銅渣催化氣化木屑的實(shí)驗(yàn)研究和熱力學(xué)分析

許煥斌，劉慧利，李昂，胡建杭

（昆明理工大學(xué)冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093）

銅渣催化氣化木屑的實(shí)驗(yàn)研究和熱力學(xué)分析

許煥斌，劉慧利，李昂，胡建杭

（昆明理工大學(xué)冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093）

以木屑為原料，在銅渣催化氣化木屑的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上研究了氣化劑和載氣對(duì)氣體產(chǎn)物成分及熱值的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)水蒸氣當(dāng)量比為0.058時(shí)，焦油產(chǎn)率降低了約50%，氫氣產(chǎn)率提高了63.04%，氣化效率達(dá)75.03%。在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下基于能量平衡建立熔融銅渣催化氣化木屑的熱力學(xué)分析方法，得到銅渣、木屑及水蒸氣之間的耦合關(guān)系，1250℃的熔融銅渣的余熱高達(dá)1.773 MJ/kg，充分利用銅渣顯熱和潛熱氣化木屑產(chǎn)生的合成氣熱值可高達(dá)13319 kJ。在最優(yōu)氣化工況下，1 kg原料氣化需要1.92 kg銅渣，熱態(tài)銅渣催化氣化木屑的能量利用率可達(dá)62.94%。

銅渣；木屑；氣化；熱力學(xué)；余熱利用

資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著礦產(chǎn)資源的逐漸貧缺，加強(qiáng)對(duì)二次資源如冶金渣、金屬廢棄物等的開發(fā)利用對(duì)于緩解我國的礦石資源壓力具有重要意義。銅渣是銅火法冶煉工藝中的一種重要冶煉產(chǎn)物，在銅粗煉和冰銅吹煉過程中會(huì)產(chǎn)生大量的銅渣副產(chǎn)品，其主要成分為鐵橄欖石（Fe2SiO4）［1］，由于目前利用銅渣提煉銅、鐵和稀有金屬的技術(shù)還不夠成熟，銅渣主要被用作建筑填充物或直接丟棄，是對(duì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。另外，熔融銅渣溫度在 1100～1300℃，其在凝固過程中會(huì)釋放出226MJ/t的潛熱，具有的熱力學(xué)能可達(dá) 1.37～1.61MJ/kg，全球每年產(chǎn)銅渣按 0.246～0.335億噸計(jì)，帶走的熱量相當(dāng)于134～210萬噸標(biāo)煤［2］。因此，合理利用數(shù)量大、回收熱量高的冶金銅渣對(duì)于實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化利用、余熱資源高效利用和節(jié)能減排具有重要意義。

生物質(zhì)催化氣化是一種先進(jìn)的生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化技術(shù)，而金屬類催化劑是生物質(zhì)催化劑重要成分［3～4］，近年來國內(nèi)外對(duì)其做了廣泛研究，其研究結(jié)果表明橄欖石等金屬能促進(jìn)焦油裂解，使H2含量大幅度提高［3］。水蒸氣作為氣化介質(zhì)對(duì)提高生物質(zhì)氣化率和減少焦油產(chǎn)率具有明顯效果［5］，因而國內(nèi)外研究者提出了利用高溫冶金渣粒為水蒸氣催化烴類物質(zhì)炭化分解等反應(yīng)提供熱量的思路［6～7］。針對(duì)銅渣富含堿金屬并含有大量余熱的特點(diǎn)，以銅渣催化氣化生物質(zhì)制備可燃?xì)饩哂泻艽蟮墓I(yè)應(yīng)用前景。

本文以木屑為原料，使用熱重分析方法研究了了木屑在N2氣氛下的熱解特性；在熱解的基礎(chǔ)上研究了木屑在銅渣催化條件下以水蒸氣為氣化劑時(shí)的氣化特性；基于能量平衡和物料平衡對(duì)銅渣余熱催化氣化木屑的工藝進(jìn)行熱力學(xué)分析和計(jì)算，得到熔融銅渣與木屑及氣化劑之間的耦合關(guān)系，為銅渣余熱氣化生物質(zhì)制備合成氣的新方法提供合理基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)；在冶金熔渣混合生物質(zhì)流態(tài)化氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出銅渣余熱氣化生物質(zhì)制備合成氣的新方法，解決銅熔渣余熱難以回收利用、生物質(zhì)氣化焦油量大的技術(shù)難題。

