俞 雷,胡 强,张景新*,何义亮,3

(1.上海交通大学中英国际低碳学院,上海 201306;2.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉 430074;3.上海交通大学环境科学与工程学院,上海 200240)

生物质能作为一种可再生能源,在近年来受到越来越多的关注,是除了风能、太阳能外蕴藏最丰富的可再生能源。相比于液化、水热、直接燃烧等生物质热转化技术,气化具有技术成熟、泛用性强、经济效益好等优势,因此其发展前景广阔,可将生物质有效地转化为可燃气体(如CO、H2、CH4和其他气态烃化合物)。一般而言,气化产生的可燃气体可以进一步作为不同类型的能源应用,例如用于供热、发电和燃料电池等。然而,生物质气化产生的可燃气体通常含有较高含量的焦油,是气化大规模应用的主要障碍[1]。焦油会在较低温度下冷凝,凝结在气化装置的管壁上,从而引起气化装置的堵塞、腐蚀、侵蚀和磨损,并且降低生物质气化的能量转换效率。

在生物质气化过程中使用催化剂,可以有效改善气体品质,促进焦油裂解,提高能源效率[2]。生物质焦油转化催化剂按其结构成分来分,主要有三大类：天然矿石[3]、碱金属[4]和镍基催化剂[5]。铁基和镍基催化剂已被广泛应用于生物质气化[6-8],其中铁基催化剂由于其廉价、易获取的特性,具有大规模商业化的良好潜力[9]。根据VIRGINIE[10]等的研究结果,当铁基催化剂用于气化时,甲苯重整率和氢气产率分别从39.0%和39.2%提高到91.0%和49.5%。使用赤铁矿(Fe2O3)作为催化剂可在气化过程中将苯酚转化为烷氧基苯酚和二醇,加强生物质在水蒸气气化中的焦油重整反应,并有效降低焦油的含量[11]。

在以往的研究中,铁基催化剂在气化中展现了良好的性能,但对于不同价态和形态的铁基催化剂对合成气生产特征和焦油组分的影响和铁基催化剂对系统的催化机理研究少有详细报道,故本文对生物质气化生物质分布、分时释放特性和焦油化学组分的分布特征进行了研究,并对不同形态铁基催化剂对气化的催化作用进行了分析。本文旨在研究不同形态的铁基催化剂在生物质气化过程中对合成气和生物油分布的催化作用与催化机理。

1 实验方法

1.1 主实验原料

实验所用松木锯末来自中国某市的农田,在气化前进行了洗涤、干燥、粉碎和筛分,制成粒径约2 mm的颗粒。松木锯末的元素分析和工业分析的测试结果如表1所示。N、C、H、S元素分析由元素分析仪(德国Elementar Vario EL Cube)测定,工业分析按照ASTM(美国材料与试验协会)相关标准进行,以确定松木锯末的水分、固定碳和灰分含量。

表1 松木锯末的元素分析以及工业分析Table 1 The elemental and industrial analysis of sawdust

1.2 实验装置及方法

利用管式炉进行样品气化实验,研究气化过程中铁的催化效果,同时对气化产生的合成气和焦油进行分析,装置如图1所示。该装置使用空气作为载气,配备流量控制器和流量计。管式炉型号为OTF-1200X-80VT开式竖管炉,管式炉尺寸为540 mm×540 mm×800 mm,最高工作温度1 200 ℃。采用程序控温电加热提供炉体所需热量,在进行气化试验之前预先通入氮气排除炉管中的空气,防止炉管中残余空气与样品发生反应。

图1 气化装置示意图Figure 1 The schematic diagram of gasification reactor

采用常压浸渍法制备铁基催化剂材料,将FeCl3、FeSO4和Fe(OH)3与30 mL去离子水混合制备含铁质量分数0～50%的溶液。将10 g废木材浸入含铁溶液中2 h,然后将混合物在空气中100 ℃下干燥2 h。每次试验均称量(10.00±0.01) g样品放入坩埚中,将坩埚放在管式炉石英管底部的隔热塞上,并将石英管放入反应区中,反应区内先通入300 mL/min的高纯氮气,确保扫除反应器内的杂质气体,通入10 min高纯氮气后将气路切换为空气。打开管式炉的保险开关并开启控温程序开始升温,以50 ℃/min的升温速率加热至800 ℃,随后在800 ℃停留24 min。选取总反应时间为40 min的主要原因在于保持当量比(ER)在0.25～0.30范围。使用流量控制器控制流量,在反应区内通入流速为300 mL/min的空气,保持恒定的气化剂流量。气化产生的气体经过2个吸收瓶后采用气袋收集,合成气中的生物焦油和多余的水蒸气被吸收瓶中的丙酮溶液冷却吸收。2个吸收瓶均置于冰水浴(0 ℃)中保持冷却,2个吸收瓶中的溶液均为50 mL。气袋每5 min更换1次,后续使用气相色谱仪测量合成气的分时组分。气化试验完成后,用吸收瓶的溶液清洗未加热部分管路和瓶壁上冷凝的焦油,然后将2个吸收瓶中的溶液混合收集到玻璃瓶中,称质量后密封并放入冰箱保存,以备后续GC-MS和三维荧光光谱的测试。采用GC-MS分析焦油组分的构成,采用三维荧光光谱半定量分析焦油的含量。

