董磊，常加富，杜巍濤，劉全美，董玉平，徐鵬舉

（1 山東百川同創(chuàng)能源有限公司，山東濟南250101；2 山東省生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心，山東濟南250101；3 山東大學(xué)高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南250061）

我國食用菌產(chǎn)量占全球的70%，食用菌生長周期短，培養(yǎng)基更新與廢棄頻率高，每年產(chǎn)出約1500 萬噸廢菌棒[1]。廢菌棒主要成分為木屑、麥麩、豆粉以及少量的石膏、白灰等添加物，含有大量木質(zhì)素與多糖結(jié)構(gòu)，菌棒的廢棄是資源的浪費；另外，廢菌棒中的雜菌隨空氣、水的流動而飄移擴散，隨意丟棄而造成環(huán)境污染[2]。

開發(fā)切實可行的處理與應(yīng)用技術(shù)，將廢菌棒變廢為寶，對實現(xiàn)食用菌產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的經(jīng)濟和社會意義。已有學(xué)者對廢菌棒的資源化利用進行了有益的探索，吳富強等[3]利用葛根菌糠制取生物有機肥對溫室蔬菜進行了應(yīng)用效果研究，葉紅英等[4]使用菌糠飼料進行了育肥豬的試驗，王金賀等[5]利用黑木耳菌渣提取液研究對蘑菇菌絲生長的促進作用，徐兵等[6]在微波輔助作用下對海鮮菇廢菌棒進行多糖提取工藝優(yōu)化，張珺等[7]進行了廢菌棒熱解生物炭的活化性能研究。將廢菌棒進行堆肥、摻混飼料、成分提取等方法雖然可以在一定程度上實現(xiàn)廢棄物資源化再利用，但由于存在周期長、占地面積大、操作復(fù)雜、技術(shù)不成熟等問題，使其應(yīng)用受到限制，難以適應(yīng)于產(chǎn)生量巨大的廢菌棒的規(guī)?；焖偬幹?。

根據(jù)廢棄菌棒的生物質(zhì)屬性，實現(xiàn)其能源化轉(zhuǎn)化利用是目前研究的主要方向[8]。其中，生物質(zhì)氣化技術(shù)可以在高溫條件下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成高品位的可燃氣體，是實現(xiàn)農(nóng)林廢棄物資源化快速處置利用的有效技術(shù)措施。作為天然氣等能源的有效補充或替代，村鎮(zhèn)或工業(yè)園區(qū)等中小規(guī)模分布式生物質(zhì)氣化生產(chǎn)模式具有顯著優(yōu)勢。廢菌棒的揮發(fā)分含量高、灰分及硫元素含量低，是一種理想的氣化原料。然而目前仍少有關(guān)于廢菌棒氣化研究的相關(guān)報道。廢菌棒原料密度較小、質(zhì)量輕，在流化床氣化反應(yīng)過程中，未及時反應(yīng)完全的顆粒物料易被氣流攜帶出氣化系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率較低，且產(chǎn)出粗燃氣中的飛灰含量大，影響氣化燃氣的凈化處理與終端利用。因此，提出采用循環(huán)流化床進行廢菌棒的氣化試驗研究，以期為廢菌棒的規(guī)模化處置再利用提供新途徑。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

選取木耳栽培后的廢棄菌棒，去除塑料外包裝袋，自然通風(fēng)陰干至含水率約10%，利用粉碎機將廢菌棒原料粉碎至粒徑小于5mm 備用。試驗所用廢菌棒的工業(yè)分析與元素分析見表1，其中V、A、FC 分別為干燥基的揮發(fā)分、灰分和固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C、H、O、N 和S 分別為干燥基的碳、氫、氧、氮和硫的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，O元素含量由差減法計算所得。