1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用木屑取自某木材加工廠，其工業(yè)分析、元素分析和高位熱值如表1所示。

表1 木屑的元素分析與工業(yè)分析

實(shí)驗(yàn)所用銅渣是來自云南某銅冶煉企業(yè)的轉(zhuǎn)爐水淬渣，經(jīng)破碎后采用X射線衍射儀（XRD）測(cè)定銅渣催化作用的主要物相，并結(jié)合 Jade5.0軟件進(jìn)行分析。銅渣的檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，其主要物相組成是鐵橄欖石和磁鐵礦。根據(jù)化學(xué)分析即可得到各個(gè)元素的百分含量，并通過軟件計(jì)算得出各個(gè)物相的百分含量，取100g銅渣為基準(zhǔn)，各物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及物質(zhì)的量見表2。

圖1 銅渣的XRD圖

表2 100g銅渣的物相組成及各組分含量

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

利用銅渣催化水蒸氣氣化木屑的實(shí)驗(yàn)在如圖 2所示的裝置中進(jìn)行。其主體部分為一豎直放置的雙溫區(qū)管式電爐和石英管反應(yīng)器，將木屑和銅渣置于石英管反應(yīng)器，經(jīng)氮?dú)馀趴蘸笙葘?duì)下方含2g催化劑的二級(jí)反應(yīng)器進(jìn)行程序升溫至 1150℃后按20℃/min進(jìn)行程序降溫模擬利用銅渣余熱氣化木屑，上方的一級(jí)反應(yīng)器保持200℃的恒定預(yù)熱溫度，由熱電偶測(cè)得銅渣溫度降至 800℃時(shí)反應(yīng)結(jié)束。當(dāng)下方反應(yīng)器溫度升至1150℃之后，用注射泵向反應(yīng)器內(nèi)注入一定流量的水作為氣化劑，實(shí)驗(yàn)全程通入恒定流量的N2作為保護(hù)氣和內(nèi)標(biāo)氣，控制水的流量在0.055～0.075mL/min，氮?dú)饬髁吭?0～70mL/min的范圍內(nèi)。1g木屑由給料機(jī)一次進(jìn)料；反應(yīng)之后的液體產(chǎn)物通過冷凝系統(tǒng)收集，經(jīng)稱量液體產(chǎn)物干燥前后的質(zhì)量獲得焦油產(chǎn)量和剩余水量，氣體產(chǎn)物經(jīng)冷卻干燥之后用氣袋收集，送入Agilent GC7890A型氣相色譜儀中進(jìn)行檢測(cè)，反應(yīng)器中殘留物即為炭和灰分。

圖2 木屑?xì)饣磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

水蒸氣氣化木屑的完全反應(yīng)方程式如式1所示。

在氣化反應(yīng)中，氣化劑當(dāng)量比（ER）是指提供給單位生物質(zhì)氣化的水蒸氣量與其完全氣化時(shí)所需要的水蒸氣量之比［8］，氫氣產(chǎn)率指實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氫氣量與發(fā)生完全氣化反應(yīng)［式（1）］時(shí)潛在氫氣總量的比值［9］。

3 結(jié)果與討論

3.1 銅渣催化水蒸氣氣化木屑實(shí)驗(yàn)

焦油裂解一直是生物質(zhì)氣化的難題，不少研究表明催化劑與氣化劑的添加都有效地促進(jìn)了焦油的裂解，改善了生成燃?xì)獾钠焚|(zhì)。本實(shí)驗(yàn)主要通過調(diào)節(jié)載氣流量和水蒸氣當(dāng)量比來優(yōu)化木屑?xì)饣磻?yīng)工藝，研究銅渣催化氣化反應(yīng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)銅渣的有效回收利用。

3.1.1 載氣流量對(duì)氣化產(chǎn)物的影響

不同載氣流量下木屑?xì)饣母鱾€(gè)產(chǎn)氣組分如圖3所示。從圖中可以看出，適當(dāng)提高氮?dú)饬髁浚梢源龠M(jìn)水蒸氣對(duì)木屑的氣化作用，產(chǎn)生H2、CH4等氣體，說明在反應(yīng)變化過程中，焦油的裂解影響高于甲烷的裂解產(chǎn)氫，故H2、CH4呈相同變化趨勢(shì)。氣體含量的變化在一定程度上也提高了反應(yīng)效率，但隨著流速的不斷增加，從 50mL/min增至60mL/min，物料和氣化劑的停留時(shí)間變短，反應(yīng)時(shí)間減少，從而致使焦油裂解量減少，繼而氫氣含量減少了19.33%。而CO與CO2的組分含量是隨著其他組分的比重變化增加或減少?？梢缘贸?，適當(dāng)?shù)妮d氣流量和反應(yīng)時(shí)間可以促進(jìn)焦油裂解，提高氫氣含量和改善燃?xì)馄焚|(zhì)。

