生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統開發

叢宏斌，姚宗路，趙立欣，賈吉秀，蘭 珊

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生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統開發

叢宏斌，姚宗路，趙立欣※，賈吉秀，蘭 珊

（1. 農業部規劃設計研究院，北京 100125；2.農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

針對目前多數生物質炭化設備生產連續性差、能耗高、生產過程中存在焦油水洗二次污染等問題，結合生物質炭化技術最新進展和農林剩余物原料特征，提出了生物質連續熱解炭氣油聯產工藝方案，引入連續分段熱解、多級組合除塵脫焦和燃油/燃氣回用加熱工藝方法。在此基礎上，重點突破了多線螺旋抄板物料均勻有序輸送、多腔旋流梯級高效換熱、保溫沉降密封出炭、系統壓力與氣體組分耦合預警等技術，開發了生物質連續熱解中試生產系統。運行檢測結果表明：系統運行穩定可靠，溫度控制精度為±16 ℃，反應室壓力控制精度為±25 Pa，以花生殼為原料，原料處理量為28.2 kg/h，生物炭得率為31.3%，熱解氣產率29.6%，液體產物產率19.8%，熱解氣低位熱值為16.3 MJ/m3，各項技術指標均達到了系統設計目標與要求。該中試系統的開發為設備放大及示范應用奠定了重要基礎。

生物質；熱解；炭；多聯產；中試系統；開發

0 引 言

生物質炭化技術指生物質原料在絕氧或低氧環境中經加熱升溫引起分子內部分解形成生物炭、生物油和不可冷凝氣體產物的過程，是一種生物質中低溫慢速熱解技術[1-3]。生物質熱解多聯產技術以現代生物質炭化技術為核心，通過熱解氣的氣液分離和凈化提質，生產生物炭、高品質燃氣、木焦油和木醋液等多種產品。該技術具有資源利用率高、產品形式多樣、二次污染少等優點。生物炭可廣泛應用于固碳減排、水源凈化、重金屬吸附和土壤改良等，生物炭的生產和應用已引起國內外科研人員的廣泛關注[4-7]。熱解氣作為一種清潔的高品質燃氣，具有重要開發利用價值，副產物木焦油與木醋液精制后可作為重要的能源和化工原料。生物質熱解多聯產可進一步提高生物質資源的開發利用綜合效益，符合生物質能源化資源化綜合利用戰略思路，具有良好的推廣應用前景。

在生物質炭化技術開發方面，國內外已開發出多類反應裝置，如上吸式固定床反應器、下吸式固定床反應器、循環流化床反應器、真空移動床反應器和旋轉錐反應器等[8-11。生物質熱裂解工藝不同，裂解氣、裂解油和生物炭生成比例存在很大差異。其中，連續式生物質炭化技術具有生產連續性好、生產率高，過程控制方便、產品品質相對穩定等優點，代表了生物質炭化技術的未來發展方向[12-14]。課題組結合生物質炭化技術最新進展和農林剩余物原料特征[15]，提出生物質連續熱解炭氣油聯產工藝方案，并對相關關鍵技術問題進行了深入研究，開發了生物質連續熱解中試生產系統，在此基礎上對系統進行了性能測試。該中試系統的開發以期為生物質炭化多聯產系統的放大和示范應用奠定基礎。

1 工藝方案與系統組成

1.1 工藝方案

連續熱解多聯產技術工藝主要包括連續熱解和熱解氣凈化分離2個工藝過程，其工藝流程如圖1所示。連續熱解工藝主要包括密封進料、均勻布料、連續熱解、保溫炭化等工段，通過分段處理工藝，可有效提升產品品質和設備生產率[16]。熱解氣凈化分離工藝主要包括除塵、多級組合冷凝、洗氣等。另外，通過燃氣/燃油回用燃燒，減少生產外部輸入性能源消耗并保障清潔生產。

