本發(fā)明屬于生物質(zhì)熱解
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種玉米秸稈低溫炭化制備生物質(zhì)炭燃料的方法。
背景技術(shù)：
：我國是秸稈產(chǎn)出大國，農(nóng)作物秸稈的污染問題一直是困擾農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。根據(jù)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑，目前生物質(zhì)能源化利用技術(shù)包括物理轉(zhuǎn)化、生物轉(zhuǎn)化和化學轉(zhuǎn)化。物理轉(zhuǎn)化主要為物理壓縮、壓塊處理，制備生物質(zhì)固體成型燃料；生物轉(zhuǎn)化主要是厭氧消化制沼氣和發(fā)酵生產(chǎn)乙醇；化學轉(zhuǎn)化包括液化、氣化、炭化等，是目前國內(nèi)外研究的重點，主要集中在生物質(zhì)液化和氣化方面的研究，對于生物質(zhì)炭化制備生物質(zhì)炭燃料的研究較少，且目前的生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)一般采用間歇工藝在中溫(400℃～700℃)或高溫(≥700℃)下進行，成本高、大多停留在實驗室研究階段。生物質(zhì)熱解是指生物質(zhì)在無氧或低氧的條件下，通過熱化學反應將生物質(zhì)大分子物質(zhì)(木質(zhì)素、纖維素和半纖維素)分解成較小分子的燃料物質(zhì)(固態(tài)炭、可燃氣、生物油)的熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)方法?，F(xiàn)有技術(shù)中，CN102703099A公開了一種垂直移動床稻殼碳化爐及其碳化稻殼方法，碳化爐包括顆粒系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、操作氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，顆粒系統(tǒng)形成稻殼下落的垂直移動床，操作氣系統(tǒng)為產(chǎn)生操作氣的工作部，稻殼在垂直移動床內(nèi)與操作氣發(fā)生逆流熱交換。其碳化稻殼的方法包括：S1.進料至上位料倉滿倉；S2.啟動燃氣風機和循環(huán)冷卻水泵；S3.燃燒室的點火燃燒器點火，同時開啟控制系統(tǒng)；S4.調(diào)整：殘氧濃度傳感器的目標參數(shù)不得小于1％，操作氣溫度傳感器的目標參數(shù)為675～685℃，爐膛出口溫度傳感器的目標參數(shù)為96～100℃，爐膛出口壓力傳感器的目標參數(shù)為-50～-30Pa，排料溫度傳感器的目標參數(shù)為小于400℃；S5.爐膛出口溫度傳感器的目標參數(shù)達到96～100℃時，逐步投入副燃氣風機、送風機，并逐步減少點火燃燒器負荷到零，利用稻殼料位傳感器，逐步加大出料量到額定負荷；S6.正常生產(chǎn)；S7.停機：給料停用稻殼改用其它小顆粒惰性物料，下鎖氣器調(diào)節(jié)到最大負荷；依次關(guān)閉副燃氣風機、送風機、停用控制系統(tǒng)；燃氣風機降到最低負荷；直至稻殼出凈后停爐。上述碳化稻殼的方法在生產(chǎn)規(guī)模上實現(xiàn)了稻殼的控溫連續(xù)碳化，產(chǎn)品為活性碳化稻殼、輕質(zhì)木焦油和可燃氣體。但是，其碳化溫度過高，所得產(chǎn)品為活性碳材料，能量密度低，不能作為燃料使用，能源得率低。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種玉米秸稈低溫炭化制備生物質(zhì)炭燃料的方法，所得生物質(zhì)炭能量密度高，可作為燃料使用，能源得率高。