兼吸式移动床生物质热解炭化装置设计与试验

生物质热解炭化技术能有效促进生物质资源化利用,国内外学者对此进行了深入探讨和研究[1-4]。根据不同的受热方式,热解炭化技术可分为内热和外热两种。外热式炭化技术工艺参数易于控制、普及率高,但其传热效果差。内热炭化技术具有较高的传热效果,但其工艺参数难以控制[5-6]。

研究温度、停留时间、气氛、压力、催化剂等因素对生物质热解反应的影响,对于改善产出的焦炭品质,提高气化和燃烧反应效率,降低污染物排放具有重要意义[7-13]。在外热式研究方面,李丽洁等[14]开发了一种固定床外加热式生物质热解炭化实验平台,研究了生物质在热解作用下的炭化规律,为生物质热解炭化设备开发提供基础数据与参考。尚春民等[15]采用热解气回用燃烧的生物质热解炭化方案,设计一种新型回转连续式炭化设备。在内热式研究方面,黄宇等[16]以粉碎的生物质颗粒料为炭化原料,创新采用分步加热炭化的工艺路线,设计了一种直立式移动床生物质炭化设备。设备采用闷烧热解方式,并利用螺旋输送器、旋转炉篦等结构实现了生物质的连续炭化。丛宏斌等[17]针对目前生物质炭化设备生产率较低、能源消耗大、原料适应性较差等问题,提出生物质连续炭化生产工艺路线,采用内加热热解原理,研发内加热连续式生物质炭化设备。马中青等[18]研究了下吸式固定床气化系统中当量比(ER)对樟子松木片气化性能的影响,结果表明,气化最优ER为0.251。相关研究成果为热解技术开发提供了重要数据支撑,但在基础研究方面,管式炉装备种类丰富,外热式热解炭化的设备和机理研究都已较为成熟,而内热式热解炭化多为大型设备,不同的内热式热解炭化工艺对产物的影响研究仍存在不足,尤其是针对内加热移动床热解炭化装置设计与开发鲜见报道。

为解决上述问题,本文在前期研究的基础上,模拟连续式热解炭化工艺,开发供气系统、出炭系统、产物收集系统、气体净化系统、温度监控系统,设计一种内加热兼吸式移动床热解炭化装置;以稻壳为原料,开展上吸和下吸式热解炭化试验,研究停留时间和吸气方式对内热式热解炭化产物的影响。旨在对内热式炭化炉的工艺参数优化、热解炭化技术装备升级提供支持和参考。

1 整体设计

1.1 系统组成与工作原理

内加热兼吸式移动床热解炭化装置结构如图1所示,主要由上下炉体、气瓶、管路、冷凝收集装置、气体干燥过滤装置、活塞排料装置、流量计、气袋、集灰器、传感器组成。炉体外观为筒状,主体是保温层及中间的圆柱形炉膛,通气管道设置于炉膛中间,为炉膛内的炭化反应提供氧气,管道可以上下移动,空气从最底部开始参与氧化反应,经氧化反应后进入还原阶段,氧化反应区可随通气管移动,实现模拟连续炭化过程;底部设有活塞推料装置,在炭化完成后,可将生物炭从上方推出,逐层采样;后方设有冷却系统及气袋,用于冷凝和收集热解油、热解气。

装置采用内加热炭化方式,可进行不同送气量、炭化时间以及吸气方式的试验,具有实时温度监测、操作简便等特点。

1.2 主要技术参数

内加热兼吸式移动床热解炭化装置主要技术参数如表1所示。

2 关键部件设计

2.1 兼吸式移动床热解炉

炉体部分是装置的核心,分上、下两部分,形成总长度1 000 mm的热解炉腔,上、下炉体均为圆柱型双壁结构,两壁之间填充有保温材料。上下炉体通过搭扣连接,移动式通气管贯穿其中,为热解过程提供所需气化剂;炉壁上装有热电偶,实时监测温度,如图2所示。热解反应时从底部向上依次为炭化区、热解区和干燥区[19]。在启动时,配风点火使物料缓慢燃烧,控制气化剂的速率,通过热电偶实时监测内部温度;压实定位片压实物料,防止物料过于蓬松;热解完成后,推炭活塞与炉体配合实现排炭。

移动式通气管可在炉体内腔中同轴上下移动,移动式通气管可以解决炉体较长、物料自行反应时供氧不足、熄火或反应时间过长等问题,实现模拟连续热解。该管道穿过炉盖,并通过石墨盘根实现与炉盖之间的密封。

移动式通气管顶部通过连接件与电动推杆相连,电动推杆固定在炉盖上,为通气管的移动提供动力。移动式通气管的移动时间区间由电动推杆及其编程控制系统决定,最大区间为1 h。

炉体设计内径为219 mm,当炉体内径与高度分别取119 mm和1 000 mm时,以稻壳为例,原料压实堆积密度ρ为48.40～200 kg/m3, 则该炉一次装料量计算公式为

