一種用于替代煤的生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)

王坤，楊玖林，仇學(xué)偉，紀(jì)賢瑞

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

根據(jù)國(guó)家部署，“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期，要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，要實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域減污降碳行動(dòng)，加快推廣應(yīng)用減污降碳技術(shù)，完善能源“雙控”制度。

煤炭在我國(guó)能源消耗中占據(jù)著主導(dǎo)地位，也是碳排放的主要來(lái)源，尋找一種性能類(lèi)似的清潔能源，作為煤炭代替品，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰具有重要意義。生物質(zhì)資源是自然界中唯一的一種可再生碳資源，采用生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭（一種品質(zhì)非常接近原煤的清潔燃料），可用于替代化石能源使用在各大行業(yè)中，本文將對(duì)該種技術(shù)進(jìn)行探究。

2 熱解炭化過(guò)程

生物質(zhì)熱解炭化過(guò)程是生物質(zhì)在缺氧狀態(tài)下，發(fā)生熱化轉(zhuǎn)化形成可燃?xì)怏w、液態(tài)生物油以及固體炭3 類(lèi)產(chǎn)物的反應(yīng)。

生物質(zhì)在熱解炭化前需要先經(jīng)過(guò)破碎，形成粒徑1~3 cm的顆粒狀，通過(guò)進(jìn)料裝置連續(xù)送入炭化爐內(nèi)，生物質(zhì)在炭化爐內(nèi)吸收熱量，水分首先蒸發(fā)逸出，生物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)變。然后是揮發(fā)分炭化階段，生物質(zhì)繼續(xù)吸收熱量到200 ℃左右，有機(jī)質(zhì)揮發(fā)分逐漸揮發(fā)，材料內(nèi)部炭化反應(yīng)開(kāi)始，揮發(fā)分炭化產(chǎn)物氣態(tài)可燃物在缺氧條件下，有少量發(fā)生燃燒，且這種燃燒為靜態(tài)滲透式擴(kuò)散燃燒，可逐層為物料提供熱量持續(xù)炭化。最后是全面炭化階段，這個(gè)階段溫度在300～550 ℃，物料在急劇熱分解的同時(shí)產(chǎn)生木焦油、木醋液等液體產(chǎn)物和甲烷、乙烯等可燃?xì)怏w，隨著大部分揮發(fā)分的分離析出，最終剩下的固體產(chǎn)物就是由碳和灰分所組成的焦炭[1]。

3 生物質(zhì)熱解炭化反應(yīng)特點(diǎn)

由于生物質(zhì)的炭化程度決定了生物炭的產(chǎn)量和熱值，而溫度與時(shí)間又是決定生物質(zhì)炭化程度的主要因素，所以想要得到盡可能多的高熱值生物炭，則對(duì)于溫度和炭化時(shí)間的控制要求很高。同時(shí)，為了降低能耗，整個(gè)炭化過(guò)程要求不依靠外部熱源就能夠持續(xù)進(jìn)行，這就要求對(duì)生物質(zhì)的產(chǎn)炭比控制在一個(gè)準(zhǔn)確的范圍。

實(shí)踐證明，生物質(zhì)熱解的速度越快，產(chǎn)生炭的比例越低。因?yàn)橐非笞畲螽a(chǎn)炭量，所以炭化過(guò)程一般選用慢速熱解，故熱解炭化工藝特點(diǎn)可概括為以下3 點(diǎn)：（1）較慢的升溫速度，一般在30 ℃/min 以?xún)?nèi)。實(shí)驗(yàn)研究表明，相對(duì)于快速加熱方式，慢速加熱方式可使炭的產(chǎn)率提高5.6%左右。（2）較低的熱解終溫，500 ℃以?xún)?nèi)的熱解終溫有利于生物炭的產(chǎn)生和保證良好的品質(zhì)。（3）較長(zhǎng)的氣體滯留時(shí)間[1]。

4 熱解炭化系統(tǒng)組成

熱解生產(chǎn)線主要由上料系統(tǒng)、原料預(yù)熱系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、連續(xù)熱解系統(tǒng)、出料系統(tǒng)等組成。

4.1 上料系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)炭化系統(tǒng)的連續(xù)生產(chǎn)，一般系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一套連續(xù)上料系統(tǒng)，上料系統(tǒng)一般采用皮帶輸送。原材料在原料車(chē)間內(nèi)通過(guò)破碎機(jī)破碎，破碎后的原料通過(guò)皮帶輸送至接料倉(cāng)內(nèi)，接料倉(cāng)具有滿足生產(chǎn)線一定時(shí)間內(nèi)對(duì)原材料的儲(chǔ)存的作用。接料倉(cāng)內(nèi)的原材料通過(guò)輸送設(shè)備連續(xù)輸送至原材料預(yù)加熱裝置內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱。

