CN106318418A - 一种玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，属于生物质热解技术领域。该方法包括向炭化炉内通入氮气使炉内为无氧或低氧环境后，将玉米秸秆原料颗粒从炭化炉顶部进料，热气流从炭化炉底部进入，在炉内形成逆流反应区域；控制炭化炉底部的反应温度为200～280℃，炉内压力为1010～1200mbar，反应生成生物质炭燃料从炭化炉底部输出。该玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，热利用效率高，炭化温度低，降低能耗；炭化后所得生物质炭燃料的质量得率70％～85％，能源得率85％～95％，能源得率高；所得生物质炭能量密度高，可作为燃料使用，拓展了产品的用途，为玉米秸秆的回收利用提供了新的途径。

Description

一种玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法

技术领域

本发明属于生物质热解技术领域，具体涉及一种玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法。

背景技术

我国是秸秆产出大国，农作物秸秆的污染问题一直是困扰农业发展的瓶颈。根据生物质转化途径，目前生物质能源化利用技术包括物理转化、生物转化和化学转化。物理转化主要为物理压缩、压块处理，制备生物质固体成型燃料；生物转化主要是厌氧消化制沼气和发酵生产乙醇；化学转化包括液化、气化、炭化等，是目前国内外研究的重点，主要集中在生物质液化和气化方面的研究，对于生物质炭化制备生物质炭燃料的研究较少，且目前的生物质热解炭化技术一般采用间歇工艺在中温(400℃～700℃)或高温(≥700℃)下进行，成本高、大多停留在实验室研究阶段。

生物质热解是指生物质在无氧或低氧的条件下，通过热化学反应将生物质大分子物质(木质素、纤维素和半纤维素)分解成较小分子的燃料物质(固态炭、可燃气、生物油)的热化学转化技术方法。

现有技术中，CN102703099A公开了一种垂直移动床稻壳碳化炉及其碳化稻壳方法，碳化炉包括颗粒系统、燃气系统、操作气系统和控制系统，颗粒系统形成稻壳下落的垂直移动床，操作气系统为产生操作气的工作部，稻壳在垂直移动床内与操作气发生逆流热交换。其碳化稻壳的方法包括：S1.进料至上位料仓满仓；S2.启动燃气风机和循环冷却水泵；S3.燃烧室的点火燃烧器点火，同时开启控制系统；S4.调整：残氧浓度传感器的目标参数不得小于1％，操作气温度传感器的目标参数为675～685℃，炉膛出口温度传感器的目标参数为96～100℃，炉膛出口压力传感器的目标参数为-50～-30Pa，排料温度传感器的目标参数为小于400℃；S5.炉膛出口温度传感器的目标参数达到96～100℃时，逐步投入副燃气风机、送风机，并逐步减少点火燃烧器负荷到零，利用稻壳料位传感器，逐步加大出料量到额定负荷；S6.正常生产；S7.停机：给料停用稻壳改用其它小颗粒惰性物料，下锁气器调节到最大负荷；依次关闭副燃气风机、送风机、停用控制系统；燃气风机降到最低负荷；直至稻壳出净后停炉。

上述碳化稻壳的方法在生产规模上实现了稻壳的控温连续碳化，产品为活性碳化稻壳、轻质木焦油和可燃气体。但是，其碳化温度过高，所得产品为活性碳材料，能量密度低，不能作为燃料使用，能源得率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，所得生物质炭能量密度高，可作为燃料使用，能源得率高。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，包括向炭化炉内通入氮气使炉内为无氧或低氧环境后，将玉米秸秆原料颗粒从炭化炉顶部进料，热气流从炭化炉底部进入，在炉内形成逆流反应区域；控制炭化炉底部的反应温度为200～280℃，炉内压力为1010～1200mbar，反应生成生物质炭燃料从炭化炉底部输出。

