外加熱式生物質連續熱解設備燃氣凈化系統的研究

摘 要：生物質連續熱解是清潔能源產能的復雜熱化學，基于生物炭化熱解，對其內部的纖維、木質素進行分解，從中結合相應設備與材料，產生熱解氣焦油和木醋液等副產物。生物質能熱解一般按照加熱方式分為外熱式、內熱式和自燃式3種，文章基于外加熱式生物質熱解炭化工藝展開論述，探討相關設備的工藝特點和粗燃氣組分特征，分析相關技術，以供參考。

關鍵詞：外加熱;生物質能;熱解;燃氣凈化

外熱式生物質熱解的優勢在于對加熱過程的溫度可操控，能夠根據生物質量和規格調節相應的適應性溫度，利于操作，缺點則表現為能耗較大，熱效率與其他加熱方式相比較較差。外熱式生物質連續熱解設備一般采用流動的高溫熱氣體或電熱絲通過炭化室間接加熱，因此，在加熱技術工藝流程環節上必須注重能耗和效率的平衡，對溫度的控制必須要精確把控。生物質熱裂解（又稱熱解或裂解），其意義為在無氧或低氧環境下，生物質被加熱升溫引起分子分解產生生物炭、生物油和不可冷凝氣體產物的過程，是生物質綜合開發利用的重要形式之一，也是我國清潔能源組成的重要部分。外熱式加熱方案相比較內熱和自然來說換熱效率較差，內熱式加熱是通過將熱氣體直接通過底部通入，與燃燒物原料接觸面較大，受熱均勻，溫度一般在460-550℃左右，直接加熱效率較高[1]。自燃式炭化技術是直接在炭化室通過自然的方式內部加熱，換熱效率最高，能耗最少，熱損失率低，從成本方面來說具有很大優勢，但是對炭化工藝的細節參數以及相關設備指標要求較高，操作難度大，諸如進風量與爐內壓力的控制必須要重點管控。

1 外加熱式生物質連續熱解燃氣凈化分離工藝概述

外加熱式生物質連續熱解炭化工藝過程分為連續熱解和熱解氣凈化分離2部分，連續熱解工藝主要包括密封進料、均勻布料、連續熱解、保溫炭化等工段。熱解氣凈化分離工藝主要包括除塵、多級組合冷凝、洗氣等[2]。

1.1 密封進料

密封進料是指在盡量避免攜帶空氣的情況下，將生物質原料從進料倉密封送入熱解反應器內。針對空氣富氧化問題進行處理，在操作前進行預處理，空氣富氧化處理和氧氣制取方法分為物理法和化學法，常用的方法為物理制氧，以空氣為加工原料，通過相關處理方法脫氮制氧，包括深冷法、變壓吸附法、膜分離法以及組合處理法。以變壓吸附法為例，使用人工合成的具有篩選分子作用的水合硅鋁酸鹽（泡沸石）或天然沸石對空氣中的氧、氮進行分離提取，效率高、流程快、成本低、能耗少，操作靈活，并且可以對產量和純度能夠進行調和控制，在中小型用氧場合應用成效較好，在外熱式加熱中能夠提供較好儲備。

1.2 均勻布料

均勻布料是指盡可能均勻地將物料由料斗推送至熱解反應器內，確保設備穩定運作，根據物料粒徑或品種，需要不同的布料方案以及傳遞進料方式。同時還要確保布料中沒有粉塵。粉塵會影響外熱式加熱的換熱效率和燃燒時間，因此，外熱式熱解還要重視脫除粉塵環節，根據粉塵種類和成分選擇相應的技術，比如濕式除塵、靜電除塵、袋式除塵等。但視除塵量和除塵效率，常用的還是機械除塵技術，處理直徑正常，非纖維、非粘性的干燥粉塵。

1.3 連續熱解

連續熱解是設備工作和工藝進程的核心階段，物料在熱解回轉筒內翻轉推進，采取外加熱的換熱方法，多級旋流梯級換熱的導熱系統，經歷烘干脫水和分裂熱解2個階段，反應溫度的調控、熱解時間的長短、換熱效率的高低對生物炭的得率和品質均有較大影響[3]。

1.4 燃氣提質

指將燃氣中的CO2，與H2通過甲烷化合成提升其熱值的工藝過程。甲烷化技術過程是一個強放熱過程，反應溫度為250～600℃，控制反應溫度和回收反應熱量是該工序的技術關鍵。盡管生物質熱解氣中無機硫和有機硫含量較低，但少量硫即可導致催化劑永久性中毒失去活性，因此在燃氣甲烷化處理前進行了脫硫處理[4]。

