生物质连续炭化中试系统产物特性及其运行效果评估

为分析中试规模条件下的生物质连续炭化特性并系统评估中试设备运行性能,以棉秆、稻壳和果木剪枝等典型农林废弃物为原料,进行了生物质连续炭化中试系统生产测试,分析了炭化温度对产物理化性质、组分分布和产率的影响规律,并在此基础上对设备运行过程、能量平衡、能量转化效率和应用前景等进行了系统评估。结果表明:系统运行过程中温度和压力控制精准,物料滞留时间为36 min,炭化温度分别为550、600、650℃时,炭化温度对产物特性与产率影响明显,炭化温度越高生物炭中固定碳含量越高,650℃时的果木剪枝炭化比550℃时固定炭含量提高12.7百分点;炭化温度越高热解气产率越大,650℃时果木剪枝炭化比550℃时产气率提高7.8百分点;炭化温度在600℃时处理棉秆,系统能量转化效率为74.10%,能流分析表明,此条件下部分燃气回用加热可支撑系统热解。该研究为生物质连续炭化工程装备的开发和示范推广提供了重要技术支撑。     

废气自循环利用生物质炭化装备设计与性能研究

为有效解决现阶段生物质炭化设备存在的炭产率低、炭品质差、余气不能循环利用而污染环境、副产物不能有效分离等问题,设计并研制了一套废气自循环生物质炭化装备,对其炭化炉主体、加热系统、焦油回收装置、余气循环装置、温度压力监控系统分别进行了详细设计和参数确定,并以炭化炉主体和焦油回收装置为加热和冷却对象,采用有限元方法对其进行传热性能研究,最后对其进行了炭化试验研究。结果表明:生物质炭化装备能够满足制炭、副产物回收、废气循环利用、工艺参数精确控制等要求;炉体门框上部温度分布不均,其余炉体内部温度分布均匀,温度梯度平缓,可对生物质进行均匀加热;焦油回收装置在三级冷却水进口流速分别为0.045、0.03、0.015 m/s时,冷却温降分别为:271、111、61℃,烟气温度从500℃降温到50℃,冷却效果显著,并可对挥发分中的焦油和木醋液进行分离;影响炭产率、热值、能源得率的因素顺序为:炭化终温保温时间升温速率。炭产率与能源得率呈正相关,而两者又与热值成负相关。炭化条件在升温速率3℃/min、炭化终温450℃、保温时间3 h工况下较好,在此条件下的炭得率为54.2%,热值为25 767 k J/kg,能源得率为84.8%。     

内加热连续式生物质炭化中试设备炭化温度优化试验

为分析内源加热与分段连续热解技术工艺条件下不同物料的热解炭化特性,探明炭化工艺参数对生物炭理化性质、生物炭得率及设备生产率的影响规律,以玉米秸秆、玉米芯和花生壳为原料,进行了设备生产工艺试验。试验结果表明,引风机转速为725 r/min,通过自动调节各进风口开度,使炉内负压维持在60 Pa左右时,不同炭化温度下的生物炭理化性质、设备生产率和生物炭得率均表现出较大差异,其中,固定碳含量和灰分等指标存在显著性差异(P0.05),玉米秸秆对炭化工艺参数最敏感。通过多指标综合评价分析,结合生产实际,玉米秸秆、玉米芯和花生壳的推荐炭化温度分别为550~600、600~650和600~650℃。该研究可为内加热连续式生物质炭化设备的推广应用提供重要的技术支撑。     

秸秆热解炭化多联产技术应用模式及效益分析

通过秸秆热解多联产技术,能够将废弃的秸秆转化为燃气和生物炭等,既能提供清洁能源,改善用能结构,又能有效还田和固碳,具有较好的推广应用潜力。分析内加热式移动床生物质炭气联产技术、外加热式移动床生物质热解炭气联产技术、外加热式移动床生物质热解炭气油联产技术的工艺参数,提出了适宜自然村、村镇社区和规模化应用等3种不同规模用户的秸秆热解炭化生产技术应用模式,并以不同规模秸秆利用量为例,得到消耗每吨秸秆的纯利润分别为87、135和141元/t,销售利润率20%左右,温室气体碳排放交易可增加8%左右的纯收益,经济与环境效益良好。     

