外加熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解設(shè)備燃?xì)鈨艋到y(tǒng)的研究

摘 要：生物質(zhì)連續(xù)熱解是清潔能源產(chǎn)能的復(fù)雜熱化學(xué)，基于生物炭化熱解，對(duì)其內(nèi)部的纖維、木質(zhì)素進(jìn)行分解，從中結(jié)合相應(yīng)設(shè)備與材料，產(chǎn)生熱解氣焦油和木醋液等副產(chǎn)物。生物質(zhì)能熱解一般按照加熱方式分為外熱式、內(nèi)熱式和自燃式3種，文章基于外加熱式生物質(zhì)熱解炭化工藝展開論述，探討相關(guān)設(shè)備的工藝特點(diǎn)和粗燃?xì)饨M分特征，分析相關(guān)技術(shù)，以供參考。

關(guān)鍵詞：外加熱;生物質(zhì)能;熱解;燃?xì)鈨艋?/p>

外熱式生物質(zhì)熱解的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)加熱過程的溫度可操控，能夠根據(jù)生物質(zhì)量和規(guī)格調(diào)節(jié)相應(yīng)的適應(yīng)性溫度，利于操作，缺點(diǎn)則表現(xiàn)為能耗較大，熱效率與其他加熱方式相比較較差。外熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解設(shè)備一般采用流動(dòng)的高溫?zé)釟怏w或電熱絲通過炭化室間接加熱，因此，在加熱技術(shù)工藝流程環(huán)節(jié)上必須注重能耗和效率的平衡，對(duì)溫度的控制必須要精確把控。生物質(zhì)熱裂解（又稱熱解或裂解），其意義為在無氧或低氧環(huán)境下，生物質(zhì)被加熱升溫引起分子分解產(chǎn)生生物炭、生物油和不可冷凝氣體產(chǎn)物的過程，是生物質(zhì)綜合開發(fā)利用的重要形式之一，也是我國(guó)清潔能源組成的重要部分。外熱式加熱方案相比較內(nèi)熱和自然來說換熱效率較差，內(nèi)熱式加熱是通過將熱氣體直接通過底部通入，與燃燒物原料接觸面較大，受熱均勻，溫度一般在460-550℃左右，直接加熱效率較高[1]。自燃式炭化技術(shù)是直接在炭化室通過自然的方式內(nèi)部加熱，換熱效率最高，能耗最少，熱損失率低，從成本方面來說具有很大優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)炭化工藝的細(xì)節(jié)參數(shù)以及相關(guān)設(shè)備指標(biāo)要求較高，操作難度大，諸如進(jìn)風(fēng)量與爐內(nèi)壓力的控制必須要重點(diǎn)管控。

1 外加熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解燃?xì)鈨艋蛛x工藝概述

外加熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化工藝過程分為連續(xù)熱解和熱解氣凈化分離2部分，連續(xù)熱解工藝主要包括密封進(jìn)料、均勻布料、連續(xù)熱解、保溫炭化等工段。熱解氣凈化分離工藝主要包括除塵、多級(jí)組合冷凝、洗氣等[2]。

1.1 密封進(jìn)料

密封進(jìn)料是指在盡量避免攜帶空氣的情況下，將生物質(zhì)原料從進(jìn)料倉密封送入熱解反應(yīng)器內(nèi)。針對(duì)空氣富氧化問題進(jìn)行處理，在操作前進(jìn)行預(yù)處理，空氣富氧化處理和氧氣制取方法分為物理法和化學(xué)法，常用的方法為物理制氧，以空氣為加工原料，通過相關(guān)處理方法脫氮制氧，包括深冷法、變壓吸附法、膜分離法以及組合處理法。以變壓吸附法為例，使用人工合成的具有篩選分子作用的水合硅鋁酸鹽（泡沸石）或天然沸石對(duì)空氣中的氧、氮進(jìn)行分離提取，效率高、流程快、成本低、能耗少，操作靈活，并且可以對(duì)產(chǎn)量和純度能夠進(jìn)行調(diào)和控制，在中小型用氧場(chǎng)合應(yīng)用成效較好，在外熱式加熱中能夠提供較好儲(chǔ)備。

1.2 均勻布料

均勻布料是指盡可能均勻地將物料由料斗推送至熱解反應(yīng)器內(nèi)，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)作，根據(jù)物料粒徑或品種，需要不同的布料方案以及傳遞進(jìn)料方式。同時(shí)還要確保布料中沒有粉塵。粉塵會(huì)影響外熱式加熱的換熱效率和燃燒時(shí)間，因此，外熱式熱解還要重視脫除粉塵環(huán)節(jié)，根據(jù)粉塵種類和成分選擇相應(yīng)的技術(shù)，比如濕式除塵、靜電除塵、袋式除塵等。但視除塵量和除塵效率，常用的還是機(jī)械除塵技術(shù)，處理直徑正常，非纖維、非粘性的干燥粉塵。

1.3 連續(xù)熱解

連續(xù)熱解是設(shè)備工作和工藝進(jìn)程的核心階段，物料在熱解回轉(zhuǎn)筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)推進(jìn)，采取外加熱的換熱方法，多級(jí)旋流梯級(jí)換熱的導(dǎo)熱系統(tǒng)，經(jīng)歷烘干脫水和分裂熱解2個(gè)階段，反應(yīng)溫度的調(diào)控、熱解時(shí)間的長(zhǎng)短、換熱效率的高低對(duì)生物炭的得率和品質(zhì)均有較大影響[3]。

1.4 燃?xì)馓豳|(zhì)

