农林业固废超临界水热化学制氢进展——反应机理

超临界水热化学制氢技术采用超临界水作为介质,通过热化学的方式将农林业固废中的有机成分转化成富氢气体,是一种非常具有前景的农林业固废能源化利用技术。本文主要围绕反应机理对该技术展开了系统的分析,介绍了超临界水的特殊物理化学性质;研究了超临界水在整个农林业固废热化学反应过程中的反应机理以及主要生物质组分,例如纤维素、半纤维素、木质素和氨基酸在超临界水中的不同降解机理和路径;针对不同的反应条件,在一定范围内提高温度、降低浓度和延长停留时间均能显著提高制氢性能,但是同时会增加系统的运行成本,而压力的变化对反应结果影响不大。对不同催化剂分析结果表明,碱金属均相催化剂在生物质的气化中虽然能够发挥显著的催化作用,但是同时会加剧设备的腐蚀问题和堵塞问题;非均相催化剂具有高催化活性、高热稳定性、无腐蚀性及易于回收等优点,更适合应用于工业规模的超临界水热化学制氢系统。未来研究重点方向为:对于不同有机组分机理研究的定量描述;灰分之间相互反应以及灰分与催化剂之间反应的机理研究;进一步研究催化剂的失活机理和明确催化剂的添加量问题。

农林业固废超临界水热化学制氢进展--反应系统及应用

超临界水热化学制氢技术能够将农林业固废中的生物质有机成分转化成氢能,是一种高效、经济和清洁的农林业固废能源化利用技术。本文主要从反应系统的角度出发,对超临界水热化学制氢技术进行了深入的分析。对不同类型反应系统的研究表明,间歇式反应器便于实现反应温度、压力以及反应时间的控制,但因难以扩大生产规模和无法实现热回收而不适合工业化推广;连续式反应系统具有反应性能好、经济效益高等优点,是农林废弃物超临界水热化学制氢技术从实验室走向工业化应用的必由之路。对于连续式系统,反应器材质以耐高温、耐高压和耐腐蚀的哈氏合金或铬镍铁合金为主;系统压力输送采用恒流泵和背压阀相结合的设计控制系统内部压力;超临界水的加热采用带嵌入式热电偶的接触式电阻加热方式可以实现系统快速和可控地升温;反应物料直接输送进热态超临界水中可以显著减少焦炭焦油的生成。对于不同的农林业固废,超临界水热化学制氢技术均能实现生物质向氢能的转化,但反应规律存在很大差异性,其中木质纤维素生物质废弃物的纤维素含量越高反应越容易进行,而禽畜粪便废弃物还要考虑重金属等污染物的转化问题。未来研究重点方向为:反应器的防腐蚀问题,反应器堵塞和盐沉积问题,系统在线排渣问题,针对工业化系统的建模设计、经济衡算以及与其他系统耦合的问题。