内加热连续式生物质炭化设备的研制

第35卷第8期太阳能学报Vol 35. No. 82014年8月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAAug…,2014文章编号:02540096(2014)08-1529-07内加热连续式生物质炭化设备的研制丛宏斌,赵立欣,姚宗路,孟海波,袁艳文(农业部规划设计研究院,农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京100125)摘要:针对目前生物质炭化设备生产率较低、能源消耗大、原料适应性较差等问题,提出生物质连续炭化生产工艺路线,采用内加热热解原理,研发内加热连续式生物质炭化设备。以生物质颗粒燃料等为原料开展炭化试验,试验结果表明;设备生产率为108kgh,生物炭得率为31%,吨炭电耗为15kWh,各项性能指标均达到设计要求,可实现生物炭的连续生产。关键词:生物质;炭化设备;压实器;扰动器;生物炭中图分类号:S2162;TK6文献标识码:A0引言工作原理与主要技术参数生物炭的应用可解决农业、能源、环境和气候1.1生物质炭化工艺流程等多方面问题,已引起国内外科研人员的广泛关生物质炭化工艺流程如图1所示。采用花生注。其在农业方面,可改良土壤、培肥地力;在能源壳、玉米芯和生物质颗粒燃料等为原料生物炭生领域,可作为高品质能源,燃烧效率和热值高;在环产工艺流程从整体上可分为原料准备物料干燥境保护方面,是一种性能优良的吸附剂,可处理污热解保温炭化冷却出料和热解副产品回用等环水,净化水质;另外还可应用于固碳减排,减少温室节,可实现连续或续批作业。气体排放。美国、加拿大澳大利亚等国家的生1)原料准备:原料准备是指将原料从料仓输送物质热裂解设备与工艺先进,但在全球生物质热裂至炭化设备,以及在炭化设备内压实、摊平的全过解企业中,产品大部分以裂解气和热解油等生物能程。物料喂入时应尽量减少空气带入量保证炉体源为主,生物炭仅为副产物。国内在生物质热裂内的缺氧和微负压工作环境;物料喂入后,要将物解方面开展了大量研究:天津大学陈冠益等研发料有效压实和摊平保证炉体内部温度场与流场的了生物质流化床;上海交通大学刘荣厚等研发了稳定性。旋转锥热裂解反应器;中科院广州能源研究所研发2)物料干燥:物料干燥是指物料在氧化热解了生物质快速热裂解循环流化床。另外,浙江大前采用热风干燥原理,利用氧化热解余热将物料学、山东理工大学、华中科技大学、沈阳农业大学、烘于。此工艺过程不仅可充分利用氧化热解余河南能源所南昌大学、合肥工业大学等单位也开热,减少设备能耗而且有利于提高设备生产率,改展了相关研究。善生物炭品质。目前,生物炭生产设备主要存在诸如:1)生产3)热解:干燥后的物料下行至热解区,在适当连续性差、生产率低;2)原料适应性差、应用范围受的供氧条件下,开始剧烈氧化、缓慢燃烧生成的热到限制;3)炉内温度与炭化过程控制困难,生物炭量使物料快速升温,生物质热解过程开始,热解气品质受限等不足。针对以上问题,本文提出生物质和焦油随热空气上行。连续炭化生产工艺路线,采用内加热原理,研发内4)保温炭化:保温炭化是指未完全炭化的物料加热连续式生物质炭化设备在绝氧与保H中国煤化工保温温度一般CNMHG收稿日期:201307-18基金项目:公益性行业(农业)科研专项(2013030951)通信作者:孟海波(1972-),男,博士、研究员,主要从事生物质能源开发利用技术与政策方面的研究。 newmhb7209@163com1530太阳能学报35卷在400~550℃,保温炭化时间一般约为1h。体、引风口、检测探测孔、螺旋输送器、出料关风器5)冷却与出料:经保温炭化后产出的高温生物烘干器、吊车、扰动器、炉门等组成。喂料斗通过喂炭需适当冷却,防止出料时生物炭与空气接触后燃料关风器连接在炉盖上,炉盖与炉体通过水封槽连烧;此外,出料时应采取必要措施,尽量减少空气混接,可增加设备的密闭性。引风口分为上、中、下3入炉体。