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石海波1，2，孫姣1，2，陳文義1，2，潘萌嬌1，2
（1、河北工業(yè)大學過程裝備與控制工程系，天津300130；2、河北工業(yè)大學工程流動與過程強化研究中心，天津300130）
摘要：生物質(zhì)熱解炭化技術作為生物質(zhì)能源開發(fā)利用的一種重要途徑，已經(jīng)得到國內(nèi)外廣泛關注。文章介紹了生物質(zhì)熱解炭化反應設備的兩大類型，即窯式炭化爐和固定床式熱解爐。詳細論述了各種典型設備的結(jié)構(gòu)特點和適用范圍，認為與窯式炭化爐相比，固定床式熱解炭化爐炭化周期短、對生物質(zhì)原料適應性和可操作性更強、產(chǎn)炭品質(zhì)更有保障。最后指出了高效、穩(wěn)定、機械化是生物質(zhì)熱解炭化設備未來的研究和發(fā)展方向。
生物質(zhì)能是可再生的環(huán)境友好型能源，我國具有非常豐富的生物質(zhì)能資源，包括各種速生林、薪炭林、農(nóng)林廢棄物、居民生活垃圾、工業(yè)垃圾等，年產(chǎn)量約合4億多噸石油當量。在全球傳統(tǒng)能源匱乏且價格越來越昂貴、環(huán)境污染問題愈演愈烈的今天，研究生物質(zhì)能源的開發(fā)利用，可以改善不合理的國家能源消費結(jié)構(gòu)，減少能源進口量，具有特別突出的戰(zhàn)略意義。我國已將“大力推進生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展”列入國家“十二五”規(guī)劃，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)予以重點培育和扶持。
生物質(zhì)熱解是一種新興的生物質(zhì)能開發(fā)利用技術，是指生物質(zhì)在隔絕氧或缺氧條件下吸收熱能，破壞生物質(zhì)內(nèi)部大分子結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)化為固體焦炭、可燃氣體和液態(tài)生物質(zhì)油的過程。按照熱解產(chǎn)物的不同分為熱解炭化、熱解氣化、熱解液化3種。生物質(zhì)熱解炭化即熱解產(chǎn)物以焦炭為主，主要利用炭化設備將生物質(zhì)在一定溫度和升溫速率下熱解，并進一步加工處理成為蜂窩煤狀、棒狀、顆粒狀等形狀的固體成型燃料，能夠?qū)⑸镔|(zhì)由低品位能源轉(zhuǎn)化為無污染、易儲運的高品質(zhì)“生物煤”能源[1]。
歐美等發(fā)達國家以及日本這樣的資源短缺國家，采取對本國的資源保護主義和技術保密政策，盡管生物質(zhì)熱解炭化技術研究起步較早，但對于炭化設備的相關報道并不多見，直接利用本國生物質(zhì)資源進行炭化研究在這些國家開展的也較少。生物質(zhì)熱解炭化及其設備研究主要集中在亞洲的印度、菲律賓、泰國、南美的巴西等發(fā)展中國家。我國從20世紀70年代開始對生物質(zhì)能源開發(fā)支持力度加大，熱解炭化工藝及設備研究得到快速發(fā)展，改善了一些傳統(tǒng)的熱解炭化反應工藝和炭化設備。
1生物質(zhì)熱解炭化反應及其設備特點
1.1生物質(zhì)熱解炭化反應特點