1）密封進料：是指將原料從料倉輸送至炭化設備料斗內，并采取必要措施保障進料時系統的密封性[17]。物料喂入時要盡量減少空氣帶入量，保證反應室內的低氧和微正壓工作環境；物料喂入后，要通過適時啟停上料機構將物料保持在一定的高度區間，達到設備進料密封的目的。

2）均勻布料：指將料斗內物料盡可能均勻的推送至炭化設備反應室內。原料喂入的均勻一致性，對連續熱解設備運行穩定性和生物炭品質均會產生重要影響。另外，均勻布料工序要求相應機械輸送系統對不同類型和粒徑的原料具有比較廣泛的適應性。

3）回轉熱解：是工藝系統的核心，在回轉反應室內物料翻轉前進，同時在外部熱源的作用下受熱分解，該過程中物料主要經歷干燥脫水、受熱裂解2個過程，分段連續式的熱解過程，對于提升設備生產效率，改善生物炭品質均有積極影響[18-20]。

4）保溫炭化：指受熱分解后的生物炭不直接排出，而是在系統內繼續保溫熟化一段時間。保溫熟化的生物炭一般經過序批的形式輸送至冷卻出炭系統。另外，保溫炭化工藝使回轉熱解與冷卻出炭工藝分開，可避免或減少因焦油驟然冷卻而附著在生物炭上。

5）冷卻出炭：經保溫炭化后產出的高溫生物炭需要適當冷卻，以防止出炭后與空氣接觸而自燃；此外，出料時一般需采取必要的密封措施，盡量減少空氣從出炭口混入熱解系統，影響系統運行安全性和產品品質。

6）凈化分離：熱解氣凈化分離部分可采用旋風除塵、多級冷凝和洗氣等組合除塵脫焦技術工藝，對熱解原始氣進行凈化分離，可有效避免傳統水洗工藝造成的焦油二次污染問題。

7）回用加熱：經凈化除塵與油水分離后，熱解副產品主要包括可燃氣體、木焦油、木醋液等。回轉熱解采用的外部熱源由木焦油和部分熱解氣回用燃燒提供，或由熱解原始氣直接燃燒提供[21-23]。

圖1 生物質連續熱解炭氣油聯產工藝流程

1.2 系統組成

生物質連續熱解炭氣油聯產系統主要由生物質連續熱解系統、熱解氣多級凈化分離系統、燃氣/燃油回用燃燒系統、序批密封上料系統、保溫密封出炭系統，以及在線監測與安全預警系統等組成。其系統方案如圖2所示。

設備作業時，原料經上料系統進入連續熱解炭化系統反應室內，隨著回轉連續熱解反應管的轉動，物料有序翻轉后移，在此過程中，逐步受熱脫水、析出揮發分和裂解，然后物料繼續下行，熱解氣與生物炭分離，其中生物炭進入保溫炭化裝置，在絕氧與保溫環境中進一步熟化，炭化完成后，高溫生物炭在螺旋輸送器中適當冷卻并以序批的方式從系統輸出。熱解氣進入凈化分離系統，依次進行除塵、多級冷凝和洗氣，最后由增壓泵打入高壓儲氣裝置中。通過壓力信號的反饋，系統實時控制引風量，使反應室形成微正壓炭化環境。

1.上料機 2.螺旋喂料機 3.炭化設備 4.熱風爐 5.冷卻出炭裝置 6.防爆裝置 7.金屬阻火器 8.除塵器 9.一級冷凝器 10.二級冷凝器 11.電捕焦油器 12.洗氣裝置 13.鼓風機 14.水封阻火器

