基于棉花秸稈炭的高品質(zhì)生物質(zhì)炭化爐設(shè)計(jì)

閆樹軍，李 勇，張學(xué)禮，郝 磊，李 健

(1.西安交通工程學(xué)院，陜西 西安710065； 2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300)

0 引言

目前生物質(zhì)炭資源的開發(fā)與利用已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)，大量的農(nóng)林廢棄物以閑置、亂堆和焚燒等形式被浪費(fèi)掉，也直接或間接對(duì)環(huán)境帶來負(fù)面影響[1-3]。為了有效利用生物質(zhì)資源，各國(guó)研究者著力開發(fā)生物質(zhì)炭燃料、生物質(zhì)炭復(fù)合肥和生物質(zhì)炭吸附材料，以期提升生物質(zhì)資源的利用價(jià)值[4-5]。通過前期研究，掌握了棉稈炭化期間熱解失重規(guī)律及棉稈炭的力學(xué)和能量指標(biāo)；采用熱重法測(cè)試了不同炭化參數(shù)棉稈炭的燃燒特性；利用灰色綜合評(píng)價(jià)法對(duì)棉稈炭的多個(gè)燃燒指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，掌握棉稈炭的燃燒特性，對(duì)以棉稈為基體的生物質(zhì)炭資源的開發(fā)與利用起到一定的推動(dòng)作用[6-9]。

當(dāng)前市場(chǎng)銷售的生物質(zhì)炭化爐種類繁多，以窯式干餾炭化爐和螺旋推進(jìn)的連續(xù)炭化爐為主，這兩類炭化爐都以燃燒煤和天然氣為熱源，熱源不穩(wěn)定且溫控不夠精確導(dǎo)致炭化品質(zhì)不統(tǒng)一[10-11]。同時(shí)這兩類炭化爐設(shè)備均為大型產(chǎn)業(yè)化設(shè)備，針對(duì)高校和科研院所需要的小型炭化爐極為少見。高校和科研院所進(jìn)行炭化試驗(yàn)多以高溫電阻爐作為炭化設(shè)備，其炭化單批盛放量極為有限，升溫降溫速度過慢不利于開展試驗(yàn)。

1 炭化爐總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有炭化爐存在的不足，研究能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)出料的電熱棒快速加熱、鼓風(fēng)快速冷卻和混合多層盛放料樣的試驗(yàn)用炭化爐。

1.1總體結(jié)構(gòu)

多功能試驗(yàn)炭化爐主要由盛料部分、尾氣處理、加熱部件和機(jī)架部分4部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2工作原理

將生物質(zhì)物料加到物料箱內(nèi)，通過電機(jī)帶動(dòng)將物料添加到爐內(nèi)和盛料盤中，開啟電控箱設(shè)置溫控范圍(室溫～700 ℃)，通電加熱，到達(dá)指定溫度后開始記時(shí)，通過熱電偶反饋和保護(hù)，到達(dá)預(yù)定時(shí)間后關(guān)閉加熱管電源。加熱過程中，尾氣管排出煙氣，濃度較濃時(shí)，在尾氣出口實(shí)現(xiàn)尾氣燃燒，開啟鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)，氣流經(jīng)機(jī)殼柵格板散出；爐內(nèi)溫度降至30～50 ℃時(shí)，取出試樣。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

在炭化爐的設(shè)計(jì)過程中，主要結(jié)合空氣量、煙氣量、炭化量，以及炭化溫度設(shè)計(jì)與調(diào)控缸體組件、炭化爐機(jī)架、尾氣裝置和冷卻裝置。

2.1炭化原料選擇

新疆是我國(guó)棉花的主產(chǎn)區(qū)，每年大批量棉花秸稈粉碎后，被深翻埋入地下。為有效利用棉花秸稈，項(xiàng)目選用棉花秸稈作為原料制備棉花秸稈炭。

