趙立欣 田利偉 賈吉秀 霍麗麗 謝 騰 姚宗路

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院， 大慶 163319； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北平原農(nóng)業(yè)綠色低碳重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2021年全國秸稈利用量為 6.47×105t， 綜合利用率達88.1%，秸稈還田量達 4×108t[1]。 秸稈還田是資源化利用有效途徑，既增加了土壤有機質(zhì)，又避免因秸稈廢棄霉爛和焚燒造成的環(huán)境污染，但秸稈過量還田易導(dǎo)致土壤墑情降低，影響出苗率[2-3]。農(nóng)作物秸稈可通過熱解炭化技術(shù)轉(zhuǎn)化為生物炭進行還田，生物炭孔隙大、吸附性強，具有保水、保肥作用，同時兼具固碳減排能力，能夠改善土壤，提升有機質(zhì)含量，對于促進農(nóng)民增收、環(huán)境保護、資源節(jié)約以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展意義重大[3-5]。

目前，生物炭還田以秸稈“離田、炭化再還田”的異位還田方式為主，異位還田存在秸稈收儲運、生物炭運輸以及相關(guān)還田設(shè)備配置等問題，增加了還田成本[6-7]。秸稈炭化原位還田是將秸稈就地炭化還田，有效避免了異位還田相關(guān)技術(shù)問題[8]?，F(xiàn)有熱解設(shè)備以固定式為主，如流化床、旋轉(zhuǎn)錐、燒蝕反應(yīng)器[9-11]等，難以實現(xiàn)炭化原位還田。開發(fā)移動式熱解炭化原位還田設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈就地轉(zhuǎn)化生物炭還田，極大減少能源投入，提高經(jīng)濟效益。

移動式熱解設(shè)備概念是在20世紀90年代末提出的，美國提出一種移動能源工廠，系統(tǒng)由多個模塊組成，可拆卸運輸?shù)街付ǖ攸c進行發(fā)電作業(yè)。國際可再生燃油公司(ROI)、加拿大西安大略大學(xué)、美國BSI公司等[12]開展了對移動式熱解設(shè)備的研究。國內(nèi)王賢華[13]開發(fā)出一套安裝于一臺小型卡車上的移動式快速熱解設(shè)備，實現(xiàn)了能量自給；文獻[14-15]研制了移動式熱解液化設(shè)備，其目的是提升反應(yīng)器傳熱效率。國內(nèi)外移動式熱解設(shè)備大多數(shù)用于熱解液化，通過快速升溫將秸稈轉(zhuǎn)化為生物油等液相產(chǎn)品，難以應(yīng)用于秸稈熱解炭化還田。目前，對移動式熱解炭化還田設(shè)備研究較少，亟需研制出生物炭轉(zhuǎn)化效率高、品質(zhì)好、結(jié)構(gòu)簡單的熱解反應(yīng)器。本文擬開發(fā)移動式玉米秸稈熱解炭化原位還田一體設(shè)備，基于內(nèi)熱式低氧炭化原理，研制熱解炭化反應(yīng)器和熱解氣清潔燃燒室等關(guān)鍵部件，集成煙氣回用烘焙技術(shù)，開發(fā)熱解氣燃燒熱能回用系統(tǒng)，集成秸稈撿拾粉碎與生物炭原位還田技術(shù)，研制適用于田間移動的連續(xù)炭化原位還田設(shè)備。

1 整機設(shè)計

1.1 熱解炭化原位還田工藝

移動式玉米秸稈熱解炭化原位還田技術(shù)工藝主要包括自供熱炭化、熱解氣燃燒熱能回用和原位還田等，工藝流程如圖1所示。自供熱炭化工藝主要包括低氧炭化悶燒、熱解炭化、炭氣分離等，熱解氣燃燒熱能回用工藝主要包括熱解氣燃燒、煙氣回用等，原位還田工藝主要包括生物炭冷卻降溫、生物炭原位還田等。采用內(nèi)熱式低氧炭化原理，建立自供熱反應(yīng)系統(tǒng)，結(jié)合熱解氣清潔燃燒回用，將復(fù)雜固相燃燒轉(zhuǎn)化為氣相穩(wěn)定燃燒，實現(xiàn)清潔炭化還田，并減少外部能源輸入性消耗[16]，集成秸稈撿拾粉碎、生物炭原位還田技術(shù)，從而實現(xiàn)秸稈炭化原位還田利用。