1.3 技術參數與性能指標

根據中試設備生產與工藝試驗需要，生物質連續熱解炭氣油聯產系統主要技術參數與性能指標設計如表1所示。

表1 中試系統主要技術參數

2 主要工作單元設計

2.1 回轉連續式熱解系統

回轉連續式熱解設備主要由多線螺旋板輸送機構、多室旋流梯級換熱系統、粉塵沉降出炭裝置、傳動系統和保溫層等組成。多線螺旋板輸送機構安裝在反應室內壁，采用四線螺旋抄板主動輸送物料，使物料整體向前推送過程中適度抄翻，提高物料輸送的穩定性與有序性，可兼顧系統換熱效率與炭化均勻性[24-25]；多室旋流梯級換熱系統將加熱室分成4個腔，熱煙氣從各腔底部流過，受熱氣流自行上升與強制下沉組合影響，形成旋轉流動過程，增強反應室換熱效果。安全防爆裝置采用U形水封或防爆閥門，用于因系統異常進入大量空氣后出現局部爆燃或爆炸時的緊急泄壓。

1.安全防爆裝置 2.排煙通道 3.多室旋流梯級換熱系統 4.保溫層 5.粉塵沉降出炭裝置 6.出氣口 7.燃燒器 8.多線螺旋板抄送機構 9.傳動系統

螺旋板輸送機構物料輸送能力與螺旋板螺距、回轉反應室內徑、螺旋板高度和物料填充系數等均有關系。螺旋板輸送物料運動分析示意圖如圖4所示，物料前進速度為

式中為螺距，mm；為回轉反應器內徑，mm。

式中V為螺旋法線方向速度，m/s。

式中為物料牽連運行速度，m/s。

式中為回轉反應器轉動角速度，rad/s；為螺旋抄板回轉半徑，mm。為回轉反應轉速，r/min。

由式（1）－（5）可知，物料軸向輸送速度為

物料能夠向前輸送的條件

式中為物料與螺旋板的摩擦系數。

由式（6）知，物料輸送速度最大，即設備輸送能力最強時，應滿足

由于螺旋抄板具有一定的高度，在徑向方向上不同位置其回轉半徑不同，在整個輸料截面上，物料沿軸向的平均運動速度為

式中V為物料的平均軸向輸送速度，m/s；1為螺旋抄板頂部回轉半徑，mm；2為螺旋抄板底部回轉半徑，mm。

因此，設備原料處理能力和在反應室的平均滯留時間可表述為

式中為物料的處理能力，kg/h；為回轉反應器內徑，m；為物料填充系數；為物料堆積密度，kg/m3。

注：α為螺旋角，Ve為牽連速度，Vr為相對速度，Va為絕對速度，Vn為螺旋切線速度，VZ為物料水平移動速度，φ為摩擦角，ω為回轉筒轉速。

對于農作物秸稈類原料設計處理能力為40 kg/h，物料在反應室的平均滯留時間為30 min，輸送機構采用四線螺旋抄板設計，物料堆積密度為120 kg/m3，反應室長度為4 m，物料填充系數0.2，代入式（1）－式（11），可知反應室內徑為0.4 m，螺旋抄板螺距360 mm，螺旋抄板高度為72 mm。

2.2 密封進料系統

由于炭化（干餾）技術是生物質原料在絕氧或低氧環境中受熱升溫引起分子內部分解的過程。因此系統需要良好的密封性。進料系統基本要求是進料的均勻性與良好的密封性。密封進料系統結構示意圖如圖5所示，主要包括上料倉、上料裝置、喂料倉、喂料裝置、擾動器，以及用于料位控制的上料位計、下料位計等組成。

1.上料倉 2.上料裝置 3.喂料倉 4.上料位計 5.擾動器 6.下料位計 7.喂料裝置

工作時物料經上料裝置進入喂料倉內，上料機的啟停受上料位計與下料位計實時信號的控制，使喂料倉內物料高度始終維持在上料位計與下料位計之間，一方面，喂料系統利用物料進行了有效密封，另一方面也避免了物料從料倉內溢出。一組擾動機構安裝在喂料倉上，通過撥打物料，防止其搭橋、結拱，提高原料喂入的穩定性。另外，喂料裝置轉速可調，采用變螺距螺旋輸送機構[26-27]，提高了物料進入系統的均勻性和運行可靠性。

