稻殼連續(xù)炭化裝置研究

賴鵬豪　馬曉建　常春　等

摘要：以稻殼為原料針對(duì)自行設(shè)計(jì)的連續(xù)炭化裝置進(jìn)行了熱解試驗(yàn)和研究。連續(xù)炭化系統(tǒng)的3大系統(tǒng)組成：機(jī)械部分、加熱部分和冷卻部分。每一部分都對(duì)熱解過程產(chǎn)生很大的影響。本試驗(yàn)裝置在螺旋輸送研究的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮炭化過程的特殊性將加熱部分分為3段，即干燥段、干餾段、析出段。通過冷態(tài)和加熱的試驗(yàn)分別驗(yàn)證了此裝置對(duì)于物料輸送和炭化的效果，得到了令人滿意的試驗(yàn)結(jié)果，表明該裝置具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；熱解；炭化時(shí)間；熱量

中圖分類號(hào)：S-33；TK64文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）01-0338-04

收稿日期：2014-02-13

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：21176227）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（編號(hào)：14A530002）。

作者簡介：賴鵬豪（1988—），男，碩士研究生，研究方向是生物制品分離與設(shè)備。E-mail：lph742792666@126.com。

通信作者：馬曉建，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向是生物質(zhì)資源化利用。E-mail：maxj@zzu.edu.cn。隨著石油枯竭和生態(tài)環(huán)境惡化，尋找新的能源替代化石能源是當(dāng)務(wù)之急，其中生物質(zhì)能源近年來備受關(guān)注。我國是一個(gè)能源大國，同時(shí)也是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)廢棄物的數(shù)量巨大，每年有7億t以上，為此利用農(nóng)業(yè)廢棄物替代化石能源具有十分重要的意義。目前較為普遍的是將秸稈進(jìn)行壓縮直接當(dāng)做固體燃料發(fā)電，這種方法存在能源利用率低、環(huán)境二次污染的不足。而生物質(zhì)的熱解作為一種古老而又十分有效的處理方式，一直以來都得到大家的認(rèn)可，無論是生物質(zhì)氣化、液化，本質(zhì)上都是生物質(zhì)的熱解過程，使得生物質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，所得的固、液、氣三相物質(zhì)都可以作為能源或者是化工的基礎(chǔ)產(chǎn)品[1-3]。其中以得到固體炭為目標(biāo)的生物質(zhì)炭化過程目前已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但大多為間歇式，此類方式存在生產(chǎn)效率低下和熱解產(chǎn)物利用不充分的問題，為此在本試驗(yàn)中對(duì)生物質(zhì)的連續(xù)炭化裝置進(jìn)行研究，旨在獲得高效的生物質(zhì)連續(xù)炭化裝置，為提高生物質(zhì)利用效率奠定基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用的是自行設(shè)計(jì)的連續(xù)型生物質(zhì)炭化裝置，它依靠螺旋型葉片的推動(dòng)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的連續(xù)輸送過程。與其他相關(guān)炭化裝置相比有以下不同：（1）按照干餾的3個(gè)階段[4]：干燥段、干餾段、保溫段，采用分段加熱，而非整體式加熱；（2）依靠星型進(jìn)料器進(jìn)行密封而非在開始端使用變螺距螺旋；（3）氣體出口沿軸向多點(diǎn)布置，溫度計(jì)沿軸向多點(diǎn)布置，考察實(shí)際干餾過程的溫度變化規(guī)律；（4）采用自動(dòng)溫控箱對(duì)各段溫度進(jìn)行控制。

本裝置由機(jī)械部分、電加熱系統(tǒng)、氣體冷卻系統(tǒng)共同構(gòu)成（圖1）。由于不同的炭化系統(tǒng)形式所獲得的炭化參數(shù)不盡相同，為此有必要對(duì)本試驗(yàn)的炭化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理做適當(dāng)說明，下面就依此分3個(gè)部分介紹整套系統(tǒng)。