3.1.2 水蒸氣當(dāng)量比對(duì)氣化產(chǎn)物的影響

水蒸氣作為氣化劑能促進(jìn)焦油進(jìn)一步裂解，生成CH4、H2、CO等氣體產(chǎn)物，故針對(duì)水蒸氣當(dāng)量比做了實(shí)驗(yàn)研究。不同當(dāng)量比的木屑?xì)饣母鱾€(gè)產(chǎn)氣體積組分如圖4所示，由圖4可以看出，隨著水蒸氣量的逐漸增加，H2濃度明顯增加，當(dāng)量比為0.058時(shí)，氫氣體積比最高，而水蒸氣量過高時(shí)，H2、CH4產(chǎn)量明顯下降。在整個(gè)反應(yīng)過程中，CO2含量基本保持恒定，而CO濃度與H2濃度呈相反的變化趨勢(shì)，即在當(dāng)量比為0.058時(shí)，氫氣濃度最高，相反CO所占比例此時(shí)最低。不同當(dāng)量比下氣化產(chǎn)物產(chǎn)率如表3所示，對(duì)比0.046與0.058的氣化劑當(dāng)量比，焦油產(chǎn)率降低了約50%，氫氣產(chǎn)率從6.44%升高至10.50%，增加了63.04%，產(chǎn)氣熱值增加了4353kJ/kg，從焦油產(chǎn)量變化和提高氫氣濃度［10］的角度看，0.058的水蒸氣當(dāng)量比是氣化實(shí)驗(yàn)較理想的當(dāng)量比，但從氣化效率的角度出發(fā)，當(dāng)量比在0.054～0.058為宜。

圖3 載氣流量對(duì)產(chǎn)氣組分的影響

圖4 水蒸氣當(dāng)量比對(duì)氣化產(chǎn)物的影響

表3 不同當(dāng)量比下的氣化產(chǎn)物

采用Bruker VERTEX-70紅外分析儀分析木屑與炭的官能團(tuán)變化規(guī)律，掃描范圍為 4000～500cm-1，木屑和炭在不同水蒸氣當(dāng)量比下的 FTIR圖如圖5所示。生物質(zhì)原料的FTIR譜圖中表現(xiàn)出了較為典型的多聚糖特色，在1115cm-1、1038cm-1處出現(xiàn)了表征吡喃糖環(huán)所含的乙醇基的C—O伸縮振動(dòng)；并體現(xiàn)出了特有的芳香族官能團(tuán)信息，如1160cm-1和 1243cm-1處烷基芳基醚鍵伸縮振動(dòng)以及1507cm-1處芳香環(huán)對(duì)應(yīng)的C=C伸縮振動(dòng)。說明了纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素的存在。生物質(zhì)原料中含氧官能團(tuán)（C=O、C—O和OH等）的高活性和低活化能特性使得木屑易裂解，生成大量 CO和CO2等揮發(fā)性氣體。對(duì)比炭和原料的圖譜可得，原料中1115cm-1、1038cm-1處表征纖維素和半纖維素的C—O震動(dòng)吸收峰消失了，在1740cm-1處表征C=O伸縮振動(dòng)的吸收峰也消失了，這說明木質(zhì)素中的非共軛羰基被分解了，說明這些鍵發(fā)生了斷裂，析出CO、CH4等小分子；在1300～1050cm-1處的寬峰是由多種類型的 C—O（醇類、醚類和酯類）振動(dòng)組合和重疊引起。1450～1350cm-1有飽和烴基的C—H和C—O以及C—H鍵，其消失意味著甲烷的生成。1598cm-1處存在一個(gè)較尖銳的吸收峰，這是由C=C的伸縮振動(dòng)引起，體現(xiàn)了炭中芳香結(jié)構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位，1683cm-1吸收峰的出現(xiàn)說明了產(chǎn)物中存在共軛羰基。O—H基團(tuán)的震動(dòng)出現(xiàn)在3410cm-1處，較寬的范圍表明有O—H醚鍵的存在。隨著水蒸汽流量的增加，4000～3500cm-1的羥基特征吸收峰越來越顯著。1700cm-1處的特征峰C=O和醚出現(xiàn)藍(lán)移，最終消失，C=O共軛羰基消失。由于紅外光譜吸收的強(qiáng)弱主要決定于振動(dòng)的偶極矩變化大小，碳網(wǎng)構(gòu)造越大時(shí)，環(huán)振動(dòng)引起的整個(gè)碳網(wǎng)的偶極矩變化越小，吸收強(qiáng)度越弱［11］。但在1300～1050cm-1處表現(xiàn)為先增強(qiáng)后減弱，故C=O鍵的增加趨勢(shì)可能是產(chǎn)生醛類、醇類。CH4的主要有來源有長鏈烴類斷裂，含氧烴中C—C鍵斷裂，甲基苯環(huán)側(cè)鏈斷裂，H2的主要來源有環(huán)烯和芳香烴形成時(shí)產(chǎn)生，長鏈烯烴和芳香族化合物聚合產(chǎn)生，烴類裂解，鏈烯形成二烯烴、炔烴時(shí)脫氫，這些都會(huì)使得苯環(huán)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。因此1650～1500cm-1處吸收峰先增強(qiáng)后減弱，增強(qiáng)說明苯環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，但隨著聚合度的增加，偶極矩變化越小，所以吸收峰減弱。