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種玉米秸稈低溫炭化制備生物質(zhì)炭燃料的方法，包括向炭化爐內(nèi)通入氮氣使爐內(nèi)為無氧或低氧環(huán)境后，將玉米秸稈原料顆粒從炭化爐頂部進料，熱氣流從炭化爐底部進入，在爐內(nèi)形成逆流反應區(qū)域；控制炭化爐底部的反應溫度為200～280℃，爐內(nèi)壓力為1010～1200mbar，反應生成生物質(zhì)炭燃料從炭化爐底部輸出。所述低氧環(huán)境是指氧氣體積百分含量低于10％。爐內(nèi)產(chǎn)生的可燃氣體從炭化爐上部排出。所述可燃氣體經(jīng)冷凝處理后，燃燒產(chǎn)生熱氣流作為炭化爐的熱源。所述可燃氣體依次經(jīng)除塵、冷凝、凈化處理后，燃燒產(chǎn)生熱氣流作為炭化爐的熱源，實現(xiàn)了能量的循環(huán)利用。此處所述除塵是采用旋風除塵器進行除塵，去除可燃氣體攜帶的碳顆粒及粉塵等固體雜質(zhì)，減少進入冷凝器的氣體中固體雜質(zhì)的含量，不僅避免了冷凝器內(nèi)部結(jié)垢的現(xiàn)象，減少了冷凝液體中固體雜質(zhì)的含量，提高了冷凝產(chǎn)品的品質(zhì)；同時，經(jīng)過除塵的可燃氣體燃燒時，避免了氣體燃燒不均勻、燃燒效率不高，甚至爆燃的現(xiàn)象，使進入炭化爐的熱氣流溫度可控，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。所述冷凝是采用冷卻水進行冷凝，冷凝前氣體的溫度為51～60℃，冷凝后氣體的溫度為40～50℃。冷凝所得產(chǎn)物主要成分是醋液。所述凈化是采用吸附器進行吸附凈化，去除冷凝器未能處理的、被氣流攜帶出的小液滴，對可燃氣體進行進一步的凈化，提高后續(xù)燃燒的效率和均勻性，進一步提高進入炭化爐的熱氣流溫度的可控性和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。通過輔助加熱系統(tǒng)、或在燃燒時通入助燃氣體、或在燃燒段后部通入氮氣的方式控制熱氣流的溫度，從而控制炭化爐底部的熱解反應溫度。所述助燃氣體為空氣。所述輔助加熱系統(tǒng)為電加熱或通入天然氣燃燒加熱。空氣的加入量是依據(jù)熱解氣的流量信號自動控制，以保證燃燒的正常進行。為控制燃燒氣出口氣體溫度(熱氣流溫度)，依據(jù)溫度信號，溫度低時輔助加熱，溫度高時加入一定流量的氮氣，以保證進入炭化爐的熱氣流溫度穩(wěn)定。所述玉米秸稈原料顆粒是由以下方法制備的：將玉米秸稈粉碎至粒徑<3mm，后經(jīng)壓制成型至粒徑<15mm，即得。所得玉米秸稈原料顆粒的堆密度0.25～0.40g/cm3。所述玉米秸稈原料顆粒的含水率<20％。該方法中，物料在炭化爐中的停留時間為1～6h。本發(fā)明的玉米秸稈低溫炭化制備生物質(zhì)炭燃料的方法，以N2作載氣，開始通入N2保證炭化爐內(nèi)為無氧或低氧環(huán)境，然后將玉米秸稈原料顆粒輸送至炭化爐中；初始利用輔助加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱氣流作為起始熱源為熱解炭化反應提供熱量；玉米秸稈原料顆粒依靠自重從炭化爐頂部下降到底部，熱氣流從炭化爐底部上升至頂部，兩者直接接觸，在垂直方向上逆流移動并形成持續(xù)反應區(qū)域?？刂铺炕癄t底部的熱解反應溫度為200～280℃，爐內(nèi)壓力為1010～1200mbar(絕壓)，炭化爐內(nèi)維持著溫度梯度，從上到下溫度逐漸升高，使秸稈在爐內(nèi)從上到下運動過程中依次實現(xiàn)干燥、預熱解、熱解和炭化階段，從而在爐底生成生物質(zhì)炭燃料，從爐底輸出，實現(xiàn)生物質(zhì)炭燃料的制備；該方法中，原料顆粒與熱氣流直接接觸，熱利用效率高；炭化溫度低，避免了焦油的產(chǎn)生；所得生物質(zhì)炭燃料的質(zhì)量得率70％～85％，能源得率85％～95％，能源得率高；所得生物質(zhì)炭能量密度高，可作為燃料使用，拓展了產(chǎn)品的用途，為玉米秸稈的回收利用提供了新的途徑。