一種玉米秸稈低溫炭化製備生物質炭燃料的方法與流程
2023-04-30 00:11:36 2
本發明屬於生物質熱解
技術領域：
，具體涉及一種玉米秸稈低溫炭化製備生物質炭燃料的方法。
背景技術：
：我國是秸稈產出大國，農作物秸稈的汙染問題一直是困擾農業發展的瓶頸。根據生物質轉化途徑，目前生物質能源化利用技術包括物理轉化、生物轉化和化學轉化。物理轉化主要為物理壓縮、壓塊處理，製備生物質固體成型燃料；生物轉化主要是厭氧消化制沼氣和發酵生產乙醇；化學轉化包括液化、氣化、炭化等，是目前國內外研究的重點，主要集中在生物質液化和氣化方面的研究，對於生物質炭化製備生物質炭燃料的研究較少，且目前的生物質熱解炭化技術一般採用間歇工藝在中溫(400℃～700℃)或高溫(≥700℃)下進行，成本高、大多停留在實驗室研究階段。生物質熱解是指生物質在無氧或低氧的條件下，通過熱化學反應將生物質大分子物質(木質素、纖維素和半纖維素)分解成較小分子的燃料物質(固態炭、可燃氣、生物油)的熱化學轉化技術方法。現有技術中，CN102703099A公開了一種垂直移動床稻殼碳化爐及其碳化稻殼方法，碳化爐包括顆粒系統、燃氣系統、操作氣系統和控制系統，顆粒系統形成稻殼下落的垂直移動床，操作氣系統為產生操作氣的工作部，稻殼在垂直移動床內與操作氣發生逆流熱交換。其碳化稻殼的方法包括：S1.進料至上位料倉滿倉；S2.啟動燃氣風機和循環冷卻水泵；S3.燃燒室的點火燃燒器點火，同時開啟控制系統；S4.調整：殘氧濃度傳感器的目標參數不得小於1％，操作氣溫度傳感器的目標參數為675～685℃，爐膛出口溫度傳感器的目標參數為96～100℃，爐膛出口壓力傳感器的目標參數為-50～-30Pa，排料溫度傳感器的目標參數為小於400℃；S5.爐膛出口溫度傳感器的目標參數達到96～100℃時，逐步投入副燃氣風機、送風機，並逐步減少點火燃燒器負荷到零，利用稻殼料位傳感器，逐步加大出料量到額定負荷；S6.正常生產；S7.停機：給料停用稻殼改用其它小顆粒惰性物料，下鎖氣器調節到最大負荷；依次關閉副燃氣風機、送風機、停用控制系統；燃氣風機降到最低負荷；直至稻殼出淨後停爐。上述碳化稻殼的方法在生產規模上實現了稻殼的控溫連續碳化，產品為活性碳化稻殼、輕質木焦油和可燃氣體。但是，其碳化溫度過高，所得產品為活性碳材料，能量密度低，不能作為燃料使用，能源得率低。技術實現要素：本發明的目的是提供一種玉米秸稈低溫炭化製備生物質炭燃料的方法，所得生物質炭能量密度高，可作為燃料使用，能源得率高。為了實現以上目的，本發明所採用的技術方案是：一種玉米秸稈低溫炭化製備生物質炭燃料的方法，包括向炭化爐內通入氮氣使爐內為無氧或低氧環境後，將玉米秸稈原料顆粒從炭化爐頂部進料，熱氣流從炭化爐底部進入，在爐內形成逆流反應區域；控制炭化爐底部的反應溫度為200～280℃，爐內壓力為1010～1200mbar，反應生成生物質炭燃料從炭化爐底部輸出。所述低氧環境是指氧氣體積百分含量低於10％。爐內產生的可燃氣體從炭化爐上部排出。所述可燃氣體經冷凝處理後，燃燒產生熱氣流作為炭化爐的熱源。所述可燃氣體依次經除塵、冷凝、淨化處理後，燃燒產生熱氣流作為炭化爐的熱源，實現了能量的循環利用。