机制棒自燃内热式炭化窑及其炭化工业试验

第30卷第4期浙江林业科技Vol.30No.42010年7月JOUR.OFZHEJIANGFOR.SCI.&TECH.Jul.,2010文章编号：1001-3776（2010）04-0056-06机制棒自燃内热式炭化窑及其炭化工业试验庄晓伟1，吴丽芳2，陈顺伟1，潘1，郑炜曼3，蒋应梯1（1.浙江省林业科学研究院浙江省森林资源生物与化学利用重点实验室，浙江杭州310023；2.浙江省义乌市廿三里街道农业服务中心，浙江义乌322013；3.华北电力大学经济与管理学院，北京102206）摘要：研制了一种适用于机制棒炭化的间歇式自燃型炭化窑，并进行了机制炭年生产能力400t规模的工业性试验，生产周期为4~6天，该炭窑利用干馏过程产生的可燃性气体在窑内可控燃烧作为炭化过程本身热源，依次经历炉内熏烟、排烟初炭化和导入空气煅烧精炼三个工艺阶段，其中煅烧精炼时间对炭化得率及机制炭质量影响较大，6h的精炼时间为较佳选择，制得机制炭挥发份含量为5.32%，固定碳含量为90.35%，热值34293kJ/kg，炭化得率35.0%，直径收缩率23%。该炭窑炭化均匀性好，生产的机制炭质量稳定。关键词：机制棒；炭化；炭化窑；机制炭中图分类号：S785文献标识码：ASpontaneousCombustionandInternal-heatedCarbonizationFurnaceforMachine-madeRodandIndustrialTestZHUANGXiao-wei1，WULi-fang2，CHENShun-wei1，PANXin1，ZHENGWei-man3，JIANGYing-ti1（1.ZhejiangForestryAcademy,KeyLaboratoryofForestResourcesUtilizationofZhejiang,Hangzhou310023,China;2.YiwuNiansanliTownshipAgriculturalServiceofZhejiang,Yiwu322013,China;3.SchoolofEconomics&Management,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China）Abstract:Atypeoffurnacesuitableforintermittentspontaneouscombustioncarbonizationofmachine-maderodwasdeveloped,andanindustrialtestofannualproductioncapacityof400tmachine-madecharcoalwascarriedout.Productioncircleisfromfourtosixdays.Flammablegasderivedfrommachine-maderodcarbonizationwasusedastheenergyforcarbonizationprocess,andmachine-maderodwassubjectedtodrying,charringandcalciningsequentially.Thetimeofcalcininghadgreatinfluenceontheyieldofcarbonizationandthequalityofmachine-madecharcoal,andtheexperimentindicatedbetterchoicewas6hours.Machine-madecharcoalhadvolatilecontentof5.32%,fixedcarboncontentof90.35%,thermalvalueof34293kJ/kg,yieldofcarbonizationof35.0%,anddiametershrinkageratioof23%.Theresultofindustrialtestsshowedthatthequalityofmachine-madecharcoalproducedwaswell-proportionedandstable.Keywords:machine-maderod;carbonization;carbonizationfurnace;machine-madecharcoal当前我国仍以原木炭窑为主要机制棒炭化窑，烧制的方法与木炭烧制方法相近，根据机制棒的特点，在火候和时间上进行了适当的调整。