生物质连续热解装置改进试验研究*

2021-10-29邵东伟栾积毅秦书松冯海城

新技术新工艺 2021年9期

韩平，罗瑶，邵东伟，栾积毅，秦书松，冯海城

(佳木斯大学，黑龙江佳木斯 154000)

我国现有的生物质资源充裕，储量约50亿吨，通过生物质能源转化技术可以高效合理地利用这部分资源[1]，这有利于缓解国家经济及能源安全问题，还可以明显改善气候变暖等全球性的环境问题[2]。

现阶段应用最为广泛的生物质利用方式之一就是热解，通过热解技术可以将农林生物质原料转化为气、液、固三态产物[3-5]。其中，固态的生物质炭具有稳定的碳结构和理化性质[6]，在能源、农业生产及生态环境等方面具有突出的应用价值而得到广泛的关注。生物质原料和热解过程中的热解温度、热解升温速率、保温时间等多个因素都会影响生物质炭的得率和品质，而其中热解反应温度对生物原料炭化程度的影响最为明显[7-13]。因此，准确地控制热解过程中热解反应器的温度就显得尤为重要。

为了准确控制热解反应温度，本文以生物质连续热解装置为研究对象，在原有基础上进行改进设计，得到一种能够准确监测和控制反应温度的生物质连续热解炭化装置。并以松子壳为原料，通过比较装置改进前后在不同热解温度下所得生物质炭的品质，对所设计的装置进行验证评价。

1 连续热解装置的改进设计

连续热解炭化的工艺过程是把管式电阻炉中的反应管加热至设定的热解反应温度，然后通过螺旋给料的方式把生物质原料输送到反应管内进行热解反应，反应过程中产生的挥发物通过出气口排出，同时进入下一阶段的冷凝系统进行冷凝[14]，以获取液体生物油产物，剩余产物为不可凝气体产物。

以往的试验设备都是通过测定反应管外壁温度作为加热控制器的控制温度[15]，并以此作为热解反应的温度，但是此温度不能正确反映生物质原料的热解温度，也容易产生对热解规律的误解。为了克服上述缺点，本文设计了一种能够准确监测并控制热解温度的连续热解装置。

该连续热解反应装置由给料系统、热解反应系统和温度监控系统组成，包括驱动电动机、连接轴、给料箱、无轴给料螺旋、反应管、电阻炉、出气口、炭箱、温度传感器和加热控制器等主要部件。反应装置示意图如图1所示。

图1 连续热解反应装置图

该反应装置采用无轴螺旋进行给料，通过连接轴与驱动电动机相连接，获得动力；驱动电动机配有变频调速装置，可以调整物料的输送速度，从而控制热解的时间。采用无轴螺旋既减轻了送料部件的质量，又方便于生物质物料在反应管内的运送，可以大大提高物料的输送效率，而且有利于热解产生的挥发物迅速通过出气口排出反应器，进入冷凝系统。

因为管内的温度才是物料实际的热解温度，所以在反应管末端插入温度传感器直通到给料螺旋内部，用以监测并控制热解温度，可以根据实际条件对传感器的插入深度进行调节。由于给料螺旋无中心轴，且传感器探针直径远小于给料螺旋的内径，所以传感器不会与给料螺旋发生干涉。

该热解反应装置的温度控制逻辑如图2所示：预先设定热解反应温度，由加热控制系统对电阻炉进行加热，并以温度传感器所采集的温度信息作为热解反应器的实时温度，反馈到加热控制器进行判断，当实际反应温度小于预设的反应温度时，继续加热；反之，断电保温。装置改进之后，以温度传感器反馈反应管内部的温度作为热解反应温度，并通过控制器进行实时修正，使其能够准确监测和控制连续热解炭化的反应温度，使反应在最佳的状态下进行。该装置可以准确监测并控制热解反应温度，更有利于探索生物质的热解规律。

图2 热解反应温度控制逻辑

2 装置试验

2.1 试验原料

连续热解试验选用东北红松果实壳作为原料，简称松子壳，物料颗粒粒径≥10 mm，在60 ℃烘干箱里干燥24 h以上，降低原料中水分。采用YX-GYFX7701全自动工业分析仪和YX-ZR9301自动量热仪对试验原料进行工业分析和热值测试，测试结果见表1。