个,引风道分为上、中2个,上引风口与上引风道连6)热解副产品回用:热解副产品包括可燃气接,中引风口与中引风道连接,下引风口直接与炉体、木焦油、木醋液等,经净化除尘与油水分离后,膛连接。设备最下端的出料三通、螺旋输送器和出进行回收利用213料关风器组成设备的冷却出料区。空气一燃气回用燃烧↓木焦油裂解设备作业时,原料经喂料斗与喂料关风器进入净化分离炉膛,炉膛内料位基本保持不变。随着出料口不断出炭,上层物料有序下行并逐渐被热风烘干,进入热解区后部分物料开始缓慢燃烧并迅速热解,继续圆科准备→片一化解一堡下行在绝氧与保温环境中继续化,炭化完成后提供热源提供热源高温生物炭在出料三通和螺旋输送器中适当冷却,图1生物质内加热连续炭化生产工艺流程最后经出料关风器出炭。Fig 1 Biomass internal heating continuous carbonization13主要技术参数technology route内加热连续式生物质炭化设备主要技术参数12炭化设备结构与工作原理如表1所示。内加热连续式生物质炭化设备结构如图2所表1内加热连续式生物质炭化设备主要技术参数示,主要由喂料关风器、喂料斗、压实器、炉盖、炉Table 1 The main technical parameters of internal heatingcontinuous type biomass carbonization furnace技术参数参数值外形尺寸(长x宽x高)m2000×2000×8000配套动力kW14.25设备总重量kg810料准备区炉体入料口内径/mm物料干燥区炉体出炭口内径/mm①500炉体最大外径/mmd1200热解区保温炭化区关键部件设计21炉体与烘干器炉体是炭化设备的核心,设2个炉门、3个引风口、2个引风道和36个检测进风口。检测进风口可用于安装温度探头、压力表或进气阀等。如图3所1.吊车2.喂料斗3.炉盖4.压实器5.炉体6烘干器7.引风口8.扰动器9螺旋输送器示,炉体上部为圆柱形,下部为倒圆锥形,方便与出10.出料关风器11.炉门12.检测进风孔料螺旋连接,炉膛自上而下可分为物料准备区、物13.引风道14.喂料关风器料干燥区、热解区和保温炭化区。下引风口一般不图2内加热连续式生物质炭化设备结构示意图用于引风中国煤化工,可打开下引风Fg2 Schematic diagram of intemal heating continuous type口使热风HCNMH(炭化区的物料进一步熟化。8期丛宏斌等:内加热连续式生物质炭化设备的研制1531堆积密度,600kg/m;D2干燥区炉体内径,m;D——烘干筒外径,m;hx—干燥区有效高度,m;热风干燥μ——设备生物炭得率。炉体设计内径为980mm,当烘干筒内径与高度分别取600和1650mm时,干燥区可容纳颗粒燃料的总质量为467kg。设备生物炭得率为0.33则保温炭化区对应的最小物料需求量为462kg,可满足设计要求。干燥段热量消耗量包括颗粒燃料升温耗热量、氧化热解水分蒸发耗热量、废气带走的显热和炉体散热,由保温于炉体散热所占的比重很小,可忽略不计:炭化=l1+l,+l(4)l1=(q-M,)(T2-T)C(5),=M,y(6)1.引风口2.烘干筒3.炉体4.炉箅G(T。-T(7)5.炉门6.引风道式中,—颗粒燃料升温耗热量,kJh;,一水分图3炉体与烘干筒结构示意图蒸发耗热量,kJh;l一废气带出显热,kJ/h;qFig 3 Schematic diagram of furnace body and drying cylinder干燥段的生产能力,462kg/h;M.—干燥段小时蒸烘干器置于炉体的物料干燥区其上部为半圆球发水量kg/h;Tm物料原始温度,20℃;Ta颗形,下部为圆柱形,底端开口,将烘干区物料隔成薄粒燃料升温后的最高温度,550℃;C—颗粒燃料层利用热风逆流干燥原理可将物料迅速干燥“。比热容,15kJ(kg·K);y——蒸发1kg水分耗热为保证炭化设备连续协调工作,各工艺段生产量,2596k/kg;G一空气的质量风量,528kgh;能力应相匹配,其中保温炭化区的生产能力为:。