醋糟生物質兩步氣化法制取富氫燃氣

王立群， 白文斌

(江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江　212013)

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醋糟生物質兩步氣化法制取富氫燃氣

王立群， 白文斌

(江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江212013)

通過生物質兩步氣化技術對醋糟進行氣化實驗，確定了在氣化過程中起主要影響的因素分別是醋糟含水量、氣化溫度和水蒸氣與生物質質量比(S/B)。結果表明：最佳的含水量為16.02%，氣化溫度為950～1 000 ℃，S/B為1.22。隨著溫度的增高，氣體熱值先增高后降低，氣體產量增加；隨著S/B的增高，氣體熱值逐漸增高，氣體產量也增加。

醋糟；兩步氣化法；氣化溫度

高含水量生物質的處理與利用一直是生活中的一個重大問題。這些高含水量生物質的產生每年都在增加，例如醋糟、海藻、酒糟等。高含水量生物質處理不當或處理不及時，會發生變質產生廢氣污染環境，嚴重的會成為污染源。因此處理高含水量生物質是需要緊急解決的課題[1-2]。近幾年，隨著經濟的發展，對食用品調料的需求日益增加，醋糟和酒糟的產量也日益增加，也有許多學者對醋糟進行食用菌栽培、加工做飼料等研究，但是在處理量上還是有相當的局限性。為了處理大量的醋糟和酒糟，本文選取醋糟作為氣化原料進行研究。

富氫燃氣在化工領域的利用有很多[3-4]，生產富氫燃氣的代價比較大。因為現如今氣化技術比較成熟，有很多學者針對生物質制取富氫作出了不少研究[5-9]。本文希望通過利用氣化技術對醋糟進行氣化生產富氫燃氣，即可以生產出具有利用價值的富氫燃氣又可以解決高含水量生物質的處理問題。氣化過程對生物質的含水量有要求，醋糟或酒糟含水量高達70%以上，分散性差，具有結團的傾向，并且因為經過發酵作用，很容易發生腐敗，顆粒也不夠均勻等特點，難以滿足氣化條件[10]。因此，在氣化之前要對醋糟進行干燥處理，本實驗利用太陽能對醋糟進行晾曬處理使其干燥，再使用江蘇大學的生物質兩步氣化爐進行試驗研究，因其固有的特點，燃燒加熱階段與制氣階段相分開，成功地解決了醋糟含水量過高在一般氣化爐內不能正常燃燒制氣的問題。實驗研究了不同氣化溫度和S/B對醋糟氣化過程中含氫量變化的影響，并得出了最佳的醋糟氣化條件。

1　實驗工藝及實驗方案

1.1實驗樣品

實驗采用醋糟作為氣化原料，煤作為流化床的載熱物質。煤作為載熱物質一方面能形成大量高溫床料，可以為醋糟氣化提供所需的能量；另一方面也有一定量的煤粉參加氣化反應，改善生物質氣化的一些劣勢。試樣的元素分析和工業分析如表1所示。

表1　煤與醋糟的成分分析　%

1.2實驗臺工藝

本文使用的氣化工藝是生物質兩步氣化工藝(見圖1)，整個系統利用1個爐膛，2個進料裝置和2個出氣系統。在運行階段，根據切換這2個進料裝置和2個出氣系統的閥門來控制整個氣化系統。氣化過程分為升溫階段和制氣階段。升溫階段是空氣閥門(1-1)和煙氣閥門(1-2)開，同時加入煤料，煤在爐膛中發生氧化燃燒反應，使爐膛溫度升高，當爐膛溫度升高到規定溫度時切換閥門，(1-1)、(1-2)閥門關閉，打開蒸汽閥門(2-1)和燃氣閥門(2-2)，此時加入生物質，使生物質在爐膛中發生氣化反應。隨著氣化的發生，爐膛溫度降低，當降低到規定溫度時再切回燃燒階段，如此循環制氣。

1.生物質流化床氣化爐；2.高溫旋風分離器； 3.汽包；4.余熱鍋爐；5.洗滌塔； 6.煙囪； 7.儲氣柜； 8.羅茨風機；9.生物質加料裝置；10.煤加料裝置； 1-1.空氣控制閥； 1-2.煙氣控制閥； 2-1.蒸汽控制閥；2-2.燃氣控制閥。

