第35卷第8期太陽能學報Vol 35. No. 82014年8月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAAug…,2014文章編號:02540096(2014)08-1529-07內加熱連續(xù)式生物質炭化設備的研制叢宏斌,趙立欣,姚宗路,孟海波,袁艷文(農業(yè)部規(guī)劃設計研究院,農業(yè)部農業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室,北京100125)摘要:針對目前生物質炭化設備生產率較低、能源消耗大、原料適應性較差等問題,提出生物質連續(xù)炭化生產工藝路線,采用內加熱熱解原理,研發(fā)內加熱連續(xù)式生物質炭化設備。以生物質顆粒燃料等為原料開展炭化試驗,試驗結果表明;設備生產率為108kgh,生物炭得率為31%,噸炭電耗為15kWh,各項性能指標均達到設計要求,可實現(xiàn)生物炭的連續(xù)生產。關鍵詞:生物質;炭化設備;壓實器;擾動器;生物炭中圖分類號:S2162;TK6文獻標識碼:A0引言工作原理與主要技術參數(shù)生物炭的應用可解決農業(yè)、能源、環(huán)境和氣候1.1生物質炭化工藝流程等多方面問題,已引起國內外科研人員的廣泛關生物質炭化工藝流程如圖1所示。采用花生注。其在農業(yè)方面,可改良土壤、培肥地力;在能源殼、玉米芯和生物質顆粒燃料等為原料生物炭生領域,可作為高品質能源,燃燒效率和熱值高;在環(huán)產工藝流程從整體上可分為原料準備物料干燥境保護方面,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品回用等環(huán)水,凈化水質;另外還可應用于固碳減排,減少溫室節(jié),可實現(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)原料準備:原料準備是指將原料從料倉輸送物質熱裂解設備與工藝先進,但在全球生物質熱裂至炭化設備,以及在炭化設備內壓實、攤平的全過解企業(yè)中,產品大部分以裂解氣和熱解油等生物能程。物料喂入時應盡量減少空氣帶入量保證爐體源為主,生物炭僅為副產物。國內在生物質熱裂內的缺氧和微負壓工作環(huán)境;物料喂入后,要將物解方面開展了大量研究:天津大學陳冠益等研發(fā)料有效壓實和攤平保證爐體內部溫度場與流場的了生物質流化床;上海交通大學劉榮厚等研發(fā)了穩(wěn)定性。旋轉錐熱裂解反應器;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快速熱裂解循環(huán)流化床。另外,浙江大前采用熱風干燥原理,利用氧化熱解余熱將物料學、山東理工大學、華中科技大學、沈陽農業(yè)大學、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、合肥工業(yè)大學等單位也開熱,減少設備能耗而且有利于提高設備生產率,改展了相關研究。善生物炭品質。目前,生物炭生產設備主要存在諸如:1)生產3)熱解:干燥后的物料下行至熱解區(qū),在適當連續(xù)性差、生產率低;2)原料適應性差、應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,生物質熱解過程開始,熱解氣品質受限等不足。針對以上問題,本文提出生物質和焦油隨熱空氣上行。連續(xù)炭化生產工藝路線,采用內加熱原理,研發(fā)內4)保溫炭化:保溫炭化是指未完全炭化的物料加熱連續(xù)式生物質炭化設備在絕氧與保H中國煤化工保溫溫度一般CNMHG收稿日期:201307-18基金項目:公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(2013030951)通信作者:孟海波(1972-),男,博士、研究員,主要從事生物質能源開發(fā)利用技術與政策方面的研究。 newmhb7209@163com1530太陽能學報35卷在400~550℃,保溫炭化時間一般約為1h。體、引風口、檢測探測孔、螺旋輸送器、出料關風器5)冷卻與出料:經(jīng)保溫炭化后產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冷卻,防止出料時生物炭與空氣接觸后燃料關風器連接在爐蓋上,爐蓋與爐體通過水封槽連燒;此外,出料時應采取必要措施,盡量減少空氣混接,可增加設備的密閉性。引風口分為上、中、下3入爐體。個,引風道分為上、中2個,上引風口與上引風道連6)熱解副產品回用:熱解副產品包括可燃氣接,中引風口與中引風道連接,下引風口直接與爐體、木焦油、木醋液等,經(jīng)凈化除塵與油水分離后,膛連接。設備最下端的出料三通、螺旋輸送器和出進行回收利用213料關風器組成設備的冷卻出料區(qū)。空氣一燃氣回用燃燒↓木焦油裂解設備作業(yè)時,原料經(jīng)喂料斗與喂料關風器進入凈化分離爐膛,爐膛內料位基本保持不變。隨著出料口不斷出炭,上層物料有序下行并逐漸被熱風烘干,進入熱解區(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冷卻,圖1生物質內加熱連續(xù)炭化生產工藝流程最后經(jīng)出料關風器出炭。Fig 1 Biomass internal heating continuous carbonization13主要技術參數(shù)technology route內加熱連續(xù)式生物質炭化設備主要技術參數(shù)12炭化設備結構與工作原理如表1所示。