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生物质连续式分段热解炭化设备研究

赵立欣1,贾吉秀1,2,姚宗路1,丛宏斌1,王金星2,张晓2

(1.农业部规划设计研究院农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京100125;2.山东农业大学机械与电子工程学院,泰安271018)

  摘要:针对目前连续式炭化设备的热解温度场难以梯级调控,不能满足多种热解温度工艺试验要求,采用分段式加热技术,设计了5段独立热解炭化炉,并结合连续式输送原理,集成生物炭循环水冷技术、热解气二次催化裂解技术和油气二级冷凝分离技术等,研发了连续式分段热解炭化设备。以粉碎的玉米秸秆为原料开展了热解炭化试验,结果表明,本炭化设备实现了连续炭化和分段加热,当5段炉温设为550℃、600℃、600℃、600℃、550℃时,生物炭得率29.97%,低位热值26.21MJ/kg,固定碳含量55.63%,热解后的油气能较好地实现分离,达到了设计要求,实现了生物质的分段控温加热和连续热解。

  引言

  生物质热解炭化技术,是指生物质原料在绝氧或低氧环境中加热升温引起内部分解形成生物炭、生物油和热解气的过程。多数研究结果表明,生物质的热解过程可分为3个阶段:干燥预热阶段、挥发分析出阶段以及炭化阶段,第1阶段一般发生在室温到130%之间,生物质内部结构重新排列,水分大量流失;第2个阶段发生在130~450℃之间,纤维素、半纤维素、木质素等固体物质吸收大量热量而分解,挥发分析出;第3个阶段主要发生在450℃之后,生物炭慢慢形成,产生富炭残留物。生物炭作为一种新型的土壤改良剂,施放到土壤中既能增加土壤中的有机物,提高肥力,也能凭借其耐降解性质,提高碳在土壤里的封存时问,缓解温室效应对全球气候变化所带来的负面影响,此外,生物炭具有较大的比表面积且表面含有较多的含氧活性基团,可以吸附土壤或污水中的重金属及有机污染物等,因生产成本较低,被许多人认为是未来活性炭的替代品。

  发达国家生物质炭化技术发展很快,美国加利福尼亚州制造了一款利用高温气体进行内外加热的竖流式热解设备,英国爱丁堡大学研制了三代炭化装置的样机,丹麦科技大学研制了离心热解反应器等。我国从20世纪70年代开始对生物质能源开发支持力度加大,热解主要集中在气化、液化等方面的研究,在炭化设备方面,农业部规划设计研究院研发了内加热连续式生物质炭化中试设备,东北农业大学设计了生物质热解反应装置的变螺距螺旋输送器,华中科技大学采用移动床生物质干馏技术,设计了处理量达到1t/h的连续式热解炭化设备,另外上海交通大学、浙江大学、华中农业大学、华南农业大学等也开展了相关研究,均取得了一定的研究成果。但是,此类连续式分段炭化设备存在炭化过程中热解温度场难以梯级调控,不能保证最优的产炭工艺而导致产炭品质不高的问题。

  本文针对目前炭化设备的热解温度场难以进行梯级调控等问题,采用多段式控温原理,设计连续式分段热解炭化设备,并以粉碎玉米秸秆为原料进行连续热解试验。

  1工作原理和整机结构

  1.1连续炭化原理及工艺流程

  连续式炭化技术主要是结合生物质原料的炭化原理和连续输送原理,采用进料口和出料口密封,保证热解炉内的密闭环境,再利用内源或外源对生物质原料进行加热,最终实现生物质的连续热解过程。

  其工艺流程如图1所示,采用粉碎的玉米秸秆为原料,生物炭生产工艺流程从整体上可分为密闭进料、分段热解炭化、油气分离、生物炭循环水冷、热解气二次裂解和尾气燃烧等6个环节。以生物质分段热解产炭为主路线,集成热解混合气的分离收集、二次催化裂解和热解气燃烧等工艺,既可实现炭一油一气的联产,又能实现焦油的去除和能量的高效利用。

