王 輝 ，支恩波 ，顧新慶 ，李新利

（1.河北省林業(yè)科學(xué)研究院，河北 石家莊 050061；2.河北省林木良種工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050061）

不同給氧方式對(duì)炭氣聯(lián)產(chǎn)工藝的影響

王 輝1，2，支恩波1，2，顧新慶1，2，李新利1，2

（1.河北省林業(yè)科學(xué)研究院，河北 石家莊 050061；2.河北省林木良種工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050061）

生物質(zhì)是指通過(guò)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。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，主要以農(nóng)林廢棄物為主。生物質(zhì)炭化技術(shù)是有效利用生物質(zhì)資源的方法之一。該文主要研究以敞口快速炭化窯為基礎(chǔ)設(shè)備，不同給氧方式對(duì)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(guò)優(yōu)化的炭氣聯(lián)產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)，同時(shí)為以后生物質(zhì)資源的高效利用提供部分依據(jù)。

生物質(zhì)；炭氣聯(lián)產(chǎn)；生物質(zhì)炭；敞口快速炭化窯

項(xiàng)目來(lái)源：河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目“秸稈炭（固）化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號(hào)：09220905D）

生物質(zhì)是指通過(guò)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(duì)環(huán)境友好、利用方式多樣等特點(diǎn)[1]。

在科學(xué)發(fā)展的今天，人們開(kāi)發(fā)了許多生物質(zhì)資源，經(jīng)過(guò)一系列的工藝過(guò)程，都可以生產(chǎn)出類木炭新能源的生物質(zhì)炭。國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家將生物質(zhì)視作對(duì)環(huán)境和社會(huì)有好處的能源資源，加快了生物質(zhì)能源產(chǎn)品進(jìn)程。我國(guó)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)作物秸稈約為7億t，這些都是生產(chǎn)生物質(zhì)炭的主要資源[2]。

我國(guó)幅員遼闊，秸稈、枝丫類的生物質(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(fèi)嚴(yán)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(duì)我國(guó)農(nóng)村實(shí)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(fèi)，節(jié)約林木資源，減少作物秸稈焚燒而造成的環(huán)境污染[3]。

運(yùn)用敞口快速炭化技術(shù)及配套設(shè)備對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行快速炭化的項(xiàng)目，在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)污染，收益高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。通過(guò)本項(xiàng)目的推廣可帶動(dòng)全國(guó)秸稈等生物質(zhì)的資源化、工業(yè)化利用，帶動(dòng)農(nóng)業(yè)增收，促進(jìn)秸稈的再利用、為社會(huì)提供炭原料及燃料資源，減少環(huán)境污染，整個(gè)過(guò)程形成炭循環(huán)，對(duì)大氣不排放溫室氣體，對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有良好的生態(tài)效益。

1 設(shè)備及工藝機(jī)理

1.1 敞口快速炭化窯設(shè)備、流程

（1）窯體。炭化生物質(zhì)原料的設(shè)備。

（2）分離器。分離煙塵、焦油、醋酸液的設(shè)備。

（3）旋流凈化器。凈化炭化時(shí)產(chǎn)生的煙氣中的雜質(zhì)的設(shè)備。

（4）多層過(guò)濾器。進(jìn)一步過(guò)濾凈化氣體的設(shè)備。

（5）氣體混合儲(chǔ)罐。使氧氣和可燃?xì)怏w混合均勻。

（6）點(diǎn)火器。氣體直燃設(shè)備。

1.2 工藝機(jī)理

敞口快速炭化窯炭氣聯(lián)產(chǎn)工藝的機(jī)理：項(xiàng)目的核心技術(shù)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(guò)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?xì)怏w，同時(shí)將副產(chǎn)品秸稈焦油、秸稈醋酸液回收。該設(shè)備和工藝改變了傳統(tǒng)的燒制木炭方法，在生產(chǎn)時(shí)，不會(huì)造成炭化時(shí)的二次污染。在生產(chǎn)過(guò)程中，將可燃?xì)怏w回收，經(jīng)過(guò)分離器、旋流凈化器、過(guò)濾器及氣體混合氣的凈化后可作為居民生活用燃?xì)?、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(shù)的優(yōu)點(diǎn)：具有可以將大小、粗細(xì)、形狀不同的原料放入窯體中同時(shí)炭化；在炭化的同時(shí)，將生物質(zhì)焦油、醋酸液分離、回收，生產(chǎn)時(shí)無(wú)二次污染；采用控氧炭化的工藝，在燒炭的過(guò)程中可以隨時(shí)填加原料，生產(chǎn)可控性極強(qiáng)。生產(chǎn)工藝流程操作簡(jiǎn)便、快速、安全。提高后的工藝執(zhí)行率和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，比現(xiàn)有炯燒干餾炭化的周期時(shí)間縮短了21倍。

