利用生物质水解残渣和污泥共气化制备生物合成气的方法与流程

本发明属于有机固体废弃物处置与资源化领域，更具体地，涉及一种生物质水解发酵后剩余残渣和污泥共气化制备生物合成气的方法。

背景技术：

生物质水解残渣是生物质原料经水解发酵后剩余的残渣，在我国主要来源于纤维素类生物质水解制糖以及制燃料乙醇工业，水解残渣产量大、来源集中，如不加以回收利用，会造成严重的环境污染。此外，水解残渣富含纤维素或木质素，其储存的能量占生物质原料的80％，是尚未完全利用的生物质资源。对生物质水解残渣的综合利用在很大程度上也决定了水解发酵工艺的经济性。

制糖以及制燃料乙醇工厂还会产生另一类有机固体废弃物——污泥。污泥是在污水处理过程中产生的固体有机物，含水率高，有机物含量高，被认为是一种可持续、可再生的能源。近年来，传统的污泥处理方式，如土地填埋、农田利用、直接燃烧等技术容易造成二次污染，正面临着越来越严格的行业标准和要求。相比之下，气化是一种有效的污泥处理方式，可以消灭病原体、实现减量化，还可以从中回收能量。污泥气化作为一种新兴清洁技术，正受到越来越多学者的关注。

对生物质水解残渣和污泥进行综合利用有助于提高生物质深加工产业的经济性，并可有效解决固体废弃物的处理处置问题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决有机固体废弃物的处置与资源化问题，提供一种利用生物质水解残渣和污泥共气化制备生物合成气的方法。与污泥相比，生物质水解残渣具有较高的挥发份和固定碳含量以及较低的灰分和含水率，向水解残渣中混入适当比例的污泥可以调节混合物的组分，利用两种不同的原料进行共气化可以弥补各自原料组分上的缺陷，从而提高气化效率。将生物质水解残渣和污泥混合，它们在较高温度下会发生一系列的协同作用，与生物质水解残渣单独气化或污泥单独气化相比，共气化制得的生物合成气的热值更高，合成气的品质有所提高。该方法以空气为气化剂，操作简单，成本低廉。为了提高生物合成气的品质，采用cao作为催化剂，既可以促进焦油催化裂解，还可以吸收合成气中的co2。制取的合成气可用于热电系统，为生产系统提供蒸汽和动力，实现生物质水解残渣和污泥高效清洁的转化利用。

实现本发明目的的技术方案概述如下：

利用生物质水解残渣和污泥共气化制备生物合成气的方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)原料预处理：取生物质水解残渣和污水处理过程中产生的污泥，先分别自然风干，再分别用粉碎机粉碎并过筛，取粒径为0.20～0.45mm的颗粒备用；

(2)混合原料：取步骤(1)中制得的生物质水解残渣和污泥，混合均匀，混合颗粒中污泥的含量为25～50wt.％；

(3)气化：当气化炉内温度升至工作温度600～800℃时，通入空气作为载气，当量比为0.2～0.28：1；将步骤(2)中的混合原料加入气化炉，进行气化反应；气化产物从气化炉出气孔排出，经过冷凝、过滤、干燥处理后，得到净化的生物合成气。

所述气化炉内装填煅烧后的cao作为催化剂。

所述气化炉内装填的催化剂在炉膛内部距离气化炉底部1/3～1/2位置处。

所述催化剂cao与混合颗粒中c元素的摩尔比为0.5～1.5：1。

本发明的原料生物质水解残渣适用于农产品生产食品、饮料、添加剂、调味料、医药或纸张生产时产生的生物质残渣，如甘蔗渣、白酒糟、酒精糟、醋糟、茶渣、咖啡渣、中药渣和菌渣。

本发明的原料污泥适用于城市污泥处理厂产生的污泥或其它工业污泥。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明使用储量丰富、分布广泛、价格便宜的cao作为催化剂，装填在气化炉炉膛中的床层之上即可，可重复利用，适合大规模推广应用。

(2)本发明以空气为气化剂，在大规模工业应用中可直接以风机供给，降低气化剂成本。

(3)本发明提出的生物质水解残渣和污泥共气化方法，对生物质水解残渣和污泥的来源及类型无特殊要求，还可适用于利用生物质生产食品、饮料、添加剂、调味料、医药和纸张等产品时产生的生物质残渣，如甘蔗渣、白酒糟、酒精糟、醋糟、茶渣、咖啡渣、中药渣、菌渣等，以及城市污泥处理厂产生的污泥或其它工业污泥。所述步骤操作简单，成本低廉，所制备的生物合成气可用于锅炉燃烧生成蒸汽并发电，环保、高效且经济性较好，具有较好的工业适用性。