1.1機(jī)械部分

本試驗(yàn)裝置按照常規(guī)螺旋進(jìn)行設(shè)計(jì)并確定試驗(yàn)裝置各部分尺寸[5]：螺旋直徑115 mm，螺距100 mm，螺旋葉片厚度 2 mm，筒體為 133×6的不銹鋼無縫鋼管，筒體有效長度 3 m，主軸采用 38×4的不銹鋼無縫鋼管。本裝置選取電機(jī)功率為1.5 kW，螺旋轉(zhuǎn)速調(diào)整由減速器和變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，選取了減速比為35的擺線針輪減速器；在軸端密封采用盤根形式的填料密封，外部通過夾套進(jìn)行水冷卻，在各個(gè)螺旋的末端安裝1.25圈的反向螺旋[6]以方便下料；溫度計(jì)接口和氣體出口在第2段即干餾反應(yīng)段相對(duì)集中，以便于氣體排出和溫度測(cè)量。

1.2加熱部分

加熱采用的是電加熱套，加熱套材料為Gr30Ni70，根據(jù)試驗(yàn)室的線路情況同時(shí)保證較短的時(shí)間內(nèi)升溫到試驗(yàn)所需溫度選取每段3 kW[7]，總的最大加熱能力9 kW。

1.3冷卻部分

冷卻部分包含2個(gè)區(qū)域：固體產(chǎn)物冷卻和氣體產(chǎn)物冷卻。固體冷卻放在螺旋的后半段，使得連續(xù)排放的固體產(chǎn)物的溫度維持在24 ℃，氣體冷卻是將各氣孔的氣體匯集以后分別通過一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)冷凝裝置進(jìn)行冷卻。反應(yīng)時(shí)通過監(jiān)測(cè)炭倉溫度和氣體最終冷卻溫度來調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)量。

2結(jié)果與分析

2.1冷態(tài)測(cè)試

將一定量的稻殼倒入料倉中，同時(shí)開動(dòng)進(jìn)料器，然后啟動(dòng)上、下螺旋軸并計(jì)時(shí)，當(dāng)有稻殼流出時(shí)記錄時(shí)間t1，接著直到稻殼完全流出時(shí)記錄時(shí)間間隔t2，具體的試驗(yàn)數(shù)值參見表1，最后計(jì)算得到此設(shè)備的輸送能力，為炭化過程提供必需的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)為以后的設(shè)計(jì)提供參考。

表1稻殼冷態(tài)輸送效果

對(duì)一個(gè)螺旋輸送機(jī)來說，物料填充率的大小至關(guān)重要，它很難通過定量計(jì)算的方式獲取，最簡便的方法就是在設(shè)備調(diào)試階段進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算之前假定物料在螺旋內(nèi)部物料沿軸向分布一致，并且每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也一致，設(shè)物料重m（本試驗(yàn)取1 kg稻殼），記錄物料從進(jìn)料到剛開始出料的時(shí)間間隔t1，如表1中的t1記錄值，出料到完全出完料的時(shí)間間隔（除去始末兩端出料稀少的時(shí)間）t2，如表1中的t2記錄值，假定螺旋的有效輸送長度為L，則物料的輸送速度可以表示為v=L/t1，則物料在管內(nèi)的相對(duì)長度L′可以表示為L′=v×t2，從而得到單位長度管道內(nèi)的物料重量mL：

mL=π4×ρ×（D20-d2）×ηv=mL′ 。

式中：mL表示物料堆積密度，kg/m；D0表示筒體內(nèi)徑，m；d表示軸徑，m；ηv表示填充率，%；m表示物料重，kg。

由上式可以反求得到填充率的近似值：

ηv=4π×1ρ×mL×t1t2×1D20-d2。

本設(shè)備通過測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下的填充率，求其平均值得到ηv為19.2%，并依此數(shù)值進(jìn)行流量的理論值計(jì)算。在此填充率下，管內(nèi)顆粒方便受熱，同時(shí)在較低填充率下使得稻殼顆粒有足夠的空間發(fā)生混合，使得炭化均勻度更高，所以一般生物質(zhì)炭化設(shè)備填充率的推薦值不要超過30%。endprint

螺旋輸送的質(zhì)量流量公式我們參照流體力學(xué)公式 Qm=ρ·v·A 并引入填充率ηv和系數(shù)C1，則螺旋的輸送量為：

Qm=C1·ηv·ρ ·v·A。

式中：v表示表示軸向速度平均值，根據(jù)其理論值[8]引入次數(shù)C2，則軸向速度表示為v=C2·S·n，m/min；A表示指螺旋橫截面積，A=π·（D2-d2），m2；D表示螺旋外徑，m。

