Renewable & Sustainable Energy Reviews | 传感器在生物质热解和气化中的应用

背景介绍

热解能有效地将废材料转化为合成能量，其过程中产生的气体的产率和组成是最重要的测量指标，在评价热解效率中起着重要的作用。如果可以通过传感器准确确定反应器中的温度、压力和产生的气体成分，则可以优化调整操作参数，从而实现合成能源产品的最高产量和最佳质量，实现效率最大化。气体传感器可以检测各种气体和蒸汽的产量和组成，在燃烧领域的应用广泛，但在热解和气化领域的研究文章很少。然而，目前还没有关于传感器在热解和气化中的应用的综述论文发表。

针对以上问题，北德克萨斯大学机械工程系张海峰教授为第一作者，南京林业大学材料科学与工程学院夏常磊教授为通讯作者在Renewable & Sustainable Energy Reviews（IF=16.8） 发表题为A review of sensor applications towards precise control of pyrolysis of solid waste and biomasses的综述文章，旨在总结和汇报当前可应用或可能应用于热解和气化的传感器。

主要内容

这篇综述系统的总结了温度、压力、气体传感器的应用和潜在应用，包括双FP干涉压力光纤传感器、SAW气体传感器、光学气体传感器、其他电化学气体传感器等，并且根据目前传感器存在的不耐高温、不稳定性、寿命有限等缺陷提出一种高温无线SAW气体传感器的未来研究方向。

热解中温度和压力的测量和控制对于产品升级具有重要作用，目前研究显示主要通过HDO工艺对产品质量进行提升，为了将传感器应用于高温高压环境的领域，开发了各种包括压力、温度、气体、声发射和SAW传感器。

图1.两步HDO流程的方案

其中具有平行FP干涉仪（FPI）的压力传感器具有良好的线性度、重量轻、抗温度变化能力强等优点，通过测量压力和温度，验证了生物质热解蒸汽催化的多项计算流体动力学（CFD）模型，具有广阔应用前景。

图2.升级立管的几何形状和压力传感器（a）和温度传感器（b）的位置

气体传感器对于监控操作参数、检测气体产量和成分、确保过程安全和分析环境至关重要，贯穿整个热解和提质过程。为了应用于恶劣和高温环境，目前大部分研究采用耐热材料如Pt/Pd薄膜、采用钨作为电极、ScxAl1-xN 薄膜和蓝宝石衬底、提高LGS晶体性能等方式，提高SAW传感器的工作温度。

图4.SAW器件的俯视图和横截面示意图，衬底为黑色，AlN为蓝色，钝化为绿色，金属化为灰色

光学气体传感器中有具有多层长周期光纤光栅（LPFG）传感器、机构FP干涉式气体RI传感器等来满足高温高压测量的需要。

图6.涂有1、3、5层SCZY薄膜的纤维的SEM研究（a-c）

以及多层LPFG传感器的图示

电化学气体传感器（EGS）可分为电位式、电流式、电流式和电位式的组合以及基于阻抗的气体传感器，至于未来研究方向，YSZ是许多电化学传感器中用于检测气体的最有效电解质之一，耐受温度高达1200℃，可检测气体浓度为0-6%的H2 、CH4、CO等热解气体。

图10.NO2气体传感器原理图

此外还有诸多传感器在该综述中介绍并汇总于表中，总结来看，热解是将固体废物转化为面向未来合成能源的最有效和可持续的技术之一，因此需要通过准确测量温度和压力以及产生的气体来控制和调整不同热解阶段以及提质过程中的产率和组成。目前许多温度、压力传感器都可能应用于热解和升级过程，气体传感器在热解过程中的应用有限，但现有气体传感器，许多可以承受高温高压环境，检测各种气体的成分，可以进一步调成和优化裂解和提质过程的操作参数。

最后，提出了需要解决气体传感器使用寿命有限的问题、增加气体传感器在热解和气化领域的应用范围，开发新型高温无线SAW气体传感器的构想。