2.2空氣量和煙氣量

生物質(zhì)燃料需消耗氧氣，理論上1 kg生物質(zhì)原料充分燃燒所需空氣量稱為理論空氣量。1 kg秸稈充分燃燒需理論空氣量為

(1)

式中V0——1 kg原料充分燃燒所需的理論空氣量，m3kg

Car——1 kg原料中C元素含量，kg

Har——1 kg原料中H元素含量，kg

Oar——1 kg原料中O元素含量，kg

測(cè)得棉稈元素含量：Car=41.32%，Har=6.22%，Oar=40.11%，Nar=1.46%。棉稈充分燃燒所需的理論空氣量為

(2)

在實(shí)際燃燒工況中，燃料與空氣不會(huì)充分燃燒，在燃燒裝置中大部分處于富氧燃燒環(huán)境。在進(jìn)行爐灶的實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，所需空氣量V=1.4V0=5.592 m3kg

1 kg生物質(zhì)原料充分燃燒所生成的煙氣量稱為理論煙氣量。生物質(zhì)原料充分燃燒所產(chǎn)生的氣體主要包括CO2、SO2、N2和水蒸氣。

1 kg生物質(zhì)原料充分燃燒所產(chǎn)生的理論CO2的體積為

(3)

1 kg生物質(zhì)原料充分燃燒所產(chǎn)生的理論N2的體積為

(4)

1 kg生物質(zhì)原料充分燃燒所產(chǎn)生的理論水蒸氣的體積為

(5)

故，理論生物質(zhì)原料煙氣體積表達(dá)式為

(6)

棉稈所含元素含量依次為Car=41.32%，Har=6.22%，Oar=40.11，Nar=1.46%。

因此，1 kg生物質(zhì)原料充分燃燒所產(chǎn)生的理論煙氣量為

(7)

煙氣中除了有生物質(zhì)原料完全燃燒所產(chǎn)生的CO2、N2和H2O等氣體外，還有余量O2。余量空氣量ΔV1=αV0-V0

生物質(zhì)原料燃燒實(shí)際煙氣量為

=6.421 Nm3kg

(8)

2.3炭化量

因此，炭化爐炭化缸體體積

V0=KVm

式中V0——炭化缸體初估體積，m3

Vm——10 kg棉花秸稈粉末體積，m3

K——放大系數(shù)(等于含運(yùn)行時(shí)間)

考慮秸稈材料焦油排放設(shè)計(jì)、尾氣排放和物料間隙的設(shè)計(jì)要求，炭化爐缸體設(shè)計(jì)容量應(yīng)在加料體積基礎(chǔ)上加大20%，缸體工作體積Vg=1.2V0=0.419 m3，單次最大可炭化秸稈粉末52.3 kg[12]。

2.4炭化溫度設(shè)計(jì)與調(diào)控

前期基礎(chǔ)試驗(yàn)表明，棉花秸稈炭化溫度范圍300～600 ℃[8]。為了實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)調(diào)控，設(shè)備采用REX系列電子式溫控器，電壓220 V，控溫范圍0～1 300 ℃。REX系列溫度控制器采用智能PID控制，溫度控制器根據(jù)熱電偶(熱電阻)測(cè)量信號(hào)與用戶設(shè)定值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，從而發(fā)出命令讓繼電器動(dòng)作，達(dá)到自動(dòng)控制及自動(dòng)恒溫的效果。溫控器配備熱電偶，熱電偶安裝于炭化爐缸體外壁時(shí)傳感缸體溫度。為了有效測(cè)量缸體內(nèi)部溫度，在設(shè)備上端安裝雙金屬溫度儀表顯示溫度范圍，溫度顯示范圍0～600 ℃。炭化爐加熱選用5件組合2520型不銹鋼加熱管，安裝在炭化爐底部實(shí)現(xiàn)干燒環(huán)境加熱。

