一种生物质炭化新装备

     作者：张毅                                                                                          

    国外发达国家生物质炭化技术发展很快，相继设立众多专门机构，并投入大量资金开展生物炭生产工艺与装备方面的研究，尤其以美国、加拿大、澳大利亚为代表的发达国家已经实现了由炭化试验平台向工业化的转换。其中2006年，在美国费城举办的18届国际土壤学大会上成立了国际生物黑炭协会(IBI)，主要研究生物炭在改良土壤和减缓气候变化方面的应用意义以及生物炭的生产制作工艺。英国于2009年在爱丁堡大学成立了生物炭研究中心( UKBRC)，从事生物炭的生产、应用等系统的研究工作。我国从20世纪70年代开始对生物质能源开发支持力度加大，热解炭化工艺及设备研究得到快速发展，改善了一些传统的热解炭化反应工艺和炭化设备。但是由于我国多数的生物质炭化设备均处于试验阶段，中试设备或者工厂化规模的炭化设备较少，表明我国对炭化工艺及其设备的研究还不成熟。

    按照生物炭的生产连续性来分，炭化设备可分为间歇式和连续式。其中间歇式包含管式、窑式和热解釜式，不能实现连续输料、炭化和出料过程。而连续式生物质炭化设备因其作业连续性，有利于工业化推广。因此，连续式生物质炭化设备是生物质炭化设备的发展趋势。

    1  生物质炭化机理与连续式炭化工艺

    1.1  生物质炭化机理与影响因素

    生物质炭化技术也被称为生物质干馏技术，是通过缺氧热解使有机物生成化合物，本质就是破坏生物质中的纤维素、半纤维素和木质素的分子结构，使其分解成小分子和固体焦炭，从而实现含碳量不断增加的过程。炭化过程主要分为3个阶段。一是干燥阶段，在温度低于llOcC时主要是原料内部分子吸收热量脱水，分子内部并没有发生明显变化。二是预炭化阶段，温度低于350℃时，半纤维素中羧基和羰基分解，并放出大量H20、CO2、CO。三是炭化阶段，随着温度的升高，纤维素中纤维糖分解生成左旋葡萄糖，左旋葡萄糖中C-C、C-O键断裂分解释放H2、CO、焦油，芳香族化合物转化成少量炭。

    与炭化相关的因素参数主要有温度、升温速率、物料特性、反应停留时间和压力。其中温度的升高有利于热解气和生物油的转化而使炭的产量减少；慢加热速率会延长热解物料在低温区的停留时间，促进纤维素和木质素的脱水和炭化反应，导致炭产率增加；反应时间越长，生物炭的灰分含量越大；在相同温度下，较高的气体压力造成了较长的气相滞留时间，从而影响二次裂解反应，使产炭量提高。

    1.2  连续式生物质炭化工艺

    连续式炭化技术主要是结合物料的炭化原理和连续输送原理，采用进料口和出料口的密封技术，保证热解炉内的密闭环境，再利用外源或内源对生物质原料进行加热，使物料边运动边热解，最终实现生物质的连续热解，工艺流程如图1所示。与间歇式生物质炭化技术相比，连续式生物质炭化技术具有炭化均匀、生产连续性好、生产率高、过程控制方便以及产品品质相对稳定等优点，代表了我国生物质炭化技术未来的发展方向。

    2  连续式生物质炭化设备分类

    连续式炭化装置的工作原理依据热力学和热解动力学理论。按照生物质热解时热能来源的不同，可把热解炭化装置分为自燃式和外加热式。自燃式炭化装置是通过自身分解所产生的可燃气体燃烧来提供热源使自身进一步炭化，其优点是可以实现炭化所需热量的自给自足而不需要外源提供热量，缺点是炭化过程难以控制，对设备和工作人员要求较高。而外加热式的热能来源是由外部热源提供热量使生物质炭化，优点是通过改变外部热源温度或加热时间实现对炭化温度的控制，缺点是需要外部能量，浪费能源。而依据热解动力学理论，按物料在热解过程中的运动情况可分为重力竖流式、搅拌螺旋式和离心回转式等连续炭化装置。

