[发明专利]基于调控微晶结构的生物质固废水热预处理耦合气化方法

说明书

本发明涉及一种基于调控微晶结构的生物质固废水热预处理耦合气化方法，包括如下步骤：将木质纤维生物质类废弃物和水以一定质量比在高压反应釜中进行不同温度和时间的水热碳化预处理；对固体产物水热炭进行X射线衍射分析，获取微晶结构信息；在固定床反应器进行水热炭的水蒸气气化实验，在线分析气化特性；将气化结果与水热炭的微晶结构进行关联，提出通过微晶结构描述原料气化特性的方法。与木质纤维生物质类废弃物直接气化相比，本发明无需提前干燥原料，通过水热预处理过程提升水热炭的能量密度和热值，提高水热炭气化合成气的产量与H₂/CO，并实现高效气化过程的定向调控。

技术领域

本发明涉及生物质资源化处理技术领域，尤其是一种基于调控微晶结构的生物质固废水热预处理耦合气化方法。

背景技术

气化是一种常见的热转化技术，在一定温度下，样品和气化剂(通常为空气、水蒸气或二氧化碳中的一种或几种)发生一系列反应，可以得到以CO和H₂为主的合成气。木质生物质废弃物直接气化利用时存在能量密度低、尺度不均一、传热传质不均匀以及原料需提前干燥的问题。

水热碳化是一种常见的预处理手段，通常以生物质材料为原料，以水为溶剂和反应介质，在一定温度和压力下，发生水解、缩聚、芳构化等反应，可获得一种得到的以碳为主体，表面官能团丰富的水热炭。水热碳化预处理无需对原料提前干燥，故而对处理易潮湿的原料极其方便。水热碳化后得到的水热炭从能量密度上而言，品质接近于褐煤，疏水性和可磨性得到了很大的提升，同时水热炭的尺度也更为均一，因此在气化利用时有着明显的优势。

木质纤维生物质类固废储量大，增长速度快，是城市生活垃圾的重要组成部分。水热碳化是高效处置并利用城市生活垃圾的有效手段，而木质纤维生物质类固废是决定水热反应效果的关键组分。相较于城市生活垃圾中污泥、餐厨垃圾等组分，木质纤维生物质类固废所含的纤维素、半纤维素和木质素成分在水热碳化时较难转化，发生的水解、缩聚等反应会导致水热炭结构中结晶度的变化，影响其气化特性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于调控微晶结构的生物质固废水热预处理耦合气化方法，通过微晶结构描述原料气化特性，从而达到利用水热炭气化获得高品质合成气的目的。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于调控微晶结构的生物质固废水热预处理耦合气化方法，包括如下步骤：

(1)水热预处理：称取固废材料和水于高压反应釜中，充入惰性气体置换釜内原有空气并密封，将反应釜放入到加热台上，设定水热温度和停留时间，反应结束后冷却，将产物进行洗涤、过滤、干燥，获得水热炭；

(2)水热炭表征：使用X射线衍射仪扫描，获取水热炭的XRD衍射图谱，对XRD衍射图谱进行峰拟合，计算水热炭的结晶度；

(3)固定床气化：称取水热炭于石英舟中，置于固定床反应器尾部的冷段，设定气化温度和气化时间，在炉温即将达到设定温度前，通入气化剂，炉温达到设定温度后，将石英舟推入固定床反应器的高温区，发生气化反应，反应结束后将石英舟拉回至冷段；反应过程中，实时采集合成气数据，处理采集的合成气数据，获得合成气产量及各成分的体积分数；

(4)关联性建立：重复步骤(1)至步骤(3)，获得不同水热温度下，水热炭结晶度与合成气产量及各成分的体积分数的关联关系。

具体地，将水热炭结晶度和合成气参数进行拟合关联。

进一步技术方案为：

步骤(1)中，所述固废材料为木质纤维生物质类固废，固废材料和水的质量比范围1∶5～1∶15。

步骤(1)中，水热温度为160～280℃，停留时间为60～180min。