節(jié)能干餾炭化爐設計

關鍵詞：生物質炭；炭化爐；溫度監(jiān)控

0 引言

農業(yè)種植量在我國占比較大，伴隨的問題是農業(yè)廢棄生物質的處理，農業(yè)廢棄生物質包含農作物秸稈、加工過程中產生的稻殼等，而農業(yè)廢棄物作為清潔的可再生資源，是可以充分利用的能源之一[1-2]。熱化學轉化技術對提高廢棄生物質回收利用具有重要意義[3]。生物質炭化，是指生物質在隔絕氧或缺氧條件下吸收熱能，破壞生物質內部大分子結構，使其轉化為固體炭、可燃氣體和焦油等混合物的過程[4]。生物炭作為可再生資源，對于提高土壤質量、吸附水雜質、解決重金屬污染等很重要[5-6]。一些發(fā)達國家對于此技術探究較早、研究進展較快，炭化設備主要以熱解廢棄生物質獲取焦油、木醋液、可燃氣為主[7-8]。我國對炭化技術的研究起步于1970年左右，對傳統(tǒng)的炭化工藝和設備不斷進行改進，但是大多炭化裝備處于實驗室試驗階段，并且主要對焦油、氣體等產物回收且分解利用[9-11]。目前使用較多的炭化設備主要以窖式干餾和螺旋連續(xù)炭化設備為主，此設備外加熱源不夠穩(wěn)定且溫度控制不精準，導致生物炭質量不穩(wěn)定[12-13]。此炭化設備主要為大型產業(yè)型設備，目前大多高校做炭化試驗使用的炭化儀器，多以微型設備為主，其單次炭化量有限，不利于開展試驗[14]。

基于對國內外熱解炭化技術裝備的理論研究和實地調研，本研究旨在對生物炭設備的結構進行設計。通過深入的理論分析、計算機模擬及試驗分析，致力于優(yōu)化相關技術參數(shù)，以實現(xiàn)設備性能的最優(yōu)化。本研究能夠對炭化爐工作過程中的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，解決了現(xiàn)有技術中炭化爐工作過程中無法準確監(jiān)控溫度、浪費能源問題。

1 炭化爐結構原理

節(jié)能干餾炭化爐總體結構如圖1和圖2所示。將處理過的生物質放置于炭化筒內。打開炭化筒爐門底部的通氣孔、炭化筒頂部排濕閥（濕氣直接從頂部排濕管排放），并且關閉控制閥。開機啟動，打開鼓風機控制開關，選擇燃燒機自動模式，燃燒機自動點火。炭化筒內中部第2熱電偶溫度達到150～160°C時（根據(jù)生物質析出可燃氣的溫度確定），關閉炭化筒爐門底部通氣孔、炭化筒頂部排濕閥，并且打開控制閥，根據(jù)壓力表指針刻度位置調節(jié)控制閥開度大?。ù_保壓力表的指針始終保持在刻度0）。高溫熱解階段炭化筒內部生物質產生的可燃氣由可燃氣循環(huán)管循環(huán)至燃燒室內進行燃燒（可燃氣循環(huán)示意如圖3所示），此時切換為手動模式，關閉燃燒機，單靠可燃氣的燃燒進行加熱炭化；通過觀火孔觀察可燃氣是否燃燒殆盡，如已經燃燒殆盡，則手動打開燃燒機，切換自動模式，當監(jiān)測炭化筒中部溫度的第2熱電偶設定溫度上限為500°C時，燃燒機自動熄火。保溫期間燃燒機根據(jù)設定的溫度上限與下限自動進行開閉，當?shù)竭_保溫時間燃燒機停止工作，爐內溫度降至30°C以下時，取出試樣完成炭化試驗。

2 關鍵結構設計

2.1 炭化筒結構

炭化筒三維模型如圖4所示。炭化筒主體是一個內徑500mm、壁厚8mm的圓柱形空腔，水平置于炭化爐上端。在炭化筒頂部做出孔道用于安裝熱電偶，自炭化筒前端起在同一軸線分別設置距離238、150、150、100和100m的點，以該點為中心分別設置直徑32、108、32、32和32mm的圓孔，其圓孔分別安裝第1熱電偶、可燃氣循環(huán)管、第2熱電偶、第3熱電偶和第4熱電偶。熱電偶安裝位置三維模型如圖5所示。第1熱電偶自炭化筒內上壁延伸至內下壁，自前端延伸至后端，監(jiān)測炭化筒底面的前、中、后區(qū)域溫度；第2熱電偶、第3熱電偶和第4熱電偶自炭化筒內上壁分別延伸至炭化筒中部區(qū)域、底部區(qū)域和上部區(qū)域，分別用于監(jiān)測炭化筒內中部、底部和上部區(qū)域溫度。

