機(jī)制棒自燃內(nèi)熱式炭化窯及其炭化工業(yè)試驗

莊曉偉，吳麗芳，陳順偉，潘 炘，鄭煒曼，蔣應(yīng)梯

（1. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院 浙江省森林資源生物與化學(xué)利用重點(diǎn)實驗室，浙江 杭州 310023；2. 浙江省義烏市廿三里街道農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，浙江 義烏 322013；3. 華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206）

當(dāng)前我國仍以原木炭窯為主要機(jī)制棒炭化窯，燒制的方法與木炭燒制方法相近，根據(jù)機(jī)制棒的特點(diǎn)，在火候和時間上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為克服土窯生產(chǎn)周期長、消耗薪材多等缺點(diǎn)，參照日本較先進(jìn)的改良土窯，結(jié)合自有專利“自燃移動床干餾炭化爐”和國內(nèi)農(nóng)村的實際，開發(fā)了間歇式自燃型炭化窯，建成年產(chǎn)400 t機(jī)制炭中試生產(chǎn)線[1]。

該窯的最大特點(diǎn)在于完成初次烘窯后，以機(jī)制棒炭化過程中產(chǎn)生的可燃性氣體在窯內(nèi)的燃燒作為熱源，通過控制空氣的流入量來控制窯內(nèi)溫度，連續(xù)操作不需要添加其它燃料；生產(chǎn)的機(jī)制炭質(zhì)量高、均勻度好；生產(chǎn)效率高，不需要較多專業(yè)知識即可操作；自動化程度不高，建窯投資少，特別適合農(nóng)村推廣。

1 炭窯概述

1.1 設(shè)計思路

根據(jù)機(jī)制棒具易吸濕膨脹、開裂的特點(diǎn)，因而，要求炭化窯在炭化初期時水蒸汽的排放上要做到以下兩點(diǎn)：一是水蒸汽的排放速度不能過快，否則易導(dǎo)致窯內(nèi)濕度過大引起機(jī)制棒的吸濕反應(yīng)；二是排放盡量不要對著機(jī)制棒，以減少機(jī)制棒吸濕的機(jī)會。我們的設(shè)計思路是：把窯內(nèi)的出氣口置于窯的偏下部，基本與軌道車的炭架處于同一水平面。同時，煙囪的高度盡量降低。不同容積、不同通風(fēng)口面積、不同拱高的炭化窯，應(yīng)有相應(yīng)的煙囪高度配合，才能達(dá)到理相的炭化效果。通過選擇試驗，提出窯容積與煙囪高度的線性關(guān)系為[2]：

式中，s為通風(fēng)口最大面積（m2），h1為窯內(nèi)高（除拱頂）（m），h2為拱高（m），x為窯體容積（m3），y為煙囪離地面高度（m）。

針對當(dāng)前生產(chǎn)上以土窯燒制機(jī)制炭存在的生產(chǎn)效率低、機(jī)制炭產(chǎn)率低且品質(zhì)參差不齊、薪材消耗多等缺點(diǎn)，結(jié)合機(jī)制棒的特點(diǎn)，借助“自燃內(nèi)熱式移動床干餾炭化爐”和“列管移動床干餾炭化爐”自有專利及其應(yīng)用開發(fā)技術(shù)成果，提出了“機(jī)制棒自燃式炭化窯”。

1.2 炭窯結(jié)構(gòu)與基本參數(shù)[2]

圖1 自燃內(nèi)熱式炭化窯結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure of spontaneous combustion and internal-heated carbonization furnac

該炭窯的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，炭化窯的窯體前方有窯口及配套的窯門，窯底有車軌，車軌內(nèi)端有小車定位坎，窯廓內(nèi)壁有出煙孔，出煙孔連接煙囪，窯頂為拱形頂，窯墻、窯頂為雙層之間帶保溫層的夾墻。本機(jī)制棒炭化工藝及其設(shè)備具有間歇式生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)機(jī)制炭的能力，其生產(chǎn)周期為4 ~ 6 d，該炭窯利用干餾過程產(chǎn)生的可燃性氣體在窯內(nèi)可控燃燒作為炭化過程本身能源。在預(yù)炭化階段，進(jìn)氣孔保持固定狀態(tài)；進(jìn)入炭化階段后，封閉煙囪，通過窯門上部開口的大小來調(diào)節(jié)窯內(nèi)空氣的流通；精煉階段，封閉窯門底部的預(yù)留氣孔，只通過窯門上部開口處燃燒排出窯內(nèi)的氣體，達(dá)到精煉的目的。

