗證1.5kW規(guī)模的反應(yīng)器設(shè)計?；谶@種新設(shè)計的太陽能反應(yīng)堆的可靠運行也在使用拋物面盤式濃縮器的真實太陽輻射下進行了實驗證明。使用CO2或蒸汽作為氧化劑，在1100℃~1300℃的溫度范圍內(nèi)連續(xù)氣化木材顆粒，碳轉(zhuǎn)化率超過94％，氣體產(chǎn)量超過70mmol/g（biomass）。Arribas等人研究來自生物質(zhì)（柵藻和小麥秸稈）和廢物處理（污水污泥）的三種低品位碳質(zhì)材料已被選為太陽能驅(qū)動的熱化學(xué)過程的原料[18]。他們在7kW高通量太陽模擬器中直接照射樣品進行太陽能驅(qū)動的熱解和氣化測量，并連續(xù)監(jiān)測釋放的氣體H2、CO、CO2和CH4以及樣品溫度。太陽能驅(qū)動實驗表明，H2和CO是重要的產(chǎn)物氣體，表明三種原料的合成氣生產(chǎn)質(zhì)量很高。1.4中試規(guī)模的太陽能熱解/氣化迄今為止，在中試規(guī)模的測試中僅進行了兩個太陽能熱解/氣化研究項目。一個為基于Z’Graggen[13]等人的概念研究500kW腔型渦流太陽能反應(yīng)器的Synpet[19]項目。另一個基于Piatkowski[9]等人的概念研究了一個150kW腔式固定床反應(yīng)器的Solsyn[20]項目（圖1-4）。對于渦流Synpet反應(yīng)器，氣動輸送機向反應(yīng)器提供了來自地面的石油焦炭顆粒。在固定床的Solsyn反應(yīng)器中，在以分批方式運行的實驗之前，反應(yīng)室已充滿了原料。它涉及六種形態(tài)和異質(zhì)性不同的含碳生物質(zhì)和廢物原料。在Synpet項目中，他們在調(diào)試階段遇到了一些缺陷和故障（裂紋，斷裂等）。此外，在最后一次測試中，反應(yīng)器內(nèi)部溫度幾乎不能達到1050℃，而不是渦流反應(yīng)器中理想熱轉(zhuǎn)化的1100~1300℃。他們強調(diào)了許多改進點，以增強反應(yīng)器的設(shè)計，耐用性和堅固性。最初的經(jīng)驗在Solsyn項目的框架內(nèi)得到了認(rèn)可，該項目顯示出非常積極的成果，原料的熱值提高了1.3倍。該研究通過實驗證明了該工藝的技術(shù)可行性，處理多種類型碳質(zhì)負(fù)載的靈活性以及可擴展性。圖1-4中試規(guī)模的項目：（a）腔型渦流（Synpet）[19]和（b）固定床（Solsyn）反應(yīng)器[20]Fig.1-4Pilotscaleprojects:(a)cavity-typevortexflow(Synpet)[19]and(b)fixed-bed(Solsyn)[20]參考文獻[1]SAFARIANS,UNNTóRSSONR,RICHTERC,etal.Areviewofbiomassgasificationmodelling[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2019,110:378-391.[2]EKATESWARLUC.Production,upgradationandutilizationofsolarassistedpyrolysisfuelsfrombiomass-Atechnicalreview.RenewableandSustainableEnergyReviews,2018,90:120-130.[3]CHRISTIAANR,UNFSDFR,RICHTERC,etal.Areviewofbiomassgasification[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2019,180:278-351.[4]李樂豪.生物質(zhì)焦油處理方法研究[J].化工進展,2017,36(7):2407-10.[5]MINGZ,VINEETS,CLOUGHP,etal.Anoverviewofadvancesinbiomassgasification[J].Energy&EnvironmentalScience,2016,10:43-33.[6]ABANADESS,RODATS,BOUJJATH.SolarThermochemicalGreenFuelsProduction:AReviewofBiomassPyro-Gasification,SolarReactorConceptsandModellingMethods[J].Energies,2021,14(5):1494-1501.[7]GREGGDW,TAYLORRW,CAMPBELLJH,etal.Solargasificationofcoal,activatedcarbon,cokeandcoalandbiomassmixtures[J].SolarEnergy,1980,25(4):353-364.[8]TAYLORRW,BERJOANR,COUTURESJP.Solargasificationofcarbonaceousmate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