3MW杏殼氣化發電聯產活性炭、熱、肥的應用案例分析

章一蒙，馬歡歡，陳登宇，周建斌

（南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇南京210037）

山杏是我國北方地區重要的經濟生態林樹種，自20 世紀80 年代以來，在承德市逐漸形成了國內最大的杏仁集散地與杏殼活性炭生產基地，并成為平泉市四大支柱產業之一[1]。杏殼由于灰分低、硬度高，被認為是生產活性炭最好的原料之一[2]，活性炭是食品、藥品、環保、化工等行業不可替代的重要材料，市場需求量與日俱增[3]。

傳統物理法活性炭生產工藝是先炭化，后活化，炭化料在空氣、二氧化碳、水蒸氣等氧化性氣體以及高溫（900℃以上）作用下與炭化料中的碳原子反應形成發達的孔隙[4-5]。目前，我國煤質活性炭、果殼活性炭和物理法粉狀活性炭的生產主要采用物理法活化工藝，該工藝中炭化過程需要外加熱，生產1t 活性炭需要2t 標準煤的熱量，并且環境污染嚴重[6]。傳統物理法活性炭生產加工過程中存在產品單一、自動化程度低、污染大以及效率低等問題，而且承德市屬于京津冀污染防控重點地區。因此，活性炭的生產技術、工藝與設備創新既是行業的迫切需求，也是政府環保工作的重點[7]。

生物質利用技術主要有直接燃燒技術、熱化學轉化技術（氣化、液化）、生物化學轉化技術等[8-9]，其中生物質氣化技術由于具有用途廣、規?？纱罂尚　⒗贸杀镜偷忍攸c[10-11]，是最具發展前景的利用技術，是國內外研究熱點，在生物質氣化發電或供熱方面形成了大量專利和文獻[12]，世界各地也興建了一些生物質氣化發電工程，但是國內外大部分的生物質氣化發電或供熱項目在開始運行不久后便難以為繼，究其原因，主要是氣化技術產品單一，經濟效益不佳及環境污染、設備的系統性、可靠性、穩定性、安全性等問題，目前基于單一技術或產品的氣化發電產業化工程絕大多數處于關停狀態[13]。國內相關科研和從業人員都在尋找適合中國國情的生物質氣化發展新思路，致力于研究新工藝、新設備，開發新產品。

生物質氣化多聯產技術[14-16]是以空氣為氣化劑在不需要外加能源和添加劑、助劑等任何化學藥品的條件下，通過熱化學反應將生物質中纖維素、半纖維素、木質素大分子轉化成生物質可燃氣、生物質炭以及液體的過程。將生物質氣化技術應用于活性炭生產，基于南京林業大學生物質氣化多聯產技術建成了3MW 杏殼氣化發電聯產活性炭、熱、肥項目，解決了傳統杏殼活性炭生產中的產品單一、環境污染大及設備自動化程度低、穩定性及可靠性差等一系列難題。

本文以平泉市已建3MW 杏殼氣化發電聯產活性炭、熱、肥項目為例，介紹了該項目應用技術特點，分析了項目的投資、經濟和環境等指標，為該項目的開發和利用提供依據。

1 項目技術及特點

1.1 項目地情況

河北省承德平泉市是“中國山杏之鄉”，全市發展山杏林七十多萬畝，是中國北方最大的杏仁集散地，每年會產生大量的廢棄杏殼和殘渣（含水率8%～10%）。而承德-平泉也屬于京津冀污染防控重點地區[17-19]，減少傳統杏殼活性炭生產中環境污染是本項目的目的。

1.2 技術概要

將杏殼送入下吸式氣炭聯產固定床氣化爐內，在空氣氣化劑的作用下，產生可燃氣熱值為1100～1300kcal/m3（1cal=4.186J），氣化爐可燃氣出口溫度350℃左右，在氣化過程中得到杏殼氣化炭，通過回轉爐活化制得高品質杏殼活性炭；熱燃氣通過干式分離、冷卻凈化系統，分離凈化后的可燃氣送入內燃機發電，活化尾氣通過余熱鍋爐產生蒸汽供活性炭活化使用，單機達到1MW。該技術1t 杏殼可以發電約600kWh，得到6t熱水（80℃），得到尾炭約44kg，可生產炭基肥220kg，得到0.3t果殼炭，可以生產0.2t活性炭，并同時實現固碳減排（1t活性炭固定CO23.50t）。本新技術、新工藝、新設備不需要外加能源，氣化產生的炭碘吸附值達到380mg/g以上，活化時間減少30%，得率提高10%～15%，實現了杏殼綠色、循環、高效利用。

