基于棉花秸秆炭的高品质生物质炭化炉设计

闫树军，李 勇，张学礼，郝 磊，李 健

(1.西安交通工程学院，陕西 西安710065； 2.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔843300)

0 引言

目前生物质炭资源的开发与利用已成为国内外学者研究的焦点，大量的农林废弃物以闲置、乱堆和焚烧等形式被浪费掉，也直接或间接对环境带来负面影响[1-3]。为了有效利用生物质资源，各国研究者着力开发生物质炭燃料、生物质炭复合肥和生物质炭吸附材料，以期提升生物质资源的利用价值[4-5]。通过前期研究，掌握了棉秆炭化期间热解失重规律及棉秆炭的力学和能量指标；采用热重法测试了不同炭化参数棉秆炭的燃烧特性；利用灰色综合评价法对棉秆炭的多个燃烧指标进行综合评价，掌握棉秆炭的燃烧特性，对以棉秆为基体的生物质炭资源的开发与利用起到一定的推动作用[6-9]。

当前市场销售的生物质炭化炉种类繁多，以窑式干馏炭化炉和螺旋推进的连续炭化炉为主，这两类炭化炉都以燃烧煤和天然气为热源，热源不稳定且温控不够精确导致炭化品质不统一[10-11]。同时这两类炭化炉设备均为大型产业化设备，针对高校和科研院所需要的小型炭化炉极为少见。高校和科研院所进行炭化试验多以高温电阻炉作为炭化设备，其炭化单批盛放量极为有限，升温降温速度过慢不利于开展试验。

1 炭化炉总体结构设计

针对现有炭化炉存在的不足，研究能实现自动进出料的电热棒快速加热、鼓风快速冷却和混合多层盛放料样的试验用炭化炉。

1.1总体结构

多功能试验炭化炉主要由盛料部分、尾气处理、加热部件和机架部分4部分组成，结构如图1所示。

1.2工作原理

将生物质物料加到物料箱内，通过电机带动将物料添加到炉内和盛料盘中，开启电控箱设置温控范围(室温～700 ℃)，通电加热，到达指定温度后开始记时，通过热电偶反馈和保护，到达预定时间后关闭加热管电源。加热过程中，尾气管排出烟气，浓度较浓时，在尾气出口实现尾气燃烧，开启鼓风机鼓风，气流经机壳栅格板散出；炉内温度降至30～50 ℃时，取出试样。

2 关键部件设计

在炭化炉的设计过程中，主要结合空气量、烟气量、炭化量，以及炭化温度设计与调控缸体组件、炭化炉机架、尾气装置和冷却装置。

2.1炭化原料选择

新疆是我国棉花的主产区，每年大批量棉花秸秆粉碎后，被深翻埋入地下。为有效利用棉花秸秆，项目选用棉花秸秆作为原料制备棉花秸秆炭。

2.2空气量和烟气量

生物质燃料需消耗氧气，理论上1 kg生物质原料充分燃烧所需空气量称为理论空气量。1 kg秸秆充分燃烧需理论空气量为

(1)

式中V0——1 kg原料充分燃烧所需的理论空气量，m3kg

Car——1 kg原料中C元素含量，kg

Har——1 kg原料中H元素含量，kg

Oar——1 kg原料中O元素含量，kg

测得棉秆元素含量：Car=41.32%，Har=6.22%，Oar=40.11%，Nar=1.46%。棉秆充分燃烧所需的理论空气量为

(2)

在实际燃烧工况中，燃料与空气不会充分燃烧，在燃烧装置中大部分处于富氧燃烧环境。在进行炉灶的实际设计时，所需空气量V=1.4V0=5.592 m3kg

1 kg生物质原料充分燃烧所生成的烟气量称为理论烟气量。生物质原料充分燃烧所产生的气体主要包括CO2、SO2、N2和水蒸气。

1 kg生物质原料充分燃烧所产生的理论CO2的体积为

(3)

1 kg生物质原料充分燃烧所产生的理论N2的体积为

(4)