內加熱連續(xù)式生物質炭化設備結構如圖2所表1內加熱連續(xù)式生物質炭化設備主要技術參數(shù)示,主要由喂料關風器、喂料斗、壓實器、爐蓋、爐Table 1 The main technical parameters of internal heatingcontinuous type biomass carbonization furnace技術參數(shù)參數(shù)值外形尺寸(長x寬x高)m2000×2000×8000配套動力kW14.25設備總重量kg810料準備區(qū)爐體入料口內徑/mm物料干燥區(qū)爐體出炭口內徑/mm①500爐體最大外徑/mmd1200熱解區(qū)保溫炭化區(qū)關鍵部件設計21爐體與烘干器爐體是炭化設備的核心,設2個爐門、3個引風口、2個引風道和36個檢測進風口。檢測進風口可用于安裝溫度探頭、壓力表或進氣閥等。如圖3所1.吊車2.喂料斗3.爐蓋4.壓實器5.爐體6烘干器7.引風口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.出料關風器11.爐門12.檢測進風孔料螺旋連接,爐膛自上而下可分為物料準備區(qū)、物13.引風道14.喂料關風器料干燥區(qū)、熱解區(qū)和保溫炭化區(qū)。下引風口一般不圖2內加熱連續(xù)式生物質炭化設備結構示意圖用于引風中國煤化工,可打開下引風Fg2 Schematic diagram of intemal heating continuous type口使熱風HCNMH(炭化區(qū)的物料進一步熟化。8期叢宏斌等:內加熱連續(xù)式生物質炭化設備的研制1531堆積密度,600kg/m;D2干燥區(qū)爐體內徑,m;D——烘干筒外徑,m;hx—干燥區(qū)有效高度,m;熱風干燥μ——設備生物炭得率。爐體設計內徑為980mm,當烘干筒內徑與高度分別取600和1650mm時,干燥區(qū)可容納顆粒燃料的總質量為467kg。設備生物炭得率為0.33則保溫炭化區(qū)對應的最小物料需求量為462kg,可滿足設計要求。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:炭化=l1+l,+l(4)l1=(q-M,)(T2-T)C(5),=M,y(6)1.引風口2.烘干筒3.爐體4.爐箅G(T。-T(7)5.爐門6.引風道式中,—顆粒燃料升溫耗熱量,kJh;,一水分圖3爐體與烘干筒結構示意圖蒸發(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干燥段的生產能力,462kg/h;M.—干燥段小時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備連續(xù)協(xié)調工作,各工藝段生產量,2596k/kg;G一空氣的質量風量,528kgh;能力應相匹配,其中保溫炭化區(qū)的生產能力為:?！獜U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生物炭生產能力,kgh;F-出料頻干燥段耗熱量為一次出炭對應的原料烘干所次,次小時;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%計算,總耗熱量為4507279D保溫炭化區(qū)錐底內徑,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)錐頂即炭化設備爐體的出炭口,需22壓實器與出料輸送螺旋連接,尺寸不宜過大,設計內徑為壓實器有兩方面的作用,一是壓實物料,將物500mm,錐底內徑與錐高設計值分別為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,設備的最大生產能證爐體內穩(wěn)定的溫度場和氣流場,提供良好的炭化力為152kg/h環(huán)境。壓實器結構如圖4所示,主要由伸縮軸、彈干燥區(qū)物料儲備量應不小于保溫炭化區(qū)物料簧、壓實葉片、壓實器電機、限位銷軸和行程開關等需求量,即:4叫(D2-D3)2組成,壓實器安裝在爐蓋上。隨著物料不斷喂入,(2)伸縮軸克服自重和彈篝強力上移限位銷到達行程m2≥m1(3)開關位置后中國煤化工止喂入。調式中,m干燥區(qū)物料質量,kgD顆粒燃料節(jié)限位銷軸的CNMH9大小。太陽能學報35卷由式(8)、式(9)可知彈簧的設計彈力應為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。通過調節(jié)行程開關的位置可調節(jié)物料壓實力大小。壓實器總功率消耗為034kW,可選用055kW的配套電機。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)中的物料壓實層,以減小物料層間傳熱傳質障礙,使生物質炭化更充分,提高生物炭品質;二是通物料準備區(qū)過擾動物料,避免或減少因物料燃燒形成結渣,使1.壓實器電機2.行程開關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壓實器結構示意圖成如圖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。葉片隨傳動壓實葉片共2片,厚度為4mm,安裝水平傾角軸的轉動而轉動,傳動軸設計轉速為12r/min為20°。壓實器轉動過程中的受力情況如圖5所示,F2為葉片壓實力的反作用力,葉片在豎直方向上對物料的壓實力和壓實器功率消耗分別為:F=F2 cos a=G,+FIP=Ma=2(F,+ F2u cos a)ro/60 (9)式中,F—設計物料壓實力,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擾動器結構示意圖Fig 6 Schematic dia3試驗31試驗條件與測試方法試驗原料為玉米秸稈顆粒燃料,含水率為7%。試驗采用隨機在線檢測的方法,取4次采樣的均值作為試驗結果。測試時環(huán)境溫度為18℃,微風,試驗場地周邊無大的噪聲源。