Cui Quan

Departamentul de Științe și Inginerie a Mediului, Școala de Inginerie a Energiei și Energiei, Universitatea Xi'an Jiaotong, Xi'an, Shaanxi 710049, China

Ningbo Gao

Departamentul de Științe și Inginerie a Mediului, Școala de Inginerie a Energiei și Energiei, Universitatea Xi'an Jiaotong, Xi'an, Shaanxi 710049, China

Abstract

Preocupările din ultimele decenii cu privire la impactul asupra mediului și socio-economic al dependenței de combustibilii fosili au dus la apeluri la mai multe surse de energie regenerabile și alternative. Acest lucru a condus la un interes recent pentru coprololiza biomasei și a cărbunelui. S-au găsit numeroase recenzii legate de piroliza individuală a cărbunelui și a biomasei. Această revizuire se referă în principal la coprololiza cărbunelui și a biomasei și apoi compară rezultatele acestora cu cele obținute folosind detaliu piroliza cărbunelui și a biomasei. Este controversat dacă există comportamente sinergice sau aditive atunci când cărbunele și biomasa sunt amestecate în timpul copirolizei. În această revizuire, sunt discutate efectele parametrilor de reacție, cum ar fi tipurile de materie primă, raportul de amestecare, viteza de încălzire, temperatura și tipurile de reactoare asupra apariției sinergiei. De asemenea, sunt evidențiate principalele proprietăți ale produselor copirolitice. De asemenea, sunt sugerate câteva mecanisme sinergice posibile. În plus, în această lucrare sunt prezentate mai multe perspective bazate pe studii din literatura de specialitate.

1. Introducere

Cărbunele este cea mai abundentă sursă de energie a combustibililor fosili disponibilă pentru economia mondială, iar rezerva sa era de așteptat să dureze până la 200 de ani, comparativ cu aproximativ 65 de ani și, respectiv, 40 de ani pentru gazele naturale și respectiv pentru țițeiul. Piroliza cărbunelui este o metodă bună pentru producerea combustibililor lichizi și a altor substanțe chimice; cu toate acestea, randamentele acestor produse sunt limitate datorită conținutului redus de hidrogen din cărbune. Hidropiroliza, un proces de piroliză sub hidrogen, este o metodă eficientă pentru a îmbunătăți randamentul și calitatea gudronului, dar costul ridicat al hidrogenului pur împiedică aplicarea sa industrială. În consecință, este necesar să se furnizeze H2 pentru cărbune din alte materiale bogate în hidrogen, cum ar fi deșeuri de plastic, polimeri, reziduuri de petrol și gaz de cocserie.

Comparată cu deșeurile de plastic și așa mai departe, biomasa este o sursă de perspectivă pentru a înlocui combustibilii fosili în viitor, deoarece este abundentă, regenerabilă, curată și cu dioxid de carbon neutru. Atât biomasa, cât și cărbunele sunt purtători de energie solară acumulată. Profilul de formare schimbă însă natura și disponibilitatea celor doi combustibili. Diferența de compoziție de la biomasă la cărbune este ilustrată folosind o diagramă Van Krevelen în ceea ce privește raporturile hidrogen/carbon (H/C) și oxigen/carbon (O/H), așa cum este descris în Figura 1 [1]. S-a putut observa clar că, în comparație cu cărbunele, biomasa are o valoare mai mare a raportului H/C (1,26-1,58) și a raportului O/C (0,4-0,8). Conținutul mai mare de hidrogen din biomasă a indicat faptul că biomasa ar putea acționa ca donatori de hidrogen în copiroliza cu cărbunele. În plus, piroliza este în mod inerent menită să fie finalizată într-o atmosferă inertă, în timp ce prezența unui conținut mai mare de oxigen în biomasă oferă de fapt o creștere semnificativă a reactivității mediului de piroliză, facilitând conversia cărbunelui. Astfel, se poate aștepta un anumit efect de sinergie la coprocesarea biomasei cu cărbune.

cărbunelui

Diagrama Van Krevelen care prezintă diferitele rapoarte H/C și O/C pentru diferite materii prime [1].

În această lucrare, a fost prezentată o imagine de ansamblu cuprinzătoare asupra copirolizei cărbunelui și biomasei. Interesul este de a ne concentra asupra efectelor sinergice sau a efectului aditiv între cărbune și biomasă în copoliza lor. Se evidențiază efectele parametrilor de reacție, cum ar fi tipurile de materie primă, raportul de amestecare, viteza de încălzire, temperatura și tipurile de reactoare asupra apariției sinergiei și asupra distribuției și proprietăților produselor copirolitice. Mai mult, au fost prezentate și câteva posibile mecanisme sinergice în timpul copirolizei amestecurilor de cărbune/biomasă.

2. Parametrii reacției copirolizei

Copiroliza biomasei și a amestecului de cărbune trece, în general, printr-o serie de reacții extrem de complexe. Mulți parametri ai procesului de piroliză, cum ar fi tipurile de materii prime, raportul de amestecare, viteza de încălzire, temperatura și tipurile de reactoare pot afecta puternic randamentul și proprietățile produselor.

