不同給氧方式對炭氣聯產工藝的影響

王 輝 ，支恩波 ，顧新慶 ，李新利

（1.河北省林業科學研究院，河北 石家莊 050061；2.河北省林木良種工程技術研究中心，河北 石家莊 050061）

不同給氧方式對炭氣聯產工藝的影響

王 輝1，2，支恩波1，2，顧新慶1，2，李新利1，2

（1.河北省林業科學研究院，河北 石家莊 050061；2.河北省林木良種工程技術研究中心，河北 石家莊 050061）

生物質是指通過光合作用形成含有纖維素、半纖維素、木質素等成分的生物體。我國生物質資源豐富，主要以農林廢棄物為主。生物質炭化技術是有效利用生物質資源的方法之一。該文主要研究以敞口快速炭化窯為基礎設備，不同給氧方式對炭氣聯產工藝的影響，以獲得最佳的給氧方式，生產出優質生物質炭、氣產品及副產品木焦油、木醋酸液等。經過優化的炭氣聯產工藝實現節能減排，保護生態環境的目標，同時為以后生物質資源的高效利用提供部分依據。

生物質；炭氣聯產；生物質炭；敞口快速炭化窯

項目來源：河北省科技計劃項目“秸稈炭（固）化生產關鍵技術研究”（編號：09220905D）

生物質是指通過光合作用形成含有纖維素、半纖維素、木質素等成分的生物體，經自然演變或人類采伐后失去生理代謝功能的生物體材料。生物質資源具有數量巨大、形式繁多、可再生、對環境友好、利用方式多樣等特點[1]。

在科學發展的今天，人們開發了許多生物質資源，經過一系列的工藝過程，都可以生產出類木炭新能源的生物質炭。國外許多發達國家將生物質視作對環境和社會有好處的能源資源，加快了生物質能源產品進程。我國每年林業枝丫材及鋸材廢棄物鋸末、木屑、刨花等約2億t，農作物秸稈約為7億t，這些都是生產生物質炭的主要資源[2]。

我國幅員遼闊，秸稈、枝丫類的生物質資源極為豐富，但大部分秸稈被直接作為燃料燃燒或廢棄，利用水平低，浪費嚴重，且污染環境，產生大量的溫室氣體。敞口快速炭化窯炭氣聯產工藝，針對我國農村實際情況，以生物質秸稈為主要炭化原料，既可以生產出高質量的炭、氣產品，又解決資源浪費，節約林木資源，減少作物秸稈焚燒而造成的環境污染[3]。

運用敞口快速炭化技術及配套設備對生物質材料進行快速炭化的項目，在生產過程中無污染，收益高，產品質量穩定。通過本項目的推廣可帶動全國秸稈等生物質的資源化、工業化利用，帶動農業增收，促進秸稈的再利用、為社會提供炭原料及燃料資源，減少環境污染，整個過程形成炭循環，對大氣不排放溫室氣體，對社會的可持續發展具有良好的生態效益。

1 設備及工藝機理

1.1 敞口快速炭化窯設備、流程

（1）窯體。炭化生物質原料的設備。

（2）分離器。分離煙塵、焦油、醋酸液的設備。

（3）旋流凈化器。凈化炭化時產生的煙氣中的雜質的設備。

（4）多層過濾器。進一步過濾凈化氣體的設備。

（5）氣體混合儲罐。使氧氣和可燃氣體混合均勻。

（6）點火器。氣體直燃設備。

1.2 工藝機理

敞口快速炭化窯炭氣聯產工藝的機理：項目的核心技術是利用生物質資源（各種農業廢棄物）為主要原料，在敞口給氧的炭化窯中，經過8～10h炭氣聯產的炭化工藝，生產出不同形狀的炭塊、可燃氣體，同時將副產品秸稈焦油、秸稈醋酸液回收。該設備和工藝改變了傳統的燒制木炭方法，在生產時，不會造成炭化時的二次污染。在生產過程中，將可燃氣體回收，經過分離器、旋流凈化器、過濾器及氣體混合氣的凈化后可作為居民生活用燃氣、取暖用氣；還可以氣體發電。敞口快速炭化窯炭氣聯產工藝技術的優點：具有可以將大小、粗細、形狀不同的原料放入窯體中同時炭化；在炭化的同時，將生物質焦油、醋酸液分離、回收，生產時無二次污染；采用控氧炭化的工藝，在燒炭的過程中可以隨時填加原料，生產可控性極強。生產工藝流程操作簡便、快速、安全。提高后的工藝執行率和質量標準，比現有炯燒干餾炭化的周期時間縮短了21倍。