表1 原料工業(yè)分析與元素分析

1.2 試驗裝置

圖1 氣化試驗系統(tǒng)裝置流程圖

氣化試驗系統(tǒng)裝置如圖1所示，主要由循環(huán)流化床氣化爐、進料器、風(fēng)機、旋風(fēng)分離器、蒸汽發(fā)生器、空氣預(yù)熱器、燃氣凈化存儲、溫度與壓力檢測等部分組成。循環(huán)流化床主爐為內(nèi)徑0.35m、主體高10m的圓柱體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計廢菌棒原料處理量150kg/h，床料使用粒徑約0.5mm 的石英砂。流化床主爐沿軸線方向設(shè)置4 組測點T1/P1～T4/P4，在線監(jiān)控運行溫度與壓力。試驗中，廢菌棒原料由螺旋進料裝置控制進入氣化爐，熱解氣化反應(yīng)氣固兩相產(chǎn)物經(jīng)旋風(fēng)分離器分離，固體顆粒物經(jīng)返料閥返至流化床主爐與原料一同進行再循環(huán)，氣化燃氣依次經(jīng)二級旋風(fēng)分離器除灰、熱量換熱回收、除塵除焦除霧凈化、流量計量后進入儲氣罐。系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，采用蒸汽發(fā)生器、空氣預(yù)熱器回收氣化燃氣顯熱，制取0.4MPa 飽和蒸汽與150～200℃的熱空氣作為氣化劑，分別采用調(diào)節(jié)閥控制入爐的氣化劑量。試驗運行過程中，熱空氣氣化劑全部由試驗系統(tǒng)裝置產(chǎn)生，蒸汽用量不足部分由系統(tǒng)外部提供。

1.3 試驗流程與數(shù)據(jù)處理方法

氣化試驗起始階段采用木柴或燃油等燃料燃燒熱煙氣預(yù)熱氣化爐，當(dāng)爐膛溫度達到約400℃，通過進料器逐漸增加廢菌棒原料供給，待爐膛溫度升高至600℃以上，調(diào)節(jié)配風(fēng)量與進料量至氣化爐基本運行穩(wěn)定，保持進料量基本穩(wěn)定在設(shè)計值150kg/h。

空氣當(dāng)量比與水蒸氣配比是影響氣化反應(yīng)過程的主要參數(shù)，分別按式(1)、式(2)計算。

式中，ER 為空氣當(dāng)量比；V0為氣化反應(yīng)過程供給空氣量，m3/h；Q為原料進料量，kg/h；C、S、H、O 分別為應(yīng)用基廢菌棒原料中的碳、硫、氫、氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；S/B為水蒸氣配比；L為氣化反應(yīng)過程供給蒸汽量，kg/h。

參考現(xiàn)有報道[9-12]和試驗運行數(shù)據(jù)，選取試驗參數(shù)ER 范圍為0.20～0.35、S/B 范圍為0～0.4。試驗中，調(diào)節(jié)運行參數(shù)時均需觀察運行監(jiān)測系統(tǒng)的溫度與壓力變化，待運行調(diào)節(jié)穩(wěn)定后進行焦油與氣化燃氣的取樣測量。參考于杰等[13-14]提出的質(zhì)量分析方法，于取樣口抽出氣化燃氣，首先采用裝有丙酮溶液的冰水浴多孔洗氣瓶吸收焦油成分，經(jīng)過濾、計量、干燥后通入便攜式紅外煤氣分析儀（Gasboard-3100P，武漢四方光電科技有限公司），在線檢測產(chǎn)氣樣品的CH4、CnHm、CO、H2、CO2等主要氣體組分。

為控制誤差，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，焦油樣品每30min 取樣一次，每種工況平行取樣3 組，取平均值為試驗結(jié)果。燃氣成分的檢測與焦油取樣同時進行，設(shè)置煤氣分析儀間隔30s記錄一組燃氣組分檢測數(shù)據(jù)，各組分取平行取樣測試中記錄數(shù)據(jù)的平均值為試驗結(jié)果。

