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胡二峰1，趙立欣1，吳娟2，孟海波1，姚宗路1，叢宏斌1，吳雨濃1
（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，南京210042）
摘要：熱解技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物清潔利用的有效途徑之一。該文概述了熱解技術(shù)在農(nóng)作物秸稈資源化利用中的應用，梳理介紹了生物質(zhì)熱解基本反應與過程和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，探討了制約生物質(zhì)熱解技術(shù)發(fā)展的主要問題，提出了開發(fā)低成本、高效率多技術(shù)集成的外熱式回轉(zhuǎn)窯熱解炭化技術(shù)的方法。結(jié)合該團隊在的技術(shù)積累，針對玉米秸稈熱解炭化技術(shù)需求，通過集成密封進料、連續(xù)熱解、熱解氣/油回燃等技術(shù)，開發(fā)了連續(xù)熱解炭化聯(lián)產(chǎn)技術(shù)裝備，并建成了500kg/h熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)示范工程，驗證了新工藝的可行性和先進性，展現(xiàn)了良好的技術(shù)應用前景，解決了連續(xù)熱解設備作業(yè)穩(wěn)定性差、換熱效率低等問題，實現(xiàn)了北方地區(qū)秸稈資源化綜合利用，對提高農(nóng)業(yè)綜合效益、改善農(nóng)村生活品質(zhì)具有重要意義。在前期研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出進一步深入研究定向調(diào)控熱解產(chǎn)物的方法，為實現(xiàn)農(nóng)村生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)輕簡化系統(tǒng)提供理論指導。
0引言
中國生物質(zhì)資源豐富、種類繁多，其中僅玉米、水稻、小麥等農(nóng)作物秸稈資源2016年產(chǎn)量就已9.96億t，約合5億t標準煤[1-2]。然而，每年約有2億t秸稈被就地廢棄，造成了嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。另一方面，化肥的過度使用造成土壤肥力下降，農(nóng)藥的大量使用造成土壤和地下水污染，危害生態(tài)環(huán)境[3]。秸稈等生物質(zhì)熱解技術(shù)是一種熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)，該技術(shù)不僅可以實現(xiàn)生物質(zhì)的高值化利用，而且產(chǎn)生的熱解炭在土壤改良、重金屬吸附和水源凈化等方面也具有重要作用[4-5]，因而受到更多國內(nèi)外專家、學者的關(guān)注和研究。
近年來，國內(nèi)外學者對生物質(zhì)熱解進行了大量的研究，開展了大量的、以開發(fā)生物質(zhì)熱解技術(shù)和反應器為目標的研究工作，分為針對生物質(zhì)熱解特性的基礎(chǔ)研究和生物質(zhì)熱解工藝的技術(shù)開發(fā)。本文通過對生物質(zhì)熱解技術(shù)進行梳理，在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上，結(jié)合本團隊的研究進展，對生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)的發(fā)展提出建議，為實現(xiàn)中國農(nóng)村生物質(zhì)廢棄物資源化利用提供借鑒。
1生物質(zhì)熱解影響因素
