不同给氧方式对炭气联产工艺的影响

王 辉 ，支恩波 ，顾新庆 ，李新利

（1.河北省林业科学研究院，河北 石家庄 050061；2.河北省林木良种工程技术研究中心，河北 石家庄 050061）

不同给氧方式对炭气联产工艺的影响

王 辉1，2，支恩波1，2，顾新庆1，2，李新利1，2

（1.河北省林业科学研究院，河北 石家庄 050061；2.河北省林木良种工程技术研究中心，河北 石家庄 050061）

生物质是指通过光合作用形成含有纤维素、半纤维素、木质素等成分的生物体。我国生物质资源丰富，主要以农林废弃物为主。生物质炭化技术是有效利用生物质资源的方法之一。该文主要研究以敞口快速炭化窑为基础设备，不同给氧方式对炭气联产工艺的影响，以获得最佳的给氧方式，生产出优质生物质炭、气产品及副产品木焦油、木醋酸液等。经过优化的炭气联产工艺实现节能减排，保护生态环境的目标，同时为以后生物质资源的高效利用提供部分依据。

生物质；炭气联产；生物质炭；敞口快速炭化窑

项目来源：河北省科技计划项目“秸秆炭（固）化生产关键技术研究”（编号：09220905D）

生物质是指通过光合作用形成含有纤维素、半纤维素、木质素等成分的生物体，经自然演变或人类采伐后失去生理代谢功能的生物体材料。生物质资源具有数量巨大、形式繁多、可再生、对环境友好、利用方式多样等特点[1]。

在科学发展的今天，人们开发了许多生物质资源，经过一系列的工艺过程，都可以生产出类木炭新能源的生物质炭。国外许多发达国家将生物质视作对环境和社会有好处的能源资源，加快了生物质能源产品进程。我国每年林业枝丫材及锯材废弃物锯末、木屑、刨花等约2亿t，农作物秸秆约为7亿t，这些都是生产生物质炭的主要资源[2]。

我国幅员辽阔，秸秆、枝丫类的生物质资源极为丰富，但大部分秸秆被直接作为燃料燃烧或废弃，利用水平低，浪费严重，且污染环境，产生大量的温室气体。敞口快速炭化窑炭气联产工艺，针对我国农村实际情况，以生物质秸秆为主要炭化原料，既可以生产出高质量的炭、气产品，又解决资源浪费，节约林木资源，减少作物秸秆焚烧而造成的环境污染[3]。

运用敞口快速炭化技术及配套设备对生物质材料进行快速炭化的项目，在生产过程中无污染，收益高，产品质量稳定。通过本项目的推广可带动全国秸秆等生物质的资源化、工业化利用，带动农业增收，促进秸秆的再利用、为社会提供炭原料及燃料资源，减少环境污染，整个过程形成炭循环，对大气不排放温室气体，对社会的可持续发展具有良好的生态效益。

1 设备及工艺机理

1.1 敞口快速炭化窑设备、流程

（1）窑体。炭化生物质原料的设备。

（2）分离器。分离烟尘、焦油、醋酸液的设备。

（3）旋流净化器。净化炭化时产生的烟气中的杂质的设备。

（4）多层过滤器。进一步过滤净化气体的设备。

（5）气体混合储罐。使氧气和可燃气体混合均匀。

（6）点火器。气体直燃设备。

1.2 工艺机理

敞口快速炭化窑炭气联产工艺的机理：项目的核心技术是利用生物质资源（各种农业废弃物）为主要原料，在敞口给氧的炭化窑中，经过8～10h炭气联产的炭化工艺，生产出不同形状的炭块、可燃气体，同时将副产品秸秆焦油、秸秆醋酸液回收。该设备和工艺改变了传统的烧制木炭方法，在生产时，不会造成炭化时的二次污染。在生产过程中，将可燃气体回收，经过分离器、旋流净化器、过滤器及气体混合气的净化后可作为居民生活用燃气、取暖用气；还可以气体发电。敞口快速炭化窑炭气联产工艺技术的优点：具有可以将大小、粗细、形状不同的原料放入窑体中同时炭化；在炭化的同时，将生物质焦油、醋酸液分离、回收，生产时无二次污染；采用控氧炭化的工艺，在烧炭的过程中可以随时填加原料，生产可控性极强。生产工艺流程操作简便、快速、安全。提高后的工艺执行率和质量标准，比现有炯烧干馏炭化的周期时间缩短了21倍。

