【《太阳能热解气化的发展现状文献综述》3100字】

太阳能热解气化的发展现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u1262太阳能热解气化的发展现状文献综述 1154241.1太阳能聚光系统 178301.2太阳能气化反应器 2130931.3实验室规模的太阳能热解/气化 413971.4中试规模的太阳能热解/气化 522141参考文献 6生物质气化与聚光式太阳能的结合是有利的，太阳能热解/气化提供了综合利用两种资源的益处。利用高温太阳热提供气化反应焓可以避免部分原料燃烧，节省资源并避免产品被燃烧和副产物污染。因此，使用聚光式太阳能作为外部过程热源来驱动气化吸热反应，可以节省生物质资源，在单位质量的原料中产生更多的合成气，同时具有更高的合成气质量（因为它不会被燃烧产物污染）。太阳能驱动的气化促进了生物质的利用，同时这是一种以可再生，可调度和可存储的太阳能燃料形式存储间歇性太阳能的有效方法。1.1太阳能聚光系统四种常用的太阳能聚光系统如图1-2所示，按照聚光系统设置方式不同可以分为：抛物线槽（PT）和线性菲涅耳式（LF）反射器（图1-2a,b）采用的是单轴跟踪和线聚焦技术，它们的工作温度范围为250-400℃。中央接收器（即塔架配置，图1-2c）和抛物面碟形集中器（图1-2d）是两轴跟踪和点聚焦技术，很容易达到1000℃，而代价是成本和复杂性更高[6]。图1-2聚光系统：（a）抛物线槽式（b）线性菲涅耳式（c）塔式（d）抛物线槽式[6]Fig.1-2Condensersystem:(a)Parabolictrough,(b)LinearFresnel,(c)Tower,(d)Parabolicdish[6]1.2太阳能气化反应器在固定床的研究中，1980年Gregg等设计了第一个太阳能气化炉[7]，由直接照射的L型固定床反应器组成（图1-3a）。它成功地将不同的碳质原料转化为合成气产品，使气体产品中所含燃料热值的形式有效存储了超过20％的入射阳光。几年后Taylor等开发了一种直接辐射的固定床反应器（图1-3b）[8]，用于气化包括木炭、木材和纸等不同的原料。该反应器被来自上侧的太阳辐射加热，随着气化反应的进行，原料装料通过活塞朝着焦点向上移动，并将性能输出与专用于使用CO2进行木炭气化的流化床反应器的性能输出进行了比较，气化效率为流化床的3倍左右。2009年Piatkowski等开发了另一种以间歇模式运行的固定床反应器（图1-3c）[9]。该反应器由两个空腔组成，上面的一个接收太阳辐射并加热发射板，下面的一个被热发射器加热以驱动热化学气化反应，以最大程度地减少热量损失。操作该反应器可将多种含碳废物原料气化，包括木炭，废轮胎粉以及工业和污水污泥。反应器的主要缺点是整个床层的传导热传递速度较弱，这会引起明显的温度梯度，并且堆积会导致反应器内部结渣和烧结[9]。图1-3太阳能反应器：(a)(b)(c)固定床床反应器，(d)(e)(f)流化床反应器，(g)直接辐射涡流反应器，(g)间接辐射涡流反应器[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等研究了在实验室规模的流化床反应器中使用CO2气化烟煤的过程，该反应器由Xe灯从侧面直接照射（图1-3d）[10]。流化煤颗粒与石英窗的直接接触不利于窗的清洁度和机械完整性。因此，在随后的工作中，通过开发从顶部照射的不同的流化床反应器，改进了先前的概念，从而在窗口区和反应的流化颗粒之间提供了空间间隙[11]（图1-3e）。接着他们对该流化床反应器进行了进一步的改进（图1-3f）[12]在反应器中心增加了引流管，从而使整个床层高度的温度均匀，同时增强了搅拌。夹带和涡流反应器可是实现与太阳能耦合。2006年Z’Graggen等研究了直接辐照石油焦汽化（图1-3g）[13]，并在直接和间接加热模式下进行实验操作，涡流配置通过1s的停留时间单次通过就获得了高达87％的碳转化效率。2017年Müller等在压力为1~6bar的无窗间接辐射加压反应器中测试了木炭/水浆的气化（图1-3h）[14]。辐射首先加热了一个U形SiC腔，气体粒子流以涡流的形式在该SiC腔周围流动，在不到5s的时间内获得了超过94％的碳转化效率。1.3实验室规模的太阳能热解/气化太阳能驱动生物质热解/气化的研究目前大多还停留在实验室规模。SergioMorales等在实验室规模的太阳能反应器中进行松木屑，桃子核，葡萄茎和葡萄果渣的太阳能热解[15]，利用这些农业和林业副产品生产燃料气体。实验结果表明，气体产量通常随着各种生物质残留物的温度和加热速率而增加，而液体产率则相反随着各种生物质残留物的温度和加热速率而减少。结果表明在2000℃的最终温度和50℃/s的加热速率下热解的松木屑获得高达63.5wt％的气体产率。HaftomWeldekidan等研究了稻壳的热解在从聚集的太阳辐射获得的不同温度下进行[16]。稻壳的太阳能热解主要生产生物油（20.6~43.1wt％），其次是生物炭和热解气体。观察到热解气体随温度从500℃下的14wt％增加至800℃下的最大产率25.48wt％。