輕型生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線性能研究及產(chǎn)物分析

◇蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張俊豪 李柏隆 謝 駿

本文以項目組自行設(shè)計的生物質(zhì)處理量120kg/h快速熱解生產(chǎn)線為研究對象，考察了生產(chǎn)線的運(yùn)行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化效率，并分析了熱解產(chǎn)物（熱解油、熱解炭和熱解尾氣）的實際產(chǎn)率和理化性質(zhì)；通過連續(xù)12小時的運(yùn)行生產(chǎn)表明，研制的輕型自熱式生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

本項目組前期以生物質(zhì)處理量120kg/h為目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計了輕型自熱式生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備和控制方法，并全面考察生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化效率，以木屑為原料測定及調(diào)試進(jìn)料系統(tǒng)性能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行連續(xù)熱解生產(chǎn)試驗；測量并分析生產(chǎn)線試運(yùn)行熱解產(chǎn)物（熱解油、熱解炭和熱解尾氣）的實際產(chǎn)率和理化性質(zhì)，從而為生物質(zhì)快速熱解的工業(yè)化應(yīng)用提供實踐經(jīng)驗和理論支撐。

1 輕型生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線總體方案

圖1 熱解生產(chǎn)線工藝流程

流化床生物質(zhì)快速熱解是在中等反應(yīng)溫度（500℃-600℃）、高升溫速率（103℃/s-105℃/s）和極短氣相停留時間（小于2s）等條件下進(jìn)行的熱裂解反應(yīng)。本項目組以生物質(zhì)處理量120kg/h為目標(biāo)，分析并確定了生產(chǎn)線加熱、反應(yīng)、進(jìn)料、氣固分離、冷凝及尾氣處理等關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)要求、現(xiàn)存問題以及擬研制思路；完成了進(jìn)料裝置、流化床反應(yīng)器、混燃爐、旋風(fēng)分析器、冷凝裝置等生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計，明確凈化塔、水氣分離器、緩沖罐、集炭箱和存儲罐等輔助設(shè)備的選型；確定了熱解生產(chǎn)線的監(jiān)控方案和監(jiān)控點位，完成監(jiān)控系統(tǒng)PLC、傳感器等硬件選型，編制了流化床反應(yīng)器熱解溫度自動控制程序以及生產(chǎn)線監(jiān)測程序和界面。

（1）固相流程。固相介質(zhì)主要包括生物質(zhì)顆粒原料和熱解炭。首先，經(jīng)粉碎曬干后的生物質(zhì)顆粒被加入到螺旋進(jìn)料器料倉，通過重力作用以及關(guān)風(fēng)器的攪動，生物質(zhì)顆粒由料倉沉降到進(jìn)料通道內(nèi)；隨后，依靠進(jìn)料螺桿的推動作用，生物質(zhì)顆粒進(jìn)入流化床反應(yīng)器，在高溫條件的作用下，迅速熱裂解為熱解氣和熱解炭；最后，熱解炭隨熱解氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器，通過氣固分離后，熱解炭落入旋風(fēng)分離器底部的集炭箱。

（2）氣相流程。氣相介質(zhì)主要包括熱解氣以及熱解尾氣。經(jīng)過氣固分離后，熱解氣流入篩板式冷凝塔，其中可冷凝熱解氣體被冷凝為熱解油，并經(jīng)過管道流入存儲罐；另外的不可冷凝氣體（熱解尾氣），則經(jīng)過過濾除焦、水汽分離后，由羅茨風(fēng)機(jī)吹入到氣體緩沖罐中，一部分作為流化床熱解反應(yīng)的流化載氣，另一部分用作混燃爐的燃燒燃?xì)狻?/p>

（3）液相流程。液相介質(zhì)主要包括熱解油以及循環(huán)冷卻水。在篩板式冷凝塔底的齒輪泵作用下，熱解油流經(jīng)管殼式換熱器并與其內(nèi)部冷卻水換熱，隨后又被壓升至篩板式冷凝塔頂部，作為冷凝介質(zhì)沿塔內(nèi)塔板表面折流向下，與熱解氣體進(jìn)行充分的熱量交換，實現(xiàn)可冷凝氣體的液化。當(dāng)篩板式冷凝塔中熱解油的液位超過設(shè)計上限后，多余的熱解油將自動流入存儲罐內(nèi)。

