水氣雙向分離式生物質(zhì)連續(xù)熱解中試設(shè)備研制

于炳馳， 孟海波， 秦 超， 邢浩翰， 葉炳南， 李慶達(dá)， 叢宏斌， 胡 軍

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125）

0 引言

生物質(zhì)熱解技術(shù)是指將生物質(zhì)原料置于無氧或少氧環(huán)境中升溫加熱，通過制造高溫、缺氧環(huán)境來使原料中的大分子物質(zhì)分解，進(jìn)而形成生物炭、生物油和熱解氣的過程[1-3]。生物質(zhì)熱解技術(shù)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一是由于生物質(zhì)熱解技術(shù)在反應(yīng)過程中保持無氧或少氧狀態(tài)，原料幾乎不會(huì)燃燒，可以減少二氧化碳及有害氣體的產(chǎn)生，是一種綠色環(huán)保的農(nóng)業(yè)廢棄物處理技術(shù)[4]。二是生物質(zhì)熱解技術(shù)可以將秸稈、稻殼等農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物炭、木醋液及可燃?xì)獾染哂懈吒郊又档漠a(chǎn)品[5]。生物質(zhì)熱解技術(shù)不僅可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用，還可以提高生物質(zhì)資源的利用價(jià)值，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有較高的應(yīng)用價(jià)值及較好的推廣前景。

近年來，國內(nèi)眾多科研單位和高校開發(fā)出了各種類型的熱解反應(yīng)裝置。叢宏斌等[6]基于內(nèi)源加熱及分段熱解技術(shù)開發(fā)了內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化中試設(shè)備。王娜娜等[7]設(shè)計(jì)了移動(dòng)式生物質(zhì)快速熱裂解裝置，該設(shè)備處理原料以松木屑為主，在林區(qū)進(jìn)行作業(yè)。蔣恩臣等[8]以變距螺旋輸料器為核心設(shè)計(jì)了一種生物質(zhì)熱解反應(yīng)裝置。叢宏斌等[9]開發(fā)了一套生物質(zhì)連續(xù)熱解炭氣油多聯(lián)產(chǎn)中試系統(tǒng)。但目前已有的熱解設(shè)備普遍存在熱解氣中水分含量高及設(shè)備密封性差等問題。

課題組根據(jù)農(nóng)業(yè)廢棄物原料特征及熱解產(chǎn)物特點(diǎn)，提出水氣雙向分離熱解工藝方案，開發(fā)水氣雙向分離式生物質(zhì)連續(xù)熱解中試設(shè)備，對水氣雙向分離熱解反應(yīng)器、進(jìn)料裝置及冷卻出炭裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以玉米秸稈為原料對設(shè)備進(jìn)行連續(xù)熱解試驗(yàn)，以期為設(shè)備示范應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。

1 工藝方案與設(shè)備組成

1.1 工藝方案

工藝方案由熱解和熱解氣處理兩個(gè)部分組成，如圖1 所示。熱解包括密封進(jìn)料、內(nèi)筒烘焙、外筒熱解、固氣分離、冷卻出炭；熱解氣處理包括熱解氣燃燒、回流供熱、余熱利用、凈化除塵。

圖1 水氣雙向分離連續(xù)熱解工藝方案Fig. 1 Technology route of two-way separation of water and gas based on continuous pyrolysis

（1）密封進(jìn)料。由于熱解要在無氧或少氧環(huán)境中進(jìn)行，因此在物料從料倉輸送至熱解反應(yīng)器的過程中，要盡量防止空氣進(jìn)入[10]。此外，進(jìn)料器中還應(yīng)始終保持有一定高度的物料，用料封來加強(qiáng)設(shè)備密封性。

（2）內(nèi)筒烘焙。物料首先進(jìn)入內(nèi)筒，在螺旋抄板的作用下前進(jìn)并進(jìn)行烘焙。在此階段，物料中含有的水分及易揮發(fā)物質(zhì)析出形成烘焙氣[11]。其中，水蒸氣在第1 窯頭罩中冷凝，通過下方的排水口排出，剩余氣體通過第1 窯頭罩的排氣口進(jìn)入燃燒室。

