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王明峰，徐強，蔣恩臣，任永志，吳宇健，陳曉堃
（華南農業大學材料與能源學院，農業部能源植物資源與利用重點實驗室，廣州510642）
摘要：為解決有軸螺旋送料器存在質量大、能耗高、易產生機械干涉等問題，該文設計了送料能力為150kg/h的生物質無軸螺旋送料器，并以稻殼為原料開展了冷態輸送和熱解試驗。設計的無軸螺旋送料器關鍵尺寸為：螺旋外徑為400mm、螺旋軸徑為80mm、螺距為200mm，送料器采用柴油燃燒機和熱解氣回燒的方式加熱，計算出燃燒機需要提供的功率為95.43kW。稻殼冷態輸送試驗表明，當送料頻率為50Hz即無軸螺旋的轉速為2.03r/min時，無軸螺旋送料器輸送稻殼的送料量為224.3kg/h＞150kg/h，無軸螺旋送料器的實際送料量高于理論計算值。稻殼熱解試驗表明，當加熱腔最高溫度為（700±50）℃時，隨著熱解時間增加，稻殼炭的揮發分質量分數由22.45%減至13.6%，灰分質量分數由29.38%增至33.44%，固定碳質量分數由48.17%增至52.96%。稻殼炭的高位熱值隨熱解時間增加而增加，但在試驗范圍內增幅不大。熱解時間對生物炭品質影響較大，即傳熱速率是限制大型連續熱解反應器處理效率提高的主要因素，因此，在工業化應用的大型熱解反應器的設計中，應著重考慮提高熱解傳熱效率的方法。
0引言
生物質能是可再生能源的重要組成部分，對其進行高效地開發利用，對解決能源緊缺，生態環境惡化等問題發揮著十分積極的作用[1-2]。生物質熱解是指生物質在完全缺氧或者厭氧的環境下，利用熱能切斷生物質大分子中的化學鍵，將其轉變為氣體、液體和固體產物的熱化學過程[3-5]。研制節能高效的生物質熱解反應器是高效地利用生物質能的關鍵之一。
目前，生物質熱解反應器的主要類型有流化床反應器、固定床反應器、攜帶床反應器、渦旋反應器、燒蝕反應器、旋轉堆反應器、真空熱裂解反應器和螺旋反應器等[6-13]。但是，至今仍然沒有研發出得到廣泛認可的反應器。加拿大滑鐵盧大學（Waterloo）開發了以氮氣為載氣的常壓流化床熱解設備，研究最大生物油產率的反應條件，高效、快速地利用生物質資源，特別是林業剩余物來生產生物油[14]。流化床熱解設備具有加熱速率快，氣相停留時間短，控溫簡便，固體產物分離簡便等優點[15-17]。
循環流化床反應器和流化床反應器原理相似，具有高的傳熱速率和短暫的生物質停留時間，是生物質快速熱解液化反應器的另一種理想選擇[18]。燒蝕反應器通過外界提供高壓，生物質顆粒以相對于反應器較高的速率（>1.2m/s）移動并熱解，生物質是由葉片壓入到金屬表面，此反應器不受物料顆粒大小和傳熱速率的影響，但受加熱速率的制約[19]。荷蘭Twente大學發明研制的旋轉錐反應器，采用離心力來移動生物質，生物質顆粒與過量的惰性熱載體同時進入旋轉錐反應器的底部，當生物質顆粒和熱載體構成的混合物沿著熾熱的錐壁螺旋向上傳送時，生物質與熱載體充分混合并快速熱解，而生成的焦炭和砂子被送入燃燒器中燃燒，預熱載體[20]。鄭曉彪等[21]設計制作了雙滾筒內螺旋式固體熱載體生物質熱解反應器，結構簡單緊湊，增加了陶瓷球與生物質粉末接觸機率，強化了傳熱，對生物質粉末和陶瓷球熱載體的混合效果好。華南農業大學[22-23]研發的生物質連續熱解反應裝置，采用變螺距結構，提高了螺旋送料器的送料能力和性能，具有結構簡單、反應條件易于操控、能夠實現連續穩定作業的優點。
