一種用于替代煤的生物質熱解炭化技術

王坤，楊玖林，仇學偉，紀賢瑞

（中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

根據國家部署，“十四五”是碳達峰的關鍵期、窗口期，要構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，實施可再生能源替代行動，要實施重點行業領域減污降碳行動，加快推廣應用減污降碳技術，完善能源“雙控”制度。

煤炭在我國能源消耗中占據著主導地位，也是碳排放的主要來源，尋找一種性能類似的清潔能源，作為煤炭代替品，對實現碳達峰具有重要意義。生物質資源是自然界中唯一的一種可再生碳資源，采用生物質熱解炭化技術將生物質轉化為生物炭（一種品質非常接近原煤的清潔燃料），可用于替代化石能源使用在各大行業中，本文將對該種技術進行探究。

2 熱解炭化過程

生物質熱解炭化過程是生物質在缺氧狀態下，發生熱化轉化形成可燃氣體、液態生物油以及固體炭3 類產物的反應。

生物質在熱解炭化前需要先經過破碎，形成粒徑1~3 cm的顆粒狀，通過進料裝置連續送入炭化爐內，生物質在炭化爐內吸收熱量，水分首先蒸發逸出，生物質內部結構幾乎沒變。然后是揮發分炭化階段，生物質繼續吸收熱量到200 ℃左右，有機質揮發分逐漸揮發，材料內部炭化反應開始，揮發分炭化產物氣態可燃物在缺氧條件下，有少量發生燃燒，且這種燃燒為靜態滲透式擴散燃燒，可逐層為物料提供熱量持續炭化。最后是全面炭化階段，這個階段溫度在300～550 ℃，物料在急劇熱分解的同時產生木焦油、木醋液等液體產物和甲烷、乙烯等可燃氣體，隨著大部分揮發分的分離析出，最終剩下的固體產物就是由碳和灰分所組成的焦炭[1]。

3 生物質熱解炭化反應特點

由于生物質的炭化程度決定了生物炭的產量和熱值，而溫度與時間又是決定生物質炭化程度的主要因素，所以想要得到盡可能多的高熱值生物炭，則對于溫度和炭化時間的控制要求很高。同時，為了降低能耗，整個炭化過程要求不依靠外部熱源就能夠持續進行，這就要求對生物質的產炭比控制在一個準確的范圍。

實踐證明，生物質熱解的速度越快，產生炭的比例越低。因為要追求最大產炭量，所以炭化過程一般選用慢速熱解，故熱解炭化工藝特點可概括為以下3 點：（1）較慢的升溫速度，一般在30 ℃/min 以內。實驗研究表明，相對于快速加熱方式，慢速加熱方式可使炭的產率提高5.6%左右。（2）較低的熱解終溫，500 ℃以內的熱解終溫有利于生物炭的產生和保證良好的品質。（3）較長的氣體滯留時間[1]。

4 熱解炭化系統組成

熱解生產線主要由上料系統、原料預熱系統、進料系統、供熱系統、連續熱解系統、出料系統等組成。

4.1 上料系統

為了實現生物質炭化系統的連續生產，一般系統內設置一套連續上料系統，上料系統一般采用皮帶輸送。原材料在原料車間內通過破碎機破碎，破碎后的原料通過皮帶輸送至接料倉內，接料倉具有滿足生產線一定時間內對原材料的儲存的作用。接料倉內的原材料通過輸送設備連續輸送至原材料預加熱裝置內進行預熱。

對進入熱解生產線的原材料一般要求尺寸≤30 mm，不含金屬、石塊等硬質雜質。

4.2 原料預熱系統

生物質原料由于具有較高的水分，會影響熱解炭化效果，所以在進入炭化爐前，要先對其進行烘干，這樣也能增加余熱的利用。

原材料的烘干通過熱煙氣進行烘干，烘干熱源包括兩部分，一部分為連續熱解器殼側外排的煙氣，煙氣溫度為400 ℃，另一部分為熱解爐反應生成的可燃氣通過熱風爐燃燒后產生的熱煙氣，該部分熱煙氣溫度為850 ℃。這兩部分煙氣再通過一個混風裝置，與冷風混合后，混合成250 ℃中低溫煙氣后，進入烘干機進行烘干，烘干采用直接接觸換熱，煙氣將熱量傳導給低溫介質，將原材料中的水分蒸出。降低水分后的原材料輸送至進料系統。

4.3 進料系統

經預熱脫水后的原材料，經進料系統“熱氣密工藝”連續且穩定地進入連續熱解器內。

進料系統采用熱氣密技術，動態密封是實現工業連續化裂解的關鍵技術之一，即保證物料連續進入熱解器及固體產物連續導出熱解器的同時，防止空氣進入熱解器及熱解器內的油氣泄露，以實現物料在無氧或貧氧條件下，安全、穩定、連續裂解。進料設備設計采用“工藝+結構+物料”相結合的專有密封技術，控制工作壓力始終穩定在設定值范圍內，實現了生產線連續進出料下的穩定動態密封[2]。

