醋糟生物質(zhì)兩步氣化法制取富氫燃?xì)?/h1>
2016-10-27 01:46:35王立群白文斌
王立群， 白文斌
(江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
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醋糟生物質(zhì)兩步氣化法制取富氫燃?xì)?/p>
王立群， 白文斌
(江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)
通過生物質(zhì)兩步氣化技術(shù)對(duì)醋糟進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn)，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(zhì)質(zhì)量比(S/B)。結(jié)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(chǎn)量增加；隨著S/B的增高，氣體熱值逐漸增高，氣體產(chǎn)量也增加。
醋糟；兩步氣化法；氣化溫度
高含水量生物質(zhì)的處理與利用一直是生活中的一個(gè)重大問題。這些高含水量生物質(zhì)的產(chǎn)生每年都在增加，例如醋糟、海藻、酒糟等。高含水量生物質(zhì)處理不當(dāng)或處理不及時(shí)，會(huì)發(fā)生變質(zhì)產(chǎn)生廢氣污染環(huán)境，嚴(yán)重的會(huì)成為污染源。因此處理高含水量生物質(zhì)是需要緊急解決的課題[1-2]。近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)食用品調(diào)料的需求日益增加，醋糟和酒糟的產(chǎn)量也日益增加，也有許多學(xué)者對(duì)醋糟進(jìn)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(dāng)?shù)木窒扌?。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(jìn)行研究。
富氫燃?xì)庠诨ゎI(lǐng)域的利用有很多[3-4]，生產(chǎn)富氫燃?xì)獾拇鷥r(jià)比較大。因?yàn)楝F(xiàn)如今氣化技術(shù)比較成熟，有很多學(xué)者針對(duì)生物質(zhì)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(shù)對(duì)醋糟進(jìn)行氣化生產(chǎn)富氫燃?xì)?，即可以生產(chǎn)出具有利用價(jià)值的富氫燃?xì)庥挚梢越鉀Q高含水量生物質(zhì)的處理問題。氣化過程對(duì)生物質(zhì)的含水量有要求，醋糟或酒糟含水量高達(dá)70%以上，分散性差，具有結(jié)團(tuán)的傾向，并且因?yàn)榻?jīng)過發(fā)酵作用，很容易發(fā)生腐敗，顆粒也不夠均勻等特點(diǎn)，難以滿足氣化條件[10]。因此，在氣化之前要對(duì)醋糟進(jìn)行干燥處理，本實(shí)驗(yàn)利用太陽能對(duì)醋糟進(jìn)行晾曬處理使其干燥，再使用江蘇大學(xué)的生物質(zhì)兩步氣化爐進(jìn)行試驗(yàn)研究，因其固有的特點(diǎn)，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(nèi)不能正常燃燒制氣的問題。實(shí)驗(yàn)研究了不同氣化溫度和S/B對(duì)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(shí)驗(yàn)工藝及實(shí)驗(yàn)方案
1.1實(shí)驗(yàn)樣品
實(shí)驗(yàn)采用醋糟作為氣化原料，煤作為流化床的載熱物質(zhì)。煤作為載熱物質(zhì)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(yīng)，改善生物質(zhì)氣化的一些劣勢(shì)。試樣的元素分析和工業(yè)分析如表1所示。
表1 煤與醋糟的成分分析 %
1.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)工藝
本文使用的氣化工藝是生物質(zhì)兩步氣化工藝(見圖1)，整個(gè)系統(tǒng)利用1個(gè)爐膛，2個(gè)進(jìn)料裝置和2個(gè)出氣系統(tǒng)。在運(yùn)行階段，根據(jù)切換這2個(gè)進(jìn)料裝置和2個(gè)出氣系統(tǒng)的閥門來控制整個(gè)氣化系統(tǒng)。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(shí)加入煤料，煤在爐膛中發(fā)生氧化燃燒反應(yīng)，使?fàn)t膛溫度升高，當(dāng)爐膛溫度升高到規(guī)定溫度時(shí)切換閥門，(1-1)、(1-2)閥門關(guān)閉，打開蒸汽閥門(2-1)和燃?xì)忾y門(2-2)，此時(shí)加入生物質(zhì)，使生物質(zhì)在爐膛中發(fā)生氣化反應(yīng)。隨著氣化的發(fā)生，爐膛溫度降低，當(dāng)降低到規(guī)定溫度時(shí)再切回燃燒階段，如此循環(huán)制氣。