生物質(zhì)熱解過程反應復雜，主要以裂解反應和縮聚反應為主，中間反應途徑甚多。熱解反應為脫羧反應、脫羰反應、脫水反應、反羥醛縮合反應等為主，包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的裂解，裂解產(chǎn)物中輕組分的揮發(fā)，揮發(fā)產(chǎn)物在析出過程中的分解和再結(jié)合，裂解殘留物的縮聚、進一步分解和再縮聚等過程。熱解過程大致分為干燥預熱階段、揮發(fā)分析出階段和生物炭縮聚階段[6-7]，經(jīng)歷自由水和化學水脫出、主要結(jié)構(gòu)分解和焦炭生成階段，產(chǎn)物包括水、熱解氣、直鏈烴類、醛、醇、酮、酸等[8-11]。
生物質(zhì)熱解的條件如原料種類[12]、升溫速率[13]、熱解溫度[14]、停留時間[15]、原料水分[16]、粒徑[17]、催化熱解[18]以及微波熱解[19]等都不同程度影響熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率和組成，因此，掌握生物質(zhì)熱解的影響因素與工藝研究現(xiàn)狀對新技術(shù)的設計與開發(fā)具有重要的指導意義。其中，浙江大學在分子團裂化重組對生物油影響、金屬鹽催化熱解機理、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中官能團轉(zhuǎn)變機理方面開展了研究；廣州能源研究所在定向氣化、水相重整方向、間接合成液體燃料方面開展了研究；華中科技大學在生物質(zhì)液化產(chǎn)物控制以及多聯(lián)產(chǎn)調(diào)控方面進行了研究；華東理工大學在生物質(zhì)聚態(tài)酸催化方面進行了研究，天津大學在生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化生物油方面開展了基礎(chǔ)研究。國外Bridgwater教授領(lǐng)銜的Pyne（歐洲熱解網(wǎng)）各成員也開展了大量的生物質(zhì)熱解相關(guān)研究，主要集中生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化和生物質(zhì)焦油提質(zhì)方面[20]。
1.1不同種類
生物質(zhì)種類直接影響熱解開始溫度、熱解產(chǎn)物分布和品質(zhì)等[12,21-22]。棉稈、稻草稈、麥草稈和玉米稈在相同熱解條件下，棉稈的生物炭產(chǎn)率最低，稻草稈的生物炭產(chǎn)率最高；棉稈的木醋液和熱解氣產(chǎn)率最高；玉米稈的熱解氣產(chǎn)率最低。相比于稻殼、木屑和牛糞等，玉米秸稈的揮發(fā)分析出的開始溫度和終止溫度較低，熱解活化能最小，熱解最容易進行?；罨苤苯臃磻獰峤庵蟹肿渔I能斷裂的一系列復雜、連續(xù)反應過程。根據(jù)不同秸稈活化能差異，推測玉米秸稈和稻桿的熱解過程差異很大。
1.2升溫速率
升溫速率越大，熱解程度越快，達到相同熱解程度所需時間越短。隨著加熱速率的升高，玉米秸稈和麥稈達到最高熱解速率所對應的溫度升高，不同升溫速率下達到最大熱解速率時的溫度發(fā)生在327～357℃之間[13,23]。升溫速率的增加，有利于物料揮發(fā)分的析出，熱解反應更容易進行。較高的升溫速率有助于生物炭孔隙的增加，但是升溫速率的提高，對生物炭最終產(chǎn)率幾乎無影響[23]。
1.3熱解溫度
隨著熱解溫度的升高，熱解炭產(chǎn)率逐漸降低，木醋液和熱解氣產(chǎn)率逐漸升高。當熱解溫度從350℃增加到700℃時，生物炭芳香化結(jié)構(gòu)加深、比表面積和孔隙度也有所增加[14,24]。隨著熱解溫度的增加，生物炭比表面積先增加后減小，且孔隙以微孔和介孔為主。當熱解溫度高于750℃時，生物炭部分孔坍塌表明炭沉積，生物炭比表面積有所降低[24]。
1.4反應停留時間
反應停留時間是影響生物質(zhì)熱解過程的重要參數(shù)。在恒定熱解溫度和升溫速率等條件下，反應停留時間的延長會增加生物炭的產(chǎn)量，對生物炭的灰分含量及元素組成也有一定影響[15,25-26]。縮短熱解氣在反應器內(nèi)的停留時間，有助于熱解氣相產(chǎn)物脫離顆粒表面，減少了二次反應，提高生物油產(chǎn)率和品質(zhì)[25-26]。
1.5水分