（3）外筒熱解。物料在內(nèi)筒中運(yùn)行至末端時(shí)掉落到外筒中進(jìn)行熱解，生成的生物炭在螺旋抄板的作用下沿著與進(jìn)料方向相反的方向進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)到第2 窯頭罩的排炭口時(shí)排出，生成的熱解氣從排氣口排出進(jìn)入燃燒室中。

（4）高溫?zé)峤鈿庵比肌８邷責(zé)峤鈿庵饕蒀O、CH4、H2等燃?xì)饧拔蠢淠褂徒M成，焦油在燃燒室中與熱解氣一同燃燒，燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔饪蔀樵O(shè)備熱解提供所需熱量，多余部分進(jìn)入余熱鍋爐[12-14]。

（5）回流供熱與余熱利用。將熱解氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣亓鞯礁邷責(zé)煔馓淄仓校瑸樵O(shè)備提供熱解所需熱量，以此達(dá)到減少外部能源消耗的目的，多余部分進(jìn)入余熱鍋爐[15]。

（6）凈化除雜。經(jīng)過熱量利用后的氣體還含有少量的灰塵、焦油及其他雜質(zhì)，因此還需要經(jīng)過冷卻、除塵等工序才能排出[16]。

（7）冷卻出炭。設(shè)備生成的生物炭溫度很高，直接排出有自燃的風(fēng)險(xiǎn)，因此在出炭之前需要進(jìn)行冷卻。由于出炭裝置與外界直接連通，因此需要保證出炭裝置具有良好密封性，以防止空氣進(jìn)入熱解反應(yīng)器中。

1.2 設(shè)備組成

水氣雙向分離式生物質(zhì)連續(xù)熱解中試設(shè)備主要由進(jìn)料裝置、熱解反應(yīng)器、燃燒室、氣體凈化裝置及冷卻出炭裝置組成，如圖2 所示。

圖2 水氣雙向分離式生物質(zhì)連續(xù)熱解設(shè)備組成Fig. 2 Composition of two-way separation of water and gas equipment based on biomass continuous pyrolysis

設(shè)備作業(yè)時(shí)，物料通過進(jìn)料裝置進(jìn)入熱解反應(yīng)器內(nèi)筒中，在螺旋抄板作用下進(jìn)行移動(dòng)。物料首先在內(nèi)筒中進(jìn)行烘焙，物料中的水分及易揮發(fā)物質(zhì)析出形成烘焙氣，烘焙氣中的水蒸氣冷凝后通過第1 窯頭罩的排水口排出，氣體通過排氣口進(jìn)入燃燒室中。物料運(yùn)行至內(nèi)筒末端時(shí)進(jìn)入外筒中進(jìn)行熱解，物料中的揮發(fā)分析出形成熱解氣，通過排氣口進(jìn)入燃燒室中。烘焙氣與熱解氣分別通過第1 窯頭罩的、第2 窯頭罩的排氣口進(jìn)入燃燒室中，水蒸氣冷凝后排出，實(shí)現(xiàn)水氣雙向分離，以此達(dá)到去除水蒸氣的目的。當(dāng)物料運(yùn)行至第2 窯頭罩的出炭口時(shí)進(jìn)入冷卻出炭裝置完成出炭。烘焙氣與熱解氣進(jìn)入燃燒室后形成高溫?zé)煔?，其中一部分回流到高溫?zé)煔馓淄仓袨闊峤夥磻?yīng)器提供熱量，然后通過排氣口高空排放；另一部分進(jìn)入余熱鍋爐中進(jìn)行余熱利用，通過后續(xù)的凈化裝置排出。

1.3 技術(shù)參數(shù)與性能指標(biāo)

水氣雙向分離式生物質(zhì)連續(xù)熱解中試設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)與性能指標(biāo)設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of equipment