對(duì)進(jìn)入熱解生產(chǎn)線的原材料一般要求尺寸≤30 mm，不含金屬、石塊等硬質(zhì)雜質(zhì)。

4.2 原料預(yù)熱系統(tǒng)

生物質(zhì)原料由于具有較高的水分，會(huì)影響熱解炭化效果，所以在進(jìn)入炭化爐前，要先對(duì)其進(jìn)行烘干，這樣也能增加余熱的利用。

原材料的烘干通過(guò)熱煙氣進(jìn)行烘干，烘干熱源包括兩部分，一部分為連續(xù)熱解器殼側(cè)外排的煙氣，煙氣溫度為400 ℃，另一部分為熱解爐反應(yīng)生成的可燃?xì)馔ㄟ^(guò)熱風(fēng)爐燃燒后產(chǎn)生的熱煙氣，該部分熱煙氣溫度為850 ℃。這兩部分煙氣再通過(guò)一個(gè)混風(fēng)裝置，與冷風(fēng)混合后，混合成250 ℃中低溫?zé)煔夂?，進(jìn)入烘干機(jī)進(jìn)行烘干，烘干采用直接接觸換熱，煙氣將熱量傳導(dǎo)給低溫介質(zhì)，將原材料中的水分蒸出。降低水分后的原材料輸送至進(jìn)料系統(tǒng)。

4.3 進(jìn)料系統(tǒng)

經(jīng)預(yù)熱脫水后的原材料，經(jīng)進(jìn)料系統(tǒng)“熱氣密工藝”連續(xù)且穩(wěn)定地進(jìn)入連續(xù)熱解器內(nèi)。

進(jìn)料系統(tǒng)采用熱氣密技術(shù)，動(dòng)態(tài)密封是實(shí)現(xiàn)工業(yè)連續(xù)化裂解的關(guān)鍵技術(shù)之一，即保證物料連續(xù)進(jìn)入熱解器及固體產(chǎn)物連續(xù)導(dǎo)出熱解器的同時(shí)，防止空氣進(jìn)入熱解器及熱解器內(nèi)的油氣泄露，以實(shí)現(xiàn)物料在無(wú)氧或貧氧條件下，安全、穩(wěn)定、連續(xù)裂解。進(jìn)料設(shè)備設(shè)計(jì)采用“工藝+結(jié)構(gòu)+物料”相結(jié)合的專(zhuān)有密封技術(shù)，控制工作壓力始終穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線連續(xù)進(jìn)出料下的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)密封[2]。

4.4 供熱系統(tǒng)

供熱系統(tǒng)由混風(fēng)裝置和煙氣循環(huán)利用的熱循環(huán)系統(tǒng)組成。熱解器產(chǎn)生的可燃?xì)?，在通過(guò)熱風(fēng)爐的燃燒后，產(chǎn)生850℃的高溫?zé)煔?，煙氣通過(guò)混風(fēng)裝置，和400 ℃的循環(huán)煙氣混合，形成600 ℃的高溫?zé)煔?，該煙氣進(jìn)入連續(xù)熱解器進(jìn)行供熱，維持熱解反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，通過(guò)熱解器換熱后，煙氣溫度被降為400 ℃后排出熱解器，該部分煙氣分兩個(gè)去向，一部分供到上述所說(shuō)的再循環(huán)系統(tǒng)，與850 ℃煙氣混合形成600 ℃高溫?zé)煔饫^續(xù)供熱，另一部分去到烘干機(jī)給原料烘干。

熱解生產(chǎn)線正常運(yùn)行使用的燃料為熱解產(chǎn)生的可燃?xì)?。熱解生產(chǎn)線啟動(dòng)時(shí)或可燃?xì)夤?yīng)不足時(shí)使用輔助燃料，輔助燃料使用柴油。

4.5 連續(xù)熱解系統(tǒng)

連續(xù)熱解系統(tǒng)由連續(xù)熱解器、清灰機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成。原材料在常壓、無(wú)氧（或貧氧）條件下在熱解器內(nèi)進(jìn)行熱解反應(yīng)，得到熱解氣態(tài)產(chǎn)物與固體產(chǎn)物生物炭。

專(zhuān)有的“工藝+結(jié)構(gòu)+物料”相結(jié)合的熱氣密技術(shù)，確保物料連續(xù)進(jìn)入裂解器，固體產(chǎn)物連續(xù)輸出裂解器過(guò)程中，杜絕空氣進(jìn)入連續(xù)裂解器，同時(shí)避免連續(xù)裂解器內(nèi)的氣體泄漏到大氣中，實(shí)現(xiàn)裂解器在無(wú)氧/貧氧狀態(tài)下連續(xù)工作。

分段控溫技術(shù)、熱均布技術(shù)等專(zhuān)有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煙氣按需要為裂解反應(yīng)提供穩(wěn)定的供熱條件，實(shí)現(xiàn)了物料均勻受熱。

