• 【技術】外加熱式生物質連續熱解設備燃氣凈化系統的研究

    2019-03-20 18:18:51 / 打印

    蘭珊1,2,趙立欣2,姚宗路2,叢宏斌2,郭占斌1

    (1.黑龍江八一農墾大學,黑龍江大慶;2.農業部規劃設計研究院,農業廢棄物秸稈能源化利用重點實驗室,北京100125)

    摘要:以外加熱式生物質熱解炭氣油聯產中試設備為平臺,以其工藝技術特點為基礎,結合粗熱解氣的組分特性,提出了一種分級處理、逐級凈化的工藝技術方案,主要包括旋風除塵、多級冷凝、靜電捕焦、濕法除焦等工藝環節,同時對凈化后的燃氣進行清潔回用,并分析了安全預警與防爆措施、智能監測與控制系統等輔助技術。

    生物質連續熱解是過程相對繁雜的熱化學,涉及到纖維、半纖維以及木質素的分解,此過程中木質素的熱解會帶來大量的生物炭,同時產生其他聯產副產物,如熱解氣、焦油和木醋液等[1-3]。按加熱方式一般可將熱解設備分為外熱式、內熱式和自燃式3種,其中外熱式一般采用流動的高溫熱煙氣或電熱絲間接加熱,優點是溫度可控性高,便于調節,操作簡單,缺點是能耗較大,換熱效率較低[4]。

    本課題組結合外加熱式炭化工作原理和連續熱解炭化技術,研制開發了外加熱式生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統[5],并在此基礎上,結合生物質原料的機理特性和粗熱解氣的組分特征,提出了熱解氣凈化分離及回用的技術工藝方案,實現燃氣的高純度凈化和熱解副產物的高值化利用。

    外加熱式生物質連續熱解炭化工藝與設備

    1.1工藝過程

    外加熱式生物質連續熱解炭化工藝過程分為連續熱解和熱解氣凈化分離2部分,工藝流程如圖1所示。連續熱解工藝主要包括密封進料、均勻布料、連續熱解、保溫炭化等工段。熱解氣凈化分離工藝主要包括除塵、多級組合冷凝、洗氣等。

    (1)密封進料:是指在盡量避免攜帶空氣的情況下,將生物質原料從進料倉密封送入熱解反應器內。為保證反應過程的低氧環境及微負壓狀態,在上料機內安裝料位計,并于進料倉之間建立反饋調節,通過上料機中物料高度來調控進料節奏,達到密封進料的目的。

    (2)均勻布料:是指盡可能均勻地將物料由料斗推送至熱解反應器內。物料輸送的均勻性影響著設備的穩定運行以及成品炭的炭得率和炭品質,同時不同品種的物料由于粒徑、含水率和組成形態的不同,需要對應不同的進料轉速。

    (3)連續熱解:是設備工作和工藝進程的核心階段,物料在熱解回轉筒內翻轉推進,采取外加熱的換熱方法,多級旋流梯級換熱的導熱系統,經歷烘干脫水和分裂熱解2個階段,反應溫度的調控、熱解時間的長短、換熱效率的高低對生物炭的得率和品質均有較大影響。

    (4)保溫炭化:該階段處于連續熱解和冷卻出炭之間,是指生物炭在熱解反應后繼續保溫熟化一段時間,完全反應后再進入到冷卻出炭部分。該緩沖階段能夠使生物炭始終保持在較為恒定的溫度,避免因溫度驟降而導致熱解油附著在生物炭上。

    (5)冷卻出炭:經熱解反應和保溫炭化后,生物炭處于較高溫度,需要適當冷卻降低溫度,避免與空氣直接接觸引起自燃。此過程應盡量保持密封狀態,減少空氣進入前端熱解系統,影響炭的品質和系統運行的安全性。

    (6)固氣分離:采用多級凈化、分級冷凝的除雜方法,通過旋風除塵、多級冷凝和洗氣等進行組合式除塵脫焦,簡潔高效,避免傳統工藝和化學方法造成的二次污染[6]。

    (7)燃氣回用:經過前端凈化分離,除生物炭外,熱解副產品主要包括熱解氣、焦油和木醋液等,凈化后的熱解氣和焦油可通過燃氣燃燒器與燃油燃燒器燃燒加熱,為前端換熱系統提供熱源,既節約能源,又解決了焦油的凈化處理等問題。

    1.2設備結構與工作原理

    如圖2所示,外加熱式生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統主要由生物質連續熱解炭化系統、熱解氣分級凈化冷凝系統、熱解氣/焦油燃燒再利用系統、密封均勻布料系統、保溫冷卻出炭系統,以及在線監測與安全預警系統等組成。

