基于炭氣原位耦合重整的秸稈熱解設備研制

秦 超， 孟海波， 李慶達， 葉炳南， 于炳馳， 叢宏斌

（1. 黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163000； 2. 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125）

0 引言

使用秸稈為原料進行熱解，可以得到生物炭、熱解氣和焦油等產物，既解決了農村秸稈的堆積問題，也在很大程度上解決了化石能源短缺的問題。由于生物炭孔隙結構豐富、比表面積大、理化性質穩定、吸附和抗氧化能力強等特點，近些年被越來越多的研究者所關注，被認為是化石燃料的有效替代物之一[1-4]。國內外都發展出了先進的生物炭制備工藝和設備，由于使用的工藝不同，各個設備之間存在著明顯的差異[5-9]。雖然目前的熱解設備已經可以在一定程度上達到生產的要求，但是目前大多數設備還存在著生物炭熱值較低、氣體焦油含量過高等問題[10-12]。

生物質熱解重整技術是通過催化劑對熱解產物進行提質的技術，通過重整可實現焦油的消減和熱解產物的提質，因此被認為是解決目前熱解存在問題的最佳選擇。國內針對重整設備進行了大量研究。青島科技大學開發設計了一種應用于下吸式移動床反應器的配套重整設備[13-15]。浙江大學設計搭建了一種管式固定床反應器[16]。DONG Li 等[17]設計了一種將反應室用開孔隔板分為左右兩個反應床的流化床反應器。此外，中國礦業大學、上海交通大學、天津大學等高校也分別進行了研究[18-20]。當前的重整設備存在結構煩瑣且催化劑成本高等問題，限制重整技術與熱解技術的結合與發展。

為解決這些問題，推進重整技術與熱解技術有機結合和工程應用，本文提出一種基于生物質炭氣原位耦合重整技術的秸稈熱解工藝路線，利用生物炭充當催化劑，部分熱解氣回流至爐體內通過生物炭堆積層進行耦合重整提質。對熱解設備的爐體等關鍵部件進行設計，開發新型移動床生物質熱解設備，在此基礎上對設備進行試驗驗證，以期為生物質熱解設備的改造升級提供支撐。

1 工作原理及主要參數

1.1 工藝流程

工藝流程可分5 個階段，分別是進料烘干、熱解、原位重整、熱解氣排出、冷卻出炭，工藝流程如圖1 所示，因其良好的固氣循環等特性，可實現穩定作業。

圖1 生物質內加熱炭化生產工藝流程Fig. 1 Biomass internal heating charring production process

（1）進料烘干。通過輸送帶將物料從進料口處送入爐中，保證爐體內各料層都處于適當位置，也有利于爐內溫度場的穩定性。當內部料位達到一定高度時就可以停止喂料并開始加熱烘干。

（2）熱解。當爐內溫度持續上升至反應溫度保持穩定后，經過烘干的物料在高溫下進行熱解，此時爐內的各反應層和溫度層的相對位置都不再發生變化，而是趨近于一種平穩態[21]。對爐內原料進行攪拌防止結渣，并通過調節氣閥保持爐內環境微負壓，確保此階段下生物炭與熱解氣等產物穩定高效產生。

（3）原位重整。原位重整階段是整個工藝流程的核心階段，本階段采用特殊的炭氣原位耦合重整技術，利用炭的表面多孔性對回流熱解氣中的焦油等雜質進行吸附脫除，且高溫熱解氣攜帶的水蒸氣也同樣對生物炭進行提質，最終實現生物炭與熱解氣品質的提升。其中回流的氣體量可以通過在熱解氣回流管路與熱解氣排出管路上的兩個電磁閥進行調控。

（4）熱解氣排出。生成的熱解氣仍含有少量雜質，通過尾部分支管路，一部分熱解氣進入燃燒器進行直燃供熱，另一部分熱解氣進入三聯冷凝器進行多級冷凝凈化后收集利用。

（5）冷卻出炭。剛出爐體的生物炭溫度較高，遇空氣易發生自燃，對其進行冷卻降溫，隨后，經過降溫的炭落入下方的生物炭輸送帶上，運入炭箱中干燥儲存。

1.2 設備結構

秸稈內加熱移動床熱解設備的結構如圖2 所示，主要由上料輸送帶、進料口、爐體、攪拌機構、布風機構、出料機構、熱解氣出口、熱解氣回流口、空氣入口、出炭螺旋、三聯冷凝器和燃燒器組成。進料口位于爐體上方，爐體內由上到下分別是壓實機構、攪拌機構、布風機構和出料機構。熱解氣出口與空氣入口都分為上、下兩個，兩個熱解氣出口均設置了環狀布風并通過外部管路與熱解氣回流口構成回環，并且在回流管路與排出管路上設置了電磁閥，可以對氣流量進行精準地調控，空氣入口則可保證前期原料的穩定燃燒并保持爐內的微負壓環境。設備下端設有4 個出炭口，連接出炭螺旋，構成冷卻出炭機構。在熱解氣排出管路末端設置燃燒器，使三聯冷凝器與燃燒器并列，構成熱解氣凈化處理系統。

