超富集植物超臨界水氣化產氣特性研究

沈鵑文 王文欣

摘要：超富集植物是植物修復技術的基礎，將其進行氣化反應，能夠得到CH4、H2等可燃氣體，以實現生物質能源化。本文選用超富集蜈蚣草，將其進行超臨界水氣化反應，通過改變實驗溫度、壓力和停留時間，來探究其對氣相產物的影響。實驗表明，在超臨界狀態點附近將溫度從390℃升高至460℃的過程中，氣體產物中的H2和CH4的占比逐漸升高;CO2的占比逐漸減少。而反應壓力的增加、停留時間的延長，對氣相產物的組分的變化沒有像溫度那樣明顯。

關鍵詞：植物修復;超富集植物;超臨界水氣化

Abstract：Super-enriched plants are the basis of phytoremediation technology.Combustion of them with gasification can obtain combustible gases such as CH4 and H2 to realize biomass energy.In this paper，ultra-enriched Yarrow is selected for supercritical water gasification reaction， and its effect on gas-phase products is explored by changing the experimental temperature，pressure，and residence time.Experiments show that during the process of increasing the temperature from 390℃ to 460℃ near the supercritical state point， the proportion of H2 and CH4 in the gas product gradually increases;the proportion of CO2 gradually decreases.The increase of the reaction pressure and the extension of the residence time did not change the composition of the gas-phase products as much as the temperature.

Key words：Phytoremediation;Super-enriched plants;Supercritical water gasification

1 研究背景

生物質能的開發逐漸成為熱點，相比于傳統燃料，其燃燒后釋放的CO2幾乎全部來自環境中的CO2，一定程度上實現了碳守恒。因此，實現生物質的能源化利用，對能源可持續發展具有重要的戰略意義。

超富集植物[1]是指那些能夠從土壤中吸收并積累很高金屬濃度的植物。超富集植物超臨界水氣化是一項新穎的技術，既能將生物質氣化，又能利用超臨界水技術，使重金屬往液、固相主要遷移，氣相中含量較少[2]。同時，超臨界氣化反應后的產物中不產生焦油、木炭等副產品[3]，減少實驗儀器堵塞風險。該技術高效、無害，將逐漸成為未來能源與環境行業的一個新熱點。

2 實驗材料與方法

本次實驗采用的是超富集植物蜈蚣草。將其破碎、篩選后備用。

實驗裝置采用實驗室已建好的超臨界水氣化試驗臺。試驗臺主要包括PID智能控制器、反應釜、循環水系統、輸氣系統。

實驗操作具體步驟：（1）稱取樣品放入反應釜，倒入定量去離子水，充分攪拌;（2）用抽氣泵將反應釜內的空氣排盡，充入氮氣，進行掃氣，確保裝置內無空氣殘留;（3）將反應釜加固密封，操作無誤后啟動設備，等待實驗狀態達到設定的實驗值;（4）實驗完成后關閉電源，打開循環水進行降溫;（5）當反應釜溫度降到常溫后，開鍋收集產物;（6）清洗反應釜，準備下一次實驗。

3 超臨界水中超富集植物氣化產氣特性

3.1 反應溫度對氣相產物的影響

控制反應壓力23MPa，保持固液比1：25，反應停留時間20min。觀察發現，氣相產物中按照含量的多少排序為：CO2 > H2 > CH4 > CO。

實驗發現H2的產率是隨溫度升高而增加的，分析如下：蒸汽重組和水煤氣反應都會產生大量的H2，式（3-4）正向反應加強，增加了H2的產出，即使反應式（3-6）因反應溫度增加而消耗H2，但是其消耗量遠遠不及式（3-4）中H2的生成量，這主要因為反應物H2O和C大量存在超臨界水和生物質中，供給充足。

3.2 反應壓力對氣相產物的影響

控制反應溫度400℃，保持固液比1：25，反應停留時間20min，改變反應壓力。

觀察發現，增加反應壓力對H2的產生有輕微的削減作用;對CH4、CO、乙烴的影響不大，這是由于隨著壓力的升高，存在著“籠效應”，主要會導致溶劑分子將溶質分子包圍隔離起來，阻礙氣化反應在初始階段的進行，從而降低其反應速率[4]。

3.3 反應停留時間對氣相產物的影響

控制反應溫度400℃，反應壓力23MPa，保持固液比1：25，只改變反應的停留時間。

觀察發現，延長停留時間對提高H2和CH4的產生有一定的促進作用;對CO2、CO有一定程度的削減作用。H2和CH4產率的增加，是因為隨著氣體停留時間的延長，物質發生了二次裂解，有更多的焦油蒸汽分子發生裂解，產生了更多的H2及CH4氣體。

4 結論與建議

超富集植物超臨界水共氣化的產物（按其占比多少）依次是CO2 、H2、CH4 和CO。其中CH4、H2都是隨著溫度上升占比逐漸增加，而CO2卻隨著溫度上升逐漸減少。氣化反應壓力在一定范圍內的變化對氣體組分分布影響不像溫度那樣敏感。氣化反應的停留時間的延長，有利于二次裂解，而CO2和CO的占比減少，意味著焦油的二次裂解是需要消耗CO和CO2的，其詳細的反應機理還需要不斷探索研究。

參考文獻

[1]Koppolu L， Clements L D. Pyrolysis as a technique for separating heavy metals from hyperaccumulators. Part I： Preparation of synthetic hyperaccumulator biomass [J].Biomass & Bioenergy，2003，24（1）：69-79.

[2]董雋，池涌，湯元君，等.生活垃圾流化床熱處置中重金屬遷移分布研究[J].燃料化學學報，2016，44（1）：120-128.

[3]郝小紅，郭烈錦.超臨界水中濕生物質催化氣化制氫研究評述[J].化工學報，2002，53（3）：221-228.

[4]K?p?ak E， Akgün M. Hydrogen Production by Supercritical Water Gasification of Biomass[M]// Production of Hydrogen from Renewable Resources. Springer Netherlands，2015：519-524.

收稿日期：2020-05-28

基金項目：浙江省自然科學基金;項目編號：（No.LY16E060003）;（No.LY17E060003）

作者簡介：沈鵑文（1994-），女，漢族，碩士研究生，研究方向為節能咨詢。