技術(shù)分析：是什么阻止了黑色烘培顆粒的發(fā)展？

　　十多年來，眾多的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、研究機(jī)構(gòu)、政府機(jī)構(gòu)和私營企業(yè)都把重點(diǎn)放在了對技術(shù)的拷問上，目的是使其達(dá)到可行的商業(yè)地位。在商業(yè)化之后，在我們的社會向循環(huán)經(jīng)濟(jì)過渡的過程中，烘培將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中，含碳材料將被循環(huán)利用，降低總體碳排放，并應(yīng)對氣候變化。

　　長期以來，人們一直認(rèn)為，從生物質(zhì)中生產(chǎn)工程燃料的下一個合乎邏輯的步驟是通過烘培將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成黑顆粒（碳化顆粒），因?yàn)檫@種產(chǎn)品具有先進(jìn)的特性，最終可能取代白色顆粒。與白色顆粒相比，致密化、碳化的生物質(zhì)顆粒具有含水率低、能量密度高、容重大、疏水性好、抗生物活性強(qiáng)、可磨性好、粒度分布相對均勻等優(yōu)點(diǎn)。這些特性可以轉(zhuǎn)化為更低的運(yùn)輸成本、更高的共燃率和更低的用戶使用成本。正因?yàn)檫@些原因，黑顆粒受到了如此多的關(guān)注。

　　無數(shù)的新聞發(fā)布和公告都預(yù)示著所謂黑顆粒的成功，但隨之而來的卻是大范圍的沉寂，偶爾也有關(guān)于火災(zāi)、爆炸和失敗的新聞報(bào)道。數(shù)以百萬美元的資金沒有投入任何一個大規(guī)模、可持續(xù)的商業(yè)成功案例。投資者已經(jīng)不再抱有幻想，許多潛在客戶幾乎已經(jīng)放棄了將黑顆粒商業(yè)化的想法。這不可避免地引出了這樣一個問題：“是什么阻礙了它在商業(yè)上的成功？”

　　本文討論了阻礙黑顆粒商業(yè)化的潛在問題，并提出了解決這些問題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)變更。但首先，我們必須了解阻礙其大規(guī)模商業(yè)化的原因。這不是由于很高的資本成本，它與白色顆粒處在大致相同的資本水平上。它的運(yùn)營成本也并不高，因?yàn)榕c那些與白色顆粒有關(guān)的成本大致相同(再次以能源為基礎(chǔ))。也不是原料成本的問題——干燥過程在經(jīng)濟(jì)上與制造白色顆粒幾乎相同，加上額外的原料如森林殘余物——這些通常不會用于白色顆粒的制造，這些低質(zhì)量的原料通?？梢垣@得更低的原料成本。

　　那么，是什么阻止了烘培黑顆粒的商業(yè)化，盡管這么長時間以來付出了這么多努力？這個問題的答案圍繞著一個根本的技術(shù)問題，如果不能正確地解決這個問題，就會導(dǎo)致過程穩(wěn)定性、系統(tǒng)可靠性和安全性方面的問題。

　　真正的問題

　　烘焙(torreation)是一種低溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，通過應(yīng)用熱量對碳基材料進(jìn)行化學(xué)分解，生成有揮發(fā)性、疏水性、易磨性、高碳的固體產(chǎn)品。

　　除了各種可冷凝組分如乙酸、甲酸、甲醇、乳酸、糠醛、羥基丙酮和水之外，脫揮發(fā)分產(chǎn)生包括二氧化碳和一氧化碳的烘焙氣體。這些烘焙氣體含有大量能量。對于經(jīng)濟(jì)上可行的烘焙系統(tǒng)，至關(guān)重要的是在系統(tǒng)中有效利用該能量。但是這些氣體也具有高反應(yīng)性，可以迅速聚合成重分子量的生物油。目前的烘焙氣體處理系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的熱氧化技術(shù) - 燃燒濃縮的烘焙氣體以產(chǎn)生熱煙道氣形式的熱量。盡管這種傳統(tǒng)方法似乎是一個明顯的選擇，但實(shí)際操作已經(jīng)顯示出主要缺點(diǎn)，主要是因?yàn)樵摕煔獾难鹾刻叨荒苡糜谂c生物質(zhì)直接接觸。為克服這一缺點(diǎn)而進(jìn)行的工藝設(shè)計(jì)導(dǎo)致了系統(tǒng)中會產(chǎn)生不可接受的高濃度揮發(fā)性氣體，并且這是妨礙商業(yè)規(guī)模烘焙技術(shù)應(yīng)用的根本原因。