2 材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

粉碎為5～10cm的干燥枝丫材（濕度15%）、高壓噴槍（點(diǎn)火裝置）及相對(duì)濕度40%左右的生物質(zhì)炭粉（起阻氧作用）。

長(zhǎng)度 0.5、1.0、1.5m的插入式快速測(cè)溫儀T950-T1、奧氏氣體分析儀QF1904、微機(jī)全自動(dòng)量熱儀ZDHW-6型、氣袋、馬弗爐、天平（精確0.0001g）、灰皿、干燥皿、灰皿架、長(zhǎng)柄夾子等。

2.2 試驗(yàn)方法

有文獻(xiàn)資料顯示，生物質(zhì)炭化基本分3個(gè)溫度階段：①干燥階段。從點(diǎn)火開(kāi)始，至爐溫上升到160℃，這時(shí)材料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(jìn)行蒸發(fā)。材料的化學(xué)組成幾乎沒(méi)變。②炭化初始階段。這個(gè)階段主要靠枝丫材自身的燃燒產(chǎn)生熱量，使?fàn)t溫上升到160～270℃。此時(shí)，材料發(fā)生熱分解反應(yīng)，其組成開(kāi)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(gè)階段的溫度為270～550℃。在這階段中，枝丫材急劇地進(jìn)行熱分解，同時(shí)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(fēng)機(jī)帶入煙氣凈化收集裝置[4-5]。

分析以上材料，我們可以得出影響炭氣化效果的有兩個(gè)重要因素：①炭化時(shí)窯內(nèi)的升溫速度。②炭化的時(shí)間長(zhǎng)短。

以下試驗(yàn)均做3個(gè)重復(fù)，分別在窯內(nèi)裝枝丫材 3t，壓實(shí)至炭化適宜密度（130～140kg/m3），點(diǎn)火后上面均勻覆蓋等量炭粉各0.6t。

試驗(yàn)1：敞口快速炭化窯一般在8～10h完成炭化，其溫度劇烈變化一般在前6h。因此本試驗(yàn)以棉柴為原材料設(shè)計(jì)了給氧炭化時(shí)間均為6h，但分別為 1 號(hào)窯：（4+2）h、2 號(hào)窯：（3+3）h、3 號(hào)窯：（2+2+2）h給氧，其中間隔時(shí)間為1.0h（隔氧悶窯狀態(tài)）3種不同給氧炭化方式，即通過(guò)改變窯內(nèi)升溫速度，觀察炭的產(chǎn)量與質(zhì)量，由于炭化時(shí)間短，產(chǎn)生可燃?xì)怏w的量類似，可視為氣體產(chǎn)量相同，該試驗(yàn)部分氣體不作比較分析。

試驗(yàn)2：與3窯炭化原材料相同，給氧方式相同給氧炭化，但采氣的時(shí)間分別為4、6、8h（所采氣體能夠點(diǎn)燃時(shí)，或者說(shuō)炭化開(kāi)始6h后開(kāi)始計(jì)時(shí)），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)量及不同比例，從而找到最優(yōu)的產(chǎn)氣時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)原材料的價(jià)值利用最大化。

3 結(jié)果與分析

3.1 窯內(nèi)升溫速度對(duì)炭氣化的影響

不同給氧方式下窯內(nèi)溫度變化情況見(jiàn)圖1，3窯質(zhì)量分析見(jiàn)表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為窯內(nèi)3個(gè)不同深度均勻分布的4個(gè)點(diǎn)的4次讀數(shù)，算出該時(shí)間段的平均窯內(nèi)溫度。