所述低氧环境是指氧气体积百分含量低于10％。

炉内产生的可燃气体从炭化炉上部排出。所述可燃气体经冷凝处理后，燃烧产生热气流作为炭化炉的热源。

所述可燃气体依次经除尘、冷凝、净化处理后，燃烧产生热气流作为炭化炉的热源，实现了能量的循环利用。此处所述除尘是采用旋风除尘器进行除尘，去除可燃气体携带的碳颗粒及粉尘等固体杂质，减少进入冷凝器的气体中固体杂质的含量，不仅避免了冷凝器内部结垢的现象，减少了冷凝液体中固体杂质的含量，提高了冷凝产品的品质；同时，经过除尘的可燃气体燃烧时，避免了气体燃烧不均匀、燃烧效率不高，甚至爆燃的现象，使进入炭化炉的热气流温度可控，提高了系统运行的稳定性。

所述冷凝是采用冷却水进行冷凝，冷凝前气体的温度为51～60℃，冷凝后气体的温度为40～50℃。冷凝所得产物主要成分是醋液。

所述净化是采用吸附器进行吸附净化，去除冷凝器未能处理的、被气流携带出的小液滴，对可燃气体进行进一步的净化，提高后续燃烧的效率和均匀性，进一步提高进入炭化炉的热气流温度的可控性和系统运行的稳定性。

通过辅助加热系统、或在燃烧时通入助燃气体、或在燃烧段后部通入氮气的方式控制热气流的温度，从而控制炭化炉底部的热解反应温度。所述助燃气体为空气。

所述辅助加热系统为电加热或通入天然气燃烧加热。空气的加入量是依据热解气的流量信号自动控制，以保证燃烧的正常进行。为控制燃烧气出口气体温度(热气流温度)，依据温度信号，温度低时辅助加热，温度高时加入一定流量的氮气，以保证进入炭化炉的热气流温度稳定。

所述玉米秸秆原料颗粒是由以下方法制备的：将玉米秸秆粉碎至粒径<3mm，后经压制成型至粒径<15mm，即得。所得玉米秸秆原料颗粒的堆密度0.25～0.40g/cm³。

所述玉米秸秆原料颗粒的含水率<20％。

该方法中，物料在炭化炉中的停留时间为1～6h。

本发明的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，以N₂作载气，开始通入N₂保证炭化炉内为无氧或低氧环境，然后将玉米秸秆原料颗粒输送至炭化炉中；初始利用辅助加热系统产生的热气流作为起始热源为热解炭化反应提供热量；玉米秸秆原料颗粒依靠自重从炭化炉顶部下降到底部，热气流从炭化炉底部上升至顶部，两者直接接触，在垂直方向上逆流移动并形成持续反应区域。控制炭化炉底部的热解反应温度为200～280℃，炉内压力为1010～1200mbar(绝压)，炭化炉内维持着温度梯度，从上到下温度逐渐升高，使秸秆在炉内从上到下运动过程中依次实现干燥、预热解、热解和炭化阶段，从而在炉底生成生物质炭燃料，从炉底输出，实现生物质炭燃料的制备；该方法中，原料颗粒与热气流直接接触，热利用效率高；炭化温度低，避免了焦油的产生；所得生物质炭燃料的质量得率70％～85％，能源得率85％～95％，能源得率高；所得生物质炭能量密度高，可作为燃料使用，拓展了产品的用途，为玉米秸秆的回收利用提供了新的途径。

该方法中，玉米秸秆原料颗粒以一定的速率进入炭化炉，从炭化炉顶部移动降到底部过程中，首先失去水分被干燥，原料颗粒持续下降，逐渐通过温度更高区域，此时生物质发生热解反应，释放出CO、CO₂及轻组分有机物等气体，热解完成得到的生物质炭燃料以一定的出炭速率在炉底连续输出，实现了生物质炭燃料的连续生产。

进一步的，热解过程中产生的可燃气体，从炭化炉上部排出，依次经除尘、冷凝、净化后，通过燃烧产生热气流进入炭化炉作为热源；利用炭化过程中产生的可燃气体作为热解加热热源，实现了能量的循环利用，节约能源，且能维持炭化炉的连续生产。

