生物質連續熱解裝置改進試驗研究*

2021-10-29 02:07:52邵東偉欒積毅秦書松馮海城

新技術新工藝 2021年9期

韓平，羅瑤，邵東偉，欒積毅，秦書松，馮海城

(佳木斯大學，黑龍江佳木斯 154000)

我國現有的生物質資源充裕，儲量約50億噸，通過生物質能源轉化技術可以高效合理地利用這部分資源[1]，這有利于緩解國家經濟及能源安全問題，還可以明顯改善氣候變暖等全球性的環境問題[2]。

現階段應用最為廣泛的生物質利用方式之一就是熱解，通過熱解技術可以將農林生物質原料轉化為氣、液、固三態產物[3-5]。其中，固態的生物質炭具有穩定的碳結構和理化性質[6]，在能源、農業生產及生態環境等方面具有突出的應用價值而得到廣泛的關注。生物質原料和熱解過程中的熱解溫度、熱解升溫速率、保溫時間等多個因素都會影響生物質炭的得率和品質，而其中熱解反應溫度對生物原料炭化程度的影響最為明顯[7-13]。因此，準確地控制熱解過程中熱解反應器的溫度就顯得尤為重要。

為了準確控制熱解反應溫度，本文以生物質連續熱解裝置為研究對象，在原有基礎上進行改進設計，得到一種能夠準確監測和控制反應溫度的生物質連續熱解炭化裝置。并以松子殼為原料，通過比較裝置改進前后在不同熱解溫度下所得生物質炭的品質，對所設計的裝置進行驗證評價。

1 連續熱解裝置的改進設計

連續熱解炭化的工藝過程是把管式電阻爐中的反應管加熱至設定的熱解反應溫度，然后通過螺旋給料的方式把生物質原料輸送到反應管內進行熱解反應，反應過程中產生的揮發物通過出氣口排出，同時進入下一階段的冷凝系統進行冷凝[14]，以獲取液體生物油產物，剩余產物為不可凝氣體產物。

以往的試驗設備都是通過測定反應管外壁溫度作為加熱控制器的控制溫度[15]，并以此作為熱解反應的溫度，但是此溫度不能正確反映生物質原料的熱解溫度，也容易產生對熱解規律的誤解。為了克服上述缺點，本文設計了一種能夠準確監測并控制熱解溫度的連續熱解裝置。

該連續熱解反應裝置由給料系統、熱解反應系統和溫度監控系統組成，包括驅動電動機、連接軸、給料箱、無軸給料螺旋、反應管、電阻爐、出氣口、炭箱、溫度傳感器和加熱控制器等主要部件。反應裝置示意圖如圖1所示。

圖1 連續熱解反應裝置圖

該反應裝置采用無軸螺旋進行給料，通過連接軸與驅動電動機相連接，獲得動力；驅動電動機配有變頻調速裝置，可以調整物料的輸送速度，從而控制熱解的時間。采用無軸螺旋既減輕了送料部件的質量，又方便于生物質物料在反應管內的運送，可以大大提高物料的輸送效率，而且有利于熱解產生的揮發物迅速通過出氣口排出反應器，進入冷凝系統。

因為管內的溫度才是物料實際的熱解溫度，所以在反應管末端插入溫度傳感器直通到給料螺旋內部，用以監測并控制熱解溫度，可以根據實際條件對傳感器的插入深度進行調節。由于給料螺旋無中心軸，且傳感器探針直徑遠小于給料螺旋的內徑，所以傳感器不會與給料螺旋發生干涉。

該熱解反應裝置的溫度控制邏輯如圖2所示：預先設定熱解反應溫度，由加熱控制系統對電阻爐進行加熱，并以溫度傳感器所采集的溫度信息作為熱解反應器的實時溫度，反饋到加熱控制器進行判斷，當實際反應溫度小于預設的反應溫度時，繼續加熱；反之，斷電保溫。裝置改進之后，以溫度傳感器反饋反應管內部的溫度作為熱解反應溫度，并通過控制器進行實時修正，使其能夠準確監測和控制連續熱解炭化的反應溫度，使反應在最佳的狀態下進行。該裝置可以準確監測并控制熱解反應溫度，更有利于探索生物質的熱解規律。

圖2 熱解反應溫度控制邏輯

2 裝置試驗

2.1 試驗原料

連續熱解試驗選用東北紅松果實殼作為原料，簡稱松子殼，物料顆粒粒徑≥10 mm，在60 ℃烘干箱里干燥24 h以上，降低原料中水分。采用YX-GYFX7701全自動工業分析儀和YX-ZR9301自動量熱儀對試驗原料進行工業分析和熱值測試，測試結果見表1。

