CN102439116A - 一种生成生物质炭和生物质能的热解过程和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于处理生物质的热解转化组件包括：回转窑，所述回转窑包含用于在压力下加热生物质的管道，该管道在第一较高端处的生物质入口处有一个可密封的进口并且在较低端处的用于排出生物质形成的木炭的出口处有一个可密封的排放口；以及安置在回转窑周围用于提供局部加热源的加热元件，与供生物质生产的气体冷凝回流进入的可密封进口有预设距离。

Description

一种生成生物质炭和生物质能的热解过程和设备

技术领域

本发明涉及一种热解转化器。本发明的实施方式之一特别适用于植物性废物物质的转化，如将锯末转化成可燃气体和木炭。

背景技术

生物质转化过程是已公知的现有技术。通常情况下，它们的目标是将生物质，例如木材、粮食、畜禽粪便、甘蔗渣、稻壳、玉米秆等，转化成气体和液体燃料、木炭及其他具有能源净增益并将不需要的副产品产量降到最小的有用产品。

如果使用微生物学过程分解，生物质将降解成许多其他成分，包括二氧化碳、有机油和焦油，并且在过程中会释放出有毒气体。此外，生物质的内能将会消散且未加以利用。作为一种生物质分解的替代方法，最好能够将生物质高效地转化成工业原料等有用的产品，同时实现其内能含量。

在过去，通过热解过程实现生物质的转化已成为许多研究者的研究主题，并且目的多种多样，如产生工业原料合成气体和油及发电。

一个比较普遍的目的是将生物质转化成作为燃料使用的木炭。使用单独装载回转窑的传统方法采用的是一种缓慢的热解技术，但转化速率很低并且会产生许多不必要的污染物，如一氧化碳和各种焦油。

本发明的目的是提供一种热解转化组件，将废弃生物质转化成足够纯的、可以埋在土壤表层但不会损害植物或微生物生命的木炭。

本发明的另外一个目的是提供一种能够产生净能源的生物质转化过程。

发明内容

根据本发明的第一方面，所提供的用于处理生物质的热解转化组件，包括：

回转窑，所述回转窑包含用于在压力下加热生物质的管道，该管道在第一较高端处的生物质入口处有一个可密封的进口并且在较低端处的用于排出生物质形成的木炭的出口处有一个可密封的排放口；以及

安置在回转窑周围用于提供局部加热源的加热元件，生物质生产的气体冷凝回流进入一个可密封进口，加热元件与该可密封进口有预设距离。

根据一个优选的实施方式，回转窑包括朝向管道较高端的较小序碳氢化合物气体出口的一个分解产物气体出口。

较低端处的可密封出口优选包括一个密封气口，用于将气体注入回转窑内，从而防止分解产物随木炭一起离开回转窑。

可以配置电子处理器用于监控回转窑所需的扭矩并根据被监控的扭矩相应地调节回转窑的送料。

该热解转化组件优选包括烘干机，用于烘干生物质，烘干机的出口侧与用于将干燥后的生物质传送至回转窑的可密封进口相耦合。

在一种优选实施方式中，该组件包括含有燃料吸入装置的内燃机，用于燃用从回转窑分解产物气体出口排出的碳氢化合物。

烘干机可以包括一个废气进气口，用于接收内燃机为协助生物质干燥过程而产生的废气。

发电机可以与内燃机的输出轴机械耦合。

该发电机的电力输出连接器优选与上述组件的电力部件耦合，包括用于为上述组件供电的加热元件。

该燃气发动机的燃料吸入装置可以通过冷凝器(condensate trap)以及优选还有如一个或多个集尘旋流器、蒸汽冷凝器、过滤器和背压调节器等适当的废气处理设备与回转窑的分解产物出气口相通。