將各項(xiàng)代入并整理可得Qm=C1·C2·ρ·π4·（D2-d2）·n·S·ηv，令C=C1·C2·π4，則質(zhì)量流量公式為：

Qm=C·ρ·（D2-d2）·n·S·ηv。

從上式可以看出當(dāng)螺旋參數(shù)一定時(shí)輸送某種物料的輸送量僅與轉(zhuǎn)速成正比。為求取常數(shù)C，不妨設(shè)Qm=k·n，參照最小二乘法思想求解，代入數(shù)據(jù)得到k等于1.25，進(jìn)而得到常數(shù)C為50.24.則螺旋輸送生物質(zhì)的理論質(zhì)量流量公式為：

Qm=50.24×ρ×（D2-d2）×n×S× ηv。

理論流量與實(shí)測(cè)流量之間的關(guān)系見圖2。

因此，對(duì)于按照常規(guī)設(shè)計(jì)的螺旋輸送機(jī)用來輸送生物質(zhì)顆粒，此時(shí)d=0.3D，S=D，ηv=20%。可以將上述的k值代入得到質(zhì)量流量的估計(jì)值為：Qm=9.14×ρ×D3×n，用于輸送量的粗略估計(jì)。

2.2熱解過程

試驗(yàn)材料：自然風(fēng)干的稻殼。試驗(yàn)條件：設(shè)置第1段溫度250 ℃，第2段500 ℃，第3段550 ℃[9]，轉(zhuǎn)速分別是3.5、55、6.8、8.4、10.1 r/min，分別用A、B、C、D、E表示。

2.2.1熱量分析由于本裝置螺旋直徑較小使得徑向溫度差距不大同時(shí)螺旋直徑相對(duì)于螺旋的長度小得多，另外本試驗(yàn)過程中各點(diǎn)的溫度變化量都不大，而此變化量大小與熱量變化的大小存在一定的關(guān)系，即劇烈的溫度變化必然對(duì)應(yīng)劇烈的熱量變化，此變化關(guān)系在小范圍內(nèi)可以近似為線性關(guān)系，因此為方便和簡化溫度數(shù)據(jù)的處理以及快速建立溫度變化與熱量變化之間的關(guān)系，作出如下簡化：

（1）忽略溫度場(chǎng)徑向方向的差異，溫度場(chǎng)在空間上僅沿軸向變化，即T～T（xi，t）；

（2）軸向單位長度內(nèi)，溫度場(chǎng)的熱量變化與溫度變化量成正比，且比值恒定。

在此簡化條件（1）的前提下定義Tm、Tn。Tm表示在不加生物質(zhì)不使用加熱套的前提下溫度場(chǎng)的溫度值，Tm～Tm（xi，t）；Tn則是在添加生物質(zhì)不使用加熱套條件下溫度場(chǎng)的溫度值，Tn～Tn（xi，t）。

在0時(shí)刻第i點(diǎn)的溫度為T（xi，0），其余任意時(shí)刻的溫度為T（xi，t），其中xi表示第i個(gè)測(cè)溫點(diǎn)距離T0沿軸向距離（忽略豎直段長度，具體位置見圖3），可得：

ΔTm（xi，t）=Tm（xi，t）-Tm（xi，0）。

同理可得

ΔTn（xi，t）=Tn（xi，t）- n（xi，0）。

進(jìn)而得到

ΔT（xi，t）=ΔTn（xi，t）-ΔTm（xi，t）。

其中： Tm（xi，t）、ΔTn（xi，t）、ΔT（xi，t）均表示熱解反應(yīng)的溫度場(chǎng)溫度變化，ΔTm（xi，t）表示由于設(shè)備的輻射散熱引起溫度場(chǎng)溫度的變化量；ΔTn（xi，t）表示熱解引起的溫度場(chǎng)變化；ΔT（xi，t）表示ΔTn（xi，t）中除去ΔTm（xi，t）因散熱而引起的溫度場(chǎng)變化。

