不同給氧方式對炭氣聯(lián)產(chǎn)工藝的影響

1、不同給氧方式對炭氣聯(lián)產(chǎn)工藝的影響王輝;支恩波;顧新慶;李新利【摘 要】主要研究以敞口快速炭化窯為基礎設備，不同給氧方式對炭氣聯(lián)產(chǎn)工藝 的影響，以獲得最佳的給氧方式，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)炭、氣產(chǎn)品及副產(chǎn)品木焦油、 木醋酸液等。經(jīng)過優(yōu)化的炭氣聯(lián)產(chǎn)工藝實現(xiàn)節(jié)能減排，保護生態(tài)環(huán)境的目標，同時 為以后生物質(zhì)資源的高效利用提供部分依據(jù)。期刊名稱】林業(yè)實用技術年(卷),期】2012(000)011【總頁數(shù)】3頁(P116-118) 【關鍵詞】 生物質(zhì);炭氣聯(lián)產(chǎn);生物質(zhì)炭;敞口快速炭化窯【作 者】 王輝;支恩波;顧新慶;李新利【作者單位】 河北省林業(yè)科學研究院,石家莊 050061 河北省林木良種工程技術研 究中

2、心,石家莊 050061;河北省林業(yè)科學研究院,石家莊 050061 河北省林木良種工 程技術研究中心,石家莊 050061;河北省林業(yè)科學研究院,石家莊 050061 河北省林 木良種工程技術研究中心,石家莊 050061;河北省林業(yè)科學研究院,石家莊 050061 河北省林木良種工程技術研究中心,石家莊 050061【正文語種】 中 文【中圖分類】 TQ225.3生物質(zhì)是指通過光合作用形成含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等成分的生物體，經(jīng) 自然演變或人類采伐后失去生理代謝功能的生物體材料。生物質(zhì)資源具有數(shù)量巨大 形式繁多、可再生、對環(huán)境友好、利用方式多樣等特點1。在科學發(fā)展的今天，人們開發(fā)了許

3、多生物質(zhì)資源，經(jīng)過一系列的工藝過程，都可以 生產(chǎn)出類木炭新能源的生物質(zhì)炭。國外許多發(fā)達國家將生物質(zhì)視作對環(huán)境和社會有 好處的能源資源，加快了生物質(zhì)能源產(chǎn)品進程。我國每年林業(yè)枝丫材及鋸材廢棄物 鋸末、木屑、刨花等約2億t,農(nóng)作物秸桿約為7億t,這些都是生產(chǎn)生物質(zhì)炭的 主要資源2。我國幅員遼闊,秸稈類的生物質(zhì)資源極為豐富,但大部分秸稈被直接作為燃料燃燒 或廢棄,利用水平低,浪費嚴重,且污染環(huán)境,產(chǎn)生大量的溫室氣體。敞口快速炭 化窯炭氣聯(lián)產(chǎn)工藝,針對我國農(nóng)村實際情況,以生物質(zhì)秸稈為主要炭化原料,既可 以生產(chǎn)出高質(zhì)量的炭、氣產(chǎn)品,又解決資源浪費,節(jié)約林木資源,減少作物秸桿焚 燒而造成的環(huán)境污染3。運用

4、敞口快速炭化技術及配套設備對生物質(zhì)枯桿進行快速炭化的項目,在生產(chǎn)過程 中無污染,收益高,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。通過本項目的推廣可帶動全國枯稈等生物質(zhì)的 資源化、工業(yè)化利用,帶動農(nóng)業(yè)增收,促進秸稈的再利用、為社會提供碳原料及燃 料資源,減少環(huán)境污染,整個過程形成炭循環(huán),對大氣不排放溫室氣體,對社會的 可持續(xù)發(fā)展具有良好的生態(tài)效益。設備及工藝機理敞口快速炭化窯設備、流程（1）窯體：炭化生物質(zhì)原料的設備；（2）分離器：分離煙塵、焦油、醋酸液的設備；（3）旋流凈化器：凈化炭化時產(chǎn)生的煙氣中的雜質(zhì)的設備；（4）多層過濾器：進一步過濾凈化氣體的設備；（5）氣體混合儲罐：使氧氣和可燃氣體混合均勻；（6）點火器：氣體

5、直燃設備。工藝機理 敞口快速炭化窯炭氣聯(lián)產(chǎn)工藝的機理：項目的核心技術是利用生物質(zhì)資源（各種農(nóng) 業(yè)廢棄物）為主要原料，在敞口給氧的炭化窯中，經(jīng)過8 10h炭氣聯(lián)產(chǎn)的炭化工 藝，生產(chǎn)出不同形狀的炭塊、可燃氣體，同時將副產(chǎn)品秸桿焦油、秸桿醋酸液回收 該設備和工藝改變了傳統(tǒng)的燒制木炭方法，在生產(chǎn)時，不會造成炭化時的二次污染 在生產(chǎn)過程中，將可燃氣體回收，經(jīng)過分離器、旋流凈化器、過漣器及氣體混合氣 的凈化后可作為居民生活用燃氣、取暖用氣；還可以氣體發(fā)電。敞口快速炭化窯炭 氣聯(lián)產(chǎn)工藝技術的優(yōu)點：具有可以將大小、粗細、形狀不同的原料放入窯體中同時 炭化；在炭化的同時，將生物質(zhì)焦油、醋酸液分離、回收，生產(chǎn)時無

