CN102911675A - 一种用于木质原料炭化的干馏炭化炉及炭化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于木质原料炭化的干馏炭化炉，包括炉膛及位于炉膛内的干馏釜，所述干馏釜与炉膛之间的间隙构成位于炉膛底部的燃烧室及炉膛内侧的烟道，所述的干馏釜由干馏釜体与干馏釜盖组成，干馏釜体内设有内翅片及与内翅片形状匹配且能自由取放的物料架，所述干馏釜体外壁上设有改变烟道结构的外翅片。本发明通过内外翅片及物料架的设置，使干馏釜内的木质原料加热均匀，杜绝了夹生现象，同时提高了换热效率，减少了燃料消耗，降低了加热时间，提高了得炭率，并稳定了木炭质量。此外，本发明所述的干馏炭化炉结构简单，可适用于果木、硬杂木、竹材、农林废弃物等所有木质原料的炭化生产，可推广性强。

Description

一种用于木质原料炭化的干馏炭化炉及炭化方法

技术领域

本发明涉及一种炭化炉，具体涉及一种用于木质原料炭化的干馏炭化炉及炭化方法。

背景技术

木材或木质原料在隔绝空气的情况下，在一定的温度下分解，生成木炭，副产物包括：木焦油、木醋液、木煤气。木炭是保持木材原有构造和孔内残留焦油的不纯的无定形碳。广泛地用作工业冶金还原剂和燃料，在水质净化、污染物吸附、导电和电磁屏蔽等领域也发挥着重大作用。木焦油在兽药中是一种有用的产品，还可以作为防腐剂、木材保存剂和填隙材料。木醋液的组成极其复杂，其主要成分为水、醋酸、甲醇和丙酮等，主要用作防治病虫害、农作物叶面喷施、改良土壤、人体保健等。木煤气主要成分为一氧化碳、氢气和甲烷等，热值大约为5000kcal/m³，是可替代液化气等的民用可再生清洁能源。因此，这些木材热解产品在市场的需求量日益增加。

目前的木炭生产绝大多数采用土法烧制工艺，在土制或砖制窑中通过燃烧一部分原料，使窑内达到炭化温度，然后闷炉。优点是投资少，但有木炭质量不稳定、生产周期长、副产品不能回收、对环境污染等缺点。

随着科技的进步，人们开始逐渐采用干馏工艺。把木质原料放置在密闭的钢制炉体内，在炉体外设有加热炉膛，通过外加燃料燃烧加热炉体，使炉内的原料温度上升，进而炭化，并通过引出的管道收集副产物。

如中国专利ZL200810019302.8公开了一种生产生物质干馏炭和生物质燃气的方法及快速热解炭化炉，具体为在同一炉内干馏炭化室的中心部位设置气化反应室，并在炉顶部设置一个加料管口，通过该加料管口向炉内气化反应室和干馏炭化室加料，待两室物料加满；关闭加料密封阀，打开设置在气化反应室底部的进空气管口，启动设置在炉外的负压罗茨风机，而后开启设置在气化反应室下部的炉门；点燃气化反应室下部的气化物料，关好炉门；在炉外负压罗茨风机的作用下，抽吸炉内气化室中所产生500-700C°高温缺氧的燃气，通过设置在气化反应室上部的燃气扩散口扩散到气化反应室周边的干馏炭化室中，将炭化物料干馏成生物质炭；生物质炭进入设置在干馏炭化室的下部集炭室内，通过设置在集炭室底部刮炭板将生物质干馏炭刮入设置在集炭室底部的出炭管口排出炉外即成生物质干馏炭产品。

上述炭化炉还存在许多缺点，如传热效率低，燃料消耗大，靠近炉体中央的经常有夹生现象；由于装料多，下层的木炭容易压碎等。

发明内容

本发明的第一目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种用于木质原料炭化的干馏炭化炉。

本发明的第二目的在于提供一种利用上述干馏炭化炉对木材原料进行炭化的方法。

为实现第一目的，本发明采用如下技术方案：

本发明所述的新型干馏炭化炉，包括炉膛及位于炉膛内的干馏釜，所述干馏釜与炉膛之间的间隙构成位于炉膛底部的燃烧室及炉膛内侧的烟道，所述的干馏釜由干馏釜体与干馏釜盖组成，干馏釜体内设有内翅片及与内翅片形状匹配且能自由取放的物料架，所述干馏釜体外壁上设有改变烟道结构的外翅片。

本发明所述的外翅片为设置在干馏釜体外壁上的若干个环状翅片，任意相邻两环状翅片分别设有位置相错的缺口，相邻翅片的间隔D占釜体总长度的5%~100%，优选10%~50%，所述外翅片通过该缺口与炉膛内壁构成绕干馏釜体盘旋迂回的烟道。

