连续型自循环碳化工艺及设备的研究

罗刚银 刘占军

摘 要：對生物质燃料的碳化工艺进行研究，以实现颗粒状生物质燃料碳化过程的自循环和连续性，达到高效率、易操控、绿色碳化的目的。

关键词：生物质颗粒；自循环；连续性；滚筒碳化炉

中图分类号：TQ352.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）24-0062-02

1 引言

环保木炭作为一种废物再生能源燃料，发热量比煤炭热值高，无烟，无味，无毒，清洁卫生，用途广泛。目前大部分厂家使用的是传统的木材碳化设备，炉体由钢材骨架和耐火材料浇筑而成，其优势在于可以碳化块状的各种木材，并能回收碳化过程产生的焦油等液态物质，其碳化所需的热量也可以由碳化所产生的可燃气体燃烧提供；但是这种碳化设备也存在明显的缺点，生产过程不能连续进行，每次生产完成后，都必须将木材料笼取出冷却、卸料后再重新装料碳化；燃烧不完的气体简单洗涤净化后会排到大气中，对环境有一定的污染。因此，市场急需一种可连续生产的绿色环保的碳化设备。

2 碳化设备的工作原理

生物质固体在无氧或缺氧状态下加热到一定温度，可分解为可燃气体、焦油、焦炭等物质，焦油蒸汽随可燃气体逸出，相应炭材则是所需产品，该过程就是生物质的碳化过程。碳化作用还可以解释为将煤、木材、油页岩等在隔绝空气下加热分解为气体（煤气）、液体（焦油）和固体（焦炭）产物，焦油蒸气随煤气从焦炉逸出的过程。焦油蒸汽可以回收利用，焦炭则由焦炉内推出。不同物质的碳化所需的温度差别很大，一般分为低温碳化（500～580℃）、中温碳化（660～750℃）和高温碳化（900～1100℃），还有成堆碳化或煤堆碳化等。碳化所得气、液、固产物的相对数量随加热温度、时间和压力变化而变化。因此，变换和调节碳化过程的条件即可达到不同的生产目的。

3 连续型自循环碳化设备工艺流程

连续式自循环碳化设备主要由气化炉、碳化滚筒、净化冷却设备等部分组成。碳化炉为碳化设备启动初期的工作过程提供热量；碳化滚筒是物料碳化过程发生的主要装置，碳化滚筒需要严格的密封，工作时，根据不同生物质颗粒的特性，碳化温度范围在500-700摄氏度中间进行调节，碳化时间也由30-60分钟不等；净化冷却设备主要处理在碳化过程中产生的可燃烟气及焦油蒸汽等，首先对混合气体洗涤，除去焦油和可溶于水的气体，然后再进行冷却，处理后的气体为之后的碳化过程提供能量。为了保证设备的密封性，整条生产线的进料和出料全部由绞龙完成，并且利用物料对绞龙的填充来保证进一步的密封。只有整个生产过程做到严格的密封，才可能成功的进行自循环、连续性的碳化生产。

4 设备主要部分介绍

4.1 气化炉的结构及作用

气化炉在整个生产过程中主要为碳化过程的启动阶段提供可燃气体，当碳化设备所产生的可燃气体足够为碳化过程提供热量时，就可以关闭气化炉，使其停止工作。

气化炉部分主要由进料机、气化炉炉体、搅拌器、观察口、进料绞龙、出料冷却绞龙组成。气化炉的工作原理与碳化设备一样，物料由上料绞龙和进料机进入到气化炉内后，在缺氧状态下点燃，使物料进行不完全的燃烧，搅拌器的作用是让物料的这种半燃烧状态均匀、彻底的进行。在这种高温、不完全燃烧的过程中，产生大量的可燃烟气，烟气经由洗涤、冷却设备处理后，由风机通过管道输送到碳化滚筒保温段底部进行燃烧，为整个设备的碳化过程提供能量。气化炉内半燃烧后的物料称为灰烬，通过燃烧网板进入到气化炉的锥体部分，再经冷却绞龙排到外部。每次生产启动时，气化炉的工作时间大约30-40分钟即可满足需求。

4.2 压兰密封装置

在整个设备的工作过程中由于需要在氧气隔绝或者严重缺氧的情况下进行，那就需要对整个设备进行密封。相对静止的部件，密封比较容易实现，而密封不易实现的主要是相对运动部件，主要有两处，一是进料机和碳化滚筒的密封，另一处是碳化滚筒与前后端头的密封。经过分析与验证，采用石墨压兰的密封结构，基本可以解决这类问题。

进料机的压兰密封装置主要由压兰、石墨盘根、外法兰管内法兰组成。外法兰管与碳化滚筒端面开孔焊接，石墨盘根安装在内法兰和压兰中间，进料机位置在内法兰孔内。当拧紧螺栓后，压兰挤压石墨盘根，使石墨盘根向内法兰中心处膨胀，这样就可以挤满石墨盘根与进料机外壁的间隙，由于石墨盘根的耐磨特性和耐热特性，该密封装置可以达到长期有效的效果。前后端头的密封和进料机的密封原理、结构相同。