生物质连续热解炭气油联产中试系统开发

针对目前多数生物质炭化设备生产连续性差、能耗高、生产过程中存在焦油水洗二次污染等问题,结合生物质炭化技术最新进展和农林剩余物原料特征,提出了生物质连续热解炭气油联产工艺方案,引入连续分段热解、多级组合除尘脱焦和燃油/燃气回用加热工艺方法.在此基础上,重点突破了多线螺旋抄板物料均匀有序输送、多腔旋流梯级高效换热、保温沉降密封出炭、系统压力与气体组分耦合预警等技术,开发了生物质连续热解中试生产系统.运行检测结果表明:系统运行稳定可靠,温度控制精度为±16℃,反应室压力控制精度为±-25 Pa,以花生壳为原料,原料处理量为28.2 kg/h,生物炭得率为31.3％,热解气产率29.6％,液体产物产率19.8％,热解气低位热值为16.3 MJ/m3,各项技术指标均达到了系统设计目标与要求.该中试系统的开发为设备放大及示范应用奠定了重要基础.     

不同来源生物质废弃物热解炭化农业应用潜力分析:生物质炭产率、性质及促生效应

  【目的】  中国农业生物质废弃物种类多、数量大,且存在病原菌、农药和抗生素残留等潜在生态和环境风险。热解炭化作为一种废弃物的安全处理方法,其生物质炭的循环得率、性质及其土壤改良和促进作物生长的效应还需系统的比较研究。  【方法】  本研究选取作物生产来源的原生生物质、养殖业来源的次生生物质、食品加工处理的残余生物质等共26种生物质废弃物原料,在同一条件下炭化,分析不同来源原料热解后生物质炭产出率与性质。以小白菜 (Brassica campestris L. ssp.) 为试材进行盆栽试验,研究生物质炭对作物生长及土壤改良效应,进而评估这些废弃物炭化农业循环的应用潜力。  【结果】  供试26种废弃物炭化后的生物质炭产出率介于22%～71%,有机碳循环回收率介于22%～81%,氮素循环回收率介于21%～67%。26种废弃物生物质炭的pH和阳离子交换量差异较小 (变异系数10%左右),总有机碳、氮、水分、灰分含量等差异较大,变异系数在60%～70%;而不同原料生物质炭的电导率和溶解性有机碳含量变化极大,变异系数大于90%。生物质炭盆栽试验中,生物炭添加1%,小白菜生物量提升效应介于–34%～314%,变异系数大于100%;小白菜品质提升效应介于–14%～228%,变异系数为59%;土壤肥力提升效应介于20%～360%,特别是土壤有效磷含量提升幅度在0～24倍,均值为359%。同时,生物质炭产出率与生物质炭中灰分呈显著正相关,生物质炭的碳氮回收率与原料中碳氮含量呈显著正相关;不同原料热解炭化的质量回收率、碳氮回收率与小白菜产量及品质等指标间变化差异较大,在小白菜产量效应和品质效应间,部分生物质炭存在抵消作用,而另一部分生物质炭表现为协同作用。  【结论】  综合考虑热解炭化的生物质炭化循环率及碳氮回收循环率和土壤质量–植物生长协同提升效应,供试26种原料中,蚕砂、稻壳牛粪、骨粉、双孢菇渣、兔粪、羊粪和玉米渣的炭化循环率和土壤质量–植物生长协同提升幅度较高 (> 50%),为优先炭化农业利用的生物质废弃物;而木糖渣、稻壳粉、椰渣、高粱酒渣、核桃皮、蚓粪和红茶渣等废弃物热解炭化,因炭化循环率较低,或者土壤质量–植物生长提升的不一致效应,认为不宜炭化农业利用;而其余废弃物热解炭化后的效应介于上述两类之间,具有较高的炭化循环率和一定程度的土壤质量–植物生长协同提升效应,属于可炭化农业利用的生物质废弃物。     

棉花秸秆炭微波裂解生产设备研制

为了提高棉花秸秆的循环利用效率,分析不同参数对微波裂解棉花秸秆生产秸秆炭的产炭率的影响,该文研制了一套微波裂解设备。微波裂解设备主要由气液处理系统、裂解腔、惰性气体供应系统、恒温控制等组成,工作时微波裂解腔中的磁控管对棉花秸秆的裂解过程提供能量,使棉花秸秆达到炭化的效果。以棉花秸秆的炭产率为指标,以棉花秸秆含水率、炭化时间、微波功率为影响因素,通过Box-Behnken中心组合试验方法对微波裂解设备在裂解棉花秸秆过程中的试验因素进行三因素三水平二次回归试验。分析各因素对产炭率的影响,同时对影响因素进行综合优化。结果表明,棉花秸秆含水率和微波功率对棉花秆秸产炭率影响显著(P<0.01),最优参数组合为含水率11%、炭化时间6min、微波功率1.8 kW。验证试验结果表明,在最优参数条件下,棉花秸秆产炭率为30.9%,与理论值的相对误差为0.71%。研究结果可为棉花秸秆炭微波裂解生产设备的设计和作业参数优化提供参考。     