当燃料在炉膛底部的燃烧室燃烧时，产生的高温烟气沿烟道上升，本发明在干馏釜体外壁上设置若干个带缺口的环状翅片后，高温烟气经由上述缺口沿烟道整体呈S形上升，烟气与干馏釜体充分接触后从炉膛上部排空。这种翅片的设置增加了换热面积，有利于木质原料的炭化，获得高质量的成品。

上述任意相邻两环状翅片均设有位置相错的缺口，本发明所述的缺口形状不限，本领域技术人员可以理解，在外翅片上设置任意能够使烟气通过并有效沿烟道上升的缺口均可用于实现本发明。两缺口的角度可以为相同或不同，并以不低于30°为宜，优选90°~180°，最优选为180°，此时高温烟气能够与干馏釜进行更充分的热交换。

作为本发明的另一种实施方式，所述的外翅片还可以为设置在干馏釜体外壁上的螺旋式翅片，所述的螺旋式翅片与炉膛内壁构成绕干馏釜体螺旋的烟道。燃烧室产生的高温烟气沿螺旋式的烟道上升，与干馏釜体进行充分的热交换。

为了进一步优化烟道结构，提高高温烟气与干馏釜体热交换的效率，发明人对外翅片高度h与炉膛距干馏釜外壁间距L的比值也进行了针对性研究。本发明所述的外翅片可以垂直于干馏釜体外壁设置，也可以与其呈一定的倾角设置。本发明优选所述外翅片高度h为炉膛与干馏釜外壁间距L的10%~100%，更优选该比值为85%~95%。如尺寸为直径2m的干馏釜，外翅片与干馏釜侧壁的间隙为1.5cm。此时，外翅片与炉膛、干馏釜形成的烟道能够实现传热效率的最优化。

本发明所述的内翅片为若干个纵向设置在干馏釜内壁上呈轴对称分布的翅片，相邻翅片的夹角为10~180°，优选30~120°。所述内翅片优选与干馏釜等高。

为了防止木炭挤压破碎，保证较高的成炭率，本发明弃用了常规直接将木质原料堆积在干馏釜内的技术方案，在干馏釜内增设一物料架，物料架尺寸与干馏釜体内部形状相匹配，并设有2~200层格栅板，优选3~30层，更优选4~10层，任意相邻两格栅板的间距优选一致。格栅板上设有与内翅片位置和数量相同的豁口。使用时，将木质原料均匀放置于不同层的格栅板上，再将物料架整体吊进干馏釜内进行炭化，内翅片及格栅板将干馏釜体分隔呈若干个独立的空间，不但可以防止木炭挤压破碎导致的浪费，还能方便装卸料，使生产率得到整体提高。

本领域技术人员知道，炭化过程中，干馏釜与炉膛的容积比对木质原料的炭化过程存在较大的影响，该比值越大，说明干馏釜内能处理的木质原料更多，但燃烧区和烟道的空间太小导致传热效率下降，影响生产率；该比值越小，燃烧区和烟道的空间越大，则越有利于提高传热效率，但由于干馏釜容积较小，必然会导致产率下降。为了获得最佳的传热效果兼及最高产率，发明人对干馏釜与炉膛的容积比作出了进一步限定，优选为40%~96%，更优选70%~90%，此时的炭化过程最理想。

此外，本发明所述的干馏釜盖上还设有便于收集副产物的排气口及温度测量口，方便用户及时检测干馏釜内的温度，精确控制炭化过程。干馏釜盖与干馏釜体之间的连接方式为本领域技术人员所知，优选采用法兰密闭。

使用时，先将待炭化的木质原料进行粉碎，脱水等预处理，然后将处理后的木质原料置于物料架上，将物料架整体放入干馏釜；引燃炉膛底部的燃料，生成的高温烟气沿外翅片与炉膛内部构成的盘旋烟道上升，与干馏釜体进行热交换，实现木质原料的炭化，炭化结束后，将物料架从干馏釜内取出，经收集即得成品。

所述干馏釜底部还设有进气口，当炭化反应结束后，可以从底部的进气口通入冷空气，使其与干馏釜体接触进行热交换，使内部的木炭迅速冷却卸料，提高了生产效率。进气口具体的设置为本领域技术人员所掌握，以能够实现迅速冷却木炭为准。