圖5壓實器受力示意圖測試中國煤化工產率、生物炭得Fig 5 Force diagram of the compactor率、噪聲、4CNMHG出料時間間隔為8期叢宏斌等:內加熱連續(xù)式生物質炭化設備的研制1533設備純小時生產率計算公式為得率及生物炭品質均會產生重要影響。研究不同W(1-0(10)原料和不同含水率條件下的生物質定向炭化工藝t(1需通過大量試驗和生產實踐不斷探索,不斷跟蹤檢式中,Q—工作小時生產率,kg/h;W生物炭質測炭化產物的品質,逐步調整和優(yōu)化炭化工藝參量,kg;H——生物炭含水率,%;一出炭時間間數(shù)。本文僅給出了特定條件下的設備炭化試驗結隔,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量與所需原料量的質建立科學合理的自動控制系統(tǒng),可實現(xiàn)對設備量比,其計算公式為炭化工藝參數(shù)準確控制。本炭化設備爐體上設有W(1-H)D:100%(11)36個檢測進風口,用于安裝溫度探頭、電動進風閥空氣流量計等。系統(tǒng)釆用閉環(huán)式反饋控制機制,通式中,D—生物炭得率,%;V—一原料質量,g;過對空氣流量計、溫度探頭等數(shù)據(jù)的采集以及對引J一原料含水率,%風電機轉速和進風閥開度的自動調整,可實現(xiàn)對爐噸炭電耗指生物炭單位產量所消耗的電能,其內不同位置溫度和進風(氧)量的實時監(jiān)測控制。計算公式為進而達到生物質定向炭化的工藝目標。由于論文G.=Gn0-12%1000(1-H(12)篇幅所限控制系統(tǒng)設計部分未作介紹。式中,C噸炭電耗,kWhC總耗電量kW,h。5結論其他指標測試方法依據(jù)內加熱連續(xù)式生物質1)內加熱連續(xù)式生物質炭化設備將生物質的炭化設備設計任務書和試驗測試大綱。炭化過程分為物料準備、物料干燥、熱解、保溫炭化32試驗結果與分析和冷卻出炭幾個工段,采用流水式作業(yè),實現(xiàn)了生在設備正常工作狀態(tài)下,以玉米秸稈顆粒燃料物炭的連續(xù)生產,以顆粒燃料為原料生物炭生產為原料對炭化設備性能進行測試,測試時長4h,共效率達到108kgh,為生物炭的規(guī)?；?、產業(yè)化發(fā)計出炭4次,折算后的總出炭量為432kg。設備性展提供了設備保障。能測試和計算結果如表2所示,各項指標均達到設2)采用內源加熱,以原料在缺氧環(huán)境下緩慢燃計要求。以花生殼和玉米芯為原料進行的炭化試燒產生的熱量為熱源,使物料熱解炭化,并利用薄驗,盡管未對生物炭的相關指標進行測試,但其直層逆流熱風干燥將物料烘干,減少了輸入性能源消觀炭化效果良好,說明設備能適用于多種生物質原耗噸炭電耗為15kWh料的炭化處理3)物料壓實器可實現(xiàn)對爐內物料的有效壓實表2試驗測試結果和攤平,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器可破壞物料壓實層,提高了生物質炭化品質,減測試指標測量值少了保溫炭化區(qū)的物料結渣。純小時生產率/kg·h4)內加熱連續(xù)式生物質炭化設備原料適應性噸炭電耗kW·h好,可用于生物質顆粒燃料、花生殼和玉米芯的熱生物炭得率%解炭化。噪聲/dB79[參考文獻]出炭溫度/℃炭化溫度/℃516[1] Shrestha G, Traina S J, Swanston C W. Black carbon'sA4討論omprehensive review[J]. Sustainability, 2010, 2(1)中國煤化工生物質熱解炭化時,不同原料、含水率要求的2]NoakTHCNMHG et al. Impact of炭化工藝參數(shù)存在很大差異,尤其是炭化溫度、保Biochar amendment onertility of a southeastern coastal溫時間和爐內氧含量,對生物質炭化效率、生物炭lain soil[j]. Soil Science, 2009, 174(2):105--1121534太陽能學報35卷[3]何緒生,耿增超,佘雕,等.生物炭生產與農用的product distribution [J]. Acta Energiae Solaris Sinica意義及國內外動態(tài)[J]農業(yè)工程學報,2011,27(2)2011,32(1):2529[9]李志合,柏雪源,李永軍,等.下降管生物質熱裂解[3] He Xusheng, Geng Zengchao, She Diao, et al.液化反應器設計[J].農業(yè)機械學報,2011,42(9)Implications of production and agricultural utilization of16-119biochar and its intermational dynamics [J].TransactionsLi Zhihe, Bai Xueyuan, Li Yongjuof the CSAF,2011,27(2):1-7Development of down flow tube reactor for bio- oil[4 Foscolo P U, German A, Jand N, et al. Design and coldproduction from biomass flash pyrolysis [J]model testing of a biomass g asifier consisting of twoTransactions of the Chinese Society for Agriculturalinter connected fluidized beds [J]. Powder TechnologyMachinery,2011,42(9):116-1192007,173(3):179188[10]朱華炳,胡孔元,陳天虎,等內燃加熱式生物質氣[5]陳冠益,顏蓓蓓,賈佳妮,等.