表1 松子殼的工業分析

2.2 試驗方法

在改進的連續熱解裝置上對松子殼進行熱解試驗，選定熱解溫度分別為500、550、600和700 ℃進行連續熱解試驗。電動機轉速設置為2 r/min，熱解時間約為11 min。

3 結果與討論

3.1 熱解溫度對比

圖3所示顯示了在熱解溫度為550 ℃時，試驗裝置改進前后熱解溫度的變化情況。

圖3 改進前后熱解溫度變化情況

從圖3可以看出，當溫控裝置設定為550 ℃時，加入原料后，改進前后的溫度存在極大的差異，改進前的溫度變化波動大，出現明顯波峰；改進后的溫度變化平緩。溫度的波動是由于熱解反應過程中物料存在放熱反應，導致反應器內的溫度升高，而由于熱解反應是以傳感器采集到的反應器外壁溫度作為控制溫度，所以物料在反應器內的實際反應溫度無法被及時反饋并被有效控制，導致實際熱解反應溫度高于設定的熱解反應溫度。而通過改進后內部控溫可以發現，物料的整個熱解過程均處在設定溫度范圍之內，因此熱解結果能夠更真實地反應熱解狀況。

3.2 生物質炭化產率對比

分別在改進前后設備上進行不同溫度下熱解試驗，并對所獲生物質炭的產率進行分析，結果如圖4所示。

圖4 不同熱解溫度下三態產物產率

從圖4可以發現，熱解的基本規律保持一致，即隨著熱解溫度的升高，生物質炭產率呈現下降的趨勢[16-17]，并且改進前的整體變化趨勢相較于改進后提前。改進后在700 ℃時，生物質炭產率下降至25%；而在改進前，當熱解溫度為550 ℃時，生物質炭產率下降到25%。可以發現，雖然在裝置改進前后，生物質炭產率隨熱解溫度整體變化的趨勢，仍舊能夠符合正常的熱解規律[18]，但炭產率受熱解溫度的影響程度卻出現明顯的區別，原因在于熱解溫度的控制方法不同，導致熱解反應溫度與實際情況存在偏差，對于后續進一步研究難免造成一定影響，這與熱解溫度對比的試驗結果一致。

3.3 生物質炭質量對比

考慮到更改前設備內部溫度存在一定程度波動，因此對設備改進前后所獲生物質炭產物的相關參數進行測定，其中灰分和揮發分的對比結果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著熱解溫度的升高，揮發分逐漸下降。通過揮發分的變化趨勢來看，改進前在控制溫度為600 ℃時，炭產物揮發分降到10.5%，而改進后則在控制溫度為700 ℃時，揮發分含量才降為11.3%。而根據灰分含量的變化則呈現不同的趨勢，在改進前控制溫度由500 ℃升至600 ℃時，灰分含量增加，隨著控制溫度繼續增加，灰分含量開始下降，這可能是由于反應器內部溫度遠高于控制溫度，灰分出現部分融化，容易出現積灰、結渣等問題，從而增加了設備的磨損，不利于設備的養護[19]。而改進后整體的設備能準確測量反應器內部溫度，提升了試驗的穩定性，同時減少了對設備的損耗。

圖5 灰分和揮發分

同時分析了各熱解溫度下所得熱解炭的熱值，分析結果如圖6所示。從圖6可以看到，生物質炭的熱值遠高于生物質原料的熱值，但隨溫度升高，炭熱值逐漸下降，而改進前后呈現的規律基本一致，均為實際溫度和控制溫度的溫度差導致。因此，溫度變化對化學組分和熱值的變化規律影響較小。

圖6 熱值

考慮生物質炭的品質容易受到溫度的影響，為更直觀比較改進前后在不同溫度下所得熱解炭的品質，通過掃描電鏡分析(SEM)，得到結果如圖7所示。

從圖7SEM圖中可以看出，在不同的熱解溫度下，生物質炭均存在一定的孔隙結構，但在不同的熱解溫度下，比較各控制溫度下的改進前后熱解炭可以發現，改進前裝置熱解所得炭的孔隙率相對較低，且孔隙結構無明顯規律，表明在熱解過程中溫度波動對孔隙的形成造成較大影響[20]，而改進后裝置所得熱解炭則呈現孔隙隨溫度增加而減少的現象，與之前的研究結果保持一致[21]。因此，穩定的溫度能夠更好地為原料提供熱解環境，并得到品質相對較好的熱解產物。