沈鵑文 王文欣

摘要：超富集植物是植物修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)，將其進(jìn)行氣化反應(yīng)，能夠得到CH4、H2等可燃?xì)怏w，以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源化。本文選用超富集蜈蚣草，將其進(jìn)行超臨界水氣化反應(yīng)，通過改變實(shí)驗(yàn)溫度、壓力和停留時(shí)間，來探究其對氣相產(chǎn)物的影響。實(shí)驗(yàn)表明，在超臨界狀態(tài)點(diǎn)附近將溫度從390℃升高至460℃的過程中，氣體產(chǎn)物中的H2和CH4的占比逐漸升高;CO2的占比逐漸減少。而反應(yīng)壓力的增加、停留時(shí)間的延長，對氣相產(chǎn)物的組分的變化沒有像溫度那樣明顯。

關(guān)鍵詞：植物修復(fù);超富集植物;超臨界水氣化

Abstract：Super-enriched plants are the basis of phytoremediation technology.Combustion of them with gasification can obtain combustible gases such as CH4 and H2 to realize biomass energy.In this paper，ultra-enriched Yarrow is selected for supercritical water gasification reaction， and its effect on gas-phase products is explored by changing the experimental temperature，pressure，and residence time.Experiments show that during the process of increasing the temperature from 390℃ to 460℃ near the supercritical state point， the proportion of H2 and CH4 in the gas product gradually increases;the proportion of CO2 gradually decreases.The increase of the reaction pressure and the extension of the residence time did not change the composition of the gas-phase products as much as the temperature.

Key words：Phytoremediation;Super-enriched plants;Supercritical water gasification

1 研究背景

生物質(zhì)能的開發(fā)逐漸成為熱點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)燃料，其燃燒后釋放的CO2幾乎全部來自環(huán)境中的CO2，一定程度上實(shí)現(xiàn)了碳守恒。因此，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的能源化利用，對能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

超富集植物[1]是指那些能夠從土壤中吸收并積累很高金屬濃度的植物。超富集植物超臨界水氣化是一項(xiàng)新穎的技術(shù)，既能將生物質(zhì)氣化，又能利用超臨界水技術(shù)，使重金屬往液、固相主要遷移，氣相中含量較少[2]。同時(shí)，超臨界氣化反應(yīng)后的產(chǎn)物中不產(chǎn)生焦油、木炭等副產(chǎn)品[3]，減少實(shí)驗(yàn)儀器堵塞風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)高效、無害，將逐漸成為未來能源與環(huán)境行業(yè)的一個(gè)新熱點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本次實(shí)驗(yàn)采用的是超富集植物蜈蚣草。將其破碎、篩選后備用。

實(shí)驗(yàn)裝置采用實(shí)驗(yàn)室已建好的超臨界水氣化試驗(yàn)臺。試驗(yàn)臺主要包括PID智能控制器、反應(yīng)釜、循環(huán)水系統(tǒng)、輸氣系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)操作具體步驟：（1）稱取樣品放入反應(yīng)釜，倒入定量去離子水，充分?jǐn)嚢?（2）用抽氣泵將反應(yīng)釜內(nèi)的空氣排盡，充入氮?dú)?，進(jìn)行掃氣，確保裝置內(nèi)無空氣殘留;（3）將反應(yīng)釜加固密封，操作無誤后啟動設(shè)備，等待實(shí)驗(yàn)狀態(tài)達(dá)到設(shè)定的實(shí)驗(yàn)值;（4）實(shí)驗(yàn)完成后關(guān)閉電源，打開循環(huán)水進(jìn)行降溫;（5）當(dāng)反應(yīng)釜溫度降到常溫后，開鍋收集產(chǎn)物;（6）清洗反應(yīng)釜，準(zhǔn)備下一次實(shí)驗(yàn)。

3 超臨界水中超富集植物氣化產(chǎn)氣特性

3.1 反應(yīng)溫度對氣相產(chǎn)物的影響

控制反應(yīng)壓力23MPa，保持固液比1：25，反應(yīng)停留時(shí)間20min。觀察發(fā)現(xiàn)，氣相產(chǎn)物中按照含量的多少排序?yàn)椋篊O2 > H2 > CH4 > CO。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)H2的產(chǎn)率是隨溫度升高而增加的，分析如下：蒸汽重組和水煤氣反應(yīng)都會產(chǎn)生大量的H2，式（3-4）正向反應(yīng)加強(qiáng)，增加了H2的產(chǎn)出，即使反應(yīng)式（3-6）因反應(yīng)溫度增加而消耗H2，但是其消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及式（3-4）中H2的生成量，這主要因?yàn)榉磻?yīng)物H2O和C大量存在超臨界水和生物質(zhì)中，供給充足。

3.2 反應(yīng)壓力對氣相產(chǎn)物的影響

控制反應(yīng)溫度400℃，保持固液比1：25，反應(yīng)停留時(shí)間20min，改變反應(yīng)壓力。

觀察發(fā)現(xiàn)，增加反應(yīng)壓力對H2的產(chǎn)生有輕微的削減作用;對CH4、CO、乙烴的影響不大，這是由于隨著壓力的升高，存在著“籠效應(yīng)”，主要會導(dǎo)致溶劑分子將溶質(zhì)分子包圍隔離起來，阻礙氣化反應(yīng)在初始階段的進(jìn)行，從而降低其反應(yīng)速率[4]。

3.3 反應(yīng)停留時(shí)間對氣相產(chǎn)物的影響

控制反應(yīng)溫度400℃，反應(yīng)壓力23MPa，保持固液比1：25，只改變反應(yīng)的停留時(shí)間。

觀察發(fā)現(xiàn)，延長停留時(shí)間對提高H2和CH4的產(chǎn)生有一定的促進(jìn)作用;對CO2、CO有一定程度的削減作用。H2和CH4產(chǎn)率的增加，是因?yàn)殡S著氣體停留時(shí)間的延長，物質(zhì)發(fā)生了二次裂解，有更多的焦油蒸汽分子發(fā)生裂解，產(chǎn)生了更多的H2及CH4氣體。

4 結(jié)論與建議

超富集植物超臨界水共氣化的產(chǎn)物（按其占比多少）依次是CO2 、H2、CH4 和CO。其中CH4、H2都是隨著溫度上升占比逐漸增加，而CO2卻隨著溫度上升逐漸減少。氣化反應(yīng)壓力在一定范圍內(nèi)的變化對氣體組分分布影響不像溫度那樣敏感。氣化反應(yīng)的停留時(shí)間的延長，有利于二次裂解，而CO2和CO的占比減少，意味著焦油的二次裂解是需要消耗CO和CO2的，其詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理還需要不斷探索研究。

參考文獻(xiàn)

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[3]郝小紅，郭烈錦.超臨界水中濕生物質(zhì)催化氣化制氫研究評述[J].化工學(xué)報(bào)，2002，53（3）：221-228.

[4]K?p?ak E， Akgün M. Hydrogen Production by Supercritical Water Gasification of Biomass[M]// Production of Hydrogen from Renewable Resources. Springer Netherlands，2015：519-524.

收稿日期：2020-05-28

基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金;項(xiàng)目編號：（No.LY16E060003）;（No.LY17E060003）

作者簡介：沈鵑文（1994-），女，漢族，碩士研究生，研究方向?yàn)楣?jié)能咨詢。