CN102492509A - 自动控温连续生产生物炭的工艺和设备 - Google Patents

Abstract

一种自动控温连续生产生物炭设备，主要部件包括：进料口、进料绞龙、裂解室、燃烧器、炉体、温度探头、温控系统、烟囱、冷凝塔一、冷凝塔二、清洗系统、出料斗和出料绞龙等；本发明通过温控系统对裂解室温度的设定实现生物质的恒温裂解；将进料口与出料口分离和绞龙式进出料密封措施，实现生物炭的不间断连续生产；利用自身裂解产生的可燃气对后续生物质裂解提供能源，降低运行成本；实现生物炭、焦油、木醋与可燃气的自动分离。本发明解决了生物质恒温裂解，连续化生产和自身提供能源等技术难题，既操作简便，又可获得质量稳定的生物炭及副产品，适合不同种类的生物质以及不同规模的生物炭加工生产。

Description

自动控温连续生产生物炭的工艺和设备

（一）技术领域

本发明涉及一种自动控温连续生产生物炭的工艺和设备，属于生物质利用及二氧化碳减排领域。

（二）背景技术

我国每年秸秆的产出量约为7亿吨以上，这些秸秆约有50%被用做薪柴，而约16%被露天焚烧，带来严重的环境污染，同时每年尚有40亿吨以上有机垃圾的产出，这些都对环境带来影响，同时我国也提出到2020年二氧化碳排放比2005年减少40-45%的硬性指标，因此合理处理这些生物质是急需解决的问题之一。将包括秸秆和畜禽粪便为主的农业生物质转化为生物炭、焦油、木醋、可燃气等物质，既可以充分利用秸秆中的有效成分，又将秸秆中的碳固定为稳定生物炭。生物炭为一种很好的土壤改良物质，可改善土壤的物理、化学性质，增强土壤的保水保肥能力，同时其中的炭矿化非常慢，因此能减少大气中的二氧化碳的排放，降低温室效应，此外生物炭尚有其它广泛的用途如处理污水等。焦油为重要的化工原料，可直接作为木材防腐剂、矿石浮选剂、碳素制品添加剂等，同时还可开发为农用植物保护剂及叶面肥等，分离后可提炼出苯、苯酚及其衍生物，可广泛用做溶剂、燃料、医药中间体、食品防腐剂等。

利用秸秆生产生物炭、焦油、木醋、可燃气的技术我国已有研究， CN101225316A，CN102092709A, CN101875845A, CN102020999A, CN200920232191.9等技术均涉及利用生物质生产生物炭等产品，但这些技术存在以下问题：1、有些需要电能来作为生物质裂解的能源，或者需要向有机物料中添加其它物质，这会增加生物炭生产成本。2、不能实现温度自动控制，从而导致裂解过程中温度多变，生物炭的性能及质量无法有效控制。而根据已有的研究表明不同温度下裂解产生的生物炭性能产别较大，而且不同产物的产出比率明显不同。3、上述设备多为间断式生产，即分批次裂解，不能实现生物质的连续添加及生物炭的连续产出。这些缺点在一定程度上会制约该项技术的推广。而其它将生物质转化为可燃气及生物柴油的处理方法只是将生物质转化为能源，不能够将生物质中的碳实现固定，在降低温室气体排放方面存在缺点。

（三）发明内容

为了克服已有发明的不足，本发明提供了一种自动控温连续生产生物炭的工艺和设备，具体涉及一种能实现温度可调、自动控温、连续生产、低能耗的生物炭生产设备，将生物质在300至800℃进行裂解，转化为生物炭及其焦油、木醋、可燃气等副产品，并实现产物自动分离，同时利用自身裂解产生的可燃气来为下一步的裂解提供能源。该设备可以灵活设定和调节进料速度、裂解室温度、调节裂解时间等影响生物炭质量和产量的参数。

