高效熱解型生物質(zhì)干餾爐的開發(fā)與設(shè)計(jì)

楊選民　薛少平

【摘 要】本文提出一種結(jié)合內(nèi)部原料缺氧燃燒和外部燃料充分燃燒兩種供熱手段的高效熱解型生物質(zhì)干餾爐的開發(fā)理念，可以解決生物質(zhì)熱解效率低的行業(yè)技術(shù)難題，有望對生物質(zhì)干餾生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。適合農(nóng)戶型分散式經(jīng)營，為改善農(nóng)村生活環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)民增收致富提供一種新方案。

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)；干餾爐；熱解

中圖分類號： TK6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.008

【Abstract】In this paper， a new development concept of high-efficiency pyrolytic carbonization furnace is proposed， which combines the internal raw material anoxic combustion with the external fuel full combustion. It can solve the technical problems of low biomass pyrolysis efficiency and hopefully provide theoretical basis and technical support for biomass carbonization production. It is suitable for the decentralized management of peasant households and provides a new strategy for improving the rural living environment and promoting peasants to increase their income.

【Key words】Biomass；Carbonization furnace；Pyrolysis

0 引言

生物質(zhì)干餾是指在絕氧或缺氧的環(huán)境中，加熱升溫引起生物質(zhì)內(nèi)部受熱裂解，形成固相、液相和氣相產(chǎn)物的過程[1]。它是一種最基本的熱化學(xué)反應(yīng)，也是一種極具實(shí)用價值且被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。生物質(zhì)干餾是以生產(chǎn)生物炭為主要目的的慢速熱解過程，也伴隨生成可燃?xì)夂蜕镉汀Ｉ锾恳蚱涔潭ㄌ己扛?、發(fā)熱量高，被認(rèn)為是可部分替代普通化石燃料的重要能源[2]。

在生產(chǎn)過程中，生物質(zhì)熱解炭化的加熱方式被廣泛應(yīng)用的主要有兩種。一種是內(nèi)部原料缺氧燃燒供熱，通過向反應(yīng)爐內(nèi)持續(xù)提供有限的空氣，使得生物質(zhì)燃燒形成氧化層，釋放的熱量逐層傳遞，從而發(fā)生生物質(zhì)的熱裂解反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的炭、氣、液、油多聯(lián)產(chǎn)。另外一種是外部燃料充分燃燒供熱，即原料與熱源分開，通過對反應(yīng)爐外壁進(jìn)行加熱，熱量從爐壁傳遞給原料，并在原料間由外及內(nèi)傳導(dǎo)。由于生物質(zhì)是熱傳導(dǎo)效率極低的物質(zhì)，因此，以上兩種加熱方式雖被廣泛應(yīng)用，但仍存在熱解效率低的關(guān)鍵問題，成為制約生物質(zhì)干餾產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要瓶頸。

本文提出一種結(jié)合內(nèi)部原料缺氧燃燒和外部燃料充分燃燒兩種供熱手段的高效熱解型生物質(zhì)干餾爐的開發(fā)理念，可以解決生物質(zhì)熱解效率低的行業(yè)技術(shù)難題，不僅極大縮短生產(chǎn)周期，還可有效降低能耗，有望對生物質(zhì)干餾生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 開發(fā)與設(shè)計(jì)方案

1.1 總體方案

高效熱解型生物質(zhì)干餾爐主要包括進(jìn)料系統(tǒng)、熱解系統(tǒng)、出炭系統(tǒng)和凈化儲氣系統(tǒng)（圖1）。進(jìn)料系統(tǒng)提供原料輸送功能，通過絞龍將生物質(zhì)原料輸入至料斗內(nèi)，打開進(jìn)料閘閥后，原料落入熱解反應(yīng)管和原料沉降室內(nèi)。熱解系統(tǒng)是整個裝置的核心部分，熱解反應(yīng)管在熱解系統(tǒng)的中心位置，耐火層與熱解反應(yīng)管形成的空腔是干餾爐的爐膛，耐火層的外圍是保溫層。熱解反應(yīng)管的中間位置安裝了多個進(jìn)空氣的管路，通過調(diào)節(jié)閥門可以控制進(jìn)空氣量，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料的內(nèi)部缺氧燃燒；熱解反應(yīng)管的底部位置安裝了一個環(huán)形燃燒器，可以將凈化后的熱解氣充分燃燒后實(shí)現(xiàn)外熱式加熱。出炭系統(tǒng)提供炭冷卻和出炭功能，熱解反應(yīng)管的末端通過出炭閘閥與出炭絞龍連接在一起，出炭絞龍外層循環(huán)流動著冷卻水，生物炭降至常溫后被輸送出去。凈化儲氣系統(tǒng)包含熱解氣凈化裝置、抽氣風(fēng)機(jī)及儲氣罐，提供熱解氣的冷卻、除塵、脫焦及儲存功能。

1.2 使用方法

生物質(zhì)干餾爐啟動時，關(guān)閉出炭閘閥，打開進(jìn)料閘閥，通過進(jìn)料絞龍將生物質(zhì)原料填滿原料沉降室和熱解反應(yīng)管，完成填料后關(guān)閉進(jìn)料閘閥。將儲氣罐中的熱解氣與空氣混合后從燃?xì)膺M(jìn)口引入環(huán)形燃燒器內(nèi)燃燒，從而實(shí)現(xiàn)對熱解反應(yīng)管外壁的加熱。打開抽氣風(fēng)機(jī)和進(jìn)空氣管路的閥門，將熱解反應(yīng)管內(nèi)生物質(zhì)原料引燃，緩慢調(diào)節(jié)進(jìn)空氣量，使得熱解反應(yīng)管內(nèi)部原料發(fā)生缺氧燃燒。生物質(zhì)原料炭化過程中，高溫?zé)峤鉄煔庥蔁峤鈿獬隹谝莩?，在熱解氣凈化裝置處去除固體顆粒及灰塵，同時被快速冷卻脫除焦油，在抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的作用下輸送至儲氣罐內(nèi)。生物質(zhì)原料炭化完全后，打開出炭閘閥和出炭絞龍，生物炭在與冷卻水的熱交換下被緩慢移出。出炭完畢后，關(guān)閉出炭閘閥和出炭絞龍，打開進(jìn)料閘閥與進(jìn)料絞龍，重新進(jìn)行下一批的生產(chǎn)，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料的高效熱解炭化。

2 結(jié)束語

本文提出了一種高效熱解型生物質(zhì)干餾爐的開發(fā)思路，成本低易操作，適合農(nóng)戶型分散式經(jīng)營，可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢棄資源的快速轉(zhuǎn)換與利用，不僅避免環(huán)境污染，還能變廢為寶，延長農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條，為改善農(nóng)村生活環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)民增收致富提供一種新方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙立欣，賈吉秀，姚宗路，等.生物質(zhì)連續(xù)式分段熱解炭化設(shè)備研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（8）：221-226.

[2]Thakkar J，Kumar A，Ghatora S，et al.Energy balance and greenhouse gas emissions from the production and sequestration of charcoal from agricultural residues[J].Renewable Energy，2016， 94：558-567.