根據(jù)固體燃料燃燒理論和生物質(zhì)熱解動力學研究[2-10]，生物質(zhì)熱解炭化過程可分為如下階段。首先是干燥階段。生物質(zhì)物料在炭化反應器內(nèi)吸收熱量，水分首先蒸發(fā)逸出，生物質(zhì)內(nèi)部化學組成幾乎沒變。其次是揮發(fā)熱解階段。生物質(zhì)繼續(xù)吸收熱量到200℃左右，內(nèi)部大分子化學鍵發(fā)生斷裂與重排，有機質(zhì)逐漸揮發(fā)，材料內(nèi)部熱分解反應開始，揮發(fā)分的氣態(tài)可燃物在缺氧條件下，有少量發(fā)生燃燒，且這種燃燒為靜態(tài)滲透式擴散燃燒，可逐層為物料提供熱量支持分解。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(chǎn)生木焦油、乙酸等液體產(chǎn)物和甲烷、乙烯等可燃氣體，隨著大部分揮發(fā)分的分離析出，最終剩下的固體產(chǎn)物就是由碳和灰分所組成的焦炭。生物質(zhì)熱解炭化是復雜的多反應過程，其工藝特點可概括為以下3點。①較小的升溫速度，一般在30℃/min以內(nèi)。
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(chǎn)率提高5.6%。②較低的熱解終溫。500℃以內(nèi)的熱解終溫有利于生物質(zhì)炭的產(chǎn)生和良好的品質(zhì)保證。③較長的氣體滯留時間。根據(jù)原料種類不同，一般要求在15min至幾天不等。
1.2生物質(zhì)熱解炭化設備特點
針對前述生物質(zhì)熱解炭化反應的特點，要產(chǎn)出質(zhì)量和活性都符合要求的優(yōu)質(zhì)炭[11]，生物質(zhì)熱解炭化反應設備應有如下特點：①溫度易控制，爐體本身要起到阻滯升溫和延緩降溫的作用；②反應是在無氧或缺氧條件下進行，反應器頂部及爐體整體密封條件必須要好；③對原料種類、粒徑要求低，無需預處理，原料適應性更強；④反應設備容積相對較小，加工制造方便，故障處理容易、維修費用低。
生物質(zhì)熱解炭化設備主要包括兩種類型，即窯式熱解炭化爐和固定床式熱解炭化反應爐。其中窯式熱解炭化爐在傳統(tǒng)土窯炭化工藝的基礎上已出現(xiàn)大量新的爐型。而固定床式炭化設備按照傳熱方式的不同又可分為外燃料加熱式和內(nèi)燃式，另外固定床熱解炭化設備還有一種新型再流通氣體加熱式熱解炭化爐型，也很有代表性。
2窯式熱解炭化爐
2.1傳統(tǒng)窯式炭化爐
燒炭工藝歷史悠久，傳統(tǒng)的生物質(zhì)炭化主要采用土窯或磚窯式燒炭工藝。其裝置大多類似圖1所示。首先將要炭化的生物質(zhì)原料填入窯中，由窯內(nèi)燃料燃燒提供炭化過程所需熱量，然后將炭化窯封閉，窯頂開有通氣孔，炭化原料在缺氧的環(huán)境下被悶燒，并在窯內(nèi)進行緩慢冷卻，最終制成炭。窯式炭化爐對燃燒過程中的火力控制要求十分嚴格，且由于窯體多是由紅磚砌成，一般容積較大，多用硬質(zhì)原木進行燒炭，不僅資源浪費嚴重，而且生產(chǎn)過程勞動條件差、強度大，生產(chǎn)周期長，污染嚴重，對于農(nóng)村大量廢棄秸稈、稻草等儲量豐富的生物質(zhì)原料無法熱解制炭。我國在20世紀60年代以年產(chǎn)炭3000萬噸居世界之首，用的就是這種土窯，但使用大量的木材物料卻只獲得20%～30%的合格木炭[12]，其余的氣體和液體產(chǎn)物都被排放到環(huán)境中，成為世界制炭行業(yè)的最大污染源。
2.2新型生物質(zhì)熱解炭化窯
新型窯式熱解炭化系統(tǒng)主要在火力控制和排氣管道方面做了較大改變，其主要構(gòu)造包括密封爐蓋、窯式爐膛、底部爐柵、氣液冷凝分離及回收裝置。
在爐體材料方面多用低合金碳鋼和耐火材料，機械化程度更高、得炭質(zhì)量好、適應性更強。在產(chǎn)炭同時可回收熱解過程中的氣液產(chǎn)物，生產(chǎn)木醋液和木煤氣，通過化學方法可將其進一步加工制得乙酸、甲醇、乙酸乙酯、酚類、抗聚劑等化工用品[13-14]。目前，國內(nèi)外對窯式炭化爐體研究主要集中在利用現(xiàn)代化工藝和制造手段改進傳統(tǒng)爐體上，已出現(xiàn)很多窯式炭化爐專利。