該炭化窯的窯內(nèi)寬、窯內(nèi)深、窯內(nèi)高（除拱頂）的尺寸比例為1.32∶1.71∶1.36，窯容積為2.5 ~ 5.0 m3，拱高為0.3 ~ 0.5 m，煙囪高度為0.8 ~ 1.2 m，煙囪通風(fēng)面積為0.5 m2，產(chǎn)炭480 ~ 720 kg/窯。

1.3 炭化原理

新砌或閑置一段時間的窯體中含有一定水分，在使用前必須進(jìn)行烘烤，窯內(nèi)溫度需達(dá)到 100℃左右，烘窯時間一般在24 ~ 48 h。機(jī)制棒的炭化主要經(jīng)歷預(yù)炭化、炭化、精煉3個階段[1~3]。

1.3.1 預(yù)炭化 機(jī)制棒進(jìn)窯后待煙囪冒煙，關(guān)窯門，留底部通氣孔，關(guān)閉其余窯門上的通氣孔，保持適量的空氣流通；窯溫漸升，機(jī)制棒水分蒸發(fā)，隨煙氣一同排出，半纖維素分解，發(fā)生放熱反應(yīng)，窯溫繼續(xù)上升，纖維素與木質(zhì)素分解，溫度升至 300℃后，受空氣流通量的制約，炭化進(jìn)展緩慢，產(chǎn)熱與散熱量基本相持平，窯溫維持300℃左右達(dá)2 ~ 3 d，煙囪從排白煙至黃煙，最后至青煙，完成預(yù)炭化[4]。

1.3.2 炭化 炭窯排青煙后，封閉煙囪，逐漸擴(kuò)大窯門通氣量，使機(jī)制棒進(jìn)一步炭化，并產(chǎn)生大量可燃?xì)?，通過空氣助燃，使窯溫上升至500℃。

1.3.3 精煉 窯溫升至 500℃，窯門通氣量增加引起燃火，物料炭化產(chǎn)生的大量可燃性氣體與空氣充分燃燒，產(chǎn)生一種抽力，使得初級機(jī)制炭發(fā)生自發(fā)脫除氫、氧的芳構(gòu)化過程，有機(jī)氣體快速流走，產(chǎn)生真空吸力，窯溫進(jìn)一步升高至650 ~ 700℃，使初級機(jī)制炭（經(jīng)初步炭化的機(jī)制棒）內(nèi)有機(jī)物急劇喪失（減少），體積收縮，固定碳含量上升，精煉完成[5]。

2 試驗儀器與方法

2.1 生產(chǎn)和試驗儀器設(shè)備

工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備：滾筒氣流式連續(xù)烘干機(jī)，干燥效率400 ~ 600 kg/h；高密度成型機(jī)：每臺2.5 t/d，保持2臺正常工作；自燃內(nèi)熱式炭化窯，總?cè)莘e3.07 m3；除塵環(huán)保裝置。

試驗儀器：上海歐銳 WELL8000型多用量熱儀，馬弗爐 Nabertherm L9/11/SKM，數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9140）。

2.2 機(jī)制炭制備方法

2.2.1 備料 木屑預(yù)處理：采購已袋裝的松木屑和杉木屑，運(yùn)回試驗地倉庫堆放半個月到1個月，對木屑起到一定的軟化作用，有利于機(jī)制棒的成型。配料及攪拌：將松木屑和杉木屑按一定的比例進(jìn)行配料，配料后攪拌均勻即可。原料過篩：選用合適網(wǎng)孔的滾筒篩，將所需原料經(jīng)過簡單的機(jī)械篩選，去除其中的樹皮、粗大顆粒、石子等雜物。

2.2.2 干燥成型 進(jìn)料：將準(zhǔn)備好的原料鏟入畚箕，再倒入進(jìn)料口，通過傳送帶進(jìn)入干燥設(shè)備；通過進(jìn)料斗的出口閥門控制原料的流出量。干燥：以木材碎料燃燒產(chǎn)生的煙氣為熱源，在離心風(fēng)機(jī)的帶動下，原料和煙氣同時在管道內(nèi)流動，最終達(dá)到原料干燥的目的。成型：干燥后流經(jīng)貯存槽，稍加冷卻后直接進(jìn)入成型機(jī)，在高溫、高壓的作用下壓制成型。

