一种用于替代煤的生物质热解炭化技术

王坤，杨玖林，仇学伟，纪贤瑞

（中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

根据国家部署，“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，实施可再生能源替代行动，要实施重点行业领域减污降碳行动，加快推广应用减污降碳技术，完善能源“双控”制度。

煤炭在我国能源消耗中占据着主导地位，也是碳排放的主要来源，寻找一种性能类似的清洁能源，作为煤炭代替品，对实现碳达峰具有重要意义。生物质资源是自然界中唯一的一种可再生碳资源，采用生物质热解炭化技术将生物质转化为生物炭（一种品质非常接近原煤的清洁燃料），可用于替代化石能源使用在各大行业中，本文将对该种技术进行探究。

2 热解炭化过程

生物质热解炭化过程是生物质在缺氧状态下，发生热化转化形成可燃气体、液态生物油以及固体炭3 类产物的反应。

生物质在热解炭化前需要先经过破碎，形成粒径1~3 cm的颗粒状，通过进料装置连续送入炭化炉内，生物质在炭化炉内吸收热量，水分首先蒸发逸出，生物质内部结构几乎没变。然后是挥发分炭化阶段，生物质继续吸收热量到200 ℃左右，有机质挥发分逐渐挥发，材料内部炭化反应开始，挥发分炭化产物气态可燃物在缺氧条件下，有少量发生燃烧，且这种燃烧为静态渗透式扩散燃烧，可逐层为物料提供热量持续炭化。最后是全面炭化阶段，这个阶段温度在300～550 ℃，物料在急剧热分解的同时产生木焦油、木醋液等液体产物和甲烷、乙烯等可燃气体，随着大部分挥发分的分离析出，最终剩下的固体产物就是由碳和灰分所组成的焦炭[1]。

3 生物质热解炭化反应特点

由于生物质的炭化程度决定了生物炭的产量和热值，而温度与时间又是决定生物质炭化程度的主要因素，所以想要得到尽可能多的高热值生物炭，则对于温度和炭化时间的控制要求很高。同时，为了降低能耗，整个炭化过程要求不依靠外部热源就能够持续进行，这就要求对生物质的产炭比控制在一个准确的范围。

实践证明，生物质热解的速度越快，产生炭的比例越低。因为要追求最大产炭量，所以炭化过程一般选用慢速热解，故热解炭化工艺特点可概括为以下3 点：（1）较慢的升温速度，一般在30 ℃/min 以内。实验研究表明，相对于快速加热方式，慢速加热方式可使炭的产率提高5.6%左右。（2）较低的热解终温，500 ℃以内的热解终温有利于生物炭的产生和保证良好的品质。（3）较长的气体滞留时间[1]。

4 热解炭化系统组成

热解生产线主要由上料系统、原料预热系统、进料系统、供热系统、连续热解系统、出料系统等组成。

4.1 上料系统

为了实现生物质炭化系统的连续生产，一般系统内设置一套连续上料系统，上料系统一般采用皮带输送。原材料在原料车间内通过破碎机破碎，破碎后的原料通过皮带输送至接料仓内，接料仓具有满足生产线一定时间内对原材料的储存的作用。接料仓内的原材料通过输送设备连续输送至原材料预加热装置内进行预热。

对进入热解生产线的原材料一般要求尺寸≤30 mm，不含金属、石块等硬质杂质。

4.2 原料预热系统

生物质原料由于具有较高的水分，会影响热解炭化效果，所以在进入炭化炉前，要先对其进行烘干，这样也能增加余热的利用。

原材料的烘干通过热烟气进行烘干，烘干热源包括两部分，一部分为连续热解器壳侧外排的烟气，烟气温度为400 ℃，另一部分为热解炉反应生成的可燃气通过热风炉燃烧后产生的热烟气，该部分热烟气温度为850 ℃。这两部分烟气再通过一个混风装置，与冷风混合后，混合成250 ℃中低温烟气后，进入烘干机进行烘干，烘干采用直接接触换热，烟气将热量传导给低温介质，将原材料中的水分蒸出。降低水分后的原材料输送至进料系统。

4.3 进料系统

经预热脱水后的原材料，经进料系统“热气密工艺”连续且稳定地进入连续热解器内。

进料系统采用热气密技术，动态密封是实现工业连续化裂解的关键技术之一，即保证物料连续进入热解器及固体产物连续导出热解器的同时，防止空气进入热解器及热解器内的油气泄露，以实现物料在无氧或贫氧条件下，安全、稳定、连续裂解。进料设备设计采用“工艺+结构+物料”相结合的专有密封技术，控制工作压力始终稳定在设定值范围内，实现了生产线连续进出料下的稳定动态密封[2]。

