王坤,楊玖林,仇學(xué)偉,紀(jì)賢瑞
(中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司,合肥 230601)
根據(jù)國(guó)家部署,“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期,要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系,控制化石能源總量,實(shí)施可再生能源替代行動(dòng),要實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域減污降碳行動(dòng),加快推廣應(yīng)用減污降碳技術(shù),完善能源“雙控”制度。
煤炭在我國(guó)能源消耗中占據(jù)著主導(dǎo)地位,也是碳排放的主要來(lái)源,尋找一種性能類(lèi)似的清潔能源,作為煤炭代替品,對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰具有重要意義。生物質(zhì)資源是自然界中唯一的一種可再生碳資源,采用生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭(一種品質(zhì)非常接近原煤的清潔燃料),可用于替代化石能源使用在各大行業(yè)中,本文將對(duì)該種技術(shù)進(jìn)行探究。
生物質(zhì)熱解炭化過(guò)程是生物質(zhì)在缺氧狀態(tài)下,發(fā)生熱化轉(zhuǎn)化形成可燃?xì)怏w、液態(tài)生物油以及固體炭3 類(lèi)產(chǎn)物的反應(yīng)。
生物質(zhì)在熱解炭化前需要先經(jīng)過(guò)破碎,形成粒徑1~3 cm的顆粒狀,通過(guò)進(jìn)料裝置連續(xù)送入炭化爐內(nèi),生物質(zhì)在炭化爐內(nèi)吸收熱量,水分首先蒸發(fā)逸出,生物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)變。然后是揮發(fā)分炭化階段,生物質(zhì)繼續(xù)吸收熱量到200 ℃左右,有機(jī)質(zhì)揮發(fā)分逐漸揮發(fā),材料內(nèi)部炭化反應(yīng)開(kāi)始,揮發(fā)分炭化產(chǎn)物氣態(tài)可燃物在缺氧條件下,有少量發(fā)生燃燒,且這種燃燒為靜態(tài)滲透式擴(kuò)散燃燒,可逐層為物料提供熱量持續(xù)炭化。最后是全面炭化階段,這個(gè)階段溫度在300~550 ℃,物料在急劇熱分解的同時(shí)產(chǎn)生木焦油、木醋液等液體產(chǎn)物和甲烷、乙烯等可燃?xì)怏w,隨著大部分揮發(fā)分的分離析出,最終剩下的固體產(chǎn)物就是由碳和灰分所組成的焦炭[1]。
由于生物質(zhì)的炭化程度決定了生物炭的產(chǎn)量和熱值,而溫度與時(shí)間又是決定生物質(zhì)炭化程度的主要因素,所以想要得到盡可能多的高熱值生物炭,則對(duì)于溫度和炭化時(shí)間的控制要求很高。同時(shí),為了降低能耗,整個(gè)炭化過(guò)程要求不依靠外部熱源就能夠持續(xù)進(jìn)行,這就要求對(duì)生物質(zhì)的產(chǎn)炭比控制在一個(gè)準(zhǔn)確的范圍。
實(shí)踐證明,生物質(zhì)熱解的速度越快,產(chǎn)生炭的比例越低。因?yàn)橐非笞畲螽a(chǎn)炭量,所以炭化過(guò)程一般選用慢速熱解,故熱解炭化工藝特點(diǎn)可概括為以下3 點(diǎn):(1)較慢的升溫速度,一般在30 ℃/min 以?xún)?nèi)。實(shí)驗(yàn)研究表明,相對(duì)于快速加熱方式,慢速加熱方式可使炭的產(chǎn)率提高5.6%左右。(2)較低的熱解終溫,500 ℃以?xún)?nèi)的熱解終溫有利于生物炭的產(chǎn)生和保證良好的品質(zhì)。(3)較長(zhǎng)的氣體滯留時(shí)間[1]。
熱解生產(chǎn)線主要由上料系統(tǒng)、原料預(yù)熱系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、連續(xù)熱解系統(tǒng)、出料系統(tǒng)等組成。
為了實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)炭化系統(tǒng)的連續(xù)生產(chǎn),一般系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一套連續(xù)上料系統(tǒng),上料系統(tǒng)一般采用皮帶輸送。原材料在原料車(chē)間內(nèi)通過(guò)破碎機(jī)破碎,破碎后的原料通過(guò)皮帶輸送至接料倉(cāng)內(nèi),接料倉(cāng)具有滿足生產(chǎn)線一定時(shí)間內(nèi)對(duì)原材料的儲(chǔ)存的作用。接料倉(cāng)內(nèi)的原材料通過(guò)輸送設(shè)備連續(xù)輸送至原材料預(yù)加熱裝置內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱。