有軸螺旋送料器存在質量大，能耗高，高溫條件下軸向伸長導致對軸承作用力增大，降低軸承壽命，物料受熱膨脹后易黏附在旋轉軸等問題。無軸螺旋送料器的送料能力比有軸螺旋送料器高7.9%[24]；無軸螺旋送料器輸送部件質量小，僅為有軸螺旋送料器的1/2，甚至更小，運行功耗低；輸送過程中送料器不易堵塞，能夠有效地防止物料纏繞；無軸螺旋送料器具有一定的伸縮性，為受熱膨脹的物料和熱解揮發物排出提供足夠的空間，防止預熱解的高黏度物料堵塞反應器。
本文在小型無軸螺旋送料器的基礎上，設計了送料能力為150kg/h連續熱解反應器核心部件：無軸螺旋送料器和加熱組件，并在相應的試驗裝置上開展了以稻殼為原料的連續熱解試驗，為連續熱解反應裝置的工業化應用提供設計基礎。
1連續熱解反應裝置
生物質無軸螺旋連續熱解裝置如圖1所示，該裝置采用水平布置的方案，由驅動電機、聯軸器、無軸螺旋送料器、加熱組件、料斗、炭箱、冷凝器等組成，其工作原理為：生物質原料從料斗進入無軸螺旋送料器，由無軸螺旋從反應器前段輸送至末端，并在輸送過程中完成干燥和熱解過程，生成的揮發物和氣體從炭箱上端的排氣口進入冷凝器冷凝，木醋液和焦油收集儲存，不可冷凝氣體從出氣口排出，熱解產生的炭由螺旋送料器送入炭箱冷卻、收集。
2無軸螺旋送料器設計
2.1關鍵參數設計
一般的螺旋送料器的螺旋外徑D、螺旋軸徑d、螺距S和使用轉速n應分別滿足式（1）～式（4）[25]。
式中A為物料的綜合特征系數，計算中A=50。
根據生物質原料特性，參照《機械工程手冊》，具體參數選擇K=0.05，Ψ=0.3，C=1。生物質原料容重變化較大，當取γ=110kg/m3時，D≥91.62mm，當取γ=270kg/m3時，D≥63.98mm。螺旋葉片直徑通常制成標準系列，D=100、120、150、200、250、300、400、500和600mm[26]，相同工況下，螺旋外徑越小，無軸螺旋送料器的輸送能力越小，此外，轉速一定的情況下，為了能夠使生物質完全熱解，必須增加加熱段的長度以保證足夠的熱解時間。綜合考慮，暫取螺旋外徑D=400mm。
根據式（3），80mm≤d≤140mm，螺旋軸徑增大，勢必降低有效輸送面積，故取螺旋軸徑d=80mm。根據式（4），200mm≤S≤440mm，當螺距較大時，雖然軸向輸送速度增大，但是會出現圓周速度不恰當的分布情況，當螺距較小時，圓周速度分布情況較好。綜合考慮，取螺距S=200mm?？紤]到高溫時，材料的熱變形較大，取螺旋外徑與管壁的距離λ=20mm。由式（4）得，螺旋的許用轉速為nmax=79.06r/min。文獻[27]在螺旋連續熱解反應器上開展了松木屑的熱解反應，認為松木屑熱解溫度為600℃時，粒度為1～2mm的固體生物質的最佳熱解時間為6min。由于本文設計的送料器直徑和生物質原料粒度較大，完全熱解所需時間較長，因此，對熱解時間適當延長，暫定無軸螺旋送料器中原料熱解時間為8min，即t=8min。連續熱解反應器的加熱段長度為l=4000mm，由式（5）得，無軸螺旋的實際使用轉速n=2.5r/min，取實際轉速為n=2r/min，在此情況下，由式（6）得，無軸螺旋送料器的實際送料量Q=156.26kg/h，可以滿足設計要求。螺旋葉片由寬度為160mm，厚度為18mm的310不銹鋼條制成。無軸螺旋送料器管筒用外徑為456mm、壁厚為8mm，長度為6000mm的310不銹鋼管制成。為了保證整個裝置的密閉性，在管筒進料端的進料口上端安裝氣動閘閥。
