农林业固废超临界水热化学制氢进展——反应机理_郭烈锦.pdf

第5 7卷 第1期2 0 2 3年1月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.1J a n.2 0 2 3.*农林业固废超临界水热化学制氢进展 反应机理郭烈锦,王乐,黄勇,杜明明,葛晖,刘兆峥,陈渝楠(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,7 1 0 0 4 9,西安)摘要: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。关键词:农林业固废;超临界水;热化学;制氢技术中图分类号:T K 4 2 1.4 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 1 0 0 1 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 1-0 0 0 1-1 4R e v i e wo fT h e r m o c h e m i c a lC o n v e r s i o no fA g r i c u l t u r ea n dF o r e s t r yW a s t e f o rH y d r o g e nP r o d u c t i o n i nS u p e r c r i t i c a lW a t e rM e c h a n i s mA n a l y s i sGUOL i e j i n,WANGL e,HUANGY o n g,DU M i n g m i n g,G EH u i,L I UZ h a o z h e n g,CHE NY u n a n(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM u l t i p h a s eF l o wi nP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a)A b s t r a c t:T h e r m o c h e m i c a l c o n v e r s i o nt e c h n o l o g yf o rh y d r o g e np r o d u c t i o ni ns u p e r c r i t i c a lw a t e ri s av e r yp r o m i s i n g t e c h n o l o g y f o ru t i l i z a t i o no f a g r i c u l t u r e a n d f o r e s t r yw a s t eb y t a k i n gs u p e r c r i t-i c a lw a t e ra s t h em e d i u ma n dc o n v e r t i n g t h eo r g a n i c c o m p o n e n t so f a g r i c u l t u r e a n d f o r e s t r yw a s t ei n t oh y d r o g e n-r i c hg a s t h r o u g ht h e r m o c h e m i c a lm e a n s.I nt h i sp a p e r,t h er e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h e t e c h n o l o g y i ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d,t h es p e c i a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs u p e r-c r i t i c a lw a t e ra r ed e s c r i b e d,t h e r e a c t i o np r o c e s so f a g r i c u l t u r ea n df o r e s t r yw a s t e i ns u p e r c r i t i c a lw a t e r i ss t u d i e d,a n dt h ed i f f e r e n td e g r a d a t i o nm e c h a n i s m sa n dp a t h so fm a i nb i o m a s sc o m p o-n e n t s,s u c ha sc e l l u l o s e,h e m i c e l l u l o s e,l i g n i na n da m i n oa c i d s,i ns u p e r c r i t i c a lw a t e ra r ed i s-*收稿日期:2 0 2 2-0 8-3 0。作者简介:郭烈锦(1 9 6 3),男,教授,博士生导师,中国科学院院士。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 8 8 8 1 0 3)。网络出版时间:2 0 2 2-1 0-0 9 网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 2 1 0 0 8.0 9 5 2.0 0 2.h t m l西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n c u s s e d.F o rd i f f e r e n t r e a c t i o nc o n d i t i o n s,i n c r e a s i n gt h e t e m p e r a t u r e,r e d u c i n gt h ec o n c e n t r a t i o na n dp r o l o n g i n g t h e r e s i d e n c e t i m ew i t h i na c e r t a i n r a n g e a l l c a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h eh y d r o g e np r o d u c t i o np e r f o r m a n c e,b u t t h e s y s t e mo p e r a t i o nc o s tw i l l i n c r e a s e a c c o r d i n g l y.M e a n w h i l e,t h ec h a n g eo f p r e s s u r eh a s l i t t l ee f f e c t o nt h e r e a c t i o nr e s u l t.I na d d i t i o n,a l t h o u g ha l k a l im e t a l h o m-o g e n e o u sc a t a l y s t sc a np l a yas i g n i f i c a n t c a t a l y t i c r o l e i nb i o m a s sg a s i f i c a t i o n,t h e yw i l l a g g r a v a t ee q u i p m e n t c o r r o s i o na n db l o c k a g ep r o b l e m s a t t h e s a m e t i m e.T h e r e f o r e,h e t e r o g e n e o u s c a t a l y s t sa r em o r e s u i t a b l e f o r i n d u s t r i a l-s c a l e s u p e r c r i t i c a lw a t e r t h e r m o c h e m i c a l h y d r o g e np r o d u c t i o ns y s-t e mb e c a u s eo f s u c ha d v a n t a g e sa sh i g hc a t a l y t i ca c t i v i t y,h i g ht h e r m a l s t a b i l i t y,n o n-c o r r o s i v e-n e s sa n d r e c y c l a b i l i t y.F u t u r e r e s e a r c h e sw i l l f o c u s o n t h eq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no f o r g a n i c c o m-p o n e n t sr e a c t i o nm e c h a n i s m,m e c h a n i s mi n v e s t i g a t i o no f t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e na s ha n d t h e r e-a c t i o nb e t w e e na s ha n dc a t a l y s t,f u r t h e r i n v e s t i g a t i o no nt h ed e a c t i v a t i o nm e c h a n i s mo f c a t a l y s t sa n dc l a r i f i c a t i o no f t h ea d d e da m o u n to f c a t a l y s t.K e y w o r d s:a g r i c u l t u r ea n df o r e s t r yw a s t e;s u p e r c r i t i c a lw a t e r;t h e r m o c h e m i s t r y;t e c h n o l o g yo fh y d r o g e np r o d u c t i o n 农林业固废主要指的是农林作物收获和加工过程以及牧渔业养殖过程中产生的各种有机废弃物,包括农林作物残留物(花生壳、稻草、甘蔗渣、椰子壳等)、农工业残留物(果核、果皮、木屑等加工过程中产生的残留物)、林作物废弃物(木材提取后剩余的树枝、树桩和树叶等)以及畜牧业废弃物(猪粪、牛粪、鸡粪等)1。目前在农林业生产过程中,农林业固废的处理方式主要包括焚