    2.1  重力竖流式连续炭化装置

    竖流式连续炭化装置是利用生物质的自身重力，在炭化过程中依次下降进入炭化区域进行逐层炭化，实现生物质的连续热解。其工作原理如图2所示，该类设备主要由进料装置、炭化装置、风控装置和卸料装置组成，进料部分通常会加有关风器或其他密封措施以实现连续密闭进料，进料螺旋采用调速电机驱动来调节原料的处理量，在炉壁上设有保温措施保障物料所需的炭化温度，出料螺旋的转速是保证炭化时间的重要因素，加大出料螺旋的转速会使生物质原料在炉内下降的速率变快，从而缩短炭化时间，反之同理。

    美国的加利福尼亚州制造了一款利用高温气体进行内外加热的竖流式热解设备，该设备主要由进料系统、加热系统、分离系统和控制系统组成，其加热方式采用内外组合式加热原理，将丙烷燃烧后的高温气体一部分通入加热套，对生物质间接加热，另一部分直接从底部穿过生物质原料进行直接加热，同时底部向上的气体有利于原料呈现流化状态，使原料受热更加均匀充分，炭化效率提高，其原料处理量在1.6~2.5 kg/h；农业部规划设计研究院研发了一款内加热连续式生物质炭化中试设备，该设备属于重力竖流式炭化装置，生产工艺流程可分为原料准备、物料干燥、保温炭化、冷却出料和热解副产品的回用等环节，处理量可达100 kg/h。

    2.2搅拌螺旋式连续炭化装置

    搅拌螺旋式连续炭化装置利用电机带动螺旋转动，从而使生物质原料以一定的速度通过炭化区域，配合密封进料和卸料装置便可实现生物质的连续热解，此设备有利于炭化过程中生物质停留时间的控制，并可满足不用炭化条件的要求。其工作原理如图3，整个设备由进料装置、热解装置、出炭装置和热解气后处理装置组成，热解反应器内置螺旋输送机和调速电机，保证了物料的输送速度和热解停留时间，螺旋轴的搅拌使生物质受热均匀，后端通过固气分离装置将生物炭和热解气分离，生物炭经冷却螺旋输送至集炭箱，热解气通人至混合气处理装置，进行冷凝分离收集、二次催化裂解或者完全燃烧后排放等处理。

    东北农业大学[18]设计了一款生物质热解反应装置的变螺距螺旋输送器，将螺旋分为密螺旋、宽螺旋和反向螺旋3段，密螺旋既能保证持续均匀送料，同时也能够保证系统良好的密封性，为物料热解反应提供了无氧或缺氧的外部环境，宽螺旋属于热解反应区域，可防止发生预热解的高黏度物料堵塞反应器，使物料热解尽可能完全，末端的反向螺旋是防止炭化后的颗粒粉末沉降在末端，保证其顺利排人集炭箱中，处理量达30 kg/h；英国爱丁堡大学研制的第二代炭化装置采用螺旋输送原理，通过调节进料螺旋的转速控制原料的进入量，进料量可达到5 kg/h，炭化炉采用电加热实现温度的调控，最高温度可达850℃，通过调节主螺旋的转速和加热温度使生物质热解停留时间的调控在10~60 min，后燃烧室的作用是将热解反应出的混合气体通过添加助燃剂而完全燃烧，产生的C02和H20排放到大气中。农业部规划设计研究院[20]研制了一种卧式连续生物质炭设备，热解反应器采用双层套筒炭化装置，内层为装有螺旋绞龙的炭化室，外层为保温层，内外层之间通高温热解气并设有导流板和翅片，利用热解炉内的热解气给生物质加热，降低了热解成本，处理量可达50 kg/h。

    2.3  离心回转式连续炭化装置

    离心回转式炭化装置采用干燥筒的回转原理如图4所示，使物料在带有倾角的回转筒中沿螺旋线向前移动，连续移动过程中保证了物料自身混合的均匀性，同时使热解更加均匀。该设备主要由进料螺旋器、转筒、出炭螺旋器等组成，转筒是设备的核心，采用螺旋抄手内嵌式干馏转筒，安装倾角可调，有效提高了设备对不同原料的连续有序输送能力。回转式炭化装置因其结构特点，使原料的适应性广泛，可以完成不同粒径的稻壳、农作物秸秆、木屑和花生壳等生物质原料的炭化。

    该回转式连续炭化装置根据热源不同可分为内加热式、外加热式和内外组合式加热等方式，内加热式是将高温烟气直接通入回转炉内对生物质原料直接加热，外加热式是在炉壁外设有电热炉或在外壁和套筒之间通入高温烟气对生物质原料间接加热，内外组合式加热结合2种加热方式，使生物质原料的受热更加均匀。