式中 D——炭化炉内径,mm

d——移动通气管道外径,mm

L——炭化炉填料长度,mm

计算得出内热式热解炭化炉单次拟处理量m为0.5～2.08 kg,可以满足试验要求。

在试验时,炉体需要密封,其中包括炉盖与上炉体之间的密封、移动式通气管道与炉盖之间的密封、上炉体与下炉体之间的密封和下炉体底部的密封,如图3所示。

炉盖与上炉体之间、上炉体与下炉体之间和下炉体底部为静密封,采取夹紧密封垫片的方式进行密封,炉盖与上炉体以及上炉体与下炉体之间均采用搭扣连接压紧;下炉体的底部则使用耐高温的密封垫片,依靠二级推杆拉动推炭活塞,压紧耐高温密封垫片实现密封。移动式通气管道与炉盖之间为动密封,采用多层石墨盘根,通过调节螺栓的松紧实现移动式通气管道与炉盖之间的密封。

生物质原料中包含碳、氢、氧、氮、硫等元素,其如果在空气中充分燃烧和气化,单位质量(1 kg)消耗空气量计算公式为

式中 L0——单位质量原料燃烧消耗空气量,m3/kg

C——原料中碳元素质量分数,%

H——原料中氢元素质量分数,%

S——原料中硫元素质量分数,%

O——原料中氧元素质量分数,%

以稻壳为例,其中碳元素质量分数为40%～46%、氢元素质量分数为5%～6%、氧元素质量分数为43%～50%、氮元素质量分数为0.6%～1.1%、硫元素质量分数为0.1%～0.2%,此外还包含一些含量很少的元素,如磷、钾等;取碳元素质量分数为45%、氢元素质量分数为5%、氧元素质量分数为45%、硫元素质量分数为0.1%[20];则其单位质量原料完全燃烧消耗空气量为3.82 m3/kg。

选用空气作为试验的气化剂,则需考虑其当量比,当量比是气化时实际空气量与生物质原料充分燃烧理论所需空气量的比。当量比反映原料的燃烧程度,在选择气化当量比时应充分考虑到生物质原料的含水率、气化方式等诸多因素。根据国内外有关学者的经验,提出了生物质气化当量比 0.2～0.4为最佳选择[21]。单位质量原料气化所需空气量计算公式为

式中 LQ——单位质量原料气化所需空气量,m3/kg

取D为0.2时,单位质量原料气化所需空气量为0.76 m3/kg;取D为0.4时,单位质量原料气化所需空气量为1.53 m3/kg,选取合适气瓶和阀门,保证供气充足和稳定。

热解产生的气体依次经过冷凝装置、洗气装置、气体干燥器、气体组分在线检测仪和湿式流量计,进入到气袋中收集。冷凝装置用于冷凝高温热解气,分离出其中的焦油和木醋液,洗气装置用于进一步净化气体,气体干燥器用于气体脱水干燥,气体组分在线检测仪实现气体组分的实时监控,湿式流量计用于记录气体累计流量。

2.2 上下吸切换系统

上下吸切换系统是为了实现该装置上吸式热解方式与下吸式热解方式的切换,由原料与气化剂的接触过程区分上吸和下吸,气化剂由下方进入,原料和气化剂之间呈对向移动形式的为上吸式,反之则为下吸式[22]。上吸式和下吸式热解方式的气体流动路径及阀门开关情况如图4所示。

开启第一、三阀门,关闭第二、四阀门时,气化剂通过通气管道由上通气口进入,流经移动通气管后,在炉底与生物质原料发生热解反应,产生的热解气原料对向流动,然后通过下通气口排出热解炉,实现上吸式热解。开启第二、四阀门,关闭第一、三阀门时,气化剂从下通气口进入,气化剂与原料顺向流动,并在炉底与生物质原料发生热解反应,产生的热解气通过移动通气管排出,热解气不与物料接触,实现下吸式热解。通过以上设计,在不改变管路连接的情况下,即可实现上吸式和下吸式热解方式切换。

2.3 排炭分层取样系统

为保证从炉体中取出的炭化产物炭化层结构不被破坏,采用由下推杆及推炭活塞将炭化产物向上推出的方式,搭配了冷却分层机构和逐层取样器,组成了排炭分层取样系统,如图5、6所示。

热解完成后,将上炉体拆下,通过搭扣将冷却分层机构连接在下炉体上,冷却分层机构取代上炉体与推炭机构形成整体。利用二级推杆将炭化产物全部推入到冷却分层机构中,进行冷却。

