水氣雙向分離式生物質連續(xù)熱解中試設備研制

于炳馳， 孟海波， 秦 超， 邢浩翰， 葉炳南， 李慶達， 叢宏斌， 胡 軍

（1. 黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163000；2. 農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院，農業(yè)農村部農業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

0 引言

生物質熱解技術是指將生物質原料置于無氧或少氧環(huán)境中升溫加熱，通過制造高溫、缺氧環(huán)境來使原料中的大分子物質分解，進而形成生物炭、生物油和熱解氣的過程[1-3]。生物質熱解技術主要有兩個優(yōu)點。一是由于生物質熱解技術在反應過程中保持無氧或少氧狀態(tài)，原料幾乎不會燃燒，可以減少二氧化碳及有害氣體的產生，是一種綠色環(huán)保的農業(yè)廢棄物處理技術[4]。二是生物質熱解技術可以將秸稈、稻殼等農業(yè)廢棄物轉化為生物炭、木醋液及可燃氣等具有高附加值的產品[5]。生物質熱解技術不僅可以促進農業(yè)資源循環(huán)利用，還可以提高生物質資源的利用價值，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有較高的應用價值及較好的推廣前景。

近年來，國內眾多科研單位和高校開發(fā)出了各種類型的熱解反應裝置。叢宏斌等[6]基于內源加熱及分段熱解技術開發(fā)了內加熱連續(xù)式生物質炭化中試設備。王娜娜等[7]設計了移動式生物質快速熱裂解裝置，該設備處理原料以松木屑為主，在林區(qū)進行作業(yè)。蔣恩臣等[8]以變距螺旋輸料器為核心設計了一種生物質熱解反應裝置。叢宏斌等[9]開發(fā)了一套生物質連續(xù)熱解炭氣油多聯(lián)產中試系統(tǒng)。但目前已有的熱解設備普遍存在熱解氣中水分含量高及設備密封性差等問題。

課題組根據農業(yè)廢棄物原料特征及熱解產物特點，提出水氣雙向分離熱解工藝方案，開發(fā)水氣雙向分離式生物質連續(xù)熱解中試設備，對水氣雙向分離熱解反應器、進料裝置及冷卻出炭裝置進行設計，并以玉米秸稈為原料對設備進行連續(xù)熱解試驗，以期為設備示范應用提供基礎支撐。

1 工藝方案與設備組成

1.1 工藝方案

工藝方案由熱解和熱解氣處理兩個部分組成，如圖1 所示。熱解包括密封進料、內筒烘焙、外筒熱解、固氣分離、冷卻出炭；熱解氣處理包括熱解氣燃燒、回流供熱、余熱利用、凈化除塵。

圖1 水氣雙向分離連續(xù)熱解工藝方案Fig. 1 Technology route of two-way separation of water and gas based on continuous pyrolysis

（1）密封進料。由于熱解要在無氧或少氧環(huán)境中進行，因此在物料從料倉輸送至熱解反應器的過程中，要盡量防止空氣進入[10]。此外，進料器中還應始終保持有一定高度的物料，用料封來加強設備密封性。

（2）內筒烘焙。物料首先進入內筒，在螺旋抄板的作用下前進并進行烘焙。在此階段，物料中含有的水分及易揮發(fā)物質析出形成烘焙氣[11]。其中，水蒸氣在第1 窯頭罩中冷凝，通過下方的排水口排出，剩余氣體通過第1 窯頭罩的排氣口進入燃燒室。

（3）外筒熱解。物料在內筒中運行至末端時掉落到外筒中進行熱解，生成的生物炭在螺旋抄板的作用下沿著與進料方向相反的方向進行移動，移動到第2 窯頭罩的排炭口時排出，生成的熱解氣從排氣口排出進入燃燒室中。

（4）高溫熱解氣直燃。高溫熱解氣主要由CO、CH4、H2等燃氣及未冷凝焦油組成，焦油在燃燒室中與熱解氣一同燃燒，燃燒后產生的高溫煙氣可為設備熱解提供所需熱量，多余部分進入余熱鍋爐[12-14]。

（5）回流供熱與余熱利用。將熱解氣燃燒產生的高溫煙氣回流到高溫煙氣套筒中，為設備提供熱解所需熱量，以此達到減少外部能源消耗的目的，多余部分進入余熱鍋爐[15]。

（6）凈化除雜。經過熱量利用后的氣體還含有少量的灰塵、焦油及其他雜質，因此還需要經過冷卻、除塵等工序才能排出[16]。

（7）冷卻出炭。設備生成的生物炭溫度很高，直接排出有自燃的風險，因此在出炭之前需要進行冷卻。由于出炭裝置與外界直接連通，因此需要保證出炭裝置具有良好密封性，以防止空氣進入熱解反應器中。

