基于棉花秸稈炭的高品質生物質炭化爐設計

閆樹軍，李 勇，張學禮，郝 磊，李 健

(1.西安交通工程學院，陜西 西安710065； 2.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300)

0 引言

目前生物質炭資源的開發與利用已成為國內外學者研究的焦點，大量的農林廢棄物以閑置、亂堆和焚燒等形式被浪費掉，也直接或間接對環境帶來負面影響[1-3]。為了有效利用生物質資源，各國研究者著力開發生物質炭燃料、生物質炭復合肥和生物質炭吸附材料，以期提升生物質資源的利用價值[4-5]。通過前期研究，掌握了棉稈炭化期間熱解失重規律及棉稈炭的力學和能量指標；采用熱重法測試了不同炭化參數棉稈炭的燃燒特性；利用灰色綜合評價法對棉稈炭的多個燃燒指標進行綜合評價，掌握棉稈炭的燃燒特性，對以棉稈為基體的生物質炭資源的開發與利用起到一定的推動作用[6-9]。

當前市場銷售的生物質炭化爐種類繁多，以窯式干餾炭化爐和螺旋推進的連續炭化爐為主，這兩類炭化爐都以燃燒煤和天然氣為熱源，熱源不穩定且溫控不夠精確導致炭化品質不統一[10-11]。同時這兩類炭化爐設備均為大型產業化設備，針對高校和科研院所需要的小型炭化爐極為少見。高校和科研院所進行炭化試驗多以高溫電阻爐作為炭化設備，其炭化單批盛放量極為有限，升溫降溫速度過慢不利于開展試驗。

1 炭化爐總體結構設計

針對現有炭化爐存在的不足，研究能實現自動進出料的電熱棒快速加熱、鼓風快速冷卻和混合多層盛放料樣的試驗用炭化爐。

1.1總體結構

多功能試驗炭化爐主要由盛料部分、尾氣處理、加熱部件和機架部分4部分組成，結構如圖1所示。

1.2工作原理

將生物質物料加到物料箱內，通過電機帶動將物料添加到爐內和盛料盤中，開啟電控箱設置溫控范圍(室溫～700 ℃)，通電加熱，到達指定溫度后開始記時，通過熱電偶反饋和保護，到達預定時間后關閉加熱管電源。加熱過程中，尾氣管排出煙氣，濃度較濃時，在尾氣出口實現尾氣燃燒，開啟鼓風機鼓風，氣流經機殼柵格板散出；爐內溫度降至30～50 ℃時，取出試樣。

2 關鍵部件設計

在炭化爐的設計過程中，主要結合空氣量、煙氣量、炭化量，以及炭化溫度設計與調控缸體組件、炭化爐機架、尾氣裝置和冷卻裝置。

2.1炭化原料選擇

新疆是我國棉花的主產區，每年大批量棉花秸稈粉碎后，被深翻埋入地下。為有效利用棉花秸稈，項目選用棉花秸稈作為原料制備棉花秸稈炭。

2.2空氣量和煙氣量

生物質燃料需消耗氧氣，理論上1 kg生物質原料充分燃燒所需空氣量稱為理論空氣量。1 kg秸稈充分燃燒需理論空氣量為

(1)

式中V0——1 kg原料充分燃燒所需的理論空氣量，m3kg

Car——1 kg原料中C元素含量，kg

Har——1 kg原料中H元素含量，kg

Oar——1 kg原料中O元素含量，kg

測得棉稈元素含量：Car=41.32%，Har=6.22%，Oar=40.11%，Nar=1.46%。棉稈充分燃燒所需的理論空氣量為

(2)

在實際燃燒工況中，燃料與空氣不會充分燃燒，在燃燒裝置中大部分處于富氧燃燒環境。在進行爐灶的實際設計時，所需空氣量V=1.4V0=5.592 m3kg

1 kg生物質原料充分燃燒所生成的煙氣量稱為理論煙氣量。生物質原料充分燃燒所產生的氣體主要包括CO2、SO2、N2和水蒸氣。

1 kg生物質原料充分燃燒所產生的理論CO2的體積為

(3)

1 kg生物質原料充分燃燒所產生的理論N2的體積為

(4)

1 kg生物質原料充分燃燒所產生的理論水蒸氣的體積為

(5)

