蘭珊^1，2，趙立欣²，姚宗路²，叢宏斌²，郭占斌¹

(1．黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶163319；2．農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100125)

　　摘要：以外加熱式生物質(zhì)熱解炭氣油聯(lián)產(chǎn)中試設(shè)備為平臺(tái)，以其工藝技術(shù)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合粗熱解氣的組分特性，提出了一種分級(jí)處理、逐級(jí)凈化的工藝技術(shù)方案，主要包括旋風(fēng)除塵、多級(jí)冷凝、靜電捕焦、濕法除焦等工藝環(huán)節(jié)，同時(shí)對(duì)凈化后的燃?xì)膺M(jìn)行清潔回用，并分析了安全預(yù)警與防爆措施、智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)等輔助技術(shù)。

　　生物質(zhì)連續(xù)熱解是過(guò)程相對(duì)繁雜的熱化學(xué)，涉及到纖維、半纖維以及木質(zhì)素的分解，此過(guò)程中木質(zhì)素的熱解會(huì)帶來(lái)大量的生物炭，同時(shí)產(chǎn)生其他聯(lián)產(chǎn)副產(chǎn)物，如熱解氣、焦油和木醋液等^[1－3]。按加熱方式一般可將熱解設(shè)備分為外熱式、內(nèi)熱式和自燃式3種，其中外熱式一般采用流動(dòng)的高溫?zé)釤煔饣螂姛峤z間接加熱，優(yōu)點(diǎn)是溫度可控性高，便于調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是能耗較大，換熱效率較低^[4]。

　　本課題組結(jié)合外加熱式炭化工作原理和連續(xù)熱解炭化技術(shù)，研制開發(fā)了外加熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解炭氣油聯(lián)產(chǎn)中試系統(tǒng)^[5]，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合生物質(zhì)原料的機(jī)理特性和粗熱解氣的組分特征，提出了熱解氣凈化分離及回用的技術(shù)工藝方案，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾母呒兌葍艋蜔峤飧碑a(chǎn)物的高值化利用。

　　1外加熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化工藝與設(shè)備

　　1.1工藝過(guò)程

　　外加熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化工藝過(guò)程分為連續(xù)熱解和熱解氣凈化分離2部分，工藝流程如圖1所示。連續(xù)熱解工藝主要包括密封進(jìn)料、均勻布料、連續(xù)熱解、保溫炭化等工段。熱解氣凈化分離工藝主要包括除塵、多級(jí)組合冷凝、洗氣等。

　　(1)密封進(jìn)料：是指在盡量避免攜帶空氣的情況下，將生物質(zhì)原料從進(jìn)料倉(cāng)密封送入熱解反應(yīng)器內(nèi)。為保證反應(yīng)過(guò)程的低氧環(huán)境及微負(fù)壓狀態(tài)，在上料機(jī)內(nèi)安裝料位計(jì)，并于進(jìn)料倉(cāng)之間建立反饋調(diào)節(jié)，通過(guò)上料機(jī)中物料高度來(lái)調(diào)控進(jìn)料節(jié)奏，達(dá)到密封進(jìn)料的目的。

　　(2)均勻布料：是指盡可能均勻地將物料由料斗推送至熱解反應(yīng)器內(nèi)。物料輸送的均勻性影響著設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行以及成品炭的炭得率和炭品質(zhì)，同時(shí)不同品種的物料由于粒徑、含水率和組成形態(tài)的不同，需要對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)料轉(zhuǎn)速。

　　(3)連續(xù)熱解：是設(shè)備工作和工藝進(jìn)程的核心階段，物料在熱解回轉(zhuǎn)筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)推進(jìn)，采取外加熱的換熱方法，多級(jí)旋流梯級(jí)換熱的導(dǎo)熱系統(tǒng)，經(jīng)歷烘干脫水和分裂熱解2個(gè)階段，反應(yīng)溫度的調(diào)控、熱解時(shí)間的長(zhǎng)短、換熱效率的高低對(duì)生物炭的得率和品質(zhì)均有較大影響。

　　(4)保溫炭化：該階段處于連續(xù)熱解和冷卻出炭之間，是指生物炭在熱解反應(yīng)后繼續(xù)保溫熟化一段時(shí)間，完全反應(yīng)后再進(jìn)入到冷卻出炭部分。該緩沖階段能夠使生物炭始終保持在較為恒定的溫度，避免因溫度驟降而導(dǎo)致熱解油附著在生物炭上。

　　(5)冷卻出炭：經(jīng)熱解反應(yīng)和保溫炭化后，生物炭處于較高溫度，需要適當(dāng)冷卻降低溫度，避免與空氣直接接觸引起自燃。此過(guò)程應(yīng)盡量保持密封狀態(tài)，減少空氣進(jìn)入前端熱解系統(tǒng)，影響炭的品質(zhì)和系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