为克服土窑生产周期长、消耗薪材多等缺点，参照日本较先进的改良土窑，结合自有专利“自燃移动床干馏炭化炉”和国内农村的实际，帀发了间歇式自燃型炭化窑，建成年产400t机制炭中试生产线[1]。收稿日期：2010-02-11；修回日期：2010-05-05基金项目：国家林业局“948”引进创新项目（2006-4-112）；浙江省科技厅重大专项重点项目（2006C12070）作者简介：庄晓伟（1979－），男，浙江瑞安人，助理研究员，硕士，从事林化产品和炭素材料的研究与帀发。4期庄晓伟，等：机制棒自燃内热式炭化窑及其炭化工业试验57该窑的最大特点在于完成初次烘窑后，以机制棒炭化过程中产生的可燃性气体在窑内的燃烧作为热源，通过控制空气的流入量来控制窑内温度，连续操作不需要添加其它燃料；生产的机制炭质量高、均匀度好；生产效率高，不需要较多专业知识即可操作；自动化程度不高，建窑投资少，特别适合农村推广。1炭窑概述1.1设计思路根据机制棒具易吸湿膨胀、帀裂的特点，因而，要求炭化窑在炭化初期时水蒸汽的排放上要做到以下两点：一是水蒸汽的排放速度不能过快，否则易导致窑内湿度过大引起机制棒的吸湿反应；二是排放尽量不要对着机制棒，以减少机制棒吸湿的机会。我们的设计思路是：把窑内的出气口置于窑的偏下部，基本与轨道车的炭架处于同一水平面。同时，烟囱的高度尽量降低。不同容积、不同通风口面积、不同拱高的炭化窑，应有相应的烟囱高度配合，才能达到理相的炭化效果。通过选择试验，提出窑容积与烟囱高度的线性关系为[2]：y=1.8585＋h1＋h2－s（1.24x3－14.80x2＋49.85x）式中，s为通风口最大面积（m2），h1为窑内高（除拱顶）（m），h2为拱高（m），x为窑体容积（m3），y为烟囱离地面高度（m）。针对当前生产上以土窑烧制机制炭存在的生产效率低、机制炭产率低且品质参差不齐、薪材消耗多等缺点，结合机制棒的特点，借助“自燃内热式移动床干馏炭化炉”和“列管移动床干馏炭化炉”自有专利及其应用帀发技术成果，提出了“机制棒自燃式炭化窑”。1.2炭窑结构与基本参数[2]1—窑墙，2—窑顶，3—窑顶，4—烟囱，5—窑口，6—窑廓，7—出烟孔，8—车轨图1自燃内热式炭化窑结构示意图Figure1Structureofspontaneouscombustionandinternal-heatedcarbonizationfurnac87654321该炭窑的基本结构如图1所示，炭化窑的窑体前方有窑口及配套的窑门，窑底有车轨，车轨内端有小车定位坎，窑廓内壁有出烟孔，出烟孔连接烟囱，窑顶为拱形顶，窑墙、窑顶为双层之间带保温层的夹墙。本机制棒炭化工艺及其设备具有间歇式生产优质机制炭的能力，其生产周期为4~6d，该炭窑利用干馏过程产生的可燃性气体在窑内可控燃烧作为炭化过程本身能源。在预炭化阶段，进气孔保持固定状态；进入炭化阶段后，封闭烟囱，通过窑门上部帀口的大小来调节窑内空气的流通；精炼阶段，封闭窑门底部的预留气孔，只通过窑门上部帀口处燃烧排出窑内的气体，达到精炼的目的。该炭化窑的窑内宽、窑内深、窑内高（除拱顶）的尺寸比例为1.32∶1.71∶1.36，窑容积为2.5~5.0m3，拱高为0.3~0.5m，烟囱高度为0.8~1.2m，烟囱通风面积为0.5m2，产炭480~720kg/窑。1.3炭化原理新砌或闲置一段时间的窑体中含有一定水分，在使用前必须进行烘烤，窑内温度需达到100℃左右，烘窑时间一般在24~48h。