此處所述除塵是採用旋風除塵器進行除塵，去除可燃氣體攜帶的碳顆粒及粉塵等固體雜質，減少進入冷凝器的氣體中固體雜質的含量，不僅避免了冷凝器內部結垢的現象，減少了冷凝液體中固體雜質的含量，提高了冷凝產品的品質；同時，經過除塵的可燃氣體燃燒時，避免了氣體燃燒不均勻、燃燒效率不高，甚至爆燃的現象，使進入炭化爐的熱氣流溫度可控，提高了系統運行的穩定性。所述冷凝是採用冷卻水進行冷凝，冷凝前氣體的溫度為51～60℃，冷凝後氣體的溫度為40～50℃。冷凝所得產物主要成分是醋液。所述淨化是採用吸附器進行吸附淨化，去除冷凝器未能處理的、被氣流攜帶出的小液滴，對可燃氣體進行進一步的淨化，提高後續燃燒的效率和均勻性，進一步提高進入炭化爐的熱氣流溫度的可控性和系統運行的穩定性。通過輔助加熱系統、或在燃燒時通入助燃氣體、或在燃燒段後部通入氮氣的方式控制熱氣流的溫度，從而控制炭化爐底部的熱解反應溫度。所述助燃氣體為空氣。所述輔助加熱系統為電加熱或通入天然氣燃燒加熱。空氣的加入量是依據熱解氣的流量信號自動控制，以保證燃燒的正常進行。為控制燃燒氣出口氣體溫度(熱氣流溫度)，依據溫度信號，溫度低時輔助加熱，溫度高時加入一定流量的氮氣，以保證進入炭化爐的熱氣流溫度穩定。所述玉米秸稈原料顆粒是由以下方法製備的：將玉米秸稈粉碎至粒徑<3mm，後經壓製成型至粒徑<15mm，即得。所得玉米秸稈原料顆粒的堆密度0.25～0.40g/cm3。所述玉米秸稈原料顆粒的含水率<20％。該方法中，物料在炭化爐中的停留時間為1～6h。本發明的玉米秸稈低溫炭化製備生物質炭燃料的方法，以N2作載氣，開始通入N2保證炭化爐內為無氧或低氧環境，然後將玉米秸稈原料顆粒輸送至炭化爐中；初始利用輔助加熱系統產生的熱氣流作為起始熱源為熱解炭化反應提供熱量；玉米秸稈原料顆粒依靠自重從炭化爐頂部下降到底部，熱氣流從炭化爐底部上升至頂部，兩者直接接觸，在垂直方向上逆流移動並形成持續反應區域。控制炭化爐底部的熱解反應溫度為200～280℃，爐內壓力為1010～1200mbar(絕壓)，炭化爐內維持著溫度梯度，從上到下溫度逐漸升高，使秸稈在爐內從上到下運動過程中依次實現乾燥、預熱解、熱解和炭化階段，從而在爐底生成生物質炭燃料，從爐底輸出，實現生物質炭燃料的製備；該方法中，原料顆粒與熱氣流直接接觸，熱利用效率高；炭化溫度低，避免了焦油的產生；所得生物質炭燃料的質量得率70％～85％，能源得率85％～95％，能源得率高；所得生物質炭能量密度高，可作為燃料使用，拓展了產品的用途，為玉米秸稈的回收利用提供了新的途徑。該方法中，玉米秸稈原料顆粒以一定的速率進入炭化爐，從炭化爐頂部移動降到底部過程中，首先失去水分被乾燥，原料顆粒持續下降，逐漸通過溫度更高區域，此時生物質發生熱解反應，釋放出CO、CO2及輕組分有機物等氣體，熱解完成得到的生物質炭燃料以一定的出炭速率在爐底連續輸出，實現了生物質炭燃料的連續生產。進一步的，熱解過程中產生的可燃氣體，從炭化爐上部排出，依次經除塵、冷凝、淨化後，通過燃燒產生熱氣流進入炭化爐作為熱源；利用炭化過程中產生的可燃氣體作為熱解加熱熱源，實現了能量的循環利用，節約能源，且能維持炭化爐的連續生產。