该热解转化组件优选包括冷却器，其具有输入侧，用于接收来自于回转窑的木炭。

在一个优选实施方式中，冷却器依靠空气进行冷却，并包含管道，用于将冷却器的温暖空气传送至料斗来预热生物质，该料斗位于干燥机的上游。

管道可以被安排放置在回转窑与烘干机相通的密封出气口处，由此来自干燥机的废气可作为低氧的密封气使用。

优选在出气口与烘干机之间的管道中插入散热器和压缩机，用于在冷却的废气到达密封处前对其进行处理。

每个烘干机、回转窑和冷却器优选倾斜安置并与旋转装置耦合，以便在上述组件运转时能够依靠重力和旋转来实现固体在其中的运输。

在热解转化组件的优选实施方式中，上述管道、密封入口、密封出口和回转窑的加热元件用以提供压力至少为700千帕下至少为400℃的工作温度。

优选提供一个或多个旋转组件来分别旋转烘干机、回转窑和冷却器。

根据权利要求1所述的热解转化组件，其中密封入口和出口两者其一或者两者都由十字槽头螺钉喂料器(plug screw feeder)提供。

根据本发明的另一方面，所提供的一种生物质热解处理方法，包括以下步骤：

在高温高压下加热生物质，使之释放出分解蒸汽；

回流冷凝所释放的分解蒸汽；以及

使用由被回流冷凝的分解蒸汽产物所衍生的燃料对内燃机供电。

本发明的优选功能、实施方式和变体可以通过以下详细说明进行辨别，该说明为该领域的技术人员提供了足够的实现本发明的信息内容。该详细说明不应被视为以任何方式限制了前述“发明内容”的范围。该详细说明将参考全文的一个或多个附图，具体如下。

附图说明

图1为根据本发明的一个优选实施方式的热解转化器的程式化图。

具体实施方式

现在参考图1，根据本发明的一个优选实施方式的热解转化器包括储存木屑等用于处理的生物质的储料仓2。虽然以下内容所参考的生物质是以木屑为形式，但本发明的实施方式也适用于处理其他类型的生物质。

传送带4用于将木屑运送到网筛6，用于过滤出粗糙的碎片并将其转移到垃圾箱8。

网筛6下方有一个精细进料斗10，用于接收过滤后的木屑。暖空气会通过一个暖空气管道12从下游的回转冷却器装置循环到进料斗10来预热经过细筛的木屑颗粒。在精细进料斗10与一个旋转烘干机16的进口一侧之间安置了一个螺旋升降机装置14。该回转烘干机16是一个向下倾斜的管道，由发动机的排气对其外部进行加热并旋转，从而促使木屑沿着该管道朝向位于其较低一端的出口移动。蒸汽等潮湿的废气会通过一个排气装置17从管道的任意一端排出。

在回转烘干机的较低一端有一个入口，用于接收通过一个来自于热排气管22的热废气。上升到回转烘干机16外侧的热废气会加热沿着倾斜旋转的烘干机逆向向下移动的木屑。

回转烘干机16的较低一端与十字槽头螺钉喂料器(或又称“可变螺距压紧螺钉”)19相耦合，该喂料器会将干燥后的木屑压缩并将其喂入一个圆柱形、高压、间接燃烧、下倾的热解回转窑20。可变螺距压紧螺钉的操作可依靠电子控制，以防止回转窑20内过度充满，这一点将在下文中进一步讨论。该“十字槽头螺钉”喂料器专门用于在工作压力下正确地喂送精细分离的生物质，同时使回转窑的漏气现象降到最低。它还是专门设计用于协助将旋转密封推入回转窑。回转窑是一个优选装置，因为它能向木屑提供快速均匀的传热，同时避免热点的形成。回转窑20的工作压力保持在大约1兆帕，工作温度为450℃，在压力和温度都较低的情况下，如700千帕压力和400℃的温度，它仍然能够运转。当回转窑变空时，会被来自于压缩机54的气体增压。一旦回转窑处于工作状态，在其中被热解的木屑分解产物就会产生压力。回转窑包含一个钢管26，在其周围分布有多个电子加热元件24。这些加热元件与金属管进口端有一段距离d，这样，在工作状态下，就会在朝向金属管26进口端，也就是较高端一侧形成一个相对冷却的再冷凝区域30。加热元件24和金属管26的外围有一层与金属管长度相当的绝缘护套28，可降低回转窑运转过程中的热量损失。

