第35卷第8期太陽能學(xué)報(bào)Vol 35. No. 82014年8月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAAug…,2014文章編號:02540096(2014)08-1529-07內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備的研制叢宏斌,趙立欣,姚宗路,孟海波,袁艷文(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100125)摘要:針對目前生物質(zhì)炭化設(shè)備生產(chǎn)率較低、能源消耗大、原料適應(yīng)性較差等問題,提出生物質(zhì)連續(xù)炭化生產(chǎn)工藝路線,采用內(nèi)加熱熱解原理,研發(fā)內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備。以生物質(zhì)顆粒燃料等為原料開展炭化試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明;設(shè)備生產(chǎn)率為108kgh,生物炭得率為31%,噸炭電耗為15kWh,各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,可實(shí)現(xiàn)生物炭的連續(xù)生產(chǎn)。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);炭化設(shè)備;壓實(shí)器;擾動器;生物炭中圖分類號:S2162;TK6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言工作原理與主要技術(shù)參數(shù)生物炭的應(yīng)用可解決農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境和氣候1.1生物質(zhì)炭化工藝流程等多方面問題,已引起國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)生物質(zhì)炭化工藝流程如圖1所示。采用花生注。其在農(nóng)業(yè)方面,可改良土壤、培肥地力;在能源殼、玉米芯和生物質(zhì)顆粒燃料等為原料生物炭生領(lǐng)域,可作為高品質(zhì)能源,燃燒效率和熱值高;在環(huán)產(chǎn)工藝流程從整體上可分為原料準(zhǔn)備物料干燥境保護(hù)方面,是一種性能優(yōu)良的吸附劑,可處理污熱解保溫炭化冷卻出料和熱解副產(chǎn)品回用等環(huán)水,凈化水質(zhì);另外還可應(yīng)用于固碳減排,減少溫室節(jié),可實(shí)現(xiàn)連續(xù)或續(xù)批作業(yè)。氣體排放。美國、加拿大澳大利亞等國家的生1)原料準(zhǔn)備:原料準(zhǔn)備是指將原料從料倉輸送物質(zhì)熱裂解設(shè)備與工藝先進(jìn),但在全球生物質(zhì)熱裂至炭化設(shè)備,以及在炭化設(shè)備內(nèi)壓實(shí)、攤平的全過解企業(yè)中,產(chǎn)品大部分以裂解氣和熱解油等生物能程。物料喂入時(shí)應(yīng)盡量減少空氣帶入量保證爐體源為主,生物炭僅為副產(chǎn)物。國內(nèi)在生物質(zhì)熱裂內(nèi)的缺氧和微負(fù)壓工作環(huán)境;物料喂入后,要將物解方面開展了大量研究:天津大學(xué)陳冠益等研發(fā)料有效壓實(shí)和攤平保證爐體內(nèi)部溫度場與流場的了生物質(zhì)流化床;上海交通大學(xué)劉榮厚等研發(fā)了穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)錐熱裂解反應(yīng)器;中科院廣州能源研究所研發(fā)2)物料干燥:物料干燥是指物料在氧化熱解了生物質(zhì)快速熱裂解循環(huán)流化床。另外,浙江大前采用熱風(fēng)干燥原理,利用氧化熱解余熱將物料學(xué)、山東理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)、烘于。此工藝過程不僅可充分利用氧化熱解余河南能源所南昌大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等單位也開熱,減少設(shè)備能耗而且有利于提高設(shè)備生產(chǎn)率,改展了相關(guān)研究。善生物炭品質(zhì)。目前,生物炭生產(chǎn)設(shè)備主要存在諸如:1)生產(chǎn)3)熱解:干燥后的物料下行至熱解區(qū),在適當(dāng)連續(xù)性差、生產(chǎn)率低;2)原料適應(yīng)性差、應(yīng)用范圍受的供氧條件下,開始劇烈氧化、緩慢燃燒生成的熱到限制;3)爐內(nèi)溫度與炭化過程控制困難,生物炭量使物料快速升溫,生物質(zhì)熱解過程開始,熱解氣品質(zhì)受限等不足。