圖2 秸稈內加熱移動床熱解設備Fig. 2 Straw internal heating moving bed pyrolysis equipment

1.3 工作原理

物料由送料器送至進料口，通過頂部壓實機構進行壓實，物料在垂直式移動床反應器中的移動取決于自重、頂部壓實和炭排放速率。出料桿的轉速是可調的，從而使炭排放速度可變，并可以改變固體產物的停留時間。熱解所需的熱量來自生物質原料的燃燒，熱解溫度由進氣速率控制[22-24]。通過反應器內物料的高度自動調節上料輸送帶的速度，生物質以可變速率進入移動床熱解系統的反應區。隨著材料沿著反應器的軸線向下移動，它們逐漸經歷干燥、熱解和重整。產生的生物炭在缺氧的環境中掉入密封的容器中，最后分批取出。一部分熱解氣直接經過氣泵泵入管路末端的火炬中進行燃燒供熱，另一部分熱解氣再循環到反應室底部的重整區，回流的氣體通過布風板的攪動均布于重整區內，保證爐內氣流的均勻性，且氣體回流量可以通過兩個調整閥進行調節。

1.4 主要參數

立式移動床熱解反應器主要技術參數如表1 所示。

表1 立式移動床熱解反應器主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of vertical moving bed pyrolysis reactor

2 關鍵部件設計

2.1 爐體

爐體的各項參數對整個熱解設備的工作過程具有至關重要的作用，為了使熱解氣在爐內的循環流暢，爐體選用整體的圓柱形，其結構如圖3 所示，方便熱解后產生的熱解氣循環，同時也有利于生物炭經過底層撥料桿進行逆時針旋轉出料，使熱解設備具備更好的熱解條件[25]。

圖3 爐體結構Fig. 3 Structure of furnace body

爐體內自上而下可分為4 個區域，分別為密封區、烘干區、熱解區、重整區。爐體上端擁有兩個料位計，可以實現對內部物料料位的控制：當上料位計亮起時，表示爐體內原料過多，此時通過控制系統控制傾斜進料輸送帶，進料裝置停止進料；當下料位計熄滅時，表示爐體內原料不足，需要立刻補充原料以保證反應正常進行。爐體上還具有多個溫度傳感器，可以在控制臺處確定各區域實時溫度，通過開關風機與電磁閥等進行溫度控制。

為保證熱解設備連續協調工作并使原位重整的進行具有有效性，爐體內的部件位置應與區域相匹配，因此對重整區的高度進行計算，以確定布風板的位置；對密封區與烘干區的高度進行計算，以確定上料位計、下料位計的位置。

重整區高度的計算公式為

式中m1?生物炭單次出炭量，kg

q?生物炭生產能力，kg/h

F?出料頻次，次/h

m2?原料處理量，kg/h

μ?設備生物炭得率，%

h1?重整區高度，mm

ρ1?生物炭堆積密度，kg/m3

D?爐體內經，mm

根據設計要求，原料處理量為1 300 kg/h，生物炭得率為28%，生物炭生產能力為361 kg/h，出料頻次為2 次/h，通過式（1）、式（2）計算出生物炭單次出炭量為180.5 kg[26]。爐體內徑為1 200 mm，生物炭堆積密度為200 kg/m3，通過式（3）計算出重整區高度為790 mm。

密封區與烘干區高度的計算公式為

式中m3?密封區與烘干區可容納物料質量，kg

n?進料頻次，次/h

h2?密封區與烘干區的高度，mm

ρ2?原料堆積密度，kg/m3

每小時進料4 次，根據式（4）計算出密封區和烘干區可容納物料325 kg。花生殼堆積密度為95 kg/m3，通過式（5）計算出密封區與烘干區高度為1 440 mm。

爐體中熱解區與重整區的高度大致相同，因此布風板上表面設置于爐體790 mm 高處，上料位計設置于爐體3 020 mm 高處，下料位計設置于上料位計下方700 mm 處。

2.2 壓實機構

該設備內的壓實機構主要由壓實板、花鍵及加強筋組成，安裝在爐體的頂端處。其中，3 塊壓實板周向呈120°安裝于花鍵上，且壓實板與水平面有一定夾角，壓實板通過花鍵固定于轉軸的底端，轉軸的頂端與電機連接，且轉軸與爐體之間安裝有軸承。電機順時針旋轉時，壓實板對其壓實區域內物料有壓實平整作用，以保證爐內體積被充分利用，其結構如圖4 所示。

圖4 壓實器結構Fig. 4 Structure of compactor

在進行壓實物料的作業中，壓實板受到來自物料的反作用力，由于壓實板具有一定的傾斜度，所以應對其受力進行計算，壓實板對物料的壓實力和壓實器功率消耗的計算公式為

式中Fc?設計物料壓實力，N

F2?葉片受到物料的作用力，N

Fs?葉片受到的水平作用力，N

P?壓實器功耗，W

M?壓實器主軸扭矩，N·m

ω?壓實器主軸轉速，r/min

μ1?物料與葉片的摩擦系數

α?擾動器葉片安裝傾角，（°）

r1?力F2作用的半徑，mm

預設壓實機構的物料壓實力為710 N，壓實片與水平方向的傾斜角為30°，壓實板長度為450 mm，摩擦系數0.3，壓實器主軸轉速為30 r/min，通過式（6）、式（7）計算得出，壓實器的最低功耗為0.86 kW，因此選用1.1 kW 的配套電機。

