生物炭粉是生物質(zhì)熱解液化工藝的主要副產(chǎn)品之一，其被清收的效果對(duì)生物油質(zhì)量有較大影響。該文以下降管式生物質(zhì)熱解液化裝置作為試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)分析了旋風(fēng)除塵器對(duì)炭粉的除塵效果。該工藝中，進(jìn)入旋風(fēng)除塵器的熱解氣含塵濃度范圍一般為 35～50 g/m3，且濃度隨機(jī)波動(dòng)較大；旋風(fēng)除塵器收集的炭粉粒徑范圍為 0.39～30 μm 的顆粒占總量的 91.29%，幾乎沒(méi)有小于 0.39 μm 和大于 40.72 μm 的顆粒；旋風(fēng)除塵器的除塵效率不高，一般低于 80%。旋風(fēng)除塵器的除塵效率隨熱解氣中炭粉濃度增加而略有提高。


石油短缺已經(jīng)是一個(gè)不可忽視的世界性問(wèn)題，它已經(jīng)從多方面危機(jī)到人類的生存和發(fā)展。生物質(zhì)能的開發(fā)和利用已經(jīng)受到越來(lái)越多的重視和關(guān)注。生物質(zhì)閃速熱解液化技術(shù)是有效利用生物質(zhì)能的方式之一，它采用高加熱速率(103～104 K/s)、_短產(chǎn)物停留時(shí)間（0.2～3.0 s）及適中的裂解溫度（500℃左右），使生物質(zhì)中的有機(jī)高聚物分子在隔絕空氣的條件下迅速斷裂為短鏈分子。生成物包括熱解氣（可冷凝氣體和不可冷凝氣體）和生物炭粉（植物纖維性炭粉）。通過(guò)冷激熱解氣，使可冷凝氣體冷凝，獲得液體產(chǎn)品（生物油）。國(guó)外的研究大多以木材作為熱解原料，國(guó)內(nèi)主要以農(nóng)作物秸稈、殼皮和林業(yè)樹皮等作為熱解原料開展研究。
生物質(zhì)熱解液化工藝流程中，除塵裝置為主要設(shè)備之一。該工藝要求反應(yīng)產(chǎn)生的氣體中攜帶的炭粉在進(jìn)入冷激設(shè)備之前，需被清收。如果這些炭粉進(jìn)入冷激裝置會(huì)影響熱解油的質(zhì)量，而且還黏附在管道及冷激裝置中，嚴(yán)重時(shí)可能造成冷激裝置的堵塞。因此，選擇適合的除塵裝置是關(guān)系到生物油生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵因素之一。結(jié)合生物質(zhì)熱解液化工藝的要求：熱解氣通過(guò)除塵裝置時(shí)，不能發(fā)生冷凝且要迅速實(shí)現(xiàn)與粉塵分離，因此旋風(fēng)除塵器是較適合的選擇。

一、試驗(yàn)系統(tǒng)與工況
1.1 下降管式生物質(zhì)熱解液化裝置
1.2 旋風(fēng)除塵器的設(shè)計(jì)
生物質(zhì)原料通常含有 70%～90%的揮發(fā)分。參考有關(guān)資料，為達(dá)到熱解液化系統(tǒng)密封性的要求，應(yīng)_系統(tǒng)處于微正壓下運(yùn)行（一般壓力大于 5 mmHg），可選擇生物質(zhì)加料量的 70%作為產(chǎn)氣量進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)量設(shè)計(jì)。特別說(shuō)明的是：這里將熱解氣的密度近似為相同
狀態(tài)空氣的密度。
溫度是影響旋風(fēng)除塵器性能的基本因素之一，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，含塵氣體的一些性質(zhì)如密度、黏度等發(fā)生改變，影響煙塵顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特性，從而影響旋風(fēng)除塵器的分離效率。目前，在高溫狀況下，對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣固分離機(jī)理的研究還不是很透徹，在很大程度上仍是通過(guò)試驗(yàn)手法來(lái)探索溫度對(duì)顆粒分離機(jī)理的影響，即使如此，試驗(yàn)研究結(jié)果也不是很充分，這方面研究有待進(jìn)一步深入。


