一、项目背景
为了实现国家制定的到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%~65%、非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右的目标，要求加快可再生能源（含碳废弃物能，太阳能等）的开发利用，减少能源生产过程污染排放。含碳废弃物气化是当前含碳废弃物能源化利用的主要途径之一，可将含碳废弃物转化为富H2的合成气，用作气体燃料，或者合成液体燃料和化工产品。然而常规的含碳废弃物气化反应温度为800-900oC，产生的燃气热值低(~5MJ/m3)、焦油含量高，无法满足现代能源以及化工生产的需求。
因此，亟需发展新型高温含碳废弃物气化技术来满足含碳废弃物资源高效清洁利用的需求。通过聚光器提高太阳的入射强度，可提供约2000oC的高温，使含碳废弃物发生高温气化反应有利于焦油的裂解和重整，生成热值高、焦油含量低的高品位合成气。如图1所示，生成的合成气后续用途包括：用作运输燃料、提取氢气、制备化工制品、燃烧供热，经过后续利用产生的CO2和H2O又可以用于光合作用，构成了一个二氧化碳零排放工艺。
与常规含碳废弃物气化技术相比，聚焦太阳能气化的优势主要体现在：1）气体产物未被原料燃烧的副产物所污染；2）单位气体产量更高；3）几乎没有焦油生成；4）由于气体产物储存了部分间隙性的太阳能，使原料能量升级因子更高。
图1.聚焦太阳能高温气化含碳废弃物的流程图
与传统气化相比，聚焦太阳能直接加热的高温和光化学特性，将改变气化反应中的热解过程及产物特性、焦炭气化反应平衡和动力学、焦油裂解/重整路径。然而对聚焦太阳能加热带来的具体变化没有针对性的研究，导致高温下（1200°C-2000°C）含碳废弃物气化反应动力学机理、传热传质特性以及中间产物挥发分和焦炭形成变化规律尚不明晰。基于此本项目提出了探究聚焦太阳能高温气化含碳废弃物的反应机理，从而优化反应过程，调控合成气产量和质量，直接制备高品位合成气。
二、技术简介
采用实验研究、理论分析与流体动力学和热力学模拟相结合，首先开展不同温度和气氛条件下热解焦炭的高温气化实验研究，系统性探索聚焦太阳能作用下热解焦炭的水蒸气气化特性及焦炭-挥发分交互作用。之后开展热解挥发分的裂解/重整和光化学反应实验，揭示聚焦太阳能加热下挥发分热化学反应和光化学反应的耦合作用机制。在实验的基础上利用CFD模拟计算含碳废弃物在聚焦太阳能加热下的气化反应，解析其传热传质过程；最后进行不同反应条件和原料特性下含碳废弃物高温气化行为实验研究，系统性的探索含碳废弃物在聚焦太阳能加热下的气化特性和动力学机理。从而实现聚焦太阳能高温气化含碳废弃物直接制备高品位合成气的新工艺。所采用的技术路线如图2所示。
图2.本项目研究技术路线图
三、项目意义
系统性的探索在聚焦太阳能加热下的气化特性和动力学机理，从而实现聚焦太阳能高温气化含碳废弃物直接制备高品位合成气的新工艺。解决含碳废弃物的回收利用问题，改善大气环境，这是大规模清洁利用的基础，对于替代化石原料、发展新型能源技术、逐步消除雾霾等重污染天气具有重要的意义，具有重大的经济效益和社会环境效益。
项目负责人：
曾阔， 研究员，华中科技大学能源与动力工程学院副教授、博士生导师，法国国家科学研究中心博士、博士后。博士指导导师为Gilles Flamant教授（法国国家科学研究中心过程，材料和太阳能实验室主任）和Ange Nzihou教授（法国矿业大学能源与环境研究中心主任）。多次在法国矿业大学进行交流合作，并于2015年前往阿根廷首都布宜诺斯艾利斯的国家过程工程研究所访问。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学青年基金项目、国家重点研发计划国合专项课题、深圳市基础研究项目、深圳市国际合作项目、重点实验室开放基金多项、企业委托项目多项，参与国家重点研发计划项目2项。近年来在国际权威SCI期刊上发表论文30余篇，其中第一作者及通讯作者论文20余篇，以第一发明人申请发明专利15项（已授权10项），国际会议口头报告7次。
主要研究方向：
1、聚光太阳能的吸热储热装置设计和传热传质过程优化，用于大型太阳能光热电站
2、聚光太阳能驱动含碳物料（煤，生物质，城市生活垃圾等）气化制备合成气，用于合成液体燃料
3、聚光太阳能光热协同催化制氢
4、聚光太阳能驱动二氧化碳制太阳能燃料的连续性工作样机开发