圖1 移動式玉米秸稈熱解炭化原位還田設(shè)備流程圖Fig.1 Process of mobile equipment of corn stalk in-situ returning carbonization 1.熱電偶 2.鼓風(fēng)機 3.調(diào)節(jié)閥門

1.2 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

設(shè)備主要由熱解炭化系統(tǒng)、熱解氣燃燒系統(tǒng)、原料烘焙系統(tǒng)、冷卻出炭系統(tǒng)、生物炭原位還田作業(yè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。結(jié)合下吸式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)熱式低氧炭化原理，通過控制過量空氣系數(shù)從而限制反應(yīng)器空氣進入量，研制熱解炭化系統(tǒng)，設(shè)計攪拌、壓料、出炭結(jié)構(gòu)，促進秸稈炭化，同時使熱解氣體、大分子焦油得到更加充分裂解；設(shè)計熱解氣燃燒室，將揮發(fā)分進行充分燃燒，降低污染源排放指標；集成煙氣回用烘焙技術(shù)設(shè)計雙筒式螺旋輸料結(jié)構(gòu)，回收煙氣熱量進行原料預(yù)干燥；熱解產(chǎn)生的生物炭經(jīng)冷卻出炭系統(tǒng)完成降溫、輸送，集成秸稈撿拾粉碎、生物炭還田技術(shù)，配備動力系統(tǒng)，完成秸稈田間炭化原位還田，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 移動式玉米秸稈熱解炭化原位還田設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of mobile equipment of corn stalk in-situ returning carbonization1.螺旋進料器 2.攪拌壓實器 3.熱解炭化反應(yīng)器 4.鼓風(fēng)機 5.螺旋出料器 6.關(guān)風(fēng)器 7.夾層 8.燃燒器 9.熱解氣燃燒室 10.進料斗 11.引風(fēng)機

設(shè)備工作時，秸稈收集系統(tǒng)將田間秸稈進行收集粉碎并輸送至設(shè)備進料斗內(nèi)，經(jīng)螺旋進料器輸送至上端，在重力作用下進入熱解炭化系統(tǒng)，控制過量空氣系數(shù)使反應(yīng)器保持低氧環(huán)境，過量空氣系數(shù)為0.8～1.0，將熱電偶固定在距離反應(yīng)器底部25 cm處，實時監(jiān)測內(nèi)部溫度變化，炭化溫度控制在500～600℃之間，設(shè)備穩(wěn)定運行情況下，根據(jù)熱電偶插入不同深度獲得炭化中心與靠近壁面區(qū)溫度差為 ±15℃。 滯留時間為15～20 min。在炭化反應(yīng)階段隨著溫度的升高，纖維素中纖維素糖基分熱解生成左旋葡萄糖，左旋葡萄糖中C—O、C—C鍵斷裂生成CO、H2、焦油，芳香族化合物轉(zhuǎn)化成少量的炭。溫度大于400℃時，秸稈中木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和重構(gòu)，C—C鍵、O—H鍵和C—H鍵發(fā)生斷裂，木質(zhì)纖維素分解為小分子化合物，其中一部分通過重整、脫羰、脫水和縮聚形成苯酚類化合物，同時伴隨產(chǎn)生CH4、CO和H2等氣體；另一部分隨著溫度的升高繼續(xù)分解形成水、甲醇等揮發(fā)性產(chǎn)物，而大量含苯自由基則形成多環(huán)芳香族化合物，最終轉(zhuǎn)化為炭[17]。熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分氣體由出口排出，進入熱解氣燃燒系統(tǒng)進行二次充分燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)歷螺旋進料器內(nèi)壁間夾層完成排煙，通過熱傳遞達到對原料預(yù)干燥的效果；生物炭經(jīng)攪拌通過爐排落入集炭箱中冷卻，冷卻后生物炭由螺旋輸料器、關(guān)風(fēng)器完成出料；生物炭撒落地面后經(jīng)歷旋耕系統(tǒng)，實現(xiàn)生物炭與土壤均勻混合還田。

