規?；B續生物質炭化設備的評價及產品分析

馬 彪, 李 茹

(南京勤豐秸桿科技有限公司,江蘇 南京 211500)

生物質炭因其具有較大的比表面積和豐富的孔隙結構，不僅可以吸附并鈍化土壤中的重金屬，而且對污水中重金屬和有機污染物也有明顯的吸附效果[1]，將生物質炭施加到土壤中，可提高土壤肥力，也可為土壤中微生物提供穩定的棲息場所，因此生物質炭被廣泛用于土壤改良和土壤修復等領域[2-6]。生物質炭可將秸稈中的碳元素以固定碳的形式固定下來，具有固碳減排的效果，也可作為今后解決“碳中和”的一條途徑[7-9]。近些年來，不同類型的生物質炭逐漸被許多專家學者研究，但是研究結果卻有很大差異[10]，這是因為不同工藝制備的生物質炭的理化性質存在很大的差異[11-12]。為了使生物質炭的生產達到標準化，需要研制一款成熟的專門生產生物質炭的炭化設備。

國際上對生物質炭化工藝技術的研究進展迅速，尤其是美國、澳大利亞、英國等發達國家投入大量資金進行生物質炭化工藝和炭化技術的研究[13-14]。早在18屆國際土壤學大會上就已成立了國際生物質炭協會(IBI)，專門從事生物質炭化工藝技術研究[15]。美國加利福尼亞州研發出一款利用高溫氣體進行內外加熱的豎流式熱解設備[16]；英國2009年成立了生物質炭研究中心(UKBRC)，愛丁堡大學研制了三代炭化裝置的樣機[11]；日本、印度也相繼研發出了生物質炭化設備，實現了由炭化試驗平臺向工業化的轉變[17-18]。近幾年來，中國生物質炭化技術也取得了突飛猛進的發展。2014年中國農業農村部規劃設計研究院叢宏斌團隊研發了內加熱移動床生物質炭化設備[19]；國內高校科研人員也開始對生物質炭化工藝及設備進行研究，南京工業大學于紅梅、山東理工大學崔喜彬、南昌大學萬益琴等都相繼研制出不同炭化工藝的炭化設備，用于生產生物質炭，滿足實驗室研究需求[20-22]。企業與科研機構合作研發的固定床式炭化機也取得一定得突破[23]。

但是，美國加利福尼亞州的豎流式熱解設備處理量在1.6～2.5 kg/h，愛丁堡大學研制的三代炭化裝置進料量只有5 kg/h，東北農業大學工程學院設計的生物質熱解反應裝置處理量可達30 kg/h，中國農業農村部規劃設計研究院的中試連續炭化設備處理量也只有100 kg/h，處理量較小，不能滿足工業化生產的需求。國內一些企業還采用傳統的窯式、釜式進行炭化處理，既不能連續生產，生產周期又較長，氣液分離系統不完善，容易造成環境污染[24]。因此，作者研究了一種可用于規?；镔|熱裂解的連續炭化轉窯，并采用玉米秸稈和稻殼制成的顆粒棒為原料，對該設備連續運行30天進行評價，通過分析熱裂解炭化效率及產品性質，評價其規?；a潛力，以期為未來生物質炭化產業提供數據支撐。

1 設備、原料及測試方法

1.1 規?；B續生物質炭化設備

規?；B續生物質炭化設備如圖1所示，整體結構主要由進料及炭化系統單元、氣體分離系統單元以及出炭系統單元3個系統單元組成。進料采用螺旋進料裝置，原料以生物質秸稈顆粒為主，經過上料螺旋、進料螺旋輸送到炭化爐中，在上料螺旋尾部設置鎖風機，防止外部空氣進入。生物質原料在炭化爐中進行熱解炭化，炭化爐內部充入氮氣，整體處于微正壓條件，炭化過后，固體的生物質炭經過底部出料螺旋、夾棍、噴淋，最后得到成品生物質炭。高溫秸稈氣經過氣體分離系統，形成木醋液、木焦油和純凈秸稈氣，木醋液可用來噴淋生物質炭，純凈秸稈氣可用來為炭化提供熱量。整個體系都采用分散控制系統(DCS)進行控制，正常運行期間，DCS控制室1人，巡檢1人，進料口1人，出炭車間1人，即可滿足生產需求，整體設計自動化程度高，人工操作較少，人機協同工作，生產效率較高。該設備的進料速率、炭化溫度、升溫速率、炭化時間和出料速率都可以調節，可滿足不同粒徑、不同原料的炭化，也可根據客戶的需求進行調節。

