连续式生物质热解炭化设备设计研究

本文针对现有生物质炭化设备生产效率低、设备运行不稳定、生产连续性差、需引用外部热源加热致使耗能高等问题,生物质热解炭化采用热解可燃气回燃利用方案,设计出一种双筒回转连续式生物质热解炭化设备。文中详细介绍了热解炭化设备的结构和工作原理,并完成了热解炭化试验测试,通过对玉米秸秆热解炭化试验表明,热解温度450℃,物料平均滞留时间30 min,炭化设备纯小时生产率为103.8 kg/h,生物炭得率为34.6%,出炭温度47℃,各项性能指标均达到设计要求,可实现连续运行生产生物炭。     

基于连续式热解炭化设备加热方式设计及验证

在现有连续式生物质炭化设备的基础上,针对其热解炭化段热能利用率低、温度转换不平稳等问题,根据生物质热解机理,设定理想炭化温度,分析管式换热器和折流板式换热器的优缺点,提出了多腔旋流梯级换热系统,并利用数值模拟确定螺旋角为35°,螺距长为1.2 m,此时干燥段温度为213℃,与目标值200℃偏差最小,符合工艺要求。试验结果表明：各温区温度变化在15℃以内,设备运行稳定。     

兼吸式移动床生物质热解炭化装置设计与试验

针对目前内热式移动床生物质热解炭化试验研究平台条件不足的问题,开发了一种内加热兼吸式移动床热解炭化装置,模拟连续式热解炭化工艺,设计了供气系统、出炭系统、产物收集系统、气体净化系统、温度监控系统,以稻壳作为原料,开展了上吸和下吸式热解炭化试验,研究了停留时间和吸气方式对内热式热解炭化产物的影响。结果表明,随着停留时间的增加,上吸和下吸内热式热解炭化变化趋势基本相同,挥发分和固定碳含量均呈下降趋势,灰分含量增加,磷及氮元素含量均下降,氧元素含量上升,氢元素变化趋势不明显,热值分别从20.7MJ/kg和22MJ/kg下降到14.6MJ/kg和15.2MJ/kg;比表面积分别从0.73m2/g和0.78m2/g上升到3.84m2/g和3.95m2/g,生物炭孔隙结构得到了发展。该系统结构合理,运行稳定可靠,密封效果良好,可有效控制进气方式、进气量、保温炭化时间等试验因素。为内加热炭化工艺参数试验研究提供了重要支撑。     

水气双向分离式生物质连续热解中试设备的研制

针对现有生物质热解设备存在的热解气中水分含量高及设备密封性差等问题,结合农业废弃物原料特征,提出了水气双向分离热解工艺方案,在此基础上,对水气双向分离热解反应器、进料和冷却出炭装置进行了专门设计,开发了水气双向分离式生物质连续热解中试设备。设备运行检测结果表明,以玉米秸秆为原料,原料处理能力27.6 kg/h,生物炭得率32.2%,热解气产率0.41 m3/kg,热解气热值15.3 MJ/m3,热解气含水率6.82%,各项技术指标均达到设备设计目标与要求。该中试设备的开发为设备示范应用提供了基础支撑。      

连续式秸秆炭化炉的设计

炭化是解决秸秆、稻壳、农林废弃物等生物质资源化开发利用的有效途径.设计一种连续式秸秆炭化炉,介绍炭化炉的整体结构设计,详细说明其主要部件的设计方案及参数选择.经验证,该炭化炉结构合理,制造工艺简单,操作方便,性能可靠,具有较好的经济性和市场前景.     

移动式玉米秸秆热解炭化原位还田设备研究

针对目前秸秆炭化还田主要以异位为主,移动式热解设备结构复杂,难以实现秸秆田间炭化还田等问题,基于秸秆内热式低氧炭化原理,建立自供热反应系统,研制热解炭化反应器和热解气清洁燃烧室等关键部件,集成秸秆捡拾收集、粉碎输送、烟气回用烘焙、生物炭原位还田技术,研发移动式热解炭化原位还田设备。样机试制后,进行了静态调试试验,结果表明：该设备原料处理量为50 kg/h,炭得率为21%,系统能量利用率74.6%;排放烟气中NO_x质量浓度为184 mg/m³,SO₂质量浓度为26 mg/m³,颗粒物质量浓度为17.8 mg/m³,达到烟气排放要求;生物炭中总碳、固定碳及金属元素含量符合DB21/T 3314—2020《生物炭直接还田技术规程》中的Ⅰ级生物炭要求。该设备能够实现低碳排放、炭化能源自给、田间作业等功能,为秸秆还田提供支撑平台。     

