外加热式生物质连续热解设备燃气净化系统的研究.doc
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1、外加热式生物质连续热解设备燃气净化系统的研究摘要:以外加热式生物质热解炭气油联产中试设备为平台,以其工艺技术特点为基础,结合粗热解气的组分特性,提出了一种分级处理、逐级净化的工艺技术方案,主要包括旋风除尘、多级冷凝、静电捕焦、湿法除焦等工艺环节,同时对净化后的燃气进行清洁回用,并分析了安全预警与防爆措施、智能监测与控制系统等辅助技术。生物质连续热解是过程相对繁杂的热化学,涉及到纤维、半纤维以及木质素的分解,此过程中木质素的热解会带来大量的生物炭,同时产生其他联产副产物,如热解气、焦油和木醋液等13。按加热方式一般可将热解设备分为外热式、内热式和自燃式3种,其中外热式一般采用流动的高温热烟气或电
2、热丝间接加热,优点是温度可控性高,便于调节,操作简单,缺点是能耗较大,换热效率较低4。本课题组结合外加热式炭化工作原理和连续热解炭化技术,研制开发了外加热式生物质连续热解炭气油联产中试系统5,并在此基础上,结合生物质原料的机理特性和粗热解气的组分特征,提出了热解气净化分离及回用的技术工艺方案,实现燃气的高纯度净化和热解副产物的高值化利用。1外加热式生物质连续热解炭化工艺与设备1.1工艺过程外加热式生物质连续热解炭化工艺过程分为连续热解和热解气净化分离2部分,工艺流程如图1所示。连续热解工艺主要包括密封进料、均匀布料、连续热解、保温炭化等工段。热解气净化分离工艺主要包括除尘、多级组合冷凝、洗气等
3、。(1)密封进料:是指在尽量避免携带空气的情况下,将生物质原料从进料仓密封送入热解反应器内。为保证反应过程的低氧环境及微负压状态,在上料机内安装料位计,并于进料仓之间建立反馈调节,通过上料机中物料高度来调控进料节奏,达到密封进料的目的。(2)均匀布料:是指尽可能均匀地将物料由料斗推送至热解反应器内。物料输送的均匀性影响着设备的稳定运行以及成品炭的炭得率和炭品质,同时不同品种的物料由于粒径、含水率和组成形态的不同,需要对应不同的进料转速。(3)连续热解:是设备工作和工艺进程的核心阶段,物料在热解回转筒内翻转推进,采取外加热的换热方法,多级旋流梯级换热的导热系统,经历烘干脱水和分裂热解2个阶段,反
4、应温度的调控、热解时间的长短、换热效率的高低对生物炭的得率和品质均有较大影响。(4)保温炭化:该阶段处于连续热解和冷却出炭之间,是指生物炭在热解反应后继续保温熟化一段时间,完全反应后再进入到冷却出炭部分。该缓冲阶段能够使生物炭始终保持在较为恒定的温度,避免因温度骤降而导致热解油附着在生物炭上。(5)冷却出炭:经热解反应和保温炭化后,生物炭处于较高温度,需要适当冷却降低温度,避免与空气直接接触引起自燃。此过程应尽量保持密封状态,减少空气进入前端热解系统,影响炭的品质和系统运行的安全性。(6)固气分离:采用多级净化、分级冷凝的除杂方法,通过旋风除尘、多级冷凝和洗气等进行组合式除尘脱焦,简洁高效,避
5、免传统工艺和化学方法造成的二次污染6。(7)燃气回用:经过前端净化分离,除生物炭外,热解副产品主要包括热解气、焦油和木醋液等,净化后的热解气和焦油可通过燃气燃烧器与燃油燃烧器燃烧加热,为前端换热系统提供热源,既节约能源,又解决了焦油的净化处理等问题。1.2设备结构与工作原理如图2所示,外加热式生物质连续热解炭气油联产中试系统主要由生物质连续热解炭化系统、热解气分级净化冷凝系统、热解气/焦油燃烧再利用系统、密封均匀布料系统、保温冷却出炭系统,以及在线监测与安全预警系统等组成。连续热解炭化系统是该设备的主体核心部分,主要由四线螺旋抄板输料结构、多腔旋流梯级换热系统、去尘除焦保温出炭装置、链条齿轮传
6、动机构和密封保温层组成。热解反应区采用双层套筒结构,内层为炭化室,炭化室内壁设有四线螺旋抄板结构,通过调速电机控制回转速度来调控物料的输送速度;反应器外层为高温热烟气套筒,材料选用316L耐高温不锈钢,套筒内置环形折流板,2个半环形折流板交错布置,将加热室分成4个腔,并在半环形折流板底部设有烟气流通口,套筒外壁设有燃烧器和引风机,采用间壁式逆流加热。安全防爆装置采用U形水封或防爆阀门,当系统内进入大量空气或运行状态异常导致反应室内气压骤变时,可紧急泄压。如图3所示。设备工作时,生物质原料由上料螺旋输送到喂料机中,均匀有序地批次进入到炭化设备,在四线螺旋抄板的推送下,与外层热燃气形成间壁式逆流换
7、热,经过烘干脱水等预处理,在高温下进行分裂热解,在保温炭化区进一步熟化后,经由冷却出炭系统完成炭化。热解副产物经后端净化分离及冷凝装置处理,洁净的热解气和焦油通过燃油/燃气燃烧器进行燃烧,为前端热解反应提供热源。2热解气净化分离及回用设计2.1外加热式炭化工艺特点外加热式连续生物质炭化特点和燃气组分特性是热解气净化分离结构设计的基础和关键。综合前文可知,外加热式连续生物质炭化工艺特点如下:加热方式为外加热,热源由可燃气体燃烧提供,反应室处于缺氧微正压状态;热解原料主要为粗粉碎的农业生物质废弃物,如玉米秸秆、棉花秸秆、稻壳、花生壳、木屑和果木剪枝等,得到的粗热解气中含粉尘颗粒;根据热解设备定点温
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