生物質(zhì)所含水分顯著影響生物質(zhì)熱解特性[16,27-28]。在樹皮熱解過程中，原料水分含量對半焦表面化學性質(zhì)影響顯著，水分含量降低，半焦結(jié)構(gòu)更趨于芳香化、石墨化[29]。稻稈熱解過程中水分含量的增加，使得熱解干燥階段所需熱量增多，水分含量直接影響熱解焦油中苯、甲苯和苯酚含量[28]。顆?？紫吨兴值奈龀?，有利于形成通往顆粒內(nèi)部孔道，使得揮發(fā)分更容易逸出，熱解更容易進行，減小了化學能[30]。
1.6原料預烘焙
預烘培可以有效降低原料中水分，減少進入生物油中的水分，降低生物油中氧及乙酸含量，提高生物油的產(chǎn)率和品質(zhì)[31]。預烘焙提高了物料的熱傳遞速率，加快熱解反應的進行，有助于熱解過程中甲烷和氫氣的產(chǎn)生，預烘焙后生物質(zhì)產(chǎn)生的焦油含水率更低、熱值更高，產(chǎn)生的生物炭含量及熱值增加15%～25%[32]。
2生物質(zhì)熱解工藝技術(shù)概況
針對生物質(zhì)熱解技術(shù)，國內(nèi)外開展了大量的研究工作[33-35]。其中美國、加拿大和澳大利亞等國家的生物炭研究工藝較為先進，近年來中國在生物質(zhì)技術(shù)方面也迅速發(fā)展。
生物質(zhì)熱解技術(shù)的核心是熱解反應器，其熱解反應器類型以及加熱方式對生物油產(chǎn)率和品質(zhì)影響顯著。熱解反應屬于吸熱反應，即該反應需要從外界吸收能量維持反應進行。截止到目前，常見的生物質(zhì)熱解反應器主要有鼓泡流化床反應器、循環(huán)流化床反應器、傳輸床反應器、旋轉(zhuǎn)錐反應器、螺旋反應器、燒蝕渦流反應器、真空熱解反應器、內(nèi)循環(huán)串行流化床反應器和下行床反應器等。生物質(zhì)熱解工藝技術(shù)按照加熱方式的不同，主要分為內(nèi)熱式、外熱式和內(nèi)-外復合加熱式[36-38]。
2.1內(nèi)熱式工藝
內(nèi)熱式工藝是指熱載體與生物質(zhì)直接接觸換熱，熱載體按照形態(tài)差異可分為氣體和固體兩類。氣體熱載體主要為熱煙氣；固體熱載體主要包括瓷球、半焦和灰。根據(jù)加熱方式的不同，可分為氣體熱載體加熱技術(shù)和固體熱載體加熱技術(shù)2大類。
2.1.1氣體熱載體技術(shù)
氣體熱載體是指生物質(zhì)的加熱介質(zhì)為氣體，主要為熱煙氣。熱解過程中，高溫熱煙氣直接進入反應器內(nèi)與生物質(zhì)接觸，并加熱生物質(zhì)。主要傳熱方式為對流傳熱，強化了生物質(zhì)的加熱速率。采用氣體熱載體加熱的典型工藝有加拿大Ensyn公司的循環(huán)流化床工藝[39]、加拿大Dynamotive公司的鼓泡流化床工藝[40]和東南大學的內(nèi)循環(huán)串行流化床反應器[41]等。選擇其中代表循環(huán)流化床和鼓泡流化床進行詳細介紹。
1）循環(huán)流化床技術(shù)
循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該技術(shù)可以對原料適應性強，爐內(nèi)溫度、氣流分布均勻，適合用在大型裝置系統(tǒng)中，容易實現(xiàn)商業(yè)化，具有代表性的是1989年Ensyn公司建成的世界上第一臺循環(huán)流化床生物質(zhì)快速熱解裝置[39]。生物炭和半焦在燃燒器中燃燒后，作為熱載體進入熱解室為反應提供熱量。由于該反應過程分別在兩個反應室進行，有效減少了氮氣等引起的稀釋效應。熱解過程中使用載氣的氣速較大，容易夾帶粉塵，收集到的生物焦油中所含細小焦炭顆粒較多，使得生物油品質(zhì)降低且難以利用。床層內(nèi)較多生物質(zhì)處于稀相流動狀態(tài)，生物質(zhì)和床料接觸欠佳，降低傳熱效率。焦炭燃燒后灰分隨著床料循環(huán)進入熱解室，會加劇熱解氣相產(chǎn)物的二次反應，降低生物焦油產(chǎn)率和品質(zhì)。
2）鼓泡流化床技術(shù)
鼓泡流化床示意圖如圖2所示。該工藝結(jié)構(gòu)簡單、溫度容易控制，流化床內(nèi)氣速超過臨界流化氣速后，床層出現(xiàn)氣泡且固體流化，呈現(xiàn)出顆粒聚集的濃相區(qū)和氣泡為主的稀相區(qū)，實現(xiàn)顆粒和床料之間高效換熱。加拿大Dynamotive公司自2006年開始已建成4套工業(yè)裝置，并已與湖北信達生物油技術(shù)公司合作，14～24t/d的熱解裝置在建。該技術(shù)要求生物質(zhì)粒徑約為2～3mm，因而在原料破碎方面能耗較高。由于生物炭在熱解反應過程中滯留時間過長，對熱解氣相產(chǎn)物催化裂解作用明顯，會降低焦油產(chǎn)率。由于該技術(shù)要求生物質(zhì)入料粒徑較小，因而容易攜帶粉塵進入下游處理設備，影響焦油品質(zhì)。