2.5炭化爐機(jī)架組件

炭化爐機(jī)架以角鋼組成框架支撐爐體，如圖2所示。缸體通過螺栓與支架平板連接，為確保安全防護(hù)和保溫要求，機(jī)架側(cè)面安裝厚度1.5 mm的不銹鋼柵格板4塊。炭化爐內(nèi)缸為圓筒，材質(zhì)鋼板，上下端與法蘭盤焊接，容量為0.419 m3。炭化期間，爐內(nèi)持續(xù)升溫，產(chǎn)生大量煙氣，煙氣隨管道排出，待炭化2.5 h后關(guān)閉管道閥門，缸體內(nèi)仍會(huì)產(chǎn)生少量煙氣，形成封閉干餾(內(nèi)壓)環(huán)境，經(jīng)試驗(yàn)計(jì)算內(nèi)壓為0.2 MPa，尾氣排放管道采用無縫鋼管制成。

2.6輔助裝置

2.6.1尾氣排放裝置

棉花秸稈材料加熱炭化會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，完全燃燒的煙氣量6.421 Nm3kg。棉稈材料炭化屬厭氧干餾、不完全燃燒，按照煙氣量為完全燃燒的10%計(jì)算，炭化爐單次工作煙氣量67.1 m3。按工藝煙氣耗散的時(shí)間2.5 h，單位時(shí)間煙氣量26.84 m3h或7.45×103cm3s。參考小型鍋爐設(shè)計(jì)煙氣流速，煙氣流速以1.2 ms計(jì)算，尾氣管道直徑計(jì)算公式如下[13-14]。

式中N——單位時(shí)間煙氣量，cm3s

v——煙氣流速，ms

計(jì)算得管道直徑89 mm，依照規(guī)格，選用材質(zhì)為20#鋼，外徑100 mm，內(nèi)徑92 mm，壁厚4 mm。尾氣管與上平板封頭相接，固定于機(jī)體側(cè)面。尾氣管道設(shè)置成可調(diào)節(jié)的橫管與豎管，橫管用于直接排空，豎管下端連接尾氣燃燒口。

2.6.2冷卻裝置

為了能使斷電之后的爐體快速冷卻，炭化爐選用鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)冷卻缸體，在炭化爐下機(jī)架板加裝4個(gè)成對(duì)角布置的單軸流鼓風(fēng)機(jī)。

3 自動(dòng)進(jìn)出料裝置

炭化爐自動(dòng)進(jìn)出料裝置主要是在工作過程中輔助完成自動(dòng)進(jìn)出料，適用于小型秸稈炭加工廠的工藝和相關(guān)配套，解決常用炭化爐炭化后靜置冷卻時(shí)間過長(zhǎng)的問題，能夠快速填料和卸料，極大地提高生產(chǎn)效率。

3.1總體結(jié)構(gòu)

該裝置主要是由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物料的進(jìn)出：電機(jī)正轉(zhuǎn)，膠帶傳動(dòng)，帶動(dòng)齒輪正轉(zhuǎn)，與齒條嚙合，完成進(jìn)料；電機(jī)反轉(zhuǎn)，膠帶傳動(dòng)，齒輪反轉(zhuǎn)，齒條同步完成出料。機(jī)架通過軸承連接于主軸，主軸與輪子固定，輪子在軌道上運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2關(guān)鍵部件

3.2.1物料箱

如圖4所示，物料箱主要用于盛放棒狀桿類物料，結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形殼體，前方開口方便物料的裝卸，左右兩側(cè)為焊接耳，耳分3部分，靠近箱體部分與機(jī)架接觸起支撐作用，中間部分鑲嵌齒條傳動(dòng)物料，遠(yuǎn)離箱體部分起支撐作用與炭化爐內(nèi)橫梁相接完成箱體懸空放置。

3.2.2機(jī)架

機(jī)架主要起支撐作用，放置電動(dòng)機(jī)、膠帶輪、齒輪和電機(jī)控制器等，支撐物料箱的質(zhì)量，由軸承連接安置于主軸上，并在軌道上運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2.3炭化爐主體

