醋糟生物质两步气化法制取富氢燃气

王立群， 白文斌

(江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江　212013)



醋糟生物质两步气化法制取富氢燃气

王立群， 白文斌

(江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江212013)

通过生物质两步气化技术对醋糟进行气化实验，确定了在气化过程中起主要影响的因素分别是醋糟含水量、气化温度和水蒸气与生物质质量比(S/B)。结果表明：最佳的含水量为16.02%，气化温度为950～1 000 ℃，S/B为1.22。随着温度的增高，气体热值先增高后降低，气体产量增加；随着S/B的增高，气体热值逐渐增高，气体产量也增加。

醋糟；两步气化法；气化温度

高含水量生物质的处理与利用一直是生活中的一个重大问题。这些高含水量生物质的产生每年都在增加，例如醋糟、海藻、酒糟等。高含水量生物质处理不当或处理不及时，会发生变质产生废气污染环境，严重的会成为污染源。因此处理高含水量生物质是需要紧急解决的课题[1-2]。近几年，随着经济的发展，对食用品调料的需求日益增加，醋糟和酒糟的产量也日益增加，也有许多学者对醋糟进行食用菌栽培、加工做饲料等研究，但是在处理量上还是有相当的局限性。为了处理大量的醋糟和酒糟，本文选取醋糟作为气化原料进行研究。

富氢燃气在化工领域的利用有很多[3-4]，生产富氢燃气的代价比较大。因为现如今气化技术比较成熟，有很多学者针对生物质制取富氢作出了不少研究[5-9]。本文希望通过利用气化技术对醋糟进行气化生产富氢燃气，即可以生产出具有利用价值的富氢燃气又可以解决高含水量生物质的处理问题。气化过程对生物质的含水量有要求，醋糟或酒糟含水量高达70%以上，分散性差，具有结团的倾向，并且因为经过发酵作用，很容易发生腐败，颗粒也不够均匀等特点，难以满足气化条件[10]。因此，在气化之前要对醋糟进行干燥处理，本实验利用太阳能对醋糟进行晾晒处理使其干燥，再使用江苏大学的生物质两步气化炉进行试验研究，因其固有的特点，燃烧加热阶段与制气阶段相分开，成功地解决了醋糟含水量过高在一般气化炉内不能正常燃烧制气的问题。实验研究了不同气化温度和S/B对醋糟气化过程中含氢量变化的影响，并得出了最佳的醋糟气化条件。

1　实验工艺及实验方案

1.1实验样品

实验采用醋糟作为气化原料，煤作为流化床的载热物质。煤作为载热物质一方面能形成大量高温床料，可以为醋糟气化提供所需的能量；另一方面也有一定量的煤粉参加气化反应，改善生物质气化的一些劣势。试样的元素分析和工业分析如表1所示。

表1　煤与醋糟的成分分析　%

1.2实验台工艺

本文使用的气化工艺是生物质两步气化工艺(见图1)，整个系统利用1个炉膛，2个进料装置和2个出气系统。在运行阶段，根据切换这2个进料装置和2个出气系统的阀门来控制整个气化系统。气化过程分为升温阶段和制气阶段。升温阶段是空气阀门(1-1)和烟气阀门(1-2)开，同时加入煤料，煤在炉膛中发生氧化燃烧反应，使炉膛温度升高，当炉膛温度升高到规定温度时切换阀门，(1-1)、(1-2)阀门关闭，打开蒸汽阀门(2-1)和燃气阀门(2-2)，此时加入生物质，使生物质在炉膛中发生气化反应。随着气化的发生，炉膛温度降低，当降低到规定温度时再切回燃烧阶段，如此循环制气。

1.生物质流化床气化炉；2.高温旋风分离器； 3.汽包；4.余热锅炉；5.洗涤塔； 6.烟囱； 7.储气柜； 8.罗茨风机；9.生物质加料装置；10.煤加料装置； 1-1.空气控制阀； 1-2.烟气控制阀； 2-1.蒸汽控制阀；2-2.燃气控制阀。

图1生物质两步气化法工艺流程

1.3实验方案

生物质两步气化法燃烧阶段加热到一定的温度，进入气化阶段，因此，生物质的含水量问题得以解决，能使相对含水量高的醋糟进行气化。实验分别研究醋糟在不同的气化温度、不同的水蒸气质量与生物质质量比的情况下进行气化实验，分别来确定气化温度和S/B对气化过程的影响。

实验采用控制变量法，在其他量都相等的情况下改变其中的一种变量来观察变量对合成气的影响。第1组实验保证气化温度、给料量都相同，改变供入的蒸汽量，用来测定含水量对燃气成分的影响。第2组实验，采用相同含水量的醋糟、不同的气化温度、相同的给料量和气化剂量，用来测定气化温度对燃气成分的影响。第3组以含水量为16.02%的醋糟为实验组，采用不同的S/B来确定S/B对燃气组分的影响。

实验采用江苏大学建造的2步生物质气化炉小型试验台进行实验，实验过程中炉子的升温时间为60 s，制气时间为40 s。这里设定的高温切换温度为1 050 ℃，低温切换温度为950 ℃。通入的水蒸气温度为300 ℃。实验收集的燃气成分通过奥式气体分析仪进行分析，得出燃气的组分，用origin软件分析，来确定最佳的气化条件。