氣體熱載體技術(shù)可以實現(xiàn)物料的快速加熱，焦油產(chǎn)率高。但由于熱解氣中混入了熱煙氣，熱解氣熱值低，難以符合工業(yè)和民用要求；熱解過程中使用的載氣，容易造成粉塵夾帶，堵塞甚至惡化下游處理設備，且焦油往往存在塵含量高、品質(zhì)差等問題。
2.1.2固體熱載體技術(shù)
固體熱載體技術(shù)是指生物質(zhì)的加熱介質(zhì)為固體，主要包括陶瓷球和砂子等，如Karlsruhe理工學院和MississippiState大學開發(fā)的螺旋反應器，詳見圖3；該反應器通過將高溫固體熱載體和生物質(zhì)混合入料，在螺旋內(nèi)旋轉(zhuǎn)擠壓完成熱量交換，進而完成生物質(zhì)熱解。該技術(shù)不需要載氣，運行溫度較低（約為400℃），可以處理低品質(zhì)、難入料的物料。但是由于熱解氣相產(chǎn)物和生物炭在反應器內(nèi)停留時間長，生物油產(chǎn)率較低；且容易堵塞，裝置放大后傳熱效率低。此外，山東理工大學研制的陶瓷球熱載體加熱下降管式生物質(zhì)熱解裝置使用熱陶瓷球作為熱載體[43]，沈陽農(nóng)業(yè)大學的旋轉(zhuǎn)錐使用熱砂子作為熱載體[44]，但后兩者均采用內(nèi)熱-外熱復合式工藝。
2.2外熱式工藝
外熱式熱解爐中，生物質(zhì)熱解過程所需要的熱量，是熱解氣在燃燒室燃燒后將熱量由爐壁傳入爐中。爐壁對生物質(zhì)的傳熱方式主要為熱傳導和熱輻射。國內(nèi)外常見的外熱式技術(shù)以管式爐加熱爐體較多，具有代表性的還有前蘇聯(lián)開發(fā)的斯列普爐[45]、加拿大Laval開發(fā)的真空熱解反應器[46]、愛丁堡大學研制的熱解設備和中國科技大學研制的生物質(zhì)螺旋熱解裝置[47-49]等。
1）真空熱解反應器技術(shù)
真空熱解反應器是由加拿大Laval大學開發(fā)的反應器，詳見圖4。生物質(zhì)自上部進入反應器，受到重力和旋轉(zhuǎn)的多層熱解床作用，逐漸下落，并被加熱產(chǎn)生熱解氣相產(chǎn)物，被真空泵引導、逸出反應器。由于熱解過程中產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物在反應器中滯留時間短，因而熱解產(chǎn)物的二次反應減弱，但是由于生物質(zhì)升溫速率緩慢，致使焦油產(chǎn)率不高[47]；真空泵功率較大，能耗高，也制約著該技術(shù)的商業(yè)化推廣。
2）回轉(zhuǎn)爐熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)
農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計院通過消化吸收從英國引進的生物質(zhì)熱解技術(shù)，結(jié)合中國生物質(zhì)的原料特性，開發(fā)了連續(xù)式生物質(zhì)熱解技術(shù)工藝，其流程圖詳見圖5。該工藝包括密封進料、均勻布料、連續(xù)熱解、保溫炭化等工段，通過分段處理工藝有效提升了產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率。生物質(zhì)原料通過上料系統(tǒng)進入回轉(zhuǎn)爐反應器中，其中反應器尺寸Ф0.4m×L4m。隨著回轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)物料有序移動，在此過程中完成脫水、熱裂解過程，并進入到保溫炭化階段進一步熟化。熱解氣相產(chǎn)物通過凈化分離系統(tǒng)實現(xiàn)多級冷凝、除塵后進入儲氣裝置中[50]。