下降管式生物质热解液化技术中的除尘设备

介绍了下降管式生物质热解液化装置的原理和工艺过程,比较了各种除尘装置的特点,指出在生物质热解液化工艺中用旋风除尘器除尘是较好的选择.在利用下降管式生物质热解液化装置进行热解实验的基础上,对旋风除尘器的效率做了实验分析.     

生物质炭化设备输料系统的设计与验证

生物质经热解炭化后,可产出生物炭、燃气及焦油等经济产物,为提高生物质能源的利用率,在已有连续式热解炭化设备基础上,提出以四线螺旋输料系统为主,密封进料、冷却出炭为辅的物料传输系统,提高设备输送平稳性及物料滞留时间控制的精准性,并进行试验验证。     

生物质热解柔性输送装置性能研究

为了解决生物质连续热解装置的螺旋绞龙与热解管因热变形而发生的机械干涉现象,研究了一种用于生物质热解的无轴柔性连续输送装置,设计了该无轴柔性螺旋叶片参数。以稻壳、木屑和黄豆为输送物料,探究了螺距、转速和有轴、无轴等因素对输送性能的影响。结果表明:柔性输送装置的输送能力随着螺距的增加而增强,在中低转速下,物料的处理量随着转速的增加呈线性增加,表明物料的输送量和通过时间可通过调节电机转速实现精准控制;无轴螺旋输送能力比有轴螺旋增加15%~30%,且输送过程平稳,避免了物料在输送装置与输送管之间发生挤压、进而出现死机的现象。     

生物质热解利用系统的实验研究

根据产气量为20m3/h的热解炉,以玉米秸秆颗粒为生物质原料,对额定功率为10kW的燃气发电系统及其相关的焦油裂解装置进行了研究,得出玉米秸秆颗粒在热解温度为470℃左右时,燃气的热值最高,以煅烧的白云石和镍基催化剂组成的焦油裂解装置,在催化裂解温度为850℃时,可达97%以上的焦油裂解率.结合对热解气副产物生物质炭的分析,得出了生物质热解利用系统的产出能量大概分布,为生物质能源的高效综合利用提供一定的参考.     

移动式生物质快速热裂解装置设计与性能研究

设计了一套移动式套管流化床生物质快速热裂解反应装置。阐述了套管流化床反应器、流化床气力输送进料装置、喷射喷淋组合式冷凝器等主要组成部件的结构,并对各部件的性能进行试验测试。试验结果表明,流化床气力输送进料装置受喷动气速的影响较大,在流化气速为0. 02 m/s时,随着喷动气速的增加,进料率快速增加,当喷动气速超过8 m/s时,这一趋势趋缓并且进料率波动范围变大;利用燃烧液化石油气和不可冷凝气方式加热套管流化床,流化床反应器内部温度场稳定,满足生物质热裂解的需要;喷射喷淋组合式冷凝器适用于热裂解气体产物的冷却,为提高热解油净产量,在给定的温度下,需要较大的喷淋流量和喷射流量。在反应温度为500℃时,落叶松木屑的热解油产率最高可达68. 6%。     

生物质热裂解液化物质平衡及影响因素分析

采用自制的小型流化床热裂解反应装置,利用农业废弃物（如玉米秸秆、稻壳、松木屑等）进行快速热裂解液化试验。试验结果表明,红松木屑的产油率最高,为62．39wt％,秸秆次之;在450℃,475℃,500℃,525℃和550℃等5种不同温度下,玉米秸秆热裂解在475℃时产油率最高,为56．28wt％。快速热裂解液化试验为生物质热裂解液化的研究提供了有益的参考。     

煤与生物质恒温热解比较研究

在实验室自制固定床热解反应器中,选择了两种煤(神华煤和灵武煤)和3种生物质(花生壳、核桃壳和木屑)作为实验材料,定量化分析比较了恒温热解和同温热解停留时间对煤与生物质热解产氢及热解油、热解焦产率的影响.研究认为:实验用煤与生物质催化热解表现出基本相同的热解趋势,即提高热解温度和延长热解时间(对生物质添加合适催化剂)都有利于产氢;对煤而言,提高热解温度和延长热解时间还利于热解油生成,但对生物质而言,效果不很明显.     

