節能干餾炭化爐設計

關鍵詞：生物質炭；炭化爐；溫度監控

0 引言

農業種植量在我國占比較大，伴隨的問題是農業廢棄生物質的處理，農業廢棄生物質包含農作物秸稈、加工過程中產生的稻殼等，而農業廢棄物作為清潔的可再生資源，是可以充分利用的能源之一[1-2]。熱化學轉化技術對提高廢棄生物質回收利用具有重要意義[3]。生物質炭化，是指生物質在隔絕氧或缺氧條件下吸收熱能，破壞生物質內部大分子結構，使其轉化為固體炭、可燃氣體和焦油等混合物的過程[4]。生物炭作為可再生資源，對于提高土壤質量、吸附水雜質、解決重金屬污染等很重要[5-6]。一些發達國家對于此技術探究較早、研究進展較快，炭化設備主要以熱解廢棄生物質獲取焦油、木醋液、可燃氣為主[7-8]。我國對炭化技術的研究起步于1970年左右，對傳統的炭化工藝和設備不斷進行改進，但是大多炭化裝備處于實驗室試驗階段，并且主要對焦油、氣體等產物回收且分解利用[9-11]。目前使用較多的炭化設備主要以窖式干餾和螺旋連續炭化設備為主，此設備外加熱源不夠穩定且溫度控制不精準，導致生物炭質量不穩定[12-13]。此炭化設備主要為大型產業型設備，目前大多高校做炭化試驗使用的炭化儀器，多以微型設備為主，其單次炭化量有限，不利于開展試驗[14]。

基于對國內外熱解炭化技術裝備的理論研究和實地調研，本研究旨在對生物炭設備的結構進行設計。通過深入的理論分析、計算機模擬及試驗分析，致力于優化相關技術參數，以實現設備性能的最優化。本研究能夠對炭化爐工作過程中的狀態進行實時監測，解決了現有技術中炭化爐工作過程中無法準確監控溫度、浪費能源問題。

1 炭化爐結構原理

節能干餾炭化爐總體結構如圖1和圖2所示。將處理過的生物質放置于炭化筒內。打開炭化筒爐門底部的通氣孔、炭化筒頂部排濕閥（濕氣直接從頂部排濕管排放），并且關閉控制閥。開機啟動，打開鼓風機控制開關，選擇燃燒機自動模式，燃燒機自動點火。炭化筒內中部第2熱電偶溫度達到150～160°C時（根據生物質析出可燃氣的溫度確定），關閉炭化筒爐門底部通氣孔、炭化筒頂部排濕閥，并且打開控制閥，根據壓力表指針刻度位置調節控制閥開度大小（確保壓力表的指針始終保持在刻度0）。高溫熱解階段炭化筒內部生物質產生的可燃氣由可燃氣循環管循環至燃燒室內進行燃燒（可燃氣循環示意如圖3所示），此時切換為手動模式，關閉燃燒機，單靠可燃氣的燃燒進行加熱炭化；通過觀火孔觀察可燃氣是否燃燒殆盡，如已經燃燒殆盡，則手動打開燃燒機，切換自動模式，當監測炭化筒中部溫度的第2熱電偶設定溫度上限為500°C時，燃燒機自動熄火。保溫期間燃燒機根據設定的溫度上限與下限自動進行開閉，當到達保溫時間燃燒機停止工作，爐內溫度降至30°C以下時，取出試樣完成炭化試驗。

2 關鍵結構設計

2.1 炭化筒結構

炭化筒三維模型如圖4所示。炭化筒主體是一個內徑500mm、壁厚8mm的圓柱形空腔，水平置于炭化爐上端。在炭化筒頂部做出孔道用于安裝熱電偶，自炭化筒前端起在同一軸線分別設置距離238、150、150、100和100m的點，以該點為中心分別設置直徑32、108、32、32和32mm的圓孔，其圓孔分別安裝第1熱電偶、可燃氣循環管、第2熱電偶、第3熱電偶和第4熱電偶。熱電偶安裝位置三維模型如圖5所示。第1熱電偶自炭化筒內上壁延伸至內下壁，自前端延伸至后端，監測炭化筒底面的前、中、后區域溫度；第2熱電偶、第3熱電偶和第4熱電偶自炭化筒內上壁分別延伸至炭化筒中部區域、底部區域和上部區域，分別用于監測炭化筒內中部、底部和上部區域溫度。