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 水氣雙向分離式連續(xù)熱解反應(yīng)器

水氣雙向分離式連續(xù)熱解反應(yīng)器主要由內(nèi)筒、外筒、高溫?zé)煔馓淄病⒏G頭罩、傳動(dòng)裝置等組成，如圖3 所示。其中，內(nèi)筒主要是對物料進(jìn)行烘焙，在熱解前對物料進(jìn)行烘焙可有效提高生物質(zhì)燃料性能，主要體現(xiàn)在含水率、固定碳含量、能量密度和疏水性等指標(biāo)上，還可提高生物炭產(chǎn)率及熱解氣品質(zhì)。因此物料在內(nèi)筒中的停留時(shí)間應(yīng)較長，以保證物料可以充分烘焙。外筒則是對物料進(jìn)行熱解，如果物料在外筒中停留時(shí)間過短，會(huì)導(dǎo)致物料無法充分炭化；但如果停留時(shí)間過長，生物炭會(huì)被燒成灰，降低生物炭產(chǎn)率，因此物料在外筒中的停留時(shí)間應(yīng)保持在合理范圍內(nèi)。在熱解過程中，物料停留時(shí)間及受熱均勻度直接受螺旋抄板影響。

圖3 水氣雙向分離式連續(xù)熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of two-way separation of water and gas reactor based on continuous pyrolysis

螺旋抄板以課題組已授權(quán)的發(fā)明專利為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，專利號為CN107033925A，在此簡要列出設(shè)計(jì)公式[17]。

物料前進(jìn)速度為

經(jīng)計(jì)算過后，熱解反應(yīng)器參數(shù)如下。物料處理能力25 kg/h，物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均滯留時(shí)間35 min，物料堆積密度100 kg/m3，物料填充系數(shù)0.15。內(nèi)筒與外筒長度均為4 000 mm。內(nèi)筒直徑400 mm，螺旋抄板長度360 mm，高度80 mm，螺距320 mm。外筒直徑900 mm，螺旋抄板長度400 mm，高度120 mm，螺距400 mm。

2.2 密封進(jìn)料裝置

由于熱解過程需要保持無氧或少氧條件，因此設(shè)備在運(yùn)行時(shí)需要保持良好的密封狀態(tài)，而進(jìn)料裝置直接與外部連通，密封性尤為重要，且進(jìn)料裝置還要兼顧進(jìn)料的均勻性。進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由料倉、進(jìn)料膠帶、儲料倉、上下料位計(jì)、半圓進(jìn)料器及進(jìn)料螺旋組成。

圖4 密封進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of feeding device

進(jìn)料工作由進(jìn)料膠帶、半圓進(jìn)料器及上下料位計(jì)完成，進(jìn)料膠帶和半圓進(jìn)料器受上下料位計(jì)控制。具體工作過程：當(dāng)儲料倉內(nèi)的料位高度低于下料位計(jì)時(shí)，進(jìn)料膠帶啟動(dòng)，半圓進(jìn)料器開始旋轉(zhuǎn)進(jìn)料，然后由進(jìn)料螺旋將物料輸送至反應(yīng)器內(nèi)；當(dāng)料位高度高于下料位計(jì)時(shí)，半圓進(jìn)料器停止工作，并保持凹槽向下，進(jìn)料膠帶繼續(xù)進(jìn)料；當(dāng)料位高度高于上料位計(jì)時(shí)，進(jìn)料膠帶停止工作，此時(shí)物料將半圓進(jìn)料器覆蓋，防止下次進(jìn)料時(shí)外部空氣涌入，加強(qiáng)進(jìn)料裝置密封性。

2.3 密封冷卻出炭裝置

密封冷卻出炭裝置主要由儲炭箱、出炭螺旋、儲料箱、回轉(zhuǎn)筒、對輥排炭器、螺旋板、水位計(jì)、回轉(zhuǎn)支撐軸承等組成，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。其中，儲料箱為靜止段，而回轉(zhuǎn)筒為水平旋轉(zhuǎn)段，以電機(jī)為動(dòng)力、回轉(zhuǎn)軸承為支撐進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，螺旋板焊在回轉(zhuǎn)筒壁上，與回轉(zhuǎn)筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 冷卻出炭裝置結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of biochar cooling outlet device