一种自动控温连续生产生物炭的设备，主要包括：进料口、进料绞龙、裂解室、裂解室绞龙、燃烧器、炉体、温度探头、温控系统、执行器、冷凝塔一、冷凝塔二、气体清洗系统、出料斗、出料绞龙、进料绞龙电机、裂解室绞龙电机和出料绞龙电机；所述的裂解室置于炉体中；炉体上安装有燃烧器，通过炉体对裂解室加热；裂解室安装有三个温度探头，三个温度探头均与温控系统相连，温控系统与执行器相连，执行器与燃烧器连接；裂解室前端设有进料口，进料口下端设有进料绞龙，进料口通过进料绞龙与裂解室相连；裂解室内设有裂解室绞龙，裂解室通过输气管道与冷凝塔一相连；冷凝塔一与冷凝塔二相连；冷凝塔二又与气体清洗系统相连；气体清洗系统又通过输气管道与执行器相连，执行器又与燃烧器相连，气体清洗系统后面的输气管道上另设有可燃气出口，将多余的可燃气输出作为他用；裂解室末端的下方设有生物炭出口，生物炭出口下部连有出料斗，出料斗下面连接有出料绞龙，出料绞龙一端设有生物炭分装口；进料绞龙、裂解室绞龙和出料绞龙分别连接进料绞龙电机、裂解室绞龙电机和出料绞龙电机，并分别通过三个电机控制绞龙的转速；所述的裂解室温度为300℃到800℃之间，生物质裂解时间3min到20min；所述的裂解室内三个温度探头分别探测裂解室内不同区域的温度，温控系统根据三个温度探头测得的平均温度与设定温度的比较自动控制执行器调节燃烧器的进气量，从而控制裂解室内的温度恒定；生物质从进料口进入裂解室，在裂解室裂解后自动从出料口排出，整个过程连续进行无需中断；生物质的裂解时间通过调节裂解室绞龙的转速控制；裂解室的密封通过进料绞龙、裂解室绞龙和出料绞龙实现；裂解过程中产生的气体物质经裂解室上方的输气管道依次进入冷凝塔一和冷凝塔二，分离得到焦油和木醋；剩余气体进入气体清洗系统，从气体清洗系统排出的可燃气一部分进入燃烧器循环利用，多余的可燃气则通过可燃气出口输出作为他用。

 

 本发明温控系统能根据裂解生物质种类的不同实现对裂解室温度的自由设定，首先温控系统可以随时接收到来自裂解室内三个温度探头测得的裂解室温度，然后温控系统的程序能根据三个温度探头测得的平均温度自动比较裂解室内实际温度与设定温度的差异，再发出指令到执行器，通过执行器上的电磁阀来控制进入燃烧器可燃气的多少，从而实现裂解室的恒温控制。

一种自动控温连续生产生物炭的工艺，整个生产工艺由进料口、进料绞龙、裂解室、裂解室绞龙、燃烧器、炉体、温度探头、温控系统、执行器、冷凝塔一、冷凝塔二、气体清洗系统、出料斗、出料绞龙、进料绞龙电机、裂解室绞龙电机和出料绞龙电机完成：先根据对生物炭产品性能的要求设定温控系统的裂解温度为300℃到800℃，并通过温控系统的组成部件执行器控制燃烧器的进气量对炉体进行加热；待裂解室温度达到设定要求后，将粉碎的生物质加入进料口，通过进料绞龙进入裂解室并不断裂解；裂解室绞龙的转动由裂解室绞龙电机带动，根据生物质种类所需裂解时间的不同，调节裂解室绞龙的转速，控制生物质在裂解室内的裂解时间在3min到20min；裂解好的生物炭产品从生物碳出口落入下方的出料斗中，经与出料斗相连的出料绞龙通过生物炭分装口进行分装得到生物炭制品；裂解过程中产生的气体物质经裂解室上方的输气管道依次进入冷凝塔一和冷凝塔二，其中冷凝塔一为焦油分离塔，分离得到焦油，冷凝塔一的温度为103-200℃；冷凝塔二为木醋分离塔，分离得到木醋，冷凝塔二的温度在103℃以下；剩余气体进入气体清洗系统，从清洗系统排出的可燃气一部分进入燃烧器循环利用，多余的可燃气则通过可燃气出口输出作为他用。 