熱解反應器所需要的電機驅動功率主要用來克服物料輸送過程中的各種阻力所消耗的能量，主要包括以下幾個部分：物料與機殼之間的摩擦作用所消耗的能量、物料與螺旋葉片之間的摩擦作用所消耗的能量、螺旋葉片與機殼之間的摩擦所消耗的能量、傳動部分摩擦的作用所消耗的能量、物料顆粒間的相對運動所消耗的能量[28]。由式（7）、（8）分別計算出P0=0.0036kW，P=0.0055kW，由此可知，物料輸送過程中的各種阻力所消耗的能量較小，然而在熱解過程中，物料受熱后水分、揮發分析出會增加物料的黏度，導致輸送功率增加；同時，物料也容易進入螺旋送料器葉片與筒壁的間隙，導致送料阻力驟增，因此生物質連續熱解送料器應該有較大的功率儲備。綜上，本文選用額定功率為5.5kW四級三相異步減速電機，額定轉速為1450r/min，減速比為29，利用變頻器控制電機轉速。
2.3加熱組件
加熱組件提供熱解過程所需要的能量，是無軸螺旋送料器重要的附屬部件。根據文獻[29]，1kg稻殼完全熱解所需外界提供的熱量為5MJ，稻殼熱解三態產物中，可燃氣的質量約占25%，1kg稻殼熱解產生的可燃氣燃燒釋放的熱量為3.871MJ。本文所設計的無軸螺旋送料器采用柴油燃燒機和熱解氣混合供熱的方式提供熱解所需熱量，以熱效率為0.7計算[29]，熱解1kg稻殼，柴油燃燒機提供的熱量為1.129MJ。裝置設計的處理量為150kg/h，根據式（9）計算柴油燃燒機所需提供功率P=95.43kW。因此，選用百特斯PX10柴油燃燒機，其輸出功率為58～116kW，提供一定的功率儲備，以適應不同生物質原料熱解。
Pw=Qq/3600（9）
式中Pw為加熱功率，kW；q為熱值，kJ；Q為單位時間內的處理量，kg/h。
生物質熱解可以分為干燥失水、預熱解階段、熱解階段、炭化階段4個階段，其中干燥失水、預熱解階段反應溫度較低，熱解階段、炭化階段反應溫度較高，因此，將柴油燃燒機布置在無軸螺旋送料器的出料端，熱解過程中能夠沿送料器送料方向形成逐漸升高的溫度梯度，滿足熱解不同反應階段的溫度要求。
2.4其他配件主要參數
炭箱內部為微正壓，因此，采用簡單的圓筒結構，以方便加工，下端布置出料螺旋以便于取料。炭箱的設計相對簡單，因此不再進行相關的設計計算，具體尺寸為Ф800mm×1800mm。
炭化過程的冷凝主要分為固體產物的冷卻和氣體產物的冷凝，固體產物的冷卻在炭箱中進行。氣體產物通過炭箱上端的出氣口進入冷凝器冷凝。根據產物特性，送料器處理量，參考《換熱器設計手冊》，采用立式管層冷凝器，其尺寸為Ф700mm×800mm，冷卻水流量為800kg/h，換熱面積為10.7mm2。
3無軸螺旋送料器輸送特性及熱解特性試驗及結果分析
3.1試驗原料
試驗以稻殼為原料，稻殼購自于廣州某稻谷加工廠。其工業分析結果與堆積密度見表1，工業分析方法參考國標GB/T28731-2012固體生物質燃料工業分析方法，堆積密度測量方法參考《NY/T1881.6-2010》。
3.2試驗方法
1）螺旋葉片轉速測定：調節變頻器頻率控制電機轉速，記錄螺旋葉片轉動3圈所需時間，重復3次，取平均值，計算螺旋葉片轉速。
2）冷態送料量測定：在料斗中加入稻殼，調節變頻器頻率，打開閘閥，當有稻殼落入炭箱后，開始計時，稱量3min內無軸螺旋送料器輸送稻殼的質量，重復3次，計算單位時間送料量。