2 材料及方法

2.1 試驗材料及設備

粉碎為5～10cm的干燥枝丫材（濕度15%）、高壓噴槍（點火裝置）及相對濕度40%左右的生物質炭粉（起阻氧作用）。

長度 0.5、1.0、1.5m的插入式快速測溫儀T950-T1、奧氏氣體分析儀QF1904、微機全自動量熱儀ZDHW-6型、氣袋、馬弗爐、天平（精確0.0001g）、灰皿、干燥皿、灰皿架、長柄夾子等。

2.2 試驗方法

有文獻資料顯示，生物質炭化基本分3個溫度階段：①干燥階段。從點火開始，至爐溫上升到160℃，這時材料所含的水分主要依靠外加熱量和本身燃燒所產生的熱量進行蒸發。材料的化學組成幾乎沒變。②炭化初始階段。這個階段主要靠枝丫材自身的燃燒產生熱量，使爐溫上升到160～270℃。此時，材料發生熱分解反應，其組成開始發生了變化。其中不穩定組成，如半纖維素發生分解生成CO2、CO和少量醋酸等物質。③全面炭化階段。這個階段的溫度為270～550℃。在這階段中，枝丫材急劇地進行熱分解，同時生成了大量的醋酸、甲醇和木焦油等液體產物。此外還產生了甲烷、乙烯等可燃性氣體，這些可燃性氣體被風機帶入煙氣凈化收集裝置[4-5]。

分析以上材料，我們可以得出影響炭氣化效果的有兩個重要因素：①炭化時窯內的升溫速度。②炭化的時間長短。

以下試驗均做3個重復，分別在窯內裝枝丫材 3t，壓實至炭化適宜密度（130～140kg/m3），點火后上面均勻覆蓋等量炭粉各0.6t。

試驗1：敞口快速炭化窯一般在8～10h完成炭化，其溫度劇烈變化一般在前6h。因此本試驗以棉柴為原材料設計了給氧炭化時間均為6h，但分別為 1 號窯：（4+2）h、2 號窯：（3+3）h、3 號窯：（2+2+2）h給氧，其中間隔時間為1.0h（隔氧悶窯狀態）3種不同給氧炭化方式，即通過改變窯內升溫速度，觀察炭的產量與質量，由于炭化時間短，產生可燃氣體的量類似，可視為氣體產量相同，該試驗部分氣體不作比較分析。

試驗2：與3窯炭化原材料相同，給氧方式相同給氧炭化，但采氣的時間分別為4、6、8h（所采氣體能夠點燃時，或者說炭化開始6h后開始計時），然后觀察炭、氣產量及質量的變化情況，即炭、氣所得產量及不同比例，從而找到最優的產氣時間，以實現原材料的價值利用最大化。

3 結果與分析

3.1 窯內升溫速度對炭氣化的影響

不同給氧方式下窯內溫度變化情況見圖1，3窯質量分析見表1。試驗數據為窯內3個不同深度均勻分布的4個點的4次讀數，算出該時間段的平均窯內溫度。

由圖1可以看出：1、2、3號窯的升溫速度1號窯>2號窯>3號窯，且1號窯3h就接近理想炭化溫度270℃以上，而2號窯需要4h，3號窯5h才到達理想炭化溫度。因此我們可以看出連續給氧4h能夠達到快速升溫的目的，可以使窯內溫度迅速達到炭化溫度的第三階段，也是炭化的最佳階段，從而提高了炭化的速度（圖1數據是在每個窯內取3個不同的深度，每個深度取4個均勻分布的點，每小時4次讀數，然后計算出該時間段的平均窯內溫度）。

