煙梗熱解氣化制取生物炭方法探索

付兵，楊兵，朱鵬飛，畢妍燕，崔云翔

（1.云南省煙草煙葉公司，云南昆明650217；2.蘇州格瑞展泰再生能源有限公司，江蘇蘇州215024）

煙梗熱解氣化制取生物炭方法探索

付兵1，楊兵1，朱鵬飛2，畢妍燕1，崔云翔2

（1.云南省煙草煙葉公司，云南昆明650217；2.蘇州格瑞展泰再生能源有限公司，江蘇蘇州215024）

面對越來越嚴峻的能源形勢以及不斷惡化的生態(tài)環(huán)境，加快對清潔的可再生能源的開發(fā)與利用已經(jīng)迫在眉睫。以煙梗為研究對象，對其氣化技術(shù)展開了系統(tǒng)的研究，對于研究煙梗的無害化處置和資源化利用具有重要的意義。

煙梗；氣化熱解；固廢處置；生物質(zhì)炭；熱解反應(yīng)器

從全球的經(jīng)濟發(fā)展來看，經(jīng)濟的發(fā)展與化石能源的使用密切相關(guān)，而化石能源作為不可再生能源，現(xiàn)在越來越少，形勢相當嚴峻。同時，當前的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀也不容樂觀。這些都要求對清潔的可再生能源的開發(fā)與利用能夠得到加速。以煙梗為研究對象，對其熱解氣化技術(shù)展開了系統(tǒng)的研究，對于研究煙梗的無害化處置和資源化利用具有重要的意義。

1　實驗中所采用物料以及特性分析

1.1實驗所采用物料來源介紹

本實驗中選用的生物質(zhì)物料為煙梗，此原料是由在云南省煙草煙葉公司提供。此原料在實驗之前還需要進行分類、篩選和干燥等預(yù)先的處理。實驗之前將不同原料分類，選擇顆粒度、干燥程度等接近的作為同一批次的實驗原料。煙草廢棄物原料在實驗之前需經(jīng)過干燥處理。煙梗在100℃預(yù)熱時會劇烈膨脹，膨脹體積能達到原體積的3～5倍，因此如實驗的原料顆粒度較大，就需要對原料進行破碎。

1.2實驗原料的理化特性分析

本實驗開始前對煙梗的的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳、元素組成以及各種熱值等幾個方面進行檢測，結(jié)果如下。

1.2.1實驗原料特性工業(yè)分析與元素分析

實驗所用物料樣品的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果，詳見表1。從表1的數(shù)據(jù)分析可以得出，在煙草廢棄物之中，揮發(fā)分的含量已經(jīng)達到并且超過了60%，然而固定碳的含量卻低于20%，因此與煤相比固定碳含量是較低的。

表1　對煙梗樣品的工業(yè)分析和元素分析

1.2.2熱值分析

通過熱值分析儀檢測，云南煙草煙葉公司的煙梗熱值為15.506 MJ/Nm3。從相關(guān)的文獻報道可知，和其他的纖維素類生物質(zhì)所具備的熱值相比仍然偏高，但是低于木本植物的熱值。

2　煙梗熱解實驗

從上述的分析可知，煙梗是一種相當好的、具有較大潛力的生物質(zhì)資源，同時熱解是當前最為有發(fā)展前景的一種生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)。本實驗采用由蘇州格瑞展泰再生能源有限公司研發(fā)的新型臥式精確控制熱解反應(yīng)器，來進行煙梗的熱解實驗。

2.1實驗設(shè)備與實驗方法

因煙梗的特殊理化特性，其熱解反應(yīng)過程中會產(chǎn)生劇烈膨脹，且熱解氣中焦油成分較多，采用臥式反應(yīng)器，可以增加物料的停留時間，減少焦油的產(chǎn)生。

進料系統(tǒng)，生物質(zhì)經(jīng)過預(yù)處理后由料倉經(jīng)螺旋進料機送入熱解反應(yīng)器。螺旋進料機便于連續(xù)均勻進料，并能有效地保證熱解反應(yīng)器的氣密性。