新型下降管生物质热裂解液化装置的试验研究

采用新型下降管热裂解液化反应器,利用玉米秸秆粉进行(快速)热裂解试验,对物料及热载体的理化性质进行了分析。考察反应装置的整体运行情况,在固体热载体与生物质颗粒的质量比为20:1的情况下,固体热载体预热温度达到575℃时,截取了连续150min内V型下降管内的温度变化,对喷淋装置内生物油的温度进行了实时采集。实验结果得到了475、525、575℃不同温度下的生物油收集率,并对热裂解产物包括生物油的理化特性、炭粉粒径分布和不可冷凝气体的成分进行分析。     

生物质快速热裂解制取生物油的研究

阐述了生物质热裂解机理,介绍了生物质热裂解液化技术的工艺流程,对生物质热裂解液化技术研发现状进行了总结。以榆木木屑为原料,在自制的小型流化床上,开展了生物质快速热裂解制取生物油的试验研究。试验结果表明,粒径小于0.2mm的生物质粒径对生物油产率影响不大,最高生物油产率为43.93wt%,并指出了生物油的应用方式,为生物质快速热裂解液化技术的研究提供了参考。     

几种生物质热解过程的TG-DSC分析

应用热重—差示扫描(TG-DSC)同步热分析仪对小麦秸秆、棉秆、花生壳和白松等生物质进行了热解实验研究。通过对实验所得小麦秸秆的DTG和DSC曲线对比分析,对生物质热解过程进行了详细的探讨。在DSC曲线上扣除水分的影响后,对其积分得出热解过程需热量的规律。实验数据为生物质热解工艺的能量平衡分析和经济性分析提供了参考。这种方法可以推广到其他生物质以及垃圾等热解和燃烧过程的研究中。     

生物质微波裂解技术的研究进展

能源是人类生存与发展的物质基础,但是矿物能源资源的有限性、不可再生性及其利用所造成的环境污染,使人们越来越重视清洁可再生的生物质能源开发利用。生物质热化学裂解已引起了越来越广泛的兴趣,但微波裂解更具优势而备受关注。为梳理生物质微波裂解技术的现状和预测未来发展方向,综述了其研究进展。同时,着重介绍了微波加热的特点、机理、优势及应用,考察了微波裂解对不同原料的加工效果及其主要研究成果,综述了微波裂解气态产物和液态产物的特点、优势与应用前景。最后预测了生物质微波裂解未来的发展方向,主要包括寻求如海藻等高效低耗的生物质原料,开发更经济高效的转化技术和设备,探索有效的生物质催化裂解技术,开发高价值的生物油及其副产品等。     

生物质热解挥发物原位贫氧调质试验研究

针对热解挥发物直接燃烧作为分布式热解制炭热源工艺,以消除生物质热解挥发物中炭颗粒、提高其品质,改善其燃烧性能为目的,利用自制生物质螺旋连续热解反应器和热解挥发物贫氧调质反应器,采用贫氧燃烧方式进行了热解挥发物原位调质试验研究,分析了调质温度、空气量对挥发物组分的影响。结果表明:生物质热解挥发物中携带炭颗粒粒径为1~2μm,在调质温度350℃和空气量20 m L/min条件下,已很难收集到炭颗粒,原位贫氧调质可以消除热解挥发物中炭颗粒;贫氧调质对气相产物组分含量影响不明显,主要组分H2、CO2的变化均在±5%范围内,CO、CH4变化在±2%范围内;随着贫氧调质温度升高和空气量加大,重质组分中的烷类物质含量显著降低,酚类物质显著增加,呋喃、醇、茚、醛等次要组分含量略有增加,低碳原子数物质含量增加,高碳原子数物质含量降低;轻质产物中烷类、酸类、酮类和酚类物质相对含量发生显著变化,酚类物质性质较稳定,实际含量变化不明显,调质后低碳原子数物质含量增加。原位贫氧调质可以消除热解挥发物中炭颗粒,降低热解挥发物中重质组分含量,从而改善热解挥发物的燃烧性能,为热解挥发物直接燃烧作为分布式热解制炭的热源提供科学依据。