1.生物質(zhì)流化床氣化爐；2.高溫旋風(fēng)分離器； 3.汽包；4.余熱鍋爐；5.洗滌塔； 6.煙囪； 7.儲(chǔ)氣柜； 8.羅茨風(fēng)機(jī)；9.生物質(zhì)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?xì)饪刂崎y。
圖1生物質(zhì)兩步氣化法工藝流程
1.3實(shí)驗(yàn)方案
生物質(zhì)兩步氣化法燃燒階段加熱到一定的溫度，進(jìn)入氣化階段，因此，生物質(zhì)的含水量問題得以解決，能使相對(duì)含水量高的醋糟進(jìn)行氣化。實(shí)驗(yàn)分別研究醋糟在不同的氣化溫度、不同的水蒸氣質(zhì)量與生物質(zhì)質(zhì)量比的情況下進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn)，分別來確定氣化溫度和S/B對(duì)氣化過程的影響。
實(shí)驗(yàn)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(duì)合成氣的影響。第1組實(shí)驗(yàn)保證氣化溫度、給料量都相同，改變供入的蒸汽量，用來測(cè)定含水量對(duì)燃?xì)獬煞值挠绊?。?組實(shí)驗(yàn)，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(cè)定氣化溫度對(duì)燃?xì)獬煞值挠绊?。?組以含水量為16.02%的醋糟為實(shí)驗(yàn)組，采用不同的S/B來確定S/B對(duì)燃?xì)饨M分的影響。
實(shí)驗(yàn)采用江蘇大學(xué)建造的2步生物質(zhì)氣化爐小型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中爐子的升溫時(shí)間為60 s，制氣時(shí)間為40 s。這里設(shè)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(shí)驗(yàn)收集的燃?xì)獬煞滞ㄟ^奧式氣體分析儀進(jìn)行分析，得出燃?xì)獾慕M分，用origin軟件分析，來確定最佳的氣化條件。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1燃?xì)饨M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(duì)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(xiàn)上升趨勢(shì)，這主要是因?yàn)殡S著含水量的增加，帶入爐內(nèi)的H元素增加，帶動(dòng)了水煤氣的正向反應(yīng)，使得燃?xì)庵械腍2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?yàn)樵跉饣^程中，CO的生成是強(qiáng)吸熱反應(yīng)。生物質(zhì)氣化過程中，生物質(zhì)的水分受熱蒸發(fā)，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(dǎo)致爐內(nèi)提供其他吸熱反應(yīng)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?yàn)镠2的增加，H2是生成甲烷的原料；另一方面因?yàn)榧淄榛磻?yīng)是放熱反應(yīng)，含水量的增加使得爐內(nèi)溫度相對(duì)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(shí)，富氫燃?xì)庵袣錃夂孔疃唷?/p>
圖2 含水量對(duì)氣體組成的影響
圖3～5分別是燃?xì)庵蠬2、CO、CH4體積分?jǐn)?shù)隨著氣化溫度變化的趨勢(shì)。不同含水量的醋糟氣化后燃?xì)獬煞蛛S溫度變化的趨勢(shì)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(yīng)和CO的生成都是強(qiáng)吸熱過程，隨著溫度的升高，對(duì)反應(yīng)的正向發(fā)生產(chǎn)生有利條件，因此產(chǎn)物增多。同時(shí)溫度的升高有利于二次反應(yīng)的發(fā)生，焦油受熱分解產(chǎn)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?yàn)樯杉淄榛磻?yīng)是放熱反應(yīng)，溫度的升高阻礙反應(yīng)的發(fā)生，這些反應(yīng)不僅會(huì)正向發(fā)生，還會(huì)逆向發(fā)生，高溫會(huì)促使反應(yīng)平衡向方程式的左邊移動(dòng)，因此CH4的含量會(huì)變低。