1.3 系統介紹

該系統主要有6部分：進料和排料部分、氣炭聯產固定床氣化反應器、干式凈化系統、發電余熱鍋爐部分、活化部分和PLC 控制部分。工藝流程見圖1。

圖1 系統工藝流程圖

1.3.1 進料和排料系統

杏殼首先輸送至料斗，然后由送料螺旋輸送機定量地送入氣化反應器。微活化后的氣化炭由帶有內水夾套的出炭螺旋輸送機排出氣化反應器。

1.3.2 氣炭聯產固定床氣化反應器

本裝置主要由進料口、平料器、設置有空氣補氣管和蒸汽布氣管的反應腔、破橋撥桿、旋轉爐排以及密封的炭冷卻器組成，通過在反應腔下部周圍布置N 根長短不一的進氣管補充進空氣，借此提高反應層厚度和控制炭活化所需的溫度；通過裝置反應腔下部的蒸汽補氣管，通入反應腔內部少量蒸汽實現炭的微活化；通過定軸旋轉式爐排，爐排上打有孔，爐排旋轉實現炭顆粒均勻落入下腔體。

1.3.3 干式凈化系統

干式凈化系統主要由旋風除塵器、干式除焦機、冷凝器、分離器以及焦液分離系統組成。用干式凈化系統取代傳統濕式凈化系統，大大提高了提取液品質，減少了提取液的量（傳統的濕式凈化系統產生大量提取液，且提取液品質低無法利用），通過干式凈化系統最終可得到清潔燃氣，達到內燃機所需燃氣要求，對環境無污染。

關鍵設備干式除焦機由可燃氣進口、殼體、排污口、中間高速離心過濾元件、電機等組成，運行時帶有粉塵、水、焦油的可燃氣從設備下部進入，進而氣流從中間過濾元件的外部進入過濾元件內部，可燃氣中粉塵、分子量高于過濾元件精度的焦油被過濾元件截留，截留的粉塵、水、焦油在高速旋轉濾芯的作用下被甩出，在自潔的同時脫除了可燃氣中焦油、粉塵和水，解決了現有可燃氣凈化裝置無法低成本、低能耗、無污染、高效的深度凈化問題。焦油返回氣化爐再次裂解，提取液收集為產品。

1.3.4 發電余熱鍋爐部分

發電余熱鍋爐部分由緩沖罐、內燃發電機和余熱鍋爐組成。

內燃發電采用的是淄博淄柴新能源有限公司6 臺8300 機組，進機燃氣溫度≤40℃，燃氣熱值≥4.0MJ/m3，水分含量≤40g/m3，粉塵含量≤30mg/m3，焦油含量≤50mg/m3，硫總含量≤100mg/m3。

1.3.5 活化部分

活性炭活化部分由回轉筒體、支承裝置、帶擋輪支承裝置、窯頭、窯尾密封裝置、余熱鍋爐等部分組成。生物質氣化炭在回轉窯內緩慢移動過程中，高溫活化段溫度將達到800～1000℃，活化階段主要是形成活性炭發達微孔，使其具備高吸附性能，活化階段是活性炭制備工藝的關鍵，產生的燃氣經余熱鍋爐燃燒后（鍋爐蒸汽供活性炭生產），處理后排入大氣。

1.3.6 PLC控制系統

PLC控制系統通過一個控制柜來實現。控制柜包括報警系統以及所有電機、蝶閥的按鈕和調頻器。一旦電機過載便會報警，可以防止電機燒壞。所有熱電偶和壓力計的測出數值都顯示在控制柜上。

1.4 技術特點

傳統的物理法活性炭先炭化后活化，工藝復雜，活化時間長，能耗高，消耗大量水蒸氣、煙道氣等氣體活化劑，產生粉塵、煙等污染，僅有活性炭產品[4]，9t 原料得到1t 活性炭[20]。而本項目杏殼氣化發電的同時，得到活性炭、肥、熱水，顛覆了傳統的生物質氣化、活性炭生產，杏殼綜合利用效率提升80%～120%；同時將碳氮硫固定在生物質炭中，實現了生物質全生命周期利用過程的CO2負排放。