2.2.3 炭化 機(jī)制棒裝車：將機(jī)制棒冷卻到室溫后進(jìn)行裝車，要求中間6根縱向放置，兩邊橫向放置，關(guān)鍵是每層機(jī)制棒緊密排列。最上面6層縱向放置，并逐層減少機(jī)制棒根數(shù)，使其與炭化窯圓弧頂保持一致。炭化基本操作步驟如圖2所示。

圖2 機(jī)制棒炭化操作流程Figure 2 Operational flow of machine-made rod carbonization

2.3 檢驗方法

2.3.1 機(jī)制棒的含水率 參照GB/T1931-1991木材含水率測定方法。

2.3.2 機(jī)制炭直徑收縮率 用游標(biāo)卡尺直接測得。

2.3.3 機(jī)制炭的揮發(fā)分、灰分 按GB/T17664-1999《木炭和木炭的試驗方法》測定。

2.3.4 機(jī)制炭燃燒值 按GB14402-1993建筑材料燃燒熱值試驗方法測定。

2.3.5 機(jī)制炭密度 參照GB/T217-1996煤的密度測定方法測定。

3 試驗結(jié)果和討論

表1 自燃窯炭化工業(yè)試驗結(jié)果Table 1 Results of industrial tests of machine-made rod carbonization in spontaneous combustion furnace

3.1 炭化工藝調(diào)整

2008年9月13日開始進(jìn)行了前期設(shè)備運(yùn)行調(diào)試，由表1試驗數(shù)據(jù)表明，9月13日烘窯開始至適應(yīng)性調(diào)整結(jié)束，之后實現(xiàn)正常穩(wěn)定生產(chǎn)。在此期間，主要對不同原料混合比例及其成型溫度對機(jī)制棒質(zhì)量的影響、加料速度和干燥溫度對原料干燥及其機(jī)制棒成型的影響、炭化工藝對炭化得率及機(jī)制炭質(zhì)量的影響、除煙氣裝置對煙氣流量及排放的影響進(jìn)行了試驗和調(diào)整，提出了相應(yīng)的工藝參數(shù)，即松木屑和杉木屑的比例在3∶7進(jìn)行配料，成型溫度350 ~ 420℃，干燥設(shè)備爐膛入口溫度280 ~ 350℃，干燥設(shè)備爐膛的出口溫度控制在130 ~ 140℃，加料速度以滿足成型機(jī)生產(chǎn)能力為宜，炭化時間5 d，冷卻時間1 ~ 2 d等基本技術(shù)參數(shù)。

10月15-27日，按上述技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對不同炭化時間和精煉時間對炭化得率及機(jī)制炭質(zhì)量的影響進(jìn)行了對比研究。

3.1.1 炭化時間的選擇 機(jī)制棒在間歇式自燃炭化窯內(nèi)的炭化依次經(jīng)歷爐內(nèi)熏煙、排煙初炭化和導(dǎo)入空氣煅燒精煉三個工藝階段，達(dá)到完全炭化的目的。炭化時間分別為101 h、126 h、153 h的升溫干餾溫度變化曲線如圖3所示。其中升溫時間基本為24 h左右，保溫初炭化時間較長，炭化時間分別為101 h、126 h、153 h的曲線保溫時間區(qū)間分別為24 ~ 90 h、24 ~96 h、24 ~ 132 h，總炭化時間的長短對各初始升溫曲線、保溫初炭化曲線的影響較??；而精煉炭化段的溫度變化曲線區(qū)別較明顯，說明保溫炭化時間的長短影響第二次升溫的時間；但其精煉最高溫度基本一致，精煉時間基本相同。

其中，進(jìn)窯時窯溫過高以及機(jī)制棒放置時間過長吸水都將引起軌道車正中間豎放的機(jī)制炭產(chǎn)品嚴(yán)重開裂。軌道車在窯內(nèi)位置不正也易引起炭化不均勻，而導(dǎo)致精煉效果差，直接影響機(jī)制炭的質(zhì)量。

圖3 炭化過程窯內(nèi)溫度變化曲線Figure 3 Variation curves of the temperature in the furnace during carbonization

表2 不同炭化時間的機(jī)制炭生產(chǎn)試驗結(jié)果Table 2 Results of different carbonization duration of machine-made charcoal