4.4 供热系统

供热系统由混风装置和烟气循环利用的热循环系统组成。热解器产生的可燃气，在通过热风炉的燃烧后，产生850℃的高温烟气，烟气通过混风装置，和400 ℃的循环烟气混合，形成600 ℃的高温烟气，该烟气进入连续热解器进行供热，维持热解反应继续进行，通过热解器换热后，烟气温度被降为400 ℃后排出热解器，该部分烟气分两个去向，一部分供到上述所说的再循环系统，与850 ℃烟气混合形成600 ℃高温烟气继续供热，另一部分去到烘干机给原料烘干。

热解生产线正常运行使用的燃料为热解产生的可燃气。热解生产线启动时或可燃气供应不足时使用辅助燃料，辅助燃料使用柴油。

4.5 连续热解系统

连续热解系统由连续热解器、清灰机构等设备组成。原材料在常压、无氧（或贫氧）条件下在热解器内进行热解反应，得到热解气态产物与固体产物生物炭。

专有的“工艺+结构+物料”相结合的热气密技术，确保物料连续进入裂解器，固体产物连续输出裂解器过程中，杜绝空气进入连续裂解器，同时避免连续裂解器内的气体泄漏到大气中，实现裂解器在无氧/贫氧状态下连续工作。

分段控温技术、热均布技术等专有技术，实现烟气按需要为裂解反应提供稳定的供热条件，实现了物料均匀受热。

4.6 出料系统

从连续热解器导出的高温固体产物生物炭经过冷却降至安全温度后通过刮板机和斗提输送至成品库。

生物炭冷却利用滚筒冷渣机，采用双冷却系统，保证生物炭在与空气接触前冷却到低于40 ℃。

滚筒式冷渣机由进料装置、筒体组件、转动系统、驱动系统、出料系统、冷却系统、防护系统等组成，其中主要系统的构成情况如下。

1）进料装置：由进料口、进料管、进料箱体、封料装置等组成，热解系统高温生物质炭物料通过进料口进入滚筒内部，进料箱体设有负压风口，封料装置通过反螺旋密封防止物料漏出。

2）筒体组件：由内筒、外简套装一起构成，并与热膨胀节、旋转接头、回水管形成封闭水腔。内筒内壁焊有呈螺旋状分布的螺旋导流叶片及纵向叶片，能将生物炭的热量通过传导传递到循环冷却水中[3]。

3）所述的出料装置由出口密封罩、出料口等组成。

4）冷却系统：由旋转接头、筒口进出水管、筒体冷却水腔等组成，作用是将生物质炭的热量吸走，快速降低生物质炭温度。冷却部分分为冷却水和冷却液两部分，冷却水通过管道输送至冷却塔降温，冷却液采用冷水机制冷，温度约10~15 ℃，通过冷水机自循环。配置冷却系统温度和压力检测装置，实时监控，并在物料出口设备上配置在线红外测温装置，实时检测物料温度。为防止冷却系统故障灯原因造成冷却不彻底，位于下级刮板式输送机上设备配置冷却水套和应急喷水装置，确保安全。

5）防护系统：主要由防护网、警示标示、急停装置等组成，作用是保护现场作业人员安全，防止安全事故的发生。

冷却机的工作原理是将热解系统高温生物质炭物料通过进料口进入滚筒内部，内筒内壁螺旋分布的螺旋叶片和纵向叶片，将生物质炭热量通过传导、对流、辐射等方式传递到循环冷却水中[4]，通过循环的冷却水和冷却液将生物质炭温度降至设计温度后，通过出料装置进入下一道工序。

连续热解工艺流程图见图1。

图1 连续热解工艺流程图

5 存在的问题

1）生物质热解炭化技术，目前主要应用于生产活性炭、高端烧烤炭等高附加值产品方向，而用于煤炭替代方向，国内尚无先例。存在的问题主要是生产成本过高，对于用户来说，成本高于煤炭市场价格过多，这无疑是难以接受的，所以如何降低成本，成了该行业能否发展起来的重中之重。

2）目前生物质热解炭化技术，还主要应用于小规模生产中，单条线生物质处理量很难突破5 t/h，如果想要大规模实现煤炭替代，尤其是要在重点领域普及，需要将单线规模做进一步提升。

6 结论

1）利用生物质热解炭化技术生产煤炭替代品，目前已完成了试验阶段，获得的生物炭各项指标接近原煤，证明该技术是可行的。

2）想要普及生物炭作为煤炭替代品，目前主要难题在于如何降低生产成本和扩大单线规模，而生产成本中，原料成本占据主要成分，所以如何能够让生物炭替代煤炭被广泛运用，就依靠与未来机械化的快速发展，能够使生物质的收储、运输等成本下降。