對于洗氣瓶中的含焦油溶液，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀去除丙酮，電子分析天平稱取蒸餾燒瓶中剩余液體質(zhì)量，記為焦油質(zhì)量，氣化燃氣中的焦油含量按式(3)計算。

式中，λ 為焦油含量，g/m3；m 為取樣焦油樣品質(zhì)量，g；q為氣化燃氣取樣體積，m3。

根據(jù)氣化燃氣成分，按式(4)計算燃氣熱值。

式 中，Qv為 燃 氣 熱 值，MJ/m3；φCnHm、φCO、φCH4、φH2分別表示取樣氣體的不飽和烴、CO、CH4和H2的體積分?jǐn)?shù)，%。

氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率是考察氣化試驗結(jié)果的重要指標(biāo)，分別按式(5)、式(6)計算。

式中，η 為氣化效率，%；Vm為平行取樣時間段的氣化燃氣產(chǎn)量，m3；B為平行取樣時間段的廢菌棒原料進料量，kg；LHV 為廢菌棒原料應(yīng)用基低位熱值，MJ/kg；ηC為碳轉(zhuǎn)化率，%。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 ER對氣化特性的影響

選用經(jīng)預(yù)處理的試驗備用廢菌棒原料，設(shè)定進料量150kg/h和相應(yīng)的配風(fēng)量，試驗ER單因素對氣化反應(yīng)特性的影響規(guī)律。

圖2 為不同ER 條件下氣化爐運行溫度的變化曲線，其中T1～T4 分別對應(yīng)于循環(huán)流化床主爐沿軸線方向設(shè)置的4 組測點溫度，T 為4 組測點溫度的平均值。

圖2 ER對氣化爐運行溫度的影響

如圖2 所示，隨著ER 增大，各測點溫度均呈升高趨勢，表明配風(fēng)量的增加使得氣化爐內(nèi)的氧化反應(yīng)增強，放出熱量增多。在ER 相同的條件下，沿流化床主爐自下至上高度方向均出現(xiàn)了T1 測點溫度低，T2 測點溫度升至最大，之后各測點溫度依次降低的現(xiàn)象。可能的原因是T1 測點位于氣化爐進料口與底部配風(fēng)口之間，物料進入氣化爐首先吸收周圍環(huán)境溫度進行預(yù)熱，使得T1 附近區(qū)域溫度較低；物料在與配風(fēng)接觸瞬間快速發(fā)生氧化反應(yīng)，物料及反應(yīng)產(chǎn)物隨氣流上升過程中繼續(xù)進行以氧化燃燒為主的反應(yīng)，至T2 測點附近時氧化反應(yīng)達到最高峰；之后隨著氧氣參與反應(yīng)而不斷被消耗，氧化反應(yīng)強度降低，氣化爐內(nèi)運行溫度呈現(xiàn)下降趨勢，這與木質(zhì)生物質(zhì)氣化發(fā)生的反應(yīng)除氧化外大部分是吸熱反應(yīng)的結(jié)論是一致的[15-16]。

隨著ER 的升高，各測點間的溫差雖有增大趨勢，但整體溫差在20～60℃，且只有氣化爐底部T1 與頂部T4 測點溫度低于平均溫度T，表明流化床氣化爐內(nèi)溫度分布相對均勻，氣化爐內(nèi)主要反應(yīng)空間區(qū)域具有較好的流態(tài)化狀態(tài)，保證了床料與物料間的傳熱，促進物料的氣化反應(yīng)而實現(xiàn)氣相轉(zhuǎn)化。