炭化爐由爐體、密封門、溫度控制器、燃燒器、壓力計(jì)和閥門等組成，是物料炭化發(fā)生的關(guān)鍵部件。密封門防止溫度外散，溫度控制器控制調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度，壓力計(jì)控制爐內(nèi)壓力，閥門控制可燃?xì)饬髁?。炭化爐結(jié)構(gòu)如圖6所示。

爐體外壁為耐高溫和耐磨性鋼材，里面一層由180塊耐火磚砌成溝壑狀，嵌上電爐絲提供熱量。采用干餾炭化方式，利用炭化過程的一氧化碳、甲烷和氫氣等可燃?xì)怏w，通過煙氣凈化分離出木焦油、木酸液而得到純正的可燃?xì)怏w。利用自配風(fēng)燃燒器燃燒加熱，物料進(jìn)入爐體內(nèi)部，開啟溫度控制器調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度，由高到低逐漸升溫，高溫碳化部分開啟燃燒器，利用獨(dú)立氣體回收管道回收炭化分解的可燃?xì)怏w，通過燃燒器燃燒對(duì)管道加熱，達(dá)到循環(huán)加熱炭化的效果。

該炭化爐可用于秸稈炭化，鋼制爐膽作為炭化柜，柜外有煙氣通道，最外是圓型爐殼。炭化柜上有帶有通氣管道并可轉(zhuǎn)動(dòng)的爐箅，溫度由電爐絲發(fā)熱提供，炭化產(chǎn)生的煙氣凈化生成可燃?xì)猓貭t后在爐體底部點(diǎn)燃通過加熱金屬板提供熱量，重復(fù)操作2～3 h可在無氧或缺氧條件下悶炭，通過燃燒柜內(nèi)揮發(fā)物維持溫度，燃燒氣體經(jīng)煙氣道繞經(jīng)悶炭柜爐膽壁，保持炭柜中的溫度在220～300 ℃。經(jīng)過約12 h，無揮發(fā)物排出時(shí)柜內(nèi)物料全部炭化，一般3 t物料可制成1 t木炭。炭化爐體如圖7所示。

3.2.4密封門

該裝置內(nèi)壁由耐高溫陶瓷制成，主要作用是保持爐內(nèi)的熱量防止熱量散發(fā)。密封用耐高溫和耐摩擦的金屬密封圈，外壁材質(zhì)與炭化爐相同，起支撐和固定作用，密封關(guān)鍵部位固定在內(nèi)壁上，有一塊厚度逐漸增加的半圓盤，另一側(cè)為U型擋塊，密封門圓盤在手柄作用下，慢慢轉(zhuǎn)入U(xiǎn)型擋塊，由于厚度越來越大，配合越來越緊，壓迫密封圈，達(dá)到密封效果，密封門結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2.5燃燒器

裝置燃燒器為燃?xì)馊紵?，如圖9所示。用于將炭化過程產(chǎn)生的可燃?xì)膺M(jìn)行二次利用，提高資源的利用率。

4 樣機(jī)試驗(yàn)

設(shè)備委托機(jī)械廠加工，鼓風(fēng)機(jī)置于側(cè)面，如圖10所示。利用該設(shè)備按照制炭工藝，以棉花秸稈棒和秸稈粉末為原料進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

5 結(jié)論

(1)裝置主要由自動(dòng)進(jìn)出料裝置、加熱部件、盛料部分和尾氣處理部分組成，可以按照設(shè)計(jì)要求完成相關(guān)炭化試驗(yàn)。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明：制炭成型率達(dá)93.6%，燃燒性能達(dá)標(biāo)率95.3%，單爐炭化秸稈棒和秸稈粉末達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以高效完成棉花秸稈炭化工作，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)存在的問題：炭化爐僅針對(duì)棉花秸稈和粉末實(shí)現(xiàn)炭化，對(duì)其他生物質(zhì)還需要經(jīng)過炭化試驗(yàn)改進(jìn)和優(yōu)化，增加適用性提高炭化效果。