  1.2整机结构与工作原理

  连续式分段热解炭化设备结构示意如图2所示,设备工作时,先将5段电热炉升到设定温度,形成目标炭化温度场,利用该温度场拟合生物质炭化过程中的干燥阶段、挥发热解阶段和全面炭化阶段。再打开输料螺旋并调节转速,并开启喂料关风器开始进料,螺旋输料器推动生物质原料依次经过5段设定的温度场,到达最右端时完成最终炭化。炭化完成后,生物炭落入循环水冷装置中将高温生物炭降低至燃点温度以下,收集存储。

  热解气由滤网过滤器进行过滤除尘,之后经过三通可选择2条工艺路线,一是油气的分离和收集,热解气依次通入保温200℃的油气分离器和常温的三相分离器,利用焦油、水和轻质油的液点不同实现逐级冷凝分离,不可冷凝气体如CO、CO2、H2、CH4等通过三相分离器排至尾气管道进行燃烧排空。二是热解混合气直接通入催化裂解炉,在高温和催化剂的条件下将大分子焦油催化裂解成为小分子气或轻质油,再通入至油气分离装置中,进行催化裂解后的油气分离和收集,经油气分离后的热解气进入燃烧炉中烧掉排空。

  1.3主要技术参数

  连续式分段热解炭化设备主要技术参数如表1所示。

  2关键部件设计

  2.1分段式热解炭化炉

  分段式炭化炉作为设备的核心部件,其设计包含炭化炉的多段式设计及螺旋输料器的尺寸计算。热解炉的多段式控温目的就是形成所设定的温度场,使生物质原料在热解过程中以可控的升温速率进行热解炭化,模拟符合热解机理的温度场,提高生物炭得率和品质。因此,理论上在热解筒壁设计过程中分段越多热解温度场的变化趋势越趋于平缓,但是考虑筒壁导热、热解气对流传热等误差影响和连接处的密闭性等问题,最终选择将筒壁分为5段,各段之间采用法兰连接,法兰之间加有绝热板以减少简壁的导热,结构示意图如图3所示。

  热解炉为生物质原料热解炭化过程提供热源,热解过程中总的能量消耗可分为生物质的炭化升温、液相产物的潜热和显热、挥发分析出带走的热量和炉体的散热等,由于炉体外部的保温棉使得炉体散热所占比重很少,此处忽略不计,由能量守恒可得

  考虑到热解过程中温度较高,对螺旋输送器的强度要求高,螺旋长度过长易产生挠度而造成输送器和筒壁的磨损,综合前人经验,设计螺旋输送器的加热段长度为2m。按成型颗粒的物理参数进行计算,堆积密度为500kg/m3,填充系数设为0.4,热解时间平均为30min,代人式(5)、(6)可得螺旋输送器的外径应为0.179m,设计过程为保证余量,取D=0.2m,时间为5~60min,可得螺旋转速凡为0.21~2.5r/min。根据此设计尺寸,可以得到试验常用生物质的理论处理量如表2所示。

  2.2油气分离装置设计

  热解炉产生的热解混合气中含有水、焦油和不可冷凝气体等成分,因此要对热解副产物进行分离和收集,根据混合成分的冷凝点不同,采用分级冷凝原理进行逐步分离。通过程序控温的电热套保证分离罐的温度在200℃左右,在此温度下水和一些轻质油以气相存在,而焦油成分复杂,其主要成分在200℃时会冷凝至液相,因此大部分焦油会通过油气分离罐收集到储油罐中;经油气分离后的热解气中主要成分是水、不可冷凝气体和少许的轻质油,再通过循环水冷却降至室温并通入至三相分离器中。利用三相分离器的结构原理将水、不可冷凝气体和轻质油进行分离。三相分离器采用非标设计,结构如图4所示,主要由进气口、出气口、油腔和水腔组成,初级净化后的热解气通过进气口进入容器空腔,在室温状态下由气相变为水相,由于密度不同,轻质油漂浮在水的上层,经中间的浮斗进入油腔排出,水则经出水口排出。