上述研究只考慮了隨著溫度增加，運(yùn)動(dòng)顆粒黏性阻力增加，給旋風(fēng)分離帶來(lái)的不利影響，而未分析及考慮隨著溫度增加，細(xì)微顆粒的熱團(tuán)聚作用將會(huì)_突出，加之在旋風(fēng)分離器內(nèi)存在著明顯的梯度團(tuán)聚和湍流團(tuán)聚，而細(xì)微顆粒的團(tuán)聚勢(shì)必形成質(zhì)量較大顆粒團(tuán)，當(dāng)微團(tuán)質(zhì)量大于臨界分離顆粒質(zhì)量時(shí)，_會(huì)被旋風(fēng)分離器分離。顯然，從理論上分析，隨溫度增加，團(tuán)聚作用增加，團(tuán)聚有助于旋風(fēng)分離除塵效率的提高。因此，在高溫條件下，隨著溫度的升高，其顆粒的捕集分級(jí)分離效率下降，但在高溫條件下，亦存在可加以利用團(tuán)聚作用的有利條件。進(jìn)一步研究高溫預(yù)團(tuán)聚對(duì)旋風(fēng)分離的影響規(guī)律，并進(jìn)行充分有效的利用，可以提高分離效率，變高溫不利因素為有利因素，達(dá)到在高溫條件下，效率除塵的目的。建議下一步的研究中，在旋風(fēng)分離器前，加裝一個(gè)高溫旋風(fēng)風(fēng)筒，旋風(fēng)筒中采用簡(jiǎn)單的導(dǎo)向葉片，使得高溫含塵氣流適當(dāng)旋轉(zhuǎn)以有效塵粒的團(tuán)聚和黏結(jié)，然后，再進(jìn)入旋風(fēng)分離器中分離。為增加炭粉團(tuán)聚作用，本設(shè)計(jì)的旋風(fēng)除塵器加長(zhǎng)了錐體部分，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖 2 所示。旋風(fēng)除塵器進(jìn)口采用半圓周蝸卷入口形式，進(jìn)口設(shè)計(jì)風(fēng)速 18 m/s，下部采用閉風(fēng)器密封。


1.3 試驗(yàn)物料
試驗(yàn)采用的原料是山東淄博地區(qū) 2010 年收獲的玉米秸稈。秸稈用錘式粉碎機(jī)粉碎，粉碎機(jī)配直徑為 3.8 mm孔徑的篩網(wǎng)篩分，粉碎后的物料陽(yáng)光下自然風(fēng)干至含水率低于 10%，得到的玉米秸稈粉末密度為 114.4 kg/m3。
粉末一般為長(zhǎng)度為小于 1 cm 的針狀物，厚度小于 0.05 cm的片狀物和直徑小于 1.5 cm 的球狀物。
1.4 試驗(yàn)工況參數(shù)
由反應(yīng)管結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度及其中陶瓷球與生物質(zhì)粉混合狀態(tài)決定陶瓷球與生物質(zhì)粉的接觸時(shí)間。大流量的高溫陶瓷球顆粒滾落下降中充滿反應(yīng)管，與生物質(zhì)粉接觸下落過(guò)程中，由于生物質(zhì)粉對(duì)陶瓷球的運(yùn)動(dòng)作用影響較小，這里將陶瓷球滾落時(shí)間近似作為球與粉接觸時(shí)間。陶瓷球溫度為陶瓷球剛?cè)敕磻?yīng)管時(shí)的溫度，其有較小波動(dòng)，一般在 10℃以下。試驗(yàn)中，反應(yīng)管內(nèi)的氣壓波動(dòng)較小，說(shuō)明生物質(zhì)熱解氣氣化產(chǎn)量較均勻。試驗(yàn)中用鎳鉻-鎳鉻熱電偶測(cè)量陶瓷球的溫度，U 型玻璃管壓力計(jì)測(cè)定反應(yīng)管氣壓。

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 熱解后得到的生物質(zhì)炭粉
生物質(zhì)熱解液化工藝中，熱解后的產(chǎn)物之一是黑色生物炭粉
炭粉易燃，在空氣中點(diǎn)燃后可穩(wěn)定燃燒。其特點(diǎn)：一是密度小，含水率低。松散狀態(tài)下，堆積密度為 115～120 kg/m3，含水率 6.7%左右。二是形狀不規(guī)則，炭粉顆粒形狀為大量的針狀物+細(xì)粉+片狀物的混合體。三是粒度小，比表面積大。四是黏附性強(qiáng)，容易黏附在容器壁上。五是具有潤(rùn)濕性，由于溫度變化的不可避免，熱解氣在除塵器中有少許的冷凝，與炭粉黏俯，不易清收。
2.2 旋風(fēng)除塵器收集的生物炭粉
旋風(fēng)除塵器收集的粉塵是生物質(zhì)熱解后得到的生物炭粉中粒度較小的一部分。由于機(jī)械振動(dòng)或氣流擾動(dòng)使一部分粒度較細(xì)粉塵混入熱解氣中，隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)除塵器。經(jīng)旋風(fēng)除塵器將粉塵離心沉降后，粉塵被排入炭粉收集箱。