圖1 規模化秸稈生物質連續炭化轉窯工業化生產系統Fig.1 Large scale straw biomass continuous carbonization rotary kiln industrial production system

1.1.1進料及炭化系統 炭化系統采用雙層轉窯(圖2)，內部為炭化室，外部采用保溫筒，中間為氣體加熱部分，轉窯整體設計一定的傾角，爐體內部設有刮板，保證了生物質的受熱均勻，有利于炭化反應的充分進行。炭化爐內部持續通入N2來置換爐子內部的空氣，既降低爐內氧氣含量，提高炭化得率，又可以對系統起到保護作用。爐體設有10個火嘴，用于加熱，可分為3個區域：第一、二火嘴對應的是干燥區，生物質原料經過上料螺旋和進料螺旋進入干燥區，在此區域進行干燥；第三～六火嘴對應的是炭化區，生物質原料在這個區域初步完成炭化過程；第七～十火嘴對應的是保溫區，經炭化過的原料在此區域進行保溫，確保原料完全炭化。炭化完的原料進入到沉降室中，秸稈氣中含有的炭粉在沉降室中沉降，氣體進入氣體分離系統，固體的生物質炭進入出料系統。

1.進料斗feed hopper; 2.上料螺旋feeding screw; 3.N2入口N2entrance; 4.炭化室carbonization chamber;

1.1.2氣體分離系統 秸稈炭化后產生的氣體溫度很高，而且氣體中含有大量的炭粉、焦油和木醋液，需要經過冷卻洗滌進行分離，該設備設計了三級分離裝置(圖3)。

1.一級洗滌塔primary washing tower; 2.冷凝裝置condensing unit; 3.二級洗滌塔secondary washing tower;

洗滌塔均采用生產出的木醋液進行噴淋，每個噴淋罐從上到下設置4個噴淋頭，高溫秸稈氣通入一級洗滌塔采用下進上出，二級洗滌塔采用上進下出，三級洗滌塔采用下進上出的方式，這樣能增加秸稈氣在洗滌塔中的路程，除去秸稈氣中的雜質。經過三級洗滌噴淋后的液體再排入沉渣池中，在沉渣池中沉降分離出木醋液和木焦油。各級洗滌塔分別對應一個換熱器，沉渣池中的木醋液經過循環水泵先到換熱器中進行冷卻，冷卻過后的木醋液繼續進行噴淋，做到木醋液循環使用，木醋液噴淋到生物質炭上，降低生物質炭的溫度，增加品質，多余的木醋液排放到木醋液儲存罐中。經過三級洗滌塔凈化后的秸稈氣中已經不含木醋液和木焦油等雜質，其主要成分是CO、H2和CH4，具有很高的熱值，將其通過秸稈風機輸送到炭化爐燃燒器中給炭化過程提供能源，可減少液化氣的使用，減少氣體能源浪費，降低生產成本，保證設備的連續運行。

1.1.3出炭系統 炭化完成的生物質炭在沉降室底部進入出炭系統(圖4)，經過一級出料螺旋、夾棍、二級出料螺旋、噴淋箱、三級出料螺旋，最后形成成品的生物質炭，在積炭箱中收集。

1.夾棍粉碎機clamp crusher; 2.積炭箱biochar box

一級、二級出料螺旋以及夾棍均采用夾層水冷技術，生物質炭先經過一級出料螺旋進行冷卻，降低表面溫度，經過夾棍進行破碎，然后經過二級出料螺旋，再次降低生物質炭的溫度，在噴淋箱中進行噴淋，以防止成品發生自燃。經過冷卻、破碎、木醋液噴淋(保證含水率在30%)后進入積炭箱中，積炭箱裝滿后貯藏在炭房中備用。

圖5為出料螺旋的剖面結構圖，在出料螺旋的內壁和外壁之間充滿冷卻水，螺旋軸和螺旋葉片中間設計為空心結構，也充滿冷卻水，可以快速降低生物質炭的溫度，確保炭化的連續穩定運行。冷卻螺旋直徑設定290 mm，螺距250 mm，輸送量5 m3/h,額定功率4 kW，安裝傾斜角度25°，可滿足連續生產的要求。

