一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法.pdf

本发明涉及一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法。以松木屑作为生物质废物置于热解装置中，并在一定温度下热解，热解产气经洗涤后通过甲苯吸收并使用气相色谱仪检测；根据检测结果配置热解的模拟气体，在一定放电功率下模拟气体在等离子体重整装置中进行等离子体重整，重整后的气体最终进入气相色谱仪进行在线监测。所述方法表明不同热解温度下生物质废物热解的主要气体产物为CH4、CO2、CO和H2，较高的温度下产气量较大且合成气（CO+H2）的产量和产率均较高。以混合气体模拟生物质废物的热解气组成，结果表明随着放电功率的增加，CH4和CO2的转化率以及H2/CO的摩尔比都呈现增长趋势，可以通过提高放电功率获得富氢产品。

权利要求书
1.  一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，其特征在于，所述方法包括：选用松木屑作为生物质废物，将松木屑磨碎、筛分，从而得到统一粒径尺寸的松木屑颗粒，然后称量松木屑颗粒于热解装置中，以氮气作为热解气氛，热解装置加热到设定温度，并在该设定温度下加热，热解之后的气体通过置于冰水浴中装有甲醇的冲击瓶进行洗涤，洗涤之后的小分子气体则通过甲苯吸收并通过配置有热导检测器的气相色谱仪来检测；根据气相色谱仪检测的结果配置生物质废物热解的模拟气体，模拟气体通过氮气作为载气鼓入等离子体重整装置中，对模拟气体进行等离子体重整，重整之后的气体通过置于冰水浴中管道，然后经过流量计，最终进入气相色谱仪进行在线监测。

2.  根据权利要求1所述的一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，其特征在于，生物质废物热解过程中热解装置为管式炉，管式炉中石英管的管长为1米，直径为50毫米。

3.  根据权利要求1所述的一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，其特征在于，生物质废物热解过程中热解装置的加热到设定温度的加热速率为20℃/min。

4.  根据权利要求1所述的一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，其特征在于，生物质废物热解过程中设定温度可以是400~800℃中的一个值。

5.  根据权利要求1所述的一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，其特征在于，生物质废物热解过程中管式炉内的温度达到设定温度后在该温度下持续加热30 min。

6.  根据权利要求1所述的一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，其特征在于，生物质废物热解模拟气体的等离子体重整过程中模拟气体为CH4、CO2、CO和H2四种气体的组合，这四种气体组合成三组混合气体，分别是混合气体1：CH4:CO2=1:2，混合气体2：CH4:CO2:H2=1:2:1以及混合气体3：CH4:CO2: CO=1:2:2。

7.  根据权利要求1所述的一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，其特征在于，生物质废物热解模拟气体的等离子体重整过程中氮气的流量为30~80 mL/min，模拟气体的总流量为60~160 mL/min。

8.  根据权利要求1所述的一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，其特征在于，生物质废物热解模拟气体的等离子体重整过程中放电功率为30~120W中的一个值。