　　(6)固氣分離：采用多級(jí)凈化、分級(jí)冷凝的除雜方法，通過(guò)旋風(fēng)除塵、多級(jí)冷凝和洗氣等進(jìn)行組合式除塵脫焦，簡(jiǎn)潔高效，避免傳統(tǒng)工藝和化學(xué)方法造成的二次污染^[6]。

　　(7)燃?xì)饣赜茫航?jīng)過(guò)前端凈化分離，除生物炭外，熱解副產(chǎn)品主要包括熱解氣、焦油和木醋液等，凈化后的熱解氣和焦油可通過(guò)燃?xì)馊紵髋c燃油燃燒器燃燒加熱，為前端換熱系統(tǒng)提供熱源，既節(jié)約能源，又解決了焦油的凈化處理等問(wèn)題。

　　1.2設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理

　　如圖2所示，外加熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解炭氣油聯(lián)產(chǎn)中試系統(tǒng)主要由生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化系統(tǒng)、熱解氣分級(jí)凈化冷凝系統(tǒng)、熱解氣/焦油燃燒再利用系統(tǒng)、密封均勻布料系統(tǒng)、保溫冷卻出炭系統(tǒng)，以及在線監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)等組成。

　　連續(xù)熱解炭化系統(tǒng)是該設(shè)備的主體核心部分，主要由四線螺旋抄板輸料結(jié)構(gòu)、多腔旋流梯級(jí)換熱系統(tǒng)、去塵除焦保溫出炭裝置、鏈條齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和密封保溫層組成。熱解反應(yīng)區(qū)采用雙層套筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為炭化室，炭化室內(nèi)壁設(shè)有四線螺旋抄板結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)速電機(jī)控制回轉(zhuǎn)速度來(lái)調(diào)控物料的輸送速度；反應(yīng)器外層為高溫?zé)釤煔馓淄玻牧线x用316L耐高溫不銹鋼，套筒內(nèi)置環(huán)形折流板，2個(gè)半環(huán)形折流板交錯(cuò)布置，將加熱室分成4個(gè)腔，并在半環(huán)形折流板底部設(shè)有煙氣流通口，套筒外壁設(shè)有燃燒器和引風(fēng)機(jī)，采用間壁式逆流加熱。安全防爆裝置采用U形水封或防爆閥門，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)入大量空氣或運(yùn)行狀態(tài)異常導(dǎo)致反應(yīng)室內(nèi)氣壓驟變時(shí)，可緊急泄壓。如圖3所示。

　　設(shè)備工作時(shí)，生物質(zhì)原料由上料螺旋輸送到喂料機(jī)中，均勻有序地批次進(jìn)入到炭化設(shè)備，在四線螺旋抄板的推送下，與外層熱燃?xì)庑纬砷g壁式逆流換熱，經(jīng)過(guò)烘干脫水等預(yù)處理，在高溫下進(jìn)行分裂熱解，在保溫炭化區(qū)進(jìn)一步熟化后，經(jīng)由冷卻出炭系統(tǒng)完成炭化。熱解副產(chǎn)物經(jīng)后端凈化分離及冷凝裝置處理，潔凈的熱解氣和焦油通過(guò)燃油/燃?xì)馊紵鬟M(jìn)行燃燒，為前端熱解反應(yīng)提供熱源。

　　2熱解氣凈化分離及回用設(shè)計(jì)

　　2.1外加熱式炭化工藝特點(diǎn)

　　外加熱式連續(xù)生物質(zhì)炭化特點(diǎn)和燃?xì)饨M分特性是熱解氣凈化分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。綜合前文可知，外加熱式連續(xù)生物質(zhì)炭化工藝特點(diǎn)如下：①加熱方式為外加熱，熱源由可燃?xì)怏w燃燒提供，反應(yīng)室處于缺氧微正壓狀態(tài)；②熱解原料主要為粗粉碎的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物，如玉米秸稈、棉花秸稈、稻殼、花生殼、木屑和果木剪枝等，得到的粗熱解氣中含粉塵顆粒；③根據(jù)熱解設(shè)備定點(diǎn)溫度測(cè)控儀實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)顯示，粗熱解氣由熱解回轉(zhuǎn)爐進(jìn)入后端凈化裝置時(shí)的溫度在200～230℃，此時(shí)木醋液與水蒸汽仍處于液化狀態(tài)，但部分焦油已經(jīng)開始沉積附著于生物炭上。