隨溫度的變化，富氫燃?xì)庵袣浜康脑黾右匀細(xì)鉄嶂到档蜑榇鷥r(jià)，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(duì)比看出：隨著S/B的增加，燃?xì)庵蠬2的成分也逐漸增加，主要是因?yàn)殡S著S/B的增加，水蒸氣的比例增加，對(duì)水煤氣反應(yīng)起到促進(jìn)作用。CO的含量逐漸降低，因?yàn)镃O的生成反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，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(yīng)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(yīng)屬于放熱反應(yīng)，熱量的減少對(duì)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?xì)庵蠬2體積分?jǐn)?shù)隨著氣化溫度的變化
圖4 燃?xì)庵蠧O體積分?jǐn)?shù)隨氣化溫度的變化
圖5 燃?xì)庵蠧H4體積分?jǐn)?shù)隨氣化溫度的變化
圖6 含水量16.02%醋糟氣化燃?xì)獬煞蛛SS/B的變化
2.2燃?xì)鉄嶂蹬c氣體產(chǎn)率變化的分析
由表2可知：隨著溫度的升高，富氫燃?xì)鉄嶂迪仍黾雍蠼档?，低位熱值?1 124.25～11 634.88之間。這是因?yàn)殡S著溫度的增高焦油隨著裂解，產(chǎn)生H2，CH4，CmHn等小分子氣體增加了熱值，而隨著溫度的進(jìn)一步增高，影響了CH4的生成，因?yàn)榧淄榛磻?yīng)是放熱反應(yīng)，因此溫度增加會(huì)對(duì)反應(yīng)有抑制作用，而CH4是燃?xì)鉄嶂档闹饕休d體，因此低位熱值會(huì)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?yàn)镾/B增加后，水蒸氣的分壓力增加，對(duì)氣化反應(yīng)中水蒸氣還原反應(yīng)的發(fā)生起到促進(jìn)作用，氫氣的生成增加，隨之氣體的熱值也會(huì)隨之增加。
氣體產(chǎn)率指的是由固體原料轉(zhuǎn)換到富氫燃?xì)獾哪芰?，由?可以看出，隨著溫度的增加，產(chǎn)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(fā)生了氣化反應(yīng)，焦油也發(fā)生了二次裂解生成燃?xì)?，由于醋糟含水量高，部分熱量用來蒸發(fā)醋糟中的水分，高溫對(duì)其氣化是有利的。由表5可以看出，隨著S/B的增加，氣體產(chǎn)率也是逐漸增加的，由0.35增加到了0.61，是因?yàn)樵谙嗤脑锨闆r下，更多的蒸汽通入，使原料能充分發(fā)生氣化反應(yīng)。
表2 不同溫度時(shí)富氫燃?xì)獾臀粺嶂?含水量為16.02%，S/B為1.38)
表3 不同S/B時(shí)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?xì)猱a(chǎn)率(含水量為16.02%，S/B為1.22)
表5 不同S/B下的燃?xì)猱a(chǎn)率
3 結(jié)論
1) 利用單一流化床兩步氣化法，對(duì)含水量較高的生物質(zhì)(醋糟)進(jìn)行氣化來制取合成氣是可行的、合理的，并且可以長期穩(wěn)定地運(yùn)行。
2) 在實(shí)驗(yàn)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?xì)庵袣錃獾暮侩S之升高，最佳反應(yīng)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(shí)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(chǎn)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(zhì)的利用提供新的途徑，并提供了理論依據(jù)。
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(責(zé)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(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAD21B00); 科技部農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化基金資助項(xiàng)目(2008GB2C100099); 江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE200851) ; 江蘇省機(jī)械清潔能源與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(QK09005)
王立群(1964—)，男，高級(jí)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(zhì)兩步氣化法制取富氫燃?xì)鈁J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):55-59.