1.2 設備組成

水氣雙向分離式生物質連續(xù)熱解中試設備主要由進料裝置、熱解反應器、燃燒室、氣體凈化裝置及冷卻出炭裝置組成，如圖2 所示。

圖2 水氣雙向分離式生物質連續(xù)熱解設備組成Fig. 2 Composition of two-way separation of water and gas equipment based on biomass continuous pyrolysis

設備作業(yè)時，物料通過進料裝置進入熱解反應器內筒中，在螺旋抄板作用下進行移動。物料首先在內筒中進行烘焙，物料中的水分及易揮發(fā)物質析出形成烘焙氣，烘焙氣中的水蒸氣冷凝后通過第1 窯頭罩的排水口排出，氣體通過排氣口進入燃燒室中。物料運行至內筒末端時進入外筒中進行熱解，物料中的揮發(fā)分析出形成熱解氣，通過排氣口進入燃燒室中。烘焙氣與熱解氣分別通過第1 窯頭罩的、第2 窯頭罩的排氣口進入燃燒室中，水蒸氣冷凝后排出，實現水氣雙向分離，以此達到去除水蒸氣的目的。當物料運行至第2 窯頭罩的出炭口時進入冷卻出炭裝置完成出炭。烘焙氣與熱解氣進入燃燒室后形成高溫煙氣，其中一部分回流到高溫煙氣套筒中為熱解反應器提供熱量，然后通過排氣口高空排放；另一部分進入余熱鍋爐中進行余熱利用，通過后續(xù)的凈化裝置排出。

1.3 技術參數與性能指標

水氣雙向分離式生物質連續(xù)熱解中試設備的主要技術參數與性能指標設計如表1 所示。

表1 設備主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of equipment

2 關鍵部件設計

2.1 水氣雙向分離式連續(xù)熱解反應器

水氣雙向分離式連續(xù)熱解反應器主要由內筒、外筒、高溫煙氣套筒、窯頭罩、傳動裝置等組成，如圖3 所示。其中，內筒主要是對物料進行烘焙，在熱解前對物料進行烘焙可有效提高生物質燃料性能，主要體現在含水率、固定碳含量、能量密度和疏水性等指標上，還可提高生物炭產率及熱解氣品質。因此物料在內筒中的停留時間應較長，以保證物料可以充分烘焙。外筒則是對物料進行熱解，如果物料在外筒中停留時間過短，會導致物料無法充分炭化；但如果停留時間過長，生物炭會被燒成灰，降低生物炭產率，因此物料在外筒中的停留時間應保持在合理范圍內。在熱解過程中，物料停留時間及受熱均勻度直接受螺旋抄板影響。

圖3 水氣雙向分離式連續(xù)熱解反應器結構Fig. 3 Structure of two-way separation of water and gas reactor based on continuous pyrolysis

螺旋抄板以課題組已授權的發(fā)明專利為依據進行設計計算，專利號為CN107033925A，在此簡要列出設計公式[17]。

物料前進速度為

經計算過后，熱解反應器參數如下。物料處理能力25 kg/h，物料在反應器內的平均滯留時間35 min，物料堆積密度100 kg/m3，物料填充系數0.15。內筒與外筒長度均為4 000 mm。內筒直徑400 mm，螺旋抄板長度360 mm，高度80 mm，螺距320 mm。外筒直徑900 mm，螺旋抄板長度400 mm，高度120 mm，螺距400 mm。

2.2 密封進料裝置

由于熱解過程需要保持無氧或少氧條件，因此設備在運行時需要保持良好的密封狀態(tài)，而進料裝置直接與外部連通，密封性尤為重要，且進料裝置還要兼顧進料的均勻性。進料裝置結構如圖4 所示，主要由料倉、進料膠帶、儲料倉、上下料位計、半圓進料器及進料螺旋組成。