4.3 双层碳化滚筒结构

碳化设计成滚筒结构是为了能够连续的进行生产，而双层的滚筒结构相对于单层滚筒结构也存在明显的优势。

如图1所示双层碳化滚筒结构，物料由进料口进入，在内层滚筒内向后端头方向行进，内层滚筒相较外层滚筒而言温度较低，对进入的生物质物料主要起烘干作用，物料在后端头处进入到外层滚筒中，外层滚筒温度较高，一般温度在500-700摄氏度（可根据物料不同进行调整），物料进过外层滚筒的高温碳化后，从前端头底部的出料口排出，完成一次碳化过程时间一般在30-60分钟不等。由于双层滚筒加大了物料在滚筒内的行程，加内外滚筒的温差，对物料含水量的要求放宽，碳化效率更高、效果更好。

4.4 烟气冷却净化设备

在气化炉和碳化滚筒中产生的混合烟气，除了有可燃的一氧化碳、甲烷气体外，还有一些焦油蒸汽、粉尘碳粒等。这些混合气体需要进一步的处理后才能进行燃烧，这样可以减小对空气的污染，也提高了燃烧的效率。

烟气的净化冷却设备，烟气经过双联洗涤塔除去可溶于水的物质，冷凝焦油蒸汽，也能除去气体中的碳粒。经过双联洗涤塔的烟气再由烟气冷却器进行风冷，烟气冷却器是由上下箱体和中间的螺旋翅片管组成，双行程的回路可以对气体进行充分的冷却。经过净化冷却后的烟气就是相对纯净的低温可燃气体，在引风机的作用下从出风口排出。

4.5 水冷出料絞龙

气化炉和碳化滚筒在出灰或者出料时，碳灰或者碳化后的物料都含有很高的余热，这样对出料绞龙的损害是非常大的，为了保证生产的正常进行，就必须采用水冷绞龙进行出料。水冷出料绞龙就是含有“隔套”结构的绞龙，冷却介质在绞龙内外壳体中间。冷却介质水在绞龙里低进高出，这样绞龙的隔套内就时刻充满冷却水，比热容较大的水，加上不断的循环流动，可以对绞龙内的高温物料进行充分冷却。为提高冷却效率，也可以做成三联的水冷绞龙，用增加物料在蛟龙内的流动行程来提高冷却效率。

5 生产步骤及调节方法

生产时，首先启动气化炉和烟气净化冷却设备，利用气化炉产生的可燃气体加热碳化滚筒，启动碳化滚筒部分，当碳化滚筒产生的烟气足够碳化加热使用时，关闭气化炉部分的设备，碳化滚筒部分实现自循环的连续生产。在此过程中，可根据碳化滚筒内的温度和实际的出碳质量对生产过程进行调节。当滚筒温度过高，碳化产物出料有烧焦现象时，可调整滚筒转速，使滚筒转速加快，同时通过截止阀来减少可燃气体的供给量；当滚筒内温度过低，碳化产物出现不完全碳化现象时，可降低滚筒的转速，同时增加可燃气体的供给量。生物质碳化过程中，滚筒内部的温度大概控制在500-700摄氏度不等，碳化时间40-60分钟不等（可根据实际物料及出料质量进行调整）。

6 连续型自循环滚筒式碳化设备优势

连续型自循环滚筒式碳化设备基本上具备了所有碳化设备的优点：首先环境污染小， 传统炭化方式在废弃资源转化为经济产品的同时，出现了污染环境的严重问题，据专家考证，老式炭窑、传统机制炭化炉炭化方式成为环境污染的新源头，众多制炭厂家炭化时产生了大量浓重的烟雾，不仅成为环境保护的瓶颈问题，甚至成为殃及城市阴霾天气的罪魁祸首。连续型自循环滚筒式碳化设备利用自身炭化时产生的烟气变为可燃气燃烧自身，零污染、零烟气排放。其次生产效率高，设备不仅可以进行一天24小时的不间断生产，并且每条生产线只需要2-3人即可正常操作。最后，设备节能效果好，由于碳化所需的能量基本上全部由自身碳化产生的可燃气体提供，大大减少了能源的投入，真正做到了绿色节能的生产模式。

7 结语

随着全球经济的发展，环境保护越来越受到各国的重视，我国在发展经济的同时，也将环境保护列为一项基本国策，严格限制使用土窑烧炭污染环境。连续型自循环滚筒式碳化设备的开发应用有效的顺应了国家政策，环保炭化设备日益得到关注。采用连续型自循环滚筒式碳化设备生产环保木炭，是势在必行，且利国利民的措施，定会在国家的支持下得到大力发展。

参考文献

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