摘要：为了克服秸秆气化、炭化、干流釜热解技术经济效益低下的缺点，我们研发了生物质炭化制气技术。主要研究方向是拓展产物的用途，提高物料之间的传热效率，提高热能利用率。并对干馏槽在受热过程中的热胀冷缩问题，搅拌推料装置的密封问题，进料出炭装置的密封问题，进料口的物料防堵塞问题，生物粉燃烧机稳定送料问题进行了试验研究得到了突破性进展。机组生产能力为每公斤原料可产0.25～0.3m3气体，产炭粉0.25～0.3Kg。
关键词：生物质；炭化制气；
1引言
在我国，生物质在能源消耗中占有举足轻重的地位，它仅次煤而成为我国第二大能源，占全部能源消耗的20％。在农村能源消费中，生物质能约占生活用能的70％。传统的利用炉灶直接燃烧是我国目前生物质能利用的主要方式，这种方式能源利用率低，只有10～15％，能量损失严重：对生物质资源的无序使用和浪费不但直接导致大气污染，还严重破坏生态环境。
我国生物质资源丰富，每年仅农作物秸秆产量就达6亿吨，除用于畜牧饲料、还田、工业原料和直接燃烧用于炊事外，还有大量的剩余。可见，在数量上生物质能源可以成为未来可持续能源的主要部分。
目前生物质能源的开发利用方法很多，在热化学方法中主要有秸秆气化技术、炭化技术、干馏釜热解技术，但是这些都存在了经济效益低下等问题，故我们研发了生物质炭化制气技术。
2生物质炭化制气技术原理与工艺流程
2.1原理
生物质炭化制气技术是利用锯末、树枝、稻壳、糖醛渣、玉米芯及农作物秸秆等各种农业废弃物，经粉碎后通过烘干系统、上料系统连续加入裂解炉，在炉内依次完成再烘干、裂解炭化，终产生生物粗燃气、炭粉；粗燃气经净化分离可得生物燃气、木焦油、木醋液。
裂解炉采用自动流水线方式，一边进料一边出炭粉，生产中根据粉碎后的原材料水分含量大小，控制上料机，使原材料能依次经过烘干、炭化达到成品。运行中调解燃烧机控制裂解温度，使成炭品质稳定。同时，对生产过程中产生的裂解气进行净化回收，收集起来供用户使用。
2.2工艺流程图
3.研究的方案和内容
3.1研究方案
3.1.1拓展产物的用途
干馏釜热解工艺可得到生物燃气、生物炭、木焦油、木醋液，这与本技术的目标相同，但其产生的生物炭由于炭的品质不好，一般都用于改良土壤，没有产生利润价值，而市场上出售的机制炭却达到了3000元/吨左右，致使生物燃气站运行亏损。而且由于其工艺的缺陷只能用机制棒做炭化原料，机制棒的原料为锯末或稻壳（不同的原料所用的制棒机不同，现市场上只有这两种），这就限制了原料的种类，不太适合广大农村地区（各地的原料不同）。
因此拓展原料种类和产物的用途，是本技术的重点：
方法1：我们用植物粉（≤10mm）代替机制棒，这样使所有的植物均可用于此反应炉；
方法2：由于原料为植物粉，所以产物也由机制炭变为生物炭粉，它的用途可远远大于机制炭。现举例如下：
①生物炭粉可用于金属冶炼、铸造脱模剂和防氧化剂。
还用作金属冶炼、食品和轻工业的燃料，电炉冶炼的还原剂，金属精制时用作覆盖剂保护金属不被氧化。在化学工业上常作二硫化碳和活性炭等的原料。也用于水的过滤、液体的脱色和制备黑色火药等。还在研磨、绘画、化妆、医药、火药、渗碳、粉末合金等各方面应用。
②生物炭粉加入粘结剂可制成机制炭。
③生物炭粉经活化后可制成活性炭，用于污水和恶臭气味的吸附剂。
④生物炭粉掺入化肥中，可减少化肥流失；春播前在土壤表面每公顷布撒750kg炭粉，可使地表温度提高2～3℃，使耕地疏松、保墒，改良土壤效果显著，花生大能增产14%，玉米大能增产18%。
3.1.2提高物料之间的传热效率
由于物料在隔绝空气加热裂解时，干馏釜内物料之间的传热效率极低（植物均为热的不良导体），造成外热的大量浪费。所以我采用搅拌桨叶的形式，进行翻炒，使物料都能与干馏槽接触，增加传热效率。
3.1.3提高热能利用率
具体措施如下：
①裂解热烟气采用多回程利用、逆流式布置、设备连续运行，大大提高了热能利用率。在搅拌杆上加上一定斜度的推进桨叶，使物料在搅拌的同时进行移动。
②裂解尾气又串联至气流烘干机，气流烘干机又叫瞬时干燥机，传热效率极高，能充分提高热能利用率。
③裂解热源采用植物粉（和热解原料相同），加热原料成本低。另，采用悬浮燃烧技术，使燃烧效率达到90%以上。
④裂解炉、气流烘干机均采用≥100mm的保温材料进行保温，减少热能损失。
3.2研究内容
3.2.1干馏槽在受热过程中的热胀冷缩问题
在干馏槽体上加装波纹膨胀节，分三种形式进行实验:①五折邹膨胀节，②三折邹膨胀节，③一折邹膨胀节。
3.2.2搅拌推料装置的密封问题
选用以下两种方法进行实验：
①转动部分采用带防尘圈的滚动轴承，外端加装填料式密封。
②转动部分采用滑动轴承，外端加装填料式密封。
3.2.3进料出炭装置的密封问题
进料装置选用以下两种方法进行实验：
①在烘干系统捕集器的出料口安装闭风器，由闭风器直接把料喂入裂解炉。