—废气排出的温度,45℃;7大气温度,g=mF=12pnm(D2+Da+d)4F(1)20℃-空气的比热容J(kgk)。式中,q生物炭生产能力,kgh;F-出料频干燥段耗热量为一次出炭对应的原料烘干所次,次小时;m——生物炭单次出炭量kg;p按需的热量,其中也包括热解区物料升温的耗热量含水率为1%折算后的生物炭堆积密度,500gm;原料含水率按7%计算,总耗热量为4507279D保温炭化区锥底内径,m;d—保温炭化区颗粒燃料热值为18000d/kg,需燃烧颗粒燃料量为锥顶内径,m;h—保温炭化区锥高,m。2504kg,占总原料的54%。保温炭化区锥顶即炭化设备炉体的出炭口,需22压实器与出料输送螺旋连接,尺寸不宜过大,设计内径为压实器有两方面的作用,一是压实物料,将物500mm,锥底内径与锥高设计值分别为860和料向下有序推送,防止搭桥起拱;二是摊平物料,保820mm,出料频次为1次/小时,设备的最大生产能证炉体内稳定的温度场和气流场,提供良好的炭化力为152kg/h环境。压实器结构如图4所示,主要由伸缩轴、弹干燥区物料储备量应不小于保温炭化区物料簧、压实叶片、压实器电机、限位销轴和行程开关等需求量,即:4叫(D2-D3)2组成,压实器安装在炉盖上。随着物料不断喂入,(2)伸缩轴克服自重和弹篝強力上移限位销到达行程m2≥m1(3)开关位置后中国煤化工止喂入。调式中,m干燥区物料质量,kgD颗粒燃料节限位销轴的CNMH9大小。太阳能学报35卷由式(8)、式(9)可知弹簧的设计弹力应为320~570N,选用弹性系数为2×10Nm的弹簧,则伸缩喂料口轴的行程范围为160-285mm。通过调节行程开关的位置可调节物料压实力大小。压实器总功率消耗为034kW,可选用055kW的配套电机。23扰动器炉盖扰动器主要起两方面的作用,一是破坏保温炭化区中的物料压实层,以减小物料层间传热传质障碍,使生物质炭化更充分,提高生物炭品质;二是通物料准备区过扰动物料,避免或减少因物料燃烧形成结渣,使1.压实器电机2.行程开关3.限位销轴生物炭能顺畅地从三通出料口流出。扰动器主要4.伸缩轴5.弹簧6.压实叶片由扰动器叶片、叶片轴、传动轴和带传动系统等组图4压实器结构示意图成如图6所示。8个扰动器叶片分层交叉安装在叶Fig. 4 Schematic diagram of compactor片轴上,相邻叶片的轴间距为80mm。叶片随传动压实叶片共2片,厚度为4mm,安装水平倾角轴的转动而转动,传动轴设计转速为12r/min为20°。压实器转动过程中的受力情况如图5所示,F2为叶片压实力的反作用力,叶片在竖直方向上对物料的压实力和压实器功率消耗分别为:F=F2 cos a=G,+FIP=Ma=2(F,+ F2u cos a)ro/60 (9)式中,F—设计物料压实力,550-800N;F2叶片受到物料的作用力,N;G—伸缩轴与叶片总重量,230N;F——弹簧的作用力,F1=fx(其中,f为出炭三炭三通弹簧弹性系数,20Nmm;x为弹簧压缩量,mm),N;扰动器功耗,W;M—一扰动器主轴扭矩N·m;a—一扰动器主轴转速,25rmin;H—物料与叶片的摩擦系数,03;a—扰动器叶片安装倾1.扰动叶片2.叶片轴3.传动轴角,20;r—力F2作用的半径,0.245m。4.轴承座5.带传动系统芈图6扰动器结构示意图Fig 6 Schematic dia3试验31试验条件与测试方法试验原料为玉米秸秆颗粒燃料,含水率为7%。试验采用随机在线检测的方法,取4次采样的均值作为试验结果。测试时环境温度为18℃,微风,试验场地周边无大的噪声源。图5压实器受力示意图测试中国煤化工产率、生物炭得Fig 5 Force diagram of the compactor率、噪声、4CNMHG出料时间间隔为8期丛宏斌等:内加热连续式生物质炭化设备的研制1533设备纯小时生产率计算公式为得率及生物炭品质均会产生重要影响。