本發明的玉米秸稈低溫炭化製備生物質炭燃料的方法，以玉米秸稈為原料，利用低溫炭化技術將廢棄玉米秸稈轉化為生物質炭燃料，並實現了規模化連續生產；低溫炭化技術有效的減少了生產能耗，提高了生物質炭燃料的產量，避免了焦油的產生(後續冷凝液體的主要成分為醋液)；連續性炭化工藝，可實現工業化生產；可燃氣體回收利用，能量自循環，有效減少了生產能耗；所得生物質炭燃料可有效減少一次能源的消耗，緩解目前能源緊張的局面，為秸稈的綜合利用和新能源的開發開闢了新途徑，具有良好的經濟效益和環境效益，適合推廣使用。附圖說明圖1為具體實施方式所用的生物質連續熱解炭化裝置的結構示意圖。具體實施方式下面結合具體實施方式對本發明作進一步的說明。具體實施方式中，所用的生物質連續熱解炭化裝置如圖1所示，包括移動床熱解系統、進料系統、出料系統和燃氣循環系統，所述移動床熱解系統包括移動床熱解炭化爐1，所述移動床熱解炭化爐1的頂部設有進料口1-3、底部設有出料口1-4；所述進料系統包括原料倉6，所述原料倉6的排料口通過第一管道與設置在移動床熱解炭化爐1頂部的進料口1-3相連接，所述第一管路上還設有螺旋輸送機，用於將原料倉6的原料送入移動床熱解炭化爐1；所述出料系統包括成品儲罐7，所述成品儲罐7的進口通過第二管路與設置在移動床熱解炭化爐1底部的出料口1-4相連接；所述第二管路上還設有帶有冷卻系統的螺旋輸送機。該生物質連續熱解炭化裝置是一個密閉的內循環反應系統，所述第一管路靠近進料口1-3處設有閥門組8，閥門組8包括依次設置的2個自動閥門8-1、8-2，第二管路靠近出料口1-4處設有閥門組9，閥門組9包括依次設置的2個自動閥門9-1、9-2，通過上、下閥門的交錯開閉實現運行時設備的密閉；所述移動床熱解炭化爐1內部還設有物料層料位探測器(料位雷射探頭，圖中未畫出)，用於探測物料層料位並反饋給PLC自動化控制系統，通過PLC自動化控制系統控制進料口、出料口處的自動閥門組8、9實現自動進料和/或自動出料。所述燃氣循環系統包括旋風除塵器2、冷凝器3、吸附器4和回流加熱器5，所述旋風除塵器2的氣體進口2-1與移動床熱解炭化爐1的熱解氣出口1-2相連接，旋風除塵器2的氣體出口2-2與所述冷凝器3的氣體進口3-1相連接，旋風除塵器2的底部還設有用於排出收集粉塵的集塵出口2-3；冷凝器3的氣體出口3-2與吸附器4的氣體進口4-1相連接，冷凝器3的底部還設有用於排出冷凝液體的排液口3-3；吸附器4的氣體出口4-2通過第三管路與回流加熱器5的燃氣進口5-1相連接，所述吸附器4的底部還設有用於排出吸附物質的排液口4-3，所述第三管路上還設有用於燃氣循環的循環泵；回流加熱器5的熱氣流出口5-2通過第四管路與移動床熱解炭化爐1的熱氣流進口1-1相連接，所述第四管道上還設有電動三通閥10，該電動三通閥10連接有用於排放尾氣的尾氣排放管道。所述回流加熱器5上還設有補充燃料進口5-5(輔助加熱系統)、助燃氣體進口5-3和氮氣進口5-4，分別連接天然氣管線、空氣管線和氮氣管線，所述天然氣管線、空氣管線和氮氣管線上分別設有電動閥門13、11、12，用於向回流加熱器供天然氣和/或空氣和/或氮氣。