本发明的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，以玉米秸秆为原料，利用低温炭化技术将废弃玉米秸秆转化为生物质炭燃料，并实现了规模化连续生产；低温炭化技术有效的减少了生产能耗，提高了生物质炭燃料的产量，避免了焦油的产生(后续冷凝液体的主要成分为醋液)；连续性炭化工艺，可实现工业化生产；可燃气体回收利用，能量自循环，有效减少了生产能耗；所得生物质炭燃料可有效减少一次能源的消耗，缓解目前能源紧张的局面，为秸秆的综合利用和新能源的开发开辟了新途径，具有良好的经济效益和环境效益，适合推广使用。

附图说明

图1为具体实施方式所用的生物质连续热解炭化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式中，所用的生物质连续热解炭化装置如图1所示，包括移动床热解系统、进料系统、出料系统和燃气循环系统，所述移动床热解系统包括移动床热解炭化炉1，所述移动床热解炭化炉1的顶部设有进料口1-3、底部设有出料口1-4；所述进料系统包括原料仓6，所述原料仓6的排料口通过第一管道与设置在移动床热解炭化炉1顶部的进料口1-3相连接，所述第一管路上还设有螺旋输送机，用于将原料仓6的原料送入移动床热解炭化炉1；所述出料系统包括成品储罐7，所述成品储罐7的进口通过第二管路与设置在移动床热解炭化炉1底部的出料口1-4相连接；所述第二管路上还设有带有冷却系统的螺旋输送机。

该生物质连续热解炭化装置是一个密闭的内循环反应系统，所述第一管路靠近进料口1-3处设有阀门组8，阀门组8包括依次设置的2个自动阀门8-1、8-2，第二管路靠近出料口1-4处设有阀门组9，阀门组9包括依次设置的2个自动阀门9-1、9-2，通过上、下阀门的交错开闭实现运行时设备的密闭；所述移动床热解炭化炉1内部还设有物料层料位探测器(料位激光探头，图中未画出)，用于探测物料层料位并反馈给PLC自动化控制系统，通过PLC自动化控制系统控制进料口、出料口处的自动阀门组8、9实现自动进料和/或自动出料。

所述燃气循环系统包括旋风除尘器2、冷凝器3、吸附器4和回流加热器5，所述旋风除尘器2的气体进口2-1与移动床热解炭化炉1的热解气出口1-2相连接，旋风除尘器2的气体出口2-2与所述冷凝器3的气体进口3-1相连接，旋风除尘器2的底部还设有用于排出收集粉尘的集尘出口2-3；冷凝器3的气体出口3-2与吸附器4的气体进口4-1相连接，冷凝器3的底部还设有用于排出冷凝液体的排液口3-3；吸附器4的气体出口4-2通过第三管路与回流加热器5的燃气进口5-1相连接，所述吸附器4的底部还设有用于排出吸附物质的排液口4-3，所述第三管路上还设有用于燃气循环的循环泵；回流加热器5的热气流出口5-2通过第四管路与移动床热解炭化炉1的热气流进口1-1相连接，所述第四管道上还设有电动三通阀10，该电动三通阀10连接有用于排放尾气的尾气排放管道。

所述回流加热器5上还设有补充燃料进口5-5(辅助加热系统)、助燃气体进口5-3和氮气进口5-4，分别连接天然气管线、空气管线和氮气管线，所述天然气管线、空气管线和氮气管线上分别设有电动阀门13、11、12，用于向回流加热器供天然气和/或空气和/或氮气。

该生物质连续热解炭化装置，根据移动床热解炭化炉1内部的物料层料位探测器探测信号，一旦探测料位不足，通过PLC自动化控制系统启动螺旋输送机和自动阀门组8，原料颗粒定量进入两阀门之间，然后根据时间连锁装置，关闭上部阀门，打开下部阀门，自动加料；热解完成，启动自动阀门组9，产物定量进入两阀门之间，然后根据时间连锁装置，关闭上部阀门，打开下部阀门，自动出料。通过PLC自动化控制系统控制自动进料和自动出料实现设备运行的连续性。