1.3 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其中生物炭品質(zhì)應(yīng)符合生物炭還田技術(shù)指標，煙氣排放應(yīng)滿足大氣污染物排放標準，設(shè)備運行應(yīng)具有較高穩(wěn)定性和實用性。根據(jù)設(shè)備工藝要求和工作條件，綜合評價生物炭品質(zhì)、系統(tǒng)能耗和經(jīng)濟性等方面影響，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 連續(xù)熱解炭化反應(yīng)器設(shè)計

熱解炭化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓柱結(jié)構(gòu)，底部為低氧悶燒區(qū)，中部為熱解炭化區(qū)，上部為預(yù)熱解區(qū)，反應(yīng)器設(shè)計為雙壁結(jié)構(gòu)，兩壁之間填充保溫材料，反應(yīng)器具有配風(fēng)、攪拌壓實和出炭等裝置。反應(yīng)器最初工作時在其內(nèi)部點火配風(fēng)，過量空氣系數(shù)控制在0.8～1.0之間，使秸稈少部分緩慢燃燒供能熱解炭化。內(nèi)部溫度控制在500～600℃之間，熱電偶實時監(jiān)測內(nèi)部溫度變化，當(dāng)溫度降低時則調(diào)控配風(fēng)，增加氧氣，提升炭化程度，從而控制進出料使內(nèi)部持續(xù)升溫。為防止秸稈蓬松架料，進料同時需增施壓力，攪拌結(jié)構(gòu)設(shè)置3層壓實葉片，其中底層葉片與爐排配合完成出炭，結(jié)構(gòu)及原理如圖3所示。

圖3 連續(xù)熱解炭化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及原理圖Fig.3 Structure and reaction mechanism of continuous pyrolysis carbonization reactor1.風(fēng)機 2.爐排 3.攪拌壓實器

設(shè)計設(shè)備處理量為50 kg/h，秸稈堆積密度為70 kg/m3，物料平均滯留時間設(shè)定為0.3 h，考慮本試驗裝置的穩(wěn)定性，設(shè)計炭化室直徑取0.7 m，高度取0.8 m。采用鼓風(fēng)機配風(fēng)，配風(fēng)管道配有氣體流量控制閥門，可控制風(fēng)量，秸稈炭化所需空氣量主要取決于原料中可燃元素成分的含量，可燃元素完全燃燒所需的空氣量即理論空氣量，根據(jù)

(1)

式中Car、Sar、Har、Oar——試驗玉米秸稈中的元素C、S、H、O質(zhì)量分數(shù)，%

V1——炭化理論所需空氣量，m3/kg

計算，設(shè)備實際運行時，通過控制過量空氣系數(shù)控制配風(fēng)量，維持秸稈發(fā)生熱分解反應(yīng)，實際配風(fēng)量根據(jù)

V2=α1V1

(2)

V3=qV2

(3)

式中V2——實際空氣需要量，m3/kg

V3——每小時實際空氣需要量，m3/h

q——設(shè)備處理量，kg/h

α1——過量空氣系數(shù)，取0.8

計算[18]。秸稈炭化所用理論空氣量3.64 m3/kg，秸稈炭化實際所需空氣量2.91 m3/kg，則設(shè)備工作時實際所需空氣量為145.6 m3/h。

