随着我国畜禽养殖业规模化、集约化的发展,大量产生的畜禽粪便引起的环境污染已经严重制约我国经济的可持续发展。采用炭化、气化等热化学方法处理畜禽粪便既可有效解决环境污染问题,还能获得高品质的生物质炭和生物燃气。现有的热解气化装置大多是一体式结构,即物料的干燥脱水、裂解脱挥发分及其半焦的深度热解、气化重整等反应过程在同一个反应容器内完成,不利于各反应阶段的精确控制。此外,气化反应的目标产物—可燃气中焦油含量过高,增加了下游净化系统的复杂程度和运行成本。分段式热解气化技术可在时间和空间上将物料的干燥脱水、初步热解、深度热解或气化重整等反应阶段分离,从而便于各反应阶段的精确调控、目标产物的改性提质以及系统优化和节能降耗。针对目前生物质热解装置的通用性和灵活性较差的问题,提出分段梯级的分布方式,实现热能的梯级利用。分段式热解工艺的关键是气化方式选择、中温炭化段与高温气化段温度点界限的确定以及各段生产能力的配备。本文研究分段热解工艺中中温段干馏、高温段干馏热解和水蒸气气化2种模式且在不同温度点通入水蒸气的情况下牛粪热解产物产率变化、气相产物中各组分分布、气体热值,固相产物形貌特征、孔隙结构特征的演变、矿质元素迁移规律以及结渣特性,为分段式热解装置设计及工艺优化提供依据。本文的主要研究内容及结果如下:(1)畜禽粪便的基本特性(工业分析、元素分析、矿质元素分析)是影响热解的重要因素,对牛粪的基本理化特性进行全面分析,可为牛粪的热解特性打下基础并为热解试验提供一定的理论依据。工业分析结果表明,与煤相比,畜禽粪便与生物质挥发分含量很高,固定碳含量低,但畜禽粪便和煤的灰分含量较生物质高。矿质元素分析表明,牛粪原料中Si含量最高,碱金属则以Ca和K含量较高,其热解利用过程中由于熔融结渣可能会影响分段式热解过程的进行。(2)热解条件显著影响牛粪的热解过程及产物的生成。对干馏热解模式下不同热解温度和停留时间下产物的分布进行了系统研究,结果表明,热解温度对热解产物的影响明显大于停留时间。随着热解温度的升高,气相的产率明显增大,气相热值明显增加。但当温度从800℃升高到900℃时,该变化趋势较小。热解停留时间为1h时,固相产率高,热值低;热解停留时间长于2h时,热解产物分布变化不大,但增加了系统能耗。(3)分段式热解工艺中高温气化段主要发生热解炭、焦油、不可冷凝大分子化合物与水蒸气等的二次裂解,该阶段是否引入第一级干燥脱水后的水分、在哪一温度下引入皆是分段式热解工艺需要解决的问题,因此,对牛粪在水蒸气气化模式下不同热解温度和不同水蒸气通入起始温度点下的产物分布进行了试验研究。研究结果表明,水蒸气气化模式下气相产率与可燃气热值明显提高,气相产物中H2所占比例显著提高,CO和CH4有所降低,改善了生物燃气安全利用性能。(4)为进一步了解牛粪在干馏热解和水蒸气气化2种模式下热解炭的品质,更有效的利用热解炭,减少污染,采用SEM、XRD、XRF、压汞仪等仪器对2种热解模式下的热解炭的表观结构、晶体化合物迁移、结渣特性、孔隙特性进行了全面分析。研究结果表明,牛粪及其热解炭主要含SiO2和KCl,随着有机挥发份析出,孔隙结构发生明显地改变,水蒸气气化模式下固相产物总孔隙度明显大于干馏热解模式,总孔容积略高于干馏热解,平均孔径差异不明显。在900℃时,水蒸气气化模式下的固相产物出现明显的熔融结晶状态,炭中存在严重的团聚渣块现象,渣块坚硬且密实,干馏热解模式下产物未出现熔融结渣状况,但也出现了结构变形。综合试验研究结果,针对本课题组提出的连续分段式热解工艺,如果牛粪热解利用的目的是生物燃气,在高温热解段应采用水蒸气气化模式,但气化温度不能超过800℃,以避免出现结渣而影响正常生产;如果是制备还田用生物炭,第2至第3段均可采用低温干馏热解模式,以增加生物炭生产能力,亦可采用水蒸气气化方式生产土壤改良用生物炭,其温度条件应根据物料质量平衡及热解时间进行计算确定,但不宜在700℃及以上。