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棉秆炭化炉
澳门金沙9159官方网站 加入时间:2014/8/1 18:56:44 浏览:783次

摘要:新疆是我国最大的棉花种植基地,连续十年多实现棉花单产、总产和调出量位于全国第一,但棉秆焚烧造成了比较严重的污染。在生物质能成为国际可再生能源领域的焦点的大环境下,棉秆炭化炉能有效地将棉秆变成可再生能源,为棉秆找到很好的“出路”。为此,先容了棉秆的炭化方法及两种炭化炉的工作原理及比较结果。同时,还先容了车载式炭化炉与固定式炭化炉并进行比较,分析了影响出炭率的主要因素。

 

0引言

    新疆地处亚欧大陆腹地,属于典型的大陆性干旱气候,降雨量少,气候干燥,光照时间长,为棉花的生长提供了有利条件。新疆地区发展棉花产业具有得天独厚的优势,在0. 07亿hm2多耕地中,棉花的种植面积就达160hm2多,经过十几年的持续发展,棉花

产业己经成为当地国民经济发展的支柱产业。但是棉秆问题是一个急需解决的问题,大量焚烧势必导致环境污染。据统计,新疆棉秆年均产量为534. 9 x10t。在常见各类农作物秸秆中,棉秆是一种木质化程度高、灰分含量少的半木质化秸秆,其折标煤系数最高(0.543),折标煤量约为290.45 x 10t,热值接近木材,具有很高的利用潜能。因此,棉秆炭化炉的推广与应用己成为新疆棉花生产发展的必然趋势。

    进入21世纪,世界能源紧张,生物质能便成为国际可再生能源领域的焦点,各国对生物质能的开发利用也极为重视。所以设计了一种方便好用的户用型棉秆炭化炉,以改善秸秆落后的燃烧利用现状,提高农村生活质量和改善生活环境。

1棉秆的炭化方法

    棉秆的炭化方法主要分为外热式炭化和内热式炭化两种。

1.1外热式

    外热式炭化炉是利用在炉膛外部点火加热,通过炉壁的热传导和热辐射传递热量。同时,为了避免高温与氧气条件下,点燃炉膛内的棉秆,要使炉膛处于密封无氧状态,从而使炉膛内的棉秆受热全部炭化。

1.2内热式

    内热式炭化炉是在炉膛内部首先在处于有氧的条件下直接明火点燃炉膛内的棉秆,点燃之后马上密封炉体,使炉内处于无氧状态;由于没有氧气,燃烧着的棉秆会马上熄灭,棉秆表层首先散发出挥发物、水份、可燃气体,然后通过燃烧这些挥发物来保持炭化炉温度。此种方法有一个不足之处:由于棉秆直径很小,容易烧尽成灰。

2、内外热式炭化炉的分析与比较:

    棉秆炭化炉是指将棉秆高温炭化生成炭的同时也能产生可燃气体(主要成分是CH4和少量的CO

    按照炭化炉的燃烧方式来分,可分为内热式炭化炉和外热式炭化炉两种。

2. 1外热式炭化炉的工作原理

    外热式炭化炉主要包括加热炉和热解炉,由加热炉向热解炉提供棉秆炭化所需的热量。

    南京工业大学于红梅、张红[3]等设计的外热式炭化炉,通过在不同位置放置不同数量的热管,利用热管等温性和热流密度可变性来控制炉内温度,如图1所示。

2. 2内热式炭化炉的工作原理

    内热式炭化炉需要在炉内点燃棉秆,依靠棉秆自身燃烧所提供的热量来完成炭化。

合肥工业大学朱华炳、胡孔元等设计的内燃式炭化炉,将棉秆制炭、气化与焦油催化裂解于一体,将棉秆产生的混合可燃气体点燃,用于催化裂化所需的热量,这样不需要再为催化裂化提供新的能源,如图2所示。

 

 