故，理論生物質原料煙氣體積表達式為

(6)

棉稈所含元素含量依次為Car=41.32%，Har=6.22%，Oar=40.11，Nar=1.46%。

因此，1 kg生物質原料充分燃燒所產生的理論煙氣量為

(7)

煙氣中除了有生物質原料完全燃燒所產生的CO2、N2和H2O等氣體外，還有余量O2。余量空氣量ΔV1=αV0-V0

生物質原料燃燒實際煙氣量為

=6.421 Nm3kg

(8)

2.3炭化量

因此，炭化爐炭化缸體體積

V0=KVm

式中V0——炭化缸體初估體積，m3

Vm——10 kg棉花秸稈粉末體積，m3

K——放大系數(等于含運行時間)

考慮秸稈材料焦油排放設計、尾氣排放和物料間隙的設計要求，炭化爐缸體設計容量應在加料體積基礎上加大20%，缸體工作體積Vg=1.2V0=0.419 m3，單次最大可炭化秸稈粉末52.3 kg[12]。

2.4炭化溫度設計與調控

前期基礎試驗表明，棉花秸稈炭化溫度范圍300～600 ℃[8]。為了實現溫度自動調控，設備采用REX系列電子式溫控器，電壓220 V，控溫范圍0～1 300 ℃。REX系列溫度控制器采用智能PID控制，溫度控制器根據熱電偶(熱電阻)測量信號與用戶設定值的偏差進行PID運算，從而發出命令讓繼電器動作，達到自動控制及自動恒溫的效果。溫控器配備熱電偶，熱電偶安裝于炭化爐缸體外壁時傳感缸體溫度。為了有效測量缸體內部溫度，在設備上端安裝雙金屬溫度儀表顯示溫度范圍，溫度顯示范圍0～600 ℃。炭化爐加熱選用5件組合2520型不銹鋼加熱管，安裝在炭化爐底部實現干燒環境加熱。

2.5炭化爐機架組件

炭化爐機架以角鋼組成框架支撐爐體，如圖2所示。缸體通過螺栓與支架平板連接，為確保安全防護和保溫要求，機架側面安裝厚度1.5 mm的不銹鋼柵格板4塊。炭化爐內缸為圓筒，材質鋼板，上下端與法蘭盤焊接，容量為0.419 m3。炭化期間，爐內持續升溫，產生大量煙氣，煙氣隨管道排出，待炭化2.5 h后關閉管道閥門，缸體內仍會產生少量煙氣，形成封閉干餾(內壓)環境，經試驗計算內壓為0.2 MPa，尾氣排放管道采用無縫鋼管制成。

2.6輔助裝置

2.6.1尾氣排放裝置

棉花秸稈材料加熱炭化會產生大量的煙氣，完全燃燒的煙氣量6.421 Nm3kg。棉稈材料炭化屬厭氧干餾、不完全燃燒，按照煙氣量為完全燃燒的10%計算，炭化爐單次工作煙氣量67.1 m3。按工藝煙氣耗散的時間2.5 h，單位時間煙氣量26.84 m3h或7.45×103cm3s。參考小型鍋爐設計煙氣流速，煙氣流速以1.2 ms計算，尾氣管道直徑計算公式如下[13-14]。

式中N——單位時間煙氣量，cm3s

v——煙氣流速，ms

計算得管道直徑89 mm，依照規格，選用材質為20#鋼，外徑100 mm，內徑92 mm，壁厚4 mm。尾氣管與上平板封頭相接，固定于機體側面。尾氣管道設置成可調節的橫管與豎管，橫管用于直接排空，豎管下端連接尾氣燃燒口。

2.6.2冷卻裝置

為了能使斷電之后的爐體快速冷卻，炭化爐選用鼓風機鼓風冷卻缸體，在炭化爐下機架板加裝4個成對角布置的單軸流鼓風機。

3 自動進出料裝置

炭化爐自動進出料裝置主要是在工作過程中輔助完成自動進出料，適用于小型秸稈炭加工廠的工藝和相關配套，解決常用炭化爐炭化后靜置冷卻時間過長的問題，能夠快速填料和卸料，極大地提高生產效率。