2　实验结果与分析

2.1燃气组分随气化条件的变化分析

图2显示了在相同的温度(950～1 000 ℃)和S/B的情况下不同含水量对氢气、甲烷、一氧化碳的影响。随着含水量的增加，氢气的含量呈现上升趋势，这主要是因为随着含水量的增加，带入炉内的H元素增加，带动了水煤气的正向反应，使得燃气中的H2含量增加。随着含水量的增加，CO的含量逐渐降低，这主要是因为在气化过程中，CO的生成是强吸热反应。生物质气化过程中，生物质的水分受热蒸发，要吸收很大一部分热量，随着含水量的增加，这一步热量需求的也就越多，最后导致炉内提供其他吸热反应的热量变少，CO含量就变低。随着含水量的增加，CH4的含量也逐渐增加。主要是两方面的原因：一方面因为H2的增加，H2是生成甲烷的原料；另一方面因为甲烷化反应是放热反应，含水量的增加使得炉内温度相对偏低，因此，随着含水量的增加甲烷含量是增加的，且得出在含水量为16.02%时，富氢燃气中氢气含量最多。

图2　含水量对气体组成的影响

图3～5分别是燃气中H2、CO、CH4体积分数随着气化温度变化的趋势。不同含水量的醋糟气化后燃气成分随温度变化的趋势大都相同。随着气化温度的升高，氢气和一氧化碳的含量增加，而甲烷的含量逐渐降低。水煤气反应和CO的生成都是强吸热过程，随着温度的升高，对反应的正向发生产生有利条件，因此产物增多。同时温度的升高有利于二次反应的发生，焦油受热分解产生H2、CO等气体。高温不仅能使H2和CO的含量增加，还有利于焦油的裂解。随着温度的升高，CH4含量逐渐降低，这是因为生成甲烷化反应是放热反应，温度的升高阻碍反应的发生，这些反应不仅会正向发生，还会逆向发生，高温会促使反应平衡向方程式的左边移动，因此CH4的含量会变低。随温度的变化，富氢燃气中氢含量的增加以燃气热值降低为代价，气化温度越高，能耗越高，因此这里取最佳值为950～1 000 ℃。

由图6可以对比看出：随着S/B的增加，燃气中H2的成分也逐渐增加，主要是因为随着S/B的增加，水蒸气的比例增加，对水煤气反应起到促进作用。CO的含量逐渐降低，因为CO的生成反应是强吸热反应，随着S/B的增加，更多的热量用来加热水蒸气，使得总体用于别的反应的热量变少， CO的含量降低。甲烷的含量随着S/B的增加而增加，CH4的生成反应属于放热反应，热量的减少对CH4的生成有利，所以CH4的含量逐渐增加。综合考虑蒸汽的成本与收益，S/B超过2能耗比较大，因此这里取最佳的S/B为1.22。

图3　燃气中H2体积分数随着气化温度的变化

图4　燃气中CO体积分数随气化温度的变化

图5　燃气中CH4体积分数随气化温度的变化

图6　含水量16.02%醋糟气化燃气成分随S/B的变化

2.2燃气热值与气体产率变化的分析

由表2可知：随着温度的升高，富氢燃气热值先增加后降低，低位热值在11 124.25～11 634.88之间。这是因为随着温度的增高焦油随着裂解，产生H2，CH4，CmHn等小分子气体增加了热值，而随着温度的进一步增高，影响了CH4的生成，因为甲烷化反应是放热反应，因此温度增加会对反应有抑制作用，而CH4是燃气热值的主要承载体，因此低位热值会有所下降。由表3可以看出，随着S/B的增加，富氢气体的热值从10 733.89逐渐增加到了11 966.22 (kJ·Nm-3)。气体热值随S/B增加而增加，因为S/B增加后，水蒸气的分压力增加，对气化反应中水蒸气还原反应的发生起到促进作用，氢气的生成增加，随之气体的热值也会随之增加。

气体产率指的是由固体原料转换到富氢燃气的能力，由表4可以看出，随着温度的增加，产气率是增加的，由0.31增加到了0.51，随着温度的增加，更多的原料发生了气化反应，焦油也发生了二次裂解生成燃气，由于醋糟含水量高，部分热量用来蒸发醋糟中的水分，高温对其气化是有利的。由表5可以看出，随着S/B的增加，气体产率也是逐渐增加的，由0.35增加到了0.61，是因为在相同的原料情况下，更多的蒸汽通入，使原料能充分发生气化反应。

表2　不同温度时富氢燃气低位热值(含水量为16.02%，S/B为1.38)

表3　不同S/B时富氢气体低位热值(气化温度950～1 000℃，含水量为16.02%)

表4　不同温度下的燃气产率(含水量为16.02%，S/B为1.22)

表5　不同S/B下的燃气产率

3　结论

1) 利用单一流化床两步气化法，对含水量较高的生物质(醋糟)进行气化来制取合成气是可行的、合理的，并且可以长期稳定地运行。

2) 在实验条件下，随着醋糟含水量的增加，氢气含量也随着增加，然后慢慢趋于平缓，最佳的含水量为16.02%，随着温度的升高，燃气中氢气的含量随之升高，最佳反应温度为950～1 000 ℃，随着S/B的增加，氢气含量也随之增加，在S/B为1.22左右时增加速率最快，因此也最佳。

3) 富氢气体热值随着温度的增高先增加后降低，随着S/B的增加而增加。产气率则随着温度增加而增加，也随着S/B的增加而增加。

4) 为高含水量生物质的利用提供新的途径，并提供了理论依据。

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(责任编辑何杰玲)

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

国家科技支撑计划资助项目(2015BAD21B00); 科技部农业成果转化基金资助项目(2008GB2C100099); 江苏省科技支撑计划项目(BE200851) ; 江苏省机械清洁能源与应用重点实验室项目(QK09005)

王立群(1964—)，男，高级工程师，副研究员，主要从事热能工程研究，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.醋糟生物质两步气化法制取富氢燃气[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(9):55-59.