針對以上問題,本文提出生物質(zhì)和焦油隨熱空氣上行。連續(xù)炭化生產(chǎn)工藝路線,采用內(nèi)加熱原理,研發(fā)內(nèi)4)保溫炭化:保溫炭化是指未完全炭化的物料加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備在絕氧與保H中國煤化工保溫溫度一般CNMHG收稿日期:201307-18基金項(xiàng)目:公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(2013030951)通信作者:孟海波(1972-),男,博士、研究員,主要從事生物質(zhì)能源開發(fā)利用技術(shù)與政策方面的研究。 newmhb7209@163com1530太陽能學(xué)報(bào)35卷在400~550℃,保溫炭化時(shí)間一般約為1h。體、引風(fēng)口、檢測探測孔、螺旋輸送器、出料關(guān)風(fēng)器5)冷卻與出料:經(jīng)保溫炭化后產(chǎn)出的高溫生物烘干器、吊車、擾動器、爐門等組成。喂料斗通過喂炭需適當(dāng)冷卻,防止出料時(shí)生物炭與空氣接觸后燃料關(guān)風(fēng)器連接在爐蓋上,爐蓋與爐體通過水封槽連燒;此外,出料時(shí)應(yīng)采取必要措施,盡量減少空氣混接,可增加設(shè)備的密閉性。引風(fēng)口分為上、中、下3入爐體。個,引風(fēng)道分為上、中2個,上引風(fēng)口與上引風(fēng)道連6)熱解副產(chǎn)品回用:熱解副產(chǎn)品包括可燃?xì)饨?中引風(fēng)口與中引風(fēng)道連接,下引風(fēng)口直接與爐體、木焦油、木醋液等,經(jīng)凈化除塵與油水分離后,膛連接。設(shè)備最下端的出料三通、螺旋輸送器和出進(jìn)行回收利用213料關(guān)風(fēng)器組成設(shè)備的冷卻出料區(qū)。空氣一燃?xì)饣赜萌紵窘褂土呀庠O(shè)備作業(yè)時(shí),原料經(jīng)喂料斗與喂料關(guān)風(fēng)器進(jìn)入凈化分離爐膛,爐膛內(nèi)料位基本保持不變。隨著出料口不斷出炭,上層物料有序下行并逐漸被熱風(fēng)烘干,進(jìn)入熱解區(qū)后部分物料開始緩慢燃燒并迅速熱解,繼續(xù)圓科準(zhǔn)備→片一化解一堡下行在絕氧與保溫環(huán)境中繼續(xù)化,炭化完成后提供熱源提供熱源高溫生物炭在出料三通和螺旋輸送器中適當(dāng)冷卻,圖1生物質(zhì)內(nèi)加熱連續(xù)炭化生產(chǎn)工藝流程最后經(jīng)出料關(guān)風(fēng)器出炭。Fig 1 Biomass internal heating continuous carbonization13主要技術(shù)參數(shù)technology route內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)12炭化設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理如表1所示。內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所表1內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)示,主要由喂料關(guān)風(fēng)器、喂料斗、壓實(shí)器、爐蓋、爐Table 1 The main technical parameters of internal heatingcontinuous type biomass carbonization furnace技術(shù)參數(shù)參數(shù)值外形尺寸(長x寬x高)m2000×2000×8000配套動力kW14.25設(shè)備總重量kg810料準(zhǔn)備區(qū)爐體入料口內(nèi)徑/mm物料干燥區(qū)爐體出炭口內(nèi)徑/mm①500爐體最大外徑/mmd1200熱解區(qū)保溫炭化區(qū)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)21爐體與烘干器爐體是炭化設(shè)備的核心,設(shè)2個爐門、3個引風(fēng)口、2個引風(fēng)道和36個檢測進(jìn)風(fēng)口。檢測進(jìn)風(fēng)口可用于安裝溫度探頭、壓力表或進(jìn)氣閥等。如圖3所1.吊車2.喂料斗3.爐蓋4.壓實(shí)器5.爐體6烘干器7.引風(fēng)口8.擾動器9螺旋輸送器示,爐體上部為圓柱形,下部為倒圓錐形,方便與出10.出料關(guān)風(fēng)器11.爐門12.檢測進(jìn)風(fēng)孔料螺旋連接,爐膛自上而下可分為物料準(zhǔn)備區(qū)、物13.