考慮到在不使用加熱套的情況下，防止各點(diǎn)溫度下降幅度過大，因此每組試驗(yàn)稻殼用量取1 kg。分別在A、B、C、D、E條件下記錄T1～T10測(cè)溫點(diǎn)的Tm、Tn，通過處理得到各條件下的終溫變化結(jié)果ΔT（xi，t）。

熱解一段時(shí)間之后隨著反應(yīng)的完成各點(diǎn)都能達(dá)到恒定的溫度，即終溫恒定，因此我們可以通過對(duì)各點(diǎn)終溫沿軸向積分，再建立溫度變化與能量變化之間的關(guān)系就可以得到熱解所需要的熱量。

通過本節(jié)開始的簡化條件可知在軸線方向上單位長度內(nèi)熱量變化量與其溫度變化量成正比，即δQ/dx=Ck·ΔT（x），接下來主要針對(duì)如何求取Ck值進(jìn)行討論。

為求取Ck，可以在只有加熱套加熱的條件下記錄各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化，依照前述溫度的處理過程記錄并處理得到空白加熱條件下的溫度變化情況ΔT（xi，0），第2段的加熱功率為2.5 kW，第3段加熱套的加熱功率為2.42 kW，記錄時(shí)間為368 s，取熱效率為0.7，則引起第2段、第3段的溫度變化的熱量投入為ΔQ=1.27 MJ。

將第2段加熱套的起始端定為0點(diǎn)，加熱套覆蓋的總長度為3 m，其中首尾兩點(diǎn)的溫度值是根據(jù)線型插值得出的估計(jì)值，則各測(cè)溫點(diǎn)的位置及溫度變化如圖4所示。在[0，3]范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)值積分。即，ΔQ=Ck·∫30ΔT（x）dx≈62.35×Ck，將ΔQ=1.27 MJ代入得到：

Ck=20.33 kJ/（K·m）。

在Ck值已知的情況下通過對(duì)1 kg稻殼在不同熱解條件下的終溫變化沿軸向積分然后可以方便地求得單位重量稻殼熱解吸收的熱量值。各條件下的終溫變化數(shù)據(jù)見表2，最終的積分處理結(jié)果見表3。

表2不同條件下終溫變化結(jié)果ΔTf

測(cè)溫點(diǎn)位置xi（m）條件A條件B條件C條件D條件ET11.0670-6-1-11T21.267-14-20-15-26-6T31.667-48-61-58-41-44T41.867-43-54-52-34-44T52.267-30-26-25-24-28T62.4676611-8T72.667-101-4-6-15T82.917-7-16-9-10-7T93.3170-4-23-6T103.71766693

表3不同條件下熱解過程的熱量變化結(jié)果

條件Qm

（kg/h）ΔQ

（kJ/kg）P總endprint

（kW）條件A3.91866.61.00條件B6.801 079.01.75條件C8.51982.42.20條件D11.07792.92.86條件E13.64926.03.52

表中：Q表示熱解過程所需熱量，ΔQ=Ck·∫3.7171.067ΔTf（x）dx，kJ/kg；ΔP總表示熱解過程所需要提供的加熱功率，P總=∑51ΔQI5×Qm3 600=0.258·Qm，kW；將Qm=50.24×ρ×（D2-d2）×n×S×ηv代入P總表達(dá)式，得到：P總=12.96×ρ×（D2-d2）×n×S×ηv，kW。

同理，將Qm=9.14×ρ×D3×n代入P總表達(dá)式，則對(duì)于按常規(guī)設(shè)計(jì)的螺旋用于熱解時(shí)所需要的加熱功率為：

P總=2.36×ρ×D3×n，kW。

將表3中所有ΔQ值求平均得到930 kJ/kg，此值可以作為稻殼熱解設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)，并且具有一定的代表性。

2.2.2炭化結(jié)果分析每組試驗(yàn)均以5 kg稻殼進(jìn)行熱解試驗(yàn)，最終試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)所得固體形態(tài)見圖5，從圖中可以清晰看到其仍然能夠保持稻殼的完整形態(tài)，這樣的形態(tài)能夠有效防止氣體夾帶炭化粉末。

對(duì)于1 kg稻殼來講，約含有15%的水合二氧化硅和85%表4連續(xù)炭化試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)條件轉(zhuǎn)速