2.2 熱解氣燃燒室設(shè)計

熱解氣燃燒室配備燃燒器，提供二次風(fēng)對揮發(fā)分進行充分燃燒，產(chǎn)生的熱量約占生物質(zhì)總熱量的70%[19]，燃燒后內(nèi)部溫度達600～800℃，燃燒室需耐高溫并具備保溫作用，部件材質(zhì)選用普通碳素鋼，選用高溫耐火材料貼于內(nèi)外壁，并且做保溫。內(nèi)部設(shè)置煙氣擋板，可改變煙氣流動路徑，實現(xiàn)煙氣定向流動調(diào)控，增加與氧氣接觸時間，從而提高揮發(fā)分燃燒效率，燃燒示意圖如圖4所示。

圖4 熱解氣燃燒室燃燒示意圖Fig.4 Schematic of combustion in pyrolysis gas combustion chamber

揮發(fā)分中可燃氣體主要有CH4、CO和H2，占揮發(fā)分氣體的55%[20]。燃燒所需空氣量根據(jù)

V=α1Vr

(4)

(5)

式中Vr——理論燃燒所需空氣量，m3/m3

V——燃燒所需實際空氣量，m3/m3

RH2、RCO、RCH4、RO2——熱解氣中可燃氣體H2、CO、CH4、O2體積分數(shù)，%

計算[21]，熱解氣燃燒室燃燒原理如圖4所示。

得出熱解氣燃燒所需理論空氣量為1.1 m3/m3，秸稈熱解氣產(chǎn)量取0.3 m3/kg，則設(shè)備產(chǎn)生的熱解氣燃燒所需實際空氣量為19.8 m3/h。

2.3 其他部件設(shè)計

其他部件包括原料烘焙系統(tǒng)、冷卻出炭系統(tǒng)和生物炭原位還田作業(yè)系統(tǒng)等。高溫?zé)煔馔ㄈ腚p筒式螺旋進料器內(nèi)外壁之間的夾層，經(jīng)過換熱，進料器內(nèi)壁溫度保持在200～250℃，輸料器內(nèi)部原料被加熱80～100℃，實現(xiàn)原料預(yù)干燥。冷卻出炭系統(tǒng)由集炭箱、螺旋輸送器和關(guān)風(fēng)器組成，高溫炭在集炭箱滯留時間為10～15 min，冷卻后經(jīng)過螺旋輸送器輸送至關(guān)風(fēng)器完成出炭。設(shè)備配有動力系統(tǒng)，將玉米秸稈就地轉(zhuǎn)化為生物炭拋撒到地面，經(jīng)過后端配備的旋耕部件旋耕之后，完成生物炭與土壤的碎混覆土還田；集成秸稈收集、粉碎、輸送技術(shù)，從而實現(xiàn)設(shè)備連續(xù)進料、炭化、出炭目標。

3 設(shè)備性能試驗

3.1 材料與方法

3.1.1試驗材料

熱解炭化性能試驗在設(shè)備加工企業(yè)進行，原料取自北京市順義區(qū)，經(jīng)加工粉碎后秸稈長度2～3 cm，低位發(fā)熱量為15.19 MJ/kg，含水率為15.23%，原料的工業(yè)分析、元素分析如表2(表中Aad、Vad、FCad以及Cad、Had、Oad、Nad分別表示空氣干燥基灰分、揮發(fā)分、固定碳以及分析樣中碳、氫、氧、氮)所示。

表2 玉米秸稈原料特性參數(shù)Tab.2 Corn stalk raw material properties %

3.1.2試驗方法

設(shè)備穩(wěn)定運行后記錄數(shù)據(jù)，分析計算設(shè)備能耗、生產(chǎn)率、炭得率及系統(tǒng)能量利用率等關(guān)鍵性能指標；采用熱電偶安裝在反應(yīng)器內(nèi)部能實時監(jiān)測溫度變化，熱電偶量程為0～1 000℃，測量誤差為±2.5℃，安裝點分別位于反應(yīng)器中下部、煙氣回流入口和出口；按照遼寧省地方標準DB21/T 3314—2020《生物炭直接還田技術(shù)規(guī)程》[22]進行生物炭技術(shù)指標測定，采用GB/T 28731—2012進行生物炭工業(yè)分析，根據(jù)GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》進行煙氣排放監(jiān)測，測試煙氣成分參數(shù)分別為 CO、NOx、SO2濃度，以及顆粒物濃度、煙氣林格曼黑度等，采用主要儀器有Multilyzer ST(M60)型手持式煙氣分析儀(精確度±5%)、林格曼黑度圖、嶗應(yīng)3072型智能雙路煙氣采樣器等設(shè)備[23-24]。