说明书一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法
技术领域
本发明涉及等离子体处理领域，尤其是涉及一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法。
背景技术
进入21世纪以来，随着化石能源的日益枯竭，生物质可再生能源的利用越来越受到关注。热解气化技术将是生物质能转化的主导模式。生物质能即太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料。生物质能是一种可再生能源，由于永不枯竭、低排放的自然特性受到了广泛的重视。我国生物质能源极其富裕，目前传统生物质是可以利用的主要生物质能源，主要包括薪柴、农作物的秸秆、生活垃圾、粪便、废水和工业有机废渣等。据统计，我国的生物质资源可开发总量在7亿吨标准煤左右，其中50%以上是农作物秸秆。生物质热解是主要的热化学分解技术之一，热解是一个热分解过程，是指在完全没有氧化剂（空气或氧气）的条件下，生成H2、CO、CH4和CO2等不凝结的气体以及焦油和焦炭的过程。许多因素，例如生物质颗粒的直径、温度、加热速率以及保留时间都会影响到生物质热解的产率和产物特性。
目前热解产生的碳氢化合物的转化技术有催化技术、水蒸气重整技术、催化水蒸气重整、等离子体技术等。但由于碳氢化合物转化反应体系复杂，常规方法难以促进该种热力学上不利反应的发生，因此低温等离子体技术在该领域受到关注。
发明内容
针对以上存在的问题，本发明提供一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，所述方法包括：选用松木屑作为生物质废物，将松木屑磨碎、筛分，从而得到统一粒径尺寸的松木屑颗粒，然后称量松木屑颗粒于热解装置中，以氮气作为热解气氛，热解装置加热到设定温度，并在该设定温度下加热，热解之后的气体通过置于冰水浴中装有甲醇的冲击瓶进行洗涤，洗涤之后的小分子气体则通过甲苯吸收并通过配置有热导检测器的气相色谱仪来检测；根据气相色谱仪检测的结果配置生物质废物热解的模拟气体，模拟气体通过氮气作为载气鼓入等离子体重整装置中，对模拟气体进行等离子体重整，重整之后的气体通过置于冰水浴中管道，然后经过流量计，最终进入气相色谱仪进行在线监测。
进一步地，生物质废物热解过程中热解装置为管式炉，管式炉中石英管的管长为1米，直径为50毫米。
进一步地，生物质废物热解过程中热解装置的加热到设定温度的加热速率为20℃/min。
进一步地，生物质废物热解过程中设定温度可以是400~800℃中的一个值。
进一步地，生物质废物热解过程中管式炉内的温度达到设定温度后在该温度下持续加热30 min。
进一步地，生物质废物热解模拟气体的等离子体重整过程中模拟气体为CH4、CO2、CO和H2四种气体的组合，这四种气体组合成三组混合气体，分别是混合气体1：CH4:CO2=1:2，混合气体2：CH4:CO2:H2=1:2:1以及混合气体3：CH4:CO2: CO=1:2:2。
进一步地，生物质废物热解模拟气体的等离子体重整过程中氮气的流量为30~80 mL/min，模拟气体的总流量为60~160 mL/min。
进一步地，生物质废物热解模拟气体的等离子体重整过程中放电功率为30~120W中的一个值。
本发明提供一种生物质废物热解模拟气体的等离子体重整方法，所述方法通过研究不同热解温度下生物质废物的热解产气，结果表明不同热解温度下生物质废物热解的主要气体产物为CH4、CO2、CO和H2，较高的热解温度下产气量较大且合成气（CO+H2）的产量和产率均较高。以混合气体模拟生物质废物的热解气组成，结果表明随着放电功率的增加，CH4和CO2的转化率以及H2/CO的摩尔比都呈现增长趋势，可以通过提高放电功率获得富氢产品。向反应气中添加H2和CO，会在一定程度上抑制反应的进行，但是添加H2对CH4和CO2转化率的抑制作用更为明显。反应气中添加H2，H2的选择性明显降低，而CO的选择性明显增加，原因在于添加H2抑制了甲烷向氢气的转化，而向反应气中添加CO，H2的选择性增加，CO的选择性变化并不明显。
附图说明
图1为本发明中热解温度与生物质废物热解产气组成的关系图。
图2为本发明中生物质废物热解模拟气体的等离子体重整的装置图。
图3为本发明中放电功率与不同气体组成等离子体重整中CH4(a)和CO2(b)的转化率的关系图。
图4为本发明中放电功率与不同气体组成等离子体重整中H2(c)和CO(d)的选择性的关系图。
具体实施方式
如下，参照附图和具体实施例来对本发明作进一步描述。
实施例1
选用松木屑（保罗松木，德国）作为生物质废物，将该松木屑磨碎、刷分，得到统一粒径尺寸的颗粒。热解装置由一个放置于管式炉（OTF-1200X，合肥科晶材料技术有限公司，中国）中的长1m，直径50mm的石英管组成，该管式炉最高加热温度可达1000℃，加热过程在惰性的N2氛围中进行。称量4g的松木屑放置于管式炉中，载气N2的流量通过气体质量流量计（D08-4E，北京七星电子邮箱公司，中国）来控制。以20℃/min的加热速率将加热管升温至设定温度400℃，达到设定温度后持续加热30min。热解之后的气体通过置于冰水浴中装有甲醇的冲击瓶，焦油、焦炭等组分在冲击瓶中被吸收，较为纯净的小分子气体则通过甲苯后被收集。气相产物通过气相色谱仪GC-17A来测定，该装置配备有热导检测器（TCD）和Carboxen-1010 PLOT毛细管柱（30m×0.53mm I.D.， 30μm平均厚度，美国Supelco公司）。经检测，热解温度为400℃时，生物质废物热解的主要气体产物为H2、CO、CH4和CO2，如图1所示，各气体产物的摩尔百分比为H2:1.20 mol%，CO：10.04 mol %，CH4：3.82 mol %以及CO2：31.05 mol%，总产气量为6.81 mmol/g，主要气体产物占总产气量的摩尔百分比为46.11 mol%，H2/ CO为0.12 mol/mol。