4.4 供熱系統

供熱系統由混風裝置和煙氣循環利用的熱循環系統組成。熱解器產生的可燃氣，在通過熱風爐的燃燒后，產生850℃的高溫煙氣，煙氣通過混風裝置，和400 ℃的循環煙氣混合，形成600 ℃的高溫煙氣，該煙氣進入連續熱解器進行供熱，維持熱解反應繼續進行，通過熱解器換熱后，煙氣溫度被降為400 ℃后排出熱解器，該部分煙氣分兩個去向，一部分供到上述所說的再循環系統，與850 ℃煙氣混合形成600 ℃高溫煙氣繼續供熱，另一部分去到烘干機給原料烘干。

熱解生產線正常運行使用的燃料為熱解產生的可燃氣。熱解生產線啟動時或可燃氣供應不足時使用輔助燃料，輔助燃料使用柴油。

4.5 連續熱解系統

連續熱解系統由連續熱解器、清灰機構等設備組成。原材料在常壓、無氧（或貧氧）條件下在熱解器內進行熱解反應，得到熱解氣態產物與固體產物生物炭。

專有的“工藝+結構+物料”相結合的熱氣密技術，確保物料連續進入裂解器，固體產物連續輸出裂解器過程中，杜絕空氣進入連續裂解器，同時避免連續裂解器內的氣體泄漏到大氣中，實現裂解器在無氧/貧氧狀態下連續工作。

分段控溫技術、熱均布技術等專有技術，實現煙氣按需要為裂解反應提供穩定的供熱條件，實現了物料均勻受熱。

4.6 出料系統

從連續熱解器導出的高溫固體產物生物炭經過冷卻降至安全溫度后通過刮板機和斗提輸送至成品庫。

生物炭冷卻利用滾筒冷渣機，采用雙冷卻系統，保證生物炭在與空氣接觸前冷卻到低于40 ℃。

滾筒式冷渣機由進料裝置、筒體組件、轉動系統、驅動系統、出料系統、冷卻系統、防護系統等組成，其中主要系統的構成情況如下。

1）進料裝置：由進料口、進料管、進料箱體、封料裝置等組成，熱解系統高溫生物質炭物料通過進料口進入滾筒內部，進料箱體設有負壓風口，封料裝置通過反螺旋密封防止物料漏出。

2）筒體組件：由內筒、外簡套裝一起構成，并與熱膨脹節、旋轉接頭、回水管形成封閉水腔。內筒內壁焊有呈螺旋狀分布的螺旋導流葉片及縱向葉片，能將生物炭的熱量通過傳導傳遞到循環冷卻水中[3]。

3）所述的出料裝置由出口密封罩、出料口等組成。

4）冷卻系統：由旋轉接頭、筒口進出水管、筒體冷卻水腔等組成，作用是將生物質炭的熱量吸走，快速降低生物質炭溫度。冷卻部分分為冷卻水和冷卻液兩部分，冷卻水通過管道輸送至冷卻塔降溫，冷卻液采用冷水機制冷，溫度約10~15 ℃，通過冷水機自循環。配置冷卻系統溫度和壓力檢測裝置，實時監控，并在物料出口設備上配置在線紅外測溫裝置，實時檢測物料溫度。為防止冷卻系統故障燈原因造成冷卻不徹底，位于下級刮板式輸送機上設備配置冷卻水套和應急噴水裝置，確保安全。

5）防護系統：主要由防護網、警示標示、急停裝置等組成，作用是保護現場作業人員安全，防止安全事故的發生。

冷卻機的工作原理是將熱解系統高溫生物質炭物料通過進料口進入滾筒內部，內筒內壁螺旋分布的螺旋葉片和縱向葉片，將生物質炭熱量通過傳導、對流、輻射等方式傳遞到循環冷卻水中[4]，通過循環的冷卻水和冷卻液將生物質炭溫度降至設計溫度后，通過出料裝置進入下一道工序。

連續熱解工藝流程圖見圖1。

圖1 連續熱解工藝流程圖

5 存在的問題

1）生物質熱解炭化技術，目前主要應用于生產活性炭、高端燒烤炭等高附加值產品方向，而用于煤炭替代方向，國內尚無先例。存在的問題主要是生產成本過高，對于用戶來說，成本高于煤炭市場價格過多，這無疑是難以接受的，所以如何降低成本，成了該行業能否發展起來的重中之重。

2）目前生物質熱解炭化技術，還主要應用于小規模生產中，單條線生物質處理量很難突破5 t/h，如果想要大規模實現煤炭替代，尤其是要在重點領域普及，需要將單線規模做進一步提升。

6 結論

1）利用生物質熱解炭化技術生產煤炭替代品，目前已完成了試驗階段，獲得的生物炭各項指標接近原煤，證明該技術是可行的。

2）想要普及生物炭作為煤炭替代品，目前主要難題在于如何降低生產成本和擴大單線規模，而生產成本中，原料成本占據主要成分，所以如何能夠讓生物炭替代煤炭被廣泛運用，就依靠與未來機械化的快速發展，能夠使生物質的收儲、運輸等成本下降。