2 生物質(zhì)進(jìn)料系統(tǒng)性能檢測及調(diào)試

圖2 生物質(zhì)連續(xù)進(jìn)料裝置

本項目組設(shè)計了一種用于生物質(zhì)連續(xù)熱裂解的進(jìn)料裝置，包括：初始料倉、振動料斗、螺旋定量傳料機(jī)構(gòu)、振動篩和負(fù)壓細(xì)料進(jìn)料管等。本項目組設(shè)計的用于生物質(zhì)連續(xù)熱裂解的進(jìn)料裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比采用機(jī)械進(jìn)料與氣力輸送相結(jié)合，實現(xiàn)機(jī)械進(jìn)料與流體進(jìn)料的有機(jī)結(jié)合，本裝置采用振動料斗通過振動使物料活化，能夠有效緩解和消除物料的起拱、堵塞、架橋和粘倉現(xiàn)象，解決料倉排料難的問題；螺旋定量傳料機(jī)構(gòu)可以對生物質(zhì)進(jìn)料進(jìn)行進(jìn)料質(zhì)量控制，進(jìn)料過程更加穩(wěn)定；振動篩可以對粉末化的物料進(jìn)行精細(xì)化篩選，使進(jìn)入反應(yīng)器的物料可以完全充分反應(yīng)；利用壓力差使物料通過負(fù)壓細(xì)料進(jìn)料管，在管道氣流動能作用下，懸浮狀態(tài)的物料隨氣流方向沿管道運(yùn)動，避免原料塔橋，既快又安全。

進(jìn)料速率是快速熱解反應(yīng)過程中的重要工藝參數(shù)，不同電機(jī)轉(zhuǎn)速以及不同物料粒徑大小都會影響螺旋進(jìn)料器的進(jìn)料速率。因此，在進(jìn)行熱解試生產(chǎn)前，必須通過試驗確定進(jìn)料速率與電機(jī)轉(zhuǎn)速及原料粒徑之間的關(guān)系，以便通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來精確地控制進(jìn)料速率。

試驗選取原料木屑粒徑分別為：0.2mm-0.6mm，0.6mm-1.2mm，1.2mm-2.0mm，2.0mm-3.0mm；含水率為10%。通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，測量不同粒徑木屑原料單位時間內(nèi)進(jìn)料量，進(jìn)料速率與進(jìn)料電機(jī)轉(zhuǎn)速及原料木屑粒徑關(guān)系曲線如圖3所示。在測試開始后，將螺旋進(jìn)料器出料端與流化床反應(yīng)器拆卸分離開來，在螺旋進(jìn)料器料倉中加入一定量的物料，然后調(diào)整螺旋進(jìn)料器電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在螺旋進(jìn)料器螺旋出料端口下方放置一臺數(shù)值準(zhǔn)確的托盤秤，用于稱量進(jìn)料器排出的物料重量。

圖3 進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)料速率曲線圖

由圖3可知，不論粒徑大小，轉(zhuǎn)速與進(jìn)料速率均接近正比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越快，進(jìn)料速率越大。當(dāng)木屑粒徑為0.6mm-1.2mm范圍內(nèi)時，進(jìn)料速率可在40kg/h-200kg/h范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，可操作空間較大。因此進(jìn)行原料篩分時，應(yīng)選擇篩分出0.6mm-1.2mm的粒徑范圍的木屑原料。

3 生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線試運(yùn)行

輕型自熱式生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線經(jīng)過安裝、試壓、檢漏、防腐、保溫和調(diào)試等前期準(zhǔn)備工作，已經(jīng)具備了生產(chǎn)運(yùn)行的條件。因此，依據(jù)前期摸索出的熱解工藝參數(shù)和操作步驟，對流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線進(jìn)行性能試驗。生產(chǎn)原料為木屑，經(jīng)過篩分晾曬等預(yù)處理后，木屑原料含水率約為10%，篩選出的粒徑范圍0.6mm-1.2mm，共計約1.4t。液化氣為50kg級液化氣鋼瓶，熱值為45.22MJ/kg-50.23MJ/kg。生物質(zhì)快速熱解試生產(chǎn)操作流程如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)線操作流程