引風(fēng)道14.喂料關(guān)風(fēng)器料干燥區(qū)、熱解區(qū)和保溫炭化區(qū)。下引風(fēng)口一般不圖2內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖用于引風(fēng)中國煤化工,可打開下引風(fēng)Fg2 Schematic diagram of intemal heating continuous type口使熱風(fēng)HCNMH(炭化區(qū)的物料進(jìn)一步熟化。8期叢宏斌等:內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備的研制1531堆積密度,600kg/m;D2干燥區(qū)爐體內(nèi)徑,m;D——烘干筒外徑,m;hx—干燥區(qū)有效高度,m;熱風(fēng)干燥μ——設(shè)備生物炭得率。爐體設(shè)計(jì)內(nèi)徑為980mm,當(dāng)烘干筒內(nèi)徑與高度分別取600和1650mm時(shí),干燥區(qū)可容納顆粒燃料的總質(zhì)量為467kg。設(shè)備生物炭得率為0.33則保溫炭化區(qū)對應(yīng)的最小物料需求量為462kg,可滿足設(shè)計(jì)要求。干燥段熱量消耗量包括顆粒燃料升溫耗熱量、氧化熱解水分蒸發(fā)耗熱量、廢氣帶走的顯熱和爐體散熱,由保溫于爐體散熱所占的比重很小,可忽略不計(jì):炭化=l1+l,+l(4)l1=(q-M,)(T2-T)C(5),=M,y(6)1.引風(fēng)口2.烘干筒3.爐體4.爐箅G(T。-T(7)5.爐門6.引風(fēng)道式中,—顆粒燃料升溫耗熱量,kJh;,一水分圖3爐體與烘干筒結(jié)構(gòu)示意圖蒸發(fā)耗熱量,kJh;l一廢氣帶出顯熱,kJ/h;qFig 3 Schematic diagram of furnace body and drying cylinder干燥段的生產(chǎn)能力,462kg/h;M.—干燥段小時(shí)蒸烘干器置于爐體的物料干燥區(qū)其上部為半圓球發(fā)水量kg/h;Tm物料原始溫度,20℃;Ta顆形,下部為圓柱形,底端開口,將烘干區(qū)物料隔成薄粒燃料升溫后的最高溫度,550℃;C—顆粒燃料層利用熱風(fēng)逆流干燥原理可將物料迅速干燥“。比熱容,15kJ(kg·K);y——蒸發(fā)1kg水分耗熱為保證炭化設(shè)備連續(xù)協(xié)調(diào)工作,各工藝段生產(chǎn)量,2596k/kg;G一空氣的質(zhì)量風(fēng)量,528kgh;能力應(yīng)相匹配,其中保溫炭化區(qū)的生產(chǎn)能力為:。—廢氣排出的溫度,45℃;7大氣溫度,g=mF=12pnm(D2+Da+d)4F(1)20℃-空氣的比熱容J(kgk)。式中,q生物炭生產(chǎn)能力,kgh;F-出料頻干燥段耗熱量為一次出炭對應(yīng)的原料烘干所次,次小時(shí);m——生物炭單次出炭量kg;p按需的熱量,其中也包括熱解區(qū)物料升溫的耗熱量含水率為1%折算后的生物炭堆積密度,500gm;原料含水率按7%計(jì)算,總耗熱量為4507279D保溫炭化區(qū)錐底內(nèi)徑,m;d—保溫炭化區(qū)顆粒燃料熱值為18000d/kg,需燃燒顆粒燃料量為錐頂內(nèi)徑,m;h—保溫炭化區(qū)錐高,m。2504kg,占總原料的54%。保溫炭化區(qū)錐頂即炭化設(shè)備爐體的出炭口,需22壓實(shí)器與出料輸送螺旋連接,尺寸不宜過大,設(shè)計(jì)內(nèi)徑為壓實(shí)器有兩方面的作用,一是壓實(shí)物料,將物500mm,錐底內(nèi)徑與錐高設(shè)計(jì)值分別為860和料向下有序推送,防止搭橋起拱;二是攤平物料,保820mm,出料頻次為1次/小時(shí),設(shè)備的最大生產(chǎn)能證爐體內(nèi)穩(wěn)定的溫度場和氣流場,提供良好的炭化力為152kg/h環(huán)境。壓實(shí)器結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要由伸縮軸、彈干燥區(qū)物料儲備量應(yīng)不小于保溫炭化區(qū)物料簧、壓實(shí)葉片、壓實(shí)器電機(jī)、限位銷軸和行程開關(guān)等需求量,即:4叫(D2-D3)2組成,壓實(shí)器安裝在爐蓋上。隨著物料不斷喂入,(2)伸縮軸克服自重和彈篝強(qiáng)力上移限位銷到達(dá)行程m2≥m1(3)開關(guān)位置后中國煤化工止喂入。調(diào)式中,m干燥區(qū)物料質(zhì)量,kgD顆粒燃料節(jié)限位銷軸的CNMH9大小。太陽能學(xué)報(bào)35卷由式(8)、式(9)可知彈簧的設(shè)計(jì)彈力應(yīng)為320~570N,選用彈性系數(shù)為2×10Nm的彈簧,則伸縮喂料口軸的行程范圍為160-285mm。