指將燃?xì)庵械腃O2，與H2通過甲烷化合成提升其熱值的工藝過程。甲烷化技術(shù)過程是一個(gè)強(qiáng)放熱過程，反應(yīng)溫度為250～600℃，控制反應(yīng)溫度和回收反應(yīng)熱量是該工序的技術(shù)關(guān)鍵。盡管生物質(zhì)熱解氣中無機(jī)硫和有機(jī)硫含量較低，但少量硫即可導(dǎo)致催化劑永久性中毒失去活性，因此在燃?xì)饧淄榛幚砬斑M(jìn)行了脫硫處理[4]。

1.5 保溫炭化

保溫炭化該階段處于連續(xù)熱解和冷卻出炭之間，是指生物炭在熱解反應(yīng)后繼續(xù)保溫熟化一段時(shí)間，完全反應(yīng)后再進(jìn)入到冷卻出炭部分。該緩沖階段能夠使生物炭始終保持在較為恒定的溫度，避免因溫度驟降而導(dǎo)致熱解油附著在生物炭上。適時(shí)降低溫度后，避免由于高溫接觸空氣加上自身可燃性質(zhì)引起自燃情況，因此，在保溫炭化后需要進(jìn)行降溫冷卻，在取出時(shí)要保持密封狀態(tài)，減少與外部接觸，保證炭品質(zhì)量和裝置設(shè)備安全性[5]。

2 外熱式生物質(zhì)熱解設(shè)備燃?xì)鈨艋蛛x輔助性關(guān)鍵技術(shù)

熱解粗燃?xì)鈪f(xié)同分離與多級(jí)凈化處理技術(shù)工藝環(huán)節(jié)多，除每個(gè)工藝環(huán)節(jié)涉及的具體工藝技術(shù)外，外加熱熱解工藝系統(tǒng)中還涉及以下輔助性關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 安全預(yù)警與防爆技術(shù)

熱解氣作為可燃?xì)怏w，雖然高溫過熱或供氧量問題導(dǎo)致的爆炸風(fēng)險(xiǎn)相比較自燃式熱解工藝較小，但是由于加熱方式的差異，自燃式加熱的自燃區(qū)與燃?xì)夤艿老嗷ミB通，進(jìn)風(fēng)和爐內(nèi)壓力控制一旦出現(xiàn)問題，就會(huì)使得內(nèi)部氧氣燃燒不充分，產(chǎn)生爆炸。而外熱式對(duì)于溫度的控制可以適時(shí)調(diào)節(jié)，發(fā)生爆炸的概率較低，在防范措施方面要更重視安全預(yù)警工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱解加熱狀態(tài)，明確裝置中的氧氣量變化，對(duì)燃?xì)鉁囟取?chǔ)氣裝置壓力、燃燒加熱時(shí)長(zhǎng)以及換熱效率重點(diǎn)關(guān)注，加以防范[6]。

2.2 污染物脫除與減排技術(shù)

木焦油、木醋液和分離出的有害氣體直接排出或泄露均會(huì)對(duì)環(huán)境造成重大負(fù)面影響。并且外加熱熱解也要確保熱煙氣的純度以及間接加熱的炭化室內(nèi)是否存在煙塵、粉塵等雜質(zhì)影響熱解效率。污染物脫除與減排是提高生物質(zhì)熱解生產(chǎn)系統(tǒng)綜合效益的關(guān)鍵要素之一，相關(guān)措施包括系統(tǒng)的氣密性設(shè)計(jì)、凈化分離后廢氣處理技術(shù)、木醋液與木焦油封存技術(shù)等。

2.3 智能監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)

可靠的智能監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)是生產(chǎn)系統(tǒng)安全.高效運(yùn)行的重要保障，生產(chǎn)系統(tǒng)工況監(jiān)測(cè)、安全預(yù)警和各功能單元協(xié)調(diào)運(yùn)行均需智能監(jiān)測(cè)與控制作為技術(shù)支撐。智能監(jiān)測(cè)與控制主要涉及熱解反應(yīng)室進(jìn)風(fēng)（氧）量監(jiān)測(cè)與控制、反應(yīng)室負(fù)壓監(jiān)測(cè)與控制、燃?xì)饨M分在線監(jiān)測(cè)、設(shè)備各功能單元有序控制等技術(shù)問題。

3 結(jié)語

綜上所述，文章主要探討外熱式熱解技術(shù)工藝特點(diǎn)和熱解粗燃?xì)饧庸ぬ幚砑夹g(shù)，考慮到熱解技術(shù)的復(fù)雜工藝，對(duì)于燃?xì)獾姆蛛x凈化需要在熱解各個(gè)環(huán)節(jié)加以重視，具體技術(shù)拗口空氣密封進(jìn)料、均勻布料、連續(xù)熱解、保溫炭化等。燃?xì)鈪f(xié)同分離與多級(jí)凈化技術(shù)工藝系統(tǒng)涉及多個(gè)工藝環(huán)節(jié)，保障系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，除集成各工藝環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的具體技術(shù)外，還須配套多項(xiàng)輔助性關(guān)鍵技術(shù)，主要包括安全預(yù)警與防爆技術(shù)、污染物脫除與減排技術(shù)、智能監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)等。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘭珊，趙立欣，姚宗路，等.外加熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解設(shè)備燃?xì)鈨艋到y(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代化工，2018，38（5）：173-176.

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[5]胡二峰，趙立欣，吳娟，等.生物質(zhì)熱解影響因素及技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（14）：212-220.

[6]叢宏斌，趙立欣，姚宗路，等.內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備的研制[J].太陽能學(xué)報(bào)，2014，35（8）：1529-1535.

作者簡(jiǎn)介：

郭鳳明（1984- ），男，漢族，籍貫：山東省臨沂市平邑縣，大學(xué)本科，中級(jí)工程師，研究方向：煉焦化工機(jī)械設(shè)備。