每次實驗開始前，都需要對裝置進行氣密性檢驗。具體步驟如下：先用煙梗原料將進料口填滿形成密封，同時關(guān)閉裝置所有進出口，再通入高壓空氣對裝置進行氣密性檢驗，保持這種狀態(tài)15 min，仔細檢查是否有漏點。如果裝置氣密性達到實驗要求，再結(jié)束氣密性實驗。然后對裝置進行吹掃，打開出氣口放掉裝置內(nèi)空氣，從水蒸氣入口處通入氮氣，將反應(yīng)裝置中剩余的空氣吹掃干凈。準備工作結(jié)束開啟電加熱器對熱解反應(yīng)器加熱，同時開啟溫控柜對電加熱器進行溫度調(diào)節(jié)，用溫控柜將電加熱器的升溫速率設(shè)置為20℃/min。

本實驗主要考查200℃，250℃，300℃和350℃4個工況下煙梗熱解的情況。待反應(yīng)器內(nèi)溫度達到某一工況并保持穩(wěn)定后，用閥門送風機的空氣流速，開始鼓入空氣參與反應(yīng)。與此同時，開啟螺旋給料器，其中進料蛟龍的轉(zhuǎn)速用于調(diào)節(jié)進料量大?。?.0～6.0 kg/h），熱解反應(yīng)器的主推螺旋用于調(diào)節(jié)物料在爐膛中的停留時間。整個反應(yīng)過程保持熱解反應(yīng)器微負壓狀態(tài)。

2.2煙梗熱解氣化實驗控制參數(shù)

熱解反應(yīng)器主推頻率根據(jù)反應(yīng)器中中端溫度變化調(diào)節(jié)，熱解反應(yīng)器溫度小于200℃時，主推轉(zhuǎn)動頻率設(shè)定3 Hz端溫度達到200℃以上時，熱解反應(yīng)器主推設(shè)定頻率控制在3～6 Hz。根據(jù)調(diào)節(jié)主推的轉(zhuǎn)動頻率，可以保證熱解反應(yīng)器中反應(yīng)區(qū)溫度在300℃左右，保證熱解氣化反應(yīng)的連續(xù)穩(wěn)定進行。

2.2.1熱解反應(yīng)器主推轉(zhuǎn)動頻率對應(yīng)的進料量關(guān)系

控制反應(yīng)器溫度在200～400℃，熱解反應(yīng)器主推轉(zhuǎn)動頻率對應(yīng)的進料量關(guān)系如表2。

表2　熱解反應(yīng)器不同溫度對應(yīng)的反應(yīng)器主推頻率和進料量關(guān)系

2.2.2煙梗熱解氣的組分分析

煙梗的熱解反應(yīng)，需要通入適量空氣作為氣化劑，來進行熱解氣化反應(yīng)。本實驗中煙梗在熱解反應(yīng)器中，經(jīng)干燥、熱解、炭化等過程，由煙梗轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)熱解氣和生物質(zhì)炭。本實驗中測得的炭轉(zhuǎn)化率約為5∶1，即1 kg的煙梗經(jīng)熱解反應(yīng)后，可以得到0.2 kg的煙梗炭，生物炭的轉(zhuǎn)化率為20%。

實驗過程中，由深圳高迪科技有限公司對煙梗熱解氣的組分進行了檢測，結(jié)果如表3。

從表3可以看出，用空氣作氣化劑，產(chǎn)生的各氣體組分含量，根據(jù)公式（1），可以計算出煙梗熱解氣的高位熱值和低位熱值。

由公式（1）計算得煙梗熱解氣的高位熱值為4.824 MJ/Nm3，低位熱值為：4.568 MJ/Nm3。

表3　煙梗熱解氣的組分分析表

3　煙梗相關(guān)數(shù)據(jù)分析

3.1反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對熱解產(chǎn)物分布的影響

（1）實驗實例一。伴隨著熱解溫度的逐步升高，熱解氣體的的產(chǎn)量迅速增加，焦油和炭的產(chǎn)量下降，如圖1所示。

（2）實驗實例二，如圖2所示。

3.2反應(yīng)溫度和停留時間對熱解產(chǎn)物體積的影響

隨著熱解溫度的升高，熱解氣體的產(chǎn)量迅速增加，焦油和煙梗炭的產(chǎn)量下降。同時，在熱解氣之中，CO，CH4和O2這幾者的含量卻始終基本保持不變，但是CO2的含量卻會出現(xiàn)明顯減少，并且H2的含量則會快速增加，如圖3所示。