工作時(shí)，先通過注水口注水，當(dāng)水位達(dá)到上水位計(jì)時(shí)停止注水，此時(shí)出炭口處于水封狀態(tài)。當(dāng)熱解反應(yīng)器內(nèi)的生物炭運(yùn)行至出炭口時(shí)，首先落入儲料箱中，在對輥排炭器作用下，生物炭由對輥縫隙落至螺旋板，螺旋板在回轉(zhuǎn)筒帶動(dòng)下將生物炭向下運(yùn)輸。生物炭的密度小于水的密度，但生物炭具有較強(qiáng)吸水性，在吸水后沒有外力作用時(shí)會(huì)保持懸浮狀態(tài)，在有外力作用下便會(huì)移動(dòng)。因此在螺旋板及后續(xù)生物炭的擠壓作用下，生物炭向下運(yùn)動(dòng)，最后由出炭螺旋向外輸送至儲炭箱中，完成出炭工作。當(dāng)水位低于下水位計(jì)時(shí)，外部供水裝置自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)水。采用水封不僅可以保證出炭裝置完全密封，還可以對生物炭進(jìn)行冷卻，防止生物炭遇到空氣自燃。

螺旋板設(shè)計(jì)遵照一般螺旋輸料器的設(shè)計(jì)理論，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列公式。

螺旋外徑

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，具體參數(shù)為K=0.05、ψ=0.3、C=1，當(dāng) γ=120 kg/m3時(shí)，D≥ 82.41 mm。在本裝置中，螺旋板外徑應(yīng)符合旋轉(zhuǎn)筒的錐度變化，因此最上端螺旋板直徑為425 mm，向下依次遞減，最下端為300 mm，螺距均為125 mm，轉(zhuǎn)速n=3 r/min。

3 調(diào)試運(yùn)行與設(shè)備檢測

3.1 調(diào)試運(yùn)行

基于設(shè)備設(shè)計(jì)制造和控制軟件的開發(fā)，對水氣雙向分離式生物質(zhì)連續(xù)熱解中試設(shè)備進(jìn)行了運(yùn)行調(diào)試。首先進(jìn)行冷態(tài)運(yùn)行測試，結(jié)果表明，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，進(jìn)料、出料裝置可按照預(yù)設(shè)的程序正常工作，設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)之上，對設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行測試。

3.2 設(shè)備檢測

以玉米秸稈為原料，反應(yīng)器轉(zhuǎn)速為1.8 r/min，炭化溫度650 ℃，對設(shè)備進(jìn)行連續(xù)性生產(chǎn)測試，啟動(dòng)時(shí)用柴油進(jìn)行點(diǎn)火，穩(wěn)定運(yùn)行后利用回流的熱解氣提供熱解所需的熱量，并用氣相色譜儀對熱解氣進(jìn)行組分分析。在試驗(yàn)過程中，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，密閉性良好，通過控制管路閥門的開合度及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制設(shè)備壓力，使壓力穩(wěn)定在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)。利用手持式氣體檢測儀對設(shè)備各處密閉性進(jìn)行檢測，均沒有發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

對設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試，3 次運(yùn)行時(shí)間均為1 h，得到的數(shù)據(jù)取平均值后如表2 所示。從數(shù)據(jù)可以看出，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求。

表2 設(shè)備性能指標(biāo)Tab. 2 Performance index of equipment

4 結(jié)論

采用水氣分離、熱解氣回用、余熱利用、凈化除塵等技術(shù)工藝，對水氣雙向分離熱解反應(yīng)器、進(jìn)料和冷卻出炭裝置進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，開發(fā)了水氣雙向分離式生物質(zhì)連續(xù)熱解中試設(shè)備，有效減少了熱解氣中的水分含量，提高了設(shè)備密封性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

運(yùn)行測試結(jié)果表明，水氣雙向分離式生物質(zhì)連續(xù)熱解中試設(shè)備物料處理能力27.6 kg/h，生物炭得率32.2%，熱解氣產(chǎn)率0.41 m3/kg，燃?xì)鉄嶂?5.3 MJ/m3，熱解氣含水率6.82%，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為設(shè)備示范應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。