2.3 旋風(fēng)除塵器除塵效率
旋風(fēng)除塵器的分離機(jī)理為離心分離，其機(jī)理決定了不適用于分離小于 5～10 μm 的顆粒。粒徑小于 10 μm 的顆粒僅占總量的 19.2%，說(shuō)明粒徑小的顆粒難于收集，這也是旋風(fēng)除塵器處理生物炭粉除塵率較低的因素之一。
試驗(yàn)中，旋風(fēng)除塵器內(nèi)粉塵的質(zhì)量濃度用煙塵濃度測(cè)試儀測(cè)量。將兩臺(tái) 3012H 型自動(dòng)煙塵/氣測(cè)試儀的取樣頭分別插入旋風(fēng)除塵器進(jìn)風(fēng)端和出口端預(yù)留的取樣孔內(nèi)，讀取相應(yīng)的粉塵濃度數(shù)值，計(jì)算出旋風(fēng)除塵器的除塵效率。熱解氣中的炭粉濃度較高,一般為 35～50g/m3，甚至_高，且波動(dòng)較大。分析原因是熱解炭粉粒度細(xì)，密度小，容易飄浮且隨氣流運(yùn)動(dòng)，在與陶瓷球分離時(shí)受
偶然因素影響較多，軌跡不確定，再加上氣流擾動(dòng)的影響，使得氣流中的含塵量變化較大。旋風(fēng)除塵器除塵率較低，其效率低于 80%，說(shuō)明大于 20%的粉塵隨攜帶熱氣流進(jìn)入下_設(shè)備中。除粒徑因素外，考慮的其他主要原因是：1）生物炭粉在旋風(fēng)除塵器內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的離心力因體積小、密度小而較小。同時(shí)，炭粉由于比表面積較大、形狀不規(guī)則，在離心力作用下向器壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)和飄移，其運(yùn)動(dòng)軌跡不確定，無(wú)法到達(dá)除塵器壁面而實(shí)現(xiàn)分離，導(dǎo)致旋風(fēng)除塵效率不高。2）熱解氣在旋風(fēng)除塵器內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，除塵器底部灰塵出口溫度發(fā)生變化，產(chǎn)生了焦油，濕潤(rùn)了灰塵，使得排灰不暢，這也是導(dǎo)致設(shè)備除塵效率較低的原因。當(dāng)然，旋風(fēng)除塵器除塵效率低，也可能是除塵器結(jié)構(gòu)不合理，或除塵器底部有漏風(fēng)的影響，這兩點(diǎn)需進(jìn)一步開展研究。

三、結(jié) 論
1）下降管式生物質(zhì)熱解液化工藝中，進(jìn)入旋風(fēng)除塵器的熱解氣含塵濃度較高，且濃度隨機(jī)波動(dòng)較大，其范圍一般為 35～50 g/m3。
2）熱解液化工藝中，經(jīng)旋風(fēng)除塵器收集的生物炭粉粒徑較小，粒徑為 0.39～30 μm 的顆粒占總量的 91.29%，幾乎沒(méi)有小于 0.39 μm 和大于 40.72 μm 的顆粒。
3）在熱解液化工藝中，對(duì)于生物炭粉的處理，旋風(fēng)除塵器的除塵效率不高，一般低于 80%。旋風(fēng)除塵器的除塵效率隨熱解氣中炭粉濃度增加而略有提高。
4）對(duì)生物質(zhì)熱解液化工藝，在旋風(fēng)除塵器前，可加裝一個(gè)高溫旋風(fēng)風(fēng)筒。使得高溫含塵氣流適當(dāng)旋轉(zhuǎn)以有助塵粒的團(tuán)聚和黏結(jié)，以有助炭粉在旋風(fēng)除塵器中的沉降。