1.3 合成气组分检测方法

本实验采用岛津公司生产的GC-2010气相色谱仪测定合成气中的气体组分,主要组分为H2、N2、CO、CH4和CO2。色谱柱使用不锈钢柱Φ3 mm×2 m(TDX-01),检测器为TCD检测器,载气为高纯度氮气(纯度>99.999%),载气流量40 mL/min,载气气压0.3～0.4 MPa。测试过程中的工作温度：柱箱温度85 ℃、汽化温度 100 ℃、检测器温度100 ℃[12]。

1.4 焦油组分检测方法

1.4.1 焦油组分的气相色谱-质谱联用检测 本文使用气相色谱-质谱联用的方法来检测生物质热解过程中产生的焦油。采用气相色谱质谱联用仪(GC-MS,7890A/5975C,美国安捷伦),测定焦油中7环以下多环芳香烃以及高分子组分及含量。GC-MS的进口温度设定在150 ℃,毛细柱型号为HP-5MS,柱温设定在40 ℃停留4 min后,以10 ℃/min的升温速率加热至300 ℃。将测定出的色谱图与NIST数据库中的色谱图进行检索匹配,确定生物焦油的组分构成,并通过峰面积归一化确定峰面积比例[13]。

1.4.2 三维荧光光谱检测 本文使用三维荧光光谱仪(FL 6500,日本珀金埃尔默公司)来半定量检测焦油中的全部成分。三维荧光光谱法不同于GC-MS,可以测定焦油中的高分子组分,同时具有分辨率高,检测所需的样品量少等优点,被广泛运用于各种有机物和无机物的测定分析。三维荧光光谱的参数设定：发射光波长范围210～710 nm,激发光波长范围200～700 nm,步长均为5 nm。

2 结果与讨论

2.1 铁对气化合成气产率的影响

由浸铁生物质气化合成气产率如图2所示,测定了合成气中常见的4种气体(H2、CO2、CO和CH4)产气量,FeCl3、FeSO4和Fe(OH)3的添加降低了CO和CH4的产气量,提升了氢气的产气量。当3种铁基催化剂的添加比(催化剂与生物质的质量比)从0到0.50时,合成气中CO的体积分数分别从17.17%、15.14%、15.39%降至10.90%、8.99%、8.01%;CH4的体积分数从5.37%、5.19%、5.28%降至85.00%、3.09%、4.16%。

图2 800 ℃下以空气为气化剂的累计产气量Figure 2 The cumulative gas production with air as gasification agent at 800 ℃

生物质空气气化过程中主要发生如下反应[14]：

(1)生物质裂解反应

Biomass→H2+CO+CO2+CH4+Tars

(1)

(2)焦油裂解反应

Tars→CH4+H2+H2O+CnHm

(2)

(3)碳氢化合物氧化反应

CnHm+(2n+m/2)O2→nCO2+m/2H2O

(3)

(4)甲烷重整反应

CH4+CO2→2CO +2H2

(4)

2CO+O2→2CO2

(5)

(5)Boudouard反应

2CO→C+CO2

(6)

(6)外源性二氧化碳

2FeSO4→ Fe2O3+SO2↑+SO3↑

(7)

C+2SO3→CO2+2SO2

(8)

(7)水煤气反应

C+H2O→CO+H2

(9)

在气化反应中氢气主要是由反应(1)生成的,铁的加入促进了焦油裂解反应(2)的进行,加快了焦油的裂解产生H2,反应(3)～(4)的发生分别消耗了CO和CnHm并且均产生CO2,因此导致CO2产气量增加,CO、CH4产气量降低。根据COLLARD等[15]的研究,铁可以催化甲烷重整反应(5),降低了CH4产量。Boudouard反应(6)是铁盐浸渍后合成气中CO减少的原因[16]。在图2B中部分CO2属于外源性的,FeSO4在高温下分解为Fe2O3、SO2和SO3(反应(7)),其中气态SO3是一种强氧化剂。JEGUIRIM等[17]研究发现,CO2可以通过反应(8)直接形成。水煤气变换(WGS)主导了Fe(OH)3的催化过程。Fe(OH)3在高温下分解为氧化铁和水,从而加速了水煤气反应(9)。