應(yīng)用間歇式自燃型炭化窯就保溫初炭化時間（2 ~ 5 d）對機(jī)制炭的得率和質(zhì)量的影響作了試驗，結(jié)果如表2，炭化時間153 h的炭化得率最低，為33.63%；炭化時間為101 h和126 h的炭化得率相差不大，分別為34.38%、35.00%，這跟炭化時間較短有關(guān)，炭化時間101 h的炭化窯開窯升溫時還冒較大的煙，使得點(diǎn)火消耗的時間較長，引起機(jī)制炭的部分過炭化和炭化不均勻。炭化時間為101 h的樣揮發(fā)份含量最高，為8.08%；炭化時間為153 h的樣灰份含量最高，為5.07%；炭化時間為126 h與炭化時間為153 h的樣固定碳含量、燃燒值相差很小；而炭化時間為101 h的樣固定碳含量、燃燒值相對偏小。

綜上所述，炭化時間為101 h時，機(jī)制炭的性能不穩(wěn)定、冒黑煙污染環(huán)境、機(jī)制炭性能相對較差；炭化時間為126 h與炭化時間為153 h生產(chǎn)的機(jī)制炭性能基本一致，且炭化時間的延長使炭化得率降低，不利于生產(chǎn)效率的提高。因此，合適的炭化時間為126 h。

3.1.2 精煉時間的選擇 精煉時間對炭化得率及機(jī)制炭質(zhì)量影響較大，同時易導(dǎo)致機(jī)制炭質(zhì)量不均勻。由表 1可知，炭化直徑收縮率隨精煉時間的延長而增大，機(jī)制炭密度也隨之增大。由表3表明，隨精煉時間的延長，機(jī)制炭的揮發(fā)分含量降低，燃燒熱值、固定碳含量、密度、炭化均勻度和機(jī)制炭直徑收縮率均上升；但機(jī)制炭的灰分含量上升、得率降低、成本上升。精煉時間6 h與7 h生產(chǎn)的機(jī)制炭性能較接近，考慮到成本問題，6 h的精煉時間為較佳選擇，制得機(jī)制炭揮發(fā)份含量為5.32%，固定碳含量為90.35%，熱值34 293 kJ/kg，炭化得率35.0%，直徑收縮率23%。

表3 機(jī)制炭不同精煉時間對比試驗結(jié)果Table 3Comparison of results of different calcining time

3.2 炭 化窯炭化 均 勻性分析

11月6日開始正常穩(wěn)定生產(chǎn)，為檢驗炭化窯運(yùn)行過程中產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，對同一窯的不同取樣點(diǎn)的產(chǎn)品的均勻性、連續(xù)生產(chǎn)時不同時間生產(chǎn)的產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性進(jìn)行了對比試驗。

3.2.1 同一窯產(chǎn)品的均勻性分析 隨機(jī)取3個窯，分別為窯A、窯B、窯C，每窯的中間部位加上兩邊的上下共計5個取樣點(diǎn)，分別為采樣點(diǎn)1、采樣點(diǎn)2、采樣點(diǎn)3、采樣點(diǎn)4、采樣點(diǎn)5。從炭化均勻性來看（表4），固定碳含量為91.19% ~ 93.11%，均值為92.05 %，指標(biāo)變化較小，最大相差1.92%。3個窯采樣點(diǎn)1的揮發(fā)份都明顯低于其它4個采樣點(diǎn)，分別為3.37 %、3.28 %、3.04 %，窯A、窯B、窯C的采樣點(diǎn)2 ~ 5的揮發(fā)份含量分別為4.12% ~ 4.59 %、3.74% ~ 4.54 %、3.34% ~ 3.53 %，總體都在5 %以內(nèi)，揮發(fā)份含量的大小主要與機(jī)制炭的精煉炭化程度相關(guān)?；曳莺烤翟?.94% ~ 4.35 %，主要與原材料的灰份含量和炭化過程中的灰化程度有關(guān)。

表4 同一窯內(nèi)不同采樣點(diǎn)樣品指標(biāo)分析Table 4 Comparison on quality indexes at var ious sampling points in the same furnace

表5 兩只不 同 窯 生產(chǎn) 的 機(jī) 制炭樣 品 指 標(biāo)對比 分析Table 5Comparison on quality indexes in two different furnaces