本項目技術針對國家發展清潔高效能源技術、節能減排、環境污染治理、肥料農藥減量等重大需求，以及數量巨大的農林生物質利用關鍵技術的瓶頸問題，開發生物質氣化發電聯產炭、熱、肥新技術，探索一條實用、可復制、可推廣，并在國內外領先的農林生物質綠色、高值、循環、可持續利用的新途徑。

2 系統運行

該項目于2014 年建成，2015—2019 年穩定、連續運行5年，現對2019年運行情況進行分析。

2.1 原料理化分析

對采收季的杏殼原料抽樣進行工業分析和元素分析，并綜合比較了樟子松、椰殼生物質的性質，結果如表1所示。從工業分析可以看出，杏殼的揮發分含量介于樟子松與椰殼之間，達81.92%，且灰分含量比樟子松和椰殼都低，僅含有0.64%。從元素分析可以看出，杏殼碳元素含量為50.66%，高于樟子松和椰殼，碳是生物質的主要可燃成分，杏殼硫元素含量不到椰殼的一半。因此，杏殼不僅是優質的生物質能源和活性炭的原料之一，也是替代煤等化石能源的綠色能源之一。

2.2 系統運行結果

2.2.1 產品產量

統計2019年3月1日～3月30日的日杏殼消耗、并網發電量、活性炭、尾炭、提取液以及熱水產量，結果見圖2。由圖可知，杏殼的消耗量126～136t/d，平均消耗量130t/d，發電量64～72MkWh/d，平均發電量68.14MkWh/d，活性炭產量13～15t/d，活性炭平均產量14.15t/d，尾炭產量2.4～3t/d，尾炭平均產量2.65t/d，熱水產量700～780t/d，熱水平均產量751t/d，提取液產量6.2～6.5t/d，提取液平均產量6.12t/d，圖中曲線中間有1個大的凹點出現是由于當天1臺發電機故障檢修。電并入國家電網，活性炭為商品活性炭外銷，尾炭制作成炭基肥，熱水用于供應平泉賓館、浴室，提取液沒有深加工外銷海南用于水果種植。

圖2 系統產品產量變化

2.2.2 產品質量

抽樣杏殼炭的工業分析見表2，通過4 天對杏殼氣化炭的理化分析，固定碳含量在85%以上，揮發分10%以上，同時固定了部分硫，碘吸附值達到350mg/g 以上，氣化炭具有一定的吸附性能?；罨蟮男託せ钚蕴康奈叫阅芤姳?，從中可以看出經過活化后杏殼活性炭達到商品活性炭的標準（GB/T 13803.1—1999），由于杏殼氣化炭的吸附性能達到傳統工藝炭化料3倍以上，相比較傳統工藝炭化料制備活性炭，活化時間大大下降，活化成本大大降低。

取樣氣化可燃氣熱值檢測變化趨勢如圖3 所示，可以看出通過8天8次的可燃氣取樣分析，可燃氣成分較穩定，熱值維持在4.4～4.9MJ/m3。

表1 原料特性

表2 杏殼氣化炭特性

表3 杏殼熱解氣化聯產活性炭的性質

圖3 取樣可燃氣成分與低位熱值（LHV）變化趨勢

取樣提取液檢測pH 和成分結果顯示，pH 為3～4，通過美國PE 公司Clarus SQ8 氣質聯用儀對提取液中有機物相對含量進行了分析，酸類相對含量最高（41.59%為乙酸），酚類次之（8.20%苯酚）。

2.2.3 尾氣排放

項目運行過程中，經資質單位檢測尾氣排放值如表4 所示，各污染物檢測均達標，NOx微偏高，但在限值范圍內。

表4 尾氣排放檢測值

3 運行分析

3.1 物料平衡分析

本項目某年物料進行平衡分析如圖4所示。由物料平衡圖可知，每年3.9 萬噸杏殼，直接轉化得到7.295萬噸可燃氣，得到0.195萬噸提取液，得到1.01萬噸的杏殼氣化炭，氣化炭可生產杏殼活性炭0.45 萬噸，得到尾炭0.08 萬噸，可生產炭基肥0.4萬噸，排放煙氣14.407萬噸。