2 材料及方法

2.1 试验材料及设备

粉碎为5～10cm的干燥枝丫材（湿度15%）、高压喷枪（点火装置）及相对湿度40%左右的生物质炭粉（起阻氧作用）。

长度 0.5、1.0、1.5m的插入式快速测温仪T950-T1、奥氏气体分析仪QF1904、微机全自动量热仪ZDHW-6型、气袋、马弗炉、天平（精确0.0001g）、灰皿、干燥皿、灰皿架、长柄夹子等。

2.2 试验方法

有文献资料显示，生物质炭化基本分3个温度阶段：①干燥阶段。从点火开始，至炉温上升到160℃，这时材料所含的水分主要依靠外加热量和本身燃烧所产生的热量进行蒸发。材料的化学组成几乎没变。②炭化初始阶段。这个阶段主要靠枝丫材自身的燃烧产生热量，使炉温上升到160～270℃。此时，材料发生热分解反应，其组成开始发生了变化。其中不稳定组成，如半纤维素发生分解生成CO2、CO和少量醋酸等物质。③全面炭化阶段。这个阶段的温度为270～550℃。在这阶段中，枝丫材急剧地进行热分解，同时生成了大量的醋酸、甲醇和木焦油等液体产物。此外还产生了甲烷、乙烯等可燃性气体，这些可燃性气体被风机带入烟气净化收集装置[4-5]。

分析以上材料，我们可以得出影响炭气化效果的有两个重要因素：①炭化时窑内的升温速度。②炭化的时间长短。

以下试验均做3个重复，分别在窑内装枝丫材 3t，压实至炭化适宜密度（130～140kg/m3），点火后上面均匀覆盖等量炭粉各0.6t。

试验1：敞口快速炭化窑一般在8～10h完成炭化，其温度剧烈变化一般在前6h。因此本试验以棉柴为原材料设计了给氧炭化时间均为6h，但分别为 1 号窑：（4+2）h、2 号窑：（3+3）h、3 号窑：（2+2+2）h给氧，其中间隔时间为1.0h（隔氧闷窑状态）3种不同给氧炭化方式，即通过改变窑内升温速度，观察炭的产量与质量，由于炭化时间短，产生可燃气体的量类似，可视为气体产量相同，该试验部分气体不作比较分析。

试验2：与3窑炭化原材料相同，给氧方式相同给氧炭化，但采气的时间分别为4、6、8h（所采气体能够点燃时，或者说炭化开始6h后开始计时），然后观察炭、气产量及质量的变化情况，即炭、气所得产量及不同比例，从而找到最优的产气时间，以实现原材料的价值利用最大化。

3 结果与分析

3.1 窑内升温速度对炭气化的影响

不同给氧方式下窑内温度变化情况见图1，3窑质量分析见表1。试验数据为窑内3个不同深度均匀分布的4个点的4次读数，算出该时间段的平均窑内温度。

由图1可以看出：1、2、3号窑的升温速度1号窑>2号窑>3号窑，且1号窑3h就接近理想炭化温度270℃以上，而2号窑需要4h，3号窑5h才到达理想炭化温度。因此我们可以看出连续给氧4h能够达到快速升温的目的，可以使窑内温度迅速达到炭化温度的第三阶段，也是炭化的最佳阶段，从而提高了炭化的速度（图1数据是在每个窑内取3个不同的深度，每个深度取4个均匀分布的点，每小时4次读数，然后计算出该时间段的平均窑内温度）。