圖5 不同當(dāng)量比時(shí)木屑和炭的FTIR圖

3.1.3 催化劑對(duì)氣化產(chǎn)物的影響

圖6 空白實(shí)驗(yàn)與銅渣催化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物對(duì)比圖

在水蒸氣當(dāng)量比為 0.058、載氣流量為50mL/min的工藝條件下，木屑在銅渣催化和無催化時(shí)的氣化產(chǎn)物含量對(duì)比如圖6所示。從圖中可以看出銅渣催化劑對(duì)氫氣濃度和焦油裂解有一定的影響，焦油產(chǎn)率從23.88%降至15.51%，氣體產(chǎn)率從57.38%增至64.26%。在產(chǎn)氣組分中，氫氣的變化最為顯著，氫氣組分含量的變化意味著其濃度的變化，從13.43%提升到18.88%，增加了40.59%，而氫氣產(chǎn)率直接反映了產(chǎn)氣量的變化，由 6.53%增至10.50%，增加了60.80%，由此可見銅渣對(duì)木屑具有催化氣化作用。

3.2 熱態(tài)銅渣催化氣化生物質(zhì)的熱力學(xué)分析

生物質(zhì)的氣化指標(biāo)理論計(jì)算是在已知原料特性、假定氣化操作條件的前提下，根據(jù)工藝過程、物料平衡、熱量平衡、熱力學(xué)平衡建立相應(yīng)的分析計(jì)算方法［12］，本研究采用木屑為原料，在考慮銅渣余熱利用的催化氣化系統(tǒng)中，忽略銅渣對(duì)生物質(zhì)的催化作用，僅考慮生物質(zhì)的裂解產(chǎn)氣與銅渣之間的氣固反應(yīng)，以銅渣余熱維持 800℃爐溫，故與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)吻合，可以選用優(yōu)化的催化氣化數(shù)據(jù)作為該熱力學(xué)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2.1 熱量平衡計(jì)算

催化氣化系統(tǒng)能量平衡圖如圖7所示，圖中各參數(shù)釋義如下面所述。

圖7 催化氣化系統(tǒng)能量平衡圖

（1）銅渣余熱Eslag銅冶煉爐出口的熔渣平均溫度為1250℃，將其噴水造粒降溫，其中，熔渣組分發(fā)生相變將產(chǎn)生的相變潛熱和溫度降低將釋放的顯熱稱為銅渣的余熱也即銅渣的能量。由表2已知銅渣組分含量，本文采用平均比熱法計(jì)算不同溫度下銅渣的顯熱。

某溫度下銅渣顯熱計(jì)算如式（2）。

上世紀(jì)90年代以前，榆林因氣候酷寒、交通落后，導(dǎo)致當(dāng)?shù)囟拘迈r時(shí)蔬供應(yīng)匱乏，城鄉(xiāng)居民只得長期將酸菜作為冬季主菜。

式中，ET，sh為某溫度下銅渣顯熱，kJ；m為銅渣質(zhì)量，kg；T為銅渣溫度，K。部分銅渣顯熱計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同溫度下的銅渣顯熱

