連續型自循環碳化工藝及設備的研究

羅剛銀 劉占軍

摘 要：對生物質燃料的碳化工藝進行研究，以實現顆粒狀生物質燃料碳化過程的自循環和連續性，達到高效率、易操控、綠色碳化的目的。

關鍵詞：生物質顆粒；自循環；連續性；滾筒碳化爐

中圖分類號：TQ352.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0062-02

1 引言

環保木炭作為一種廢物再生能源燃料，發熱量比煤炭熱值高，無煙，無味，無毒，清潔衛生，用途廣泛。目前大部分廠家使用的是傳統的木材碳化設備，爐體由鋼材骨架和耐火材料澆筑而成，其優勢在于可以碳化塊狀的各種木材，并能回收碳化過程產生的焦油等液態物質，其碳化所需的熱量也可以由碳化所產生的可燃氣體燃燒提供；但是這種碳化設備也存在明顯的缺點，生產過程不能連續進行，每次生產完成后，都必須將木材料籠取出冷卻、卸料后再重新裝料碳化；燃燒不完的氣體簡單洗滌凈化后會排到大氣中，對環境有一定的污染。因此，市場急需一種可連續生產的綠色環保的碳化設備。

2 碳化設備的工作原理

生物質固體在無氧或缺氧狀態下加熱到一定溫度，可分解為可燃氣體、焦油、焦炭等物質，焦油蒸汽隨可燃氣體逸出，相應炭材則是所需產品，該過程就是生物質的碳化過程。碳化作用還可以解釋為將煤、木材、油頁巖等在隔絕空氣下加熱分解為氣體（煤氣）、液體（焦油）和固體（焦炭）產物，焦油蒸氣隨煤氣從焦爐逸出的過程。焦油蒸汽可以回收利用，焦炭則由焦爐內推出。不同物質的碳化所需的溫度差別很大，一般分為低溫碳化（500～580℃）、中溫碳化（660～750℃）和高溫碳化（900～1100℃），還有成堆碳化或煤堆碳化等。碳化所得氣、液、固產物的相對數量隨加熱溫度、時間和壓力變化而變化。因此，變換和調節碳化過程的條件即可達到不同的生產目的。

3 連續型自循環碳化設備工藝流程

連續式自循環碳化設備主要由氣化爐、碳化滾筒、凈化冷卻設備等部分組成。碳化爐為碳化設備啟動初期的工作過程提供熱量；碳化滾筒是物料碳化過程發生的主要裝置，碳化滾筒需要嚴格的密封，工作時，根據不同生物質顆粒的特性，碳化溫度范圍在500-700攝氏度中間進行調節，碳化時間也由30-60分鐘不等；凈化冷卻設備主要處理在碳化過程中產生的可燃煙氣及焦油蒸汽等，首先對混合氣體洗滌，除去焦油和可溶于水的氣體，然后再進行冷卻，處理后的氣體為之后的碳化過程提供能量。為了保證設備的密封性，整條生產線的進料和出料全部由絞龍完成，并且利用物料對絞龍的填充來保證進一步的密封。只有整個生產過程做到嚴格的密封，才可能成功的進行自循環、連續性的碳化生產。

4 設備主要部分介紹

4.1 氣化爐的結構及作用

氣化爐在整個生產過程中主要為碳化過程的啟動階段提供可燃氣體，當碳化設備所產生的可燃氣體足夠為碳化過程提供熱量時，就可以關閉氣化爐，使其停止工作。

氣化爐部分主要由進料機、氣化爐爐體、攪拌器、觀察口、進料絞龍、出料冷卻絞龍組成。氣化爐的工作原理與碳化設備一樣，物料由上料絞龍和進料機進入到氣化爐內后，在缺氧狀態下點燃，使物料進行不完全的燃燒，攪拌器的作用是讓物料的這種半燃燒狀態均勻、徹底的進行。在這種高溫、不完全燃燒的過程中，產生大量的可燃煙氣，煙氣經由洗滌、冷卻設備處理后，由風機通過管道輸送到碳化滾筒保溫段底部進行燃燒，為整個設備的碳化過程提供能量。氣化爐內半燃燒后的物料稱為灰燼，通過燃燒網板進入到氣化爐的錐體部分，再經冷卻絞龍排到外部。每次生產啟動時，氣化爐的工作時間大約30-40分鐘即可滿足需求。

4.2 壓蘭密封裝置

在整個設備的工作過程中由于需要在氧氣隔絕或者嚴重缺氧的情況下進行，那就需要對整個設備進行密封。相對靜止的部件，密封比較容易實現，而密封不易實現的主要是相對運動部件，主要有兩處，一是進料機和碳化滾筒的密封，另一處是碳化滾筒與前后端頭的密封。經過分析與驗證，采用石墨壓蘭的密封結構，基本可以解決這類問題。

進料機的壓蘭密封裝置主要由壓蘭、石墨盤根、外法蘭管內法蘭組成。外法蘭管與碳化滾筒端面開孔焊接，石墨盤根安裝在內法蘭和壓蘭中間，進料機位置在內法蘭孔內。當擰緊螺栓后，壓蘭擠壓石墨盤根，使石墨盤根向內法蘭中心處膨脹，這樣就可以擠滿石墨盤根與進料機外壁的間隙，由于石墨盤根的耐磨特性和耐熱特性，該密封裝置可以達到長期有效的效果。前后端頭的密封和進料機的密封原理、結構相同。