    丹麦科技大学研制了一台离心热解反应器，该装置利用旋转的气流实现生物质颗粒的连续热解。生物质颗粒由进料器喂人，经水平的输料装置输送至反应器，反应器的端部安装三叶片的转子提供旋转气流，筒内壁焊接气流导向板，以保证固体颗粒均匀地贴着内壁并向前做螺旋运动，其加热系统分为4个独立的加热带，以保证反应筒温度的统一，其加热温度可达250~1 000℃，处理量在1.8 kg/h左右。爱丁堡大学研制的中试炭化设备属于离心回转式炭化设备，采用3段独立的电热丝分别控温加热，每一段采用PID控制温度可达850CC，回转炉的回转速度在1~7 r/min之间可调控以保证生物质原料在热解区的停留时间，在回转炉的末端，采用水冷螺旋将生物炭输送至收集装置并冷却，原料处理量可达50 kg/h。合肥天焱绿色能源开发有限公司和农业部规划设计研究院研发了回转式干馏炉热解炭化设备，原料被螺旋输送机送人干馏炉内，在无氧的情况下，利用热烟气为热媒进行低温干馏，干馏炉内温度为450~500。C，通过干馏炉不停地转动，原料在其中被充分加热，其原料处理

可达7 000 kg/h。

    3  连续式生物质炭化设备对比分析

    重力竖流式连续炭化装置特点是反应炉中一般为固定部件，易加工制造，而且在输送过程中利用自身重力下落，不需要额外的传动部件，运行成本低；但其存在原料受热不均致使炭化不均，控温操作不当时容易引起焦化结渣导致设备不能正常运行，生产的生物炭品质不一致等问题。

    搅拌螺旋式连续炭化装置特点是螺旋绞龙的转动使原料不断地混合，因此炭化过程中原料受热均匀，且其为外源加热，加热温度容易控制，可生产不同品质的生物炭；但其存在螺旋轴的挠度问题，过长的螺旋轴易产生较大的挠度而使绞龙叶片与炉壁的磨损加剧，在高温条件下由于螺旋轴机械强度较低，磨损情况更严重，因此搅拌螺旋式受长度限制，一般不宜超过3m。

    离心回转式连续炭化装置特点是炉体的回转会使物料产生离心力，物料在离心力的作用下贴向炉壁而提高了传热效率，在物料翻转混合过程中使得炭化均匀。此外，回转式炭化装置因为炉体为转动部件，可通过在炉体横向上增设支撑点保证较小的挠度，因此回转式炭化装置不受规模限制；但是做回转运动的炉体和固定的进料、出料部件的连接和密封较多，加工制造成本高。

    重力竖流式、搅拌螺旋式和离心回转式是目前研究较多的连续式炭化设备，对炭化的技术特征进行分析、总结，如表1所示。

    4结论及建议

    总结目前对于连续式炭化工艺及设备的研究主要集中在以下3个方向。

    (1)对于热解过程中物料输送的研究，即如何保证物料在持续稳定输送过程中混合均匀，目前主要有竖流式、螺旋式、回转式等输送方式。

    (2)对于热解过程中加热方式的研究，即如何保证生物质原料按炭化原理的规律进行升温，目前已有的加热方式分为内热式、外热式和内外组合式加热等。

    (3)对于整个热解系统炭一油一气联产技术集成的分析评价，即在保证产炭的同时分离并收集其副产物生物质油和气，如何有效避免热解过程中能量的流失，比如高温热解气余热利用等，实现整个系统的产值最大化。

针对以上的研究进展，笔者认为在连续炭化工艺的研究过程中，一是应加强物料连续输送和生物质炭化机理的有效结合，保证物料在运动过程中的升温规律遵循自身炭化机理，二是加强炭一油一气联产系统模式的研究讨论，探索系统能量流动过程中最佳利用模式，为工业化生产做好理论积累。

    5摘要：

    在研究国内外连续式炭化设备的基础上，结合连续式炭化工艺和原理，对目前国内外各种连续式炭化设备进行系统地归纳和分类，详细阐述了各种设备的特点及其主要的应用范围。对其性能和应用进行了对比分析，得出回转炉式炭化设备生产率高、原料适应性好、炭化均匀，适合于工业化推广。针对目前国内生物质炭化设备存在的问题，提出了我国生物质炭化设备产业化发展的方向。