　　稻殼的主要成分包括半纖維素、木質(zhì)素、纖維素和二氧化硅等，其中C元素以及大部分的H、O主要存在于纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)物中，其他一些金屬元素如K、Ca、Mg、Al、Fe、Mn、P、Na、Zn、Cu等所占百分比極低，可以忽略不計(jì)，不同產(chǎn)地的稻殼，因其氣候環(huán)境、土壤肥力的不同，內(nèi)在元素的含量也有所差異，以產(chǎn)地分別為湖北黃岡(表1^[7])和山東濟(jì)南(表2^[8])的稻殼組分做比較，可知其C、H、O等主要元素含量差值較小，N、S含量極低可忽略不計(jì)，因此，后續(xù)凈化分離階段可不考慮脫氮去硫等問(wèn)題，揮發(fā)分含量最高接近70%，燃燒產(chǎn)生的主要?dú)怏w為CO₂、CH₄、H₂等。

　　2.2工藝過(guò)程及方法選擇

　　粗熱解氣組分十分復(fù)雜，包含大量的粉塵顆粒物，氣化的焦油、木醋液和水蒸汽，以及一些成分多樣的不可冷凝氣體，采用單一傳統(tǒng)的方法處理所得的熱解氣已不能滿足少雜質(zhì)、高熱值的純凈熱解氣要求。因此，采取分級(jí)處理、逐級(jí)凈化的處理方案，物理化學(xué)相結(jié)合的技術(shù)手段，深層去除粗熱解氣中所含的粉塵顆粒、焦油、木醋液、水蒸汽和不可冷凝氣體，進(jìn)一步提高燃?xì)馄焚|(zhì)。

　　依據(jù)分級(jí)處理、逐級(jí)凈化的基本凈化思路，外加熱式生物質(zhì)連續(xù)熱解炭氣油聯(lián)產(chǎn)中試系統(tǒng)熱解氣凈化分離及回用技術(shù)的工藝路線如圖4所示，整體可分為去除粉塵顆粒、木醋液焦油分離、燃?xì)飧稍锛盁峤鈿饣赜玫取?/p>

　　(1)旋風(fēng)除塵：旋風(fēng)除塵的基本原理是使含粉塵顆粒的氣流在離心力的作用下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將塵粒從氣流中分離并附著于器壁，再借助重力作用使塵粒下落，在機(jī)械除塵器中，旋風(fēng)除塵器效率相對(duì)較高，而且操作簡(jiǎn)單、成本較低[9]，主要適用于＞3μm的非黏性粒子，且可在1000℃以下高溫條件工作。該中試平臺(tái)粗熱解氣的初始溫度在270～300℃，含塵氣體的黏度較室溫(25℃)時(shí)有所升高，離心力作用在運(yùn)動(dòng)塵粒上的黏性阻力增加，導(dǎo)致分離效率降低，但由于溫度較高，塵粒的熱聚團(tuán)作用更為顯著，團(tuán)聚作用下，細(xì)微顆粒有形成大顆粒的趨勢(shì)，有利于分離效率的提高，且除塵的過(guò)程會(huì)將部分焦油一同去除，因此旋風(fēng)分離在該凈化階段較為合理高效。

　　(2)多級(jí)冷凝：通過(guò)降低粗熱解氣的溫度，使焦油和木醋液轉(zhuǎn)變?yōu)橐合辔龀觯瑥亩_(dá)到凈化燃?xì)獾哪康?sup>[10]。一級(jí)冷凝采用列管式冷凝器，由于此時(shí)燃?xì)馊蕴幱谳^高溫度，而木醋液的冷凝溫度一般低于100℃，焦油的冷凝溫度一般低于170℃，但其黏著性較高，所以一級(jí)冷凝達(dá)到的溫度條件只能夠分離出部分木醋液和焦油。二級(jí)深冷是將一級(jí)冷凝中沒(méi)有完全去除的焦油和木醋液進(jìn)一步凈化，同時(shí)將粗熱解氣中的O₂、N₂等冷凝成液態(tài)氧和液態(tài)氮，從而提高燃?xì)赓|(zhì)量和純度。

　　(3)靜電捕焦：是指通過(guò)施加高壓電場(chǎng)，將空氣電離，使燃?xì)庵形搅素?fù)離子的雜質(zhì)在電場(chǎng)力的作用下附著于陽(yáng)極，當(dāng)附著在陽(yáng)極上的雜質(zhì)自身重力過(guò)大時(shí)，將會(huì)自動(dòng)落下并從底部流出，達(dá)到凈化除焦的目的。當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)≤1.5%時(shí)，靜電捕焦的去焦率極高^[11]。

