废食用菌棒循环流化床气化试验

董磊，常加富，杜巍涛，刘全美，董玉平，徐鹏举

（1 山东百川同创能源有限公司，山东济南250101；2 山东省生物质能源工程技术研究中心，山东济南250101；3 山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南250061）

我国食用菌产量占全球的70%，食用菌生长周期短，培养基更新与废弃频率高，每年产出约1500 万吨废菌棒[1]。废菌棒主要成分为木屑、麦麸、豆粉以及少量的石膏、白灰等添加物，含有大量木质素与多糖结构，菌棒的废弃是资源的浪费；另外，废菌棒中的杂菌随空气、水的流动而飘移扩散，随意丢弃而造成环境污染[2]。

开发切实可行的处理与应用技术，将废菌棒变废为宝，对实现食用菌产业的可持续发展具有重大的经济和社会意义。已有学者对废菌棒的资源化利用进行了有益的探索，吴富强等[3]利用葛根菌糠制取生物有机肥对温室蔬菜进行了应用效果研究，叶红英等[4]使用菌糠饲料进行了育肥猪的试验，王金贺等[5]利用黑木耳菌渣提取液研究对蘑菇菌丝生长的促进作用，徐兵等[6]在微波辅助作用下对海鲜菇废菌棒进行多糖提取工艺优化，张珺等[7]进行了废菌棒热解生物炭的活化性能研究。将废菌棒进行堆肥、掺混饲料、成分提取等方法虽然可以在一定程度上实现废弃物资源化再利用，但由于存在周期长、占地面积大、操作复杂、技术不成熟等问题，使其应用受到限制，难以适应于产生量巨大的废菌棒的规模化快速处置。

根据废弃菌棒的生物质属性，实现其能源化转化利用是目前研究的主要方向[8]。其中，生物质气化技术可以在高温条件下将生物质转化成高品位的可燃气体，是实现农林废弃物资源化快速处置利用的有效技术措施。作为天然气等能源的有效补充或替代，村镇或工业园区等中小规模分布式生物质气化生产模式具有显著优势。废菌棒的挥发分含量高、灰分及硫元素含量低，是一种理想的气化原料。然而目前仍少有关于废菌棒气化研究的相关报道。废菌棒原料密度较小、质量轻，在流化床气化反应过程中，未及时反应完全的颗粒物料易被气流携带出气化系统，导致系统气化效率与碳转化率较低，且产出粗燃气中的飞灰含量大，影响气化燃气的净化处理与终端利用。因此，提出采用循环流化床进行废菌棒的气化试验研究，以期为废菌棒的规模化处置再利用提供新途径。

1 试验部分

1.1 试验原料

选取木耳栽培后的废弃菌棒，去除塑料外包装袋，自然通风阴干至含水率约10%，利用粉碎机将废菌棒原料粉碎至粒径小于5mm 备用。试验所用废菌棒的工业分析与元素分析见表1，其中V、A、FC 分别为干燥基的挥发分、灰分和固定碳质量分数，C、H、O、N 和S 分别为干燥基的碳、氢、氧、氮和硫的元素质量分数，O元素含量由差减法计算所得。

表1 原料工业分析与元素分析

1.2 试验装置

图1 气化试验系统装置流程图

气化试验系统装置如图1所示，主要由循环流化床气化炉、进料器、风机、旋风分离器、蒸汽发生器、空气预热器、燃气净化存储、温度与压力检测等部分组成。循环流化床主炉为内径0.35m、主体高10m的圆柱体结构，系统设计废菌棒原料处理量150kg/h，床料使用粒径约0.5mm 的石英砂。流化床主炉沿轴线方向设置4 组测点T1/P1～T4/P4，在线监控运行温度与压力。试验中，废菌棒原料由螺旋进料装置控制进入气化炉，热解气化反应气固两相产物经旋风分离器分离，固体颗粒物经返料阀返至流化床主炉与原料一同进行再循环，气化燃气依次经二级旋风分离器除灰、热量换热回收、除尘除焦除雾净化、流量计量后进入储气罐。系统稳定运行期间，采用蒸汽发生器、空气预热器回收气化燃气显热，制取0.4MPa 饱和蒸汽与150～200℃的热空气作为气化剂，分别采用调节阀控制入炉的气化剂量。试验运行过程中，热空气气化剂全部由试验系统装置产生，蒸汽用量不足部分由系统外部提供。

1.3 试验流程与数据处理方法

气化试验起始阶段采用木柴或燃油等燃料燃烧热烟气预热气化炉，当炉膛温度达到约400℃，通过进料器逐渐增加废菌棒原料供给，待炉膛温度升高至600℃以上，调节配风量与进料量至气化炉基本运行稳定，保持进料量基本稳定在设计值150kg/h。

空气当量比与水蒸气配比是影响气化反应过程的主要参数，分别按式(1)、式(2)计算。

式中，ER 为空气当量比；V0为气化反应过程供给空气量，m3/h；Q为原料进料量，kg/h；C、S、H、O 分别为应用基废菌棒原料中的碳、硫、氢、氧元素质量分数，%；S/B为水蒸气配比；L为气化反应过程供给蒸汽量，kg/h。