研究不同W(1-0(10)原料和不同含水率条件下的生物质定向炭化工艺t(1需通过大量试验和生产实践不断探索,不断跟踪检式中,Q—工作小时生产率,kg/h;W生物炭质测炭化产物的品质,逐步调整和优化炭化工艺参量,kg;H——生物炭含水率,%;一出炭时间间数。本文仅给出了特定条件下的设备炭化试验结隔,h。果,不代表所有原料的最佳炭化工艺。生物炭得率指生物炭产量与所需原料量的质建立科学合理的自动控制系统,可实现对设备量比,其计算公式为炭化工艺参数准确控制。本炭化设备炉体上设有W(1-H)D:100%(11)36个检测进风口,用于安装温度探头、电动进风阀空气流量计等。系统釆用闭环式反馈控制机制,通式中,D—生物炭得率,%;V—一原料质量,g;过对空气流量计、温度探头等数据的采集以及对引J一原料含水率,%风电机转速和进风阀开度的自动调整,可实现对炉吨炭电耗指生物炭单位产量所消耗的电能,其内不同位置温度和进风(氧)量的实时监测控制。计算公式为进而达到生物质定向炭化的工艺目标。由于论文G.=Gn0-12%1000(1-H(12)篇幅所限控制系统设计部分未作介绍。式中,C吨炭电耗,kWhC总耗电量kW,h。5结论其他指标测试方法依据内加热连续式生物质1)内加热连续式生物质炭化设备将生物质的炭化设备设计任务书和试验测试大纲。炭化过程分为物料准备、物料干燥、热解、保温炭化32试验结果与分析和冷却出炭几个工段,采用流水式作业,实现了生在设备正常工作状态下,以玉米秸秆颗粒燃料物炭的连续生产,以颗粒燃料为原料生物炭生产为原料对炭化设备性能进行测试,测试时长4h,共效率达到108kgh,为生物炭的规模化、产业化发计出炭4次,折算后的总出炭量为432kg。设备性展提供了设备保障。能测试和计算结果如表2所示,各项指标均达到设2)采用内源加热,以原料在缺氧环境下缓慢燃计要求。以花生壳和玉米芯为原料进行的炭化试烧产生的热量为热源,使物料热解炭化,并利用薄验,尽管未对生物炭的相关指标进行测试,但其直层逆流热风干燥将物料烘干,减少了输入性能源消观炭化效果良好,说明设备能适用于多种生物质原耗吨炭电耗为15kWh料的炭化处理3)物料压实器可实现对炉内物料的有效压实表2试验测试结果和摊平,为物料炭化提供了稳定的炭化环境;扰动Table 2 Test results of the equipment experiments器可破坏物料压实层,提高了生物质炭化品质,减测试指标测量值少了保温炭化区的物料结渣。纯小时生产率/kg·h4)内加热连续式生物质炭化设备原料适应性吨炭电耗kW·h好,可用于生物质颗粒燃料、花生壳和玉米芯的热生物炭得率%解炭化。噪声/dB79[参考文献]出炭温度/℃炭化温度/℃516[1] Shrestha G, Traina S J, Swanston C W. 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The working process of theequipment includes mainly material preparation, material drying, pyrolysis, carbonization and discharge after coolingetc. Pellet fuel carbonization tests were carried out and the results show that the equipment productivity is 108 kg/hbiochar yield rate is 31%, power consumption per ton is 15 kW. h, the performance indexes have reached the designrequirements, and realizing biochar production in continuous flow lineKeywords: biomass; carbonization equipment; compactor; perturbator; biochar中国煤化工CNMHG