3）熱解試驗：調節燃燒機工作負荷，控制加熱腔最高溫度為（700±50）℃，在料斗中加入稻殼，打開驅動電機電源，控制變頻器頻率分別為10、20、30Hz進行稻殼連續熱解試驗，記錄測溫點溫度變化，試驗結束，對不同頻率下得到的稻殼炭進行工業分析和熱值分析。
3.3結果與討論
3.3.1冷態輸送特性
試驗結果如表2所示，變頻器送料頻率與各電機轉速之間呈現較好的正線性相關關系，傳動性能穩定，能有效地控制螺旋葉片轉速。當送料頻率為50Hz時，無軸螺旋葉片的轉速為2.03r/min，對應的稻殼送料量為224.3kg/h，遠大于理論送料量。在輸送過程中，發現稻殼密實地填充在送料器內，并受到螺旋葉片的擠壓作用，即實際填充率遠大于理論計算的選用值，導致實際送料量比理論計算值高。
3.3.2熱解特性
如圖1所示，加熱腔上端平均布置了4個測溫點，用溫度傳感器測量各測溫點的溫度，從右至左，依次為T1、T2、T3、T4。稻殼熱解時測溫點T1、T2、T3、T4的溫度變化曲線如圖2所示。
不同送料頻率下，各加熱腔溫度較穩定，4個測溫點溫度存在梯度，T1>T2>T3>T4，測溫點離柴油燃燒機越遠，溫度越低。調節柴油燃燒機功率控制熱解溫度，T1、T2測溫點離柴油燃燒機較近，對柴油燃燒機功率變化反應靈敏，引起了較大的溫度波動，T3、T4測溫點離柴油燃燒機較遠，對柴油燃燒機功率變化反應遲鈍，溫度波動較小。
熱解時間對稻殼炭的影響如表3所示，隨著熱解時間增加，稻殼炭的揮發分質量分數由22.45%減至13.6%，灰分質量分數由29.38%增至33.44%，固定碳質量分數由48.17%增至52.96%，高位熱值從19.307MJ/kg增至20.821MJ/kg，這說明增加熱解時間有利于稻殼中揮發分的釋放和固定碳的產生。隨熱解時間增加，稻殼炭的高位熱值略微增加，熱解時間對稻殼炭的高位熱值影響不明顯。
AlvarezJon等[30]以顆粒直徑為0.63～1mm的稻殼為原料在錐形噴動床反應器開展了400～600℃連續熱解試驗，500℃熱解得到的稻殼炭干基工業分析結果為：揮發分12.8%，灰分50.5%，固定碳36.0%。其揮發分含量與本文無軸連續熱解裝置上熱解溫度為（700±50）℃、變頻器頻率為10Hz時獲得稻殼炭的揮發分含量相近，但是灰分含量和固定炭含量差異較大，說明不同類型的反應器對產物的品質影響較大。
文獻[31]中熱解溫度為550℃，熱解時間為8min的工況下得到的稻殼炭的干基工業分析結果為：揮發分12.99%，灰分35.35%，固定碳51.67%，與本文在熱解溫度為（700±50）℃、送料頻率為10Hz時獲得稻殼炭的干基工業分析結果相近。可見，不同處理量的無軸螺旋連續熱解反應器器得到的熱解炭品質較為接近。由于物料在反應器內傳熱速率較慢，熱解反應器直徑越大，熱解過程中物料內部溫度與加熱部件之間的溫度梯度越大，因此本文在（700±50）℃的熱解溫度下的熱解炭工業分析結果與文獻[24]中小型熱解裝置上的相近。
試驗中發現，當送料頻率為30Hz時，稻殼炭揮發分質量分數為22.45%，比送料頻率為10Hz時得到的稻殼炭揮發分質量分數高8.85個百分點，但是，稻殼中的揮發分大部分已經得到釋放。由試驗數據可見，熱解時間對生物炭品質影響較大，即傳熱速率是限制大型連續熱解反應器處理效率提高的主要因素，因此，在工業化應用的大型熱解反應器的設計中，應著重考慮提高熱解傳熱效率的方法。