日本農(nóng)林水產(chǎn)省森林綜合研究所設計了一種具有優(yōu)良隔熱性能的移動式BA-Ⅰ型炭化窯[15]，如圖2所示。以當?shù)孛瘛⑸渥鳛樵线M行制炭。該窯體的四壁面和開閉蓋采用具有隔熱性能材料的雙層密封結(jié)構(gòu)，炭化窯本體和頂盞聯(lián)接部分的縫隙中用砂土密封（砂封部分結(jié)構(gòu)如圖3所示），熱量不易泄露，保溫性能良好。因此，爐內(nèi)溫差小，通風量也小，從而防止了由于燃燒而導致木炭損失的缺點，木炭得率高。
國內(nèi)方面，王有權等[16]經(jīng)過5年的潛心鉆研制造出一種自燃悶燒式爐型，又叫敞開式快速熱解炭化窯，如圖4所示。這種爐體采用上點火式內(nèi)燃控氧炭化工藝，當爐內(nèi)溫度達到190℃時，在自然環(huán)境下進行原料斷氧，控制火力，火焰能逐漸進入炭化室，使窯內(nèi)多種生物質(zhì)原料炭化，同時產(chǎn)生清潔、高熱值的可燃氣體，該爐型已獲國家專利，并在當?shù)氐玫胶芎闷占啊?/p>
浙江大學將生物質(zhì)廢棄物置于一種創(chuàng)新型外加熱回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱解炭化，如圖5所示。回轉(zhuǎn)窯筒體長0.45m，內(nèi)徑0.205m，筒體轉(zhuǎn)速可在0.5～10r/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，在整個加熱過程中窯壁和窯膛溫度可以穩(wěn)定升高直至熱解終溫。這種回轉(zhuǎn)式窯體炭化爐的固體炭產(chǎn)率可達40%以上，已達到較高的水平[17]。
河南省能源研究所雷廷宙等[18]在中科院廣州能源研究所主辦的2004年中國生物質(zhì)能技術與可持續(xù)發(fā)展研討會上展示了他們研制的三段式生物質(zhì)熱解窯，如圖6所示。該窯體由熱解釜與加熱爐兩部分組成，根據(jù)不同升溫速率對熱解產(chǎn)物的影響，將熱解釜部分設計3個溫度段爐膛，分別為低溫段（100～280℃）、中溫段（280～500℃）和高溫段（500～600℃），所設計的熱解釜尺寸為φ450mm×900mm，熱解釜通過管道相互連通，氣相也通過料管排出，料管上部焊在裝有兩個輪子的鋼板上，可在熱解釜下方的臥式加熱爐導軌上行走。經(jīng)試驗研究，這種由熱解釜和三段式臥式加熱爐組合而成的炭化系統(tǒng)效率高，產(chǎn)物性能好，得到了與會專家的一致推介。
3固定床式熱解炭化爐
從20世紀70年代開始，生物質(zhì)固定床熱解炭化技術得到迅猛發(fā)展，各種炭化爐爐型結(jié)構(gòu)大量出現(xiàn)，國內(nèi)外除了采用管式爐加熱爐體進行實驗室規(guī)模研究生物質(zhì)熱解及動力學分析外，對實際應用的大型化的固定床炭化爐研究也較多。生物質(zhì)固定床式熱解炭化反應設備的優(yōu)點是運動部件少、制造簡單、成本低、操作方便，可通過改變煙道和排煙口位置及處理頂部密封結(jié)構(gòu)來影響氣流流動從而達到熱解反應穩(wěn)定、得炭率高的目的，更適合于小規(guī)模制炭。隨著機械化程度更高的大型化固定床式熱解炭化爐體的出現(xiàn)，利用各種生物質(zhì)原料進行大規(guī)模工業(yè)制炭的產(chǎn)業(yè)化時代將指日可待[19-21]。
3.1外熱式固定床熱解炭化爐
