羅剛銀 劉占軍

摘 要：對(duì)生物質(zhì)燃料的碳化工藝進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)顆粒狀生物質(zhì)燃料碳化過(guò)程的自循環(huán)和連續(xù)性，達(dá)到高效率、易操控、綠色碳化的目的。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)顆粒；自循環(huán)；連續(xù)性；滾筒碳化爐

中圖分類號(hào)：TQ352.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）24-0062-02

1 引言

環(huán)保木炭作為一種廢物再生能源燃料，發(fā)熱量比煤炭熱值高，無(wú)煙，無(wú)味，無(wú)毒，清潔衛(wèi)生，用途廣泛。目前大部分廠家使用的是傳統(tǒng)的木材碳化設(shè)備，爐體由鋼材骨架和耐火材料澆筑而成，其優(yōu)勢(shì)在于可以碳化塊狀的各種木材，并能回收碳化過(guò)程產(chǎn)生的焦油等液態(tài)物質(zhì)，其碳化所需的熱量也可以由碳化所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w燃燒提供；但是這種碳化設(shè)備也存在明顯的缺點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程不能連續(xù)進(jìn)行，每次生產(chǎn)完成后，都必須將木材料籠取出冷卻、卸料后再重新裝料碳化；燃燒不完的氣體簡(jiǎn)單洗滌凈化后會(huì)排到大氣中，對(duì)環(huán)境有一定的污染。因此，市場(chǎng)急需一種可連續(xù)生產(chǎn)的綠色環(huán)保的碳化設(shè)備。

2 碳化設(shè)備的工作原理

生物質(zhì)固體在無(wú)氧或缺氧狀態(tài)下加熱到一定溫度，可分解為可燃?xì)怏w、焦油、焦炭等物質(zhì)，焦油蒸汽隨可燃?xì)怏w逸出，相應(yīng)炭材則是所需產(chǎn)品，該過(guò)程就是生物質(zhì)的碳化過(guò)程。碳化作用還可以解釋為將煤、木材、油頁(yè)巖等在隔絕空氣下加熱分解為氣體（煤氣）、液體（焦油）和固體（焦炭）產(chǎn)物，焦油蒸氣隨煤氣從焦?fàn)t逸出的過(guò)程。焦油蒸汽可以回收利用，焦炭則由焦?fàn)t內(nèi)推出。不同物質(zhì)的碳化所需的溫度差別很大，一般分為低溫碳化（500～580℃）、中溫碳化（660～750℃）和高溫碳化（900～1100℃），還有成堆碳化或煤堆碳化等。碳化所得氣、液、固產(chǎn)物的相對(duì)數(shù)量隨加熱溫度、時(shí)間和壓力變化而變化。因此，變換和調(diào)節(jié)碳化過(guò)程的條件即可達(dá)到不同的生產(chǎn)目的。

3 連續(xù)型自循環(huán)碳化設(shè)備工藝流程

連續(xù)式自循環(huán)碳化設(shè)備主要由氣化爐、碳化滾筒、凈化冷卻設(shè)備等部分組成。碳化爐為碳化設(shè)備啟動(dòng)初期的工作過(guò)程提供熱量；碳化滾筒是物料碳化過(guò)程發(fā)生的主要裝置，碳化滾筒需要嚴(yán)格的密封，工作時(shí)，根據(jù)不同生物質(zhì)顆粒的特性，碳化溫度范圍在500-700攝氏度中間進(jìn)行調(diào)節(jié)，碳化時(shí)間也由30-60分鐘不等；凈化冷卻設(shè)備主要處理在碳化過(guò)程中產(chǎn)生的可燃煙氣及焦油蒸汽等，首先對(duì)混合氣體洗滌，除去焦油和可溶于水的氣體，然后再進(jìn)行冷卻，處理后的氣體為之后的碳化過(guò)程提供能量。為了保證設(shè)備的密封性，整條生產(chǎn)線的進(jìn)料和出料全部由絞龍完成，并且利用物料對(duì)絞龍的填充來(lái)保證進(jìn)一步的密封。只有整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程做到嚴(yán)格的密封，才可能成功的進(jìn)行自循環(huán)、連續(xù)性的碳化生產(chǎn)。

4 設(shè)備主要部分介紹

4.1 氣化爐的結(jié)構(gòu)及作用

氣化爐在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中主要為碳化過(guò)程的啟動(dòng)階段提供可燃?xì)怏w，當(dāng)碳化設(shè)備所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w足夠?yàn)樘蓟^(guò)程提供熱量時(shí)，就可以關(guān)閉氣化爐，使其停止工作。