实施例2
选用松木屑（保罗松木，德国）作为生物质废物，将该松木屑磨碎、刷分，得到统一粒径尺寸的颗粒。热解装置由一个放置于管式炉（OTF-1200X，合肥科晶材料技术有限公司，中国）中的长1m，直径50mm的石英管组成，该管式炉最高加热温度可达1000℃，加热过程在惰性的N2氛围中进行。称量4g的松木屑放置于管式炉中，载气N2的流量通过气体质量流量计（D08-4E，北京七星电子邮箱公司，中国）来控制。以20℃/min的加热速率将加热管升温至设定温度800℃，达到设定温度后持续加热30min。热解之后的气体通过置于冰水浴中装有甲醇的冲击瓶，焦油、焦炭等组分在冲击瓶中被吸收，较为纯净的小分子气体则通过甲苯后被收集。气相产物通过气相色谱仪GC-17A来测定，该装置配备有热导检测器（TCD）和Carboxen-1010 PLOT毛细管柱（30m×0.53mm I.D.， 30μm平均厚度，美国Supelco公司）。经检测，热解温度为800℃时，生物质废物热解的主要气体产物为H2、CO、CH4和CO2，如图1所示，各气体产物的摩尔百分比为H2:14.24 mol%，CO：42.48 mol %，CH4：13.10 mol %以及CO2：12.29 mol%，总产气量为30.58 mmol/g，主要气体产物占总产气量的摩尔百分比为80.11 mol%，H2/ CO为0.34 mol/mol。
实施例3
选取与生物质废物热解产气组分较为接近的混合气体1：CH4:CO2=1:2作为模拟气体，进行等离子体重整实验。如图2所示，模拟气体通过氮气作为载气鼓入等离子体重整装置中，其中氮气的流量为50 mL/min，模拟气体的总流量为100 mL/min，在放电功率为36 W下对模拟气体进行等离子体重整，重整之后的气体通过置于冰水浴中管道，然后经过流量计记录产气量，最终进入气相色谱仪进行在线监测，经检测CH4的转化率为17%，CO2的转化率为22%，H2的选择性为42%，CO的选择性为24%。
实施例4
选取与生物质废物热解产气组分较为接近的混合气体1：CH4:CO2=1:2作为模拟气体，进行等离子体重整实验。如图2所示，模拟气体通过氮气作为载气鼓入等离子体重整装置中，其中氮气的流量为50 mL/min，模拟气体的总流量为100 mL/min，在放电功率为90 W下对模拟气体进行等离子体重整，重整之后的气体通过置于冰水浴中管道，然后经过流量计记录产气量，最终进入气相色谱仪进行在线监测，经检测CH4的转化率为48%，CO2的转化率为42%，H2的选择性为44%，CO的选择性为34%。
实施例5
选取与生物质废物热解产气组分较为接近的混合气体2：CH4:CO2:H2=1:2:1作为模拟气体，进行等离子体重整实验。如图2所示，模拟气体通过氮气作为载气鼓入等离子体重整装置中，其中氮气的流量为50 mL/min，模拟气体的总流量为100 mL/min，在放电功率为36 W下对模拟气体进行等离子体重整，重整之后的气体通过置于冰水浴中管道，然后经过流量计记录产气量，最终进入气相色谱仪进行在线监测，经检测CH4的转化率为13%，CO2的转化率为10%，H2的选择性为60%，CO的选择性为22%。
实施例6
选取与生物质废物热解产气组分较为接近的混合气体2：CH4:CO2:H2=1:2:1作为模拟气体，进行等离子体重整实验。如图2所示，模拟气体通过氮气作为载气鼓入等离子体重整装置中，其中氮气的流量为50 mL/min，模拟气体的总流量为100 mL/min，在放电功率为90 W下对模拟气体进行等离子体重整，重整之后的气体通过置于冰水浴中管道，然后经过流量计记录产气量，最终进入气相色谱仪进行在线监测，经检测CH4的转化率为44%，CO2的转化率为9%，H2的选择性为54%，CO的选择性为36%。
实施例7
选取与生物质废物热解产气组分较为接近的混合气体3：CH4:CO2: CO=1:2:2作为模拟气体，进行等离子体重整实验。如图2所示，模拟气体通过氮气作为载气鼓入等离子体重整装置中，其中氮气的流量为50 mL/min，模拟气体的总流量为100 mL/min，在放电功率为36 W下对模拟气体进行等离子体重整，重整之后的气体通过置于冰水浴中管道，然后经过流量计记录产气量，最终进入气相色谱仪进行在线监测，经检测CH4的转化率为10%，CO2的转化率为0%，H2的选择性为16%，CO的选择性为100%。
实施例8
选取与生物质废物热解产气组分较为接近的混合气体3：CH4:CO2: CO=1:2:2作为模拟气体，进行等离子体重整实验。如图2所示，模拟气体通过氮气作为载气鼓入等离子体重整装置中，其中氮气的流量为50 mL/min，模拟气体的总流量为100 mL/min，在放电功率为36 W下对模拟气体进行等离子体重整，重整之后的气体通过置于冰水浴中管道，然后经过流量计记录产气量，最终进入气相色谱仪进行在线监测，经检测CH4的转化率为34%，CO2的转化率为14%，H2的选择性为24%，CO的选择性为60%。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例而已，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。