廢食用菌棒循環流化床氣化試驗

董磊，常加富，杜巍濤，劉全美，董玉平，徐鵬舉

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

我國食用菌產量占全球的70%，食用菌生長周期短，培養基更新與廢棄頻率高，每年產出約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，含有大量木質素與多糖結構，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，隨意丟棄而造成環境污染[2]。

開發切實可行的處理與應用技術，將廢菌棒變廢為寶，對實現食用菌產業的可持續發展具有重大的經濟和社會意義。已有學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、操作復雜、技術不成熟等問題，使其應用受到限制，難以適應于產生量巨大的廢菌棒的規模化快速處置。

根據廢棄菌棒的生物質屬性，實現其能源化轉化利用是目前研究的主要方向[8]。其中，生物質氣化技術可以在高溫條件下將生物質轉化成高品位的可燃氣體，是實現農林廢棄物資源化快速處置利用的有效技術措施。作為天然氣等能源的有效補充或替代，村鎮或工業園區等中小規模分布式生物質氣化生產模式具有顯著優勢。廢菌棒的揮發分含量高、灰分及硫元素含量低，是一種理想的氣化原料。然而目前仍少有關于廢菌棒氣化研究的相關報道。廢菌棒原料密度較小、質量輕，在流化床氣化反應過程中，未及時反應完全的顆粒物料易被氣流攜帶出氣化系統，導致系統氣化效率與碳轉化率較低，且產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，提出采用循環流化床進行廢菌棒的氣化試驗研究，以期為廢菌棒的規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分析與元素分析見表1，其中V、A、FC 分別為干燥基的揮發分、灰分和固定碳質量分數，C、H、O、N 和S 分別為干燥基的碳、氫、氧、氮和硫的元素質量分數，O元素含量由差減法計算所得。

表1 原料工業分析與元素分析

1.2 試驗裝置

圖1 氣化試驗系統裝置流程圖

氣化試驗系統裝置如圖1所示，主要由循環流化床氣化爐、進料器、風機、旋風分離器、蒸汽發生器、空氣預熱器、燃氣凈化存儲、溫度與壓力檢測等部分組成。循環流化床主爐為內徑0.35m、主體高10m的圓柱體結構，系統設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置4 組測點T1/P1～T4/P4，在線監控運行溫度與壓力。試驗中，廢菌棒原料由螺旋進料裝置控制進入氣化爐，熱解氣化反應氣固兩相產物經旋風分離器分離，固體顆粒物經返料閥返至流化床主爐與原料一同進行再循環，氣化燃氣依次經二級旋風分離器除灰、熱量換熱回收、除塵除焦除霧凈化、流量計量后進入儲氣罐。系統穩定運行期間，采用蒸汽發生器、空氣預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，分別采用調節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裝置產生，蒸汽用量不足部分由系統外部提供。

1.3 試驗流程與數據處理方法

氣化試驗起始階段采用木柴或燃油等燃料燃燒熱煙氣預熱氣化爐，當爐膛溫度達到約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，調節配風量與進料量至氣化爐基本運行穩定，保持進料量基本穩定在設計值150kg/h。

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

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

參考現有報道[9-12]和試驗運行數據，選取試驗參數ER 范圍為0.20～0.35、S/B 范圍為0～0.4。試驗中，調節運行參數時均需觀察運行監測系統的溫度與壓力變化，待運行調節穩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），在線檢測產氣樣品的CH4、CnHm、CO、H2、CO2等主要氣體組分。

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

對于洗氣瓶中的含焦油溶液，采用旋轉蒸發儀去除丙酮，電子分析天平稱取蒸餾燒瓶中剩余液體質量，記為焦油質量，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 為取樣焦油樣品質量，g；q為氣化燃氣取樣體積，m3。

根據氣化燃氣成分，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的體積分數，%。

氣化效率與碳轉化率是考察氣化試驗結果的重要指標，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 為廢菌棒原料應用基低位熱值，MJ/kg；ηC為碳轉化率，%。

2 試驗結果與討論

2.1 ER對氣化特性的影響

選用經預處理的試驗備用廢菌棒原料，設定進料量150kg/h和相應的配風量，試驗ER單因素對氣化反應特性的影響規律。

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 分別對應于循環流化床主爐沿軸線方向設置的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，表明配風量的增加使得氣化爐內的氧化反應增強，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象。可能的原因是T1 測點位于氣化爐進料口與底部配風口之間，物料進入氣化爐首先吸收周圍環境溫度進行預熱，使得T1 附近區域溫度較低；物料在與配風接觸瞬間快速發生氧化反應，物料及反應產物隨氣流上升過程中繼續進行以氧化燃燒為主的反應，至T2 測點附近時氧化反應達到最高峰；之后隨著氧氣參與反應而不斷被消耗，氧化反應強度降低，氣化爐內運行溫度呈現下降趨勢，這與木質生物質氣化發生的反應除氧化外大部分是吸熱反應的結論是一致的[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溫度分布相對均勻，氣化爐內主要反應空間區域具有較好的流態化狀態，保證了床料與物料間的傳熱，促進物料的氣化反應而實現氣相轉化。