发现最高的生物炭产率在500℃下为43wt％。QuentinBellouard等研究设计了一种具有连续生物质注入的太阳能喷射床反应器的新概念，以增强反应器中的传热，他们通过提供颗粒的恒定搅拌来提高气化速率和气体产率，并且能够连续操作[17]。他们进行原型的热模拟以计算温度分布并验证1.5kW规模的反应器设计。基于这种新设计的太阳能反应堆的可靠运行也在使用抛物面盘式浓缩器的真实太阳辐射下进行了实验证明。使用CO2或蒸汽作为氧化剂，在1100℃~1300℃的温度范围内连续气化木材颗粒，碳转化率超过94％，气体产量超过70mmol/g（biomass）。Arribas等人研究来自生物质（栅藻和小麦秸秆）和废物处理（污水污泥）的三种低品位碳质材料已被选为太阳能驱动的热化学过程的原料[18]。他们在7kW高通量太阳模拟器中直接照射样品进行太阳能驱动的热解和气化测量，并连续监测释放的气体H2、CO、CO2和CH4以及样品温度。太阳能驱动实验表明，H2和CO是重要的产物气体，表明三种原料的合成气生产质量很高。1.4中试规模的太阳能热解/气化迄今为止，在中试规模的测试中仅进行了两个太阳能热解/气化研究项目。一个为基于Z’Graggen[13]等人的概念研究500kW腔型涡流太阳能反应器的Synpet[19]项目。另一个基于Piatkowski[9]等人的概念研究了一个150kW腔式固定床反应器的Solsyn[20]项目（图1-4）。对于涡流Synpet反应器，气动输送机向反应器提供了来自地面的石油焦炭颗粒。在固定床的Solsyn反应器中，在以分批方式运行的实验之前，反应室已充满了原料。它涉及六种形态和异质性不同的含碳生物质和废物原料。在Synpet项目中，他们在调试阶段遇到了一些缺陷和故障（裂纹，断裂等）。此外，在最后一次测试中，反应器内部温度几乎不能达到1050℃，而不是涡流反应器中理想热转化的1100~1300℃。他们强调了许多改进点，以增强反应器的设计，耐用性和坚固性。最初的经验在Solsyn项目的框架内得到了认可，该项目显示出非常积极的成果，原料的热值提高了1.3倍。该研究通过实验证明了该工艺的技术可行性，处理多种类型碳质负载的灵活性以及可扩展性。图1-4中试规模的项目：（a）腔型涡流（Synpet）[19]和（b）固定床（Solsyn）反应器[20]Fig.1-4Pilotscaleprojects:(a)cavity-typevortexflow(Synpet)[19]and(b)fixed-bed(Solsyn)[20]参考文献[1]SAFARIANS,UNNÞÓRSSONR,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]李乐豪.生物质焦油处理方法研究[J].化工进展,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.Solargasificationofcarbonaceousmaterials[J].SolarEnergy,1983,30(6):513-525.[9]ADDINEN.REFLISTPIATKOWSKIN,WIECKERTC,STEINFELDA.Experimentalinvestigationofapacked-bedsolarreactorforthesteam-gasificationofcarbonaceousfeedstocks[J].FuelProcessingTechnology,2009,90(3):360-366.[10]KODAMAT,KONDOHY,TAMAGAWAT,etal.FluidizedBedCoalGasificationwithCO2underDirectIrradiationwithConcentratedVisibleLight[J].Energy&Fuels,2002,16(5):1264-1270.[11]KODAMAT,GOKONN,ENOMOTOS,etal.CoalCokeGasificationinaWindowedSolarChemicalReactorforBeam-DownOptics[J].JournalofSolarEnergyEngineering,2010,132(4):041004.ADDINEN.REFLIST[12]GOKONN,ONOR,HATAMACHIT,etal.CO2gasificationofcoalcokesusinginternallycirculatingfluidizedbedreactorbyconcentratedXe-lightirradiationforsolargasification[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2012,37(17):12128-12137.[13]Z’GRAGGENA,HAUETERP,TROMMERD,etal.Hydrogen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