外加熱式固定床熱解炭化系統(tǒng)包含加熱爐和熱解爐兩部分，由外加熱爐體向熱解爐體提供熱解所需能量。加熱爐多采用管式爐，其最大優(yōu)點是溫度控制方便、精確，可提高生物質(zhì)能源利用率，改進熱解產(chǎn)品質(zhì)量，但需消耗其它形式的能源。由于外熱式固定床熱解炭化爐的熱量是由外及里傳遞，使爐膛溫度始終低于爐壁溫度，對爐壁耐熱材料要求較高，且通過爐壁表面上的熱傳導不能保證不同形狀和粒徑的原料受熱均勻[22]。國內(nèi)外對加熱爐型及加熱方式方面的研究進行的比較深入。
巴西是世界上能源農(nóng)業(yè)成本最低的國家，該國研究生物質(zhì)熱解技術較早，目前巴西利亞大學[23]正在研究固定床外加熱式熱解炭化系統(tǒng)，如圖7所示，該系統(tǒng)利用背壓增壓器來實現(xiàn)反應器增壓，使生物質(zhì)熱解炭化更加充分。Rousset等的研究結(jié)果顯示，在10bar壓力下可使小桉樹炭化得炭率增加到50%。目前，增壓熱解炭化反應設備的研究在美國喬治亞大學和國際農(nóng)業(yè)研究發(fā)展中心[24]也在進行，但受限于增壓設備的成本，尚未形成工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模。
南京工業(yè)大學于紅梅等[25]設計的熱管式生物質(zhì)固定床氣化爐如圖8所示。利用高溫煙氣加熱熱管蒸發(fā)段，通過在不同位置布置不同數(shù)量的高溫熱管，利用熱管的等溫性、熱流密度可變性以調(diào)控氣化爐床層溫度，更好的達到控制制氣與制炭的目的。這種新型加熱方式在固定床熱解氣化爐中得到了成功應用，但在炭化中由于溫度在熱解最佳反應條件下較難實現(xiàn)均勻分布，且由于溫度傳遞的滯后效應，不適用于硬質(zhì)木料的炭化，可針對粒徑較小的生物質(zhì)進行熱解炭化實驗研究。
中國石油大學最近提出一種利用單模諧振腔微波設備外加熱固定床熱解爐型[26]，如圖9所示。研究表明，微波加熱速率較慢，蒸汽駐留時間長，其熱解得到的炭具有比常規(guī)加熱更大的比表面積和孔徑，經(jīng)處理可作為活性炭使用。這種創(chuàng)新型熱解工藝是以后的一個開拓點，但其原料適應性相對較差、生產(chǎn)成本較高，不適用于用戶推廣，目前只限于實驗室水平研究。
另外，我國于20世紀50年代從前蘇聯(lián)引進的專門用來制造活性炭的斯列普爐[27]；中科院蘭州化學物理研究所王金梅、陳革新等[28]研發(fā)的螺旋炭化機；山東理工大學研制的陶瓷球熱載體加熱下降管式生物質(zhì)熱解裝置[29]；焦作市秸稈燃氣設備工程有限公司研發(fā)的STQ-Ⅰ型生物質(zhì)炭氣油聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[30]也都采用外加熱式固定床熱解，運行良好，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。
3.2內(nèi)燃式固定床熱解炭化爐
內(nèi)燃式固定床熱解炭化爐的燃燒方式類似于傳統(tǒng)的窯式炭化爐，需在爐內(nèi)點燃生物質(zhì)燃料，依靠燃料自身燃燒所提供的熱量維持熱解。內(nèi)燃式炭化爐與外熱式的最大區(qū)別是熱量傳遞方式的不同，外熱式為熱傳導，而內(nèi)燃式炭化爐是熱傳導、熱對流、熱輻射3種傳遞方式的組合[31-32]，因此，內(nèi)燃式固定床熱解炭化爐熱解過程不消耗任何外加熱量，反應本身和原料干燥均利用生物質(zhì)自身產(chǎn)熱，熱效率較高，但生物質(zhì)物料消耗較大，且為了維持熱解的缺氧環(huán)境，燃燒不充分，升溫速率較緩慢，熱解終溫不易控制。