3. 2.2 炭 化產(chǎn) 品 性能 穩(wěn) 定性 分 析 為 了 解 試驗過程機(jī)制炭質(zhì)量變化情況，隨機(jī)抽取已正常生產(chǎn)的兩個窯，對其產(chǎn)品機(jī)制炭進(jìn)行質(zhì)量變化情況的分析。由表5測定結(jié)果表明，同一窯運(yùn)行過程相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)變化較一致。其揮發(fā)分含量分別在5.04% ~ 5.51%和4.14% ~ 4.99%，1號窯比2號窯的揮發(fā)分高1%左右，主要可能是2號窯干燥程度 更 好且受地下濕氣的影響 較 小、精煉能夠達(dá)到 更高的溫度等原因。兩窯的原料一樣，所以其灰分含量基本一致，在3.95% ~ 4.42%；由于兩窯在揮發(fā)分上的差異，固定碳含量方面稍有差異，1號窯在90.12% ~ 90.72%，2號窯在90.82% ~ 91.53%。同時由表6結(jié)果還表明，隨著時間的推移，兩窯受濕氣的影響進(jìn)一步減小，揮發(fā)分相應(yīng)的也有變小的趨勢，最后將會趨于穩(wěn)定。

3.3 機(jī)制炭性能對比分析

由表1和表3可知，穩(wěn)定生產(chǎn)后，精煉時間達(dá)到5 h以上時，炭化得率為33.5% ~ 35.7%，炭化直徑收縮率為20.0% ~ 24.0%，固定碳含量87.60% ~ 91.47%，揮發(fā)份4.36%~ 8.07%。對機(jī)制炭的燃燒值進(jìn)行了測定，該窯生產(chǎn)的機(jī)制炭的燃燒熱值大于32 000 kJ/kg，明顯高于國內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)制炭燃燒值20 000 ~30 000 kJ/kg。由表6還可知，由該窯生產(chǎn)的機(jī)制炭的主要指標(biāo)揮發(fā)分含量、固定碳含量都達(dá)到較高要求，遠(yuǎn)優(yōu)于市場常見的機(jī)制炭，灰分含量相差不大。

表6 機(jī)制炭的主要質(zhì)量指標(biāo)對照Table 6 Comparison of main quality indexes of machine-made charcoal

4 結(jié)論

根據(jù)機(jī)制棒具易吸濕膨脹、開裂的特點(diǎn)，研制出機(jī)制棒自燃內(nèi)熱式炭化窯，并進(jìn)行了機(jī)制炭年產(chǎn)能力400 t規(guī)模的工業(yè)實驗，結(jié)果表明：

（1）除烘窯消耗少量能源外，該炭窯不消耗薪柴或其它能源。該窯以機(jī)制棒炭化過程中產(chǎn)生的可燃性氣體在窯內(nèi)的燃燒作為熱源，而土窯燒制機(jī)制炭時則需要消耗大量的闊葉雜木。

（2）在前期試驗的基礎(chǔ)上，參照工業(yè)試驗中繪制的升溫干餾窯內(nèi)溫度變化曲線，對炭化工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)，確定合適的炭化時間為126 h左右。機(jī)制棒炭化依次經(jīng)歷爐內(nèi)熏煙、排煙初炭化和導(dǎo)入空氣煅燒精煉3個工藝階段，其中排煙初炭化時間的長短影響第2次升溫的時間，但對機(jī)制炭的得率和質(zhì)量的影響較小，煅燒精煉時間對炭化得率及機(jī)制炭質(zhì)量影響較大，6 h的精煉時間為較佳選擇，制得機(jī)制炭揮發(fā)份含量為5.32%，固定碳含量為90.35%，熱值34 293 kJ/kg。

（3）炭化均勻性好，機(jī)制炭質(zhì)量穩(wěn)定。從工業(yè)試驗的炭化均勻性結(jié)果分析表明，固定碳含量為 91.19% ~93.11%，指標(biāo)變化較小，最大相差1.92%；灰份含量和揮發(fā)份含量都低于5%。同窯同樣炭化工藝連續(xù)生產(chǎn)機(jī)制炭時，固定碳含量波動較小，為90.12% ~ 91.53%。

（4）機(jī)制炭產(chǎn)品質(zhì)量好。機(jī)制炭的炭化得率為33.5% ~ 35.7%，炭化直徑收縮率20.0% ~ 24.0%，固定碳含量87.60% ~ 91.47%，揮發(fā)份在8.07% ~ 4.36 %，燃燒熱值大于32 000 kJ/kg，可以看出其主要指標(biāo)均明顯高于土窯燒制的炭，是國內(nèi)現(xiàn)有炭化窯很難達(dá)到的。

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