该生物质连续热解炭化装置中，回流加热器5上设有助燃气体进口5-3、氮气进口5-4和补充燃料进口5-5(辅助加热系统)，进口都采用切向进料，助燃气体(空气)的加入量是依据热解气的流量信号自动控制，以保证燃烧的正常进行。移动床热解炭化炉1的反应温度是依据温度信号，在回流加热器5燃烧段后部加入一定流量的氮气或补充燃料，以保证炭化炉的温度稳定。

该生物质连续热解炭化装置的压力由PLC自动化控制系统自动控制，为了维持炉体压力的稳定，排放一部分烟气。

具体实施方式中，所用的玉米秸秆原料颗粒是由以下方法制备的：将玉米秸秆粉碎至粒径<3mm，后经压制成型至粒径<15mm，即得，所得玉米秸秆原料颗粒的堆密度0.25～0.40g/cm³。所述玉米秸秆原料颗粒的含水率<20％。

具体实施方式中，所用氮气的纯度不低于99％。

实施例1

本实施例的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，采用上述的生物质连续热解炭化装置，具体为：

向炭化炉内通入氮气使炉内为无氧或低氧环境(氧气体积百分含量低于10％)，将玉米秸秆原料颗粒从炭化炉顶部进料，依靠其自身重力向下自流；热气流从炭化炉底部进入，从底部上升至顶部，在炉内形成逆流反应区域；通过热气流控制炭化炉底部的反应温度为220℃，炉内压力为1050mbar，物料在炉内的停留时间为5h，反应生成生物质炭燃料从炭化炉底部输出，炉内产生的可燃气体从炭化炉的热解气出口排出。

炭化炉内维持着温度梯度，从上到下温度逐渐升高，使秸秆在炉内从上到下运动过程中依次实现干燥、预热解、热解和炭化阶段，从而在炉底生成生物质炭燃料，从炉底输出，实现生物质炭燃料的制备。

初始的热气流由辅助加热系统产生，所述辅助加热系统为向回流加热器中通入天然气(补充燃料)燃烧；后续炉内产生的可燃气体依次经除尘、冷凝、净化处理后，在回流加热器燃烧产生热气流作为炭化炉的热源；通过辅助加热系统、或在燃烧时通入助燃气体(空气)、或在燃烧段后部通入氮气，以控制炭化炉底部的热解反应温度。

所述冷凝是采用冷却水进行冷凝，冷凝前气体的温度为51～60℃，冷凝后气体的温度为40～50℃。冷凝所得产物主要成分是醋液。

实施例2-5的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法的技术参数如表1所示，其余同实施例1。

表1实施例2-5的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法的技术参数表

实施例	反应温度(℃)	炉内压力(绝压，mbar)	物料停留时间(h)
				2	240	1100	4
3	250	1150	3
				4	270	1200	1
5	200	1010	6

实验例1

本实验例对实施例1-5的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法所得生物质炭燃料进行统计和检测。

检测方法及所用仪器如下：

热重及燃烧特性分析：采用德国NETZSCH仪器公司的STA449F3同步热分析仪(Thermogravimetric Analyzer)。

热值测定：采用量热仪(郑州恒亚仪器仪表有限公司，HY-A9)及电子天平(深圳市无限量衡器有限公司，MAX-A6002)。

质量得率和能源得率：质量得率η_m和能量得率η_e的计算公式如下，

${\mathrm{\&eta;}}_m=\frac{m_2}{m_1}\&times;100\%---\left(1\right)$

${\mathrm{\&eta;}}_e={\mathrm{\&eta;}}_m\left(\frac{Q_2}{Q_1}\right)---\left(2\right)$