(4)采用本发明方法制取生物合成气，丰富了传统的生物质气化的原料来源，并且相对于生物质水解残渣单独气化或污泥单独气化，制得的生物合成气的热值更高，合成气的品质有所提高。

(5)采用本发明方法制取生物合成气，可以有效实现有机固体废弃物的减量化处理和资源化利用，操作简单易行，具有非常高的应用价值和发展前景。

(6)本发明制备的可燃气热值3.6～7.7mj/nm³，气化效率38.5～76.4％，焦油含量4.8～21.4g/nm³。合成气可回用于热电系统，为生产系统提供蒸汽和动力，实现生物质水解残渣和污泥高效清洁的转化利用。

附图说明

图1：本发明的一种生物质水解残渣和污泥共气化制备生物合成气的主要流程示意图；

图2：实现本发明功能的一种下吸式固定床空气气化系统结构图；

其中各部分分别为：

(1)进料口，(2)气化炉，(3)催化剂装填层，(4)氮气，(5)减压阀，(6)质量流量计，(7)第一预热器，(8)空气压缩机，(9)阀门，(10)流量计，(11)第二预热器，(12)冷凝系统，(13)过滤器，(14)湿式流量计，(15)无水硅胶，(16)储气柜。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但并不对本发明作任何限制；本发明所述方法可以在包括但不限于图中的设备上完成。

具体流程如图2：气化反应开始前先在氮气气氛下对气化炉进行升温，氮气(4)经减压阀(5)、质量流量计(6)、第一预热器(7)后进入气化炉(2)；当气化炉的温度达到反应温度时，关闭氮气气路，打开空气气路；空气经空气压缩机(8)、阀门(9)、流量计(10)、第二预热器(11)后进入气化炉；当气化炉的温度稳定后，从(1)进料口加入反应原料，气化反应开始；生成的合成气经(12)冷凝系统、(13)过滤器、(14)湿式流量计、(15)无水硅胶净化后，储存于(16)储气柜。

实施例1.

本发明对生物质水解残渣和污泥来源及类型无特殊要求。实施例采用玉米芯生产乙醇工厂产生的水解残渣和污泥作为原料对发明内容进行阐述。

本实施例选取纤维素乙醇工厂中由玉米芯制燃料乙醇过程中剩余的水解发酵残渣和纤维素乙醇工厂污水处理过程中产生的污泥作为原料，采用可以实现本发明功能的一种下吸式固定床。

(1)玉米芯水解残渣和污泥经自然风干后，首先利用粉碎机进行破碎，然后过筛，取0.20～0.45mm的颗粒按照一定比例混合均匀，得到玉米芯水解残渣和污泥的混合颗粒备用。玉米芯水解残渣和污泥的工业分析和元素分析如表1所示：

表1玉米芯制乙醇水解残渣和污泥的工业分析及元素分析

^a差减法计算获得，其余为仪器测得值。

(2)本实施例中固定床气化温度为800℃，混合颗粒中玉米芯水解残渣和污泥的质量比为3：1；将cao在500℃下煅烧3h，冷却备用；cao与混合颗粒中c的摩尔比为1.0，固称取cao的质量为20.70g，使用空气作为气化剂，当量比为0.25。具体操作步骤如下：

①3-催化剂装填层位于距离气化炉底部1/3～1/2位置处，上方平铺一层事先称量好的cao，然后封闭气化炉；

②启动固定床气化炉加热装置，进行阶段升温，经(4)氮气瓶、(5)减压阀、(6)流量计及(7)第一预热器后向(2)气化炉炉膛通入1.0l/min的氮气，保证炉膛在惰性氛围下升温；

③温度升至气化炉最大工作温度800℃并稳定时，关闭氮气通路，开启空气通路，使空气经过(8)空气压缩机、(9)阀门、(10)流量计及(11)第二预热器后进入(2)气化炉炉膛，依据当量比0.25，调节所需流量为2972ml/min，待气化剂流量及气化炉温度再次稳定；