綜上所述，本文設計的送料量為150kg/h的無軸螺旋送料器在冷態輸送和熱解試驗中，物料輸送順暢，熱解工況穩定，能夠連續穩定作業，達到了生物質連續熱解的要求。
4結論
1）設計的生物質連續熱解無軸螺旋送料器螺旋外徑為400mm，螺旋軸徑為80mm，螺距為200mm。螺旋外徑與管壁的距離為20mm，螺旋葉片由寬度為160mm，厚度為18mm的310不銹鋼條制成。無軸螺旋送料器管筒使用外徑456mm、壁厚8mm、長度為6000mm的310不銹鋼管制成。
2）根據冷態輸送特性試驗可知，當變頻器頻率為50Hz，即無軸螺旋的轉速為2.03r/min時，設計的無軸螺旋送料器輸送稻殼的送料量為224.3kg/h＞150kg/h，無軸螺旋送料器的實際送料量高于理論計算值。
3）根據熱解特性試驗可知，隨著熱解時間增加，稻殼炭的揮發分質量分數由22.45%減至13.6%，灰分質量分數由29.38%增至33.44%，固定碳質量分數由48.17%增至52.96%。隨熱解時間增加，稻殼炭的高位熱值略微增加，熱解時間對稻殼炭的高位熱值影響不明顯。當變頻器頻率為10Hz時，熱解獲得的稻殼炭品質較好，當變頻器頻率為30Hz時，稻殼揮發分質量分數為22.45%。
熱解時間對生物炭品質影響較大即傳熱速率是限制大型連續處理效率提高的主要因素，因此，在工業化應用的大型熱解反應器的設計中，應著重考慮提高熱解傳熱效率的方法。
[參 考 文 獻]
[1]蔣劍春.生物質能源應用研究現狀與發展前景[J].林產化學與工業，2002，22(2)：75－80.
[2]胡億明，蔣劍春，孫云娟，等.生物質及生物質組分的慢速熱解熱效應研究[J].生物質化學工程，2013(5)：23－29.
[3]Sevgi Ens Z，Mukaddes Can.Pyrolysis of pine (Pinus Brutia Ten.) Chips: 1.effect of pyrolysis temperature and heating rate on the product yields[J].Energy Sources，2002，24(4):347－355.
[4]蔣劍春.生物質能源轉化技術與應用(Ⅰ)[J].生物質化學工程，2007，41(3)：59－65.
[5]Demirba Ayhan.Biomass resource facilities and biomass conversion processing for fuels and chemicals[J].Energy Conversion and Management，2001，42(11): 1357－1378.
[6]Puy N，Murillo R，Navarro M V，et al.Valorisation of forestry waste by pyrolysis in an auger reactor.[J].Waste Management，2011，31(6):1339－1349.
[7]Brown J N，Brown R C.Process optimization of an auger pyrolyzer with heat carrier using response surface methodology[J].Bioresource Technology，2012，103(1): 405－414.