表1 三窑炭质量分析

由表1可以看出：1号窑生产出来的炭产量最高为1.09t，其炭的固定碳含量也最高，为81.24%，因此我们可以得出，在该试验条件下，窑内升温速度越快，其产炭量越高，炭的质量越好。1号窑的产炭率为1.09/3*100%=36.33%。

3.2 采气时间对炭、气化的影响

由表2可以看出：采气时间越长，即采气量越大所得炭产量就越低。原材料中所含可利用生物质含量是固定的，因此炭、气产量成反比符合能量守恒的客观规律。我们带入棉柴炭的热值67803.64kJ/kg（ZDHW-6型量热仪测量得出）及该可燃气体的平均热值38.56kJ/m3（所产可燃气体成分计算得出），可得出炭气热值总量为：

表2 时间变化对炭、气产量的影响

由炭气产品能够产生最大热量我们可以看出：经4h处理的炭、气产热最高为69914870kJ。因此产气越高，原料炭气化后剩余能量越低，能量损失越大。当然如果不处理的原材料能量最大，但其不利于人们生活日常使用，只能在理论上达到最大值。因此既要减少不必要的能量损失，又要人们使用方便，这就是我们需要炭化的最终目的。

表3 3窑不同时间对炭质量的影响

由表2、3我们可以得出支持燃烧的固定碳净产量分别为：

由结果我们可以看出，4h处理所得炭质量明显高于6、8h的，因此取气时间越短，取气量越小，所得炭的质量越好，固定碳含量越高，品质越好。当然根据不同原材料，不同地区的需要，我们可以自动调节取气量，和炭化取气时间，来实现原材料利用的最大化。

由于客观原因，目前本试验以棉柴为原料，得到炭气联产的最佳取气时间为4h，其他原材料在具体生产中应该取多少气，最佳取气时间是多少，可以达到效益最大化，还有待进一步研究。

4 讨论

炭气联产，变废为宝，从根本上改变了传统意义上人们对秸秆的利用方式，既给农民增加了收入，也改变了农村的生态环境，提高了农民的生活水平，起到了一定的社会经济效益。

通过对炭气联产技术的推广可带动全国秸秆、枝丫材等生物质的资源化、工业化利用，带动农业增收，促进秸秆的再利用、为社会提供碳原料及燃料资源，减少环境污染，整个过程形成炭循环，对大气减少排放温室气体，对社会的可持续发展也具有良好的生态效益[6]。

秸秆等生物质能源属于清洁能源，是可再生的，在全球能源构成中占有重要的地位。我国是农业大国，开发与利用生物质转型优化能源技术的市场潜力很大，在现有的技术条件下，生物质气化、液化、固化技术，将会随着能源的日趋紧张而加大开发及应用的进程[7]。在世界能源的结构中，生物质能源将成为继煤、石油、天燃气之后的第四大能源。

［1］戴林，李景明.中国生物质能转换技术发展与评价［M］.北京：中国环境科学出版社，1998.

［2］张文标，王伟龙，赵丽华，等.机制炭理化性能的研究［J］.浙江林学院学报，2003，20（2）：215-218.

［3］谭天伟，王芳，邓利.生物能源的研究现状及展望「J」.现代化工，2003，23（9）：8-12.

［4］刘石彩，蒋剑春，陶渊博，等.生物质固化制造成型炭技术研究［J］.林产化工通讯，2002，36（2）：3-5.

［5］董良杰.生物质热裂解技术及其反应动力学研究［D］沈阳：沈阳农业大学，1997.

［6］高尚武，马文元.森林能源研究［M］.北京：中国科学技术出版社，1991.

［7］韩宝瑞，沈宗麟，秦万丰.生物质炭的开发与应用［J］.吉林林学院学报，1998，14（4）：236-237.

S216.2

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1002-3356（2012）05-0005-03

2012-06-28