参考现有报道[9-12]和试验运行数据，选取试验参数ER 范围为0.20～0.35、S/B 范围为0～0.4。试验中，调节运行参数时均需观察运行监测系统的温度与压力变化，待运行调节稳定后进行焦油与气化燃气的取样测量。参考于杰等[13-14]提出的质量分析方法，于取样口抽出气化燃气，首先采用装有丙酮溶液的冰水浴多孔洗气瓶吸收焦油成分，经过滤、计量、干燥后通入便携式红外煤气分析仪（Gasboard-3100P，武汉四方光电科技有限公司），在线检测产气样品的CH4、CnHm、CO、H2、CO2等主要气体组分。

为控制误差，在系统稳定运行时，焦油样品每30min 取样一次，每种工况平行取样3 组，取平均值为试验结果。燃气成分的检测与焦油取样同时进行，设置煤气分析仪间隔30s记录一组燃气组分检测数据，各组分取平行取样测试中记录数据的平均值为试验结果。

对于洗气瓶中的含焦油溶液，采用旋转蒸发仪去除丙酮，电子分析天平称取蒸馏烧瓶中剩余液体质量，记为焦油质量，气化燃气中的焦油含量按式(3)计算。

式中，λ 为焦油含量，g/m3；m 为取样焦油样品质量，g；q为气化燃气取样体积，m3。

根据气化燃气成分，按式(4)计算燃气热值。

式 中，Qv为 燃 气 热 值，MJ/m3；φCnHm、φCO、φCH4、φH2分别表示取样气体的不饱和烃、CO、CH4和H2的体积分数，%。

气化效率与碳转化率是考察气化试验结果的重要指标，分别按式(5)、式(6)计算。

式中，η 为气化效率，%；Vm为平行取样时间段的气化燃气产量，m3；B为平行取样时间段的废菌棒原料进料量，kg；LHV 为废菌棒原料应用基低位热值，MJ/kg；ηC为碳转化率，%。

2 试验结果与讨论

2.1 ER对气化特性的影响

选用经预处理的试验备用废菌棒原料，设定进料量150kg/h和相应的配风量，试验ER单因素对气化反应特性的影响规律。

图2 为不同ER 条件下气化炉运行温度的变化曲线，其中T1～T4 分别对应于循环流化床主炉沿轴线方向设置的4 组测点温度，T 为4 组测点温度的平均值。

图2 ER对气化炉运行温度的影响

如图2 所示，随着ER 增大，各测点温度均呈升高趋势，表明配风量的增加使得气化炉内的氧化反应增强，放出热量增多。在ER 相同的条件下，沿流化床主炉自下至上高度方向均出现了T1 测点温度低，T2 测点温度升至最大，之后各测点温度依次降低的现象。可能的原因是T1 测点位于气化炉进料口与底部配风口之间，物料进入气化炉首先吸收周围环境温度进行预热，使得T1 附近区域温度较低；物料在与配风接触瞬间快速发生氧化反应，物料及反应产物随气流上升过程中继续进行以氧化燃烧为主的反应，至T2 测点附近时氧化反应达到最高峰；之后随着氧气参与反应而不断被消耗，氧化反应强度降低，气化炉内运行温度呈现下降趋势，这与木质生物质气化发生的反应除氧化外大部分是吸热反应的结论是一致的[15-16]。

随着ER 的升高，各测点间的温差虽有增大趋势，但整体温差在20～60℃，且只有气化炉底部T1 与顶部T4 测点温度低于平均温度T，表明流化床气化炉内温度分布相对均匀，气化炉内主要反应空间区域具有较好的流态化状态，保证了床料与物料间的传热，促进物料的气化反应而实现气相转化。

不同ER 对气化燃气组分、燃气热值及焦油含量的影响如图3 所示。由图3 可知，随着ER 增大，气化燃气中CO 与CnHm的体积分数减少，CO2组分体积分数升高，H2与CH4的体积分数在ER为0.2～0.26 时变化不大，之后随着ER 的增大略有下降；气化燃气热值与焦油含量随着ER 增大逐渐降低。当增大配风量提高ER 时，增加了气化炉内的供氧量，氧化反应增强，物料及部分CO与O2反应生成更多的CO2，导致CO减少与CO2增加；同时反应温度的升高，使得不饱和烃与焦油类大分子裂解为小分子气体，出现CnHm及焦油含量的下降。CH4主要产生于生物质热解阶段，H2的产生大多是吸热反应[17]，随着ER 增大与反应温度升高，应更有利于CH4的充分析出与H2的生成，但ER 增大使得进入气化炉内的空气量增加，造成气化燃气中N2成分增加，稀释了可燃组分浓度，这可能是H2与CH4的体积分数在ER 超过0.26 时出现下降趋势的主要原因，同时气化燃气热值也出现了下降。

