【文献解读】Energ. Convers. Manage.核桃壳气化-电联产中试研究

背景介绍

农业废弃物来源广泛、产量巨大，便于收集和短距离运输，是极具潜力的生物质资源。近来，由糖果、零食、烘焙业产生的大量坚果废弃物由于较低的再利用率和对环境的危害而受到研究者的关注。其中，核桃全球产量高达38546百万吨/年，并且约60%的核桃壳在采摘及加工过程中被直接丢弃。另一方面，核桃壳由于较高的固定碳含量和较低的硫含量，是较理想的热化学转化原料。结合小型内燃机，生物质-热化学转化(气化)-热电联产技术为偏远/乡村地区的农业废弃物就地利用提供了新的思路。

基于上述考虑，来自伊朗K.N.图斯工业大学的Shahin Mazhkoo等人，采用核桃壳作为原料在下吸式气化炉中进行气化，整合小型内燃机进行热电联产，并对合成气组成、发电效率、底灰性质、烟气排放等进行监测/评估。为准确预测/模拟生物质的气化过程，作者根据40组实验数据对准热平衡模型进行修正，得到最低为2.19的均方根误差。该研究成果于近日发表在能源科学领域顶级期刊Energy Conversion and Management上。

图文解读

实验步骤：该中试台架主要由分级反应器、合成气净化系统、发电单元、火炬系统组成(Fig. 1.)。核桃壳由螺旋给料器从底部送入分级反应器中，经过干燥后被点燃以提供后续气化所需热量；而后，干燥的核桃壳经热解后进入气化炉，与热空气(O₂:N₂ = 3.76:1)发生气化反应，产生底渣与CO、H₂、CH₄等合成气。合成气经旋风分离器、热交换器、过滤器进行净化后进入内燃机进行发电。内燃机的空燃比由PID进行控制并保持在固定转速以确保发电机的交流电频率不变。在整个系统的启动阶段，合成气中的焦油过浓，不适宜直接在内燃机中进行燃烧，因而被火炬系统点燃后排放至空气中。在整个中试过程中，合成气的低位热值、底灰性质、质量平衡、能量平衡、电负载等参数被监测并评估。

Fig. 1. Schematic diagram of experimental set-up: 1.Pyro-reactor 2.Gasifier 3.Bottom ash collector 4.Flare 5.Stack 6.Hopper 7.Drying bucket 8.Cyclone 9.Fly ash collector 10.Heat exchanger 11.Filter 12.Generator 13.Engine.

结论一：核桃壳富含挥发分与木质素。

由元素分析(Table 4)可知，核桃壳的水分含量(6.56 wt％)和固定碳含量(16.51 wt％)较低，而挥发分含量(79.84 wt%)较高，具备较好的热解/气化利用潜力。同时，核桃壳的堆积密度较低，约为268 kg/m³。进一步地，通过将核桃壳溶于硫酸、氢氧化钠、乙酸、乙醇中，测定出溶解前后的原料重量变化得到了核桃壳的三组分含量。由结果可知，核桃壳的木质素含量(46.56 wt%)较高，可能在气化过程中产生较多的大分子芳香族化合物(焦油)。

Table 4 Walnut shell characteristics.

结论二：外部负载将较显著地影响合成气组成。

通过在线监测分级反应器内的温度(Fig. 7.)可知，核桃壳在下吸式气化炉内达到稳定反应所需的时间约为40分钟，这可能由较高的木质素含量导致的(通常为20分钟)。且随着外部负载增加，更高流量的气体将流向内燃机，分级反应器内的燃烧将更加充分、迅速(Fig. 8.)。在上述温度变化的影响下，水煤气变换反应、甲烷化反应等平衡被打破，CO、H₂、CH₄的产率下降，而CO₂产率上升。因此合成气的低位热值将随外部电负载的上升而下降。

Fig. 7. Temperature profile of the combustion and reduction zones during the startup phase.

Fig. 8. Temperature change with respect to the electrical power load.

Fig. 10. Syngas composition and its LHV variation with respect to power output from 4 to 12 kW.

结论三：中试台架系统性能对外部电力负载较为敏感。

随着外部电力负载增加，燃烧所需的空气相应上升，冷煤气效率和碳转化率分别上升至最高值70.57%和83.15%(Fig. 12.)。同时，核桃壳的消耗量和底灰的产量均随之增加。底灰中富含K、Ca等AAEM，能够催化气化反应。但过高的AAEM又可能导致底灰结块影响气化炉的稳定运行。就废气排放而言，启动阶段火炬系统的排放能保持在较低水平；但小型内燃机的CO排放将超过法规限值。值得注意的是，由于核桃壳的含硫量很低，废气中SO₂的含量几乎可以忽略不计。

Fig. 12. The variations of ER, CCE, and CGE as a function of electrical power output.

Table 9 Emission analysis results of exhaust gas and flare burned syngas.

结论四：准热平衡模型能够很好地预测生物质气化行为。

通过验证25种不同生物质的40组气化实验数据可知，简单热平衡模型(不考虑焦和焦油)在低温下由于反应缓慢，需要较长的时间才能达到平衡，因而预测误差较高(Fig. 15.)。为提升模型预测精度，需考虑水煤气变换反应校正因子、甲烷化反应校正因子、焦油生成(苯、苯酚、糠醛、萘、左旋葡聚糖)校正因子、焦生成校正因子。最终，经修正后的准热平衡模型平均均方根误差降低至2.19，满足实际生产的要求(Fig. 16.)。

Fig. 15. Comparison of the simple thermo-equilibrium model (TEM1) with experimental data: (a) H₂ and N₂ (b) CO, CO₂, and CH₄.

Fig. 16. Comparison of TEM5 with experimental data.

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890421000133#t0020

Shahin Mazhkoo, Hossein Dadfar, MohammadSina HajiHashemi, Omid Pourali*. Energy Conversion and Management, 2021, DOI: 10.1016/j.enconman.2021.113836

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