銅渣從1250℃熔融狀態(tài)凝固存在相變潛熱，根據(jù)銅渣組分查《實(shí)用無機(jī)物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)》［13］得銅渣的相變熱為各組分的相變熱之和，在 1250℃時(shí)除橄欖石外大部分的組分都是固相，而該溫度下，是一種以橄欖石為主要成分的熔融復(fù)合相，本研究以鐵橄欖石組分相變潛熱代表銅渣的相變潛熱，如式（3）。

式中，Elh為銅渣的相變潛熱，kJ；ΔHm為鐵橄欖石的相變焓，J/kg；w為鐵橄欖石在銅渣中的質(zhì)量比。

則回收利用的銅渣余熱Eslag如式（4）。

式中 T1、T2分別為催化氣化銅渣的初溫和終溫，K。

（2）原料的化學(xué)熱EB，則有式（5）。

（3）氣化介質(zhì)水在冷卻銅渣過程中生成水蒸氣，進(jìn)入系統(tǒng)的通入水為 25℃常壓下的焓值 Ew，則有式（6）。

式中，Hw為 25℃常壓下水的焓值，kJ/kg；W為冷卻銅渣的水的質(zhì)量，kg。

（4）氣化產(chǎn)氣熱值Egas，包括未反應(yīng)的水蒸氣Esteam、產(chǎn)氣可燃?xì)饣瘜W(xué)熱 LHVgas和顯熱（Egas顯熱）。氣化產(chǎn)氣的產(chǎn)量為Vgas，m3。則有式（7）～式（11）。

式中，Xi為各氣體產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)；cP，i為各氣體產(chǎn)物的定壓比熱容，J/（mol·K）；T為產(chǎn)氣從氣化爐出口溫度，K。

式中，Hsteam為冷卻銅渣后水蒸氣的焓值；W2為除用于氣化介質(zhì)外的用于冷卻銅渣的出口水蒸氣的質(zhì)量，其與工藝中氣化劑的當(dāng)量比有關(guān)。

（5）爐體散熱損失E散熱，一般取輸入總能量的10%，則有式（10）。

（6）焦油、焦炭、灰分帶走的熱量損失E損失，則有式（11）。

式中各項(xiàng)熱損失由木屑?xì)饣瘜?shí)驗(yàn)研究的稱量結(jié)果、原料的工業(yè)分析及C、H、O元素平衡方程驗(yàn)證得到。

3.2.2 水蒸氣氣化生物質(zhì)體系的反應(yīng)平衡

據(jù)文獻(xiàn)［14］，考慮水蒸氣氣化生物質(zhì)的主要反應(yīng)如表5所示，根據(jù)吉布斯自由能判據(jù)各個(gè)反應(yīng)的發(fā)生，對(duì)水蒸氣氣化生物質(zhì)的反應(yīng)體系進(jìn)行熱力學(xué)分析和能量平衡計(jì)算。

3.2.3 熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果及分析

氣化劑當(dāng)量比在0.054、0.058時(shí)經(jīng)熱力學(xué)平衡計(jì)算得到的銅渣氣化生物質(zhì)的能量平衡如表 6所示。其中，氣化反應(yīng)溫度為800℃，銅渣為1250℃的出爐銅渣。產(chǎn)氣熱值指單位質(zhì)量生物質(zhì)氣化產(chǎn)生合成氣的熱值。在生物質(zhì)氣化的研究中，除研究氣化參數(shù)條件對(duì)氣化產(chǎn)物的影響外，還須研究合成氣的低位熱值和能量轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律［15］，理論銅渣余熱利用率指在銅渣催化氣化生物質(zhì)過程中被利用的余熱與銅渣所具總能量的比值。

表5 生物質(zhì)氣化反應(yīng)