對(duì)進(jìn)入熱解生產(chǎn)線的原材料一般要求尺寸≤30 mm,不含金屬、石塊等硬質(zhì)雜質(zhì)。
生物質(zhì)原料由于具有較高的水分,會(huì)影響熱解炭化效果,所以在進(jìn)入炭化爐前,要先對(duì)其進(jìn)行烘干,這樣也能增加余熱的利用。
原材料的烘干通過(guò)熱煙氣進(jìn)行烘干,烘干熱源包括兩部分,一部分為連續(xù)熱解器殼側(cè)外排的煙氣,煙氣溫度為400 ℃,另一部分為熱解爐反應(yīng)生成的可燃?xì)馔ㄟ^(guò)熱風(fēng)爐燃燒后產(chǎn)生的熱煙氣,該部分熱煙氣溫度為850 ℃。這兩部分煙氣再通過(guò)一個(gè)混風(fēng)裝置,與冷風(fēng)混合后,混合成250 ℃中低溫?zé)煔夂?,進(jìn)入烘干機(jī)進(jìn)行烘干,烘干采用直接接觸換熱,煙氣將熱量傳導(dǎo)給低溫介質(zhì),將原材料中的水分蒸出。降低水分后的原材料輸送至進(jìn)料系統(tǒng)。
經(jīng)預(yù)熱脫水后的原材料,經(jīng)進(jìn)料系統(tǒng)“熱氣密工藝”連續(xù)且穩(wěn)定地進(jìn)入連續(xù)熱解器內(nèi)。
進(jìn)料系統(tǒng)采用熱氣密技術(shù),動(dòng)態(tài)密封是實(shí)現(xiàn)工業(yè)連續(xù)化裂解的關(guān)鍵技術(shù)之一,即保證物料連續(xù)進(jìn)入熱解器及固體產(chǎn)物連續(xù)導(dǎo)出熱解器的同時(shí),防止空氣進(jìn)入熱解器及熱解器內(nèi)的油氣泄露,以實(shí)現(xiàn)物料在無(wú)氧或貧氧條件下,安全、穩(wěn)定、連續(xù)裂解。進(jìn)料設(shè)備設(shè)計(jì)采用“工藝+結(jié)構(gòu)+物料”相結(jié)合的專(zhuān)有密封技術(shù),控制工作壓力始終穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線連續(xù)進(jìn)出料下的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)密封[2]。
供熱系統(tǒng)由混風(fēng)裝置和煙氣循環(huán)利用的熱循環(huán)系統(tǒng)組成。熱解器產(chǎn)生的可燃?xì)?,在通過(guò)熱風(fēng)爐的燃燒后,產(chǎn)生850℃的高溫?zé)煔?,煙氣通過(guò)混風(fēng)裝置,和400 ℃的循環(huán)煙氣混合,形成600 ℃的高溫?zé)煔?,該煙氣進(jìn)入連續(xù)熱解器進(jìn)行供熱,維持熱解反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,通過(guò)熱解器換熱后,煙氣溫度被降為400 ℃后排出熱解器,該部分煙氣分兩個(gè)去向,一部分供到上述所說(shuō)的再循環(huán)系統(tǒng),與850 ℃煙氣混合形成600 ℃高溫?zé)煔饫^續(xù)供熱,另一部分去到烘干機(jī)給原料烘干。
熱解生產(chǎn)線正常運(yùn)行使用的燃料為熱解產(chǎn)生的可燃?xì)?。熱解生產(chǎn)線啟動(dòng)時(shí)或可燃?xì)夤?yīng)不足時(shí)使用輔助燃料,輔助燃料使用柴油。
連續(xù)熱解系統(tǒng)由連續(xù)熱解器、清灰機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成。原材料在常壓、無(wú)氧(或貧氧)條件下在熱解器內(nèi)進(jìn)行熱解反應(yīng),得到熱解氣態(tài)產(chǎn)物與固體產(chǎn)物生物炭。
專(zhuān)有的“工藝+結(jié)構(gòu)+物料”相結(jié)合的熱氣密技術(shù),確保物料連續(xù)進(jìn)入裂解器,固體產(chǎn)物連續(xù)輸出裂解器過(guò)程中,杜絕空氣進(jìn)入連續(xù)裂解器,同時(shí)避免連續(xù)裂解器內(nèi)的氣體泄漏到大氣中,實(shí)現(xiàn)裂解器在無(wú)氧/貧氧狀態(tài)下連續(xù)工作。
分段控溫技術(shù)、熱均布技術(shù)等專(zhuān)有技術(shù),實(shí)現(xiàn)煙氣按需要為裂解反應(yīng)提供穩(wěn)定的供熱條件,實(shí)現(xiàn)了物料均勻受熱。
從連續(xù)熱解器導(dǎo)出的高溫固體產(chǎn)物生物炭經(jīng)過(guò)冷卻降至安全溫度后通過(guò)刮板機(jī)和斗提輸送至成品庫(kù)。