2.3 多級布風攪拌出料機構

多級布風攪拌出料機構主要起到3 個作用。一是為爐內的回流熱解氣提供良好的循環條件，由于熱解氣回流口布置于爐體的一側，通過多級攪拌可以使原本處于一側的熱解氣均布于爐體中，從而防止熱解氣沿直線上升，進而杜絕一側溫度過高的現象發生。二是可以避免因高溫出現的大塊結渣，通過多級攪拌使爐內發生反應的物料處于流動狀態，防止因反應產生的焦油大量粘連物料，并對已形成的結渣進行打碎，便于后續的出料進行。三是使壓實的物料反應層變得相對較為松散，便于氣體流動和物料反應的徹底進行，提高生物炭和熱解氣等產物的質量。多級布風攪拌出炭機構主要由攪拌桿、布風板、出料桿和驅動電機組成，如圖5 所示。其中攪拌桿長490 mm，分為3 組，每組間隔100 mm；布風板長530 mm、高470 mm，呈120°圓周排列。

圖5 多級攪拌出料機構結構Fig. 5 Structure of multistage mixing discharge mechanism

由于回流的高溫熱解氣會對生物炭進行二次升溫，炭在重整區停留時間過長將轉化為灰渣，停留時間過短則會導致炭的重整反應不完全，因此出料桿的出料量應與設備生物炭生產能力相匹配以保證設備的正常運轉，為防止因出料不及時或出料過快造成物料與產物的損失，對出料桿的相關速度及出料能力進行設計計算。

出料桿的前段為圓弧形狀，在不考慮摩擦力的情況下對其進行運動學分析，如圖6 所示。

圖6 出料機構運動分析Fig. 6 Motion analysis of discharge mechanism

取圓弧末端進行分析，計算公式為

式中Ve?垂直于OA的牽連速度，m/s

Vr?沿著切線方向的牽連速度，m/s

θ?Vr與V的夾角，（°）

ωe?出料桿轉速，r/min

Q?出料量，kg/h

he?出料桿高度，mm

l?撥料寬度，mm

V?出料速度，m/s

n1?出料桿數量

出料桿轉速設定為5 r/min，高度為10 mm，撥料寬度為5 mm，θ 取55°，通過式（8）、式（9）、式（10）計算得到沿切線方向的牽連速度為0.042 m/s，出料速度為0.024 m/s，因此可以通過式（11）計算得到出料機構的出料量為312.9 kg/h，符合設計要求。

3 試驗

3.1 試驗運行

選用花生殼作為原料，其含水率為7.8%，揮發分占比為76.2%，試驗場地選在廠棚內，全程在室溫環境下進行，設備實物如圖7 所示。采用隨機采樣方式，取4 次采樣的平均值作為結果。冷態運行和熱解試驗得到的結果表明，設備內物料流動與機構運動情況均達到了預期目標，各個機構均可達成可靠的功能聯動且運行穩定。試驗的主要測試指標為原料處理量、熱解氣熱值、焦油轉化率和生物炭得率[27]。

圖7 設備實物Fig. 7 Physical map of equipment

3.2 試驗結果分析

以花生殼為原料，在設備正常工作狀態下，當炭化溫度穩定在600～650 °C 時，對設備的各項性能進行測試，整個試驗過程中設備運行穩定，密封效果良好。多級布風攪拌機構效果明顯，爐體內氣流均勻流動，有效防止了局部溫度偏高和大塊結渣等問題。氣體回流管路作用突出，明顯減少了排出氣體中攜帶的焦油等雜物，保證了氣體的清潔性并增加了生物炭的燃燒熱值。設備連續作業2 h，每小時出炭2 次，共計出炭4 次，實際總出炭量為731 kg。設備性能測試結果如表2所示，各項技術指標均達到了設備設計目標與要求。

4 結論

（1）基于炭氣原位耦合重整的秸稈內加熱移動床熱解設備的工藝流程分為進料烘干、熱解、原位重整、熱解氣排出、冷卻出炭5 個階段，采用熱解氣與生物炭之間的重整反應，有效降低了熱解氣中的焦油含量并提升生物炭熱值，實現了氣炭清潔聯產。

（2）對爐體、壓實機構和多級布風攪拌出料機構進行了設計，研發了秸稈內加熱移動床熱解設備。設備密封性強、氣體流動均勻、運行情況良好，各結構均可完成預期功能，達到了設計要求。

（3）試驗結果表明，設備原料處理量為1 312 kg/h，生物炭得率為27.8%，熱解氣熱值為6.3 MJ/m3，焦油轉化率為71.3%，熱解區域溫度控制穩定在600～650 °C，各項技術指標均達到了設計目標與要求，為設備的工業化推廣及示范應用奠定基礎。