    連續熱解炭化系統是該設備的主體核心部分,主要由四線螺旋抄板輸料結構、多腔旋流梯級換熱系統、去塵除焦保溫出炭裝置、鏈條齒輪傳動機構和密封保溫層組成。熱解反應區采用雙層套筒結構,內層為炭化室,炭化室內壁設有四線螺旋抄板結構,通過調速電機控制回轉速度來調控物料的輸送速度;反應器外層為高溫熱煙氣套筒,材料選用316L耐高溫不銹鋼,套筒內置環形折流板,2個半環形折流板交錯布置,將加熱室分成4個腔,并在半環形折流板底部設有煙氣流通口,套筒外壁設有燃燒器和引風機,采用間壁式逆流加熱。安全防爆裝置采用U形水封或防爆閥門,當系統內進入大量空氣或運行狀態異常導致反應室內氣壓驟變時,可緊急泄壓。如圖3所示。

    設備工作時,生物質原料由上料螺旋輸送到喂料機中,均勻有序地批次進入到炭化設備,在四線螺旋抄板的推送下,與外層熱燃氣形成間壁式逆流換熱,經過烘干脫水等預處理,在高溫下進行分裂熱解,在保溫炭化區進一步熟化后,經由冷卻出炭系統完成炭化。熱解副產物經后端凈化分離及冷凝裝置處理,潔凈的熱解氣和焦油通過燃油/燃氣燃燒器進行燃燒,為前端熱解反應提供熱源。

    熱解氣凈化分離及回用設計

    2.1外加熱式炭化工藝特點

    外加熱式連續生物質炭化特點和燃氣組分特性是熱解氣凈化分離結構設計的基礎和關鍵。綜合前文可知,外加熱式連續生物質炭化工藝特點如下:①加熱方式為外加熱,熱源由可燃氣體燃燒提供,反應室處于缺氧微正壓狀態;②熱解原料主要為粗粉碎的農業生物質廢棄物,如玉米秸稈、棉花秸稈、稻殼、花生殼、木屑和果木剪枝等,得到的粗熱解氣中含粉塵顆粒;③根據熱解設備定點溫度測控儀實時采集的數據顯示,粗熱解氣由熱解回轉爐進入后端凈化裝置時的溫度在200~230℃,此時木醋液與水蒸汽仍處于液化狀態,但部分焦油已經開始沉積附著于生物炭上。

    稻殼的主要成分包括半纖維素、木質素、纖維素和二氧化硅等,其中C元素以及大部分的H、O主要存在于纖維素、木質素等有機物中,其他一些金屬元素如K、Ca、Mg、Al、Fe、Mn、P、Na、Zn、Cu等所占百分比極低,可以忽略不計,不同產地的稻殼,因其氣候環境、土壤肥力的不同,內在元素的含量也有所差異,以產地分別為湖北黃岡(表1[7])和山東濟南(表2[8])的稻殼組分做比較,可知其C、H、O等主要元素含量差值較小,N、S含量極低可忽略不計,因此,后續凈化分離階段可不考慮脫氮去硫等問題,揮發分含量最高接近70%,燃燒產生的主要氣體為CO2、CH4、H2等。

    2.2工藝過程及方法選擇

    粗熱解氣組分十分復雜,包含大量的粉塵顆粒物,氣化的焦油、木醋液和水蒸汽,以及一些成分多樣的不可冷凝氣體,采用單一傳統的方法處理所得的熱解氣已不能滿足少雜質、高熱值的純凈熱解氣要求。因此,采取分級處理、逐級凈化的處理方案,物理化學相結合的技術手段,深層去除粗熱解氣中所含的粉塵顆粒、焦油、木醋液、水蒸汽和不可冷凝氣體,進一步提高燃氣品質。

    依據分級處理、逐級凈化的基本凈化思路,外加熱式生物質連續熱解炭氣油聯產中試系統熱解氣凈化分離及回用技術的工藝路線如圖4所示,整體可分為去除粉塵顆粒、木醋液焦油分離、燃氣干燥及熱解氣回用等。

    (1)旋風除塵:旋風除塵的基本原理是使含粉塵顆粒的氣流在離心力的作用下做旋轉運動,將塵粒從氣流中分離并附著于器壁,再借助重力作用使塵粒下落,在機械除塵器中,旋風除塵器效率相對較高,而且操作簡單、成本較低[9],主要適用于>3μm的非黏性粒子,且可在1000℃以下高溫條件工作。該中試平臺粗熱解氣的初始溫度在270~300℃,含塵氣體的黏度較室溫(25℃)時有所升高,離心力作用在運動塵粒上的黏性阻力增加,導致分離效率降低,但由于溫度較高,塵粒的熱聚團作用更為顯著,團聚作用下,細微顆粒有形成大顆粒的趨勢,有利于分離效率的提高,且除塵的過程會將部分焦油一同去除,因此旋風分離在該凈化階段較為合理高效。