冷却完成,卸下密封螺栓,取下端盖,使用独立的逐层取样器进行分层取样,逐层取样器上有旋转开合机构,可将相邻两节冷却取样节及其内部生物炭分离,从上至下依次完成取样。

3 调试运行与试验

3.1 平台调试与运行

设备在设计制造过程中,结构合理,运行稳定可靠,空运行无异响,密封效果良好,使用该试验平台进行的上吸和下吸式热解试验,整体炭化效果较好,未出现夹生现象。

3.2 试验方案与测试方法

本试验选取内蒙古自治区兴安盟的稻壳,其空气干燥基[23]工业分析及元素分析如表2所示。

试验采用自行研制的内加热兼吸式热解炭化装置,如图7所示。

试验启动:确定试验的进气方式,由上下吸切换系统进行切换,随后在气化炉膛内加入(1±0.1) kg稻壳料,保持点火口与大气连通,点燃物料,最下方温度传感器温度升高,将炉盖和点火口关闭,打开气瓶阀门通气。

试验阶段:调节每分钟入炉空气量(12.6±0.5)L,洗气瓶内出气稳定后,启动电机,带动移动式通气管上移,设定移动度为9 s/mm,整体上移400 mm,总用时60 min。

取样阶段:试验结束后移开上炉体,安装排炭分层取样装置,将生物炭通过二级推杆送入取样装置中进行冷却,待冷却完成,完成分层取样,并依次编号。

3.3 结果与分析

3.3.1 生物炭基础特性

不同停留时间制备的上吸及下吸式热解稻壳炭基础物理特性分析结果如表3所示。两种工艺下生产出的稻壳炭的基础特性变化趋势基本一致,随着停留时间的延长,挥发分质量分数逐渐减小,上吸式和下吸式分别从15.1%和30.6%减小到7.7%和15.5%;灰分质量分数逐渐增加,上吸式和下吸式分别从33.3%和22.9%增加到48.5%和40.5%,固定碳质量分数小幅减小,整体处于40.8%～48.9%之间。随着停留时间的延长,上吸式和下吸式热解碳元素质量分数分别从51.9%和65.3%下降到36.5%和54.8%;氮元素质量分数分别从1.1%和2.3%下降到到0.5%和0.7%。而氧元素质量分数分别从46%和28.7%增加到61.7%和42.2%;氢元素的变化趋势不明显,但上吸式热解稻壳炭的氢元素水平低于下吸式。两种工艺下制备的稻壳炭的热值也随停留时间的延长逐渐降低,停留时间从10 min延长到60 min,上吸式和下吸式稻壳炭热值分别从20.7 MJ/kg和22 MJ/kg下降到14.6 MJ/kg和15.2 MJ/kg,表明在内热式炭化过程中,较长的停留时间会使稻壳炭的成分逐步向灰分转化[24-26]。

3.3.2 生物炭孔隙结构

不同停留时间制备的稻壳炭的电镜扫描图像(SEM)如图8所示。稻壳炭截面呈现多孔结构,随着停留时间的延长,上吸式和下吸式热解稻壳炭表现出了相似的变化,稻壳炭光滑致密的结构被破坏,挥发性成分的析出导致生物炭内部产生大量孔隙。表面微孔数量明显增多,特别是细小孔径已打开,随着停留时间的延长,秸秆热解更加充分,生物炭的孔隙结构也得到了发展[27]。

进一步对不同停留时间下稻壳炭的比表面积进行分析,结果如图9所示。停留时间10 min时,上吸式和下吸式热解稻壳炭比表面积分别为0.73 m2/g和0.78 m2/g,保温时间为60 min时,上吸式和下吸式热解稻壳炭比表面积分别为3.84 m2/g和3.95 m2/g,在该试验条件下,随着停留时间的延长,比表面积增加4倍左右。这表明保温时间的延长增加了秸秆生物炭内部的孔隙结构,与SEM分析一致。

4 结论

(1)模拟连续式热解炭化工艺,设计了供气系统、出炭系统、产物收集系统、气体净化系统、温度监控系统,并据此进行了加工,在整个设计制造过程中,设备尺寸控制良好,在设备装配过程中,结构合理,运行稳定可靠,空运行无异响;在试验运行过程中,炉体无白烟冒出,密封效果表现良好。可以切换上下吸方式、控制炭化时间、分层取样等,操作方便。

(2)内加热兼吸式热解炭化装置将生物质的炭化试验过程分为原料准备、系统设置、氧化热解、保温炭化、产物收集等环节。炭化装置可针对不同进气方式、通气量、保温炭化时间等多种变量进行试验,有效减少试验次数,为内热式炭化炉工艺参数优化、热解炭化技术装备升级提供支持和参考。

(3)以稻壳为原料研究了炭化停留时间(10～60 min)对上吸和下吸内热式热解炭化产物特性的影响,试验表明:随着停留时间的延长,上吸及下吸内热式热解炭化变化趋势基本相同,挥发分和固定碳含量均呈下降趋势,灰分增加,碳及氮元素含量均下降,氧元素含量上升,氢元素变化趋势不明显,热值分别从20.7 MJ/kg和22 MJ/kg下降到14.6 MJ/kg和15.2 MJ/kg;比表面积分别从0.73 m2/g和0.78 m2/g上升到3.84 m2/g和3.95 m2/g,生物炭孔隙结构得到了发展。

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