在工作状态下，当木屑在重力作用下沿着回转窑的管道26向下移动时，会首先通过再冷凝区域30，然后贴近加热元件24通过时，其温度会被提升至450℃。当木屑向下通过管道26时，会发生一个热解过程，该过程会将木屑转化成木炭、蒸汽和气态碳氢化合物以及其他分解气体及(或)蒸汽产物。木炭继续在重力的作用下沿着倾斜的管道26向下移动，而气态碳氢化合物产物会沿着管道26上升经过再冷凝区域30。当碳氢化合物产物沿着管道26向上移动时，会与已被压紧螺钉19重新引入且已显著冷却的、沿管道向下移动的木屑相遇。因此，在冷凝回流过程中，较重的碳氢化合物馏分会在冷却的木屑上凝结并沿着管道26被带回加热元件24附近，在此处再一次被加热并分解为较轻的馏分。较重的热碳氢化合物产物会进一步加热引进的木屑，从而提高回转窑的效率。蒸汽在再冷凝区域30的上下回流确保了只有轻馏分会通过气体燃料出口32排出。这种能够提供再冷凝区域30的加热线圈24布置方法的优点在于能够收集耐火的高序焦油。虽然木屑和木炭通过管道26的运输时间短，如约15分钟，但密度更大的碳氢化合物会在管道中停留更长的时间并将进一步分解成较轻的馏分。至少有如下两个优点。

第一个优点是减少了碳氢化合物产物中的较重馏分，这样，当产物被冷却时，它们仍然以气态形式存在并不会凝结为液体。这些重馏分液体性质不稳定，如果不将它们分解，就会需要一个后处理加工步骤使之成为可用燃料。

第二个优点是，木屑所生成的较重馏分的转化更加彻底。这些重馏分最后会形成更多的木炭。

较小序的碳氢化合物蒸汽会经过气体燃料出口32排出，该气体燃料出口通过管道34与冷凝槽冷却器62相耦合。

该冷凝槽冷却器62包含多个装有冷水的冷却管。碳氢化合物气体生成的冷凝物主要是含有一些较重碳氢化合物馏分的水，这些较重的碳氢化合物馏分也会随着温度和压力的降低而凝结。凝结物会被碳氢化合物污染。但是，受污染的程度明显低于许多其他热解转化器，因为冷凝回流是发生在回转窑20内的。因此，冷凝水可以用传统的废水处理系统进行处理，以将污染物降低到可以接受的水平。

冷凝槽62会为后续的调节器冷却气体，以减少来自于回转窑20的轻碳氢化合物压力，这样它们就能够作为燃料被输送进内部的内燃机64。内燃机64的一个传动轴将机械输出传送到发电机66，发电机发出的电力用于供整个设备运转。例如，发电机66的输出连接器与电子加热器24相连接，并连接一个或多个旋转组件的电机，这些旋转组件用于旋转回转烘干机16、回转窑20和旋转冷却器40。发电机66发出的多余电能可以会反馈到公用事业设施电网等。如上所述，内燃机64排出的热废气会通过管道22返回到回转烘干机16，并在那里被排放到大气中。二氧化碳的排放量相比于不对木屑进行处理而仅依靠细菌作用来分解的方法要小得多。

应当注意的是，由于高温和高压，监控回转窑20中的木屑量是比较困难的。然而，重要的是，如前文所提到的，可变螺距压紧螺钉19不会使回转窑过度充满。旋转回转窑20所需的扭矩是关于所处理的生物质类型、填充的容积以及旋转速率这三者的一个函数，需要依靠电子监控和处理，生成一个控制信号来对可变螺距压紧螺钉的操作进行电子化调节。这样做的好处之一是回转窑不会过度充满，因此优化了热解转化过程，使其更适于经济运行。

回转窑20的较低端与往复式阀室36相连，该阀室内部有一个阀门活塞，外部有一个密封活塞。阀门活塞由穿过外部密封活塞的棒管驱动。循环开始时，两个活塞都处于关闭的位置。压缩机54通过管道56来提供烘干机16经由管道60所输送的气体。压缩机54受一个散热器58保护，可冷却来自于烘干机16的废气。气体通过棒管排放到活塞之间的空间，以形成接近于回转窑工作压力的气压。然后内部阀门会向内打开并允许木炭进入阀门间的空间。短暂延迟后，内部阀门活塞会关闭，捞出更多一些的木炭装入阀室中。然后外部活塞打开，输送进更多的气体将阀室内的木炭吹出，而阀室又与一个圆柱形并且向下倾斜的回转冷却器40相连。回转烘干机16排出的废气得到了利用，因为其含氧量低，所以不会引燃回转窑内的热木炭。

回转冷却器包括一个中央钢管42，钢管外部有一层绝缘护套46。钢管42和绝缘护套46之间有一个空隙44。设备安置有一个风扇48，用于将周围的空气吹入空隙44，以冷却钢管42以及沿钢管42向下移动的木炭。绝缘护套46有一个通气孔50，与暖空气管道12的进气端相连。如前所述，暖空气管道12与精细进料斗10相连，以利用来自于回转冷却器40的暖空气来预热进入进料斗10的木屑。

