一种利用堆肥玉米秸秆和污泥气化制备合成气的方法与流程

1.本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及一种利用堆肥玉米秸秆和污泥气化制备合成气的方法。


背景技术：

2.在所有的生物质资源中，木质纤维素类生物质为最丰富的资源，全球每年的产量为10000亿吨，但其利用率只有10％。木质纤维素类生物质由纤维素、半纤维素和木质素三种主要成分组成，含有少量的萃取物和灰分。纤维素和半纤维素为碳水化合物；木质素的结构明显不同，为一种芳香族化合物，能增加细胞壁的强度和硬度，正是由于这种结构的存在，使得其较纤维素与半纤维素更难降解。以秸秆类为代表的木质纤维素类生物质的挥发分含量高(60-80wt.％)，是热解气化过程中的良好原料，但由于其生化结构较难降解，导致气体热值低，焦油产量过高(过滤器和燃料管道堵塞)，造成二次污染。因此，研究相关预处理手段，提高木质纤维素利用率成为研究热点。堆肥预处理作为一种经济、环保的预处理方式，采用自身微生物降解木质纤维素，可以提高氢气产量与合成气品质。相对来说，堆肥是一种较为经济实用的热解气化预处理方式，有较好的应用前景。
3.在堆肥预处理对气化影响的研究过程中，xiao等在连续进料的流化床中进行低温(600℃)气化研究，结果表明，低温条件下也可以产生富氢的天然气，ni/al2o3、温度和蒸汽含量的增加对氢气和总气体产量有积极作用。同时，zhang等对堆肥鸡粪进行低温蒸汽气化，在ni/al2o3催化剂存在的条件下，获得高氢气、一氧化碳和总气体产量。堆肥原料也可与其它原料混合进行热解气化，并提高原料利用率，naqvi等对15-20wt.％的农作物秸秆(主要是小麦秸秆)和80-85wt.％的堆肥牛粪混合进行双床蒸汽气化，双床蒸汽气化系统采用一级硅砂循环流化床(cfb)，二级预处理橄榄石固定催化床，最终产生35vol.％的氢气，焦油去除效率达到98wt.％。barneto等以银合欢与多育金雀花为试验材料，研究堆肥和加热速率对空气气化的影响，结果表明，银合欢和多育金雀花堆肥前后木质素含量从25wt.％、23wt.％提高到31wt.％、30wt.％，慢加热速率(2.6℃/min)与堆肥均可以提高氢气的产量，两者结合提高氢气产量接近20vol.％。通过研究进展的相关阐述，此过程涉及的堆肥原料农业废弃物-畜禽粪便(猪粪、鸡粪、牛粪)，木质纤维素类生物质(银合欢、多育金雀花)，均有提高氢气产量、降低焦油产量的普遍优势。其中，农业废弃物-秸秆类的相关研究并未涉及，欠缺相关研究。在我国，2017年的污泥总量约为3498.30万吨；2019年玉米秸秆的年产量约为3.13亿吨，均为产量巨大的生物质废弃物。选择玉米秸秆和污泥作为原料，一方面，可提高玉米秸秆与污泥的利用率；另一方面，提高氢气产量与合成气的低位热值。