由圖1可以看出：1、2、3號(hào)窯的升溫速度1號(hào)窯>2號(hào)窯>3號(hào)窯，且1號(hào)窯3h就接近理想炭化溫度270℃以上，而2號(hào)窯需要4h，3號(hào)窯5h才到達(dá)理想炭化溫度。因此我們可以看出連續(xù)給氧4h能夠達(dá)到快速升溫的目的，可以使窯內(nèi)溫度迅速達(dá)到炭化溫度的第三階段，也是炭化的最佳階段，從而提高了炭化的速度（圖1數(shù)據(jù)是在每個(gè)窯內(nèi)取3個(gè)不同的深度，每個(gè)深度取4個(gè)均勻分布的點(diǎn)，每小時(shí)4次讀數(shù)，然后計(jì)算出該時(shí)間段的平均窯內(nèi)溫度）。

表1 三窯炭質(zhì)量分析

由表1可以看出：1號(hào)窯生產(chǎn)出來(lái)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(yàn)條件下，窯內(nèi)升溫速度越快，其產(chǎn)炭量越高，炭的質(zhì)量越好。1號(hào)窯的產(chǎn)炭率為1.09/3*100%=36.33%。

3.2 采氣時(shí)間對(duì)炭、氣化的影響

由表2可以看出：采氣時(shí)間越長(zhǎng)，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67803.64kJ/kg（ZDHW-6型量熱儀測(cè)量得出）及該可燃?xì)怏w的平均熱值38.56kJ/m3（所產(chǎn)可燃?xì)怏w成分計(jì)算得出），可得出炭氣熱值總量為：

表2 時(shí)間變化對(duì)炭、氣產(chǎn)量的影響

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69914870kJ。因此產(chǎn)氣越高，原料炭氣化后剩余能量越低，能量損失越大。當(dāng)然如果不處理的原材料能量最大，但其不利于人們生活日常使用，只能在理論上達(dá)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 3窯不同時(shí)間對(duì)炭質(zhì)量的影響

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：

由結(jié)果我們可以看出，4h處理所得炭質(zhì)量明顯高于6、8h的，因此取氣時(shí)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(dāng)然根據(jù)不同原材料，不同地區(qū)的需要，我們可以自動(dòng)調(diào)節(jié)取氣量，和炭化取氣時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)原材料利用的最大化。

由于客觀原因，目前本試驗(yàn)以棉柴為原料，得到炭氣聯(lián)產(chǎn)的最佳取氣時(shí)間為4h，其他原材料在具體生產(chǎn)中應(yīng)該取多少氣，最佳取氣時(shí)間是多少，可以達(dá)到效益最大化，還有待進(jìn)一步研究。

4 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(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)對(duì)炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的推廣可帶動(dòng)全國(guó)秸稈、枝丫材等生物質(zhì)的資源化、工業(yè)化利用，帶動(dòng)農(nóng)業(yè)增收，促進(jìn)秸稈的再利用、為社會(huì)提供碳原料及燃料資源，減少環(huán)境污染，整個(gè)過(guò)程形成炭循環(huán)，對(duì)大氣減少排放溫室氣體，對(duì)社會(huì)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(gòu)成中占有重要的地位。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，開(kāi)發(fā)與利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)型優(yōu)化能源技術(shù)的市場(chǎng)潛力很大，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，生物質(zhì)氣化、液化、固化技術(shù)，將會(huì)隨著能源的日趨緊張而加大開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的進(jìn)程[7]。在世界能源的結(jié)構(gòu)中，生物質(zhì)能源將成為繼煤、石油、天燃?xì)庵蟮牡谒拇竽茉础?/p>

［1］戴林，李景明.中國(guó)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展與評(píng)價(jià)［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1998.

［2］張文標(biāo)，王偉龍，趙麗華，等.機(jī)制炭理化性能的研究［J］.浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，20（2）：215-218.

［3］譚天偉，王芳，鄧?yán)?生物能源的研究現(xiàn)狀及展望「J」.現(xiàn)代化工，2003，23（9）：8-12.

［4］劉石彩，蔣劍春，陶淵博，等.生物質(zhì)固化制造成型炭技術(shù)研究［J］.林產(chǎn)化工通訊，2002，36（2）：3-5.

［5］董良杰.生物質(zhì)熱裂解技術(shù)及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究［D］沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，1997.

［6］高尚武，馬文元.森林能源研究［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［7］韓寶瑞，沈宗麟，秦萬(wàn)豐.生物質(zhì)炭的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.吉林林學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，14（4）：236-237.

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1002-3356（2012）05-0005-03

2012-06-28