圖1生物質兩步氣化法工藝流程

1.3實驗方案

生物質兩步氣化法燃燒階段加熱到一定的溫度，進入氣化階段，因此，生物質的含水量問題得以解決，能使相對含水量高的醋糟進行氣化。實驗分別研究醋糟在不同的氣化溫度、不同的水蒸氣質量與生物質質量比的情況下進行氣化實驗，分別來確定氣化溫度和S/B對氣化過程的影響。

實驗采用控制變量法，在其他量都相等的情況下改變其中的一種變量來觀察變量對合成氣的影響。第1組實驗保證氣化溫度、給料量都相同，改變供入的蒸汽量，用來測定含水量對燃氣成分的影響。第2組實驗，采用相同含水量的醋糟、不同的氣化溫度、相同的給料量和氣化劑量，用來測定氣化溫度對燃氣成分的影響。第3組以含水量為16.02%的醋糟為實驗組，采用不同的S/B來確定S/B對燃氣組分的影響。

實驗采用江蘇大學建造的2步生物質氣化爐小型試驗臺進行實驗，實驗過程中爐子的升溫時間為60 s，制氣時間為40 s。這里設定的高溫切換溫度為1 050 ℃，低溫切換溫度為950 ℃。通入的水蒸氣溫度為300 ℃。實驗收集的燃氣成分通過奧式氣體分析儀進行分析，得出燃氣的組分，用origin軟件分析，來確定最佳的氣化條件。

2　實驗結果與分析

2.1燃氣組分隨氣化條件的變化分析

圖2顯示了在相同的溫度(950～1 000 ℃)和S/B的情況下不同含水量對氫氣、甲烷、一氧化碳的影響。隨著含水量的增加，氫氣的含量呈現上升趨勢，這主要是因為隨著含水量的增加，帶入爐內的H元素增加，帶動了水煤氣的正向反應，使得燃氣中的H2含量增加。隨著含水量的增加，CO的含量逐漸降低，這主要是因為在氣化過程中，CO的生成是強吸熱反應。生物質氣化過程中，生物質的水分受熱蒸發，要吸收很大一部分熱量，隨著含水量的增加，這一步熱量需求的也就越多，最后導致爐內提供其他吸熱反應的熱量變少，CO含量就變低。隨著含水量的增加，CH4的含量也逐漸增加。主要是兩方面的原因：一方面因為H2的增加，H2是生成甲烷的原料；另一方面因為甲烷化反應是放熱反應，含水量的增加使得爐內溫度相對偏低，因此，隨著含水量的增加甲烷含量是增加的，且得出在含水量為16.02%時，富氫燃氣中氫氣含量最多。

圖2　含水量對氣體組成的影響

圖3～5分別是燃氣中H2、CO、CH4體積分數隨著氣化溫度變化的趨勢。不同含水量的醋糟氣化后燃氣成分隨溫度變化的趨勢大都相同。隨著氣化溫度的升高，氫氣和一氧化碳的含量增加，而甲烷的含量逐漸降低。水煤氣反應和CO的生成都是強吸熱過程，隨著溫度的升高，對反應的正向發生產生有利條件，因此產物增多。同時溫度的升高有利于二次反應的發生，焦油受熱分解產生H2、CO等氣體。高溫不僅能使H2和CO的含量增加，還有利于焦油的裂解。隨著溫度的升高，CH4含量逐漸降低，這是因為生成甲烷化反應是放熱反應，溫度的升高阻礙反應的發生，這些反應不僅會正向發生，還會逆向發生，高溫會促使反應平衡向方程式的左邊移動，因此CH4的含量會變低。隨溫度的變化，富氫燃氣中氫含量的增加以燃氣熱值降低為代價，氣化溫度越高，能耗越高，因此這里取最佳值為950～1 000 ℃。

由圖6可以對比看出：隨著S/B的增加，燃氣中H2的成分也逐漸增加，主要是因為隨著S/B的增加，水蒸氣的比例增加，對水煤氣反應起到促進作用。CO的含量逐漸降低，因為CO的生成反應是強吸熱反應，隨著S/B的增加，更多的熱量用來加熱水蒸氣，使得總體用于別的反應的熱量變少， CO的含量降低。甲烷的含量隨著S/B的增加而增加，CH4的生成反應屬于放熱反應，熱量的減少對CH4的生成有利，所以CH4的含量逐漸增加。綜合考慮蒸汽的成本與收益，S/B超過2能耗比較大，因此這里取最佳的S/B為1.22。