在回转冷却器管道42较低的出口端下方有一个袋子52，用于接收冷却后的木炭。

在本说明书和权利要求书中，“包括”一词及其相关与衍生的词汇应被解释为包含意义，包含所有所述事物，但不排除包含一个或更多事物。

按照法规规定，本发明使用了一种差不多针对结构和系统特征的语言进行描述。应当理解的是本发明并不限于已展示或已描述的特定功能，因为本文所描述的方式包括使本发明实现的优选形式。因此，本发明的任何形式或被该领域专业人员合理解释的且在所附权利要求书适当范围内对本发明所作的修改，实质上均属于本发明。

Claims (18)

1.一种用于处理生物质的热解转化组件，包括：

回转窑，所述回转窑包含用于在压力下加热生物质的管道，该管道在第一较高端处的生物质入口处有一个可密封的进口并且在较低端处的用于排出生物质形成的木炭的出口处有一个可密封的排放口；以及

安置在回转窑周围用于提供局部加热源的加热元件，与供生物质生产的气体冷凝回流进入的可密封进口有预设距离。

2.根据权利要求1所述的热解转化组件，其中回转窑包括朝向管道较高端的较小序碳氢化合物气体出口的分解产物气体出口。

3.根据前述权利要求中任一项所述的热解转化组件，其中较低端处的可密封出口优选包括密封气口，用于将气体注入回转窑内，从而防止分解产物随木炭一起离开回转窑。

4.根据前述权利要求中任一项所述的热解转化组件，其中热解转化组件包括电子处理器，用于监控回转窑所需的扭矩并根据被监控的扭矩相应地调节回转窑的送料。

5.根据前述权利要求中任一项所述的热解转化组件，其中热解转化组件包括烘干机，用于烘干生物质，烘干机的出口侧与用于将干燥后的生物质传送至回转窑的可密封进口相耦合。

6.当权利要求5从属于权利要求2时，根据权利要求5所述的热解转化组件，其中热解转化组件包括含有燃料吸入装置的内燃机，用于燃用从回转窑分解产物气体出口排出的碳氢化合物。

7.根据权利要求6所述的热解转化组件，其中烘干机包括废气进气口，用于接收内燃机为协助生物质干燥过程而产生的废气。

8.根据权利要求7所述的热解转化组件，其中热解转化组件包括与内燃机的输出轴机械耦合的发电机。

9.根据权利要求8所述的热解转化组件，其中发电机的电力输出连接器与上述组件的电力部件耦合，包括用于为上述组件供电的加热元件。

10.根据权利要求6所述的热解转化组件，其中燃气发动机的燃料吸入装置通过冷凝器与回转窑的分解产物出气口相通。

11.根据前述权利要求中任一项所述的热解转化组件，其中热解转化组件包括冷却器，其具有输入侧，用于接收来自于回转窑的木炭。

12.根据权利要求11所述的热解转化组件，其中冷却器依靠空气进行冷却，并包含管道，用于将冷却器的温暖空气传送至料斗来预热生物质，该料斗位于干燥机的上游。

13.根据权利要求5所述的热解转化组件，其中热解转化组件包括被安排放置在回转窑与烘干机相通的密封出气口处的管道，由此来自干燥机的废气可作为低氧的密封气使用。

14.根据权利要求13所述的热解转化组件，其中热解转化组件在出气口与烘干机之间的管道中包括插入的散热器和压缩机，用于在冷却的废气到达密封处前对其进行处理。

15.根据权利要求11到14中任一项所述的热解转化组件，其中烘干机、回转窑和冷却器中的每一个被倾斜安置并与旋转组件耦合，以便在上述组件运转时能够依靠重力和旋转来实现固体在其中的运输。

16.根据前述权利要求中任一项所述的热解转化组件，其中上述管道、密封入口、密封出口和回转窑的加热元件用以提供压力至少为700千帕下至少为400℃的工作温度。

17.根据权利要求1所述的热解转化组件，其中密封入口和出口两者其一或者两者都由十字槽头螺钉喂料器提供。

18.一种生物质热解处理方法，包括以下步骤：

在高温高压下加热生物质，使之释放出分解蒸汽；

回流冷凝所释放的分解蒸汽；以及

使用由被回流冷凝的分解蒸汽产物所衍生的燃料对内燃机供电。

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