總體而言，外熱式生物質(zhì)熱解技術(shù)的優(yōu)勢是對原料適應性強，生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的氣體熱值較高，焦油中含塵量低；但是由于反應器內(nèi)溫差大，造成的生物炭品質(zhì)不均勻、焦油二次熱解嚴重、焦油產(chǎn)率低等問題，制約著該技術(shù)的發(fā)展。
2.3內(nèi)-外復合加熱式工藝
內(nèi)-外復合式加熱是指加熱生物質(zhì)的熱量來源于2個方面，一方面是外部熱源對反應爐加熱，熱量經(jīng)由爐壁傳遞給炭化室的生物質(zhì)；另一方面是熱煙氣或其他熱載體進入反應爐內(nèi)，與生物質(zhì)直接接觸傳熱。采用復合式加熱的典型工藝有美國加利福尼亞州的熱解設備[51]，山東理工大學開發(fā)的下降管式生物質(zhì)熱解裝置[43]，沈陽農(nóng)業(yè)大學的旋轉(zhuǎn)錐生物質(zhì)熱解裝置[44]。
1）內(nèi)外加熱熱解爐
內(nèi)外加熱熱解爐是由美國加利福尼亞州All Power Labs開發(fā)的熱解設備，其流程圖如圖6所示。該裝置由進料系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。將丙烷燃燒后產(chǎn)生的高溫氣體一部分通入加熱套，對生物質(zhì)間接加熱；另一部分直接從底部穿過對生物質(zhì)原料進行直接加熱，有利于原料呈現(xiàn)流化狀態(tài)，使原料受熱更加均勻充分。
內(nèi)-外復合加熱式技術(shù)可以充分利用生物質(zhì)熱解過程中產(chǎn)生的熱量，工藝相對簡單。然而，由于熱解過程中熱煙氣的使用，降低了生物質(zhì)熱解氣的熱值，影響熱解氣的民用或商用。熱解過程中使用的固體熱載體和氣體熱載體容易造成粉塵夾帶，堵塞甚至惡化下游處理設備，致使焦油往往存在塵含量高、品質(zhì)差等問題。
2）旋轉(zhuǎn)錐反應器
旋轉(zhuǎn)錐反應器荷蘭Twente大學開發(fā)，1995年，中國沈陽農(nóng)業(yè)大學與荷蘭Twene大學合作，引進一套50kg/h的旋轉(zhuǎn)錐反生物質(zhì)閃速熱裂解裝置[44]，其工藝流程圖如圖7所示。首先將小于200μm的木屑經(jīng)由喂料器輸入反應器中，在喂料器和反應器之間通入一些N2以加速木屑流動，防止堵塞；并預熱600～1000μm的砂子至600℃，輸送至反應器中。木屑隨即發(fā)生熱裂解產(chǎn)生熱解氣相產(chǎn)物，并迅速逸出反應器。該裝置過程復雜，難以放大，尤其是要求生物質(zhì)入料粒徑較小且系統(tǒng)能耗高。
3不同熱解技術(shù)對比與發(fā)展趨勢
根據(jù)生物質(zhì)熱解技術(shù)的不同，表1詳細對比了國內(nèi)外典型生物質(zhì)熱解技術(shù)。外熱式熱解技術(shù)，屬于間接加熱技術(shù)，熱解過程中生物質(zhì)升溫速率較慢，因而焦油的產(chǎn)率低，且焦油中含塵較少。內(nèi)熱式熱解技術(shù)，屬于直接加熱技術(shù)，有相對較快的升溫速率，較高的焦油產(chǎn)率，但粉塵夾帶現(xiàn)象嚴重，容易使焦油含塵量和重質(zhì)組分含量過高，嚴重甚至堵塞管路并惡化下游處理設備[52-54]。
使用氣體熱載體的內(nèi)熱式熱解技術(shù)，顯著降低氣體熱值，使得熱解氣不符合工業(yè)或民用標準，難以商用。內(nèi)熱-外熱復合式熱解技術(shù)，煤料升溫速率和焦油產(chǎn)率較高，但是熱效率低，設備復雜，同樣也伴隨發(fā)生焦油塵含量高，氣體熱值低等現(xiàn)象。
外熱式移動床熱解技術(shù)制得的焦油，含塵量極低，是該技術(shù)的一大優(yōu)勢。但是，熱解產(chǎn)生的焦油產(chǎn)率低且焦油中的輕質(zhì)組分含量少，重質(zhì)組分過高，反應器內(nèi)溫差大造成生物炭品質(zhì)不均勻。造成上述結(jié)果的原因是，一方面間接加熱導致生物炭升溫速率慢，另一方面是熱解產(chǎn)物的二次裂解嚴重，致使焦油產(chǎn)率低，且焦油中輕組分減少。因此，如果可以解決外熱式熱解技術(shù)中出現(xiàn)的問題，調(diào)控熱解過程，加快物料層升溫和減少熱解產(chǎn)物的二次反應，則該技術(shù)不失為一種較好的可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物高值化利用的新技術(shù)。