④将10g水解残渣和污泥的混合颗粒从(1)进料口加入到(2)气化炉内；

⑤气化所产生的合成气依次通过(12)冷凝器、(13)过滤器、(14)湿式流量计、(15)无水硅胶干燥器等净化处理，得到合成气用气相色谱仪测试组分；

⑥气化剂供给速率与湿式流量计显示产气速率相同时，判定气化反应结束。以二氯甲烷洗涤合成气出气管路及冷凝器内壁，合并焦油洗涤液及冷凝器中液态焦油，进行真空抽滤，滤液在40℃悬蒸至恒重，剩余液体即为焦油，称重可得质量。

本实施例所制备的生物合成气热值为5.8mj/nm³，气化效率为45.2％，焦油含量为12.6g/nm³，制得的生物合成气可用于热电系统为生产系统提供蒸汽和动力。

实施例2.

本实施例所用原料及固定床气化系统同实施例1，不予赘述。

本实施例中固定床气化温度为800℃，混合颗粒中水解残渣和污泥的质量比为1：1，cao与混合颗粒中c的摩尔比为0，即不装填cao，使用空气作为气化剂，当量比为0.25。氮气流速为1.0l/min，具体操作步骤同实施例1，但需要根据当量比的不同调节所需空气流速为2972ml/min。

本实施例所制备的生物合成气热值为6.3mj/nm³，气化效率为55.9％，焦油含量为21.4g/nm³，制得的生物合成气可用于热电系统为生产系统提供蒸汽和动力。

实施例3.

本实施例所用固定床气化系统及原料同实施例1，不予赘述。

本实施例中固定床气化温度为600℃，混合颗粒中水解残渣和污泥的质量比为1：1，进料量为10g，cao与混合颗粒中c的摩尔比为1.0，固称取cao的质量为20.72g，空气当量比为0.28。氮气流速为1.0l/min，具体操作步骤同实施例1，但需要根据当量比的不同调节所需空气流速为3329ml/min。

本实施例所制备的生物合成气热值为3.6mj/nm³，气化效率为38.5％，焦油含量为18.9g/nm³，制得的生物合成气可用于热电系统为生产系统提供蒸汽和动力。

实施例4.

本实施例所用原料及固定床气化系统同实施例1，不予赘述。

本实施例中固定床气化温度为800℃，混合颗粒中水解残渣和污泥的质量比为1：1，cao与混合颗粒中c的摩尔比为1.0，固称取cao的质量为20.70g，使用空气作为气化剂，当量比为0.20。氮气流速为1.0l/min，具体操作步骤同实施例1，但需要根据当量比的不同调节所需空气流速为2378ml/min。

本实施例所制备的生物合成气热值为6.5mj/nm³，气化效率为59.1％，焦油含量为7.1g/nm³，制得的生物合成气可用于热电系统为生产系统提供蒸汽和动力。

实施例5.

本实施例所用原料及固定床气化系统同实施例1，不予赘述。

本实施例中固定床气化温度为800℃，混合颗粒中水解残渣和污泥的质量比为1：1，cao与混合颗粒中c的摩尔比为0.5，固称取cao的质量为10.35g，使用空气作为气化剂，当量比为0.25。氮气流速为1.0l/min，具体操作步骤同实施例1，但需要根据当量比的不同调节所需空气流速为2792ml/min。

本实施例所制备的生物合成气热值为6.9mj/nm³，气化效率为64.4％，焦油含量为11.7g/nm³，制得的生物合成气可用于热电系统为生产系统提供蒸汽和动力。

实施例6.

本实施例所用原料及固定床气化系统同实施例1，不予赘述。

本实施例中固定床气化温度为800℃，混合颗粒中水解残渣和污泥的质量比为1：1，cao与混合颗粒中c的摩尔比为1.5，固称取cao的质量为30.99g，使用空气作为气化剂，当量比为0.25。氮气流速为1.0l/min，具体操作步骤同实施例1，但需要根据当量比的不同调节所需空气流速为2972ml/min。

本实施例所制备的生物合成气热值为7.7mj/nm³，气化效率为76.4％，焦油含量为4.8g/nm³，制得的生物合成气可用于热电系统为生产系统提供蒸汽和动力。

本发明公开和提出一种简捷的利用生物质水解残渣和污泥共气化制备生物合成气的方法，本领域技术人员可通过借鉴本发明内容，适当改变气化炉内部构造或气化反应条件即可实现高品质生物合成气的制备。特别需要指出的是，本发明的保护范围不限于上述的实施例，凡根据本发明申请专利范围所做的相类似的替换和改动，皆应属本发明的涵盖范围。