1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.1 背景及意义

能源是世界发展和经济增长的基本驱动力，是人们赖以生存的基础。当下，能源的可持续发展、能源和环境，是全世界人民共同关心的问题^[1]。随着社会的不断发展，人们对于能源的需求不断增长，能源短缺和环境污染的问题渐渐成为人们关注的焦点，因此能源的可持续利用已经成为一项十分紧迫的研究课题。

生物质能是继煤、石油和天然气三大化石能源之后的第四位能源^[2]，同时也是唯一能够储存和运输的可再生能源^[3]，是唯一能替代化石能源转化为燃料以及其它化工原料实现碳资源循环利用的可再生资源^[4]。同化石燃料相比，生物质能具有可再生、低污染，广泛分布，总量十分丰富等一系列显著优点。目前，我国可利用的生物质资源总量达到700 Mt标准煤，并且总量持续增加^[5]。

生物质气化是生物质能高品位利用的一种主要技术，其原理是将固态生物质原料在高温下转换成高品位的可燃气体^[6]。但是生物质在气化过程中不可避免地会产生焦油^[1,7-9]。燃气中的焦油难以完全燃烧，水，灰分和炭颗粒等杂质都容易与焦油粘合，造成堵塞，产生腐蚀性的破坏^[10]。因此，焦油成为生物质气化过程工业化的主要阻碍之一^[7]。

1.2 焦油的特征和分类

生物质燃气焦油由数百种碳氢化合物组成，主要为单环到五环的芳烃^[11-14]。其中，质量分数大于5%的有7种，分别是苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚。焦油在300℃以上呈气态，低于200℃逐步凝结为液体^[6]。

荷兰能源研究中心（Energy Research Center of the Netherlands，ECN）的Bergman 等^[12]根据分子量和分子直径，可将焦油分为5类。

表1 焦油分类

第1、2和5类焦油属于重焦油，能够通过冷却脱除；第4类焦油和部分第2类焦油属于中等沸点的焦油，即使浓度极低，常温下也会凝结，不易通过冷却的方法脱除；第三类焦油属于轻焦油，须通过吸附或吸收方法深度脱除。

1.3 国内外燃气焦油脱除进展

ECN将水基脱焦和脱氨系统组合脱除焦油^[12]。但是，系统存在堵塞问题，净化效率难以保证。尽管采用了孔道开阔的金属填料，但由于焦油的堵塞，脱焦塔的压降仍会迅速增加。

ECN开发的”OLGA”（Oil-Based Gas Washer）采用溶剂吸收的除焦工艺^[15]。该工艺采用两级方法进行焦油脱除，第一级通过溶剂使重焦油冷却凝结，第二级利用吸收剂脱除轻焦油。根据生物质焦油特征进行轻、重分级后，特别适用于吸收或吸附等单元操作进行分离和回收。

Ahmad等^[16]使用实验室制备的废棕榈油（LWPCO），餐馆收集的废棕榈油（CWPCO），柴油和水等介质脱除焦油。实验成功地使用柴油和CWPCO脱除第四类焦油。CWPCO的最高焦油去除效率（不包括苯）达到86%。应用CWPCO对除焦油可以降低运营成本。用活性炭与CWPCO的组合可以达到98%的焦油脱除率，可将焦油浓度降到22 mg/m³。

Paethanom等^[17]在2010年分别研究了水、生物柴油，植物油和发动机油对于焦油的脱除效率，结果表明植物油的脱除效率最高，达到60.4%。之后^[18]介绍了三种针对每种焦油的焦油脱除方法：（1）用蔬菜油和废烹调油洗涤器去除重焦油；（2）用稻壳吸附床去除轻焦油；（3）用蔬菜油洗涤器和稻壳吸附床的吸收和吸附混合作用去除重焦油。吸附对于轻焦油脱除更有效。通过蔬菜油洗涤器和稻壳吸附床的混合作用，95.4%的重焦油能成功的脱除。

Chethan等^[19]用活性炭和焦煤从燃气模拟物中脱除焦油和CO₂：使用模拟燃气流，用不同的活性炭和豆科灌木的焦煤吸附甲苯和乙烯（焦油替代物）。研究表明，焦油模拟物苯的吸附在低温200-300℃情况下进行，该方法比较有效。

Nakamura等^[11,20]利用生物质气化副产物生物油与生物炭联合脱除焦油：真实生物质燃气经过生物油吸收，在50℃是时脱除效率最高，达到64.5%；经过生物炭吸附，焦油浓度从2.53 g/m³降至0.47 g/m³，脱除率达到81.5%；联合脱除效率达到98%，出口燃气浓度约0.8 g/m³。

Tsyntsarski等^[21]用不同的废料（煤沥青和杏石）热解制备了活性炭，并利用活性炭对萘的吸附进行了研究。实验表明活性炭的吸附能力取决于表面积和孔隙度。结果发现，萘的吸附符合Langmuir等温线，从煤沥青得到的活性炭的吸附能力为18.75 mg/g和从杏石得到的活性炭吸附能力为29.95 mg/g。

Gregorio等^[22]设计并搭建了一个实验室规模的热气体过滤装置，对活性炭的性能进行了评价。试验利用萘为焦油参考物质，选择了三种活性炭，在不同的操作条件下使用，评估其焦油脱除性能。结果表明，活性炭表面铁和铝的含量越大，萘裂解效率越高。活性炭在吸附和裂解效率的差异是由于它们的不同的结构和组分造成。

吴创之等^[23]在生物质能利用领域做过许多的研究，曾经开发出一套流化床发电系统，所产燃气采用水洗喷淋除焦。最终由于废水处理问题停工。

南京信息工程大学的沈亚飞等^[24,25]研究了炭基催化剂裂解焦油的方法，并对生物油、生物炭和低粘度焦油等热解/气化副产物在燃气净化领域的应用进行了研究。

综上所述，水洗法的焦油脱除效率只有70~80%，达不到工业生产要求；油基脱焦方法利用油类吸收剂与焦油的相容性，将焦油溶解在溶剂中。因此不但避免了含酚废水的污染问题，而且提高了对第三和第四分类的焦油脱除效果。以OLGA为代表的油基脱焦方法效果较好，但该体系中的冷却塔采用外加溶剂冷却重焦油，溶剂分离回收难度大，提高了操作成本；将吸附法用于焦油脱除过程不但是可行的，而且是高效的。与其他方法相比，吸附法去除率高、净化完全、能耗低、操作性强、易于推广，因而越来越受到人们的关注^[26]。

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1 本课题要解决的问题

生物质在气化的过程中，大量的焦油及其它副产物的产生给气化系统以及环境带来很严重的问题，但由于焦油成分的复杂多样，焦油净化是个技术难题。课题组在气液相平衡理论、介孔毛细凝聚吸附和微孔填充吸附理论的基础上，并基于脱焦过程的能量梯级利用，构建一种结合喷淋冷却（激冷）、介孔凝聚吸附和微孔吸附的生物质燃气焦油多级多效深度脱除过程，并研究真实焦油在多级脱除过程的分配和脱除机理，考察操作参数对脱除性能的影响。

2 拟采用的研究手段