流體力學應用/B35：壓力計研究

簡介合成氣是由氫氣 (H2) 和一氧化碳 (CO) 組成的混合物，由含碳原料氣化產生。自 1812 年倫敦煤氣、照明和焦炭公司首次商業使用以來，合成氣及其煤炭基前體（城市煤氣、生產氣、煤氣）在人類社會發展中發揮了重要作用 [1]。它們照亮了城市，提供了熱量和電力，並透過直接使用和轉化為液體燃料為車輛提供動力。隨著全球能源需求從 2006 年的 44% 增長到 2030 年預計的 715 EJ，合成氣將在過程熱量、電力生產和液體燃料方面變得越來越重要 [2]。煤氣化在增強國家安全方面得到了新的重視，而日益增長的環境可持續性問題增加了人們對生物質氣化的興趣。從氣化產生的原產物氣體中含有汙染物，必須對其進行減緩以滿足工藝要求和汙染控制法規。本文全面概述了用於去除這些汙染物的技術。術語“合成氣”被廣泛用作行業簡寫，指的是來自所有型別氣化工藝的產物氣體。然而，從技術上講，合成氣是由蒸汽和氧氣氣化過程產生的僅由 H2 和 CO 組成的蒸汽流。雖然不完全準確，但本文將使用此行業簡寫，並使用適當的形容詞來保持與行業和已發表文獻相關的討論的清晰度和簡單性 [3]。合成氣有許多用途，從 IGCC 等熱量或電力應用到各種合成燃料，如下所示（圖 1）。對於此類應用，每種汙染物都會造成特定下游危害。這些危害包括輕微的工藝效率低下，如腐蝕和管道堵塞，以及災難性的故障，如催化劑快速且永久性失活。存在多種技術來淨化由氣化產生的粗合成氣流。一些方法能夠在一個過程中去除多種汙染物，例如溼法洗滌，而其他方法則專注於僅去除一種汙染物。有可用的技術可透過減少氣化器內排放的汙染物來最大限度地減少合成氣汙染；一種通常稱為“初級”或“原位”清理的方法。還有多種次級技術可在反應器下游清潔合成氣，以滿足當今應用的嚴格要求。氣體淨化技術根據工藝溫度範圍進行分類：• 熱氣淨化 (HGC)• 冷氣淨化 (CGC)• 溫氣淨化 (WGC)。

這些定義中存在相當大的歧義，沒有公認的指南來區分它們。冷氣淨化通常描述在環境條件附近進行的過程，而熱氣淨化已被用於描述從低至 400 C 到高於 1300 C 的廣泛條件範圍內的應用。在回顧這些不同型別的燃氣清潔之前，將描述從燃氣流中去除的汙染物的性質。合成氣中存在的汙染物：從合成氣中去除的汙染物通常包括顆粒物、可冷凝碳氫化合物（即焦油）、硫化合物、氮化合物、鹼金屬（主要是鉀和鈉）和氯化氫 (HCl)。二氧化碳 (CO2) 也在處理酸性氣體或碳封存的各種工業應用中被去除，但在本文中未予考慮。汙染物含量差異很大，並且受原料的雜質和合成氣生成方法的影響很大（見表 1）。根據最終用途技術和/或排放標準，所需的清潔程度也可能大不相同（見表 2）。

焦油焦油由可冷凝的有機化合物組成。它們從主要含氧產物到更重的脫氧碳氫化合物和多環芳烴 (PAH) 都有 [23]。熱化學轉化過程會根據操作引數產生數百甚至數千種不同的焦油種類。特別是原料成分和加工條件，尤其是溫度、壓力、氧化劑型別和數量以及原料停留時間 [24,25]。例如，與煤炭或泥炭相比，木材的氣化顯示出更高的焦油濃度，其中含有更多穩定的芳香族化合物 [26]。上流式氣化器的執行方式與下流式氣化器大不相同，可能產生 10%e20% 的焦油成分，而後者可能產生不到 1% 的焦油（除非另有說明，這些討論也以質量為基礎提供）[27]。無論數量或型別如何，焦油都是氣化的普遍挑戰，因為它有可能汙染過濾器、管道和發動機，以及使淨化系統或下游過程中的催化劑失活 [24]。焦油的複雜化學性質給收集、分析甚至定義什麼是焦油帶來了困難 [28]。最近的政府間努力對“焦油”做出了明確定義，即“所有分子量大於苯的碳氫化合物”。[29] 除了這個定義之外，還制定了一個公認的“焦油標準”，現在為焦油的取樣和分析提供了技術規範 [8,30]。該指南旨在為研究人員提供一致的焦油測量基礎。對測量和控制這種汙染物至關重要的是對焦油化合物性質和形成的根本理解。

焦油的形成通常被認為是從中等分子量的含氧量高的化合物到重且高度還原的化合物的演變。更長的反應時間和更高的溫度（稱為更高的反應強度）會降低焦油產率，但會產生更多重碳氫化合物，這些碳氫化合物很難進一步反應。這些化合物方便地分為初級焦油、次級焦油和三級焦油（見圖 2）。初級焦油是有機化合物，例如左旋葡聚糖和糠醛，它們是從脫揮發分原料（煤炭或生物質）中釋放出來的 [23]。更高的溫度和更長的停留時間會導致次級焦油，包括酚類和烯烴。溫度和反應時間的進一步增加促進了三級焦油的形成，例如 PAH [24]。總的來說，熱化學過程的苛刻條件會產生一系列具有不同特性的焦油化合物，這些化合物可以透過結構進行區分，如表 3 所示。1、4 和 5 類焦油即使在高溫下也可以很容易地冷凝，使其成為基於氣化的燃料和電力系統中嚴重結垢和堵塞的原因 [31]。2 類和 3 類焦油，包括雜環芳香烴和苯/甲苯/二甲苯 (BTX) 化合物，在催化提質中存在問題，因為它們與催化劑上的活性位點競爭。這些焦油也是水溶性的，並在水基淨化過程中造成廢水修復問題。總的來說，鼓勵去除或分解所有有機化合物，因為它們代表了合成產品中的雜質 [13]。雖然消除所有焦油是理想的，但更實用的策略是隻需去除足夠的焦油，使其露點低於燃氣流經歷的最低溫度。荷蘭能源研究中心 (ECN) 已經開發了一個包含 50 多種常見焦油化合物資訊的擴充套件資料庫，以及用於估算焦油露點的計算程式 [32]。還開發了一種能夠進行線上焦油露點測量的分析儀，這對防止生物質氣化系統中的焦油問題至關重要 [33,34]。