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王立群， 白文斌
(江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)
通過生物質(zhì)兩步氣化技術(shù)對(duì)醋糟進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn)，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(zhì)質(zhì)量比(S/B)。結(jié)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(chǎn)量增加；隨著S/B的增高，氣體熱值逐漸增高，氣體產(chǎn)量也增加。
醋糟；兩步氣化法；氣化溫度
高含水量生物質(zhì)的處理與利用一直是生活中的一個(gè)重大問題。這些高含水量生物質(zhì)的產(chǎn)生每年都在增加，例如醋糟、海藻、酒糟等。高含水量生物質(zhì)處理不當(dāng)或處理不及時(shí)，會(huì)發(fā)生變質(zhì)產(chǎn)生廢氣污染環(huán)境，嚴(yán)重的會(huì)成為污染源。因此處理高含水量生物質(zhì)是需要緊急解決的課題[1-2]。近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)食用品調(diào)料的需求日益增加，醋糟和酒糟的產(chǎn)量也日益增加，也有許多學(xué)者對(duì)醋糟進(jìn)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(dāng)?shù)木窒扌?。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(jìn)行研究。
富氫燃?xì)庠诨ゎI(lǐng)域的利用有很多[3-4]，生產(chǎn)富氫燃?xì)獾拇鷥r(jià)比較大。因?yàn)楝F(xiàn)如今氣化技術(shù)比較成熟，有很多學(xué)者針對(duì)生物質(zhì)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(shù)對(duì)醋糟進(jìn)行氣化生產(chǎn)富氫燃?xì)?，即可以生產(chǎn)出具有利用價(jià)值的富氫燃?xì)庥挚梢越鉀Q高含水量生物質(zhì)的處理問題。氣化過程對(duì)生物質(zhì)的含水量有要求，醋糟或酒糟含水量高達(dá)70%以上，分散性差，具有結(jié)團(tuán)的傾向，并且因?yàn)榻?jīng)過發(fā)酵作用，很容易發(fā)生腐敗，顆粒也不夠均勻等特點(diǎn)，難以滿足氣化條件[10]。因此，在氣化之前要對(duì)醋糟進(jìn)行干燥處理，本實(shí)驗(yàn)利用太陽能對(duì)醋糟進(jìn)行晾曬處理使其干燥，再使用江蘇大學(xué)的生物質(zhì)兩步氣化爐進(jìn)行試驗(yàn)研究，因其固有的特點(diǎn)，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(nèi)不能正常燃燒制氣的問題。實(shí)驗(yàn)研究了不同氣化溫度和S/B對(duì)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(shí)驗(yàn)工藝及實(shí)驗(yàn)方案
1.1實(shí)驗(yàn)樣品
實(shí)驗(yàn)采用醋糟作為氣化原料，煤作為流化床的載熱物質(zhì)。煤作為載熱物質(zhì)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(yīng)，改善生物質(zhì)氣化的一些劣勢(shì)。試樣的元素分析和工業(yè)分析如表1所示。
表1 煤與醋糟的成分分析 %
1.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)工藝
本文使用的氣化工藝是生物質(zhì)兩步氣化工藝(見圖1)，整個(gè)系統(tǒng)利用1個(gè)爐膛，2個(gè)進(jìn)料裝置和2個(gè)出氣系統(tǒng)。在運(yùn)行階段，根據(jù)切換這2個(gè)進(jìn)料裝置和2個(gè)出氣系統(tǒng)的閥門來控制整個(gè)氣化系統(tǒng)。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(shí)加入煤料，煤在爐膛中發(fā)生氧化燃燒反應(yīng)，使?fàn)t膛溫度升高，當(dāng)爐膛溫度升高到規(guī)定溫度時(shí)切換閥門，(1-1)、(1-2)閥門關(guān)閉，打開蒸汽閥門(2-1)和燃?xì)忾y門(2-2)，此時(shí)加入生物質(zhì)，使生物質(zhì)在爐膛中發(fā)生氣化反應(yīng)。隨著氣化的發(fā)生，爐膛溫度降低，當(dāng)降低到規(guī)定溫度時(shí)再切回燃燒階段，如此循環(huán)制氣。