2.1. Efectul tipurilor de materii prime

Tipurile de combustibili de amestecare ar trebui să fie un factor major care poate intriga sinergia. S-a demonstrat că multe amestecuri de specii de biomasă și cărbune, cum ar fi coaja de alune și cărbune [25], paie de leguminoase și cărbune [13], rumeguș și cărbune [26], microalge și cărbune [6], știul de porumb și cărbune [12] ], și tulpina de porumb și cărbunele subbituminos [27], prezintă efecte sinergice în timpul procesului de copololiză.

2.2. Influența raportului de amestecare

Proporția de biomasă din amestec a avut o influență semnificativă asupra distribuției produsului de solid, lichid și gaz [19]. Odată cu creșterea raportului de amestecare a biomasei, randamentul carbonului scade, în timp ce randamentul lichidului și gazului crește [27, 41]. Experimentele de coprololiză efectuate pe TG au arătat că procentul de masă reziduală a scăzut odată cu creșterea conținutului de biomasă în amestecuri [2, 6, 11, 12, 42, 43]. Curbele TG tipice pentru biomasă, cărbune și amestecurile lor sunt prezentate în Figura 2 [11]. Faza imobilă a structurii cărbunelui cuprinde în principal aromatice puternic reticulate, ținute împreună de legături C = C semnificativ mai puternice cu energie de legătură de 1000 kJ/mol [19]. Aceste legături sunt mai greu de rupt sub căldură decât structura macromoleculară a celulozei, hemicelulozelor și ligninei din biomasă, care sunt legate între ele prin legături eterice relativ slabe (R - O - R) cu energie de legătură de aproximativ 380-420 kJ/mol. Astfel, biomasa se descompune mult mai repede decât cărbunele. În plus, biomasa suferă o pierdere în greutate mai mare decât cărbunele, așa cum este indicat în Figura 2, iar curba pentru fiecare amestec de biomasă/cărbune se află între curbele componentei unice.

Procent de masă reziduală comparativ cu temperatura pentru materiile prime și amestecurile de cărbune/biomasă [11].

Organigrama procesului de copololiză în două etape [44].

2.3. Influența ratei de încălzire

Când se copololizează biomasa cu cărbune, cărbunele și biomasa sunt încălzite împreună într-o atmosferă inertă, creând un flux comun volatil și un cărbune solid ca produse. Prin urmare, efectul sinergic observat în timpul copirolizei s-ar putea datora interacțiunii volatile-volatile și interacțiunii volatile-char [55, 56]. O rată de încălzire mai mare a dus la formarea unor randamente mai mari de substanțe volatile [49, 57, 58]. Acestea cresc probabilitatea reacțiilor în fază gazoasă între volatilele provenite din cărbune și biomasă, sporind intensitatea sinergismului. Mulți autori confirmaseră existența unei sinergii semnificative în faza de vapori în timpul copirolizei cărbunelui și a biomasei [12, 19, 27, 59]. În același timp, cantitatea de volatilizare a speciilor metalice alcaline și alcalino-pământoase (AAEM) la viteze de încălzire rapide este mai mare decât cele cu viteză de încălzire lentă. Astfel de specii volatilizate pot contribui la activitatea catalitică a pirolizei cărbunelui, precum și a reacțiilor în faza gazoasă, rezultând sinergii semnificative sau interacțiuni chimice în faza de vapori [9, 12, 60].

2.4. Influența temperaturii

Din studiile din literatura de specialitate și din studiile anterioare se știe că temperatura pirolizei joacă un rol important în distribuția produsului amestecului de cărbune/biomasă [8, 11-13, 16]. Piroliza cărbunelui produce în principal solid cu o producție moderată de lichid și gaze, spre deosebire de piroliza biomasei în care lichidul și solidul au dominat în mod egal produsele. Randamentele experimentale de solid, lichid și gaz pentru amestecul de cărbune/biomasă se situează între cele de cărbune și biomasă; cu toate acestea, apariția sinergiei îi face să se abată de la randamentele calculate [12].

2.5. Influența tipurilor de reactoare

Multe tipuri de reactoare, inclusiv TG, reactor cu pat fix, reactor cu pat fluidizat, cuptor pe bază de câmp magnetic de înaltă frecvență și reactor cu cădere liberă au fost implicate pentru a investiga comportamentul copololizei biomasei și cărbunelui. TG este cel mai frecvent utilizat. Rapoartele timpurii au concluzionat că nu există interacțiuni între biomasă și cărbune în timpul copirolizei [2-4, 12, 31, 50, 64-66]. Lipsa sinergiilor se datorează în principal ratei scăzute de încălzire utilizate în cursele TG (care au permis separarea ușoară a diferitelor faze de devolatilizare a ambelor componente din amestec) și a debitului relativ ridicat de azot din aparat (care a împiedicat speciile volatile să rămână aproape de particulele devolatilizante din creuzet, asigurând o atmosferă inertă pe probă în timpul alergării) [50]. Eforturi mai recente ale lui Aboyade și colab. [5], Chen și colab. [6], Shui și colab. [7], Park și colab. [8], Ulloa și colab. [9], Yangali și colab. [61], și Haykiri-Acma și Yaman [10] au contestat această opinie, arătând că există într-adevăr interacțiuni semnificative între fracțiunile de cărbune și biomasă în timpul copololizei în TG. O prezentare generală a literaturii existente efectuate pe TG este rezumată în Tabelul 1 .

tabelul 1

Studii de co-piroliză a amestecurilor de cărbune/biomasă efectuate pe TG.