　　(4)濕法除焦：選用文丘里洗滌法，是指通過(guò)燃?xì)馀c旋轉(zhuǎn)噴嘴霧化形成的液滴、液膜或氣泡發(fā)生碰撞，并將其中的焦油捕捉分離的過(guò)程[12]。冷凝過(guò)程僅是表面上將能冷凝下來(lái)的焦油除去了，但液滴和煙霧還不能有效去除，文丘里法利用壓力突變的原理，能夠?qū)⑷細(xì)庵械慕褂妥錾顚犹幚砗颓鍧崱?/p>

　　(5)熱解氣回用：是指將凈化分離后的純凈熱解氣，通過(guò)燃?xì)馊紵鬟M(jìn)行燃燒，為前端的熱解炭化提供熱源。當(dāng)設(shè)備開始運(yùn)行至產(chǎn)氣量穩(wěn)定后，純凈的熱解氣將替代天然氣成為熱源動(dòng)力燃料，節(jié)約能耗，高效利用熱解炭化副產(chǎn)品。

　　2.3處理后熱解氣組分分析

　　在該中試平臺(tái)進(jìn)行熱解試驗(yàn)，依次為旋風(fēng)除塵器、一級(jí)列管冷凝器、二級(jí)深冷器、電捕焦、文丘里洗滌塔、干燥塔等。

　　將凈化處理后的熱解氣進(jìn)行組分檢測(cè)，結(jié)果如表3。測(cè)試地點(diǎn)為清華大學(xué)熱能工程實(shí)驗(yàn)室，使用儀器為氣相色譜儀(PerkinElmer公司，美國(guó))，試驗(yàn)原料為稻殼(黑龍江省齊齊哈爾市)。

　　由表3可以看出，稻殼熱解炭化后，產(chǎn)生的粗熱解氣經(jīng)凈化處理后，O₂和N₂含量較低，CO和CH₄含量較高，總體熱值達(dá)到15.523MJ/m³。

　　3熱解氣凈化分離及回用輔助措施

　　3.1安全預(yù)警與防爆措施

　　凈化分離系統(tǒng)與前端熱解炭化部分相聯(lián)通，整個(gè)系統(tǒng)處于微正壓狀態(tài)，工作時(shí)設(shè)備溫度最高可達(dá)850℃，且熱解氣為可燃性氣體，若進(jìn)風(fēng)控制不當(dāng)或出現(xiàn)空氣進(jìn)入的狀況，有發(fā)生爆炸的潛在危險(xiǎn)，因此，在凈化裝置入口處安裝阻火器，各接口處安裝壓力監(jiān)測(cè)儀，氧氣含量監(jiān)測(cè)裝置和氣體溫度定點(diǎn)測(cè)控裝置，并采取可靠的防爆措施。

　　3.2熱解聯(lián)產(chǎn)物清潔回用

　　熱解聯(lián)產(chǎn)物主要包括熱解氣、焦油和木醋液等，若直接排放對(duì)空氣和環(huán)境將造成危害，可以從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：提高設(shè)備密封性，減少氣體泄漏，對(duì)聯(lián)產(chǎn)物進(jìn)行有效處理，達(dá)到變廢為寶、高效回用的目的。其中粗熱解氣經(jīng)過(guò)后端凈化分離系統(tǒng)的處理可變?yōu)榧儍羧細(xì)猓軌虼嫣烊粴獬蔀樾滦蜔嵩矗荒敬滓嚎梢愿牧纪寥溃龇柿虾蜌⑾x劑等；焦油經(jīng)乳化處理后，也可作為燃料燃燒。

　　3.3智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)

　　精準(zhǔn)、全面、可控性好的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，生產(chǎn)情況反饋、安全預(yù)警提示、緊急情況處理以及各單元協(xié)作調(diào)節(jié)等均需智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的支持。控制界面主要顯示系統(tǒng)壓力、溫度、進(jìn)風(fēng)量、燃?xì)饨M分、工作時(shí)間等，且能夠做到在線實(shí)時(shí)調(diào)控。

　　4結(jié)論

　　本研究以外加熱式生物質(zhì)熱解炭氣油聯(lián)產(chǎn)中試設(shè)備為平臺(tái)，以其工藝技術(shù)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合粗熱解氣的組分特性，提出了一種分級(jí)處理、逐級(jí)凈化的工藝技術(shù)方案，并說(shuō)明了具體實(shí)施方法。粗熱解氣成分復(fù)雜，單一傳統(tǒng)的方案無(wú)法將其徹底凈化，本研究設(shè)計(jì)了分級(jí)處理、逐級(jí)凈化的工藝技術(shù)方案，主要包括旋風(fēng)除塵、多級(jí)冷凝、靜電捕焦、濕法除焦等工藝環(huán)節(jié)，同時(shí)對(duì)凈化后的燃?xì)膺M(jìn)行燃燒回用。為保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還需結(jié)合其他輔助技術(shù)，如安全預(yù)警與防爆措施、智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)等。

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