2.2 燃燒室

燃燒室三維模型如圖6所示。燃燒室則是炭化爐的主體支撐結構，分為上腔體和下腔體。炭化筒則水平安裝于燃燒室上腔體水平中軸線位置上，由燃燒室上腔體完全包裹，并且中間留有間隙；炭化筒外壁與燃燒室內壁之間的空間則用于廢氣排放通道，由廢氣排放管道排出。下腔體則是燃燒室的燃燒腔體，由燃燒機和可燃氣再燃燒提供熱源，滿足炭化筒內生物質炭化的熱量需求，下腔體正面位置設置燃燒室觀察門。燃燒機安裝在燃燒室下腔體正后端，提供主熱源；燃燒機安裝位置同一中軸線上部設置觀火孔，伸入燃燒室內部，用于觀察燃燒室內部的火焰燃燒情況。燃燒室左側同一水平位置設置可燃氣循環(huán)管接口和鋁片式防爆門，可燃氣循環(huán)管接口用于連接可燃氣循環(huán)裝置，鋁片式防爆門用于預防燃燒室由于壓力過高發(fā)生爆炸；燃燒室右側上下腔體位置分別安裝兩個熱電偶，分別延伸至燃燒室通道和燃燒室下腔體內中部區(qū)域，分別用于監(jiān)測燃燒室通道溫度和燃燒室下腔體溫度。

2.3 可燃氣循環(huán)裝置

可燃氣循環(huán)裝置三維模型如圖7所示?？扇細庋h(huán)裝置是連通炭化筒和燃燒室的裝置，上端連接炭化筒頂部可燃氣循環(huán)管接口，下端連接燃燒室可燃氣循環(huán)管接口；作用是將炭化筒內生物炭化產生的可燃氣循環(huán)至燃燒室進行二次燃燒?？扇細庋h(huán)裝置與炭化筒連接處設置有壓力表，用于監(jiān)測炭化筒的內部壓力，可根據(jù)壓力表顯示數(shù)值調節(jié)控制閥開度?？扇細庋h(huán)裝置與炭化筒接口位置同一軸線豎直向上設置排濕閥門和排濕管，排濕閥用于控制炭化筒與外界的連通，防止空氣倒流回炭化筒內，排濕管豎直延伸向上，主要排出炭化筒內干燥階段所產生的濕氣。循環(huán)裝置中部位置設有控制閥門和熱電偶，分別用于控制可燃氣向燃燒室流通的通斷和監(jiān)測可燃氣的溫度；循環(huán)裝置上下部分分別設置檢查孔，用于檢查循環(huán)管道的堵塞情況。

3 樣機測試

本研究研制的節(jié)能干餾炭化爐如圖8a所示，性能測試試驗主要驗證溫度監(jiān)測準確性、高溫可燃氣循環(huán)燃燒的情況、密封性能和保溫效果等參數(shù)是否滿足設計要求。炭化過程包括低溫干燥階段、高溫炭化階段、保溫階段和冷卻階段4個階段，其中在高溫炭化階段會有可燃氣析出，而產生的高溫可燃氣則循環(huán)至燃燒室進行二次燃燒，達到節(jié)能效果。

炭化原料選用山西省晉中市太谷區(qū)山西農業(yè)大學園藝站核桃園廢棄枝條鋸成段狀，如圖8b所示。在高溫炭化階段會有可燃氣析出，而產生的高溫可燃氣則循環(huán)至燃燒室進行二次燃燒，達到節(jié)能效果，存在兩種燃燒供熱方式，如圖9所示。炭化產物主要有生物炭、焦油、木醋液等，如圖10所示。

4 結束語

炭化設備由炭化筒、加熱裝置和可燃氣循環(huán)裝置組成，按照設計要求制造樣機并完成相關炭化試驗。試驗結果表明，制炭成型率達95%，可以高效完成炭化工作；焦油等混合物能夠回收，滿足設計要求；保溫效果和密封效果都達到預期要求；可燃氣循環(huán)裝置能夠最大化利用可燃氣，達到循環(huán)燃燒、節(jié)約能源目的；加熱時間可自主設定，熱解溫度最高設定為500°C。節(jié)能干餾炭化爐結構簡單、使用方便，能夠對炭化爐工作過程中的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并且提高了燃料燃燒的熱利用率，有效降低生物質的熱解成本。