通過調(diào)節(jié)行程開關(guān)的位置可調(diào)節(jié)物料壓實(shí)力大小。壓實(shí)器總功率消耗為034kW,可選用055kW的配套電機(jī)。23擾動器爐蓋擾動器主要起兩方面的作用,一是破壞保溫炭化區(qū)中的物料壓實(shí)層,以減小物料層間傳熱傳質(zhì)障礙,使生物質(zhì)炭化更充分,提高生物炭品質(zhì);二是通物料準(zhǔn)備區(qū)過擾動物料,避免或減少因物料燃燒形成結(jié)渣,使1.壓實(shí)器電機(jī)2.行程開關(guān)3.限位銷軸生物炭能順暢地從三通出料口流出。擾動器主要4.伸縮軸5.彈簧6.壓實(shí)葉片由擾動器葉片、葉片軸、傳動軸和帶傳動系統(tǒng)等組圖4壓實(shí)器結(jié)構(gòu)示意圖成如圖6所示。8個擾動器葉片分層交叉安裝在葉Fig. 4 Schematic diagram of compactor片軸上,相鄰葉片的軸間距為80mm。葉片隨傳動壓實(shí)葉片共2片,厚度為4mm,安裝水平傾角軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動,傳動軸設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為12r/min為20°。壓實(shí)器轉(zhuǎn)動過程中的受力情況如圖5所示,F2為葉片壓實(shí)力的反作用力,葉片在豎直方向上對物料的壓實(shí)力和壓實(shí)器功率消耗分別為:F=F2 cos a=G,+FIP=Ma=2(F,+ F2u cos a)ro/60 (9)式中,F—設(shè)計(jì)物料壓實(shí)力,550-800N;F2葉片受到物料的作用力,N;G—伸縮軸與葉片總重量,230N;F——彈簧的作用力,F1=fx(其中,f為出炭三炭三通彈簧彈性系數(shù),20Nmm;x為彈簧壓縮量,mm),N;擾動器功耗,W;M—一擾動器主軸扭矩N·m;a—一擾動器主軸轉(zhuǎn)速,25rmin;H—物料與葉片的摩擦系數(shù),03;a—擾動器葉片安裝傾1.擾動葉片2.葉片軸3.傳動軸角,20;r—力F2作用的半徑,0.245m。4.軸承座5.帶傳動系統(tǒng)羋圖6擾動器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 6 Schematic dia3試驗(yàn)31試驗(yàn)條件與測試方法試驗(yàn)原料為玉米秸稈顆粒燃料,含水率為7%。試驗(yàn)采用隨機(jī)在線檢測的方法,取4次采樣的均值作為試驗(yàn)結(jié)果。測試時(shí)環(huán)境溫度為18℃,微風(fēng),試驗(yàn)場地周邊無大的噪聲源。圖5壓實(shí)器受力示意圖測試中國煤化工產(chǎn)率、生物炭得Fig 5 Force diagram of the compactor率、噪聲、4CNMHG出料時(shí)間間隔為8期叢宏斌等:內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備的研制1533設(shè)備純小時(shí)生產(chǎn)率計(jì)算公式為得率及生物炭品質(zhì)均會產(chǎn)生重要影響。研究不同W(1-0(10)原料和不同含水率條件下的生物質(zhì)定向炭化工藝t(1需通過大量試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐不斷探索,不斷跟蹤檢式中,Q—工作小時(shí)生產(chǎn)率,kg/h;W生物炭質(zhì)測炭化產(chǎn)物的品質(zhì),逐步調(diào)整和優(yōu)化炭化工藝參量,kg;H——生物炭含水率,%;一出炭時(shí)間間數(shù)。本文僅給出了特定條件下的設(shè)備炭化試驗(yàn)結(jié)隔,h。果,不代表所有原料的最佳炭化工藝。生物炭得率指生物炭產(chǎn)量與所需原料量的質(zhì)建立科學(xué)合理的自動控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備量比,其計(jì)算公式為炭化工藝參數(shù)準(zhǔn)確控制。本炭化設(shè)備爐體上設(shè)有W(1-H)D:100%(11)36個檢測進(jìn)風(fēng)口,用于安裝溫度探頭、電動進(jìn)風(fēng)閥空氣流量計(jì)等。系統(tǒng)釆用閉環(huán)式反饋控制機(jī)制,通式中,D—生物炭得率,%;V—一原料質(zhì)量,g;過對空氣流量計(jì)、溫度探頭等數(shù)據(jù)的采集以及對引J一原料含水率,%風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)風(fēng)閥開度的自動調(diào)整,可實(shí)現(xiàn)對爐噸炭電耗指生物炭單位產(chǎn)量所消耗的電能,其內(nèi)不同位置溫度和進(jìn)風(fēng)(氧)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測控制。