氣化爐部分主要由進(jìn)料機(jī)、氣化爐爐體、攪拌器、觀察口、進(jìn)料絞龍、出料冷卻絞龍組成。氣化爐的工作原理與碳化設(shè)備一樣，物料由上料絞龍和進(jìn)料機(jī)進(jìn)入到氣化爐內(nèi)后，在缺氧狀態(tài)下點(diǎn)燃，使物料進(jìn)行不完全的燃燒，攪拌器的作用是讓物料的這種半燃燒狀態(tài)均勻、徹底的進(jìn)行。在這種高溫、不完全燃燒的過(guò)程中，產(chǎn)生大量的可燃煙氣，煙氣經(jīng)由洗滌、冷卻設(shè)備處理后，由風(fēng)機(jī)通過(guò)管道輸送到碳化滾筒保溫段底部進(jìn)行燃燒，為整個(gè)設(shè)備的碳化過(guò)程提供能量。氣化爐內(nèi)半燃燒后的物料稱為灰燼，通過(guò)燃燒網(wǎng)板進(jìn)入到氣化爐的錐體部分，再經(jīng)冷卻絞龍排到外部。每次生產(chǎn)啟動(dòng)時(shí)，氣化爐的工作時(shí)間大約30-40分鐘即可滿足需求。

4.2 壓蘭密封裝置

在整個(gè)設(shè)備的工作過(guò)程中由于需要在氧氣隔絕或者嚴(yán)重缺氧的情況下進(jìn)行，那就需要對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行密封。相對(duì)靜止的部件，密封比較容易實(shí)現(xiàn)，而密封不易實(shí)現(xiàn)的主要是相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，主要有兩處，一是進(jìn)料機(jī)和碳化滾筒的密封，另一處是碳化滾筒與前后端頭的密封。經(jīng)過(guò)分析與驗(yàn)證，采用石墨壓蘭的密封結(jié)構(gòu)，基本可以解決這類問(wèn)題。

進(jìn)料機(jī)的壓蘭密封裝置主要由壓蘭、石墨盤根、外法蘭管內(nèi)法蘭組成。外法蘭管與碳化滾筒端面開(kāi)孔焊接，石墨盤根安裝在內(nèi)法蘭和壓蘭中間，進(jìn)料機(jī)位置在內(nèi)法蘭孔內(nèi)。當(dāng)擰緊螺栓后，壓蘭擠壓石墨盤根，使石墨盤根向內(nèi)法蘭中心處膨脹，這樣就可以擠滿石墨盤根與進(jìn)料機(jī)外壁的間隙，由于石墨盤根的耐磨特性和耐熱特性，該密封裝置可以達(dá)到長(zhǎng)期有效的效果。前后端頭的密封和進(jìn)料機(jī)的密封原理、結(jié)構(gòu)相同。

4.3 雙層碳化滾筒結(jié)構(gòu)

碳化設(shè)計(jì)成滾筒結(jié)構(gòu)是為了能夠連續(xù)的進(jìn)行生產(chǎn)，而雙層的滾筒結(jié)構(gòu)相對(duì)于單層滾筒結(jié)構(gòu)也存在明顯的優(yōu)勢(shì)。

如圖1所示雙層碳化滾筒結(jié)構(gòu)，物料由進(jìn)料口進(jìn)入，在內(nèi)層滾筒內(nèi)向后端頭方向行進(jìn)，內(nèi)層滾筒相較外層滾筒而言溫度較低，對(duì)進(jìn)入的生物質(zhì)物料主要起烘干作用，物料在后端頭處進(jìn)入到外層滾筒中，外層滾筒溫度較高，一般溫度在500-700攝氏度（可根據(jù)物料不同進(jìn)行調(diào)整），物料進(jìn)過(guò)外層滾筒的高溫碳化后，從前端頭底部的出料口排出，完成一次碳化過(guò)程時(shí)間一般在30-60分鐘不等。由于雙層滾筒加大了物料在滾筒內(nèi)的行程，加內(nèi)外滾筒的溫差，對(duì)物料含水量的要求放寬，碳化效率更高、效果更好。

4.4 煙氣冷卻凈化設(shè)備

在氣化爐和碳化滾筒中產(chǎn)生的混合煙氣，除了有可燃的一氧化碳、甲烷氣體外，還有一些焦油蒸汽、粉塵碳粒等。這些混合氣體需要進(jìn)一步的處理后才能進(jìn)行燃燒，這樣可以減小對(duì)空氣的污染，也提高了燃燒的效率。

煙氣的凈化冷卻設(shè)備，煙氣經(jīng)過(guò)雙聯(lián)洗滌塔除去可溶于水的物質(zhì)，冷凝焦油蒸汽，也能除去氣體中的碳粒。經(jīng)過(guò)雙聯(lián)洗滌塔的煙氣再由煙氣冷卻器進(jìn)行風(fēng)冷，煙氣冷卻器是由上下箱體和中間的螺旋翅片管組成，雙行程的回路可以對(duì)氣體進(jìn)行充分的冷卻。經(jīng)過(guò)凈化冷卻后的煙氣就是相對(duì)純凈的低溫可燃?xì)怏w，在引風(fēng)機(jī)的作用下從出風(fēng)口排出。