2.3 保溫炭化與冷卻出炭系統

工藝設計中，受熱分解產生的生物炭不直接排出，而是在熱解系統中繼續保溫熟化一定的時間。熟化后的生物炭經冷卻裝置從系統排出。保溫炭化與冷卻出炭系統結構示意圖如圖6所示，主要由沉降分離倉、保溫炭化裝置、冷卻出炭裝置、擾動器，以及用于料位控制的上料位計、下料位計等組成。

工作時，生物炭經沉降分離倉進入保溫炭化裝置中，冷卻出炭裝置的啟停受上料位計與下料位計實時信號的控制，使保溫炭化裝置內的物料高度始終維持在上料位與下料位計之間，一方面，出炭系統利用物料進行了有效密封，另一方面也避免了生物炭料位過高溢出至沉降分離倉。一組擾動機構安裝在保溫炭化裝置上，通過撥打生物炭，防止其搭橋、結拱，提高生物炭下行的穩定性。另外，冷卻出炭裝置采用間壁式循環水冷的方式將生物炭冷卻到室溫，防止其接觸空氣后自燃。

1.沉降分離倉 2.保溫炭化裝置 3.上料位計 4.擾動器 5.下料位計 6.生物炭水冷裝置 7.出炭口 8.動力系統

2.4 熱解氣凈化分離系統

熱解氣凈化分離系統主要包括旋風除塵裝置、多級冷凝裝置、洗氣裝置、阻火裝置和鼓風裝置等，將熱解氣經多級組合除塵脫焦后，打入儲氣裝置[28]。另外，在凈化除塵系統中安裝CO、O2、H2、CH4等在線檢測裝置[29]，當O2含量超過設定上限時，熱解氣通過燃燒火炬直接排空。整個處理系統采用微正壓設計，系統壓力采用多點監測，根據壓力信號實時控制鼓風機轉速和管路中的閥門開度，使系統壓力維持在設定區間。當系統壓力或O2含量異常時，系統會發出預警信息，同時，燃氣凈化分離系統中裝有安全防爆與緊急泄壓等裝置。

3 調試運行與系統檢測

3.1 調試運行

在對系統硬件設計制造和監控軟件設計開發的基礎上，對生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統進行了運行調試，現場照片如圖7所示。冷態測試結果表明，中試生產系統各運行參數均達到了設備設計要求，上料系統、出炭系統可按照設定的控制邏輯正常啟停，系統運行穩定。在此基礎上，對系統進行了生產性運行測試。

圖7 系統調試運行現場

3.2 系統檢測

以花生殼（含水率15.9%）為原料，回轉反應器轉速2.2 r/min，炭化溫度600 ℃時[30]，對設備性能進行連續性生產測試，點火時使用的燃料為柴油，系統穩定運行后通過凈化分離后的熱解氣回用燃燒提供熱解所需熱量。試驗過程中系統運行穩定，設備的密封效果良好，系統壓力多點監測，通過管路閥門開度和鼓風機轉速的適時反饋控制系統壓力，系統壓力可穩定維持在設定的控制區間。

對設備主要技術指標進行了測試。3次連續性生產時間均為5 h，取3次平均值得到的設備技術指標如表2所示。從表中可以看出，各項技術指標均達到了系統設計目標與要求。原料類型、粒徑以及設備技術工藝參數對測試指標均有影響，不同工藝參數下的性能測試分析還需進一步試驗研究。

表2 中試系統性能指標

4 結 論

1）生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統采用連續熱解、熱解氣組合凈化分離、熱解油和熱解氣回用加熱等技術工藝，可有效減小外部能源輸入，并實現生物質連續清潔多聯產，為建立適宜中國農村應用的生物質熱解多聯產輕簡化系統提供了技術支撐。

2）生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統突破了多線螺旋抄板物料均勻有序輸送、多腔旋流梯級高效換熱、保溫沉降密封出炭、系統壓力與氣體組分耦合預警等技術，開發的生物質連續熱解中試生產系統運行穩定、工作可靠，達到了設計目標要求。