圖1　煙梗的熱解溫度、時間以及產(chǎn)物分布關(guān)系

圖2　煙梗氣化過程中反應(yīng)時間與炭轉(zhuǎn)化率的關(guān)系曲線

圖3　煙梗熱解溫度、停留時間和產(chǎn)物關(guān)系

3.3空氣當量比對煙梗熱解氣體熱值的影響

臥式精確控制熱解反應(yīng)器：空氣當量比（ER）指的是在自供熱氣化系統(tǒng)之中，在單位質(zhì)量生物質(zhì)熱解氣化的過程之中所需要消耗的空氣（氧氣）的量和進行完全燃燒時所需要的理論空氣（氧氣）的量之間的比值。如果是空氣量較多，那么煙梗燃燒成分會占優(yōu)勢，最后的產(chǎn)物也以二氧化碳為主；如果空氣含量較少，那么就會導(dǎo)致燃燒釋放熱量不夠，導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)的溫度偏低，難以完成氣化反應(yīng)，最后的產(chǎn)物也以熱解氣、焦油為主。從圖4中可以看出，煙梗熱解氣化的最佳空氣當量比為0.28。

圖4　空氣當量對熱解氣體熱值的影響

4　煙梗炭的性質(zhì)及利用

4.1煙梗炭的性質(zhì)

炭化溫度與時間：炭化溫度控制在300～500℃，炭化時間控制在40 min內(nèi)。溫度達到設(shè)定溫度時從進料斗加入煙梗，煙梗在螺旋推進器作用下被推入反應(yīng)器內(nèi)形成料層和不同的反應(yīng)區(qū)域，煙梗轉(zhuǎn)化率為80%。

4.2反應(yīng)溫度對炭的影響

煙梗的炭化在臥式精確控制熱解反應(yīng)器中進行，其炭化溫度、炭化量等連續(xù)可調(diào)。當熱解溫度超過400℃時，揮發(fā)分和固定炭含量變化趨于平衡，揮發(fā)分已基本除盡。煙梗炭化的最佳溫度為300～450℃。溫度過低，揮發(fā)分去除不凈。本實驗第二階段提高溫度之后，煙梗炭的揮發(fā)分明顯下降，說明提高熱解反應(yīng)溫度可以使煙梗熱解得更充分。

4.3煙梗炭的利用

本試驗通過熱解反應(yīng)，將煙梗轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃氣和煙梗炭，經(jīng)發(fā)熱量測定，煙梗炭的熱值為24.14 MJ/kg，具有很高的熱值。煙梗炭具有較高的經(jīng)濟價值，將煙梗通過熱解氣化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊煿＃梢詼p少農(nóng)業(yè)廢棄物對環(huán)境的污染，還可以以可再生能源替代不可再生能源。

5　結(jié)論

用蘇州格瑞展泰再生能源公司研發(fā)的臥式精確控制熱解反應(yīng)器，通過熱重分析、工業(yè)分析、發(fā)熱量測定、氣體成分分析等方法，對煙梗的熱解氣化過程進行了分析，研究了煙梗的熱解和氣化反應(yīng)以及影響煙梗熱解氣化反應(yīng)的各種因素。對煙草廢棄物資源化利用做出了有意義的探索。

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Study on the preparing method of biological carbon by pyrolysis and gasification of tobacco stems

FU Bing1,YANG Bing1,ZHU Pengfei2,BI Yanyan1,CUI Yunxiang2（1.Yunnan Tobacco Company,Kunming 650217,China;
2.Suzhou Grenada Zhantai Renewable Energy Co.Ltd.,Suzhou 215024,China）

Along with increasingly severe energy situation and the deteriorating ecological environment,it is imminent to speed up the development and utilization of clean renewable energy.In this paper,taking tobacco stem as the research object,the gasification technology of the system was studied,which is of great significance to the research of the harmless disposal and resource utilization of tobacco stem.

tobacco stalk;gasification;pyrolysis;waste disposal;biomass carbon;pyrolysis reactor

X38；S572

A

1674－0912（2016）10－0041－04

付兵（1974－），男，云南昭通人，大專學(xué)歷，助理工程師，專業(yè)方向：工業(yè)電氣自動化控制。

（2016－09－12）