印度博拉理工學院（BITS）研制的內(nèi)燃下吸式生物質(zhì)熱解裝置如圖10所示[33]。該裝置利用爐體頂部的水封裝置達到密封且便于拆卸的目的，設置窄口還原區(qū)，便于熱解區(qū)域揮發(fā)分向下流動，這既利于熱解區(qū)部分溫度較高時帶走熱量增加產(chǎn)炭又利于氧化區(qū)域增加熱量，同時對揮發(fā)分后續(xù)的冷凝制取生物質(zhì)油也起到降溫作用，從而達到炭、氣、油的高效聯(lián)產(chǎn)。
合肥工業(yè)大學朱華炳等[34]設計的以熱解氣體為燃料的內(nèi)燃加熱式生物質(zhì)氣化爐，將生物質(zhì)氣化與焦油催化裂解集于一體，不需為催化裂解提供熱源，如圖11所示。在廢氣引風機作用下，產(chǎn)生的燃氣經(jīng)回流燃氣風量調(diào)節(jié)閥、止火器，可持續(xù)與空氣混合，混合氣經(jīng)點燃后經(jīng)蛇形管向氣化爐內(nèi)提供熱量。煙氣回流燃燒既節(jié)省能源又減少污染。物料從45°錐形滑板上下落，可延長物料與揮發(fā)分的接觸時間，利于熱量的傳遞和炭的質(zhì)量提高。這種內(nèi)燃式氣化爐體內(nèi)部蛇形管道和錐形滑板落料器的設計也為炭化爐傳熱和落料設計提供了依據(jù)。但受滑道的限制，這種爐體只適合于粒徑較小的物料。
中國林科院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所劉石彩、蔣劍春等[35]開發(fā)的BX型炭化爐也是針對內(nèi)燃式生物質(zhì)固定床熱解炭化設備進行，所得成型炭質(zhì)量與日本同類產(chǎn)品相當。
3.3再流通氣體加熱式固定床熱解炭化爐
再流通氣體加熱式固定床炭化爐是一種新型熱解炭化設備，其突出特點是可以高效利用部分生物質(zhì)物料本身燃燒而產(chǎn)生的燃料氣來干燥、熱解、炭化其余生物質(zhì)。
泰國清邁大學研發(fā)的大型煙道氣體金屬炭化爐如圖12所示[36]，將實驗用木薯根莖在燃燒爐內(nèi)點燃，用產(chǎn)生的燃料氣進一步熱解金屬炭化爐中的物料，且熱解產(chǎn)生的可燃氣體還可二次回流利用。實驗發(fā)現(xiàn)：當將炭化爐以70°的傾斜角放置時熱解溫度分布最理想，熱解所需時間最短，對于干燥物料熱解僅需95min；在炭化得率方面，鮮木薯根莖經(jīng)過熱解可得到35.65%的合格木炭。
國內(nèi)出現(xiàn)的再流通氣體加熱式固定床炭化爐，其熱解多利用固體燃料層燃技術，采用氣化、炭化雙爐筒縱向布置，爐筒下部為爐膛，爐膛內(nèi)布置水冷壁，爐膛兩側(cè)為對流煙道。為保障煙氣的流通，防止窯內(nèi)熄火，避免炭化過程中斷，這種爐型要在煙道上安裝引風機和鼓風機[37-39]。由于氣化爐本身產(chǎn)生的高溫燃氣溫度可達600～1000℃，能充分滿足炭化反應需要，因此利用這種爐型進行生物質(zhì)熱解炭化燃料利用率更高，更適于揮發(fā)分高的生物質(zhì)炭化。該炭化爐型按照氣化室部分產(chǎn)出的加熱氣體流向分為上吸式和下吸式兩種。
3.3.1上吸式固定床炭化爐
即氣化爐部分采用上吸式，特點是空氣流動方向與物料運動方向相反，向下移動的生物質(zhì)物料被向上流動的熱空氣烘干和裂解，可快速、高效利用氣化爐內(nèi)燃料。上吸式氣化爐對物料的濕度和粒度要求不高，且由于熱量氣流向上流動具有自發(fā)性，能源消耗相對下吸式固定床更少，經(jīng)多層物料過濾后產(chǎn)出的供炭化爐使用的高溫可燃氣體灰分含量也較少[40]，但對爐體頂部密封要求則較高。