　　一般來說，情況是這樣的：由于烘焙氣體的高反應(yīng)性和濃度，很難安全有效地處理它們。更糟的是，氣體壓力可能會波動，導(dǎo)致流動不穩(wěn)定和隨后的過程控制問題。這是確實(shí)存在的，無論是直接加熱的烘培反應(yīng)器技術(shù)或間接加熱的烘培反應(yīng)器技術(shù)。傳統(tǒng)的熱氧化技術(shù)必須通過使用過量的燃燒空氣來適應(yīng)這些條件，而燃燒空氣產(chǎn)生的富氧煙氣不能直接與生物質(zhì)接觸使用。這嚴(yán)重限制了這種能源在高溫反應(yīng)堆內(nèi)部的有效利用，以及在冷卻等其他系統(tǒng)中的應(yīng)用。直接加熱反應(yīng)器的設(shè)計(jì)試圖解決這一問題，通過一個熱交換器，通過不斷循環(huán)濃縮的高溫氣體，正如幾年前由高溫技術(shù)公司ECN概述的那樣。間接加熱反應(yīng)器的設(shè)計(jì)允許氣體集中在反應(yīng)器內(nèi)部，并在那里停留很長一段時間，然后僅僅通過內(nèi)部氣體壓力的累積就被排出反應(yīng)器。因此，在這兩種情況下，這些揮發(fā)性氣體的濃度都很高。這種情況會導(dǎo)致過程穩(wěn)定性問題，并可能導(dǎo)致氣體冷凝成裂解油和焦油，然后相對較快地在設(shè)備、管道和過程監(jiān)控儀表上積累。這些裂解油和焦油的形成不僅創(chuàng)造了一個危險(xiǎn)的環(huán)境，而且還導(dǎo)致了需要頻繁關(guān)閉以進(jìn)行清潔的操作。即使是輕微的集中烘焙氣體泄漏也會造成無法接受的工作環(huán)境和安全隱患。此外，在離開反應(yīng)器后，烘焙氣體繼續(xù)從固體中擴(kuò)散出來。這種情況會造成環(huán)境和安全問題。

　　最后，烘焙會將生物質(zhì)加熱到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其自燃溫度。如果在冷卻前將烘培的生物質(zhì)暴露在空氣中，它就會燃燒起來，有可能造成災(zāi)難性的損失。

　　在所有情況下，流程中斷隨時可能發(fā)生。一個商業(yè)上可行的流程必須能夠連續(xù)幾個月不間斷地全天候運(yùn)行。不能有效地處理烘焙氣體，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的操作流程是不可能的。

　　處理氣體

　　如何有效地處理烘焙氣體？合理的解決方案是采用一種非常大且連續(xù)可用的惰性氣體的加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。烘焙反應(yīng)器必須在烘焙溫度下用熱的惰性氣體流連續(xù)沖洗（吹掃），稀釋烘焙氣體并快速將其從反應(yīng)器中移出，遠(yuǎn)離烘焙的固體。

　　惰性吹掃氣體會將烘焙氣體的濃度降低到非常低的水平，只占原始濃度的很小一部分；穩(wěn)定反應(yīng)器內(nèi)的氣體流動，并顯著縮短了熱解氣體組分的壽命，從而大大減少了熱解油和焦油的生成機(jī)會。

　　這種凈化和稀釋策略的第二個好處是，在固體即將離開反應(yīng)堆的過程中，揮發(fā)性氣體冷凝到被加熱固體表面的可能性大大降低。許多技術(shù)開發(fā)人員已經(jīng)觀察到在被加熱的生物質(zhì)上有冷凝物質(zhì)，這對反應(yīng)器下游的產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境是有害的。

　　對大量且持續(xù)可用的惰性氣體的需求回避了這樣一個問題：“惰性氣體從何而來？”購買或生產(chǎn)(和加熱)那么多惰性氣體的成本可能高得令人望而卻步。因此，有必要采用另一種方法。該解決方案是一種使用氧化催化劑而不是熱氧化劑的烘焙氣體處理系統(tǒng)。氧化催化劑在工業(yè)和環(huán)境應(yīng)用方面有著悠久而成功的歷史。它們可以非常有效地氧化各種揮發(fā)性有機(jī)化合物，例如那些包含在烘焙氣體中的揮發(fā)性有機(jī)化合物，并且在這個過程中可以產(chǎn)生大量熱的、基本上是惰性的煙氣，作為氧化過程的免費(fèi)副產(chǎn)品。在整個加熱系統(tǒng)中使用這種自由惰性氣體將解決目前大規(guī)模烘焙過程中的穩(wěn)定性、可靠性和安全性問題。

　　作者：Thomas P. Causer

　　Advanced Torrefaction Systems LLC CEO

　　tcauser@atscat.com

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