玉米秸秆连续干馏条件下能量平衡分析

为分析外源加热与分段连续干馏技术工艺条件下的生物质热解特性,以玉米秸秆为原料,通过自行开发的生物质连续热解炭气油联产平台,开展了生物质连续干馏试验测试,分析了炭气油三态产物的理化性质、组分分布和受工艺参数影响的基本规律,并在此基础上进行了系统热量衡算和能量平衡分析。结果表明,连续热解条件下,玉米秸秆炭品质受物料在反应室的滞留时间影响大,滞留时间一般应不低于30 min,热解气热值可达到15~20 MJ/m~3,热解油组分极其复杂;玉米秸秆炭携带热量最多,约占产物总能量的47.88%,热解气占产物总能量的36.17%,木焦油和轻油分别占13.14%和1.74%;连续热解系统能耗比为0.97,能量回收率为75.7%。该研究可为外加热分段连续式生物质炭化设备的开发和推广应用提供重要的基础支撑。     

生物质炭热解炭化条件及其性质的文献分析

【目的】因生物炭具有对土壤固碳减排和作物增产以及环境修复的作用，已受到国内外学者的广泛关注。本文回顾近年来生物质炭性质的相关研究，分析农业应用中生物质炭性质问题，阐述未来生物质炭性质研究发展趋势。【方法】收集了截至2015年12月文献出版物中402篇文献，对数据按生物质炭来源地区、生产 (制备) 条件和性质类别进行分类评价。【结果】1) 目前研究中应用的生物质炭68.2%为实验室制备，商业化生产比例只有22.9%；2) 生物质炭原料以林木为主，占44.3%，其次是农作物剩余物，占38.6%。作物秸秆制备的生物质炭以中国研究最多；3) 制备生物质炭的炭化温度范围在300～700℃ (91.4%)，400～600℃的温度范围以商业化生产中较常用；4) 生物质炭性质测定除总 (有机) 碳外，常测指标还包括pH、电导率、总氮、灰分和比表面积等，潜在污染物指标测定较少，而污泥炭中的重金属及植物源炭的多环芳烃潜在风险仍需研究；5) 生物质炭的研究制备原料基本上取决于该区域内可收集的废弃物，欧美地区主要关注林木生物质炭，亚洲等的发展中国家则着重研究秸秆生物质炭。【结论】与欧美国家相比，发展中国家的生物质炭商品化生产仍较薄弱。不同原料和温度生产的生物质炭性质和功能差别很大，以秸秆为原料、中温炭化的生物质炭各方面性质较为平衡，具备生物质炭大规模产业化的条件。此外，生物质炭性质的测试注重理化性状，对潜在风险污染物的分析普遍不足，亟需开发一个标准来规范生物质炭最小测试指标集和合适的测试方法选择。     

秸秆类生物质气炭联产全生命周期评价

为探究秸秆类生物质热解转化生物炭及热解气过程的能源转化过程的效率、经济性及温室气体排放,该文依据全生命周期评价分析原理,建立秸秆类生物质气炭联产全生命周期3E(economic,energy and environment)模型,对以玉米秸秆为原料的生物质气炭联产过程进行全生命周期分析,评价范围从作物种植到生物气炭产物的利用,系统分为玉米作物种植阶段、秸秆从田间到转化工厂的收储运阶段、生物质气炭转化阶段、生物质气炭应用阶段等4个阶段,并对比分析了横流移动床生物质气炭联产和竖流移动床生物质气炭联产2种工艺技术优劣。结果表明,横流移动床生物质气炭联产的净能量6 542.2 MJ/t,能量产出投入比为4.5,其中,居能源消费的前三位的是种植氮肥、种植农机油耗、热解电耗,分别占总能耗的30.8%、20.4%、17.2%;气炭联产转化的总成本319.4元/t,其中热解气炭转化阶段成本最高,约占总成本34.0%,产品收入567.6元/t,纯利润248.2元/t;能源消耗过程的温室气体CO_2当量排放量18.05 g/MJ,经生物炭还田固碳,CO_2当量减排量约为40 g/MJ。竖流移动床生物质气炭联产技术能源效益较横流略低,但经济效益较高,2种生物质热解气炭联产技术各具优势,可根据产品应用特点选择最适宜的转化工艺方案。2种气炭联产技术具有一定的经济效益,而且均有较大的节能、减少温室气体排放的效益,具有一定的推广应用价值。     