1.冷卻螺旋外壁outer wall of spiral; 2.冷卻螺旋葉片leaf blade; 3.螺旋軸screw axis

1.2 試驗材料

該設備主要用于解決農業生產上的廢棄物利用問題。實驗用農作物秸稈分別為稻殼和玉米秸稈，將其制成了稻殼、玉米秸稈顆粒進行實驗。這兩種農業廢棄物均來自南京勤豐秸桿科技有限公司，稻殼直接造粒，玉米秸稈經過粉碎后造粒，兩種顆粒的粒徑均為0.8 cm，其基本性質如表1所示。

表1 兩種顆粒原料的基本性質和熱值

1.3 測試項目及評價指標

(1)

(2)

式中：v—每小時產炭量，kg/h；m—積炭箱中生物質炭的質量，kg；w—生產出的生物質炭含水量，%；t—積炭箱積炭時間，h；Y—生物質炭的炭化得率，%；v0—每小時進料量，kg/h；w0—生物質原料的含水量，%。

1.3.2產品測試項目及分析指標 生物質炭主要檢測其含水率、pH值、電導率、固定碳、灰分、揮發分、氮含量以及電子顯微鏡下結構；炭化后得到的氣體通過Gasboard-3100P便攜式紅外煤氣分析儀，檢測其氣體組分以及氣體熱值；炭化后得到的液體經過分離提純后，采用色譜-質譜(GC-MS)檢測液體的成分。

2 結果與討論

2.1 工藝參數對生物質炭的得率和產炭速率的影響

不同類型的生物質原料，在相同的炭化條件下，其產炭速率、炭化得率有一定差異，實驗中考察了進料速率1.3 t/h，炭化終溫(500±10) ℃時，分別以稻殼和玉米秸稈顆粒為原料，在該設備中炭化過程的產炭速率和炭化得率，結果見表2。

表2 2種顆粒料的炭化指標

由表2可知，2種顆粒的平均停留時間均為(100±10) min，玉米秸稈顆粒的產炭速率和炭化得率分別為(0.53±0.03) t/h和46.98%，與稻殼顆粒相比，分別提高了17.8%和24.1%。這可能是因為玉米秸稈顆粒料的灰分含量較大，因此每小時產炭量較高，炭化得率也大于稻殼顆粒料。

2.2 物料平衡

本研究在炭化爐穩定運行后進行測試，連續測定4 h的進料量、出炭量、液體量以及秸稈氣體總量，其中液體量根據沉渣池水位上升高度來計算，秸稈氣總管道以及剩余秸稈氣排空管道上分別裝有氣體流量計，可直接讀出一段時間內秸稈氣體積，其結果如表3所示。

表3 2種原料的物料平衡

生物質炭化設備的穩定性主要表現在物料平衡上。根據秸稈氣中各組分含量，秸稈氣密度近似于空氣密度,因而可近似計算出秸稈氣的質量。由表3得知，在相同條件下，稻殼炭化過程中固體生物質炭占32.6%、液體占25.7%、秸稈氣占41.7%；而玉米秸稈炭化過程中固體生物質炭占40.5%，液體占29%、秸稈氣占30.5%。在工藝設計中，秸稈氣經過分離凈化后，有2/3的氣體又返回到燃燒室中燃燒，為炭化提供穩定熱源，保證炭化連續運行。而稻殼顆粒炭化過程中能產生40%以上的氣體，這些氣體具有較高的熱值，可替代液化氣為連續炭化提供能量，從而使炭化設備在連續運行中利用自身產生的秸稈氣來維持。玉米秸稈顆粒在裂解過程中固體生物質炭占有40.5%，炭化得率較高，可產生較高的經濟效益。在連續炭化過程中，兩種顆粒料物料平衡正常，說明該設備穩定性強。

2.3 產品分析

2.3.1生物質炭品質分析 生物質炭的品質也是對該生產設備評價的重要指標。對2種顆粒料炭化后得到的生物質炭的品質進行評價，見表4。

表4 2種生物質炭產品評價1)