表1 三窯炭質量分析

由表1可以看出：1號窯生產出來的炭產量最高為1.09t，其炭的固定碳含量也最高，為81.24%，因此我們可以得出，在該試驗條件下，窯內升溫速度越快，其產炭量越高，炭的質量越好。1號窯的產炭率為1.09/3*100%=36.33%。

3.2 采氣時間對炭、氣化的影響

由表2可以看出：采氣時間越長，即采氣量越大所得炭產量就越低。原材料中所含可利用生物質含量是固定的，因此炭、氣產量成反比符合能量守恒的客觀規律。我們帶入棉柴炭的熱值67803.64kJ/kg（ZDHW-6型量熱儀測量得出）及該可燃氣體的平均熱值38.56kJ/m3（所產可燃氣體成分計算得出），可得出炭氣熱值總量為：

表2 時間變化對炭、氣產量的影響

由炭氣產品能夠產生最大熱量我們可以看出：經4h處理的炭、氣產熱最高為69914870kJ。因此產氣越高，原料炭氣化后剩余能量越低，能量損失越大。當然如果不處理的原材料能量最大，但其不利于人們生活日常使用，只能在理論上達到最大值。因此既要減少不必要的能量損失，又要人們使用方便，這就是我們需要炭化的最終目的。

表3 3窯不同時間對炭質量的影響

由表2、3我們可以得出支持燃燒的固定碳凈產量分別為：

由結果我們可以看出，4h處理所得炭質量明顯高于6、8h的，因此取氣時間越短，取氣量越小，所得炭的質量越好，固定碳含量越高，品質越好。當然根據不同原材料，不同地區的需要，我們可以自動調節取氣量，和炭化取氣時間，來實現原材料利用的最大化。

由于客觀原因，目前本試驗以棉柴為原料，得到炭氣聯產的最佳取氣時間為4h，其他原材料在具體生產中應該取多少氣，最佳取氣時間是多少，可以達到效益最大化，還有待進一步研究。

4 討論

炭氣聯產，變廢為寶，從根本上改變了傳統意義上人們對秸稈的利用方式，既給農民增加了收入，也改變了農村的生態環境，提高了農民的生活水平，起到了一定的社會經濟效益。

通過對炭氣聯產技術的推廣可帶動全國秸稈、枝丫材等生物質的資源化、工業化利用，帶動農業增收，促進秸稈的再利用、為社會提供碳原料及燃料資源，減少環境污染，整個過程形成炭循環，對大氣減少排放溫室氣體，對社會的可持續發展也具有良好的生態效益[6]。

秸稈等生物質能源屬于清潔能源，是可再生的，在全球能源構成中占有重要的地位。我國是農業大國，開發與利用生物質轉型優化能源技術的市場潛力很大，在現有的技術條件下，生物質氣化、液化、固化技術，將會隨著能源的日趨緊張而加大開發及應用的進程[7]。在世界能源的結構中，生物質能源將成為繼煤、石油、天燃氣之后的第四大能源。

［1］戴林，李景明.中國生物質能轉換技術發展與評價［M］.北京：中國環境科學出版社，1998.

［2］張文標，王偉龍，趙麗華，等.機制炭理化性能的研究［J］.浙江林學院學報，2003，20（2）：215-218.

［3］譚天偉，王芳，鄧利.生物能源的研究現狀及展望「J」.現代化工，2003，23（9）：8-12.

［4］劉石彩，蔣劍春，陶淵博，等.生物質固化制造成型炭技術研究［J］.林產化工通訊，2002，36（2）：3-5.

［5］董良杰.生物質熱裂解技術及其反應動力學研究［D］沈陽：沈陽農業大學，1997.

［6］高尚武，馬文元.森林能源研究［M］.北京：中國科學技術出版社，1991.

［7］韓寶瑞，沈宗麟，秦萬豐.生物質炭的開發與應用［J］.吉林林學院學報，1998，14（4）：236-237.

S216.2

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1002-3356（2012）05-0005-03

2012-06-28