（r/min）反應(yīng)時(shí)間

（min）原料重量

（kg）固體產(chǎn)物

（kg）液體產(chǎn)物

（kg）揮發(fā)分

（%）灰分

（%）固定碳

（%）A3.512.051.951.4859.5742.6747.75B5.58.052.051.43512.0742.3245.60C6.86.051.951.48012.1044.0343.88D8.44.851.901.50514.1243.6242.26E10.14.052.201.45012.2245.6542.12

的有機(jī)質(zhì)成分，經(jīng)過干餾炭化以后所得固體炭約為0.255 kg，焦油和木醋液為0.34 kg，氣體量為0.255 kg，也就是反應(yīng)得到固體產(chǎn)物應(yīng)該是二氧化硅與固體炭的綜合，0.405 kg，液體量0.34 kg。灰分的主要成分是二氧化硅，固體產(chǎn)物中的灰分值不低于37.5%[10]。表5顯示，固體產(chǎn)物得率維持在40%上下，液體30%，變化很小，在固體產(chǎn)物中灰分平均為428%，固定碳45.64%，揮發(fā)分1156%。兩者相比，基本吻合。所得固體產(chǎn)物的揮發(fā)分、灰分、固定碳含量隨轉(zhuǎn)速（反應(yīng)時(shí)間）的變化如圖6所示。

表5炭化產(chǎn)物含量的參考值與實(shí)測(cè)值對(duì)比%

固體產(chǎn)物液體產(chǎn)物氣體產(chǎn)物參考值實(shí)測(cè)值參考值實(shí)測(cè)值參考值實(shí)測(cè)值40.540343025.530

表4中幾組試驗(yàn)的揮發(fā)分為12%，相對(duì)較高，故而提高炭化溫度，將第2段溫度設(shè)定為550 ℃，第3段為 650 ℃，轉(zhuǎn)速分別為3.5、5.5、6.8、8.4、10.1 r/min，即Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、Ⅴ5組試驗(yàn)。

連續(xù)炭化試驗(yàn)結(jié)果見表6 ，固體產(chǎn)物中灰分、揮發(fā)分、固定碳隨熱解時(shí)間的變化如圖6。從圖6可以看出，通過提高溫度能有效地減少產(chǎn)物中的揮發(fā)分含量，在高溫條件下停留時(shí)間的長短在一定范圍內(nèi)對(duì)揮發(fā)分的減少作用不明顯，但是固定碳含量能在一個(gè)較高的水平上，依此更傾向于高溫條件的炭化。最理想的是灰分、揮發(fā)分較低，固定碳較高，從圖6可以看出在250-550-650 ℃、轉(zhuǎn)速6.8 r/min，即反應(yīng)時(shí)間約6 min（停留時(shí)間不含冷卻段的時(shí)間，僅指有加熱存在的時(shí)間）具有較好的炭化效果。表6連續(xù)炭化試驗(yàn)結(jié)果

3結(jié)論

（1）對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)的螺旋其質(zhì)量流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系是：Qm=50.24×ρ×（D2-d2）×n×S×ηv，其填充率基本維持恒量，本設(shè)備填充率約20%，輸送生物質(zhì)顆粒時(shí)其質(zhì)量流量也可由下式估算：Qm=9.14×ρ×D3×n。

（2）熱解過程除去水分干燥部分，整個(gè)過程所需要的熱量輸入為930 kJ/kg，此數(shù)值可以作為其他生物質(zhì)設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。對(duì)于有軸螺旋形式的連續(xù)熱解反應(yīng)裝置所需要的加熱功率為：P總=12.96×ρ×（D2-d2）×n×S×ηv ；按照常規(guī)設(shè)計(jì)的螺旋熱解裝置加熱功率也可以按照下式進(jìn)行估算：P總=2.36×ρ×D3×n。

（3）在一定范圍內(nèi)隨著熱解溫度的升高，固體產(chǎn)物的揮發(fā)分會(huì)降低，而灰分值基本維持不變，造成固定碳含量略有上升。最佳的反應(yīng)時(shí)間約6 min，反應(yīng)時(shí)間不能一味降低，過短的反應(yīng)時(shí)間意味著較高轉(zhuǎn)速，較大的設(shè)備尺寸，造成能量的嚴(yán)重?fù)p耗和材料的浪費(fèi)。

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