生物炭冷卻利用滾筒冷渣機(jī),采用雙冷卻系統(tǒng),保證生物炭在與空氣接觸前冷卻到低于40 ℃。
滾筒式冷渣機(jī)由進(jìn)料裝置、筒體組件、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等組成,其中主要系統(tǒng)的構(gòu)成情況如下。
1)進(jìn)料裝置:由進(jìn)料口、進(jìn)料管、進(jìn)料箱體、封料裝置等組成,熱解系統(tǒng)高溫生物質(zhì)炭物料通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入滾筒內(nèi)部,進(jìn)料箱體設(shè)有負(fù)壓風(fēng)口,封料裝置通過(guò)反螺旋密封防止物料漏出。
2)筒體組件:由內(nèi)筒、外簡(jiǎn)套裝一起構(gòu)成,并與熱膨脹節(jié)、旋轉(zhuǎn)接頭、回水管形成封閉水腔。內(nèi)筒內(nèi)壁焊有呈螺旋狀分布的螺旋導(dǎo)流葉片及縱向葉片,能將生物炭的熱量通過(guò)傳導(dǎo)傳遞到循環(huán)冷卻水中[3]。
3)所述的出料裝置由出口密封罩、出料口等組成。
4)冷卻系統(tǒng):由旋轉(zhuǎn)接頭、筒口進(jìn)出水管、筒體冷卻水腔等組成,作用是將生物質(zhì)炭的熱量吸走,快速降低生物質(zhì)炭溫度。冷卻部分分為冷卻水和冷卻液兩部分,冷卻水通過(guò)管道輸送至冷卻塔降溫,冷卻液采用冷水機(jī)制冷,溫度約10~15 ℃,通過(guò)冷水機(jī)自循環(huán)。配置冷卻系統(tǒng)溫度和壓力檢測(cè)裝置,實(shí)時(shí)監(jiān)控,并在物料出口設(shè)備上配置在線紅外測(cè)溫裝置,實(shí)時(shí)檢測(cè)物料溫度。為防止冷卻系統(tǒng)故障燈原因造成冷卻不徹底,位于下級(jí)刮板式輸送機(jī)上設(shè)備配置冷卻水套和應(yīng)急噴水裝置,確保安全。
5)防護(hù)系統(tǒng):主要由防護(hù)網(wǎng)、警示標(biāo)示、急停裝置等組成,作用是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全,防止安全事故的發(fā)生。
冷卻機(jī)的工作原理是將熱解系統(tǒng)高溫生物質(zhì)炭物料通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入滾筒內(nèi)部,內(nèi)筒內(nèi)壁螺旋分布的螺旋葉片和縱向葉片,將生物質(zhì)炭熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等方式傳遞到循環(huán)冷卻水中[4],通過(guò)循環(huán)的冷卻水和冷卻液將生物質(zhì)炭溫度降至設(shè)計(jì)溫度后,通過(guò)出料裝置進(jìn)入下一道工序。
連續(xù)熱解工藝流程圖見(jiàn)圖1。
圖1 連續(xù)熱解工藝流程圖
1)生物質(zhì)熱解炭化技術(shù),目前主要應(yīng)用于生產(chǎn)活性炭、高端燒烤炭等高附加值產(chǎn)品方向,而用于煤炭替代方向,國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。存在的問(wèn)題主要是生產(chǎn)成本過(guò)高,對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō),成本高于煤炭市場(chǎng)價(jià)格過(guò)多,這無(wú)疑是難以接受的,所以如何降低成本,成了該行業(yè)能否發(fā)展起來(lái)的重中之重。
2)目前生物質(zhì)熱解炭化技術(shù),還主要應(yīng)用于小規(guī)模生產(chǎn)中,單條線生物質(zhì)處理量很難突破5 t/h,如果想要大規(guī)模實(shí)現(xiàn)煤炭替代,尤其是要在重點(diǎn)領(lǐng)域普及,需要將單線規(guī)模做進(jìn)一步提升。
1)利用生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)生產(chǎn)煤炭替代品,目前已完成了試驗(yàn)階段,獲得的生物炭各項(xiàng)指標(biāo)接近原煤,證明該技術(shù)是可行的。
2)想要普及生物炭作為煤炭替代品,目前主要難題在于如何降低生產(chǎn)成本和擴(kuò)大單線規(guī)模,而生產(chǎn)成本中,原料成本占據(jù)主要成分,所以如何能夠讓生物炭替代煤炭被廣泛運(yùn)用,就依靠與未來(lái)機(jī)械化的快速發(fā)展,能夠使生物質(zhì)的收儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)瘸杀鞠陆怠?/p>