該方法中，玉米秸稈原料顆粒以一定的速率進入炭化爐，從炭化爐頂部移動降到底部過程中，首先失去水分被干燥，原料顆粒持續(xù)下降，逐漸通過溫度更高區(qū)域，此時生物質(zhì)發(fā)生熱解反應，釋放出CO、CO2及輕組分有機物等氣體，熱解完成得到的生物質(zhì)炭燃料以一定的出炭速率在爐底連續(xù)輸出，實現(xiàn)了生物質(zhì)炭燃料的連續(xù)生產(chǎn)。進一步的，熱解過程中產(chǎn)生的可燃氣體，從炭化爐上部排出，依次經(jīng)除塵、冷凝、凈化后，通過燃燒產(chǎn)生熱氣流進入炭化爐作為熱源；利用炭化過程中產(chǎn)生的可燃氣體作為熱解加熱熱源，實現(xiàn)了能量的循環(huán)利用，節(jié)約能源，且能維持炭化爐的連續(xù)生產(chǎn)。本發(fā)明的玉米秸稈低溫炭化制備生物質(zhì)炭燃料的方法，以玉米秸稈為原料，利用低溫炭化技術(shù)將廢棄玉米秸稈轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭燃料，并實現(xiàn)了規(guī)?；B續(xù)生產(chǎn)；低溫炭化技術(shù)有效的減少了生產(chǎn)能耗，提高了生物質(zhì)炭燃料的產(chǎn)量，避免了焦油的產(chǎn)生(后續(xù)冷凝液體的主要成分為醋液)；連續(xù)性炭化工藝，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；可燃氣體回收利用，能量自循環(huán)，有效減少了生產(chǎn)能耗；所得生物質(zhì)炭燃料可有效減少一次能源的消耗，緩解目前能源緊張的局面，為秸稈的綜合利用和新能源的開發(fā)開辟了新途徑，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，適合推廣使用。附圖說明圖1為具體實施方式所用的生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明。具體實施方式中，所用的生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化裝置如圖1所示，包括移動床熱解系統(tǒng)、進料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)和燃氣循環(huán)系統(tǒng)，所述移動床熱解系統(tǒng)包括移動床熱解炭化爐1，所述移動床熱解炭化爐1的頂部設(shè)有進料口1-3、底部設(shè)有出料口1-4；所述進料系統(tǒng)包括原料倉6，所述原料倉6的排料口通過第一管道與設(shè)置在移動床熱解炭化爐1頂部的進料口1-3相連接，所述第一管路上還設(shè)有螺旋輸送機，用于將原料倉6的原料送入移動床熱解炭化爐1；所述出料系統(tǒng)包括成品儲罐7，所述成品儲罐7的進口通過第二管路與設(shè)置在移動床熱解炭化爐1底部的出料口1-4相連接；所述第二管路上還設(shè)有帶有冷卻系統(tǒng)的螺旋輸送機。該生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化裝置是一個密閉的內(nèi)循環(huán)反應系統(tǒng)，所述第一管路靠近進料口1-3處設(shè)有閥門組8，閥門組8包括依次設(shè)置的2個自動閥門8-1、8-2，第二管路靠近出料口1-4處設(shè)有閥門組9，閥門組9包括依次設(shè)置的2個自動閥門9-1、9-2，通過上、下閥門的交錯開閉實現(xiàn)運行時設(shè)備的密閉；所述移動床熱解炭化爐1內(nèi)部還設(shè)有物料層料位探測器(料位激光探頭，圖中未畫出)，用于探測物料層料位并反饋給PLC自動化控制系統(tǒng)，通過PLC自動化控制系統(tǒng)控制進料口、出料口處的自動閥門組8、9實現(xiàn)自動進料和/或自動出料。