生物质超临界水制氢(supercritical water gasification,SCWG)以超临界水为介质通过热化学方式将生物质中的有机物转化为氢气等能源气体。相较于传统制氢方式,SCWG过程具有反应速度快、氢气选择性好、副产物少等优点,是一种高效、经济、清洁的生物质处理技术。该研究主要围绕SCWG过程中的影响因素进行系统地分析,介绍了超临界水特殊的物理化学性质,详细阐述了生物质主要成分如纤维素、半纤维素和木质素在SCWG过程中的反应机理,以及试验装置、原料类型和浓度、反应温度、停留时间、压力等工艺因素对SCWG的影响。研究发现纤维素占比较高的作物气化效果更好,低浓度的进料有利于气化效率和碳气化效率的提升,提高装置升温速率、适当增加反应温度和停留时间能够增加氢气产率,过大的压力会形成“溶剂笼”效应降低氢气产量。对不同类型反应系统研究表明,间歇式反应装置虽然结构简单、操作方便但也存在物料与催化剂混合不均匀、不能实现连续化生产而不适用于工业化推广,连续式反应装置虽面领着堵塞等问题,但具有性能好、效益高的优点,是工业化推广的发展方向。对SCWG主要应用的催化剂进行讨论发现,均相催化剂虽然具有催化效果但具有较强腐蚀性,非均相催化剂因其具有高催化活性、易回收、稳定性好等优点更适用于大规模SCWG生产过程。同时还研究了金属催化剂酸度在催化过程中的影响,酸度越高,在SCWG过程中积碳会越明显,通过添加Cu、Ce、Co、La等合适的第二金属作为促剂可以改变催化剂性能,增加催化剂使用寿命,提高氢气选择性。未来应针对SCWG的试验装置、高效催化剂及经济性分析等核心技术开展研究,加速SCWG的工业化推广,实现经济、安全、绿色、高效的氢能供给。该研究期望加深对生物质SCWG理解,为日后研究提供理论指导。
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