流体力学应用/B35：压力计研究

简介合成气是由氢气 (H2) 和一氧化碳 (CO) 组成的混合物，由含碳原料气化产生。自 1812 年伦敦煤气、照明和焦炭公司首次商业使用以来，合成气及其煤炭基前体（城市煤气、生产气、煤气）在人类社会发展中发挥了重要作用 [1]。它们照亮了城市，提供了热量和电力，并通过直接使用和转化为液体燃料为车辆提供动力。随着全球能源需求从 2006 年的 44% 增长到 2030 年预计的 715 EJ，合成气将在过程热量、电力生产和液体燃料方面变得越来越重要 [2]。煤气化在增强国家安全方面得到了新的重视，而日益增长的环境可持续性问题增加了人们对生物质气化的兴趣。从气化产生的原产物气体中含有污染物，必须对其进行减缓以满足工艺要求和污染控制法规。本文全面概述了用于去除这些污染物的技术。术语“合成气”被广泛用作行业简写，指的是来自所有类型气化工艺的产物气体。然而，从技术上讲，合成气是由蒸汽和氧气气化过程产生的仅由 H2 和 CO 组成的蒸汽流。虽然不完全准确，但本文将使用此行业简写，并使用适当的形容词来保持与行业和已发表文献相关的讨论的清晰度和简单性 [3]。合成气有许多用途，从 IGCC 等热量或电力应用到各种合成燃料，如下所示（图 1）。对于此类应用，每种污染物都会造成特定下游危害。这些危害包括轻微的工艺效率低下，如腐蚀和管道堵塞，以及灾难性的故障，如催化剂快速且永久性失活。存在多种技术来净化由气化产生的粗合成气流。一些方法能够在一个过程中去除多种污染物，例如湿法洗涤，而其他方法则专注于仅去除一种污染物。有可用的技术可通过减少气化器内排放的污染物来最大限度地减少合成气污染；一种通常称为“初级”或“原位”清理的方法。还有多种次级技术可在反应器下游清洁合成气，以满足当今应用的严格要求。气体净化技术根据工艺温度范围进行分类：• 热气净化 (HGC)• 冷气净化 (CGC)• 温气净化 (WGC)。

这些定义中存在相当大的歧义，没有公认的指南来区分它们。冷气净化通常描述在环境条件附近进行的过程，而热气净化已被用于描述从低至 400 C 到高于 1300 C 的广泛条件范围内的应用。在回顾这些不同类型的燃气清洁之前，将描述从燃气流中去除的污染物的性质。合成气中存在的污染物：从合成气中去除的污染物通常包括颗粒物、可冷凝碳氢化合物（即焦油）、硫化合物、氮化合物、碱金属（主要是钾和钠）和氯化氢 (HCl)。二氧化碳 (CO2) 也在处理酸性气体或碳封存的各种工业应用中被去除，但在本文中未予考虑。污染物含量差异很大，并且受原料的杂质和合成气生成方法的影响很大（见表 1）。根据最终用途技术和/或排放标准，所需的清洁程度也可能大不相同（见表 2）。

焦油焦油由可冷凝的有机化合物组成。它们从主要含氧产物到更重的脱氧碳氢化合物和多环芳烃 (PAH) 都有 [23]。热化学转化过程会根据操作参数产生数百甚至数千种不同的焦油种类。特别是原料成分和加工条件，尤其是温度、压力、氧化剂类型和数量以及原料停留时间 [24,25]。例如，与煤炭或泥炭相比，木材的气化显示出更高的焦油浓度，其中含有更多稳定的芳香族化合物 [26]。上流式气化器的运行方式与下流式气化器大不相同，可能产生 10%e20% 的焦油成分，而后者可能产生不到 1% 的焦油（除非另有说明，这些讨论也以质量为基础提供）[27]。无论数量或类型如何，焦油都是气化的普遍挑战，因为它有可能污染过滤器、管道和发动机，以及使净化系统或下游过程中的催化剂失活 [24]。焦油的复杂化学性质给收集、分析甚至定义什么是焦油带来了困难 [28]。最近的政府间努力对“焦油”做出了明确定义，即“所有分子量大于苯的碳氢化合物”。[29] 除了这个定义之外，还制定了一个公认的“焦油标准”，现在为焦油的采样和分析提供了技术规范 [8,30]。该指南旨在为研究人员提供一致的焦油测量基础。对测量和控制这种污染物至关重要的是对焦油化合物性质和形成的根本理解。

焦油的形成通常被认为是从中等分子量的含氧量高的化合物到重且高度还原的化合物的演变。更长的反应时间和更高的温度（称为更高的反应强度）会降低焦油产率，但会产生更多重碳氢化合物，这些碳氢化合物很难进一步反应。这些化合物方便地分为初级焦油、次级焦油和三级焦油（见图 2）。初级焦油是有机化合物，例如左旋葡聚糖和糠醛，它们是从脱挥发分原料（煤炭或生物质）中释放出来的 [23]。更高的温度和更长的停留时间会导致次级焦油，包括酚类和烯烃。温度和反应时间的进一步增加促进了三级焦油的形成，例如 PAH [24]。总的来说，热化学过程的苛刻条件会产生一系列具有不同特性的焦油化合物，这些化合物可以通过结构进行区分，如表 3 所示。1、4 和 5 类焦油即使在高温下也可以很容易地冷凝，使其成为基于气化的燃料和电力系统中严重结垢和堵塞的原因 [31]。2 类和 3 类焦油，包括杂环芳香烃和苯/甲苯/二甲苯 (BTX) 化合物，在催化提质中存在问题，因为它们与催化剂上的活性位点竞争。这些焦油也是水溶性的，并在水基净化过程中造成废水修复问题。总的来说，鼓励去除或分解所有有机化合物，因为它们代表了合成产品中的杂质 [13]。虽然消除所有焦油是理想的，但更实用的策略是只需去除足够的焦油，使其露点低于燃气流经历的最低温度。荷兰能源研究中心 (ECN) 已经开发了一个包含 50 多种常见焦油化合物信息的扩展数据库，以及用于估算焦油露点的计算程序 [32]。还开发了一种能够进行在线焦油露点测量的分析仪，这对防止生物质气化系统中的焦油问题至关重要 [33,34]。