所述燃氣循環(huán)系統(tǒng)包括旋風除塵器2、冷凝器3、吸附器4和回流加熱器5，所述旋風除塵器2的氣體進口2-1與移動床熱解炭化爐1的熱解氣出口1-2相連接，旋風除塵器2的氣體出口2-2與所述冷凝器3的氣體進口3-1相連接，旋風除塵器2的底部還設(shè)有用于排出收集粉塵的集塵出口2-3；冷凝器3的氣體出口3-2與吸附器4的氣體進口4-1相連接，冷凝器3的底部還設(shè)有用于排出冷凝液體的排液口3-3；吸附器4的氣體出口4-2通過第三管路與回流加熱器5的燃氣進口5-1相連接，所述吸附器4的底部還設(shè)有用于排出吸附物質(zhì)的排液口4-3，所述第三管路上還設(shè)有用于燃氣循環(huán)的循環(huán)泵；回流加熱器5的熱氣流出口5-2通過第四管路與移動床熱解炭化爐1的熱氣流進口1-1相連接，所述第四管道上還設(shè)有電動三通閥10，該電動三通閥10連接有用于排放尾氣的尾氣排放管道。所述回流加熱器5上還設(shè)有補充燃料進口5-5(輔助加熱系統(tǒng))、助燃氣體進口5-3和氮氣進口5-4，分別連接天然氣管線、空氣管線和氮氣管線，所述天然氣管線、空氣管線和氮氣管線上分別設(shè)有電動閥門13、11、12，用于向回流加熱器供天然氣和/或空氣和/或氮氣。該生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化裝置，根據(jù)移動床熱解炭化爐1內(nèi)部的物料層料位探測器探測信號，一旦探測料位不足，通過PLC自動化控制系統(tǒng)啟動螺旋輸送機和自動閥門組8，原料顆粒定量進入兩閥門之間，然后根據(jù)時間連鎖裝置，關(guān)閉上部閥門，打開下部閥門，自動加料；熱解完成，啟動自動閥門組9，產(chǎn)物定量進入兩閥門之間，然后根據(jù)時間連鎖裝置，關(guān)閉上部閥門，打開下部閥門，自動出料。通過PLC自動化控制系統(tǒng)控制自動進料和自動出料實現(xiàn)設(shè)備運行的連續(xù)性。該生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化裝置中，回流加熱器5上設(shè)有助燃氣體進口5-3、氮氣進口5-4和補充燃料進口5-5(輔助加熱系統(tǒng))，進口都采用切向進料，助燃氣體(空氣)的加入量是依據(jù)熱解氣的流量信號自動控制，以保證燃燒的正常進行。移動床熱解炭化爐1的反應溫度是依據(jù)溫度信號，在回流加熱器5燃燒段后部加入一定流量的氮氣或補充燃料，以保證炭化爐的溫度穩(wěn)定。該生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化裝置的壓力由PLC自動化控制系統(tǒng)自動控制，為了維持爐體壓力的穩(wěn)定，排放一部分煙氣。具體實施方式中，所用的玉米秸稈原料顆粒是由以下方法制備的：將玉米秸稈粉碎至粒徑<3mm，后經(jīng)壓制成型至粒徑<15mm，即得，所得玉米秸稈原料顆粒的堆密度0.25～0.40g/cm3。所述玉米秸稈原料顆粒的含水率<20％。具體實施方式中，所用氮氣的純度不低于99％。實施例1本實施例的玉米秸稈低溫炭化制備生物質(zhì)炭燃料的方法，采用上述的生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化裝置，具體為：向炭化爐內(nèi)通入氮氣使爐內(nèi)為無氧或低氧環(huán)境(氧氣體積百分含量低于10％)，將玉米秸稈原料顆粒從炭化爐頂部進料，依靠其自身重力向下自流；熱氣流從炭化爐底部進入，從底部上升至頂部，在爐內(nèi)形成逆流反應區(qū)域；通過熱氣流控制炭化爐底部的反應溫度為220℃，爐內(nèi)壓力為1050mbar，物料在爐內(nèi)的停留時間為5h，反應生成生物質(zhì)炭燃料從炭化爐底部輸出，爐內(nèi)產(chǎn)生的可燃氣體從炭化爐的熱解氣出口排出。炭化爐內(nèi)維持著溫度梯度，從上到下溫度逐漸升高，使秸稈在爐內(nèi)從上到下運動過程中依次實現(xiàn)干燥、預熱解、熱解和炭化階段，從而在爐底生成生物質(zhì)炭燃料，從爐底輸出，實現(xiàn)生物質(zhì)炭燃料的制備。