生物质锯末连续炭化工艺研究.docx

生物质锯末连续炭化工艺研究 柴胡是传统的燃料品种。随着科学技术和环境保护的提高，锯末、收获稻草、植物枝叶等原料利用植物残留物，通过机械加工、连续燃烧和精制而成。已经完全取代了木材来燃烧木材。欧美和日本等发达国家研发和采用各种机械化和连续化的生物质炭化工艺和设备,大大缩短了炭化时间,提高了设备的生产率,实现了生产过程的自动化。我国近二十年来通过引进国外先进技术和自主研发相结合,在生物质成型和炭化技术方面取得了长足进步。生物质炭化产物除炭粉外,还有木煤气、木焦油、木醋液等,其中炭粉产量不足原料的1/4。木煤气是一种使用方便的中等热值、低硫燃气。木焦油可分离提取抗氧剂等精细化学品或加工为生物燃料。木醋液在农林业有广泛应用。由于木屑、秸秆等均为松散物质,长途运输费用较大。因此目前国内多数机制木炭工厂规模较小,自动化程度低。虽然机械成型设备应用较广,但是炭化过程仍以传统的间歇炭化窑炉生产为主,生产周期长达10~15 d左右;炭粉质量和产量完全依赖于操作人员的经验,劳动强度大,可靠性低。同时,占原料3/4的木煤气、木焦油、木醋液等副产物无法回收利用,直接排放,污染环境。此外目前生物质机制木炭生产过程,包括集运→(粉碎)→气流干燥→机械成型→土窑炭化→炭棒→(破碎筛分)等生产环节,其中机械成型零件寿命较短,能耗较高。因此开展连续炭化工艺和设备研究,对于提升我国机制木炭工业的整体技术水平具有现实意义。 笔者针对现有生物质炭化技术的不足,提出锯末连续螺旋炭化新工艺,省去机械成型环节,改土窑间歇炭化为间壁加热螺旋输送连续炭化,锯末炭化副产物得到分离利用。在本文中报道了自行设计加工的螺旋炭化试验装置,以锯末为原料,开展生物质连续炭化工艺研究结果。 1 实验部分 1.1 实验材料 原料采用浙江浦江中东木业有限公司提供的以松木、红木、椴木、杉木为主的锯末,锯末粒度在 20~120目之间,其工业分析结果见表2。 1.2 螺旋炭化机 实验流程如图1所示,将经过干燥处理后的锯末加入料斗,料斗中的锯末在给料机的作用下,按一定的流量输送到螺旋炭化机。锯末在螺旋推动下实现进料、预热、炭化和出料的炭化过程,炭化过程中流出的焦油和热解气经2级冷却、分离。分离后的气体用作螺旋炭化机的加热燃气。分离后的液相焦油经汇总进入计量罐,计量后分析处理。炭化后流出的炭粉,经冷却后存入储罐,进行计量分析。炭化筒直径为φ273 mm,长度为3 000 mm。 1.3 比表面积和孔径测试 炭粉形貌分析采用JSM-6701F冷场发射型扫描电镜(日本电子);炭粉比表面积和孔容分析采用美国Micromeritics ASAP2010比表面积和孔径测试仪,77 K温度下测定。所有样品的工业分析值,按国家木炭质量标准(GB/T 17664—1999)测定。固定碳以经干燥后的木炭质量,减去其所含灰分及挥发分来计算。 2 分析与讨论的结果 2.1 停留时间对炭粉质量的影响 调节调频器的工作频率,可改变推料螺旋的转速,控制锯末在炭化机中的停留时间。表1列出了在给料机转速300 r/min、温度500℃的条件下,不同停留时间对产物炭粉质量的影响。锯末在炭化机中的停留时间越长,炭粉的灰分值越高,挥发分越低。这是由于随着时间的延长,挥发分的挥发增多形成的结果。当停留时间只有10 min时,锯末在炭化机中并没完全炭化,所以固定碳的含量较低。当停留时间达到20 min以上时,在相同炭化温度下,炭粉固定炭的含量相差不大。综合考虑最佳的停留时间应在20~30 min之间。 2.2 固定炭含量10%级品,优级品 在给料机转速300 r/min、螺旋炭化机转速 3 r/min(停留时间25 min)的条件下,不同炭化温度对产物炭粉的影响见图2。根据国标木炭质量标准(GB/T 17664—1999),固定炭含量大于65%为合格品,固定炭含量大于70%为一级品,固定炭含量大于75%为优级品。由图2可知,随着炭化温度升高,固定炭、灰分的含量增高,水分、挥发分的含量降低。炭化温度达到450℃左右时,就可以生产出合格的炭粉;炭化温度达到520℃时,就可以生产出一级的炭粉;炭化温度达到560℃左右时,就可以生产出优级的炭粉。 上述炭粉样品的微观形貌可用扫描电镜观察,见图3。从各样品照片中可以清晰地看出:炭粉的管胞、细胞腔、纹孔口、纹孔膜等随炭化温度升高发生显著变化。炭化温度在420~470℃时,大部分纹孔外层膜尚未被破坏,说明该温度段对原料内部的破坏较轻。炭化温度在520℃时,部分纹孔外层膜开始破损,但纹孔内层膜尚未被破坏,表面开始出现沉积物。炭化温度在630℃时,大部分纹孔外层膜产生破损,部分纹孔内层膜也发生破损现象,表面沉积物明显增多。由此可知,炭化温度越高,锯末的炭化越完全。 2.3 连续螺旋炭化制炭粉 将原料、连续螺旋炭化