本发明中：经粉碎的生物质加入进料口，通过进料绞龙进入裂解室，在裂解室中在设定的温度条件下进行裂解，裂解温度可以根据对生物炭产品性能的要求从300℃到800℃之间自由设定，裂解时间则通过控制生物质在裂解室内移动的速度来实现，而生物质的移动速度通过裂解室绞龙电机调节裂解室内的绞龙转速来实现。根据生物质种类的不同，以及合适的裂解时间的不同，调节绞龙的转速，可以控制生物质的裂解时间在5min到20min内，生物质进入裂解室后即以设定的速度进行匀速运动并裂解，在裂解时间结束后刚好到达生物炭出料口，成为符合设计要求的生物炭产品，产品从出料口落入下方的出料斗中，经与出料斗相连的出料绞龙通过生物炭分装口进行分装。生物质从进料口进入裂解室，在裂解室裂解后自动从出料口排出，整个过程连续进行无需中断。生物质的裂解时间通过调节裂解室内物料的推进速度来控制，裂解室的密封通过采用进料绞龙、裂解室绞龙和出料绞龙来实现，裂解室绞龙封闭两端，进料绞龙和出料绞龙封闭上下进出口。

本发明的要点是：

要点之一是：实现恒温裂解，通过炉体对裂解室进行加热，裂解室内连有温度探头，温度探头与温控系统相连，温控系统发出指令到执行器，由执行器控制进入燃烧器的可燃气量，实现对裂解室温度的恒温控制。

要点之二是：实现生物炭的不间断连续生产，将进料口与出料斗分离，并采取绞龙式进出料密封措施，加料和出料均不影响裂解室的正常工作，与间歇式生产设备相比极大地提高了生产效率。

要点之三是：利用自身裂解产生的可燃气对后续裂解提供能源，减少了外部能源的消耗，降低了生产成本。同时裂解室与冷凝塔相连，冷凝塔又与清洗系统相连，通过对裂解气体的冷凝、清洗等处理实现焦油、木醋与可燃气分离。一部分可燃气通过管道连接到燃烧器对炉体进行加热。

该工艺及设备的优点是：

以生物质为原料生产生物炭，生产中可根据需要设置不同种类生物质的裂解温度，并实现自动恒温控制和连续化生产，生产中同时产出焦油、木醋、可燃气三种副产品，通过对裂解气体的冷凝、清洗等处理将焦油、木醋与可燃气分离，一部分可燃气通过管道连接到燃烧器对炉体进行加热，多余部分可作为他用。；该设备能对不同裂解产物进行自动分离；待产出可燃气后可利用自身产出的可燃气对炉体进行加热，减少外来能源的消耗，充分实现生物质的再利用，降低生产成本。多余的可燃气可作为民用或其它用途。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图所示，图中标号分别代表：

1-1、进料绞龙电机，1-2、裂解室绞龙电机，1-3、出料绞龙电机，2、进料口，3、进料绞龙，4、炉体，5、温度探头，6、温控系统，7、烟囱，8、输气管道，9、燃烧器，10、液化石油气罐，11、执行器，12、裂解室，13、裂解室绞龙，14、生物炭出口，15、出料斗，16、出料绞龙，17、生物炭分装口，18、冷凝塔一，19、冷凝塔一出水口，20、冷凝塔一进水口，21、焦油出口，22、冷凝塔二，23、冷凝塔二出水口，24、冷凝塔二进水口，25、木醋出口，26、气体清洗系统，27、气体清洗系统进水口，28、支架，29、气体清洗系统排水口，30、阀门，31、可燃气出口。

（五）具体实施方式

本发明中所涉及的燃烧器（TBG35P）、、电机、温控系统（包括PLC、EM231、EM235、触摸屏等）和执行器均为市购产品。温控系统有模拟量输入/输出模块、A/D转换模块、数据处理模块等，其中的可编程逻辑控制器（PLC）采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。在本发明中温度感应信号传入温控系统后，PLC根据事先编好的程序进行相关的运算，分析比较设定温度与实际温度的差异，然后输出信号到执行器，控制执行器上电磁阀的阀门移动，控制进入燃烧器的可燃气量，从而实现恒温控制。用户可以通过触摸屏来进行温度的设定。裂解室和裂解室绞龙、进料绞龙、出料绞龙可根据需要制作，材料可选用钢板等。