技术实现要素：

4.本发明的目的主要是提出一种利用堆肥玉米秸秆和污泥气化制备合成气的方法。气化原料采用堆肥预处理的玉米秸秆和污泥，可减缓玉米秸秆与污泥产生的环境污染与资源浪费，提高其利用率。该方法不限制气化装置类型，操作方便，应用广泛。
5.本发明采用以下技术方案：
6.(1)预处理；
7.(2)取样；
8.(3)气化；
9.(4)利用气相色谱仪中的外标法对合成气进行组分分析；采用低位热值计算公式进行计算。
10.步骤(1)预处理为：玉米秸秆粉碎至6-7目，将其与污泥以1.6:1的湿重比进行混合，调节碳氮比至19:1，含水率为68-72％，将其手动搅拌均匀后放置于六联好氧堆肥反应器中反应35d。设置水浴温度为：在堆肥前6天逐步上升到50℃，并保持5天，然后缓慢下降到30℃至堆肥结束。同时通过空气泵在容器底部进行连续曝气，气体流量设置为0.08m3/h。
11.步骤(2)取样为：在堆肥样品中的0-35d均匀取样约180g，将取样样品在105
±
2℃的电热鼓风干燥箱中干燥24h，粉碎机粉碎后筛至140目。
12.步骤(3)气化为：反应开始前，设置管式炉加热程序至反应终温(800-1000℃)，至反应终温后，通入氮气10min，以排尽管式炉中的干扰气体，空气流量和分压分别设置为0.2l/min和0.1mpa，然后称量堆肥样品5
±
0.0100g，置于管式炉炉管的3/4处，将炉体向右滑动至最右端进行反应，反应时间30min，气体经过二次冷凝管进行冷凝，收气时间为15-25min。
13.本发明有益效果如下：
14.1.本发明提出利用气化技术处理堆肥玉米秸秆和污泥，可实现生物质的充分利用，提高利用率；
15.2.本发明所提出的堆肥玉米秸秆和污泥气化产生的合成气，900℃气化堆肥7d的产物，7d的氢气含量(9.66vol.％)和低位热值(6.17mj/nm3)均大于0d，分别提高了4.53vol.％和1.37mj/nm3；
16.3.本发明所提出的堆肥玉米秸秆和污泥气化产生的合成气，900℃气化堆肥7d的产物，7d的氢气含量(9.66vol.％)和低位热值(6.17mj/nm3)均大于玉米秸秆，分别提高了2.14vol.％和0.60mj/nm3；
17.4.本发明所提出的利用堆肥玉米秸秆和污泥气化制备合成气的方法，对气化装置没有要求，可采用下吸式固定床气化炉、管式炉、流化床等，皆可进行气化实验，操作简便，应用广泛。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。下面的实施例是为了使本领域的技术人员能够更好地理解本发明，但并不对本发明作任何限制。
19.污泥取自某大学污水处理厂，将其收集于塑料桶中，并在-80℃的条件下贮存。玉米秸秆取自山西省朔州市，自然风干60天。
20.实施例1：
21.(1)玉米秸秆粉碎至6目，将其与污泥以1.6:1的湿重比进行混合，调节碳氮比至19:1，含水率为68％，将其手动搅拌均匀后放置于六联好氧堆肥反应器中反应35d。设置水浴温度为：在堆肥前6天逐步上升到50℃，并保持5天，然后缓慢下降到30℃至堆肥结束。同
时通过空气泵在容器底部进行连续曝气，气体流量设置为0.08m3/h。
22.(2)在步骤(1)中的0d均匀取样约180g，将取样样品在105
±
2℃的电热鼓风干燥箱中干燥24h，粉碎机粉碎后筛至140目。
23.(3)反应开始前，设置管式炉加热程序至反应终温800℃，至反应终温后，通入氮气10min，以排尽管式炉中的干扰气体，空气流量和分压分别设置为0.2l/min和0.1mpa，然后称量堆肥样品5
±
0.0100g，置于管式炉炉管的3/4处，将炉体向右滑动至最右端进行反应，反应时间30min，气体经过二次冷凝管进行冷凝，收气时间为15-25min。
24.(4)利用气相色谱仪中的外标法对合成气进行组分分析；采用低位热值计算公式进行计算。
25.本实施例所得氢气所占百分比为2.77vol.％，合成气低位热值为3.94mj/nm3。
26.实施例2：
27.本实施例所用实施例1相同的方法与步骤，但在步骤(1)中的7d均匀取样。
28.本实施例所得氢气所占百分比为3.14vol.％，合成气低位热值为3.99mj/nm3。
29.实施例3：
30.本实施例所用实施例1相同的方法与步骤，但在步骤(1)中的35d均匀取样。
31.本实施例所得氢气所占百分比为3.82vol.％，合成气低位热值为4.10mj/nm3。
32.实施例4：
33.(1)玉米秸秆粉碎至7目，将其与污泥以1.6:1的湿重比进行混合，调节碳氮比至19:1，含水率为72％，将其手动搅拌均匀后放置于六联好氧堆肥反应器中反应35d。设置水浴温度为：在堆肥前6天逐步上升到50℃，并保持5天，然后缓慢下降到30℃至堆肥结束。同时通过空气泵在容器底部进行连续曝气，气体流量设置为0.08m3/h。
34.(2)在步骤(1)中的0d均匀取样约180g，将取样样品在105
±
2℃的电热鼓风干燥箱中干燥24h，粉碎机粉碎后筛至140目。
35.(3)反应开始前，设置管式炉加热程序至反应终温900℃，至反应终温后，通入氮气10min，以排尽管式炉中的干扰气体，空气流量和分压分别设置为0.2l/min和0.1mpa，然后称量堆肥样品5
±
0.0100g，置于管式炉炉管的3/4处，将炉体向右滑动至最右端进行反应，反应时间30min，气体经过二次冷凝管进行冷凝，收气时间为15-25min。
36.(4)利用气相色谱仪中的外标法对合成气进行组分分析；采用低位热值计算公式进行计算。