該生物質連續熱解炭化裝置，根據移動床熱解炭化爐1內部的物料層料位探測器探測信號，一旦探測料位不足，通過PLC自動化控制系統啟動螺旋輸送機和自動閥門組8，原料顆粒定量進入兩閥門之間，然後根據時間連鎖裝置，關閉上部閥門，打開下部閥門，自動加料；熱解完成，啟動自動閥門組9，產物定量進入兩閥門之間，然後根據時間連鎖裝置，關閉上部閥門，打開下部閥門，自動出料。通過PLC自動化控制系統控制自動進料和自動出料實現設備運行的連續性。該生物質連續熱解炭化裝置中，回流加熱器5上設有助燃氣體進口5-3、氮氣進口5-4和補充燃料進口5-5(輔助加熱系統)，進口都採用切向進料，助燃氣體(空氣)的加入量是依據熱解氣的流量信號自動控制，以保證燃燒的正常進行。移動床熱解炭化爐1的反應溫度是依據溫度信號，在回流加熱器5燃燒段後部加入一定流量的氮氣或補充燃料，以保證炭化爐的溫度穩定。該生物質連續熱解炭化裝置的壓力由PLC自動化控制系統自動控制，為了維持爐體壓力的穩定，排放一部分煙氣。具體實施方式中，所用的玉米秸稈原料顆粒是由以下方法製備的：將玉米秸稈粉碎至粒徑<3mm，後經壓製成型至粒徑<15mm，即得，所得玉米秸稈原料顆粒的堆密度0.25～0.40g/cm3。所述玉米秸稈原料顆粒的含水率ηe=ηm(Q2Q1)---(2)]]>式中：m1和Q1表示原料質量和低位發熱量，m2和Q2表示生物質炭燃料質量和低位發熱量。結果如表2所示。其中，所述原料為玉米秸稈原料顆粒。表2實施例1-5所得生物質炭燃料的檢測結果對象反應溫度(℃)空幹基低位熱值(MJ/kg)質量得率(％)能源得率(％)原料-15.24--實施例122017.7379.892.84實施例224018.0877.792.18實施例325018.1575.790.15實施例427018.2371.285.17實施例520017.1182.993.07從表2可以看出，與玉米秸稈原料顆粒相比，本發明所得生物質炭燃料具有較高的空幹基低位熱值；原料顆粒在低溫熱解炭化過程中，產生的熱解氣帶走了一部分的能量，但是生成的生物質炭燃料還是保存了玉米秸稈原料的大部分能量，具有較高的質量得率和能源得率。本發明以獲得固體燃料炭為目的，對照《煤炭質量分級第3部分：發熱量》(GB/T15224.3-2010)，本發明所得生物質炭燃料相當於中低發熱量煤。對照《生物質固體成型燃料技術條件》(NY/T1878-2010)，本發明所得生物質炭燃料的發熱量比草本類生物質固體成型燃料的發熱量高，240℃(實施例2)時生物質炭燃料的熱值比草本類生物質固體成型燃料標準高4.68MJ/kg。實驗例2本實驗例對實施例所得生物質炭燃料的燃燒性能進行檢測。檢測方法及所用儀器如下：熱重及燃燒特性分析：採用德國NETZSCH儀器公司的STA449F3同步熱分析儀(ThermogravimetricAnalyzer)。工業分析：採用馬弗爐(上海凱朗儀器設備廠，SX2-4-10)和乾燥箱(吳江市閩鑫烘箱電爐製造有限公司，MX841-6)。元素分析：採用德國Elementar公司，varioELIII型元素分析儀。結果如表3所示。表3實施例所得生物質炭燃料的燃燒性能檢測結果從表3可以看出，實施例所得生物質炭燃料的著火溫度低於木炭(487.2℃)和燒烤炭(361.7℃)，更易燃燒，綜合燃燒特性指數高於木炭(1.461)、低於燒烤炭(3.405)，具有優異的燃燒性能。當前第1頁1 2 3