H2O或CO2气氛下的精确原位红外光谱和动力学分析

研究甘蔗渣转化为合成气的机理对于维持生物质在能源经济生产中日益增长的利用至关重要^[1]。本文首先利用Coats-Redfern集成的原位红外光谱，结合定性红外光谱进行动力学分析，研究了不同气化剂对甘蔗渣气化的精确动力学，探讨了各碱反应中中间物质的变化规律。结果表明，CO₂助剂降低了氨基氧化后硝基的活化能，使木质素更容易参与气化，提高了气化效率。一方面，蒸汽作为气化剂提高了羟基的浓度，产生富氢的合成气。另一方面，强氧化羟基降低了纤维素中羰基和羧基的能垒，有利于气化过程。利用一个PCU来监测和记录温度和流速。k型热电偶用于监测反应器下方的氧化和还原区以及反应器顶部(顶空)的干燥区的温度。用空压机和控制分系统调节气化剂的配比。上升气流气化炉产生的合成气经过过滤并连接到气体收集系统，其中合成气成分由红外合成气分析仪(Gasmet-4000)在30秒的采样间隔内进行测量。气体分析仪所识别的甲烷气体包括CH₄、C₂H₂、C₂H₄、和C₂H₆。用日本NETZSCH公司的sta449f1型热分析仪研究了甘蔗渣在大气中的热化学分解。在载气和保护气(N₂)流速为30 ml/min的条件下，将20 mg甘蔗渣放入Al₂O₃坩埚中，以50 ml/min的环境空气速率，从室温到850℃，以20℃/min的恒定升温速率进行实验。通过热重分析得出DTG曲线，确定了样品的最大气化区。原位红外(IR)光谱记录在fol10 - r仪器(上海INSA光学仪器有限公司)上。磁驱动红外不仅可以移动样品，推导出每个温度点的气相环境，从而在动态反应中不叠加气峰，获得甘蔗渣焦谱，而且可以基于更准确可靠的数据，清晰地检测到中间物质的转变。H₂O/CO₂作为气化氧化剂比常规空气气化产生更高的能量，因为分别增强了Boudouard反应和干焦油重整反应。CO₂气化剂通过降低硝基活化能来促进木质素的转化。富集的CO₂增强了水-气逆向转化反应，使CO产量提高了18.2%。与空气气化剂相比，合成气中H₂含量由9.21 vol%增加到13.53 vol%，这主要是由于羟基浓度的增加所致。从宏观层面上升级，官能团的精确动力学使得气化剂的应用可以在微观层面上调整断键顺序和收率。由于不同的气化剂有利于自由基的反应，在相同的操作条件下，气化炉诱导断键序列，表明使用不同的气化剂是促进特定产品的有效策略。

[1] George A, Shen B, Craven M, Wang Y, Kang D, Wu C, Tu X. A Review of Non-Thermal Plasma Technology: a novel solution for CO2 conversion and utilization. Renew Sustain Energy Rev 2021;135:109702. https://doi.org/10.1016/ j.rser.2020.109702.