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从介观尺度上调控热转化反应过程：解耦热化学转化

已有 8482 次阅读 2016-9-13 08:45 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述| 科学出版社, 许光文, 热转化反应, 解耦热化学转化

热化学转化是利用煤、生物质、废弃物等各种含碳燃料生产能源、燃油、化学品的主要技术方法，其表观上的热解、气化、燃烧等任何燃料热化学转化过程实质上包含了众多相互耦合、相互作用的化学反应。通过解除某些热化学反应间的耦合，即反应“解耦”，可实现对特定反应间相互作用的强化、抑制或利用，创新煤、生物质等燃料的热化学转化技术与工艺。

燃料热化学转化

燃料热化学转化，又称燃料热转化，是利用煤炭、石油、天然气、生物质、有机废弃物等碳氢基燃料的主要技术途径，表观表现为燃烧、气化、热解/碳化、重整/裂解等不同的转化过程，如锅炉、气化炉、焦炉和延迟焦化炉分别代表典型的燃烧、气化、热解和裂解过程。

在化学本质上，热转化泛指在热的作用下，有时借助催化作用，使碳氢基燃料的化学结构发生断裂而生成较小分子产物，并同时发生能量转移的物质分子转变过程。因此，表观不同的热转化过程蕴含了类似的化学过程。在燃烧、气化、热解、裂解等宏观热转化过程中发生了类似的一系列化学反应，这些反应通过对温度等反应条件的依存性链接形成燃料热转化的反应链，同时通过中间及最终产物与反应间相互作用，形成复杂的燃料热转化反应网络。该反应链和反应网络中发生的各种相互作用，有的促进宏观转化进程、提高转化效率和降低污染物排放，有的则可能阻碍反应进行、消耗高价值产物组分并增加污染物排放。

优化燃料热转化过程中的反应链关系、调控反应网络中发生的中间及最终产物对转化过程中各种化学反应及物理变化的作用，可为优化热转化过程效率、调控产品品质与价值、抑制污染物排放提供本质性方法和途径。

以燃烧、气化、热解/碳化、裂解等为代表的现有典型热转化过程通常通过唯一的进料、反应器和排料而实现，使得转化过程发生的所有化学反应耦合在同一时空进行。因此，燃料热转化各阶段发生的各种化学反应完全耦合，使得反应链的各反应自然首尾相连，中间及最终产物对各化学反应的促进或抑制作用完全混合，无法针对任何单一阶段的反应、单个或几个反应间的相互作用进行调控，以实现对整体转化过程的优化；也极大地限制了对转化效率、转化过程污染物排放以及转化过程对燃料适应性等方面的提升。

实质上，热转化过程发生的燃料热解或裂解、半焦气化、各种可燃物燃烧等反应的产物代表了对原始燃料中不同组分的分别转化，其产物具有不同的利用价值。例如，燃料热解/裂解代表了提取燃料中富氢组分的反应，利用该反应的转化过程可以生产富氢燃气和热解液体（如煤焦油）产品。利用这种富氢气体制备甲烷合成气（SNG）、化肥等要求高含氢原料气的下游能源及化工产品比基于完全气化生产的合成气原料可明显提高产品的生产效率，减少生产过程能量消耗。而热解/裂解反应的液体产品，如煤焦油、渣油裂解油则是生产高价值含芳香环的化学品和燃料油的原料。如果热转化过程将燃料热解、半焦气化、可燃物燃烧等反应完全耦合，则无法分别利用不同化学反应所产生的产物，难以同时实现燃料热转化过程的高效率化和高价值化。

燃料热转化中的解耦

解耦思想与方法广泛存在于电子、自控、社会经济等领域，以消除系统中各子过程、零部件间的关联和协同变化。在社会经济学领域，目前的工作热点就是研究实现经济增长与资源消耗增加、环境污染加剧之间的解耦方法和模式。

以优化调控燃料热转化过程涉及的复杂化学网络中发生的中间及最终产物与各化学反应之间的相互作用为目的，我们提出了应用于燃料热化学转化领域的解耦思想并归纳了实施解耦的基本方法或模式，即通过断裂反应网络中的某种链接关系而分离相互关联和作用的化学反应，进而对被分离的化学反应通过“隔离”和“分级”两种模式进行重组。

这里的“隔离”和“分级”是指对化学反应的隔离和分级，不同于在燃料热转化技术领域已经普遍认知的针对燃料、反应剂等物质向反应器的隔离或分级供给，如燃料燃烧、气化中普遍采用的“燃料分级”和“氧气/空气分级”等。

