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生物质和褐煤的低温气化：对于关键热化学反应现象、重排反应和反应装置的考虑 摘要：本文讨论固体燃料例如生物质和褐煤在低于1000℃下的气化，在这个温度下可能实现小于10%的化学能损失，但同时会在反应器系统中的快速和完全固—气转化反应过程遇到困难。首先，关键的热化学和催化现象是从与气化相关连的复杂反应中取得的。这些包括中间体（即，挥发分和焦炭）之间的相互作用，内在和外部的金属种类的催化反应，以及非常快速的新生煤焦和水蒸气气化反应。第二，控制关键现象的一些方法与以上内容一起能够把一系列或者相关的同构/异构反应重新排列。第三，所提出概念的实现是在假设各种流化床气化炉——单一流化床、双床、三床循环流化床、固定（移动）床的情况下所讨论的。三流化床可以通过对关键反应的增强或减弱以及通过从燃气轮机或燃料电池（即，煤气化联合循环发电）补充热量转化为燃气的化学能量这两种方式来实现化学能消耗小至10%的气化过程。研究人员提出一种特定类型的固定床气化炉，它从热解炉中被区分开来为的是实现关键反应的控制和吸放热反应的时间/空间的重排。这种类型的气化炉可以是化学能量损失小于4%。即使是一个传统的单流化床也能提供简单有效的气化，这时无焦油/活性炭代替母体作为燃料从而有助于一个新的整体煤气化联合循环燃料电池的理论电效率超过80%。 介绍：气化是一种热化学方法或过程，目的是转化含碳固体燃料为气体如H2，CO，CH4用于发电或化工生产火用 chemical energy of syngas chemical energy of original fuel 一个IGCC系统的基于电效率为48%的供氧煤气化的火用分析显示，在气化发生的火用损失大于IGCC系统其他的主要部分：燃气燃烧（19%），燃气/蒸汽涡轮机（7%），氧气产出（4%）。因此，气化能量/火用效率的提高是重要的。在气化的火用损失归因于放热反应，而这又与氧的消耗有关。从而需要减少氧消耗而且相反，增加蒸汽和CO2，这些将导致吸热反应的发生。吸热反应过程意味着把化学和热能量整合成另一种形式的化学能量（即，合成气）而且也导致原始热能量的火用率的提高。图2阐释了一个从简单的热力学分析得来的结果，该结果中分析了在绝热炉中褐煤和生物质在氧气和蒸汽，或者只有蒸汽提供热量的情况下的气化。对于蒸汽——氧气气化过程，原料的化学能损失作为显示合成气在反应器出口温度的功能，定义为Texit。尽管这里没有显示，氧气的消耗随着Texit而增长。这不一定是气化的温度。无论是反应器的配置还是转化阶段的数量，Texit 决定LCE，换句话说，也就是化学能的恢复。图2显示五中不同类型的气化，基于现有的研究，其中的可能性和有效性是本文所要讨论的内容。不同类型的气化（类型IV）有不同的Texit 值和相关联的化学能损失/增加。这些气化的类型在这里只是简短的介绍。类型1的气化代表供给氧气或者空气在超过1000℃下的气化，是大型煤炭气化最流行的类型。化学能损失达到20%是无法避免的。气化类型II定义了700至900℃温度范围内的Texit。流化床气化是这种气化的典型例子，它可能减少化学能损失达到约10%。气化类型III被认为是在与气化类型II相近的温度范围内在流化床上运行的。气化炉得到来自外部高温功率装置的供热，如除去氧气的固体氧化物燃料电池（SOFCs）。因为是完全的吸热环境，当来自生物质或者褐煤的焦炭而非它们的母体作为燃料使用时，气化类型III能利用超过20%的化学能量。气化类型IV的Texit低至300℃，这太低而难以驱动气化，但是一种特殊的平行/连续反应和反应器装置的配置能够使Texit降低至如此水平而且能是化学能损失最小化。热解和以下的反应，如挥发物的重整和焦炭的气化，在物理上是彼此分开的。 图2。 原有固体燃料气化的化学能损失在绝热反应器中可被用于显示合成气的出口温度的，Texit。对于气化类型 I, II和 IV的假设如下：（1）氧化剂，在气化炉入口处纯氧的蒸汽分别在25℃和200℃。（2）燃料的元素组合物，生物质（一种日本的柳杉），C100H145.4O69.8 褐煤（一种维多利亚褐煤），C100H80.8O27.5 （3）生物质燃料的热值，18.5 MJ LHV kg，daf？ 褐煤，26.0 MJ LHV kg?1，daf（4）蒸汽/炭摩尔比率(S/C)，0.60；（5）产气，H2，CO，CO2，和CH4；（6）H2O H2 CO 和CO2 在出口温度下是化学平衡的（7）CH4 产量在碳标准上固定在4%上。对于气化类型三，作出以下假设：（1）褐焦煤在600℃进行高温分解（C100H35O12，29.2MJ LHV kg-1，daf）从蒸汽完全转化