烟梗热解气化制取生物炭方法探索

付兵，杨兵，朱鹏飞，毕妍燕，崔云翔

（1.云南省烟草烟叶公司，云南昆明650217；2.苏州格瑞展泰再生能源有限公司，江苏苏州215024）

烟梗热解气化制取生物炭方法探索

付兵1，杨兵1，朱鹏飞2，毕妍燕1，崔云翔2

（1.云南省烟草烟叶公司，云南昆明650217；2.苏州格瑞展泰再生能源有限公司，江苏苏州215024）

面对越来越严峻的能源形势以及不断恶化的生态环境，加快对清洁的可再生能源的开发与利用已经迫在眉睫。以烟梗为研究对象，对其气化技术展开了系统的研究，对于研究烟梗的无害化处置和资源化利用具有重要的意义。

烟梗；气化热解；固废处置；生物质炭；热解反应器

从全球的经济发展来看，经济的发展与化石能源的使用密切相关，而化石能源作为不可再生能源，现在越来越少，形势相当严峻。同时，当前的生态环境现状也不容乐观。这些都要求对清洁的可再生能源的开发与利用能够得到加速。以烟梗为研究对象，对其热解气化技术展开了系统的研究，对于研究烟梗的无害化处置和资源化利用具有重要的意义。

1　实验中所采用物料以及特性分析

1.1实验所采用物料来源介绍

本实验中选用的生物质物料为烟梗，此原料是由在云南省烟草烟叶公司提供。此原料在实验之前还需要进行分类、筛选和干燥等预先的处理。实验之前将不同原料分类，选择颗粒度、干燥程度等接近的作为同一批次的实验原料。烟草废弃物原料在实验之前需经过干燥处理。烟梗在100℃预热时会剧烈膨胀，膨胀体积能达到原体积的3～5倍，因此如实验的原料颗粒度较大，就需要对原料进行破碎。

1.2实验原料的理化特性分析

本实验开始前对烟梗的的水分、灰分、挥发分和固定碳、元素组成以及各种热值等几个方面进行检测，结果如下。

1.2.1实验原料特性工业分析与元素分析

实验所用物料样品的工业分析与元素分析结果，详见表1。从表1的数据分析可以得出，在烟草废弃物之中，挥发分的含量已经达到并且超过了60%，然而固定碳的含量却低于20%，因此与煤相比固定碳含量是较低的。

表1　对烟梗样品的工业分析和元素分析

1.2.2热值分析

通过热值分析仪检测，云南烟草烟叶公司的烟梗热值为15.506 MJ/Nm3。从相关的文献报道可知，和其他的纤维素类生物质所具备的热值相比仍然偏高，但是低于木本植物的热值。

2　烟梗热解实验

从上述的分析可知，烟梗是一种相当好的、具有较大潜力的生物质资源，同时热解是当前最为有发展前景的一种生物质热化学转化技术。本实验采用由苏州格瑞展泰再生能源有限公司研发的新型卧式精确控制热解反应器，来进行烟梗的热解实验。

2.1实验设备与实验方法

因烟梗的特殊理化特性，其热解反应过程中会产生剧烈膨胀，且热解气中焦油成分较多，采用卧式反应器，可以增加物料的停留时间，减少焦油的产生。

进料系统，生物质经过预处理后由料仓经螺旋进料机送入热解反应器。螺旋进料机便于连续均匀进料，并能有效地保证热解反应器的气密性。

每次实验开始前，都需要对装置进行气密性检验。具体步骤如下：先用烟梗原料将进料口填满形成密封，同时关闭装置所有进出口，再通入高压空气对装置进行气密性检验，保持这种状态15 min，仔细检查是否有漏点。如果装置气密性达到实验要求，再结束气密性实验。然后对装置进行吹扫，打开出气口放掉装置内空气，从水蒸气入口处通入氮气，将反应装置中剩余的空气吹扫干净。准备工作结束开启电加热器对热解反应器加热，同时开启温控柜对电加热器进行温度调节，用温控柜将电加热器的升温速率设置为20℃/min。

本实验主要考查200℃，250℃，300℃和350℃4个工况下烟梗热解的情况。待反应器内温度达到某一工况并保持稳定后，用阀门送风机的空气流速，开始鼓入空气参与反应。与此同时，开启螺旋给料器，其中进料蛟龙的转速用于调节进料量大小（3.0～6.0 kg/h），热解反应器的主推螺旋用于调节物料在炉膛中的停留时间。整个反应过程保持热解反应器微负压状态。

2.2烟梗热解气化实验控制参数

热解反应器主推频率根据反应器中中端温度变化调节，热解反应器温度小于200℃时，主推转动频率设定3 Hz端温度达到200℃以上时，热解反应器主推设定频率控制在3～6 Hz。根据调节主推的转动频率，可以保证热解反应器中反应区温度在300℃左右，保证热解气化反应的连续稳定进行。