外熱式回轉(zhuǎn)爐，由于物料隨著回轉(zhuǎn)爐的運動加大了物料的受熱面積，增強了熱傳導和熱輻射的作用，加快了物料熱化學轉(zhuǎn)化過程中的傳質(zhì)傳熱。相比于傳統(tǒng)外加熱式技術(shù)，加熱效率更高。此外，外加熱式回轉(zhuǎn)窯生物質(zhì)原料適應期強、操作簡單，成熟度高，原料受熱相對較為均勻，技術(shù)更為成熟[55]。該技術(shù)在工業(yè)上得到充分驗證，不僅廣泛用于生物質(zhì)熱解，也用于其他廢棄物處理[56-58]。然而，該技術(shù)在基礎(chǔ)研究和應用開發(fā)方面依然存在一些突出的問題和挑戰(zhàn)。如回轉(zhuǎn)窯反應器熱解氣在反應器內(nèi)停留時間較長，加劇了熱解產(chǎn)物的二次反應[48]。
回轉(zhuǎn)窯反應器內(nèi)溫差較大，不同料層間的溫度控制精度低，難以準確控制物料停留時間，降低了熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率和品質(zhì)，加劇了熱量損失。此外，研究發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)爐內(nèi)靠近爐體中心的活躍區(qū)顆粒群速度較大，顆粒群外表面靠近回轉(zhuǎn)爐加熱壁的穩(wěn)定區(qū)顆粒群運動速度相對比較均勻，但被活躍區(qū)和穩(wěn)定區(qū)包裹的混合死區(qū)顆粒，不發(fā)生位置，速度近似0，難以接觸高溫回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁，不利于傳熱[49]。因此，縮短熱解產(chǎn)物在回轉(zhuǎn)窯反應器內(nèi)的停留時間、減少熱解產(chǎn)物的二次反應、增強顆粒層的擾動，有助于提高熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率和品質(zhì)，是開發(fā)低成本、高效率、多技術(shù)集成的外加熱式新型回轉(zhuǎn)窯熱解技術(shù)的關(guān)鍵。
從化學反應角度分析生物質(zhì)熱解基本反應過程以及影響生物質(zhì)熱解特性的多種因素，針對現(xiàn)有設備運行穩(wěn)定性差、熱解氣品質(zhì)不高、焦油處理難等技術(shù)難題，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院通過集成分段控溫、高效梯級換熱、均勻布料擾動壓實、多線螺旋板抄送和多腔旋流梯級換熱，創(chuàng)新性地提出新型擾動式內(nèi)構(gòu)件回轉(zhuǎn)爐以及連續(xù)式熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。為驗證技術(shù)的可行性和先進性，在河北邢臺縣建立500kg/h前南峪示范工程，成功應用于北方地區(qū)生物質(zhì)熱解。該技術(shù)熱解生物質(zhì)產(chǎn)生的熱解氣以氫氣、甲烷和一氧化碳為主，熱值可達20MJ，生物油約27%，可燃物占氣態(tài)產(chǎn)物的87%。通過以花生殼為原料，在500℃熱解溫度、30min反應時間產(chǎn)生的熱解氣可達3m3/h。當過量空氣系統(tǒng)為1.16時，熱解氣燃燒效率最高，熱解氣熱值為16.3MJ/m3[59]。經(jīng)農(nóng)業(yè)部農(nóng)機鑒定總站檢測，棉稈處理量20.3kg/h，生物炭得率31.8%，熱解氣產(chǎn)率0.32m3/kg，焦油產(chǎn)率1.3%，醋液產(chǎn)率6.6%，設備小時耗電量3.84kWh/h，熱解氣回用燃燒消耗量3.97m3/h，設備噪聲75.2dB。北京燃氣用具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢測焦油與灰塵質(zhì)量濃度為7.9mg/m3，系統(tǒng)排放煙氣中NOX為25.1mg/m3，顆粒物2.4mg/m3，煙氣黑度<1級，達到《鍋爐大氣污染物排放標準》(DB11/139-2015)要求[60-65]。該技術(shù)為中國秸稈綜合利用提供了有效途徑。