3.1.3設(shè)備性能評價方法

(1)設(shè)備能耗

設(shè)備運行動力依靠電能提供，電能消耗量是設(shè)備評價的重要指標之一，設(shè)備玉米秸稈處理量為 50 kg/h， 則設(shè)備運行所需電能計算公式為

(6)

式中G——處理每千克秸稈所需電能，MJ/kg

W——設(shè)備消耗總電能，MJ/h

I——玉米秸稈處理量，kg/h

(2)生產(chǎn)率

在關(guān)風(fēng)器處收取生物炭，收取時間為1 h，則生產(chǎn)率計算公式[25]為

(7)

式中P——生產(chǎn)率，kg/h

Q——生物炭質(zhì)量，kg

H——生物炭含水率，%

M——原料含水率，%

t——收取生物炭時間，h

(3)炭得率

炭得率是評價設(shè)備運行穩(wěn)定性的重要標準，計算公式為[26]

(8)

式中Y——炭得率，%

R——原料質(zhì)量，kg

(4)系統(tǒng)能量利用率

系統(tǒng)能量利用率為系統(tǒng)投入能量與產(chǎn)出能量、回用能量之和的百分比，是評價設(shè)備實用性的關(guān)鍵指標，公式為

(9)

式中η——系統(tǒng)能量利用率，%

Ph——回用能量，MJ/h

Pc——生物炭低位發(fā)熱量，MJ/h

Pb——玉米秸稈低位發(fā)熱量，MJ/h

Pe——設(shè)備運行消耗電能，MJ/h

(5)田間性能評價

生物炭質(zhì)量是評價設(shè)備田間性能的主要依據(jù)，根據(jù)遼寧省地方標準DB21/T 3314—2020《生物炭直接還田技術(shù)規(guī)程》進行生物炭元素分析，分析比較生物炭中總碳、固定碳及金屬元素Cd、Pb、Ni、Cr、Cu、Zn含量與I級生物炭中含量差異[22]。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1設(shè)備性能及排放分析

設(shè)備穩(wěn)定運行后進行性能試驗，主要性能及排放指標見表3?？刂品磻?yīng)器內(nèi)部物料滯留時間為 15～20 min，測試時間間隔1 h，結(jié)果表明設(shè)備實現(xiàn)了連續(xù)性生產(chǎn)，玉米秸稈處理量為50 kg/h，生物炭得率21%。經(jīng)過研究，熱解氣中CO初始質(zhì)量濃度為34 661 mg/m3，經(jīng)過燃燒后，煙氣中CO質(zhì)量濃度減小至1 024 mg/m3，表明熱解氣燃燒效果較好，熱解氣燃燒室工作效率較高，達到預(yù)期效果，同時設(shè)備煙氣排放中NOx質(zhì)量濃度為184 mg/m3，SO2質(zhì)量濃度為26 mg/m3，顆粒物質(zhì)量濃度為17.8 mg/m3，根據(jù) GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》，符合國家排放要求，顆粒物濃度與煙氣林格曼黑度也均符合環(huán)保要求。由表3可知，設(shè)備各項性能及排放指標均滿足設(shè)計要求，具有耗能少、穩(wěn)定性高、低碳排放、環(huán)保無污染等特點。