    (2)多級冷凝:通過降低粗熱解氣的溫度,使焦油和木醋液轉變為液相析出,從而達到凈化燃氣的目的[10]。一級冷凝采用列管式冷凝器,由于此時燃氣仍處于較高溫度,而木醋液的冷凝溫度一般低于100℃,焦油的冷凝溫度一般低于170℃,但其黏著性較高,所以一級冷凝達到的溫度條件只能夠分離出部分木醋液和焦油。二級深冷是將一級冷凝中沒有完全去除的焦油和木醋液進一步凈化,同時將粗熱解氣中的O2、N2等冷凝成液態氧和液態氮,從而提高燃氣質量和純度。

    (3)靜電捕焦:是指通過施加高壓電場,將空氣電離,使燃氣中吸附了負離子的雜質在電場力的作用下附著于陽極,當附著在陽極上的雜質自身重力過大時,將會自動落下并從底部流出,達到凈化除焦的目的。當氧氣體積分數≤1.5%時,靜電捕焦的去焦率極高[11]。

    (4)濕法除焦:選用文丘里洗滌法,是指通過燃氣與旋轉噴嘴霧化形成的液滴、液膜或氣泡發生碰撞,并將其中的焦油捕捉分離的過程[12]。冷凝過程僅是表面上將能冷凝下來的焦油除去了,但液滴和煙霧還不能有效去除,文丘里法利用壓力突變的原理,能夠將燃氣中的焦油做深層處理和清潔。

    (5)熱解氣回用:是指將凈化分離后的純凈熱解氣,通過燃氣燃燒器進行燃燒,為前端的熱解炭化提供熱源。當設備開始運行至產氣量穩定后,純凈的熱解氣將替代天然氣成為熱源動力燃料,節約能耗,高效利用熱解炭化副產品。

    2.3處理后熱解氣組分分析

    在該中試平臺進行熱解試驗,依次為旋風除塵器、一級列管冷凝器、二級深冷器、電捕焦、文丘里洗滌塔、干燥塔等。

    將凈化處理后的熱解氣進行組分檢測,結果如表3。測試地點為清華大學熱能工程實驗室,使用儀器為氣相色譜儀(PerkinElmer公司,美國),試驗原料為稻殼(黑龍江省齊齊哈爾市)。

    由表3可以看出,稻殼熱解炭化后,產生的粗熱解氣經凈化處理后,O2和N2含量較低,CO和CH4含量較高,總體熱值達到15.523MJ/m3。

    熱解氣凈化分離及回用輔助措施

    3.1安全預警與防爆措施

    凈化分離系統與前端熱解炭化部分相聯通,整個系統處于微正壓狀態,工作時設備溫度最高可達850℃,且熱解氣為可燃性氣體,若進風控制不當或出現空氣進入的狀況,有發生爆炸的潛在危險,因此,在凈化裝置入口處安裝阻火器,各接口處安裝壓力監測儀,氧氣含量監測裝置和氣體溫度定點測控裝置,并采取可靠的防爆措施。

    3.2熱解聯產物清潔回用

    熱解聯產物主要包括熱解氣、焦油和木醋液等,若直接排放對空氣和環境將造成危害,可以從以下幾方面進行改進:提高設備密封性,減少氣體泄漏,對聯產物進行有效處理,達到變廢為寶、高效回用的目的。其中粗熱解氣經過后端凈化分離系統的處理可變為純凈燃氣,能夠代替天然氣成為新型熱源;木醋液可以改良土壤,做肥料和殺蟲劑等;焦油經乳化處理后,也可作為燃料燃燒。

    3.3智能監測與控制系統

    精準、全面、可控性好的監測控制系統是設備安全穩定運行的關鍵,生產情況反饋、安全預警提示、緊急情況處理以及各單元協作調節等均需智能監測與控制系統的支持??刂平缑嬷饕@示系統壓力、溫度、進風量、燃氣組分、工作時間等,且能夠做到在線實時調控。

    本研究以外加熱式生物質熱解炭氣油聯產中試設備為平臺,以其工藝技術特點為基礎,結合粗熱解氣的組分特性,提出了一種分級處理、逐級凈化的工藝技術方案,并說明了具體實施方法。粗熱解氣成分復雜,單一傳統的方案無法將其徹底凈化,本研究設計了分級處理、逐級凈化的工藝技術方案,主要包括旋風除塵、多級冷凝、靜電捕焦、濕法除焦等工藝環節,同時對凈化后的燃氣進行燃燒回用。為保障設備的安全穩定運行,還需結合其他輔助技術,如安全預警與防爆措施、智能監測與控制系統等。

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