6、二次污染；采 用控氧炭化的工藝，在燒炭的過程中可以隨時填加原料，生產(chǎn)可控性極強。生產(chǎn)工 藝流程操作簡便、快速、安全。提高后的工藝執(zhí)行率和質(zhì)量標準，比現(xiàn)有炯燒干餾 炭化的周期時間縮短了21倍。材料及方法試驗材料及設備粉碎為5 10cm的干燥棉柴（濕度15% ）、高壓噴槍（點火裝置）及相對濕度 40%左右的生物質(zhì)炭粉（起阻氧作用）。長度0.5、1.0、1.5m的插入式快速測溫儀T950 - T1、奧氏氣體分析儀QF1904、 微機全自動量熱儀ZDHW-6型、氣袋、馬弗爐、天平（精確0.000 1 ）、灰皿、 干燥皿、灰皿架、長柄夾子等。試驗方法炭化基本分3個溫度階段：（1）干燥階段。從點火開始，至

7、爐溫上升到160C, 這時秸稈所含的水分主要依靠外加熱量和本身燃燒所產(chǎn)生的熱量進行蒸發(fā)。秸稈的 化學組成幾乎沒變。（2）炭化初始階段。這個階段主要靠秸稈自身的燃燒產(chǎn)生熱 量，使爐溫上升到160 270工之間。此時，秸稈發(fā)生熱分解反應，其組成開始發(fā) 生了變化。其中不穩(wěn)定組成，如半纖維素發(fā)生分解生成 CO2、CO 和少量醋酸等 物質(zhì)。（3 ）全面炭化階段。這個階段的溫度為270 550工。在這階段中，秸稈 急劇地進行熱分解，同時生成了大量的醋酸、甲醇和木焦油等液體產(chǎn)物。此外還產(chǎn) 生了甲烷、乙烯等可燃性氣體，這些可燃性氣體被風機帶入煙氣凈化收集裝置4 5。我們可以得出影響炭氣化效果的有 2 個重要因

8、素：（1）炭化時窯內(nèi)的升溫速度； （2）炭化的時間長短。以下試驗均做3個重復，分別在窯內(nèi)裝相同棉柴秸稈3t，壓實至炭化適宜密度（約為130 140kg /m3）,點火后上面均勻覆蓋等量炭粉各0.6t。試驗一：敞口快速炭化窯一般在810h完成炭化，其溫度劇烈變化一般在前6h。 因此我們本試驗設計了給氧炭化時間均為6h，但分別為4 + 2h、3 + 3h、2 + 2 + 2h給氧，其中間隔時間為1.0h （隔氧悶窯狀態(tài)）3種不同給氧炭化方式，即通過 改變窯內(nèi)升溫速度，觀察產(chǎn)炭的產(chǎn)量與質(zhì)量，由于炭化時間短產(chǎn)生可燃氣體的量類 似，可視為氣體產(chǎn)量相同，該試驗部分氣體不作比較分析。試驗二：本試驗是以三窯炭

9、化原材料相同，給氧方式相同給氧炭化，但采氣的時間 分別為4、6、8h （所采氣體能夠點燃時，或者說炭化開始6h后開始計時），然 后觀察炭、氣產(chǎn)量及質(zhì)量的變化情況，即炭、氣所得產(chǎn)量的不同比例，從而找到最 優(yōu)的產(chǎn)氣量，以實現(xiàn)原材料的價值利用最大化。結(jié)果與分析3.1 窯內(nèi)升溫速度對炭氣化的影響該試驗數(shù)據(jù)為 4 個點窯內(nèi)均勻分布 3 個不同深度每小時 4 次讀數(shù)的采集方式，算 出該時間段的平均窯內(nèi)溫度。由圖1我們可以看出1、2、3號窯的溫度變化的斜率1號窯2號窯3號窯， 可見窯內(nèi)升溫速度123,且1號窯3 h就接近理想炭化溫度270工以上，而2 號窯需要4h，3號窯更長5h才到達理想碳化溫度。因此我們

10、可以看出連續(xù)給氧 4h能夠達到快速升溫的目的，可以使窯內(nèi)溫度迅速達到炭化溫度的第3階段，也 是炭化的最佳階段，從而提高了炭化的速度。圖1 不同給氧氣窯內(nèi)溫度變化情況表1三窯炭質(zhì)量分析表注：表中產(chǎn)炭量均為減去阻燃炭0.6t以后的結(jié)果。窯號炭 凈產(chǎn)量 /1 揮發(fā)分 / % 灰分 / % 固定碳 / %1 1.09 6.24 12.52 81.24 2 0.98 7.47 15.90 76.63 3 0.95 8.33 17.37 75.30由表1我們可以看出1號窯生產(chǎn)出來的炭產(chǎn)量最高為1.09t，其炭的固定碳含量也 最高為81.24%，因此我們可以得出，在該試驗條件下，窯內(nèi)升溫速度越快，其產(chǎn) 炭量