4.3 雙層碳化滾筒結構

碳化設計成滾筒結構是為了能夠連續的進行生產，而雙層的滾筒結構相對于單層滾筒結構也存在明顯的優勢。

如圖1所示雙層碳化滾筒結構，物料由進料口進入，在內層滾筒內向后端頭方向行進，內層滾筒相較外層滾筒而言溫度較低，對進入的生物質物料主要起烘干作用，物料在后端頭處進入到外層滾筒中，外層滾筒溫度較高，一般溫度在500-700攝氏度（可根據物料不同進行調整），物料進過外層滾筒的高溫碳化后，從前端頭底部的出料口排出，完成一次碳化過程時間一般在30-60分鐘不等。由于雙層滾筒加大了物料在滾筒內的行程，加內外滾筒的溫差，對物料含水量的要求放寬，碳化效率更高、效果更好。

4.4 煙氣冷卻凈化設備

在氣化爐和碳化滾筒中產生的混合煙氣，除了有可燃的一氧化碳、甲烷氣體外，還有一些焦油蒸汽、粉塵碳粒等。這些混合氣體需要進一步的處理后才能進行燃燒，這樣可以減小對空氣的污染，也提高了燃燒的效率。

煙氣的凈化冷卻設備，煙氣經過雙聯洗滌塔除去可溶于水的物質，冷凝焦油蒸汽，也能除去氣體中的碳粒。經過雙聯洗滌塔的煙氣再由煙氣冷卻器進行風冷，煙氣冷卻器是由上下箱體和中間的螺旋翅片管組成，雙行程的回路可以對氣體進行充分的冷卻。經過凈化冷卻后的煙氣就是相對純凈的低溫可燃氣體，在引風機的作用下從出風口排出。

4.5 水冷出料絞龍

氣化爐和碳化滾筒在出灰或者出料時，碳灰或者碳化后的物料都含有很高的余熱，這樣對出料絞龍的損害是非常大的，為了保證生產的正常進行，就必須采用水冷絞龍進行出料。水冷出料絞龍就是含有“隔套”結構的絞龍，冷卻介質在絞龍內外殼體中間。冷卻介質水在絞龍里低進高出，這樣絞龍的隔套內就時刻充滿冷卻水，比熱容較大的水，加上不斷的循環流動，可以對絞龍內的高溫物料進行充分冷卻。為提高冷卻效率，也可以做成三聯的水冷絞龍，用增加物料在蛟龍內的流動行程來提高冷卻效率。

5 生產步驟及調節方法

生產時，首先啟動氣化爐和煙氣凈化冷卻設備，利用氣化爐產生的可燃氣體加熱碳化滾筒，啟動碳化滾筒部分，當碳化滾筒產生的煙氣足夠碳化加熱使用時，關閉氣化爐部分的設備，碳化滾筒部分實現自循環的連續生產。在此過程中，可根據碳化滾筒內的溫度和實際的出碳質量對生產過程進行調節。當滾筒溫度過高，碳化產物出料有燒焦現象時，可調整滾筒轉速，使滾筒轉速加快，同時通過截止閥來減少可燃氣體的供給量；當滾筒內溫度過低，碳化產物出現不完全碳化現象時，可降低滾筒的轉速，同時增加可燃氣體的供給量。生物質碳化過程中，滾筒內部的溫度大概控制在500-700攝氏度不等，碳化時間40-60分鐘不等（可根據實際物料及出料質量進行調整）。

6 連續型自循環滾筒式碳化設備優勢

連續型自循環滾筒式碳化設備基本上具備了所有碳化設備的優點：首先環境污染小， 傳統炭化方式在廢棄資源轉化為經濟產品的同時，出現了污染環境的嚴重問題，據專家考證，老式炭窯、傳統機制炭化爐炭化方式成為環境污染的新源頭，眾多制炭廠家炭化時產生了大量濃重的煙霧，不僅成為環境保護的瓶頸問題，甚至成為殃及城市陰霾天氣的罪魁禍首。連續型自循環滾筒式碳化設備利用自身炭化時產生的煙氣變為可燃氣燃燒自身，零污染、零煙氣排放。其次生產效率高，設備不僅可以進行一天24小時的不間斷生產，并且每條生產線只需要2-3人即可正常操作。最后，設備節能效果好，由于碳化所需的能量基本上全部由自身碳化產生的可燃氣體提供，大大減少了能源的投入，真正做到了綠色節能的生產模式。

7 結語

隨著全球經濟的發展，環境保護越來越受到各國的重視，我國在發展經濟的同時，也將環境保護列為一項基本國策，嚴格限制使用土窯燒炭污染環境。連續型自循環滾筒式碳化設備的開發應用有效的順應了國家政策，環保炭化設備日益得到關注。采用連續型自循環滾筒式碳化設備生產環保木炭，是勢在必行，且利國利民的措施，定會在國家的支持下得到大力發展。

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