生物質二級固定床催化爐設計[J.農業(yè)機械學報,2009,40(2):96-101化熱解制取富氫燃氣[J太陽能學報,2008,29(3):[10] Zhu Huabing, Hu Kongyuan, Chen Tianhu,etal.Design of an intemal combustion type heating biomass[5] Chen Guanyi, Yan Beibeigasifier [J]. Transactions of the Chinese Society forof hydrogen-rich gas thro四:mAgricultural Machinery, 2009, 40(2): 96-10two- stage reactor[J. Acta Energiae Solaris Sinica,[李斌,陳漢平,楊海平,等.上吸式生物質氣化爐2008,29(3):360364的設計與試驗[J.農業(yè)工程學報,2011,27(7):[6]劉榮厚,袁海榮,徐璐.玉米秸稈熱解反應動力學270273的研究[J].太陽能學報,2007,28(5):527-530[11] Li Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, et al. Design[6 Liu Ronghou, Yuan Hairong, Xu Lu Kinetic study ofand experiment on updraft biomass gasifier [JIize straw pyrolysis[J]. Acta Energiae Solaris SinicaTransactions of the CSAE, 2011, 27(7): 270--2732007,28(5):527-530[12]朱錫鋒生物質熱解原理與技術[M合肥:中國科學[7]張春梅,劉榮厚,易維明,等玉米秸稈等離子體熱裂技術大學出版社,2006解液化實驗[]農業(yè)機械學報,200,40(8):%699.[13]袁振宏,吳創(chuàng)之,馬隆龍,等生物質能利用原理與[7] Zhang Chunmei技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004Experiment on plasma pyrolysis of com stalk for liquid[14]中國農業(yè)機械化科學研究院農業(yè)機械設計手冊(下)fuel [J]. Transactions of the Chinese Society for[MJ.北京:中國農業(yè)科學技術出版社,2007Agricultural Machinery, 2009, 40(8): 96-99[15]關志強,王秀芝,李敏,等荔枝果肉熱風干燥薄層[8]易維明,柳善建,畢冬梅,等溫度及流化床床料對模型[J].農業(yè)機械學報,2012,43(2):151-158生物質熱裂解產物分布的影響[J].太陽能學報,[15] Guan Zhiqiang, Wang Xiuzhi, Li min,etal2011,32(1):25-29Mathematical modeling of hot air drying of thin layer[8] Yi Weiming, Liu Shanjian, Bi Dongmei, et al. Infuencelitchi flesh [J]. Transactions of the Chinese Society forof temperature and bed materials on biomass pyrolysisAgricultural Machinery, 2009, 40(2): 96-10中國煤化工CNMHG8期叢宏斌等:內加熱連續(xù)式生物質炭化設備的研制1535DEVELOPMENT OF INTERNAL HEATING CONTINUOUS TYPEBIOMASS CARBONIZATION EQUIPMENTCong Hongbin, Zhao Lixin, Yao Zonglu, Meng Haibo, Yuan YanwenChinese Academy of Agricultural Engineering, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Key Laboratory of Energy ResourceUtilization from Agriculture Residue, Ministry of Agriculture, Beyung 100125, ChinaAbstract: Aiming at the problems of biomass carbonization equipments, such as relatively low productivity, large energyconsumption and poor raw material adaptability, a biomass continuous carbonization technology route was proposebased on the analysis of the present situation about domestic and foreign related technologies and equipments, and anintermal heating continuous type biomass carbonization furnace was designed and developed. 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