4 生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線產(chǎn)物分析

4.1 熱解產(chǎn)物產(chǎn)量

流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行12h，熱解木屑原料1.4t，收集到熱解油約0.96t，則熱解油產(chǎn)率為68%。收集到熱解炭的絕干重量為240kg，則熱解炭產(chǎn)率為17%；結(jié)算可得熱解氣體（不可冷凝）的產(chǎn)率為15%。

圖5 熱解產(chǎn)物產(chǎn)率分布

4.2 熱解油分析

（1）物理性質(zhì)。輕型自熱式生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線生產(chǎn)的熱解油為紅棕色液體，流動性較好，有微量沉淀和懸浮物，有刺激性氣味。

由表1可知，熱解油含水率偏高，這是由木屑原料自身組分以及熱解反應(yīng)導(dǎo)致的，過高的含水率會降級熱解油作為化工原料的應(yīng)用價值。在熱解過程中，可以通過控制原料含水率及熱解反應(yīng)條件，達(dá)到降低熱解油含水率的目的。熱解油pH值平均為3.74，具有較強(qiáng)的酸性，在生產(chǎn)、存儲、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)使用的容器應(yīng)選擇適當(dāng)材質(zhì)。此外，熱解油密度約為1.08g/cm3，明顯高于一般輕質(zhì)燃油的平均密度（0.85g/cm3），因此，熱解油具有高能量密度，適合經(jīng)再加工制成燃料使用。

表1 熱解油物理性質(zhì)分析

（2）化學(xué)組分。采用GC-MS氣-質(zhì)聯(lián)用儀對熱解油組分進(jìn)行定性分析，得到熱解油樣品的主要化學(xué)組成成分及相對含量。熱解油經(jīng)GC-MS檢測共鑒定出44種化合物，按照不同種類的化合物對生物油GC-MS分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，并繪制出熱解油組分分布圖，如圖6所示。

圖6 木屑快速熱解油主要組分分布

由圖6可以看出，熱解油中主要包括酮類（33.55%）、酚類（31.99%）、醛類（14.27%）、酸類（8.75%）、烯烴類（8.53%）等類物質(zhì)。成分最多的是酮類和酚類物質(zhì)，約占總生成量的65.54%。生物油中的酚類物質(zhì)占有較大的比例，酚類物質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是制備很多化學(xué)品的重要原料，酚類物質(zhì)主要成分2,4-二甲基-苯酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚和苯酚，反應(yīng)活性較高，是替代苯酚制備功能性樹脂的優(yōu)質(zhì)原料。

4.3 熱解炭分析

熱解炭的pH值、表觀密度、碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值分析結(jié)果見表2。從表2可知，熱解炭的碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值均比較低，不能直接作為吸附用活性炭使用，需要進(jìn)行二次加工和處理后才能達(dá)到活性炭使用要求。

表2 熱解炭物理性能分析結(jié)果

4.4 熱解氣分析

利用氣相色譜分析儀對熱解產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行分析，熱解氣排除水分后的組分分布如圖7所示。

圖7 木屑快速熱解尾氣組分分布

由圖7可以看到，熱解尾氣主要由CO、CO2、H2、CH4及C2H4組成，其中含有大量的CO、CO2，約占總氣體含量的81%，剩余氣體成分主要由CH4、H2、C2H4組成。熱解尾氣中可燃?xì)怏w總含量所占比例達(dá)到65%，因此熱值比較高，可以用來燃燒為生物質(zhì)熱解反應(yīng)提供所需熱量，還可作為燃料供家庭和工業(yè)生產(chǎn)使用。

4.5 生產(chǎn)線性能評價

通過連續(xù)12小時的運(yùn)行生產(chǎn)表明，本項目組研制的輕型自熱式生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定；熱解油產(chǎn)率達(dá)到68%，滿足快速熱解液化的基本要求；熱解油中酚類物質(zhì)相對含量達(dá)到32%；根據(jù)熱解氣的分析結(jié)果，計算其平均熱值約為25.07MJ/kg，按照額定處理量120kg/h，熱解氣產(chǎn)率為14.8%，單位時間內(nèi)燃燒熱解尾氣所能提供的有效熱量約為194.8kJ，遠(yuǎn)大于混燃爐理論要求值，熱解尾氣完全燃燒產(chǎn)生的熱量，滿足快速熱解所需熱量，可以實現(xiàn)自熱式生產(chǎn)。