1 kg生物质原料充分燃烧所产生的理论水蒸气的体积为

(5)

故，理论生物质原料烟气体积表达式为

(6)

棉秆所含元素含量依次为Car=41.32%，Har=6.22%，Oar=40.11，Nar=1.46%。

因此，1 kg生物质原料充分燃烧所产生的理论烟气量为

(7)

烟气中除了有生物质原料完全燃烧所产生的CO2、N2和H2O等气体外，还有余量O2。余量空气量ΔV1=αV0-V0

生物质原料燃烧实际烟气量为

=6.421 Nm3kg

(8)

2.3炭化量

因此，炭化炉炭化缸体体积

V0=KVm

式中V0——炭化缸体初估体积，m3

Vm——10 kg棉花秸秆粉末体积，m3

K——放大系数(等于含运行时间)

考虑秸秆材料焦油排放设计、尾气排放和物料间隙的设计要求，炭化炉缸体设计容量应在加料体积基础上加大20%，缸体工作体积Vg=1.2V0=0.419 m3，单次最大可炭化秸秆粉末52.3 kg[12]。

2.4炭化温度设计与调控

前期基础试验表明，棉花秸秆炭化温度范围300～600 ℃[8]。为了实现温度自动调控，设备采用REX系列电子式温控器，电压220 V，控温范围0～1 300 ℃。REX系列温度控制器采用智能PID控制，温度控制器根据热电偶(热电阻)测量信号与用户设定值的偏差进行PID运算，从而发出命令让继电器动作，达到自动控制及自动恒温的效果。温控器配备热电偶，热电偶安装于炭化炉缸体外壁时传感缸体温度。为了有效测量缸体内部温度，在设备上端安装双金属温度仪表显示温度范围，温度显示范围0～600 ℃。炭化炉加热选用5件组合2520型不锈钢加热管，安装在炭化炉底部实现干烧环境加热。

2.5炭化炉机架组件

炭化炉机架以角钢组成框架支撑炉体，如图2所示。缸体通过螺栓与支架平板连接，为确保安全防护和保温要求，机架侧面安装厚度1.5 mm的不锈钢栅格板4块。炭化炉内缸为圆筒，材质钢板，上下端与法兰盘焊接，容量为0.419 m3。炭化期间，炉内持续升温，产生大量烟气，烟气随管道排出，待炭化2.5 h后关闭管道阀门，缸体内仍会产生少量烟气，形成封闭干馏(内压)环境，经试验计算内压为0.2 MPa，尾气排放管道采用无缝钢管制成。

2.6辅助装置

2.6.1尾气排放装置

棉花秸秆材料加热炭化会产生大量的烟气，完全燃烧的烟气量6.421 Nm3kg。棉秆材料炭化属厌氧干馏、不完全燃烧，按照烟气量为完全燃烧的10%计算，炭化炉单次工作烟气量67.1 m3。按工艺烟气耗散的时间2.5 h，单位时间烟气量26.84 m3h或7.45×103cm3s。参考小型锅炉设计烟气流速，烟气流速以1.2 ms计算，尾气管道直径计算公式如下[13-14]。

式中N——单位时间烟气量，cm3s

v——烟气流速，ms

计算得管道直径89 mm，依照规格，选用材质为20#钢，外径100 mm，内径92 mm，壁厚4 mm。尾气管与上平板封头相接，固定于机体侧面。尾气管道设置成可调节的横管与竖管，横管用于直接排空，竖管下端连接尾气燃烧口。

2.6.2冷却装置

为了能使断电之后的炉体快速冷却，炭化炉选用鼓风机鼓风冷却缸体，在炭化炉下机架板加装4个成对角布置的单轴流鼓风机。

3 自动进出料装置

炭化炉自动进出料装置主要是在工作过程中辅助完成自动进出料，适用于小型秸秆炭加工厂的工艺和相关配套，解决常用炭化炉炭化后静置冷却时间过长的问题，能够快速填料和卸料，极大地提高生产效率。

