清洁能源处理中的实验研究在工业放大的作用

摘要

实验室规模(小试规模)实验能够迅速的、廉价的完成。它们对于设计和发展中试规模和商业规模的实验设备是有帮助的，特别是当有问题需要解决时小试实验非常有用。这些设备可以提供不同燃料在不同的反应条件下的基础数据，帮助建立实验结果的趋势和发展新的设计。笔者简单回顾了实验室规模的丝网反应器和高压流化床反应器系统的设计和操作，基于这两个研究平台，能够进行各式热解、气化和燃烧方面的实验。这两套系统温度可达到2 000℃，压力达到150MPa。rn 在小试实验上准确模拟中试和工业规模设备上的条件需要精心设计。笔者试图综述在设计实验规模和设备上所面对的挑战，这其中固体燃料(包括可再生和化石燃料)的热过程扮演了一个重要的角色。重点放在特征化固体燃料潜在的自身行为上，关于样品或反应器结构几乎没有任何可参考的文献。本文将讨论几个实例。rn 首先是关于“中国煤在气流床条件下的反应性和可操作性”的研究项目，该项目由中国科技部和英国贸工部联合资助，由西安热工研究院和伦敦帝国理工学院执行。我们在西安热工研究院新的两段式气流床气化炉上比较了不同中国煤样的反应性。实验在一高压丝网反应器上进行，反应条件为氦气气氛、3 MPa、2 000℃，或CO2气氛下温度为1500℃;用热天平测定刺余焦的相关反应性。这两种方法被证明对于气流床中煤的行为研究有效。发现1500℃以上足以气化绝大多数合适的煤——但并不能气化所有煤样。在两段式气化炉中，较高反应活性的煤可在温度较低的上段反应。rn 另外一个高压丝网反应器的应用是估计鼓风炉的鼓风口和通道上所注入煤颗粒的燃烧程度。rn 可以测定在鼓风口和通道上煤燃尽的程度，得到煤在空气鼓风处的燃烧动力学。rn 作为反应条件和水蒸气的输入速率的函数，一个直径34 mm的高压流化床反应器被用于监测在煤和生物质气化过程中氨的形成，得出了水蒸气浓度和氨形成速率关系。rn 在生物质热化学过程中，描述了一个在小型反应器上的实验，该反应器能够提供焦油破坏趋势的数据，该结果解决了下吸式生物质气化炉的主要操作问题之一。rn 结论：对于在可再生能源生物质和煤等其它化石燃料的洁净转化过程中发展新技术，还有许多尚待研究的问题。这些问题中的大多数都可以凭借实验室规模的反应器研究得到有效、快速和廉价的解决。小型反应器实验研究可用于如下领域：诊断产品及其趋势;焦油的产生和／或破坏;反应器的效率和燃料的反应性;氨的去除，HCN和有毒微量元素的释放;钙基固相沉积物检测。