图1 外热式炭化炉设计图解 
图1 外热式炭化炉设计图解

图2 内热式炭化炉设计图解
图2 内热式炭化炉设计图解

2. 3内、外热式炭化炉的比较

    与内热式炭化炉相比,外热式炭化炉最大的优点是温度控制便利、准确,可以提高棉秆利用率,改进出炭质量;但需要消耗其他形式的能源对其加热。

    与外热式炭化炉相比,内热式炭化炉最大的优点是炭化过程不需要任何外部热量,反应本身和棉秆干燥均利用棉秆自身产热,但部分棉秆易燃烧成灰;同时部分棉秆在缺氧条件下燃烧不充分,并且温度也不易控制。但内、外热式炭化炉工艺流程相同,如图3所示。

    无论内热式炭化炉还是外热式炭化炉,虽然它们的工作原理不同,但其工艺流程相同,炭化后所得到的产物也相同,都是炭、焦油、可燃气体(主要是CH 4和少量的CO)、木醋酸,只不过是用不同的方法,得到的产物的量不同而己。

    此过程实质是植质中的碳、氢、氧等元素的原子,在反应条件下按照化学键的成键原理,变成一氧化碳、甲烷、氢气等可燃性气体的分子。这样植物生物质中的大部分能量就转移到这些气体中。基本反应包括:

图3 炭化炉工艺流程图 
图3 炭化炉工艺流程图

3车载式炭化炉与固定式炭化炉

    按照可否移动性来分,炭化炉又可分为车载式与固定式。

3. 1车载式炭化炉

    顾名思义,车载式炭化炉是将炭化炉与车子合为一体,炭化炉便于移动。

    日本农林水产省森林综合研究所设计的车载式炭化炉,其底端带有4个轮子,移动方便,可直接将炭化炉移动到田间进行炭化处理,如图4所示。

图4 车载式炭化炉

图4 车载式炭化炉 

3.2固定式炭化炉

    固定式炭化炉是将炭化炉固定于平面上,不能来回移动。

3. 3车载式炭化炉与固定式炭化炉的比较

    从目前国内外炭化炉的研究设计来看,对固定式

炭化炉研究的深度和数量都远远高于车载式炭化炉。虽然固定式炭化炉与车载式炭化炉相比,机动性要差很多,需要将棉秆统一运到炭化炉处进行加热;但它有一个更大的优点:固定地点燃烧,可将得到的副产品炭、可燃气体(CH4 )、木醋酸更好地收集起,甲烷气体可用气柜储存。

4影响出炭率的因素

    影响炭产量和质量的因素很多,如炭化温度、炭化速度、压力、原料含水率及炭化方法等等。这里只讨论影响炭产量和质量的主要因素。炭化炉实现高出炭率是该炉推广应用的前提。

4. 1炭化温度对出炭率的影响

    木炭的出炭率和质量与炭化的最终温度有很大关系:在炭化过程中,棉秆中炭、氢、氧的含量随炭化温度的升高而变化,随着炭化温度逐渐升高,含炭量也逐渐增加,氢和氧的含量降低;当达到900°时,出炭率和炭的质量最理想,温度再升高,棉秆会被烧成灰,出炭率下降。所以,要适当的选择炭化炉的最终炭化温度。

4. 2炭化速度对出炭率的影响

    随着炭化速度变快,焦油的产量有明显的增加,而炭的产量则大大降低;反之,炭化速度越慢时,焦油的产量有明显的降低,而炭的产量则大幅增加。可根据炭化后所需要的产品不同而自主调节炭化速度。

4. 3压力对出炭率的影响

    通常的炭化过程是在常压下进行的。若增加压力可以增加木炭的产量;减压则降低木炭产量,而且减压还有可能导致炭化炉爆炸。

    巴西利亚大学[5]研究的外热式炭化炉,利用增压器增压,己达到使炉内棉秆充分炭化的目的,如图5所示。

5结语

    对棉秆炭化炉进行研究,不仅解决了棉秆大量焚烧造成污染问题,而且棉秆炭化产生的炭和天然气,是一种可再生的生物质能源。综上所述,棉秆炭化炉不仅缓解了环境污染,而且还产出了能源,这是为新疆大量棉秆找到了新出路。

    先容了内热式炭化炉和外热式炭化炉的工作原理及国内外研究现状,并把两种炉子进行对比,发现二者各有各的优势,同时也有各自的不足和需要改进的方面。同时,对固定式和移动式炭化炉做了简单的先容和比较。

图5 增压式炭化炉图解
图5 增压式炭化炉图解

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