PDF《生物质连续热解炭气油联产中试系统开发》

第33 卷第18 期农业工程学报Vol.

33 No.18

2017 年9月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep.

2017 173 生物质连续热解炭气油联产中试系统开发 丛宏斌,姚宗路,赵立欣 ,贾吉秀,兰珊(1. 农业部规划设计研究院,北京 100125;

2.农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京 100125) 摘要:针对目前多数生物质炭化设备生产连续性差、能耗高、生产过程中存在焦油水洗二次污染等问题,结合生物质 炭化技术最新进展和农林剩余物原料特征,提出了生物质连续热解炭气油联产工艺方案,引入连续分段热解、多级组合 除尘脱焦和燃油/燃气回用加热工艺方法.在此基础上,重点突破了多线螺旋抄板物料均匀有序输送、多腔旋流梯级高效 换热、保温沉降密封出炭、系统压力与气体组分耦合预警等技术,开发了生物质连续热解中试生产系统.运行检测结果 表明:系统运行稳定可靠,温度控制精度为±16 ℃,反应室压力控制精度为±25 Pa,以花生壳为原料,原料处理量为 28.2 kg/h,生物炭得率为 31.3%,热解气产率 29.6%,液体产物产率 19.8%,热解气低位热值为 16.3 MJ/m3 ,各项技术指 标均达到了系统设计目标与要求.该中试系统的开发为设备放大及示范应用奠定了重要基础. 关键词:生物质;

热解;

炭;

多联产;

中试系统;

开发 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.023 中图分类号:TK6;

S216.2 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2017)-18-0173-07 丛宏斌, 姚宗路, 赵立欣, 贾吉秀, 兰珊. 生物质连续热解炭气油联产中试系统开发[J]. 农业工程学报, 2017, 33(18): 173-179. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.023 http://www.tcsae.org Cong Hongbin, Yao Zonglu, Zhao Lixin, Jia Jixiu, Lan Shan. Development of carbon, gas and oil poly-generation pilot system based on biomass continuous pyrolysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(18):

173 - 179. (in Chinese with English abstract) doi : 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.023 http://www.tcsae.org

0 引言? 生物质炭化技术指生物质原料在绝氧或低氧环境中 经加热升温引起分子内部分解形成生物炭、生物油和不 可冷凝气体产物的过程,是一种生物质中低温慢速热解 技术[1-3] .生物质热解多联产技术以现代生物质炭化技术 为核心,通过热解气的气液分离和净化提质,生产生物 炭、高品质燃气、木焦油和木醋液等多种产品.该技术 具有资源利用率高、产品形式多样、二次污染少等优点. 生物炭可广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附 和土壤改良等,生物炭的生产和应用已引起国内外科研 人员的广泛关注[4-7] . 热解气作为一种清洁的高品质燃气, 具有重要开发利用价值,副产物木焦油与木醋液精制后 可作为重要的能源和化工原料.生物质热解多联产可进 一步提高生物质资源的开发利用综合效益,符合生物质 能源化资源化综合利用战略思路,具有良好的推广应用 前景. 在生物质炭化技术开发方面,国内外已开发出多类 反应装置,如上吸式固定床反应器、下吸式固定床反应 器、循环流化床反应器、真空移动床反应器和旋转锥反 收稿日期:2017-06-27 修订日期:2017-08-17 基金项目:引进国际先进农业科学技术计划(948 计划) 连续式生物质分 段均匀炭化技术系统引进研究 (2016-X55) 作者简介:丛宏斌,博士,主要从事生物质能利用技术与装备方面的研究. Email:[email protected] 通信作者:赵立欣,研究员,主要从事生物质资源利用技术与政策研究. Email:[email protected] 应器等[8-11 .生物质热裂解工艺不同,裂解气、裂解油和 生物炭生成比例存在很大差异.其中,连续式生物质炭 化技术具有生产连续性好、生产率高,过程控制方便、 产品品质相对稳定等优点,代表了生物质炭化技术的未 来发展方向[12-14] .课题组结合生物质炭化技术最新进展 和农林剩余物原料特征 [15] ,提出生物质连续热解炭气油 联产工艺方案,并对相关关键技术问题进行了深入研究, 开发了生物质连续热解中试生产系统,在此基础上对系 统进行了性能测试.该中试系统的开发以期为生物质炭 化多联产系统的放大和示范应用奠定基础.