②烘干系统的原料先收集到一个料仓，再由斜铰笼把料喂入裂解炉。
出料装置选用以下两种方法进行实验：
①采用刮板机把炭粉送入一密封仓，刮板机采用夹层式，内通循环水对炭粉进行冷却。
②采用铰笼出料，铰笼为双层，内通循环水对炭粉进行冷却。
3.2.4进料口的物料防堵塞问题
在裂解炉的进料口加装手动条状搅动装置，采用间歇搅动，观察进料情况。
3.2.5生物粉燃烧机稳定送料问题
选用以下两种方法进行实验：
①按照煤粉炉的形式，从风机出口端加料。
②从风机的进口端加料。
4.实验结果与分析
4.1实验材料与实验设备
本实验采用稻壳为实验材料。实验设备为我们自制的炭化制气机组，包括JTQ-300型裂解炉一台、QG-160型烘干机组一套、JH-300型净化器一台、LS-160型出炭机一台、LS-160×2型上料机一套、FS-30型燃烧机一台、BF-100型闭风器两套、DJQ-1型电控一台、循环水泵一台、加臭机一台、150m3储气柜一个。
稻壳的工业成分分析如表4.1
|
原料 |
水分(%) |
灰分(%) |
挥发分(%) |
固定炭(%) |
低位热值(kcal/kg) |
|
稻壳 |
5.62 |
17.82 |
62.61 |
13.95 |
3828 |
表4.1稻壳工业成分分析
4.2设备实验结果与分析
4.2.1干馏槽膨胀节
通过实验我们发现:五折邹膨胀节和三折邹膨胀节在运行过程中均出现干馏槽有塌腰变形现象，而一折邹膨胀节强度较好，无变形现象。
4.2.2搅拌推料装置的密封
采用带防尘圈的滚动轴承，机构转动灵活、阻力小，但轴承有炸裂现象；采用滑动轴承，虽阻力稍大，但其耐温好，运行较稳定。
4.2.3进料出炭装置的密封
原料由闭风器直接喂入裂解炉，喂料的同时带入的空气量过大，同时湿蒸汽易结露于闭风器表面造成粘结，使下料困难。同时由于整个装置都在炉体上面，造成操作维修不方便；而由斜铰笼把料喂入裂解炉，虽然系统增加了一套设备，但运行较稳定，操作方便。
采用刮板机出炭，系统布置紧凑，但其故障率高、制作成本高；采用铰笼出炭，故障率低、制作成本低。两种机构都可用于此系统，根据工程现场情况可以自由选择。
4.2.4进料口的搅动装置
经实验此手动条状搅动装置，采用间歇性搅动使机组运行良好无堵塞现象。
4.2.5生物粉燃烧机
从风机出口端加料，进料很难控制，而从风机的进口端加料，效果良好。
4.3设备运行参数的测定与分析
我们以稻壳为原料，三次运行生物质炭化制气机组得到平均参数如表4.2
|
运行时间（分） |
0 |
20 |
50 |
80 |
110 |
140 |
170 |
200 |
220 |
|
|
温 度 ℃ |
炉膛 |
16 |
420 |
552 |
585 |
576 |
568 |
546 |
475 |
422 |
|
炭化层 |
15 |
378 |
486 |
512 |
533 |
578 |
571 |
522 |
503 |
|
|
尾气 |
16 |
87 |
120 |
137 |
146 |
148 |
146 |
132 |
124 |
|
|
净化后燃气 |
16 |
20 |
21 |
20 |
24 |
24 |
26 |
25 |
23 |
|
|
燃气输送压力KPa |
/ |
2.15 |
3.02 |
3.12 |
3.20 |
3.08 |
2.99 |
3.19 |
3.20 |
|
|
状 态 |
预热 |
燃气合格 |
燃气合格 |
燃气合格 |
燃气合格 |
燃气合格 |
燃气合格 |
燃气合格 |
气柜充满 |
|
|
投料量 |
30袋×15Kg/袋=450 Kg（其中：燃料用量：7袋×15Kg/袋=105Kg 炭化用量：23袋×15Kg/袋=345 Kg） |
|||||||||
|
炭粉产量 |
98 Kg |
|||||||||
表4.2机组运行参数表
从我们的实测数据可以看出，每公斤原料可产0.25～0.3m3气体，产炭粉0.25～0.3Kg。
5小结
通过实验得到了以下结论：
（1）由干馏槽膨胀节的实验知道了一折邹膨胀节的强度较好，没有变形的现象。
（2）由搅拌推料装置密封性的实验知道了滑动轴承比带防尘圈的滚动轴承运行稳定虽然其阻力较大，但是它的耐高温性能很好。
（3）由进料出炭装置密封性实验知道了进料时增加斜铰笼这一设备可以使的运行更加的稳定，操作更加的方便；出炭时采用刮板机可以让结构紧凑节省空间，但是故障率和成本都较高，采用铰笼则可以使得故障率和成本都降低。
（4）对于进料口的防堵塞问题，采用手动条状搅动装置，采用间歇搅动可以使设备很好的运行。
（5）由生物粉燃烧机稳定送料实验可知从风机的进口端加料效果良好。
（3）机组稳定运行每公斤原料可产0.25～0.3m3气体，产炭粉0.25～0.3Kg。
学术来源：炭化机