图3 ER对气化燃气组分、热值及焦油含量的影响

ER对气化效率与碳转化率的影响如图4所示，气化效率随着ER增大出现先升后降的变化，当ER为0.26 时达到最高值74.86%，此时燃气热值为5.59MJ/m3；碳转化率随着ER 的增大而持续升高，ER≥0.26 时的碳转化率均在90%以上。根据图4 结果可以判断，ER 的增大促进了气化炉内的氧化燃烧反应，促使废菌棒原料及反应过程产物固态半焦、大分子焦油等物质裂解与气相转化，进而提高原料碳转化率；试验虽然采用了循环流化床气化炉提高反应强度，但与固定床气化炉易控制原料停留与反应时间不同，当ER 较小时原料仍难以反应充分，气化炉内主要为热解反应，气化燃气热值相对较高，但由于碳转化率低、产气量小，气化效率仍然偏低；随着ER 增大，气化燃气热值虽有下降，但碳转化率及产气量增加，气化效率出现升高；但当ER 达到一定数值后，相对过量的空气稀释可燃气体组分浓度，并会有助于部分可燃气体燃烧，表现为气化效率的下降。因此，整体上碳转化率随着ER 增大持续升高，而气化效率则出现了先升后降的变化。

图4 ER对气化效率与碳转化率的影响

2.2 S/B对气化特性的影响

在水蒸气配比S/B 对废菌棒气化作用的试验中，设定废菌棒原料供给量150kg/h，保持ER 为0.26，研究S/B单因素对废菌棒气化反应的影响。

S/B 对气化炉运行温度的影响如图5 所示，随着蒸汽气化剂的加入，各测点温度均出现了下降，且温降随着S/B升高而增大。在反应过程中，进入气化炉的约143℃的0.4MPa饱和蒸汽吸收热量，达到与气化炉内运行温度的平衡，使得气化炉温度下降，也验证了炭与水蒸气气化反应是强吸热过程[18]。

图5 S/B对气化炉运行温度的影响

S/B 对气化燃气组分、热值及焦油含量的影响如图6 所示。随着S/B 增大，气化燃气中的CO 下降，CO2上升，H2含量上升最明显。此外，随着S/B增大，气化燃气热值出现了先升后降的变化，而焦油含量先略有下降后出现明显上升趋势；当S/B为0.2时，产气热值达到了最大值6.14MJ/m3，焦油含量达到最低值5.7g/m3。蒸汽的加入提供了大量的氢元素，使得水与炭发生气化反应而生成更多的CO2与H2，促进了水气转换反应消耗部分CO，同时进行的焦油及碳氢化合物重整反应使焦油含量出现了下降；但随着S/B增大，过多的蒸汽导致气化炉运行温度下降幅度较大，减弱重整反应，降低了产气质量。增大蒸汽配比对于甲烷化反应生成CH4具有促进作用[14]，但CH4参与甲烷蒸汽重整反应会有所消耗。因此，气化燃气中的CH4含量变化不大。

图6 S/B对气化燃气组分、产气热值及焦油含量的影响

S/B对气化效率与碳转化率的影响如图7所示，气化效率与碳转化率均随着S/B增大呈现出先升后降的变化，当S/B 为0.2 时分别达到最大值83.73%与94.40%。气化效率高于常加富等[14]对玉米秸秆在循环流化床中气化试验结果，其主要原因是与试验原料有关，废菌棒热值高于玉米秸秆热值，且在相同工作参数下废菌棒气化燃气热值也比玉米秸秆气化燃气热值高，这也表明了废菌棒适用于气化处置，具有较好的能源化利用价值。综合图4～图7结果可知，废菌棒的空气-水蒸气气化反应主要为炭气反应、水气转换反应、甲烷化反应与甲烷重整反应；在定量的空气供给条件下，增大蒸汽配比促进了物料的气相转化，提高了燃气热值、气化效率与碳转化率，但生物质的水蒸气气化大部分是吸热反应过程，并且过量的蒸汽供给也会降低气化炉内的运行温度，影响产气质量与物料的气相转化，进而降低气化效率与碳转化率。

图7 S/B对气化效率与碳转化率的影响

3 结论

采用循环流化床气化炉对食用菌废菌棒进行气化试验，分别研究了空气当量比、水蒸气配比对气化反应的影响规律，得到结论如下。

（1）空气当量比是影响生物质气化的关键因素，空气当量比由0.20增大至0.26时，气化炉内的氧化反应强度提高，系统运行温度升高，促进了物料气相转化与焦油裂解，使气化效率与碳转化率均有提升；但空气当量比超过0.26时，可燃气体组分的消耗及随空气带入氮气的稀释，降低了产气热值与气化效率。空气当量比为0.26时系统气化效率达到最大值74.86%，对应的燃气热值为5.59MJ/m3。

（2）在固定的空气当量比条件下，气化剂以空气为主，采用蒸汽辅助气化时，增大蒸汽配比可以提高气化燃气中的氢气体积分数与燃气热值，气化效率与碳转化率均出现了先升后降的变化；过多的蒸汽供给会导致气化炉温度降低，影响产气质量，降低气化效率与碳转化率。空气当量比为0.26、水蒸气配比为0.2 时燃气热值与气化效率分别达到最大值6.14MJ/m3与83.73%。