多腔室秸秆原位炭化还田设备设计

原位炭化还田技术可将田间秸秆就地直接转化为生物炭,改善土壤结构,解决秸秆直接还田腐解慢、出苗率低、病虫害严重等问题。但目前炭化还田设备仍存在炭化不均匀,运行稳定性差,生产效率低等问题。该研究基于精准控氧控温炭化要求,在前期样机基础上,创新研发了立式多腔限域式炭化反应器,研制强化物料定向流动的多翅片型扰动部件,并运用ANSYS Workbench进行仿真模拟和结构优化,研制热解气清洁燃烧及高温烟气换热回用系统,集成秸秆捡拾粉碎系统及田间作业机具,研制立式多腔室秸秆原位炭化还田设备。以玉米秸秆为原料进行炭化试验,设备秸秆处理量为500 kg/h,生物炭产率为125 kg/h,固定碳含量为50.30%,系统能量利用率为70.66%,产出的炭达到Ⅰ级生物炭还田标准,燃烧烟气中颗粒物、NO_x、SO_x等排放均满足国标要求,整机系统运行稳定,满足设计标准。为秸秆直接炭化还田提供了技术及装备支撑。     

生物炭生产与农用的意义及国内外动态

近年来,生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受重视。生物炭在土壤中能够保持数百年至数千年,实现碳的封存固定,生物炭还可以改善土壤理化性质及微生物的活性,培肥土壤肥力,延缓肥料养分释放,降低肥料及土壤养分的损失,减轻土壤污染。生物质的热裂解及气化均可产生生物炭,但是慢速热裂解和热水炭化工艺的生物炭产率最大,同时还可获得生物油及混合气,生物油及混合气可升级加工为氢气、生物柴油或化学品,这有助于减轻对化石能源或原料的依赖。生物炭的生产及农用是碳减排的过程,废弃生物质生产生物炭及其农用的效益是多赢的。国外在废弃生物质热裂解生产生物炭及农用方面做了许多研究工作。中国在生物质热裂解获得生物能源方面做了较多工作,但对生物炭的生产及农用重视不够。今后,中国应以废弃生物质生产生物炭,并将生物炭农用作为生物能源、环境及农业可持续发展的战略。     

沙蒿生物质炭在沙土中的降解特征

为明确不同炭化条件下沙蒿生物质炭的有机组分、炭化过程和降解特性。于不同炭化条件下无氧炭化制备沙蒿生物质炭并进行沙地封存。结果表明:H、O和N元素的质量分数及H/C、O/C和(N+O)/C均随炭化温度的升高和炭化时间的延长呈先降低后稳定的变化趋势,升温速率对其无显著影响。而C则呈相反趋势且均在炭化温度600℃、炭化时间60 min以后基本达定值,上述指标(H、O、N、H/C、O/C、(N+O)/C和C)的稳定值分别约为29.3 g/kg、79.8 g/kg、11.2 g/kg、0.40、0.07、0.08和879.7 g/kg。生物质炭的降解速率随着炭化温度的升高、炭化时间的延长和施用量的增大而降低,其半衰期为2~12年。综上,沙蒿的炭化既是有机组分富碳、去极性官能团的过程,同时也是芳香性增强、亲水性和极性减弱的过程,施用量和炭化温度是影响生物质炭降解的决定性因素。     

生物质热解多联产在北方农村清洁供暖中的适用性评价

推进北方地区冬季清洁取暖,关系北方地区广大群众温暖过冬,关系雾霾天能不能减少。该文在总结中国北方农村地区采暖现状的基础上,阐释了清洁采暖的现实问题和基本需求。归纳梳理了生物质热解多联产的技术特征和主要多联产模式。在此基础上,提出了以生物质热解多联产技术为核心,适合中国北方农村地区清洁供暖的技术路径与应用模式,对各模式技术可行性、经济可行性和环境影响等进行了分析。研究结果表明,现有经济技术条件下,生物质热解多联产适用于北方地区农村清洁供暖,尤其适合优先示范推广以自然村或新型农村社区为单位的小型集中或分散供暖,200户左右的自然村供暖项目初投资一般不超过300万元,投资回收期为4~5 a。该研究为破解北方地区农村清洁取暖问题提供了新思路、新途径。