3.1總體結構

該裝置主要是由傳動機構實現物料的進出：電機正轉，膠帶傳動，帶動齒輪正轉，與齒條嚙合，完成進料；電機反轉，膠帶傳動，齒輪反轉，齒條同步完成出料。機架通過軸承連接于主軸，主軸與輪子固定，輪子在軌道上運動，結構如圖3所示。

3.2關鍵部件

3.2.1物料箱

如圖4所示，物料箱主要用于盛放棒狀桿類物料，結構為長方形殼體，前方開口方便物料的裝卸，左右兩側為焊接耳，耳分3部分，靠近箱體部分與機架接觸起支撐作用，中間部分鑲嵌齒條傳動物料，遠離箱體部分起支撐作用與炭化爐內橫梁相接完成箱體懸空放置。

3.2.2機架

機架主要起支撐作用，放置電動機、膠帶輪、齒輪和電機控制器等，支撐物料箱的質量，由軸承連接安置于主軸上，并在軌道上運動，結構如圖5所示。

3.2.3炭化爐主體

炭化爐由爐體、密封門、溫度控制器、燃燒器、壓力計和閥門等組成，是物料炭化發生的關鍵部件。密封門防止溫度外散，溫度控制器控制調節爐內溫度，壓力計控制爐內壓力，閥門控制可燃氣流量。炭化爐結構如圖6所示。

爐體外壁為耐高溫和耐磨性鋼材，里面一層由180塊耐火磚砌成溝壑狀，嵌上電爐絲提供熱量。采用干餾炭化方式，利用炭化過程的一氧化碳、甲烷和氫氣等可燃氣體，通過煙氣凈化分離出木焦油、木酸液而得到純正的可燃氣體。利用自配風燃燒器燃燒加熱，物料進入爐體內部，開啟溫度控制器調節爐內溫度，由高到低逐漸升溫，高溫碳化部分開啟燃燒器，利用獨立氣體回收管道回收炭化分解的可燃氣體，通過燃燒器燃燒對管道加熱，達到循環加熱炭化的效果。

該炭化爐可用于秸稈炭化，鋼制爐膽作為炭化柜，柜外有煙氣通道，最外是圓型爐殼。炭化柜上有帶有通氣管道并可轉動的爐箅，溫度由電爐絲發熱提供，炭化產生的煙氣凈化生成可燃氣，回爐后在爐體底部點燃通過加熱金屬板提供熱量，重復操作2～3 h可在無氧或缺氧條件下悶炭，通過燃燒柜內揮發物維持溫度，燃燒氣體經煙氣道繞經悶炭柜爐膽壁，保持炭柜中的溫度在220～300 ℃。經過約12 h，無揮發物排出時柜內物料全部炭化，一般3 t物料可制成1 t木炭。炭化爐體如圖7所示。

3.2.4密封門

該裝置內壁由耐高溫陶瓷制成，主要作用是保持爐內的熱量防止熱量散發。密封用耐高溫和耐摩擦的金屬密封圈，外壁材質與炭化爐相同，起支撐和固定作用，密封關鍵部位固定在內壁上，有一塊厚度逐漸增加的半圓盤，另一側為U型擋塊，密封門圓盤在手柄作用下，慢慢轉入U型擋塊，由于厚度越來越大，配合越來越緊，壓迫密封圈，達到密封效果，密封門結構如圖8所示。

3.2.5燃燒器

裝置燃燒器為燃氣燃燒器，如圖9所示。用于將炭化過程產生的可燃氣進行二次利用，提高資源的利用率。

4 樣機試驗

設備委托機械廠加工，鼓風機置于側面，如圖10所示。利用該設備按照制炭工藝，以棉花秸稈棒和秸稈粉末為原料進行相關試驗。

5 結論

(1)裝置主要由自動進出料裝置、加熱部件、盛料部分和尾氣處理部分組成，可以按照設計要求完成相關炭化試驗。

(2)試驗結果表明：制炭成型率達93.6%，燃燒性能達標率95.3%，單爐炭化秸稈棒和秸稈粉末達到設計指標，可以高效完成棉花秸稈炭化工作，滿足設計要求。

(3)存在的問題：炭化爐僅針對棉花秸稈和粉末實現炭化，對其他生物質還需要經過炭化試驗改進和優化，增加適用性提高炭化效果。