4展望
通過對生物質(zhì)熱解技術(shù)進行梳理，結(jié)合本團隊的發(fā)展，對生物質(zhì)熱解技術(shù)發(fā)展提出建議，未來應該在以下幾個方面加強研究：
1）對生物質(zhì)基礎(chǔ)特性深入研究，基于現(xiàn)階段開展的“內(nèi)置四線螺旋抄板的回轉(zhuǎn)爐反應器”和“生物質(zhì)連續(xù)炭氣聯(lián)產(chǎn)中試系統(tǒng)”研究，開展“分子、反應器、系統(tǒng)”多尺度調(diào)控，探明熱解過程中傳質(zhì)傳熱規(guī)律，建立定向調(diào)控熱解產(chǎn)物的方法，獲得高保水性、吸附氨氮性、促進生物群落多樣性的生物炭產(chǎn)品，以及高品位回燃焦油和炊事燃氣，為熱解技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。
2）搭建新型小試擾動式內(nèi)構(gòu)件回轉(zhuǎn)窯熱解炭化裝置和連續(xù)式回轉(zhuǎn)爐熱解中試平臺，優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯反應器結(jié)構(gòu)，解決傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)爐混合死區(qū)不發(fā)生位移、難以傳質(zhì)傳熱、產(chǎn)物二次反應嚴重等問題，優(yōu)化“反應-溫度場-流場”的匹配，為工程放大提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
3）結(jié)合前期技術(shù)積累，完善河北邢臺縣500kg/h前南峪示范工程，解決連續(xù)熱解設備作業(yè)穩(wěn)定性差、換熱效率低等問題，并將生物炭和焦油的原位提質(zhì)與其他廢棄物利用結(jié)合在一起，解決焦油含塵量高、難利用的難題，開發(fā)新型生物質(zhì)熱解技術(shù)。最終實現(xiàn)“基礎(chǔ)研究-技術(shù)開發(fā)-集成應用”的逐步推進，并在河北威縣與安徽等地進行推廣應用，為建立適宜中國農(nóng)村應用的生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)輕簡化系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。
5結(jié)論
結(jié)合中國農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用現(xiàn)狀，本文通過對生物質(zhì)熱解基礎(chǔ)研究和技術(shù)現(xiàn)狀進行梳理，對比了不同生物質(zhì)熱解技術(shù)的優(yōu)勢和劣勢，得出以下結(jié)論：
1）外熱式熱解技術(shù)工藝簡單、含塵量低，解決該技術(shù)物料升溫速率慢、產(chǎn)物二次反應嚴重等問題可突破制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
2）傳統(tǒng)外熱式回轉(zhuǎn)爐中部分顆粒不發(fā)生位移，不利于傳質(zhì)傳熱。增強顆粒層擾動、強化反應器內(nèi)質(zhì)熱傳遞是開發(fā)高效外熱式回轉(zhuǎn)窯熱解技術(shù)的關(guān)鍵。
3）農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院開發(fā)的外熱式連續(xù)熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)具有一定的經(jīng)濟、環(huán)境、能源效益。該技術(shù)在500℃、以花生殼為原料產(chǎn)生的熱解氣以氫氣、甲烷和一氧化碳為主，排放煙氣符合國家標準，因此該技術(shù)適宜技術(shù)推廣。
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