2.2.1热解反应器主推转动频率对应的进料量关系

控制反应器温度在200～400℃，热解反应器主推转动频率对应的进料量关系如表2。

表2　热解反应器不同温度对应的反应器主推频率和进料量关系

2.2.2烟梗热解气的组分分析

烟梗的热解反应，需要通入适量空气作为气化剂，来进行热解气化反应。本实验中烟梗在热解反应器中，经干燥、热解、炭化等过程，由烟梗转化为生物质热解气和生物质炭。本实验中测得的炭转化率约为5∶1，即1 kg的烟梗经热解反应后，可以得到0.2 kg的烟梗炭，生物炭的转化率为20%。

实验过程中，由深圳高迪科技有限公司对烟梗热解气的组分进行了检测，结果如表3。

从表3可以看出，用空气作气化剂，产生的各气体组分含量，根据公式（1），可以计算出烟梗热解气的高位热值和低位热值。

由公式（1）计算得烟梗热解气的高位热值为4.824 MJ/Nm3，低位热值为：4.568 MJ/Nm3。

表3　烟梗热解气的组分分析表

3　烟梗相关数据分析

3.1反应温度和反应时间对热解产物分布的影响

（1）实验实例一。伴随着热解温度的逐步升高，热解气体的的产量迅速增加，焦油和炭的产量下降，如图1所示。

（2）实验实例二，如图2所示。

3.2反应温度和停留时间对热解产物体积的影响

随着热解温度的升高，热解气体的产量迅速增加，焦油和烟梗炭的产量下降。同时，在热解气之中，CO，CH4和O2这几者的含量却始终基本保持不变，但是CO2的含量却会出现明显减少，并且H2的含量则会快速增加，如图3所示。

图1　烟梗的热解温度、时间以及产物分布关系

图2　烟梗气化过程中反应时间与炭转化率的关系曲线

图3　烟梗热解温度、停留时间和产物关系

3.3空气当量比对烟梗热解气体热值的影响

卧式精确控制热解反应器：空气当量比（ER）指的是在自供热气化系统之中，在单位质量生物质热解气化的过程之中所需要消耗的空气（氧气）的量和进行完全燃烧时所需要的理论空气（氧气）的量之间的比值。如果是空气量较多，那么烟梗燃烧成分会占优势，最后的产物也以二氧化碳为主；如果空气含量较少，那么就会导致燃烧释放热量不够，导致反应区的温度偏低，难以完成气化反应，最后的产物也以热解气、焦油为主。从图4中可以看出，烟梗热解气化的最佳空气当量比为0.28。

图4　空气当量对热解气体热值的影响

4　烟梗炭的性质及利用

4.1烟梗炭的性质

炭化温度与时间：炭化温度控制在300～500℃，炭化时间控制在40 min内。温度达到设定温度时从进料斗加入烟梗，烟梗在螺旋推进器作用下被推入反应器内形成料层和不同的反应区域，烟梗转化率为80%。

4.2反应温度对炭的影响

烟梗的炭化在卧式精确控制热解反应器中进行，其炭化温度、炭化量等连续可调。当热解温度超过400℃时，挥发分和固定炭含量变化趋于平衡，挥发分已基本除尽。烟梗炭化的最佳温度为300～450℃。温度过低，挥发分去除不净。本实验第二阶段提高温度之后，烟梗炭的挥发分明显下降，说明提高热解反应温度可以使烟梗热解得更充分。

4.3烟梗炭的利用

本试验通过热解反应，将烟梗转化为生物质燃气和烟梗炭，经发热量测定，烟梗炭的热值为24.14 MJ/kg，具有很高的热值。烟梗炭具有较高的经济价值，将烟梗通过热解气化反应转变为烟梗，可以减少农业废弃物对环境的污染，还可以以可再生能源替代不可再生能源。

5　结论

用苏州格瑞展泰再生能源公司研发的卧式精确控制热解反应器，通过热重分析、工业分析、发热量测定、气体成分分析等方法，对烟梗的热解气化过程进行了分析，研究了烟梗的热解和气化反应以及影响烟梗热解气化反应的各种因素。对烟草废弃物资源化利用做出了有意义的探索。

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[4]贾春霞.生物质热解气化特性的研究[D].吉林：东北电力大学，2007.

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Study on the preparing method of biological carbon by pyrolysis and gasification of tobacco stems

FU Bing1,YANG Bing1,ZHU Pengfei2,BI Yanyan1,CUI Yunxiang2（1.Yunnan Tobacco Company,Kunming 650217,China;
2.Suzhou Grenada Zhantai Renewable Energy Co.Ltd.,Suzhou 215024,China）

Along with increasingly severe energy situation and the deteriorating ecological environment,it is imminent to speed up the development and utilization of clean renewable energy.In this paper,taking tobacco stem as the research object,the gasification technology of the system was studied,which is of great significance to the research of the harmless disposal and resource utilization of tobacco stem.

tobacco stalk;gasification;pyrolysis;waste disposal;biomass carbon;pyrolysis reactor

X38；S572

A

1674－0912（2016）10－0041－04

付兵（1974－），男，云南昭通人，大专学历，助理工程师，专业方向：工业电气自动化控制。

（2016－09－12）