[8]Bridgwater A V.Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading[J].Biomass & Bioenergy，2012，38(2):68－94.
[9]Sirijanusorn S，Sriprateep K，Pattiya A.Pyrolysis of cassava rhizome in a counter-rotating twin screw reactor unit[J].Bioresour Technol.2013，139(13):343-348.
[10]Liaw S S，Zhou S，Wu H，et al.Effect of pretreatment temperature on the yield and properties of bio-oils obtained from the auger pyrolysis of Douglas fir wood[J].Fuel，2013,103(1): 672－682.
[11]Veses A，Aznar M，Martínez I，et al.Catalytic pyrolysis of wood biomass in an auger reactor using calcium-based catalysts[J].Bioresource Technology，2014，162(6):250－258.
[12]Henrich E，Dahmen N，Weirich F，et al.Fast pyrolysis of lignocellulosics in a twin screw mixer reactor[J].Fuel Processing Technology，2016，143:151－161.
[13]Conto D D，Silvestre W P，Baldasso C，et al.Performance of rotary kiln reactor for the elephant grass pyrolysis[J].Bioresource Technology，2016，218:153－160.
[14]廖艷芬.纖維素熱裂解機理試驗研究[D].杭州：浙江大學，2003.
[15]林木森，蔣劍春.生物質快速熱解技術現狀[J].生物質化學工程，2006(1)：21－26.
[16]Bahng M K，Mukarakate C，Robichaud D J，et al.Current technologies for analysis of biomass thermochemical processing: A review.[J].Analytica Chimica Acta，2009,651(2):117－138.
[17]Xue Y，Zhou S，Brown R C，et al.Fast pyrolysis of biomass and waste plastic in a fluidized bed reactor[J].Fuel，2015,156:40－46.
[18]路冉冉，商輝，李軍.生物質熱解液化制備生物油技術研究進展[J].生物質化學工程，2010，44(3)：54－59.
[19]Lédé Jacques.Comparison of contact and radiant ablative pyrolysis of biomass[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2003，70(2): 601－618.
[20]朱錫鋒，李明.生物質快速熱解液化技術研究進展[J].石油化工，2013，42(8)：833－837.
[21]鄭曉彪.雙滾筒式生物質熱解液化反應器設計及實驗研究[D].淄博：山東理工大學，2011.
[22]王明峰，蔣恩臣，李伯松，等.稻殼連續熱解特性研究[J].太陽能學報，2012(1)：168－172.
[23]蔣恩臣，蘇旭林，王明峰，等.生物質連續熱解反應裝置的變螺距螺旋輸送器設計[J].農業機械學報，2013，44(2)：121－124.
[24]賴鵬豪，馬曉建，常春，等.稻殼連續炭化裝置研究[J].江蘇農業科學，2015(1)：338－342.
[25]向冬枝，徐余偉.螺旋輸送機設計參數的選擇和確定[J].農業工程學報水泥技術，2010(1)：29－33.
[26]黃石茂.螺旋輸送機輸送機理及其主要參數的確定[J].造紙科學與技術，1998(3)：29－33.
[27]Gao Ningbo，Liu Baoling，Li Aimin，et al.Continuous pyrolysis of pine sawdust at different pyrolysis temperatures and solid residence times[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2015，114: 155－162.
[28]徐余偉.螺旋輸送機設計參數選擇[J].磚瓦世界，2008(7)：32－37.
[29]賴鵬豪.生物質連續炭化反應器的強化[D].鄭州：鄭州大學，2014.
[30]Alvarez Jon，Lopez Gartzen，Amutio Maider，et al.Bio-oil production from rice husk fast pyrolysis in a conical spouted bed reactor[J].Fuel，2014，128: 162－169.
[31]王明峰，吳宇健，蔣恩臣，等.無軸螺旋連續熱解裝置上的生物質熱解特性[J].農業工程學報，2015，31(15)：216－222. |