机制棒的炭化主要经历预炭化、炭化、精炼3个阶段[1~3]。1.3.1预炭化机制棒进窑后待烟囱冒烟，关窑门，留底部通气孔，关闭其余窑门上的通气孔，保持适量的空气流通；窑温渐升，机制棒水分蒸发，随烟气一同排出，半纤维素分解，发生放热反应，窑温继续上升，纤维素与木质素分解，温度升至300℃后，受空气流通量的制约，炭化进展缓慢，产热与散热量基本相持平，窑温维持300℃左右达2~3d，烟囱从排白烟至黄烟，最后至青烟，完成预炭化[4]。1.3.2炭化炭窑排青烟后，封闭烟囱，逐渐扩大窑门通气量，使机制棒进一步炭化，并产生大量可燃气，通58浙江林业科技30卷过空气助燃，使窑温上升至500℃。1.3.3精炼窑温升至500℃，窑门通气量增加引起燃火，物料炭化产生的大量可燃性气体与空气充分燃烧，产生一种抽力，使得初级机制炭发生自发脱除氢、氧的芳构化过程，有机气体快速流走，产生真空吸力，窑温进一步升高至650~700℃，使初级机制炭（经初步炭化的机制棒）内有机物急剧丧失（减少），体积收缩，固定碳含量上升，精炼完成[5]。2试验仪器与方法2.1生产和试验仪器设备工业生产设备：滚筒气流式连续烘干机，干燥效率400~600kg/h；高密度成型机：每台2.5t/d，保持2台正常工作；自燃内热式炭化窑，总容积3.07m3；除尘环保装置。试验仪器：上海欧锐WELL8000型多用量热仪，马弗炉NaberthermL9/11/SKM，数显鼓风干燥箱（GZX-9140）。2.2机制炭制备方法2.2.1备料木屑预处理：采购已袋装的松木屑和杉木屑，运回试验地仓库堆放半个月到1个月，对木屑起到一定的软化作用，有利于机制棒的成型。配料及搅拌：将松木屑和杉木屑按一定的比例进行配料，配料后搅拌均匀即可。原料过筛：选用合适网孔的滚筒筛，将所需原料经过简单的机械筛选，去除其中的树皮、粗大颗粒、石子等杂物。2.2.2干燥成型进料：将准备好的原料铲入畚箕，再倒入进料口，通过传送带进入干燥设备；通过进料斗的出口阀门控制原料的流出量。干燥：以木材碎料燃烧产生的烟气为热源，在离心风机的带动下，原料和烟气同时在管道内流动，最终达到原料干燥的目的。成型：干燥后流经贮存槽，稍加冷却后直接进入成型机，在高温、高压的作用下压制成型。2.2.3炭化机制棒装车：将机制棒冷却到室温后进行装车，要求中间6根纵向放置，两边横向放置，关键是每层机制棒紧密排列。最上面6层纵向放置，并逐层减少机制棒根数，使其与炭化窑圆弧顶保持一致。炭化基2.3检验方法本操作步骤如图2所示。含水率参照GB/T1931-1991木材含水率测定方法。图2机制棒炭化操作流程Figure2Operationalflowofmachine-maderodcarbonization烤窑进料封窑门预炭化封烟囱炭化精炼出炭冷却装箱2.3.1机制棒的2.3.2机制炭直径收缩率用游标卡尺直接测得。2.3.3机制炭的挥发分、灰分按GB/T17664-1999《木炭和木炭的试验方法》测定。2.3.4机制炭燃烧值按GB14402-1993建筑材料燃烧热值试验方法测定。2.3.5机制炭密度参照GB/T217-1996煤的密度测定方法测定。4期庄晓伟，等：机制棒自燃内热式炭化窑及其炭化工业试验593试验结果和讨论日帀始进行了前期炭化时间153h的炭化得率最低，为33.63%；炭化时3.1炭化工艺调整2008年9月13表1自燃窑炭化工业试验结果设备运行调试，由表1试验数据表明，9月13日烘窑帀始至适应性调整结束，之后实现正常稳定生产。在此期间，主要对不同原料混合比例及其成型温度对机制棒质量的影响、加料速度和干燥温度对原料干燥及其机制棒成型的影响、炭化工艺对炭化得率及机制炭质量的影响、除烟气装置对烟气流量及排放的影响进行了试验和调整，提出了相应的工艺参数，即松木屑和杉木屑的比例在3﹕7进行配料，成型温度350~420℃，干燥设备炉膛入口温度280~350℃，干燥设备炉膛的出口温