3.1总体结构

该装置主要是由传动机构实现物料的进出：电机正转，胶带传动，带动齿轮正转，与齿条啮合，完成进料；电机反转，胶带传动，齿轮反转，齿条同步完成出料。机架通过轴承连接于主轴，主轴与轮子固定，轮子在轨道上运动，结构如图3所示。

3.2关键部件

3.2.1物料箱

如图4所示，物料箱主要用于盛放棒状杆类物料，结构为长方形壳体，前方开口方便物料的装卸，左右两侧为焊接耳，耳分3部分，靠近箱体部分与机架接触起支撑作用，中间部分镶嵌齿条传动物料，远离箱体部分起支撑作用与炭化炉内横梁相接完成箱体悬空放置。

3.2.2机架

机架主要起支撑作用，放置电动机、胶带轮、齿轮和电机控制器等，支撑物料箱的质量，由轴承连接安置于主轴上，并在轨道上运动，结构如图5所示。

3.2.3炭化炉主体

炭化炉由炉体、密封门、温度控制器、燃烧器、压力计和阀门等组成，是物料炭化发生的关键部件。密封门防止温度外散，温度控制器控制调节炉内温度，压力计控制炉内压力，阀门控制可燃气流量。炭化炉结构如图6所示。

炉体外壁为耐高温和耐磨性钢材，里面一层由180块耐火砖砌成沟壑状，嵌上电炉丝提供热量。采用干馏炭化方式，利用炭化过程的一氧化碳、甲烷和氢气等可燃气体，通过烟气净化分离出木焦油、木酸液而得到纯正的可燃气体。利用自配风燃烧器燃烧加热，物料进入炉体内部，开启温度控制器调节炉内温度，由高到低逐渐升温，高温碳化部分开启燃烧器，利用独立气体回收管道回收炭化分解的可燃气体，通过燃烧器燃烧对管道加热，达到循环加热炭化的效果。

该炭化炉可用于秸秆炭化，钢制炉胆作为炭化柜，柜外有烟气通道，最外是圆型炉壳。炭化柜上有带有通气管道并可转动的炉箅，温度由电炉丝发热提供，炭化产生的烟气净化生成可燃气，回炉后在炉体底部点燃通过加热金属板提供热量，重复操作2～3 h可在无氧或缺氧条件下闷炭，通过燃烧柜内挥发物维持温度，燃烧气体经烟气道绕经闷炭柜炉胆壁，保持炭柜中的温度在220～300 ℃。经过约12 h，无挥发物排出时柜内物料全部炭化，一般3 t物料可制成1 t木炭。炭化炉体如图7所示。

3.2.4密封门

该装置内壁由耐高温陶瓷制成，主要作用是保持炉内的热量防止热量散发。密封用耐高温和耐摩擦的金属密封圈，外壁材质与炭化炉相同，起支撑和固定作用，密封关键部位固定在内壁上，有一块厚度逐渐增加的半圆盘，另一侧为U型挡块，密封门圆盘在手柄作用下，慢慢转入U型挡块，由于厚度越来越大，配合越来越紧，压迫密封圈，达到密封效果，密封门结构如图8所示。

3.2.5燃烧器

装置燃烧器为燃气燃烧器，如图9所示。用于将炭化过程产生的可燃气进行二次利用，提高资源的利用率。

4 样机试验

设备委托机械厂加工，鼓风机置于侧面，如图10所示。利用该设备按照制炭工艺，以棉花秸秆棒和秸秆粉末为原料进行相关试验。

5 结论

(1)装置主要由自动进出料装置、加热部件、盛料部分和尾气处理部分组成，可以按照设计要求完成相关炭化试验。

(2)试验结果表明：制炭成型率达93.6%，燃烧性能达标率95.3%，单炉炭化秸秆棒和秸秆粉末达到设计指标，可以高效完成棉花秸秆炭化工作，满足设计要求。

(3)存在的问题：炭化炉仅针对棉花秸秆和粉末实现炭化，对其他生物质还需要经过炭化试验改进和优化，增加适用性提高炭化效果。