計(jì)算公式為進(jìn)而達(dá)到生物質(zhì)定向炭化的工藝目標(biāo)。由于論文G.=Gn0-12%1000(1-H(12)篇幅所限控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分未作介紹。式中,C噸炭電耗,kWhC總耗電量kW,h。5結(jié)論其他指標(biāo)測試方法依據(jù)內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)1)內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備將生物質(zhì)的炭化設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)書和試驗(yàn)測試大綱。炭化過程分為物料準(zhǔn)備、物料干燥、熱解、保溫炭化32試驗(yàn)結(jié)果與分析和冷卻出炭幾個工段,采用流水式作業(yè),實(shí)現(xiàn)了生在設(shè)備正常工作狀態(tài)下,以玉米秸稈顆粒燃料物炭的連續(xù)生產(chǎn),以顆粒燃料為原料生物炭生產(chǎn)為原料對炭化設(shè)備性能進(jìn)行測試,測試時(shí)長4h,共效率達(dá)到108kgh,為生物炭的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)計(jì)出炭4次,折算后的總出炭量為432kg。設(shè)備性展提供了設(shè)備保障。能測試和計(jì)算結(jié)果如表2所示,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)2)采用內(nèi)源加熱,以原料在缺氧環(huán)境下緩慢燃計(jì)要求。以花生殼和玉米芯為原料進(jìn)行的炭化試燒產(chǎn)生的熱量為熱源,使物料熱解炭化,并利用薄驗(yàn),盡管未對生物炭的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試,但其直層逆流熱風(fēng)干燥將物料烘干,減少了輸入性能源消觀炭化效果良好,說明設(shè)備能適用于多種生物質(zhì)原耗噸炭電耗為15kWh料的炭化處理3)物料壓實(shí)器可實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)物料的有效壓實(shí)表2試驗(yàn)測試結(jié)果和攤平,為物料炭化提供了穩(wěn)定的炭化環(huán)境;擾動Table 2 Test results of the equipment experiments器可破壞物料壓實(shí)層,提高了生物質(zhì)炭化品質(zhì),減測試指標(biāo)測量值少了保溫炭化區(qū)的物料結(jié)渣。純小時(shí)生產(chǎn)率/kg·h4)內(nèi)加熱連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備原料適應(yīng)性噸炭電耗kW·h好,可用于生物質(zhì)顆粒燃料、花生殼和玉米芯的熱生物炭得率%解炭化。噪聲/dB79[參考文獻(xiàn)]出炭溫度/℃炭化溫度/℃516[1] Shrestha G, Traina S J, Swanston C W. 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The working process of theequipment includes mainly material preparation, material drying, pyrolysis, carbonization and discharge after coolingetc. Pellet fuel carbonization tests were carried out and the results show that the equipment productivity is 108 kg/hbiochar yield rate is 31%, power consumption per ton is 15 kW. h, the performance indexes have reached the designrequirements, and realizing biochar production in continuous flow lineKeywords: biomass; carbonization equipment; compactor; perturbator; biochar中國煤化工CNMHG