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的體積分數減少，CO2組分體積分數升高，H2與CH4的體積分數在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。當增大配風量提高ER 時，增加了氣化爐內的供氧量，氧化反應增強，物料及部分CO與O2反應生成更多的CO2，導致CO減少與CO2增加；同時反應溫度的升高，使得不飽和烴與焦油類大分子裂解為小分子氣體，出現CnHm及焦油含量的下降。CH4主要產生于生物質熱解階段，H2的產生大多是吸熱反應[17]，隨著ER 增大與反應溫度升高，應更有利于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的體積分數在ER 超過0.26 時出現下降趨勢的主要原因，同時氣化燃氣熱值也出現了下降。

圖3 ER對氣化燃氣組分、熱值及焦油含量的影響

ER對氣化效率與碳轉化率的影響如圖4所示，氣化效率隨著ER增大出現先升后降的變化，當ER為0.26 時達到最高值74.86%，此時燃氣熱值為5.59MJ/m3；碳轉化率隨著ER 的增大而持續升高，ER≥0.26 時的碳轉化率均在90%以上。根據圖4 結果可以判斷，ER 的增大促進了氣化爐內的氧化燃燒反應，促使廢菌棒原料及反應過程產物固態半焦、大分子焦油等物質裂解與氣相轉化，進而提高原料碳轉化率；試驗雖然采用了循環流化床氣化爐提高反應強度，但與固定床氣化爐易控制原料停留與反應時間不同，當ER 較小時原料仍難以反應充分，氣化爐內主要為熱解反應，氣化燃氣熱值相對較高，但由于碳轉化率低、產氣量小，氣化效率仍然偏低；隨著ER 增大，氣化燃氣熱值雖有下降，但碳轉化率及產氣量增加，氣化效率出現升高；但當ER 達到一定數值后，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，表現為氣化效率的下降。因此，整體上碳轉化率隨著ER 增大持續升高，而氣化效率則出現了先升后降的變化。

圖4 ER對氣化效率與碳轉化率的影響

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，各測點溫度均出現了下降，且溫降隨著S/B升高而增大。在反應過程中，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，氣化燃氣熱值出現了先升后降的變化，而焦油含量先略有下降后出現明顯上升趨勢；當S/B為0.2時，產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，使得水與炭發生氣化反應而生成更多的CO2與H2，促進了水氣轉換反應消耗部分CO，同時進行的焦油及碳氫化合物重整反應使焦油含量出現了下降；但隨著S/B增大，過多的蒸汽導致氣化爐運行溫度下降幅度較大，減弱重整反應，降低了產氣質量。增大蒸汽配比對于甲烷化反應生成CH4具有促進作用[14]，但CH4參與甲烷蒸汽重整反應會有所消耗。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、產氣熱值及焦油含量的影響

S/B對氣化效率與碳轉化率的影響如圖7所示，氣化效率與碳轉化率均隨著S/B增大呈現出先升后降的變化，當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]對玉米秸稈在循環流化床中氣化試驗結果，其主要原因是與試驗原料有關，廢菌棒熱值高于玉米秸稈熱值，且在相同工作參數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結果可知，廢菌棒的空氣-水蒸氣氣化反應主要為炭氣反應、水氣轉換反應、甲烷化反應與甲烷重整反應；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化，提高了燃氣熱值、氣化效率與碳轉化率，但生物質的水蒸氣氣化大部分是吸熱反應過程，并且過量的蒸汽供給也會降低氣化爐內的運行溫度，影響產氣質量與物料的氣相轉化，進而降低氣化效率與碳轉化率。

圖7 S/B對氣化效率與碳轉化率的影響

3 結論

采用循環流化床氣化爐對食用菌廢菌棒進行氣化試驗，分別研究了空氣當量比、水蒸氣配比對氣化反應的影響規律，得到結論如下。

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

（2）在固定的空氣當量比條件下，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數與燃氣熱值，氣化效率與碳轉化率均出現了先升后降的變化；過多的蒸汽供給會導致氣化爐溫度降低，影響產氣質量，降低氣化效率與碳轉化率。空氣當量比為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%。