2.2 燃燒室

燃燒室三維模型如圖6所示。燃燒室則是炭化爐的主體支撐結構，分為上腔體和下腔體。炭化筒則水平安裝于燃燒室上腔體水平中軸線位置上，由燃燒室上腔體完全包裹，并且中間留有間隙；炭化筒外壁與燃燒室內壁之間的空間則用于廢氣排放通道，由廢氣排放管道排出。下腔體則是燃燒室的燃燒腔體，由燃燒機和可燃氣再燃燒提供熱源，滿足炭化筒內生物質炭化的熱量需求，下腔體正面位置設置燃燒室觀察門。燃燒機安裝在燃燒室下腔體正后端，提供主熱源；燃燒機安裝位置同一中軸線上部設置觀火孔，伸入燃燒室內部，用于觀察燃燒室內部的火焰燃燒情況。燃燒室左側同一水平位置設置可燃氣循環管接口和鋁片式防爆門，可燃氣循環管接口用于連接可燃氣循環裝置，鋁片式防爆門用于預防燃燒室由于壓力過高發生爆炸；燃燒室右側上下腔體位置分別安裝兩個熱電偶，分別延伸至燃燒室通道和燃燒室下腔體內中部區域，分別用于監測燃燒室通道溫度和燃燒室下腔體溫度。

2.3 可燃氣循環裝置

可燃氣循環裝置三維模型如圖7所示。可燃氣循環裝置是連通炭化筒和燃燒室的裝置，上端連接炭化筒頂部可燃氣循環管接口，下端連接燃燒室可燃氣循環管接口；作用是將炭化筒內生物炭化產生的可燃氣循環至燃燒室進行二次燃燒。可燃氣循環裝置與炭化筒連接處設置有壓力表，用于監測炭化筒的內部壓力，可根據壓力表顯示數值調節控制閥開度。可燃氣循環裝置與炭化筒接口位置同一軸線豎直向上設置排濕閥門和排濕管，排濕閥用于控制炭化筒與外界的連通，防止空氣倒流回炭化筒內，排濕管豎直延伸向上，主要排出炭化筒內干燥階段所產生的濕氣。循環裝置中部位置設有控制閥門和熱電偶，分別用于控制可燃氣向燃燒室流通的通斷和監測可燃氣的溫度；循環裝置上下部分分別設置檢查孔，用于檢查循環管道的堵塞情況。

3 樣機測試

本研究研制的節能干餾炭化爐如圖8a所示，性能測試試驗主要驗證溫度監測準確性、高溫可燃氣循環燃燒的情況、密封性能和保溫效果等參數是否滿足設計要求。炭化過程包括低溫干燥階段、高溫炭化階段、保溫階段和冷卻階段4個階段，其中在高溫炭化階段會有可燃氣析出，而產生的高溫可燃氣則循環至燃燒室進行二次燃燒，達到節能效果。

炭化原料選用山西省晉中市太谷區山西農業大學園藝站核桃園廢棄枝條鋸成段狀，如圖8b所示。在高溫炭化階段會有可燃氣析出，而產生的高溫可燃氣則循環至燃燒室進行二次燃燒，達到節能效果，存在兩種燃燒供熱方式，如圖9所示。炭化產物主要有生物炭、焦油、木醋液等，如圖10所示。

4 結束語

炭化設備由炭化筒、加熱裝置和可燃氣循環裝置組成，按照設計要求制造樣機并完成相關炭化試驗。試驗結果表明，制炭成型率達95%，可以高效完成炭化工作；焦油等混合物能夠回收，滿足設計要求；保溫效果和密封效果都達到預期要求；可燃氣循環裝置能夠最大化利用可燃氣，達到循環燃燒、節約能源目的；加熱時間可自主設定，熱解溫度最高設定為500°C。節能干餾炭化爐結構簡單、使用方便，能夠對炭化爐工作過程中的狀態進行實時監測，并且提高了燃料燃燒的熱利用率，有效降低生物質的熱解成本。