不同ER 對氣化燃氣組分、燃氣熱值及焦油含量的影響如圖3 所示。由圖3 可知，隨著ER 增大，氣化燃氣中CO 與CnHm的體積分?jǐn)?shù)減少，CO2組分體積分?jǐn)?shù)升高，H2與CH4的體積分?jǐn)?shù)在ER為0.2～0.26 時變化不大，之后隨著ER 的增大略有下降；氣化燃氣熱值與焦油含量隨著ER 增大逐漸降低。當(dāng)增大配風(fēng)量提高ER 時，增加了氣化爐內(nèi)的供氧量，氧化反應(yīng)增強，物料及部分CO與O2反應(yīng)生成更多的CO2，導(dǎo)致CO減少與CO2增加；同時反應(yīng)溫度的升高，使得不飽和烴與焦油類大分子裂解為小分子氣體，出現(xiàn)CnHm及焦油含量的下降。CH4主要產(chǎn)生于生物質(zhì)熱解階段，H2的產(chǎn)生大多是吸熱反應(yīng)[17]，隨著ER 增大與反應(yīng)溫度升高，應(yīng)更有利于CH4的充分析出與H2的生成，但ER 增大使得進入氣化爐內(nèi)的空氣量增加，造成氣化燃氣中N2成分增加，稀釋了可燃組分濃度，這可能是H2與CH4的體積分?jǐn)?shù)在ER 超過0.26 時出現(xiàn)下降趨勢的主要原因，同時氣化燃氣熱值也出現(xiàn)了下降。

圖3 ER對氣化燃氣組分、熱值及焦油含量的影響

ER對氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率的影響如圖4所示，氣化效率隨著ER增大出現(xiàn)先升后降的變化，當(dāng)ER為0.26 時達到最高值74.86%，此時燃氣熱值為5.59MJ/m3；碳轉(zhuǎn)化率隨著ER 的增大而持續(xù)升高，ER≥0.26 時的碳轉(zhuǎn)化率均在90%以上。根據(jù)圖4 結(jié)果可以判斷，ER 的增大促進了氣化爐內(nèi)的氧化燃燒反應(yīng)，促使廢菌棒原料及反應(yīng)過程產(chǎn)物固態(tài)半焦、大分子焦油等物質(zhì)裂解與氣相轉(zhuǎn)化，進而提高原料碳轉(zhuǎn)化率；試驗雖然采用了循環(huán)流化床氣化爐提高反應(yīng)強度，但與固定床氣化爐易控制原料停留與反應(yīng)時間不同，當(dāng)ER 較小時原料仍難以反應(yīng)充分，氣化爐內(nèi)主要為熱解反應(yīng)，氣化燃氣熱值相對較高，但由于碳轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)氣量小，氣化效率仍然偏低；隨著ER 增大，氣化燃氣熱值雖有下降，但碳轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)氣量增加，氣化效率出現(xiàn)升高；但當(dāng)ER 達到一定數(shù)值后，相對過量的空氣稀釋可燃氣體組分濃度，并會有助于部分可燃氣體燃燒，表現(xiàn)為氣化效率的下降。因此，整體上碳轉(zhuǎn)化率隨著ER 增大持續(xù)升高，而氣化效率則出現(xiàn)了先升后降的變化。

圖4 ER對氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率的影響

2.2 S/B對氣化特性的影響

在水蒸氣配比S/B 對廢菌棒氣化作用的試驗中，設(shè)定廢菌棒原料供給量150kg/h，保持ER 為0.26，研究S/B單因素對廢菌棒氣化反應(yīng)的影響。

S/B 對氣化爐運行溫度的影響如圖5 所示，隨著蒸汽氣化劑的加入，各測點溫度均出現(xiàn)了下降，且溫降隨著S/B升高而增大。在反應(yīng)過程中，進入氣化爐的約143℃的0.4MPa飽和蒸汽吸收熱量，達到與氣化爐內(nèi)運行溫度的平衡，使得氣化爐溫度下降，也驗證了炭與水蒸氣氣化反應(yīng)是強吸熱過程[18]。