典型爐型如韓璋鑫[41]設計的上吸式固定床快速熱解炭化爐，如圖13所示。在干餾炭化室中心部位設置氣化反應室，空氣管進口設置在氣化室底部，采用下點火方式，氣化產(chǎn)生的高溫缺氧氣體通過兩個抽吸內(nèi)燃氣管口，向上擴散到干餾炭化室將物料炭化。該上吸式固定床氣化爐產(chǎn)生熱解氣體的炭化爐型除產(chǎn)氣灰分含量低外，優(yōu)點就是炭化室中物料在上部熱解時所釋放的高發(fā)熱量揮發(fā)分都被吸入到下面料層，有助于熱解炭化，也使收集得到的可燃氣體熱值提高。
3.3.2下吸式固定床炭化爐
氣化爐體部分采用下吸式，與上吸式氣化爐相比有3個優(yōu)點：①物料氣化產(chǎn)生的焦油可以在物料氧化區(qū)床層上被高溫裂解，生成氣即炭化所需高溫燃氣中焦油含量較低；②裂解后的有機蒸汽經(jīng)過高溫氧化區(qū)，攜帶較多熱量，所以下吸式氣化爐氣化室部分排出的氣體溫度更高；③由于氣流流動特點，下吸式氣化爐在微負壓條件下運行，對密封要求不高[42]。
圖14為張連發(fā)等[43]設計的下吸式固定床反火生物質(zhì)炭化燃氣發(fā)生爐，上層為下吸式反火氣化室，下層為熱解炭化室，在上層反火氣化爐腔和下層炭化爐腔中間設爐內(nèi)防爆管口接頭。由于氣化產(chǎn)生氣體溫度較高、焦油含量低、熱氣流流動均勻等優(yōu)點，生產(chǎn)的生物質(zhì)炭和燃氣都較為理想。與上吸式固定床相比，下吸式床對原料含水率要求更高，不能超過30%。因氣化室和炭化室間的通氣爐柵長期處于高溫狀態(tài)，該爐體對材料性能和成本要求較高。
4幾種類型熱解炭化設備對比
表1列舉了幾例生物質(zhì)熱解炭化反應設備各自的特點。經(jīng)過對3種生物質(zhì)熱解炭化反應設備的對比，不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的窯式生物質(zhì)熱解炭化爐制造容易，成本較低，使用不受地區(qū)限制，技術較為成熟，但只能燒制粒徑較大的硬質(zhì)木材，且生產(chǎn)周期長，材料浪費嚴重，污染大，產(chǎn)炭質(zhì)量難以保證。
新型窯爐和固定床式熱解制炭設備生產(chǎn)周期短，可操作性更強，制炭質(zhì)量較優(yōu)，對尾氣和焦油的處理合理，而相對成本較高，多應用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
5結(jié)語
生物質(zhì)炭化一個古老而又新興的產(chǎn)業(yè)。從最原始的搭窯燒炭到現(xiàn)代的各種熱解炭化反應設備，熱解制炭的原理始終如一，但不同類型的炭化反應設備都具有各自的優(yōu)缺點，其中滲透的科技含量也越來越高。
通過實地考察與大量資料查閱，總結(jié)國內(nèi)外多家科研機構(gòu)對生物質(zhì)熱解炭化反應設備的開發(fā)試驗情況，作者認為，傳統(tǒng)土窯式炭化爐體已不適用于現(xiàn)代制炭業(yè)，窯式燒炭正向著可移動式、多空間箱式、可回轉(zhuǎn)式窯體等方向發(fā)展。而結(jié)構(gòu)更加簡單、操作更加便捷的固定床式熱解炭化設備，可對煙道氣流走勢、爐體傳熱方式及密封部件結(jié)構(gòu)等進行改進，更適合小型戶用生物質(zhì)炭氣聯(lián)產(chǎn)，工業(yè)應用價值更大。
隨著國家對生物質(zhì)能源關注度的不斷升溫，生物質(zhì)熱解制炭產(chǎn)業(yè)必將得到快速廣闊的發(fā)展。熱解炭化機理以及高效、節(jié)能、穩(wěn)定且具有較高自動化、機械化水平的生物質(zhì)熱解炭化反應設備將是未來的主要研究方向。
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