表1 松子壳的工业分析

2.2 试验方法

在改进的连续热解装置上对松子壳进行热解试验，选定热解温度分别为500、550、600和700 ℃进行连续热解试验。电动机转速设置为2 r/min，热解时间约为11 min。

3 结果与讨论

3.1 热解温度对比

图3所示显示了在热解温度为550 ℃时，试验装置改进前后热解温度的变化情况。

图3 改进前后热解温度变化情况

从图3可以看出，当温控装置设定为550 ℃时，加入原料后，改进前后的温度存在极大的差异，改进前的温度变化波动大，出现明显波峰；改进后的温度变化平缓。温度的波动是由于热解反应过程中物料存在放热反应，导致反应器内的温度升高，而由于热解反应是以传感器采集到的反应器外壁温度作为控制温度，所以物料在反应器内的实际反应温度无法被及时反馈并被有效控制，导致实际热解反应温度高于设定的热解反应温度。而通过改进后内部控温可以发现，物料的整个热解过程均处在设定温度范围之内，因此热解结果能够更真实地反应热解状况。

3.2 生物质炭化产率对比

分别在改进前后设备上进行不同温度下热解试验，并对所获生物质炭的产率进行分析，结果如图4所示。

图4 不同热解温度下三态产物产率

从图4可以发现，热解的基本规律保持一致，即随着热解温度的升高，生物质炭产率呈现下降的趋势[16-17]，并且改进前的整体变化趋势相较于改进后提前。改进后在700 ℃时，生物质炭产率下降至25%；而在改进前，当热解温度为550 ℃时，生物质炭产率下降到25%。可以发现，虽然在装置改进前后，生物质炭产率随热解温度整体变化的趋势，仍旧能够符合正常的热解规律[18]，但炭产率受热解温度的影响程度却出现明显的区别，原因在于热解温度的控制方法不同，导致热解反应温度与实际情况存在偏差，对于后续进一步研究难免造成一定影响，这与热解温度对比的试验结果一致。

3.3 生物质炭质量对比

考虑到更改前设备内部温度存在一定程度波动，因此对设备改进前后所获生物质炭产物的相关参数进行测定，其中灰分和挥发分的对比结果如图5所示。从图5可以看出，随着热解温度的升高，挥发分逐渐下降。通过挥发分的变化趋势来看，改进前在控制温度为600 ℃时，炭产物挥发分降到10.5%，而改进后则在控制温度为700 ℃时，挥发分含量才降为11.3%。而根据灰分含量的变化则呈现不同的趋势，在改进前控制温度由500 ℃升至600 ℃时，灰分含量增加，随着控制温度继续增加，灰分含量开始下降，这可能是由于反应器内部温度远高于控制温度，灰分出现部分融化，容易出现积灰、结渣等问题，从而增加了设备的磨损，不利于设备的养护[19]。而改进后整体的设备能准确测量反应器内部温度，提升了试验的稳定性，同时减少了对设备的损耗。

图5 灰分和挥发分

同时分析了各热解温度下所得热解炭的热值，分析结果如图6所示。从图6可以看到，生物质炭的热值远高于生物质原料的热值，但随温度升高，炭热值逐渐下降，而改进前后呈现的规律基本一致，均为实际温度和控制温度的温度差导致。因此，温度变化对化学组分和热值的变化规律影响较小。

图6 热值

考虑生物质炭的品质容易受到温度的影响，为更直观比较改进前后在不同温度下所得热解炭的品质，通过扫描电镜分析(SEM)，得到结果如图7所示。

从图7SEM图中可以看出，在不同的热解温度下，生物质炭均存在一定的孔隙结构，但在不同的热解温度下，比较各控制温度下的改进前后热解炭可以发现，改进前装置热解所得炭的孔隙率相对较低，且孔隙结构无明显规律，表明在热解过程中温度波动对孔隙的形成造成较大影响[20]，而改进后装置所得热解炭则呈现孔隙随温度增加而减少的现象，与之前的研究结果保持一致[21]。因此，稳定的温度能够更好地为原料提供热解环境，并得到品质相对较好的热解产物。