3.2 能量平衡分析

圖5 清楚地反應了3MW 杏殼氣化發電聯產活性炭、熱、肥項目的年能量流動和效率。通過氣化反應，杏殼中49.85%（3.42×108MJ/a）的能量被輸送到可燃氣中，20.7%（1.42×108MJ/a）的能量仍被轉移至活性炭中，8.45%（0.58×108MJ/a）的能量轉移到熱水中，2.92%（0.2×108MJ/a）的能量轉移到炭基肥中，0.025%（0.025×108MJ/a）的能量轉移到提取液中。其中17.71%為熱損失（一部分水蒸氣活化與碳發生水煤氣反應，產生的CO、H2與補充進活化爐的空氣在高溫下燃燒，提供活化反應所需熱量，另一部分干式凈化過程中降溫損失的熱量）。項目中燃氣轉化為電能的效率約為21.6%。與傳統氣化技術（氣化效率80%左右[24]）相比，該項目氣化效率低了很多，僅有49.85%，但是該項目項技術的主要優點在于追求最大利用效率，在發電過程中得到高附加值的活性炭以及炭基肥、熱，實現了較好的經濟效益和環境效益。

圖4 系統物料平衡圖（萬噸/年）

圖5 系統能量平衡圖（MJ/a）

3.3 碳平衡分析

項目運行中某年碳平衡分析如圖6所示。由碳平衡圖可知，杏殼中1.97萬噸的C（相當于杏殼生長需要吸收CO27.22萬噸）經過氣化反應器后，有0.91 萬噸的C 轉移至杏殼氣化炭中，0.005 萬噸的炭轉移至提取液中，同時有1.055 萬噸的碳（相當于3.87萬噸的CO2）轉移到煙氣，杏殼氣化炭進一步經過活化爐活化，0.405 萬噸的碳（相當于固定了1.485 萬噸的CO2）轉移至活性炭中，制備活性炭產生了尾炭，尾炭中0.064 萬噸的碳因生產炭基肥轉移至炭基肥中，在活化過程中有0.441 萬噸的碳（相當于1.617 萬噸的CO2）轉移到煙氣中。因此，本項目節約標煤約7500 噸，減排CO2約2 萬噸，0.4萬噸炭基肥、0.45萬噸活性炭和0.005萬噸提取液，減排CO2約1.738萬噸，項目總減排CO2約3.738萬噸，環境效益顯著。

4 經濟性分析

項目的投資成本、運行費用、經濟效益是影響用戶應用積極性的關鍵因素。表5 中顯示3MW 杏殼氣化發電聯產活性炭、熱、肥的應用案例分析有顯著的經濟效益，初步估算，投資回收期一年多。分析結果表明，本項目實現了杏殼高效、循環、環保利用，具有良好的盈利能力。

表5 項目的經濟性分析表

圖6 系統碳平衡圖（萬噸/年）

5 結論

（1）3MW 杏殼氣化發電聯產活性炭、熱、肥項目在平泉市已滿負荷運行4 年，通過對產品質量、產品產量分析，結果顯示，電穩定并網，活性炭達到商品炭標準。項目技術上成熟、先進，項目能充分利用可再生資源、節省煤炭資源，在氣化發電的同時，還能實現活性炭清潔生產，具有較高綜合利用效率。

（2）3MW 杏殼氣化發電聯產活性炭、熱、肥項目經過平衡分析和經濟性分析，每年可消耗杏殼3.9萬噸，節約原煤折算標煤量為7500噸，總減排CO2約3.738 萬噸，環境效益好，投資回收期一年多，經濟效益非常顯著。

（3）3MW 杏殼氣化發電聯產活性炭、熱、肥項目從原料到加工過程及產品的應用完全符合綠色產業、循環產業及可持續產業的發展方向，切合習近平總書記十九大報告提出的“建設美麗中國，推進綠色發展，壯大節能環保產業、清潔生產產業、清潔能源產業，推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系”發展構思，如能大面積推廣使用，將推動生物質高效、循環利用和活性炭清潔生產。