2.2 不同铁对气化合成气分时释放特性的影响

图3为气化中不同催化剂条件下的瞬态气体成分,选取添加比为0.50时的分时产率图进行对比。松木在0～10 min时首先进入物料干燥阶段,该过程物料中的水分逐渐蒸发,铁作为催化剂可以催化和促进结合水析出。该过程伴随纤维素分子间或分子内的脱水反应和链端降解反应;15 min后进入气化阶段,铁可以促进含羟基有机物(如醇类、酚类和醚类化合物)发生热解缩聚反应生成CO;另外由于氧化铁晶格氧的供氧作用,生物质焦与铁反应生成CO和CO2。在对照组中H2和CH4的气体组分释放特性在300～800 ℃的气化过程中显示出典型的抛物线模式。添加铁盐后,铁对甲烷重整反应的催化作用抑制了甲烷的形成。在反应25～30 min后,CO2的产率达到了峰值,然后趋于稳定,这是因为在气化反应中,由于氧气的存在,生物炭的燃烧或部分燃烧使CO和CO2的产率在反应后期趋于稳定。

图3 气化中不同催化剂下的瞬态气体成分Figure 3 The transient gas composition file in gasification with different catalysts

2.3 铁基催化剂对样品气化焦油成分的影响

2.3.1 样品气化焦油的GC-MS分析 采用NIST质谱数据库中的GC-MS对生物油成分进行鉴定(表2),保留时间表示焦油组分的出峰时间,峰面积占比是指不同催化剂下对应的气体出峰面积与总焦油组分面积的百分比,表示相对含量,这里合并了同种物质的不同峰。

表2 800 ℃下气化生物油中的有机化合物Table 2 The organic compounds in gasification bio-oil at 800 ℃

从表2中可以看出,多环芳烃是无催化条件下生物质气化中焦油相对含量最高的物质,苯和甲苯占GC/MS谱图中峰面积比的42.17%和38.25%。这是因为PAHs具有极高的热稳定性,在800 ℃下,其他焦油组分都裂解成了小分子气体,多环芳烃中的重组分(如蒽、苊、菲等物质)并未检出。随着铁基催化剂的加入,多环芳烃的相对含量下降显著,甲苯为相对含量在FeCl3、FeSO4和Fe(OH)3的催化下分别下降至4.00%、7.75%、14.56%。苯的相对含量也从42.17%下降至1.89%、15.77%和27.27%。另外,一些相对含量不高的物质(如乙苯、二甲苯、苯乙烯等)也随着铁基催化剂的加入而减少。

加入铁基催化剂后,2-甲氧基呋喃的相对含量急剧上升。呋喃类化合物是纤维素气化的典型产物,铁促进了纤维素的热解从而加强了2-甲氧基呋喃的产生。呋喃类化合物由糖类脱水得到,在有酸存在的情况下,呋喃的产率会有所提高。这与GC/MS中在加入铁催化剂后乙酸和丙酸的相对含量升高相对应。纤维素气化的主要产物是脱水糖、呋喃类化合物以及小分子气体,纤维素气化后的典型产物是左旋葡萄糖。左旋葡萄糖在高温下进一步分解生成其他小分子的含氧化合物(如糠醛、酮等化合物)。焦油组分的变化间接证明了铁基催化剂对纤维素气化反应具有良好的催化作用,糠醛、酮、呋喃等化合物在焦油中的相对含量均升高。

2.3.2 样品气化焦油的三维荧光分析 由于三维荧光强度与生物油的浓度呈正相关性,三维荧光光谱可被用于生物油产率半定量分析。图4为空气气化以及在不同铁基催化剂催化下生物油的三维荧光光谱。对比原样和加入3种铁基催化剂后的三维荧光光谱可以发现,4张谱图的轮廓相近,但强度差异较大。结果表明：铁基催化剂加强了焦油的裂解,但并没有从本质上改变焦油的组分构成。

图4 不同催化剂气化生物油的三维荧光光谱Figure 4 Three dimensional fluorescence spectra of gasification bio-oil catalyzed by different caltalysts