式中：m₁和Q₁表示原料质量和低位发热量，m₂和Q₂表示生物质炭燃料质量和低位发热量。

结果如表2所示。其中，所述原料为玉米秸秆原料颗粒。

表2实施例1-5所得生物质炭燃料的检测结果

对象	反应温度(℃)	空干基低位热值(MJ/kg)	质量得率(％)	能源得率(％)
					原料	-	15.24	-	-
实施例1	220	17.73	79.8	92.84
					实施例2	240	18.08	77.7	92.18
实施例3	250	18.15	75.7	90.15
					实施例4	270	18.23	71.2	85.17
实施例5	200	17.11	82.9	93.07

从表2可以看出，与玉米秸秆原料颗粒相比，本发明所得生物质炭燃料具有较高的空干基低位热值；原料颗粒在低温热解炭化过程中，产生的热解气带走了一部分的能量，但是生成的生物质炭燃料还是保存了玉米秸秆原料的大部分能量，具有较高的质量得率和能源得率。

本发明以获得固体燃料炭为目的，对照《煤炭质量分级第3部分：发热量》(GB/T15224.3-2010)，本发明所得生物质炭燃料相当于中低发热量煤。对照《生物质固体成型燃料技术条件》(NY/T 1878-2010)，本发明所得生物质炭燃料的发热量比草本类生物质固体成型燃料的发热量高，240℃(实施例2)时生物质炭燃料的热值比草本类生物质固体成型燃料标准高4.68MJ/kg。

实验例2

本实验例对实施例所得生物质炭燃料的燃烧性能进行检测。

检测方法及所用仪器如下：

热重及燃烧特性分析：采用德国NETZSCH仪器公司的STA449F3同步热分析仪(Thermogravimetric Analyzer)。

工业分析：采用马弗炉(上海凯朗仪器设备厂，SX2-4-10)和干燥箱(吴江市闽鑫烘箱电炉制造有限公司，MX841-6)。

元素分析：采用德国Elementar公司，vario EL III型元素分析仪。

结果如表3所示。

表3实施例所得生物质炭燃料的燃烧性能检测结果

从表3可以看出，实施例所得生物质炭燃料的着火温度低于木炭(487.2℃)和烧烤炭(361.7℃)，更易燃烧，综合燃烧特性指数高于木炭(1.461)、低于烧烤炭(3.405)，具有优异的燃烧性能。

Claims (9)

1.一种玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，其特征在于：包括向炭化炉内通入氮气使炉内为无氧或低氧环境后，将玉米秸秆原料颗粒从炭化炉顶部进料，热气流从炭化炉底部进入，在炉内形成逆流反应区域；控制炭化炉底部的反应温度为200～280℃，炉内压力为1010～1200mbar，反应生成生物质炭燃料从炭化炉底部输出。

2.根据权利要求1所述的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，其特征在于：炉内产生的可燃气体从炭化炉上部排出；所述可燃气体经冷凝处理后，燃烧产生热气流作为炭化炉的热源。

3.根据权利要求2所述的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，其特征在于：所述可燃气体依次经除尘、冷凝、净化处理后，燃烧产生热气流作为炭化炉的热源。

4.根据权利要求2或3所述的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，其特征在于：所述冷凝是采用冷却水进行冷凝，冷凝前气体的温度为51～60℃，冷凝后气体的温度为40～50℃。

5.根据权利要求2或3所述的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，其特征在于：通过辅助加热系统、或在燃烧时通入助燃气体、或在燃烧段后部通入氮气的方式控制热气流的温度，从而控制炭化炉底部的热解反应温度。

6.根据权利要求5所述的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，其特征在于：所述辅助加热系统为电加热或通入天然气燃烧加热。

7.根据权利要求1所述的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，其特征在于：所述玉米秸秆原料颗粒是由以下方法制备的：将玉米秸秆粉碎至粒径<3mm，后经压制成型至粒径<15mm，即得。

8.根据权利要求7所述的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，其特征在于：所述玉米秸秆原料颗粒的含水率<20％。

9.根据权利要求1所述的玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，其特征在于：物料在炭化炉中的停留时间为1～6h。