4.6 出料系統(tǒng)

從連續(xù)熱解器導(dǎo)出的高溫固體產(chǎn)物生物炭經(jīng)過(guò)冷卻降至安全溫度后通過(guò)刮板機(jī)和斗提輸送至成品庫(kù)。

生物炭冷卻利用滾筒冷渣機(jī)，采用雙冷卻系統(tǒng)，保證生物炭在與空氣接觸前冷卻到低于40 ℃。

滾筒式冷渣機(jī)由進(jìn)料裝置、筒體組件、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等組成，其中主要系統(tǒng)的構(gòu)成情況如下。

1）進(jìn)料裝置：由進(jìn)料口、進(jìn)料管、進(jìn)料箱體、封料裝置等組成，熱解系統(tǒng)高溫生物質(zhì)炭物料通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入滾筒內(nèi)部，進(jìn)料箱體設(shè)有負(fù)壓風(fēng)口，封料裝置通過(guò)反螺旋密封防止物料漏出。

2）筒體組件：由內(nèi)筒、外簡(jiǎn)套裝一起構(gòu)成，并與熱膨脹節(jié)、旋轉(zhuǎn)接頭、回水管形成封閉水腔。內(nèi)筒內(nèi)壁焊有呈螺旋狀分布的螺旋導(dǎo)流葉片及縱向葉片，能將生物炭的熱量通過(guò)傳導(dǎo)傳遞到循環(huán)冷卻水中[3]。

3）所述的出料裝置由出口密封罩、出料口等組成。

4）冷卻系統(tǒng)：由旋轉(zhuǎn)接頭、筒口進(jìn)出水管、筒體冷卻水腔等組成，作用是將生物質(zhì)炭的熱量吸走，快速降低生物質(zhì)炭溫度。冷卻部分分為冷卻水和冷卻液兩部分，冷卻水通過(guò)管道輸送至冷卻塔降溫，冷卻液采用冷水機(jī)制冷，溫度約10~15 ℃，通過(guò)冷水機(jī)自循環(huán)。配置冷卻系統(tǒng)溫度和壓力檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在物料出口設(shè)備上配置在線紅外測(cè)溫裝置，實(shí)時(shí)檢測(cè)物料溫度。為防止冷卻系統(tǒng)故障燈原因造成冷卻不徹底，位于下級(jí)刮板式輸送機(jī)上設(shè)備配置冷卻水套和應(yīng)急噴水裝置，確保安全。

5）防護(hù)系統(tǒng)：主要由防護(hù)網(wǎng)、警示標(biāo)示、急停裝置等組成，作用是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全，防止安全事故的發(fā)生。

冷卻機(jī)的工作原理是將熱解系統(tǒng)高溫生物質(zhì)炭物料通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入滾筒內(nèi)部，內(nèi)筒內(nèi)壁螺旋分布的螺旋葉片和縱向葉片，將生物質(zhì)炭熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等方式傳遞到循環(huán)冷卻水中[4]，通過(guò)循環(huán)的冷卻水和冷卻液將生物質(zhì)炭溫度降至設(shè)計(jì)溫度后，通過(guò)出料裝置進(jìn)入下一道工序。

連續(xù)熱解工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 連續(xù)熱解工藝流程圖

5 存在的問(wèn)題

1）生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)，目前主要應(yīng)用于生產(chǎn)活性炭、高端燒烤炭等高附加值產(chǎn)品方向，而用于煤炭替代方向，國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。存在的問(wèn)題主要是生產(chǎn)成本過(guò)高，對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，成本高于煤炭市場(chǎng)價(jià)格過(guò)多，這無(wú)疑是難以接受的，所以如何降低成本，成了該行業(yè)能否發(fā)展起來(lái)的重中之重。

2）目前生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)，還主要應(yīng)用于小規(guī)模生產(chǎn)中，單條線生物質(zhì)處理量很難突破5 t/h，如果想要大規(guī)模實(shí)現(xiàn)煤炭替代，尤其是要在重點(diǎn)領(lǐng)域普及，需要將單線規(guī)模做進(jìn)一步提升。

6 結(jié)論

1）利用生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)生產(chǎn)煤炭替代品，目前已完成了試驗(yàn)階段，獲得的生物炭各項(xiàng)指標(biāo)接近原煤，證明該技術(shù)是可行的。

2）想要普及生物炭作為煤炭替代品，目前主要難題在于如何降低生產(chǎn)成本和擴(kuò)大單線規(guī)模，而生產(chǎn)成本中，原料成本占據(jù)主要成分，所以如何能夠讓生物炭替代煤炭被廣泛運(yùn)用，就依靠與未來(lái)機(jī)械化的快速發(fā)展，能夠使生物質(zhì)的收儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)瘸杀鞠陆怠?/p>