圖4 密封進料裝置結構Fig. 4 Structure of feeding device

進料工作由進料膠帶、半圓進料器及上下料位計完成，進料膠帶和半圓進料器受上下料位計控制。具體工作過程：當儲料倉內的料位高度低于下料位計時，進料膠帶啟動，半圓進料器開始旋轉進料，然后由進料螺旋將物料輸送至反應器內；當料位高度高于下料位計時，半圓進料器停止工作，并保持凹槽向下，進料膠帶繼續(xù)進料；當料位高度高于上料位計時，進料膠帶停止工作，此時物料將半圓進料器覆蓋，防止下次進料時外部空氣涌入，加強進料裝置密封性。

2.3 密封冷卻出炭裝置

密封冷卻出炭裝置主要由儲炭箱、出炭螺旋、儲料箱、回轉筒、對輥排炭器、螺旋板、水位計、回轉支撐軸承等組成，結構如圖5 所示。其中，儲料箱為靜止段，而回轉筒為水平旋轉段，以電機為動力、回轉軸承為支撐進行旋轉，螺旋板焊在回轉筒壁上，與回轉筒一起轉動。

圖5 冷卻出炭裝置結構Fig. 5 Structure of biochar cooling outlet device

工作時，先通過注水口注水，當水位達到上水位計時停止注水，此時出炭口處于水封狀態(tài)。當熱解反應器內的生物炭運行至出炭口時，首先落入儲料箱中，在對輥排炭器作用下，生物炭由對輥縫隙落至螺旋板，螺旋板在回轉筒帶動下將生物炭向下運輸。生物炭的密度小于水的密度，但生物炭具有較強吸水性，在吸水后沒有外力作用時會保持懸浮狀態(tài)，在有外力作用下便會移動。因此在螺旋板及后續(xù)生物炭的擠壓作用下，生物炭向下運動，最后由出炭螺旋向外輸送至儲炭箱中，完成出炭工作。當水位低于下水位計時，外部供水裝置自動進行補水。采用水封不僅可以保證出炭裝置完全密封，還可以對生物炭進行冷卻，防止生物炭遇到空氣自燃。

螺旋板設計遵照一般螺旋輸料器的設計理論，關鍵參數設計應符合下列公式。

螺旋外徑

根據《機械設計手冊》，具體參數為K=0.05、ψ=0.3、C=1，當 γ=120 kg/m3時，D≥ 82.41 mm。在本裝置中，螺旋板外徑應符合旋轉筒的錐度變化，因此最上端螺旋板直徑為425 mm，向下依次遞減，最下端為300 mm，螺距均為125 mm，轉速n=3 r/min。

3 調試運行與設備檢測

3.1 調試運行

基于設備設計制造和控制軟件的開發(fā)，對水氣雙向分離式生物質連續(xù)熱解中試設備進行了運行調試。首先進行冷態(tài)運行測試，結果表明，設備運行參數達到了設計要求，進料、出料裝置可按照預設的程序正常工作，設備整體運行穩(wěn)定。在此基礎之上，對設備進行了實際生產運行測試。

3.2 設備檢測

以玉米秸稈為原料，反應器轉速為1.8 r/min，炭化溫度650 ℃，對設備進行連續(xù)性生產測試，啟動時用柴油進行點火，穩(wěn)定運行后利用回流的熱解氣提供熱解所需的熱量，并用氣相色譜儀對熱解氣進行組分分析。在試驗過程中，設備運行穩(wěn)定，密閉性良好，通過控制管路閥門的開合度及風機轉速來控制設備壓力，使壓力穩(wěn)定在預設區(qū)間內。利用手持式氣體檢測儀對設備各處密閉性進行檢測，均沒有發(fā)現漏氣現象。

對設備的主要技術指標進行了測試，3 次運行時間均為1 h，得到的數據取平均值后如表2 所示。從數據可以看出，各項技術指標均達到了設計目標與要求。

表2 設備性能指標Tab. 2 Performance index of equipment

4 結論

采用水氣分離、熱解氣回用、余熱利用、凈化除塵等技術工藝，對水氣雙向分離熱解反應器、進料和冷卻出炭裝置進行了專門設計，開發(fā)了水氣雙向分離式生物質連續(xù)熱解中試設備，有效減少了熱解氣中的水分含量，提高了設備密封性，實現了設備的穩(wěn)定運行。

運行測試結果表明，水氣雙向分離式生物質連續(xù)熱解中試設備物料處理能力27.6 kg/h，生物炭得率32.2%，熱解氣產率0.41 m3/kg，燃氣熱值15.3 MJ/m3，熱解氣含水率6.82%，各項技術指標均達到了設計要求，為設備示范應用奠定了基礎。