表6 銅渣余熱利用時(shí)系統(tǒng)能量平衡

能量轉(zhuǎn)化率指合成氣熱值與所提供熱量（即生物質(zhì)熱值和所用銅渣余熱之和）的比值。

式中，LHVS為合成氣低位熱值；LHVB為原料的工業(yè)分析中給出的原料的低位發(fā)熱量；Eslag為銅渣在1250℃時(shí)的余熱量。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，銅渣氣化生物質(zhì)系統(tǒng)的優(yōu)化工況是當(dāng)量比為0.058、載氣流量50mL/min，從表6可以看出，此時(shí)氣化1kg原料可以得到熱值為13319kJ合成氣，而1 kg原料只需銅渣1.92kg，銅渣余熱利用率為41.82%，能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)62.94%。當(dāng)量比為0.054時(shí)雖然產(chǎn)氣熱值較高，但同時(shí)所需銅渣量也較大，且氫氣產(chǎn)率與能量轉(zhuǎn)化率都較低。為保證合成氣的品位與銅渣的催化還原反應(yīng)，以 0.058的當(dāng)量比在氣化反應(yīng)工藝的最優(yōu)工藝條件。銅渣氣化木屑體系的主要熱損失是殘?zhí)繜釗p失與爐體散熱損失，若在工業(yè)中以可燃?xì)庾鲅h(huán)載氣，其攜帶的CO2在降低殘?zhí)康耐瑫r(shí)也能減少二氧化碳的排放，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效清潔的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化。以云南某銅業(yè)集團(tuán)為例，每天產(chǎn)生約1500t的銅渣，余熱量高達(dá)2659GJ，在能量轉(zhuǎn)化率為62.94%時(shí)，利用其熔渣余熱至少可氣化 781噸的木屑，產(chǎn)生 20.49萬立方米的可燃?xì)怏w，節(jié)約能量57.1t標(biāo)準(zhǔn)煤。

4 結(jié) 論

（1）適當(dāng)?shù)妮d氣流速和停留時(shí)間可以促進(jìn)焦油裂解，提高氫氣含量和改善燃?xì)馄焚|(zhì)。當(dāng)氣化劑當(dāng)量比為0.058時(shí)，烯烴和芳香族化合物聚合脫氫和烴類裂解量增加，氫氣產(chǎn)率提高，對(duì)比0.046與0.058的氣化劑當(dāng)量比條件下所得產(chǎn)物，焦油產(chǎn)率降低了約50%，氫氣產(chǎn)率從6.44%升高至10.50%，增加了63.04%，產(chǎn)氣熱值4353kJ/kg，從焦油產(chǎn)量變化和提高氫氣濃度的角度看，0.058的水蒸氣當(dāng)量比是氣化實(shí)驗(yàn)較理想的當(dāng)量比。

（2）銅渣催化劑對(duì)氫氣濃度和焦油裂解有一定的影響，焦油產(chǎn)率從23.88%將至15.51%，減少了53.97%，氣體產(chǎn)率從57.38%增至64.26%。在產(chǎn)氣組分中，氫氣的變化最為顯著，產(chǎn)氣組分中氫氣的濃度增加了40.59%，氫氣產(chǎn)率增加了 60.80%，由此可見銅渣對(duì)木屑有一定的催化作用。

（3）在優(yōu)化的氣化工況下，氣化1kg木屑需要1.92kg銅渣釋放的能量，銅渣催化氣化木屑的工藝過程中的銅渣余熱利用率為41.82%，能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)62.94%。

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Experiment and thermodynamic analysis of the sawdust catalytic gasification with copper slag

XU Huanbin，LIU Huili，LI Ang，HU Jianhang
（State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resources Clean Utilization，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China）

In this paper，the experiment of sawdust gasification over copper slag catalyst was conducted，then the effect of the gasification agent and the carrier gas was studied on the composition and heating value of the syngas. When the water vapor equivalent ratio to biomass was 0.058，the yield of tar was approximately decreased by half and the hydrogen yield was improved by 63.04%，so the gasification efficiency increased to 75.03%. After obtaining the ideal experimental conditions，thermodynamic analysis of the sawdust gasification with copper slag was performed based on the energy balance. Then，the coupling relationships were obtained between copper slag，sawdust and water vapor. The sensible heat of molten copper slag was 1773kJ/kg at 1250℃. When making full use of copper slag comprising sensible heat and latent heat，the heat value of synthesis gas was 13319kJ from the sawdust gasification. Under ideal gasification conditions，1kg sawdust met 1.92kg copper slag，and the recycling energy utilization of hot copper slag catalytic sawdust gasification increased to 62.94%.

copper slag；sawdust；gasification；thermodynamics；waste heat recovery

TK 6

A

1000-6613（2016）10-3142-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.018

2016-03-15；修改稿日期：2016-06-14。

國家自然科學(xué)基金（51376085）、國家973計(jì)劃前期研究專項(xiàng)（2014CB460605）及云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2013FA010）項(xiàng)目。

許煥斌（1991—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：胡建杭，教授。E-mail hujh51@126.com。