进料口（2）通过进料绞龙（3）与裂解室（12）相连，裂解室（12）置于炉体（4）中，裂解室（12）内连有温度探头（5），温度探头（5）与温控系统（6）相连，温控系统又与执行器（11）相连，执行器（11）与燃烧器（9）连接；裂解室（12）通过输气管道（8）依次与冷凝塔一（18）相连，冷凝塔一（18）又通过输气管道（8）与冷凝塔二（22）连接；冷凝塔二（22）又与气体清洗系统（26）相连，生物炭出口（14）在裂解室（12）的末端，生物炭出口（14）正下方设置出料斗（15），出料斗（15）下部与出料绞龙（14）相连，出料绞龙（14）的末端为生物炭分装口。

启动时，燃烧器（9）先利用液化石油气罐（10）的燃气对炉体（4）进行加热，待温度达到要求后，将粉碎好的生物质经进料口（2）加入，通过进料绞龙（3）进入裂解室（12），在裂解室（12）内通过裂解室绞龙（13）带动可向前匀速移动，并不断裂解。裂解室（12）的温度可以通过温控系统（6）进行控制，而且裂解温度的高低也可人为调节，温控系统（6）通过执行器（11）来控制燃烧器（9）的可燃气多少，从而保持裂解过程中的温度恒定。裂解室（12）内裂解室绞龙绞龙的转动由裂解室绞龙电机（1-2）带动，其转速可以根据不同生物质的特点进行调节，从而控制生物质在裂解室内的停留时间即生物质的裂解时间。裂解好的生物炭由生物炭出口（14）进入出料斗（15），然后再通过出料绞龙（16）转移到生物炭分装口（17）进行分装。

裂解过程中产生的气体物质经裂解室上方的输气管道依次进入冷凝塔一（18）和冷凝塔二（22）。两个冷凝塔均为列阵式冷凝塔，其中冷凝塔一（18）为焦油分离塔，设备运行中控制该塔的温度在焦油的冷凝点（103-200℃），而又达不到大部分木醋的冷凝点，冷凝塔二（22）为木醋分离塔，设置该塔内温度在103℃以下。裂解产生的气体物质经过两个温度不同的冷凝塔后大部分的焦油和木醋先后分离出来，剩余气体进入气体清洗系统（16），该系统采用水洗的方式进行清洗，可以清洗掉气体中的粉尘及部分未液化的焦油，使可燃气的清洁度提高，可直接作为能源被各种设备利用。从清洗系统排出的可燃气一部分进入燃烧器（9）循环利用，多余的可燃气则通过燃气出口（31）输出作为他用。在生物质裂解产生的可燃气能够保证燃烧器正常工作后，切断液化石油气罐（10）的可燃气供给。

 

实施例1：

启动设备，设定裂解室（12）温度为600℃，然后打开燃烧器（9），通过液化石油气罐（10）提供燃气对炉体（4）进行加热，待温度探头（5）温度达到600℃时，启动裂解室绞龙（13）和进料绞龙（3），并设置生物质在裂解室内的移动速度为0.6m/min，然后将粉碎到2至3厘米的玉米秸秆加入进料口（2），通过进料绞龙（3）进入裂解室（12）。生物质在裂解室内均匀移动并裂解5分钟，即可得到合格的生物炭成品，成品到达生物炭出料口（14）进入出料斗（15）经出料绞龙（16）通过生物炭分装口进行分装。

裂解过程产生的气体成分通过输气管道（8）经冷凝塔一（18）对焦油进行分离，冷凝塔二（22）对木醋进行分离，然后经过气体清洗系统（26）去除粉尘等杂质，增加可燃气的清洁度，并将该清洁可燃气通到燃烧器（9）。10分钟后生物质裂解产出的可燃气已足够燃烧器（9）使用，此时燃烧器（9）完全利用自身产生的可燃气对炉体（4）进行加热，并切断液化石油气罐（10）的气源供给。

实施例2:

加工过程如实施例1，生物质种类选用小麦秸秆，设定裂解室温度为400℃，运料速度为0.3m/min，裂解10分钟后得到合格的生物炭成品，经出料绞龙（16）进行分装。

实施例3:

加工过程如实施例1，生物质种类选用木屑，设定裂解室温度为550℃，运料速度为0.2m/min，裂解15分钟后得到合格的生物炭成品，经出料绞龙（16）进行分装。

Claims (2)

1.一种自动控温连续生产生物炭的设备，其特征在于包括进料口、进料绞龙、裂解室、燃烧器、炉体、温度探头、温控系统、烟囱、冷凝塔一、冷凝塔二、清洗系统、出料斗和出料绞龙；所述的裂解室置于炉体中；炉体上安装有燃烧器，通过炉体对裂解室加热；裂解室安装有三个温度探头，三个温度探头均与温控系统相连，温控系统与执行器相连，执行器与燃烧器连接；裂解室前端设有进料口，进料口下端设有进料绞龙，进料口通过进料绞龙与裂解室相连；裂解室内设有裂解室绞龙，裂解室通过输气管道与冷凝塔一相连；冷凝塔一与冷凝塔二相连；冷凝塔二又与气体清洗系统相连；气体清洗系统又通过输气管道与执行器相连，执行器又与燃烧器相连，气体清洗系统后面的输气管道上另设有可燃气出口，将多余的可燃气输出作为他用；裂解室末端的下方设有生物炭出口，生物炭出口下部连有出料斗，出料斗下面连接有出料绞龙，出料绞龙一端设有生物炭分装口；进料绞龙、裂解室绞龙和出料绞龙分别连接进料绞龙电机、裂解室绞龙电机和出料绞龙电机，并分别通过三个电机控制绞龙的转速；所述的裂解室温度为300℃到800℃之间，生物质裂解时间3min到20min；所述的裂解室内三个温度探头分别探测裂解室内不同区域的温度，温控系统根据三个温度探头测得的平均温度与设定温度的比较自动控制执行器调节燃烧器的进气量，从而控制裂解室内的温度恒定；生物质从进料口进入裂解室，在裂解室裂解后自动从出料口排出，整个过程连续进行无需中断；生物质的裂解时间通过调节裂解室绞龙的转速控制；裂解室的密封通过进料绞龙、裂解室绞龙和出料绞龙实现；裂解过程中产生的气体物质经裂解室上方的输气管道依次进入冷凝塔一和冷凝塔二，分离得到焦油和木醋；剩余气体进入气体清洗系统，从气体清洗系统排出的可燃气一部分进入燃烧器循环利用，多余的可燃气则通过可燃气出口输出作为他用。

2.一种自动控温连续生产生物炭的工艺，其特征在于：整个生产工艺由进料口、进料绞龙、裂解室、裂解室绞龙、燃烧器、炉体、温度探头、温控系统、执行器、冷凝塔一、冷凝塔二、气体清洗系统、出料斗、出料绞龙、进料绞龙电机、裂解室绞龙电机和出料绞龙电机完成；根据对生物炭产品性能的要求设定温控系统的裂解温度为300℃到800℃，并通过温控系统的组成部件执行器控制燃烧器对炉体进行加热；待裂解室温度达到设定要求后，将粉碎的生物质加入进料口，通过进料绞龙进入裂解室并不断裂解；裂解室绞龙的转动由裂解室绞龙电机带动，根据生物质种类所需裂解时间的不同，调节裂解室绞龙的转速，控制生物质在裂解室内的裂解时间在3min到20min；裂解好的生物炭产品从生物碳出口落入下方的出料斗中，经与出料斗相连的出料绞龙通过生物炭分装口进行分装得到生物碳制品；裂解过程中产生的气体物质经裂解室上方的输气管道依次进入冷凝塔一和冷凝塔二，其中冷凝塔一为焦油分离塔，分离得到焦油，冷凝塔一的温度为103-200℃；冷凝塔二为木醋分离塔，分离得到木醋，冷凝塔二的温度在103℃以下；剩余气体进入气体清洗系统，从清洗系统排出的可燃气一部分进入燃烧器循环利用，多余的可燃气则通过可燃气出口输出作为他用。

Images