1.5 保溫炭化

保溫炭化該階段處于連續熱解和冷卻出炭之間，是指生物炭在熱解反應后繼續保溫熟化一段時間，完全反應后再進入到冷卻出炭部分。該緩沖階段能夠使生物炭始終保持在較為恒定的溫度，避免因溫度驟降而導致熱解油附著在生物炭上。適時降低溫度后，避免由于高溫接觸空氣加上自身可燃性質引起自燃情況，因此，在保溫炭化后需要進行降溫冷卻，在取出時要保持密封狀態，減少與外部接觸，保證炭品質量和裝置設備安全性[5]。

2 外熱式生物質熱解設備燃氣凈化分離輔助性關鍵技術

熱解粗燃氣協同分離與多級凈化處理技術工藝環節多，除每個工藝環節涉及的具體工藝技術外，外加熱熱解工藝系統中還涉及以下輔助性關鍵技術。

2.1 安全預警與防爆技術

熱解氣作為可燃氣體，雖然高溫過熱或供氧量問題導致的爆炸風險相比較自燃式熱解工藝較小，但是由于加熱方式的差異，自燃式加熱的自燃區與燃氣管道相互連通，進風和爐內壓力控制一旦出現問題，就會使得內部氧氣燃燒不充分，產生爆炸。而外熱式對于溫度的控制可以適時調節，發生爆炸的概率較低，在防范措施方面要更重視安全預警工作，實時監測熱解加熱狀態，明確裝置中的氧氣量變化，對燃氣溫度、儲氣裝置壓力、燃燒加熱時長以及換熱效率重點關注，加以防范[6]。

2.2 污染物脫除與減排技術

木焦油、木醋液和分離出的有害氣體直接排出或泄露均會對環境造成重大負面影響。并且外加熱熱解也要確保熱煙氣的純度以及間接加熱的炭化室內是否存在煙塵、粉塵等雜質影響熱解效率。污染物脫除與減排是提高生物質熱解生產系統綜合效益的關鍵要素之一，相關措施包括系統的氣密性設計、凈化分離后廢氣處理技術、木醋液與木焦油封存技術等。

2.3 智能監測與控制技術

可靠的智能監測與控制技術是生產系統安全.高效運行的重要保障，生產系統工況監測、安全預警和各功能單元協調運行均需智能監測與控制作為技術支撐。智能監測與控制主要涉及熱解反應室進風（氧）量監測與控制、反應室負壓監測與控制、燃氣組分在線監測、設備各功能單元有序控制等技術問題。

3 結語

綜上所述，文章主要探討外熱式熱解技術工藝特點和熱解粗燃氣加工處理技術，考慮到熱解技術的復雜工藝，對于燃氣的分離凈化需要在熱解各個環節加以重視，具體技術拗口空氣密封進料、均勻布料、連續熱解、保溫炭化等。燃氣協同分離與多級凈化技術工藝系統涉及多個工藝環節，保障系統安全高效運行，除集成各工藝環節對應的具體技術外，還須配套多項輔助性關鍵技術，主要包括安全預警與防爆技術、污染物脫除與減排技術、智能監測與控制技術等。

參考文獻：

[1]蘭珊，趙立欣，姚宗路，等.外加熱式生物質連續熱解設備燃氣凈化系統的研究[J].現代化工，2018，38（5）：173-176.

[2]趙立欣，賈吉秀，姚宗路，等.生物質連續式分段熱解炭化設備研究[J].農業機械學報，2016，47（8）：221-226，220.

[3]叢宏斌，姚宗路，趙立欣，等.生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統開發[J].農業工程學報，2017，33（18）：173-179.

[4]袁艷文，趙立欣，孟海波，等.生物質炭化熱解氣催化重整制取費-托合成氣研究進展[J].化工進展，2019，38 （z1）：152-158.

[5]胡二峰，趙立欣，吳娟，等.生物質熱解影響因素及技術研究進展[J].農業工程學報，2018，34（14）：212-220.

[6]叢宏斌，趙立欣，姚宗路，等.內加熱連續式生物質炭化設備的研制[J].太陽能學報，2014，35（8）：1529-1535.

作者簡介：

郭鳳明（1984- ），男，漢族，籍貫：山東省臨沂市平邑縣，大學本科，中級工程師，研究方向：煉焦化工機械設備。