1 工艺方案与系统组成 1.1 工艺方案 连续热解多联产技术工艺主要包括连续热解和热解 气净化分离

2 个工艺过程,其工艺流程如图

1 所示.连 续热解工艺主要包括密封进料、均匀布料、连续热解、 保温炭化等工段,通过分段处理工艺,可有效提升产品 品质和设备生产率[16] .热解气净化分离工艺主要包括除 尘、多级组合冷凝、洗气等.另外,通过燃气/燃油回用 燃烧,减少生产外部输入性能源消耗并保障清洁生产. 1)密封进料:是指将原料从料仓输送至炭化设备料 斗内,并采取必要措施保障进料时系统的密封性 [17] .物 料喂入时要尽量减少空气带入量,保证反应室内的低氧 和微正压工作环境;

物料喂入后,要通过适时启停上料 机构将物料保持在一定的高度区间,达到设备进料密封 的目的. 2)均匀布料:指将料斗内物料尽可能均匀的推送至 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2017 年174 炭化设备反应室内.原料喂入的均匀一致性,对连续热 解设备运行稳定性和生物炭品质均会产生重要影响.另外,均匀布料工序要求相应机械输送系统对不同类型和 粒径的原料具有比较广泛的适应性. 3)回转热解:是工艺系统的核心,在回转反应室内 物料翻转前进,同时在外部热源的作用下受热分解,该 过程中物料主要经历干燥脱水、受热裂解

2 个过程,分 段连续式的热解过程,对于提升设备生产效率,改善生 物炭品质均有积极影响 [18-20] . 4)保温炭化:指受热分解后的生物炭不直接排出, 而是在系统内继续保温熟化一段时间.保温熟化的生物 炭一般经过序批的形式输送至冷却出炭系统.另外,保 温炭化工艺使回转热解与冷却出炭工艺分开,可避免或 减少因焦油骤然冷却而附着在生物炭上. 5)冷却出炭:经保温炭化后产出的高温生物炭需要 适当冷却,以防止出炭后与空气接触而自燃;

此外,出 料时一般需采取必要的密封措施,尽量减少空气从出炭 口混入热解系统,影响系统运行安全性和产品品质. 6) 净化分离: 热解气净化分离部分可采用旋风除尘、 多级冷凝和洗气等组合除尘脱焦技术工艺,对热解原始 气进行净化分离,可有效避免传统水洗工艺造成的焦油 二次污染问题. 7)回用加热:经净化除尘与油水分离后,热解副产 品主要包括可燃气体、木焦油、木醋液等.回转热解采 用的外部热源由木焦油和部分热解气回用燃烧提供,或 由热解原始气直接燃烧提供[21-23] . 图1生物质连续热解炭气油联产工艺流程 Fig.1 Technology route of carbon, gas and oil poly-generation pilot system based on biomass continuous pyrolysis 1.2 系统组成 生物质连续热解炭气油联产系统主要由生物质连续 热解系统、热解气多级净化分离系统、燃气/燃油回用燃烧 系统、序批密封上料系统、保温密封出炭系统,以及在线 监测与安全预警系统等组成.其系统方案如图

2 所示. 设备作业时,原料经上料系统进入连续热解炭化系 统反应室内,随着回转连续热解反应管的转动,物料有 序翻转后移,在此过程中,逐步受热脱水、析出挥发分 和裂解,然后物料继续下行,热解气与生物炭分离,其 中生物炭进入保温炭化装置,在绝氧与保温环境中进一 步熟化,炭化完成后,高温生物炭在螺旋输送器中适当 冷却并以序批的方式从系统输出.热解气进入净化分离 系统,依次进行除尘、多级冷凝和洗气,最后由增压泵 打入高压储气装置中.通过压力信号的反馈,系统实时 控制引风量,使反应室形成微正压炭化环境. 1.上料机 2.螺旋喂料机 3.炭化设备 4.热风炉 5.冷却出炭装置 6.防爆 装置 7.金属阻火器 8.除尘器 9.一级冷凝器 10.二级冷凝器 11.电捕 焦油器 12.洗气装置 13.鼓风机 14.水封阻火器 1.Conveyor 2.Screw feeder 3.Carbonization equipment 4.Hot air furnace 5.Cooling and charging unit for biochar 6.Explosion proofing device 7.Metal flame arrester 8.Dust c........