在空气气化的三维荧光光谱中,激发波长与发射波长之比(λex/λem)最高峰出现在(220.0/350.0)nm处,当Fe(OH)3作为催化剂时,三维荧光光谱中,在(250.0/370.0) nm处出现了1个偏峰。这符合多环芳烃及其同系物的峰型特征,多环芳烃及其同系物的峰位于(220.0～300.0 nm)/(300.0～330.0 nm)范围内[18]。FeCl3和FeSO4的三维荧光光谱中出现了不同的峰型,FeCl3作为催化剂时,λex/λem最高峰出现在(220.0/350.0) nm,而FeSO4的最高峰出现在(300.0/330.0) nm处。可能的原因是FeSO4催化下焦油中苯的相对含量更高,而对于催化剂FeCl3,占主导地位的呋喃类化合物是羧酸类化合物。FeCl3和FeSO4都大幅降低了气化中焦油的产率,而Fe(OH)3对焦油的裂解没有达到很好的效果。3种铁盐在气化过程中均分解为氧化铁,这在图5的XRD图谱中得到证明,但是Fe(OH)3作为不溶物,在浸渍的过程中只能附着在生物质的表面,在催化气化时与生物质接触面积较小,从而导致催化活性不高。

图5 生物炭的XRD图谱Figure 5 The XRD spectra of biochar

图6 铁催化气化机理Figure 6 The mechanism of the iron catalytic gasification process

2.4 铁基催化剂生物质气化的机理研究

生物质的气化由3个过程叠加：生物质热解、异相氧化和剩余焦炭氧化。气化是热解和燃烧的中间形式,可以分为生物质热解和生物质挥发分的燃烧反应。燃烧反应的机理较为简单,表现为生物质和小分子气体的氧化,而生物质的热解阶段较为复杂。

首先对气化生物炭进行XRD分析(图5),生物炭中铁的存在形式为Maghemite-C,syn-Fe2O3,以氧化铁为主,其衍射峰的2θ位于 30.2°、35.5°、43.2°、57.3° 和 62.9°。

在气化过程中产生的铁氧化物主要为氧化铁,作为氧载体,在气化反应中氧化铁主要发生如下化学反应：

4FeO+O2→2Fe2O3ΔH=-554.68 J/mol

(10)

CO+ Fe2O3→CO2+2FeO ΔH=-3.22 J/mol

(11)

H2+Fe2O3→H2O+2FeO ΔH=32.44 kJ/mol

(12)

CH4+4Fe2O3→2H2O+CO2+8FeO ΔH=317.87 kJ/mol

(13)

在热解中氧化铁主要的表现是逐步失去氧,从Fe2O3变为Fe3O4再变为FeO。该过程中CO被催化生成CO2,而在气化过程中由于氧气的存在,反应产物被再次氧化为氧化铁。在热解过程中,铁通过与生物油反应导致生物油催化裂解[19]。氧化铁与碳首先与铁离子形成离聚体,然后催化生物油与-FeCn-1铁离子反应形成复杂的含铁络合物。该络合物不稳定,在相对较高的温度下会分解形成小分子物种,如CO、H2、CH4、-C2H、H2O。分解反应后,复合物变成了含铁离子的简单离子化合物。离子化合物将继续与水反应生成H2和CO,并还原为先前的复杂含铁络合物。生物油中大量热稳定的多环芳烃物质(如萘、苯等)中的共价键被破坏,生成H2、CO、CH4。铁不仅催化生物油裂解形成小分子化合物,并且能够催化甲烷重整反应、Boudouard反应和WGS反应,改变了气相组成。铁催化甲烷重整反应的机理：甲烷会吸附在铁表面并分解生成碳氢化合物(CHx)和氢离子[20]。Boudouard反应也会以同样的方式由铁催化,即CO2和C的反应。气化过程中纤维素和木质素会发生脱水反应,从而产生H2O并参与WGS反应[21]。使用Fe(OH)3作催化剂时,WGS反应尤其明显,因为Fe(OH)3在热分解过程中会产生大量H2O。

3 结论

气化过程由热解与混合氧化过程叠加,生物质在热裂解的同时与氧气作用发生部分氧化。FeCl3的加入降低了CO2的气体产率,而FeSO4和Fe(OH)3的添加促进了CO2的释放。铁基催化剂通过促进焦油裂解,催化甲烷重整反应、水煤气反应和Boudouard反应的方式,降低了CO的产率,提升了氢气的产率,加入铁基催化剂后,合成气中每克生物质的氢气最高产率从20.32 mL/g上升到114.72 mL/g。Fe2+和Fe3+都可以作为催化剂促进纤维素的分解,使纤维素分解成呋喃类、糠醛、酮类物质以及羧酸。根据三维荧光谱的分析结果,气化时铁基催化剂的加入促进了焦油的裂解,使气化焦油的产率显著下降。