  2.3其他部件设计

  催化裂解炉的接入使得热解设备更具系统性,通过三通阀的切换,使得热解炉产生的气体可以分别通入冷凝分离装置进行冷凝分离或催化裂解炉进行催化裂解。催化裂解炉采用5段炉设计,每段单独控温20~1100℃,加热管总长为80cm,总功率7.5kW,催化裂解炉内设有方便拆卸的支撑板用以装填催化剂,热解气由催化裂解炉的上端通人,经过催化剂的催化裂解后在催化裂解炉的下端排出,催化裂解炉的前后端设有取样口,以便对比分析热解气的催化裂解效果。

  炭化炉后端连接生物炭水冷装置,斜螺旋套筒内通入循环水对热解完全后的生物炭进行换热降温,以生物炭初始温度为500℃进行计算,利用流量为0.0481m3/h的循环水将生物炭降温至60℃,使其低于着火点并收储,循环水经换热后由20℃升至40℃。

  炭化炉内的测温热电偶采用插入式安装,在螺旋绞龙布置热电偶的位置处对绞龙叶片进行环切,得到的螺旋叶片缺口用以将热电偶插入到物料层1cm处进行测温,避免以往测温过程中由于炉壁的热阻产生的误差,使得在生物质热解过程中测温更加准确。

  3热解炭化试验

  3.1试验材料与测试方法

  样机制造后,在北京市大兴区农业部规划设计研究院重点实验室进行了热解试验,如图5所示。

  样机调试完成后,可进行如花生壳、成型颗粒和玉米秸秆等粒径小于3cm,水分在15%内不同原料的热解试验,现以粉碎后的玉米秸秆为试验原料,原料的物理特性如表3所示。

  测试指标主要包括纯小时炭、油、气的生产率、生物炭得率、出炭温度等。设备纯小时炭、油、气的产率计算公式分别为

  3.2结果分析

  在设备正常工作状态下,测试时长为4h,设定物料的加热时间为30min,设备性能测试和试验结果如表4~6所示。

  如表4所示,5段炉独立采用PID程序控温,使其稳定在设定温度,在连续热解过程中,生物质原料依次经过5段炉进行升温热解,通过表中温度对比显示可以看出出设备的分段控温效果良好。第3段和第4段的料温高于炉温说明在生物质原料在这一阶段的热解过程中存在放热反应,当热电偶检测到由于放热反应使得环境温度大于炉温时,该段炉会停止加热,以保证热解环境的稳定性。

  玉米秸秆热解各组分及产率如表5所示。当设备稳定出炭时计量时间,并通过电子秤测定生物炭质量,由式(7)、(10)得生物炭生产率为4.1kg/h,生物炭得率为29.97%;通过热解气的二级冷凝和三相分离器的静置分层得到生物质焦油和木醋液等组分含量,并采用液位计测量焦油和木醋液的含量,由式(8)得其产率分别为2.44%、4.32%;在设备连续运行过程中采用电能质量分析仪进行功率测定,换算成产炭耗能为1.50kW/kg,由于该设备平台的研制主要用于探索连续热解试验优化工艺,为保证试验参数的精准度,各部件的保温和加热均采用电热丝完成,因此能耗较高。

  通过罗茨流量计计量气体流量,由式(9)得热解气产率为0.20m3/kg,主要组分如表6所示,经过热解产生的高温生物炭通过循环水冷凝将温度降至其燃点以下,采用红外热像仪进行测量,结果显示生物炭的出炭温度为室温,达到设计效果。对生产的生物炭采样可得其工业分析如表7所示,在该热解温度环境下生物炭的固定碳含量达到55.63%,低位热值26.21MJ/kg。

  4结论

  (1)采用分段式加热技术,并结合了连续式输送原理、生物炭循环水冷技术和油气分离等技术,设计了连续式分段热解设备,通过调节5段炉温方便的调整热解炭化的温度环境,为生物质连续热解炭化的优化工艺探索提供了平台支持。

  (2)试验结果表明,该设备实现了分段加热,在文中工艺条件下,炭生产率为4.1kg/h,炭得率、产油率、产气率和固定碳含量分别为29.97%、2.44%、0.20m3/kg和55.63%,出炭温度为常温,实现了生物质的连续热解炭化和炭一油一气的联产。

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