圖5 S/B對氣化爐運行溫度的影響

S/B 對氣化燃氣組分、熱值及焦油含量的影響如圖6 所示。隨著S/B 增大，氣化燃氣中的CO 下降，CO2上升，H2含量上升最明顯。此外，隨著S/B增大，氣化燃氣熱值出現(xiàn)了先升后降的變化，而焦油含量先略有下降后出現(xiàn)明顯上升趨勢；當(dāng)S/B為0.2時，產(chǎn)氣熱值達到了最大值6.14MJ/m3，焦油含量達到最低值5.7g/m3。蒸汽的加入提供了大量的氫元素，使得水與炭發(fā)生氣化反應(yīng)而生成更多的CO2與H2，促進了水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)消耗部分CO，同時進行的焦油及碳氫化合物重整反應(yīng)使焦油含量出現(xiàn)了下降；但隨著S/B增大，過多的蒸汽導(dǎo)致氣化爐運行溫度下降幅度較大，減弱重整反應(yīng)，降低了產(chǎn)氣質(zhì)量。增大蒸汽配比對于甲烷化反應(yīng)生成CH4具有促進作用[14]，但CH4參與甲烷蒸汽重整反應(yīng)會有所消耗。因此，氣化燃氣中的CH4含量變化不大。

圖6 S/B對氣化燃氣組分、產(chǎn)氣熱值及焦油含量的影響

S/B對氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率的影響如圖7所示，氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率均隨著S/B增大呈現(xiàn)出先升后降的變化，當(dāng)S/B 為0.2 時分別達到最大值83.73%與94.40%。氣化效率高于常加富等[14]對玉米秸稈在循環(huán)流化床中氣化試驗結(jié)果，其主要原因是與試驗原料有關(guān)，廢菌棒熱值高于玉米秸稈熱值，且在相同工作參數(shù)下廢菌棒氣化燃氣熱值也比玉米秸稈氣化燃氣熱值高，這也表明了廢菌棒適用于氣化處置，具有較好的能源化利用價值。綜合圖4～圖7結(jié)果可知，廢菌棒的空氣-水蒸氣氣化反應(yīng)主要為炭氣反應(yīng)、水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)、甲烷化反應(yīng)與甲烷重整反應(yīng)；在定量的空氣供給條件下，增大蒸汽配比促進了物料的氣相轉(zhuǎn)化，提高了燃氣熱值、氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率，但生物質(zhì)的水蒸氣氣化大部分是吸熱反應(yīng)過程，并且過量的蒸汽供給也會降低氣化爐內(nèi)的運行溫度，影響產(chǎn)氣質(zhì)量與物料的氣相轉(zhuǎn)化，進而降低氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率。

圖7 S/B對氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率的影響

3 結(jié)論

采用循環(huán)流化床氣化爐對食用菌廢菌棒進行氣化試驗，分別研究了空氣當(dāng)量比、水蒸氣配比對氣化反應(yīng)的影響規(guī)律，得到結(jié)論如下。

（1）空氣當(dāng)量比是影響生物質(zhì)氣化的關(guān)鍵因素，空氣當(dāng)量比由0.20增大至0.26時，氣化爐內(nèi)的氧化反應(yīng)強度提高，系統(tǒng)運行溫度升高，促進了物料氣相轉(zhuǎn)化與焦油裂解，使氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率均有提升；但空氣當(dāng)量比超過0.26時，可燃氣體組分的消耗及隨空氣帶入氮氣的稀釋，降低了產(chǎn)氣熱值與氣化效率?？諝猱?dāng)量比為0.26時系統(tǒng)氣化效率達到最大值74.86%，對應(yīng)的燃氣熱值為5.59MJ/m3。

（2）在固定的空氣當(dāng)量比條件下，氣化劑以空氣為主，采用蒸汽輔助氣化時，增大蒸汽配比可以提高氣化燃氣中的氫氣體積分?jǐn)?shù)與燃氣熱值，氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率均出現(xiàn)了先升后降的變化；過多的蒸汽供給會導(dǎo)致氣化爐溫度降低，影響產(chǎn)氣質(zhì)量，降低氣化效率與碳轉(zhuǎn)化率。空氣當(dāng)量比為0.26、水蒸氣配比為0.2 時燃氣熱值與氣化效率分別達到最大值6.14MJ/m3與83.73%。