因此，燃料热转化中的解耦指“反应解耦”，必须以把握其复杂反应网络中发生的中间及最终产物与各化学反应间的相互作用规律为化学基础，以强化有益的、抑制无益的相互作用为目标，通过在反应网络中打断某个或某些反应与其他反应之间的链接关系，根据调控相互作用实现的解耦效果，按照隔离或分级两种模式而重新组合被解耦的化学反应，对应形成被通常称为“双床转化”和“分级转化”的两类解耦热转化技术。

这里，双床转化也包括利用两个以上反应器的多床转化技术。解耦热转化技术可促成诸多技术升级效果，包括热转化过程的联产、提高产品品质、降低污染物排放、减少过程消耗、提高转化效率和增强技术的燃料适应性等。

对燃料热转化过程的优化调控具有多种手段，包括从整体系统尺度改变反应器类型、反应压力、温度、介质和外场环境的宏观调控和通过使用催化剂、改变反应物形态（如粒度）的微观作用调控。通过对化学反应解耦而调控燃料热转化过程中发生的各种中间及最终产物与化学反应间的相互作用，实质上代表了介于上述宏观与微观尺度之间的一种调控手段。

燃料热转化领域的反应解耦调控代表了对热转化反应过程的介观调控，是介观尺度上调控热转化学转化反应行为的一种思路和方法。

虽然解耦作为调控热转化反应相互作用的思想和方法于2008年才普遍使用，但国内外已开展了大量有关中间及最终产物与热转化各化学反应之间相互作用的基础研究，极大地支撑了基于反应解耦的众多新型热转化技术的研发。通过对燃料热转化过程发生的化学反应的隔离或分级，国内外已研发了系列新型热转化技术，这里通称为解耦热转化技术。

解耦热化学转化基础与技术

笔者所著《解耦热化学转化基础与技术》（许光文、高士秋、余剑、曾玺，北京：科学出版社，2016）一书，以著者开展的相关工作为重点，对燃料热化学转化过程的反应解耦原理、方法和应用进行了较详细的论述和分析，总结了反应解耦思想方法的发展和针对煤、生物质形成的几种典型解耦热转化技术的原理、基础研究和技术开发成果，如拔头多联产、双流化床气化、低焦油两段气化、低NO_x解耦燃烧，以及利用微型流化床的等温微分反应分析等。

北京：科学出版社，2016

ISBN 978-7-03-047341-7

《解耦热化学转化基础与技术》全书共分11章，第1章总体分析燃料热转化过程通过解耦实施反应调控的原理方法，并简要汇总典型的解耦热转化技术；第2～9章分别对具体的解耦热转化技术的原理、针对其开展的基础研究和技术开发成果进行详细论述；第10章论述为支撑解耦热转化基础研究和技术开发而研发了国内外首台微型流化床等温微分气固反应分析的方法、仪器及其应用；第11章对第2～9章未能涉及的其他重要燃料解耦热转化技术进行简要概述，并展望了解耦热转化方法与技术研发的重点。

第2～9章依次涉及的具体解耦热转化技术分别是：分级焦化的煤分级调湿预处理，煤炭拔头工艺及其多联产，工业纤维素残渣多孔炭一体化制备，煤与生物质双流化床气化，煤炭双流化床热解气化，煤与生物质低焦油两段气化，煤炭低NO_x解耦燃烧和生物质低NO_x解耦燃烧。

在具体技术的描述中，首先简要综述了国内外相关基础和技术研发及应用现状，进而详细描述了中国科学院过程工程研究所提出的新技术工艺或改进方案，分析其机理，总结讨论了研究所的基础研究和技术开发工作，包括中试或示范工程所取得的成果。

《解耦热化学转化基础与技术》的出版汇集了中国科学院过程工程研究所众多研究人员的工作，由他们分别撰写了相应的章节。本书论及的各著者的大部分相关工作是在同所李静海院士的直接指导下完成的，中国科学院已故资深院士郭慕孙先生、中国科学院过程工程研究所李洪钟院士和姚建中研究员也对本书的相关研发工作在方向把握、技术选择、难题攻关等方面提供了指导和支持。本书在撰写过程中，得到了中国科学院过程工程研究所李洪钟院士、清华大学化工系金涌院士和北京化工大学的刘振宇教授的指导和大力支持，获得了国家科学技术学术著作出版基金的支持。相关研究工作的开展和成果的获得还包括了除上述所列人员以外的许多实验人员、研究生、临时雇用人员的心血。在此，著者向他们表示真诚的感谢。