由表4可以看出，經過該設備生產的2種生物質炭均呈堿性，經炭化后其灰分含量有所增加，稻殼炭的電導率遠高于玉米秸稈炭，而2種炭的固定碳含量都大于40%，具有固碳的潛力，可以將秸稈中的碳以固定碳的形式固定到土壤中，是實現“碳封存”的有效方法。生物質炭是作物秸稈炭化所得，由于作物的同源性，其各種營養元素更有利于被作物吸收[25]，生物質炭中含有豐富的元素，可用于土壤改良，提高土壤肥力。2種生物質炭在電子顯微鏡下的結構如圖6所示。由圖可知，2種生物質炭都具有豐富的孔隙結構，具有較強的吸附作用。

圖6 稻殼炭(a)和玉米秸稈炭(b)電鏡照片

2.3.2氣體成分分析 生物質在炭化過程中會產生大量的氣體，其成分復雜，含有多種可燃氣體，具有較高的熱值，因此對氣體組分進行分析并加以利用，不僅能夠減少環境污染，提高能源利用率，而且對以后生物質炭化設備的發展具有重要的意義。本研究采用Gasboard-3100P便攜式紅外煤氣分析儀對洗滌冷卻后的氣體進行分析，共測定了 CO2、CO、CH4、H2、CnHm、O26種氣體的體積分數，如表5所示。

由表5可知，6種氣體均占2種顆粒炭化過程所產氣體總量的77%以上。其中CO、H2、CH4均約占51%，其熱值均達到10 MJ/m3，接近于天然氣熱值(35.15 MJ/m3)的三分之一。因此，秸稈氣可用來給炭化爐進行加熱，維持其正常的運行，但仍有大部分的裂解氣沒有被利用，因此對秸稈裂解氣進行分離提純具有很大的應用潛力。

表5 2種原料炭化后氣體組分和熱值

2.3.3液體成分分析 農作物秸稈經過炭化后產生的氣體，在經過洗滌、冷卻后形成液態物質，該液態物質主要由木醋液和木焦油組成。木焦油是一種含烴類、酸類、酚類較高的有機化合物，常用來做防腐劑和消毒劑。木醋液是一種成分復雜的混合物，其中含有大量的酚類物質。酚類物質是主要抑菌活性組成成分，對植物生長具有一定的刺激作用。特別是其中所含的二元酚或多元酚對植物生長有著顯著的促進作用[26]。木醋液中含有植物生長所必需的營養物質，可以促進作物根系的分化，增加作物根系的活力，促進作物根系對大量元素的吸收，進而促進作物的生長發育過程[27-28]。

本研究主要研究了木醋液的組成成分，將炭化過程中產的液體經過靜置、分離、過濾、提純，除去液體中的木焦油等雜質，形成精制的木醋液，采用色譜-質譜(GC-MS)測試木醋液的組成，結果表明：木醋液中主要含有約74%的水、 10%左右的醋酸、 3.4%左右的酮，0.6%左右的醇、 0.7%左右的吡啶及其衍生物、 1.3%左右的糠醛、 3.0%左右的苯酚及其衍生物、 2.6%左右的苯二酚及其衍生物、 0.9%左右的阿洛糖。木醋液中含有很多復雜成分，而且含有具有毒性的成分，因此木醋液的利用需要對現有木醋液進行進一步的分離提純。

3 結 論

3.1針對農作物秸稈資源化利用問題，設計了一款采用外加熱式規?；B續生物質炭化爐，并考察了炭化爐的穩定性以及生物質炭的品質。實驗結果表明：秸稈在炭化過程中產生的氣體經過洗滌后，用來加熱炭化爐，實現能源自給，采用螺旋進料及螺旋出料，可在進料端和出料端實現密封，減少外界空氣進入，實現了炭化室內部限氧條件，也保證了生物質炭品質。炭化設備每小時可處理1.3 t左右生物質顆粒原料，最高可生產530 kg干炭，炭化得率最高可達46.98%，可在保證生物質炭品質的前提下，實現生物質炭連續穩定規?；a，可為中國的秸稈綜合利用提供一條有效解決途徑。

3.2規模化連續生物質炭化爐只在開始時采用液化氣對爐體預熱，當產生氣體后，利用自產氣體為炭化提供熱量，穩定運行期間只消耗電能，炭化過程中固、液、氣三相分離完全，副產物回收利用率高，各組分產物都能得到充分利用，能耗較低，減少了污染排放和能源浪費，實現了資源的有效利用。通過規?；镔|炭化爐將農作物秸稈等廢棄物進行炭化，實現生物質廢棄物的碳封存，可為未來碳減排與碳交易提供堅實的基礎。