超富集植物超临界水气化产气特性研究

沈鹃文 王文欣

摘要：超富集植物是植物修复技术的基础，将其进行气化反应，能够得到CH4、H2等可燃气体，以实现生物质能源化。本文选用超富集蜈蚣草，将其进行超临界水气化反应，通过改变实验温度、压力和停留时间，来探究其对气相产物的影响。实验表明，在超临界状态点附近将温度从390℃升高至460℃的过程中，气体产物中的H2和CH4的占比逐渐升高;CO2的占比逐渐减少。而反应压力的增加、停留时间的延长，对气相产物的组分的变化没有像温度那样明显。

关键词：植物修复;超富集植物;超临界水气化

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

生物質能的开发逐渐成为热点，相比于传统燃料，其燃烧后释放的CO2几乎全部来自环境中的CO2，一定程度上实现了碳守恒。因此，实现生物质的能源化利用，对能源可持续发展具有重要的战略意义。

超富集植物[1]是指那些能够从土壤中吸收并积累很高金属浓度的植物。超富集植物超临界水气化是一项新颖的技术，既能将生物质气化，又能利用超临界水技术，使重金属往液、固相主要迁移，气相中含量较少[2]。同时，超临界气化反应后的产物中不产生焦油、木炭等副产品[3]，减少实验仪器堵塞风险。该技术高效、无害，将逐渐成为未来能源与环境行业的一个新热点。

2 实验材料与方法

本次实验采用的是超富集植物蜈蚣草。将其破碎、筛选后备用。

实验装置采用实验室已建好的超临界水气化试验台。试验台主要包括PID智能控制器、反应釜、循环水系统、输气系统。

实验操作具体步骤：（1）称取样品放入反应釜，倒入定量去离子水，充分搅拌;（2）用抽气泵将反应釜内的空气排尽，充入氮气，进行扫气，确保装置内无空气残留;（3）将反应釜加固密封，操作无误后启动设备，等待实验状态达到设定的实验值;（4）实验完成后关闭电源，打开循环水进行降温;（5）当反应釜温度降到常温后，开锅收集产物;（6）清洗反应釜，准备下一次实验。

3 超临界水中超富集植物气化产气特性

3.1 反应温度对气相产物的影响

控制反应压力23MPa，保持固液比1：25，反应停留时间20min。观察发现，气相产物中按照含量的多少排序为：CO2 > H2 > CH4 > CO。

实验发现H2的产率是随温度升高而增加的，分析如下：蒸汽重组和水煤气反应都会产生大量的H2，式（3-4）正向反应加强，增加了H2的产出，即使反应式（3-6）因反应温度增加而消耗H2，但是其消耗量远远不及式（3-4）中H2的生成量，这主要因为反应物H2O和C大量存在超临界水和生物质中，供给充足。

3.2 反应压力对气相产物的影响

控制反应温度400℃，保持固液比1：25，反应停留时间20min，改变反应压力。

观察发现，增加反应压力对H2的产生有轻微的削减作用;对CH4、CO、乙烃的影响不大，这是由于随着压力的升高，存在着“笼效应”，主要会导致溶剂分子将溶质分子包围隔离起来，阻碍气化反应在初始阶段的进行，从而降低其反应速率[4]。

3.3 反应停留时间对气相产物的影响

控制反应温度400℃，反应压力23MPa，保持固液比1：25，只改变反应的停留时间。

观察发现，延长停留时间对提高H2和CH4的产生有一定的促进作用;对CO2、CO有一定程度的削减作用。H2和CH4产率的增加，是因为随着气体停留时间的延长，物质发生了二次裂解，有更多的焦油蒸汽分子发生裂解，产生了更多的H2及CH4气体。

4 结论与建议

超富集植物超临界水共气化的产物（按其占比多少）依次是CO2 、H2、CH4 和CO。其中CH4、H2都是随着温度上升占比逐渐增加，而CO2却随着温度上升逐渐减少。气化反应压力在一定范围内的变化对气体组分分布影响不像温度那样敏感。气化反应的停留时间的延长，有利于二次裂解，而CO2和CO的占比减少，意味着焦油的二次裂解是需要消耗CO和CO2的，其详细的反应机理还需要不断探索研究。

参考文献

[1]Koppolu L， Clements L D. Pyrolysis as a technique for separating heavy metals from hyperaccumulators. Part I： Preparation of synthetic hyperaccumulator biomass [J].Biomass & Bioenergy，2003，24（1）：69-79.

[2]董隽，池涌，汤元君，等.生活垃圾流化床热处置中重金属迁移分布研究[J].燃料化学学报，2016，44（1）：120-128.

[3]郝小红，郭烈锦.超临界水中湿生物质催化气化制氢研究评述[J].化工学报，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

基金项目：浙江省自然科学基金;项目编号：（No.LY16E060003）;（No.LY17E060003）

作者简介：沈鹃文（1994-），女，汉族，硕士研究生，研究方向为节能咨询。