1.生物質(zhì)流化床氣化爐；2.高溫旋風(fēng)分離器； 3.汽包；4.余熱鍋爐；5.洗滌塔； 6.煙囪； 7.儲(chǔ)氣柜； 8.羅茨風(fēng)機(jī)；9.生物質(zhì)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?xì)饪刂崎y。
圖1生物質(zhì)兩步氣化法工藝流程
1.3實(shí)驗(yàn)方案
生物質(zhì)兩步氣化法燃燒階段加熱到一定的溫度，進(jìn)入氣化階段，因此，生物質(zhì)的含水量問題得以解決，能使相對(duì)含水量高的醋糟進(jìn)行氣化。實(shí)驗(yàn)分別研究醋糟在不同的氣化溫度、不同的水蒸氣質(zhì)量與生物質(zhì)質(zhì)量比的情況下進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn)，分別來確定氣化溫度和S/B對(duì)氣化過程的影響。
實(shí)驗(yàn)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(duì)合成氣的影響。第1組實(shí)驗(yàn)保證氣化溫度、給料量都相同，改變供入的蒸汽量，用來測(cè)定含水量對(duì)燃?xì)獬煞值挠绊?。?組實(shí)驗(yàn)，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(cè)定氣化溫度對(duì)燃?xì)獬煞值挠绊?。?組以含水量為16.02%的醋糟為實(shí)驗(yàn)組，采用不同的S/B來確定S/B對(duì)燃?xì)饨M分的影響。
實(shí)驗(yàn)采用江蘇大學(xué)建造的2步生物質(zhì)氣化爐小型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中爐子的升溫時(shí)間為60 s，制氣時(shí)間為40 s。這里設(shè)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(shí)驗(yàn)收集的燃?xì)獬煞滞ㄟ^奧式氣體分析儀進(jìn)行分析，得出燃?xì)獾慕M分，用origin軟件分析，來確定最佳的氣化條件。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1燃?xì)饨M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(duì)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(xiàn)上升趨勢(shì)，這主要是因?yàn)殡S著含水量的增加，帶入爐內(nèi)的H元素增加，帶動(dòng)了水煤氣的正向反應(yīng)，使得燃?xì)庵械腍2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?yàn)樵跉饣^程中，CO的生成是強(qiáng)吸熱反應(yīng)。生物質(zhì)氣化過程中，生物質(zhì)的水分受熱蒸發(fā)，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(dǎo)致爐內(nèi)提供其他吸熱反應(yīng)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?yàn)镠2的增加，H2是生成甲烷的原料；另一方面因?yàn)榧淄榛磻?yīng)是放熱反應(yīng)，含水量的增加使得爐內(nèi)溫度相對(duì)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(shí)，富氫燃?xì)庵袣錃夂孔疃唷?/p>
圖2 含水量對(duì)氣體組成的影響
圖3～5分別是燃?xì)庵蠬2、CO、CH4體積分?jǐn)?shù)隨著氣化溫度變化的趨勢(shì)。不同含水量的醋糟氣化后燃?xì)獬煞蛛S溫度變化的趨勢(shì)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(yīng)和CO的生成都是強(qiáng)吸熱過程，隨著溫度的升高，對(duì)反應(yīng)的正向發(fā)生產(chǎn)生有利條件，因此產(chǎn)物增多。同時(shí)溫度的升高有利于二次反應(yīng)的發(fā)生，焦油受熱分解產(chǎn)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?yàn)樯杉淄榛磻?yīng)是放熱反應(yīng)，溫度的升高阻礙反應(yīng)的發(fā)生，這些反應(yīng)不僅會(huì)正向發(fā)生，還會(huì)逆向發(fā)生，高溫會(huì)促使反應(yīng)平衡向方程式的左邊移動(dòng)，因此CH4的含量會(huì)變低。隨溫度的變化，富氫燃?xì)庵袣浜康脑黾右匀細(xì)鉄嶂到档蜑榇鷥r(jià)，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(duì)比看出：隨著S/B的增加，燃?xì)庵蠬2的成分也逐漸增加，主要是因?yàn)殡S著S/B的增加，水蒸氣的比例增加，對(duì)水煤氣反應(yīng)起到促進(jìn)作用。CO的含量逐漸降低，因?yàn)镃O的生成反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，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(yīng)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(yīng)屬于放熱反應(yīng)，熱量的減少對(duì)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?xì)庵蠬2體積分?jǐn)?shù)隨著氣化溫度的變化