初始的熱氣流由輔助加熱系統(tǒng)產(chǎn)生，所述輔助加熱系統(tǒng)為向回流加熱器中通入天然氣(補充燃料)燃燒；后續(xù)爐內(nèi)產(chǎn)生的可燃氣體依次經(jīng)除塵、冷凝、凈化處理后，在回流加熱器燃燒產(chǎn)生熱氣流作為炭化爐的熱源；通過輔助加熱系統(tǒng)、或在燃燒時通入助燃氣體(空氣)、或在燃燒段后部通入氮氣，以控制炭化爐底部的熱解反應溫度。所述冷凝是采用冷卻水進行冷凝，冷凝前氣體的溫度為51～60℃，冷凝后氣體的溫度為40～50℃。冷凝所得產(chǎn)物主要成分是醋液。實施例2-5的玉米秸稈低溫炭化制備生物質(zhì)炭燃料的方法的技術(shù)參數(shù)如表1所示，其余同實施例1。表1實施例2-5的玉米秸稈低溫炭化制備生物質(zhì)炭燃料的方法的技術(shù)參數(shù)表實施例反應溫度(℃)爐內(nèi)壓力(絕壓，mbar)物料停留時間(h)224011004325011503427012001520010106實驗例1本實驗例對實施例1-5的玉米秸稈低溫炭化制備生物質(zhì)炭燃料的方法所得生物質(zhì)炭燃料進行統(tǒng)計和檢測。檢測方法及所用儀器如下：熱重及燃燒特性分析：采用德國NETZSCH儀器公司的STA449F3同步熱分析儀(ThermogravimetricAnalyzer)。熱值測定：采用量熱儀(鄭州恒亞儀器儀表有限公司，HY-A9)及電子天平(深圳市無限量衡器有限公司，MAX-A6002)。質(zhì)量得率和能源得率：質(zhì)量得率ηm和能量得率ηe的計算公式如下，ηm=m2m1×100%---(1)]]>ηe=ηm(Q2Q1)---(2)]]>式中：m1和Q1表示原料質(zhì)量和低位發(fā)熱量，m2和Q2表示生物質(zhì)炭燃料質(zhì)量和低位發(fā)熱量。結(jié)果如表2所示。其中，所述原料為玉米秸稈原料顆粒。表2實施例1-5所得生物質(zhì)炭燃料的檢測結(jié)果對象反應溫度(℃)空干基低位熱值(MJ/kg)質(zhì)量得率(％)能源得率(％)原料-15.24--實施例122017.7379.892.84實施例224018.0877.792.18實施例325018.1575.790.15實施例427018.2371.285.17實施例520017.1182.993.07從表2可以看出，與玉米秸稈原料顆粒相比，本發(fā)明所得生物質(zhì)炭燃料具有較高的空干基低位熱值；原料顆粒在低溫熱解炭化過程中，產(chǎn)生的熱解氣帶走了一部分的能量，但是生成的生物質(zhì)炭燃料還是保存了玉米秸稈原料的大部分能量，具有較高的質(zhì)量得率和能源得率。本發(fā)明以獲得固體燃料炭為目的，對照《煤炭質(zhì)量分級第3部分：發(fā)熱量》(GB/T15224.3-2010)，本發(fā)明所得生物質(zhì)炭燃料相當于中低發(fā)熱量煤。對照《生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件》(NY/T1878-2010)，本發(fā)明所得生物質(zhì)炭燃料的發(fā)熱量比草本類生物質(zhì)固體成型燃料的發(fā)熱量高，240℃(實施例2)時生物質(zhì)炭燃料的熱值比草本類生物質(zhì)固體成型燃料標準高4.68MJ/kg。實驗例2本實驗例對實施例所得生物質(zhì)炭燃料的燃燒性能進行檢測。檢測方法及所用儀器如下：熱重及燃燒特性分析：采用德國NETZSCH儀器公司的STA449F3同步熱分析儀(ThermogravimetricAnalyzer)。工業(yè)分析：采用馬弗爐(上海凱朗儀器設(shè)備廠，SX2-4-10)和干燥箱(吳江市閩鑫烘箱電爐制造有限公司，MX841-6)。元素分析：采用德國Elementar公司，varioELIII型元素分析儀。結(jié)果如表3所示。表3實施例所得生物質(zhì)炭燃料的燃燒性能檢測結(jié)果從表3可以看出，實施例所得生物質(zhì)炭燃料的著火溫度低于木炭(487.2℃)和燒烤炭(361.7℃)，更易燃燒，綜合燃燒特性指數(shù)高于木炭(1.461)、低于燒烤炭(3.405)，具有優(yōu)異的燃燒性能。當前第1頁1 2 3