表3 設(shè)備性能及排放指標Tab.3 Equipment performance and emissions indicators

3.2.2系統(tǒng)能量利用率分析

能量投入和產(chǎn)出是評價設(shè)備性能的重要指標。對設(shè)備運行的能量流動數(shù)值進行理論計算，構(gòu)建能流與物質(zhì)能量流動圖，如圖5所示。系統(tǒng)投入能量主要為秸稈化學(xué)能和消耗電能，轉(zhuǎn)化生成的生物炭能量與回用熱量為產(chǎn)出能量，系統(tǒng)能量利用率則是單位時間內(nèi)產(chǎn)出能量與投入能量的比值，是評價設(shè)備實用性與經(jīng)濟性的主要依據(jù)。設(shè)備運行投入能量(秸稈化學(xué)能和電能)折算后總能量為759 MJ/h，測得生物炭低位發(fā)熱量為22 MJ/kg，則熱解產(chǎn)生的生物炭能量為220 MJ/h，熱解氣燃燒后回用熱量為346 MJ/h，經(jīng)過計算系統(tǒng)能量利用率為74.6%。系統(tǒng)回用熱量約占總產(chǎn)出能量的60%，是影響系統(tǒng)能量利用率的關(guān)鍵因素，隨著秸稈水分的增加，系統(tǒng)能量產(chǎn)出減少，生物炭得率降低，該設(shè)備可處理秸稈含水率在20%～30%之間。由于運行初期設(shè)備未達到穩(wěn)定狀態(tài)，反應(yīng)器內(nèi)部消耗熱量較多；隨著反應(yīng)器內(nèi)部溫度升高，設(shè)備運行趨于穩(wěn)定，能量產(chǎn)出與能量投入達到動態(tài)平衡。設(shè)備正常工作時，能量損失以散熱為主，如何提升能量回用效率仍是后續(xù)研究重點。

圖5 系統(tǒng)能流物流圖Fig.5 Energy and mass flow of equipment

3.2.3還田性能

為獲得設(shè)備所產(chǎn)生物炭還田性能，開展秸稈炭化原位還田靜態(tài)模擬試驗。根據(jù)遼寧省地方標準DB21/T 3314—2020《生物炭直接還田技術(shù)規(guī)程》進行生物炭元素分析，生物炭理化特性如表4所示。由表可知，生物炭中總碳(C)、固定碳(FC)含量均大于I級生物炭中標準值，測得金屬元素含量也均在Ⅰ級生物炭金屬元素含量的范圍之內(nèi)，研究發(fā)現(xiàn)生物炭中Cd、Pb、Ni元素含量較少，可忽略不計；通過以上分析該生物炭屬Ⅰ級，由此說明該設(shè)備固碳能力強，具備田間炭化秸稈能力。此外，生物炭還田具有節(jié)水保肥特性，設(shè)備穩(wěn)定運行所產(chǎn)生物炭比表面積為2.69 m2/g、總孔體積為0.01 cm3/g，能夠提升土壤固碳能力，對農(nóng)作物生長具有重要作用。

表4 生物炭理化特性Tab.4 Physical and chemical characteristics of biochar

4 結(jié)論

(1)設(shè)計移動式玉米秸稈熱解炭化原位還田設(shè)備，創(chuàng)新設(shè)計秸稈低氧炭化悶燒高效傳熱及固-氣相轉(zhuǎn)化清潔燃燒技術(shù)，集成秸稈撿拾粉碎輸送、熱解氣回用及生物炭還田技術(shù)，實現(xiàn)秸稈炭化原位還田，具有結(jié)構(gòu)簡單、炭化能源自給、能量利用率高等特點。

(2)經(jīng)測試，設(shè)備原料處理量為50 kg/h，炭得率為21%，系統(tǒng)能量利用率74.6%；排煙中NOx質(zhì)量濃度為184 mg/m3，SO2質(zhì)量濃度為26 mg/m3，顆粒物質(zhì)量濃度為17.8 mg/m3，達到GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》；生物炭中總碳、固定碳及金屬元素含量均符合DB21/T 3314—2020《生物炭直接還田技術(shù)規(guī)程》中Ⅰ級生物炭要求，其他各項指標也均滿足設(shè)備性能設(shè)計及排放要求，具備田間移動連續(xù)炭化還田能力，且達到環(huán)保無污染，具有較好的技術(shù)應(yīng)用前景。