11、越高，炭的質(zhì)量越好。1號窯的產(chǎn)炭率為1.09 /3x100% = 36.33%。采氣時間對炭、氣化的影響表2時間變化對炭、氣產(chǎn)量的影響時間/ h產(chǎn)炭量/1產(chǎn)炭率/ %產(chǎn)氣量/m3 41.03 34.33 2 000 6 0.86 28.67 3 000 8 0.71 23.67 4 000 由表2我們可以看出采氣時間越長，即采氣量越大所得炭產(chǎn)量就越低。原材料中 所含可利用生物質(zhì)含量是固定的，因此炭、氣產(chǎn)量成反比符合能量守恒的客觀規(guī)律 我們帶入棉柴炭的熱值67 803.64kJ / kg （ ZDHW - 6型量熱儀測量得出）及該 可燃氣體的平均熱值38.56kJ / m3 （所產(chǎn)可燃氣體成分計

12、算得出），可得出炭氣 熱值總量為4h 處理：67 803.64x1030 + 38.56x2 000 二 69 914 870kJ6h 處理：67 803.64x860 + 38.56x3 000 二 58 311 130.4 + 11 5680 二 584 226810.4kJ8h 處理：67 803.64x710 + 38.56x4 000 二 48 140 584.4 + 154 240 二 48 294 824.4kJ 由炭氣產(chǎn)品能夠產(chǎn)生最大熱量我們可以看出經(jīng)4h處理的炭、氣產(chǎn)熱最高為69 914 870kJ。因此產(chǎn)氣越高，原料談起化后剩余能量越低，能量損失越大。當然如 果不處理的原材

13、料能量最大，但其不利于人們生活日常使用，只能在理論上達到最 大值。因此既要減少不必要的能量損失，又要人們使用方便，這就是我們需要炭化 的最終目的。表3三窯不同時間對炭質(zhì)量的影響時間/ h揮發(fā)分/ %灰分/ %固定碳/ %49.23 17.52 73.25 6 13.47 26.90 59.63 8 14.33 46.37 39.30 由表2、3我們可以得出支持燃燒的固定碳凈產(chǎn)量分別為： 4h 處理：1030 x73.25% 二 754.475kg6h 處理：860 x59.63% 二 512.818kg8h 處理：710 x39.30% 二 279.03kg由結(jié)果我們可以看出，4小時處理的所得

14、炭質(zhì)量明顯高于6、8h的，因此取氣時 間越短，取氣量越小，所得炭的質(zhì)量越好，固定碳含量越高，品質(zhì)越好。當然根據(jù) 不同原材料，不同地區(qū)的需要，我們可以自動調(diào)節(jié)取氣量，和炭化取氣時間，來實 現(xiàn)原材料利用的最大化。由于客觀原因，目前本試驗以棉柴為原料，得到炭氣聯(lián)產(chǎn)的最佳取氣時間為4h , 其他原材料在具體生產(chǎn)中應該取多少氣，最佳取氣時間是多少，可以達到效益最大 化，還有待進一步研究。討論 炭氣聯(lián)產(chǎn)，變廢為寶，從根本上改變了傳統(tǒng)意義上人們對秸稈的利用方式，既給農(nóng) 民增加了收入，也改變了農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境，提高了農(nóng)民的生活水平，起到了一定的 社會經(jīng)濟效益。通過對炭氣聯(lián)產(chǎn)技術的推廣可帶動全國秸稈等生物質(zhì)的資源

15、化、工業(yè)化利用，帶動 農(nóng)業(yè)增收，促進秸稈的再利用、為社會提供碳原料及燃料資源，減少環(huán)境污染，整 個過程形成炭循環(huán)，對大氣減少排放溫室氣體，對社會的可持續(xù)發(fā)展也具有良好的 生態(tài)效益6。秸稈等生物質(zhì)能源屬于清潔能源，是可再生的，在全球能源構成中占有重要的地位 我國是農(nóng)業(yè)大國，開發(fā)與利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)型優(yōu)化能源技術的市場潛力很大，在現(xiàn)有的 技術條件下，生物質(zhì)氣化、液化、固化技術，將會隨著能源的日趨緊張而加大開發(fā) 及應用的進程7。在世界能源的結(jié)構中，生物質(zhì)能源將成為繼煤、石油、天燃 氣之后的第四大能源。【相關文獻】1戴林，李景明.中國生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術發(fā)展與評價M 北京：中國環(huán)境科學出版社，1998.2 張文標，王偉龍，趙麗華，等.機制炭理化性能的研究J 浙江林學院學報，2003 , 20 (2)：215218.3 譚天偉，王芳，鄧利.生