3）運行測試結果表明：生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統原料處理能力為28.2 kg/h，生物炭得率為31.3%，燃氣熱值為16.3 MJ/m3，溫度控制精度為±10 ℃，壓力控制精度±10 Pa，各項技術指標均達到了系統設計目標與要求，為中試設備的放大設計及示范應用奠定了基礎。

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Development of carbon, gas and oil poly-generation pilot system based on biomass continuous pyrolysis

Cong Hongbin, Yao Zonglu, Zhao Lixin※, Jia Jixiu, Lan Shan

(1.,100125,; 2.,,100125,)

Biomass carbonization technology refers to the process of biochar, bio-oil, and non-condensable gas products’ formation from raw biomass material. This process occurs in the anaerobic or hypoxic environment, which is a low-temperature slow pyrolysis technology. Biomass pyrolysis and multi-generation technology uses modern biomass carbonization technology as the core. Bio-carbon, high-quality gas, wood tar and wood vinegar and other products are produced through the separation and purification of pyrolysis gas. Biochar can be widely used in carbon sequestration, water purification, heavy metal adsorption and soil improvement. Thus, biochar production and application have attracted wide attention of domestic and foreign researchers. Pyrolysis gas has an important development and utilization value as a high-quality clean gas. With the advantages of high utilization rate of resources, diversified product forms and less secondary pollution, this technology can further improve the development and utilization of comprehensive benefits. It also meets the strategic thinking on comprehensive utilization of biomass energy resources, and has a good prospect of popularization and application. Continuous biomass carbonization technology represents the future development direction of biomass carbonization technology, with the advantages of good production continuity, high productivity, convenient process controlling and relatively stable product quality. In view of the fact that most of the biomass carbonization equipment has poor continuity, high energy consumption and secondary tar pollution, the carbon, gas, and oil co-production process scheme was put forward. Combined with the latest development in the biomass carbonization technology and the raw material characteristics of agricultural and forestry residues, continuous segmentation pyrolysis, multi-stage combined dust removal and fuel/gas reuse heating process methods were used. Based on it, the technologies of evenly and orderly multi-level screw board material delivering, efficient multi-cavity swirl cascade heat transferring, insulated settled and sealed char launching, with system pressure and gas component coupling early warning obtained the breakthrough. In addition, biomass continuous pyrolysis test production system was also developed. When this equipment worked, the raw material was orderly reversed with the rotation of continuous pyrolysis reaction tube in the reaction chamber. Dehydration, volatile precipitation and cracking reaction occurred during this process. As the material fell down, the biochar was separated from the gas. The biochar entered into thermal insulation device and was further carbonized in the oxygen and heat insulation environment. After being cooled down, the production was sequentially output through the screw conveyor. As for the pyrolysis gas, it was transferred to the high-pressure gas storage device using the booster pump after the steps of dust removal, multi-stage condensation, and scrubbing. To form a micro-positive pressure carbonization environment in the reaction chamber, this system would control the air volume in real time with the help of pressure signal feedback. The result showed that the system was stable and reliable. Using the peanut shell as the raw material, its treatment capacity was 28.2 kg/h, the biochar yield was 31.3%, the gas calorific value was 16.3 MJ/m3, and the temperature control precision was ±10 ℃. All of the technical indicators reached the system design goals and requirements. In this way, the pilot system development provided the foundation for equipment amplification and demonstration applications. Biomass pyrolysis and polygeneration can further improve the comprehensive development and utilization benefits of biomass resources, in line with the comprehensive utilization strategic thinking of biomass energy, which has a good application prospect.

biomass; pyrolysis; charcoal; poly-generation; pilot system; development

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.023

TK6; S216.2

A

1002-6819(2017)-18-0173-07

2017-06-27

2017-08-17

引進國際先進農業科學技術計劃（948計劃）“連續式生物質分段均勻炭化技術系統引進研究”（2016-X55）

叢宏斌，博士，主要從事生物質能利用技術與裝備方面的研究。Email：dabinc123@163.com

趙立欣，研究員，主要從事生物質資源利用技術與政策研究。Email：zhaolixin5092@163.com