圖4 燃?xì)庵蠧O體積分?jǐn)?shù)隨氣化溫度的變化
圖5 燃?xì)庵蠧H4體積分?jǐn)?shù)隨氣化溫度的變化
圖6 含水量16.02%醋糟氣化燃?xì)獬煞蛛SS/B的變化
2.2燃?xì)鉄嶂蹬c氣體產(chǎn)率變化的分析
由表2可知：隨著溫度的升高，富氫燃?xì)鉄嶂迪仍黾雍蠼档?，低位熱值?1 124.25～11 634.88之間。這是因?yàn)殡S著溫度的增高焦油隨著裂解，產(chǎn)生H2，CH4，CmHn等小分子氣體增加了熱值，而隨著溫度的進(jìn)一步增高，影響了CH4的生成，因?yàn)榧淄榛磻?yīng)是放熱反應(yīng)，因此溫度增加會(huì)對(duì)反應(yīng)有抑制作用，而CH4是燃?xì)鉄嶂档闹饕休d體，因此低位熱值會(huì)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?yàn)镾/B增加后，水蒸氣的分壓力增加，對(duì)氣化反應(yīng)中水蒸氣還原反應(yīng)的發(fā)生起到促進(jìn)作用，氫氣的生成增加，隨之氣體的熱值也會(huì)隨之增加。
氣體產(chǎn)率指的是由固體原料轉(zhuǎn)換到富氫燃?xì)獾哪芰?，由?可以看出，隨著溫度的增加，產(chǎn)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(fā)生了氣化反應(yīng)，焦油也發(fā)生了二次裂解生成燃?xì)?，由于醋糟含水量高，部分熱量用來蒸發(fā)醋糟中的水分，高溫對(duì)其氣化是有利的。由表5可以看出，隨著S/B的增加，氣體產(chǎn)率也是逐漸增加的，由0.35增加到了0.61，是因?yàn)樵谙嗤脑锨闆r下，更多的蒸汽通入，使原料能充分發(fā)生氣化反應(yīng)。
表2 不同溫度時(shí)富氫燃?xì)獾臀粺嶂?含水量為16.02%，S/B為1.38)
表3 不同S/B時(shí)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?xì)猱a(chǎn)率(含水量為16.02%，S/B為1.22)
表5 不同S/B下的燃?xì)猱a(chǎn)率
3 結(jié)論
1) 利用單一流化床兩步氣化法，對(duì)含水量較高的生物質(zhì)(醋糟)進(jìn)行氣化來制取合成氣是可行的、合理的，并且可以長期穩(wěn)定地運(yùn)行。
2) 在實(shí)驗(yàn)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?xì)庵袣錃獾暮侩S之升高，最佳反應(yīng)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(shí)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(chǎn)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(zhì)的利用提供新的途徑，并提供了理論依據(jù)。
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(責(zé)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(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAD21B00); 科技部農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化基金資助項(xiàng)目(2008GB2C100099); 江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE200851) ; 江蘇省機(jī)械清潔能源與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(QK09005)
王立群(1964—)，男，高級(jí)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(zhì)兩步氣化法制取富氫燃?xì)鈁J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):55-59.
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