4.5 水冷出料絞龍

氣化爐和碳化滾筒在出灰或者出料時(shí)，碳灰或者碳化后的物料都含有很高的余熱，這樣對(duì)出料絞龍的損害是非常大的，為了保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，就必須采用水冷絞龍進(jìn)行出料。水冷出料絞龍就是含有“隔套”結(jié)構(gòu)的絞龍，冷卻介質(zhì)在絞龍內(nèi)外殼體中間。冷卻介質(zhì)水在絞龍里低進(jìn)高出，這樣絞龍的隔套內(nèi)就時(shí)刻充滿冷卻水，比熱容較大的水，加上不斷的循環(huán)流動(dòng)，可以對(duì)絞龍內(nèi)的高溫物料進(jìn)行充分冷卻。為提高冷卻效率，也可以做成三聯(lián)的水冷絞龍，用增加物料在蛟龍內(nèi)的流動(dòng)行程來(lái)提高冷卻效率。

5 生產(chǎn)步驟及調(diào)節(jié)方法

生產(chǎn)時(shí)，首先啟動(dòng)氣化爐和煙氣凈化冷卻設(shè)備，利用氣化爐產(chǎn)生的可燃?xì)怏w加熱碳化滾筒，啟動(dòng)碳化滾筒部分，當(dāng)碳化滾筒產(chǎn)生的煙氣足夠碳化加熱使用時(shí)，關(guān)閉氣化爐部分的設(shè)備，碳化滾筒部分實(shí)現(xiàn)自循環(huán)的連續(xù)生產(chǎn)。在此過(guò)程中，可根據(jù)碳化滾筒內(nèi)的溫度和實(shí)際的出碳質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)滾筒溫度過(guò)高，碳化產(chǎn)物出料有燒焦現(xiàn)象時(shí)，可調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速，使?jié)L筒轉(zhuǎn)速加快，同時(shí)通過(guò)截止閥來(lái)減少可燃?xì)怏w的供給量；當(dāng)滾筒內(nèi)溫度過(guò)低，碳化產(chǎn)物出現(xiàn)不完全碳化現(xiàn)象時(shí)，可降低滾筒的轉(zhuǎn)速，同時(shí)增加可燃?xì)怏w的供給量。生物質(zhì)碳化過(guò)程中，滾筒內(nèi)部的溫度大概控制在500-700攝氏度不等，碳化時(shí)間40-60分鐘不等（可根據(jù)實(shí)際物料及出料質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整）。

6 連續(xù)型自循環(huán)滾筒式碳化設(shè)備優(yōu)勢(shì)

連續(xù)型自循環(huán)滾筒式碳化設(shè)備基本上具備了所有碳化設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：首先環(huán)境污染小， 傳統(tǒng)炭化方式在廢棄資源轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的同時(shí)，出現(xiàn)了污染環(huán)境的嚴(yán)重問(wèn)題，據(jù)專家考證，老式炭窯、傳統(tǒng)機(jī)制炭化爐炭化方式成為環(huán)境污染的新源頭，眾多制炭廠家炭化時(shí)產(chǎn)生了大量濃重的煙霧，不僅成為環(huán)境保護(hù)的瓶頸問(wèn)題，甚至成為殃及城市陰霾天氣的罪魁禍?zhǔn)?。連續(xù)型自循環(huán)滾筒式碳化設(shè)備利用自身炭化時(shí)產(chǎn)生的煙氣變?yōu)榭扇細(xì)馊紵陨?，零污染、零煙氣排放。其次生產(chǎn)效率高，設(shè)備不僅可以進(jìn)行一天24小時(shí)的不間斷生產(chǎn)，并且每條生產(chǎn)線只需要2-3人即可正常操作。最后，設(shè)備節(jié)能效果好，由于碳化所需的能量基本上全部由自身碳化產(chǎn)生的可燃?xì)怏w提供，大大減少了能源的投入，真正做到了綠色節(jié)能的生產(chǎn)模式。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)越來(lái)越受到各國(guó)的重視，我國(guó)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，也將環(huán)境保護(hù)列為一項(xiàng)基本國(guó)策，嚴(yán)格限制使用土窯燒炭污染環(huán)境。連續(xù)型自循環(huán)滾筒式碳化設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用有效的順應(yīng)了國(guó)家政策，環(huán)保炭化設(shè)備日益得到關(guān)注。采用連續(xù)型自循環(huán)滾筒式碳化設(shè)備生產(chǎn)環(huán)保木炭，是勢(shì)在必行，且利國(guó)利民的措施，定會(huì)在國(guó)家的支持下得到大力發(fā)展。

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