圖3　燃氣中H2體積分數隨著氣化溫度的變化

圖4　燃氣中CO體積分數隨氣化溫度的變化

圖5　燃氣中CH4體積分數隨氣化溫度的變化

圖6　含水量16.02%醋糟氣化燃氣成分隨S/B的變化

2.2燃氣熱值與氣體產率變化的分析

由表2可知：隨著溫度的升高，富氫燃氣熱值先增加后降低，低位熱值在11 124.25～11 634.88之間。這是因為隨著溫度的增高焦油隨著裂解，產生H2，CH4，CmHn等小分子氣體增加了熱值，而隨著溫度的進一步增高，影響了CH4的生成，因為甲烷化反應是放熱反應，因此溫度增加會對反應有抑制作用，而CH4是燃氣熱值的主要承載體，因此低位熱值會有所下降。由表3可以看出，隨著S/B的增加，富氫氣體的熱值從10 733.89逐漸增加到了11 966.22 (kJ·Nm-3)。氣體熱值隨S/B增加而增加，因為S/B增加后，水蒸氣的分壓力增加，對氣化反應中水蒸氣還原反應的發生起到促進作用，氫氣的生成增加，隨之氣體的熱值也會隨之增加。

氣體產率指的是由固體原料轉換到富氫燃氣的能力，由表4可以看出，隨著溫度的增加，產氣率是增加的，由0.31增加到了0.51，隨著溫度的增加，更多的原料發生了氣化反應，焦油也發生了二次裂解生成燃氣，由于醋糟含水量高，部分熱量用來蒸發醋糟中的水分，高溫對其氣化是有利的。由表5可以看出，隨著S/B的增加，氣體產率也是逐漸增加的，由0.35增加到了0.61，是因為在相同的原料情況下，更多的蒸汽通入，使原料能充分發生氣化反應。

表2　不同溫度時富氫燃氣低位熱值(含水量為16.02%，S/B為1.38)

表3　不同S/B時富氫氣體低位熱值(氣化溫度950～1 000℃，含水量為16.02%)

表4　不同溫度下的燃氣產率(含水量為16.02%，S/B為1.22)

表5　不同S/B下的燃氣產率

3　結論

1) 利用單一流化床兩步氣化法，對含水量較高的生物質(醋糟)進行氣化來制取合成氣是可行的、合理的，并且可以長期穩定地運行。

2) 在實驗條件下，隨著醋糟含水量的增加，氫氣含量也隨著增加，然后慢慢趨于平緩，最佳的含水量為16.02%，隨著溫度的升高，燃氣中氫氣的含量隨之升高，最佳反應溫度為950～1 000 ℃，隨著S/B的增加，氫氣含量也隨之增加，在S/B為1.22左右時增加速率最快，因此也最佳。

3) 富氫氣體熱值隨著溫度的增高先增加后降低，隨著S/B的增加而增加。產氣率則隨著溫度增加而增加，也隨著S/B的增加而增加。

4) 為高含水量生物質的利用提供新的途徑，并提供了理論依據。

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(責任編輯何杰玲)

Two-Stage Gasification of Synthetic Gas from Vinegar Residue Biomass

WANG Li-qun, BAI Wen-bin

(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The experimental was studied on the gasification of vinegar by two-step gasification technology of biomass gasification process. The main factors that water content of vinegar residue, gasification temperature andS/Baffecting the process of two step gasification of vinegar was ascertained. We compared and analyzed the contents to get that the best vinegar water content is 16.02%, and the best reaction temperature is 950～1 000℃, and the bestS/Bis 1.22. With the increase of temperature, the heating value of gas increases first and then decreases, and the gas production increases. With the increase ofS/B, the calorific value of gas increases gradually and the gas production also increases.

vinegar bad; two-step gasification method; gasification temperature

2016-03-15

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAD21B00); 科技部農業成果轉化基金資助項目(2008GB2C100099); 江蘇省科技支撐計劃項目(BE200851) ; 江蘇省機械清潔能源與應用重點實驗室項目(QK09005)

王立群(1964—)，男，高級工程師，副研究員，主要從事熱能工程研究，E-mail:thulq2000@163.com。

format：WANG Li-qun, BAI Wen-bin.Two-Stage Gasification of Synthetic Gas from Vinegar Residue Biomass [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):55-59.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.009

TQ920.6

A

1674-8425(2016)09-0055-05

引用格式：王立群， 白文斌.醋糟生物質兩步氣化法制取富氫燃氣[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(9):55-59.