本发明还提供了利用上述干馏炭化炉对木质原料进行炭化的方法，该方法具体包括如下步骤：

（1）将待炭化的木质原料分拣除去杂质，再截成长度小于30cm，截面积小于60cm²的小块；

（2）将分筛后的木质原料进行烘干脱水，控制水分含量为≤20%；

（3）将脱水后的木质原料置于物料架上，将物料架整体放入干馏釜，再扣上釜盖进行密闭；

（4）引燃炉膛底部的燃料，生成的高温烟气沿外翅片与炉膛内部构成的盘旋烟道上升，所述高温烟气的温度为500~700℃，炭化时间为3~6h；

（5）炭化结束后，将物料架从干馏釜内取出，经收集即得成品。

采用上述技术方案，本发明的优点在于：

1、内外翅片的设置能够使干馏釜内的木质原料加热均匀，杜绝了夹生现象。同时内外翅片均提高了换热效率，减少了燃料消耗，降低了加热时间，提高了得炭率，并稳定了木炭质量。

2、反应完毕后，可以冷空气从炉膛底部通入，和干馏釜体接触换热，使内部的木炭迅速冷却卸料，提高了生产效率。

3、物料架的特殊结构进一步保证了成炭的完好率和生产效率。

4、本发明所述的干馏炭化炉适用范围广，可适用于果木、硬杂木、竹材、农林废弃物（秸秆、果壳、锯木屑等）所有木质原料的炭化生产。

附图说明

图1是本发明实施例1干馏炭化炉的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图3是实施例1中物料架剖视图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是本发明实施例2干馏炭化炉的结构示意图；

图6是图5中的A-A剖视图；

图7是实施例2中物料架剖视图；

图8是图7的B-B剖视图；

主要附图元件说明

1 炉膛、2 干馏釜体、21 外翅片、22 内翅片、3 干馏釜盖、31 排气口、32 温度测量口、4 物料架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

如图1所示的干馏炭化炉，包括炉膛1及位于炉膛内的干馏釜，所述干馏釜与炉膛1之间的间隙构成位于炉膛1底部的燃烧室及炉膛1内侧的烟道（图中未标示）。干馏釜由干馏釜体2与干馏釜盖3组成，干馏釜体2内设有内翅片22及与内翅片2-2形状匹配且能自由取放的物料架4（参见图3），干馏釜体2外壁上设有改变烟道结构的外翅片21。

其中炉膛1由耐火砖砌成圆柱形，干馏釜体2为耐高温钢制的空心圆柱体，底部焊椭圆形封头，并设有进气口。干馏釜盖3为椭圆形封头形式，和干馏釜体2通过法兰密闭，中心开圆形排气口31，边上设有深入釜内的热电偶作为温度测量口3-2。圆柱体外沿高度方向均布7个圆环性外翅片2-1，上下相邻的两外翅片21间的缺口角度均为180°。外翅片21高度h为炉膛1与干馏釜外壁间距L的90%。

如图2所示，干馏釜内部以其中心轴为中心，跨中对称均布6个长方形内翅片22，相邻夹角60°，其高度和干馏釜相同。本实施例中，干馏釜与炉膛1的容积比为80%。

如图3和图4所示。物料架4尺寸与干馏釜体2内部形状匹配，呈圆柱形，由钢管组成支架，本实施例中，物料架4设有7层分支架，每层支架铺设格栅网，每层格栅网开6个和内翅片22位置相同的豁口。

使用时，先将待炭化的木质原料进行粉碎，脱水等预处理，然后将处理后的木质原料置于物料架上，将物料架整体放入干馏釜，再扣上釜盖进行密闭；引燃炉膛底部的燃料，生成的高温烟气沿外翅片与炉膛内部构成的盘旋烟道上升，与干馏釜体进行热交换，实现木质原料的炭化，炭化结束后，将物料架从干馏釜内取出，经收集即得成品。

实施例2

如图5所示的干馏炭化炉，包括炉膛1及位于炉膛内的干馏釜，所述干馏釜与炉膛1之间的间隙构成位于炉膛1底部的燃烧室及炉膛1内侧的烟道（图中未标示）。干馏釜由干馏釜体2与干馏釜盖3组成，干馏釜体2内设有内翅片22及与内翅片22形状匹配且能自由取放的物料架4（参见图3），干馏釜体2外壁上设有改变烟道结构的外翅片21。

如图6所示，炉膛1由耐火砖砌成矩形。干馏釜体2为耐高温钢制的空心矩形体，干馏釜盖3为锥形封头形式，和干馏釜体2通过法兰密闭，中心开圆形排气口31，边上设有深入釜内的热电偶作为温度测量口32。干馏釜体2外沿高度方向均布5个矩形环状外翅片21，上下相邻两外翅片21间的缺口角度为180°。外翅片21高度h为炉膛1与干馏釜外壁间距L的85%。

如图6所示，干馏釜内部以其中心轴为中心，跨中对称均布4个长方形内翅片22，相邻夹角90°，其高度和干馏釜相同。本实施例中，干馏釜与炉膛1的容积比为70%。

如图7和图8所示，物料架4尺寸与干馏釜体2内部形状匹配，呈矩形。由钢管组成支架，本实施例中，物料架4设有等距的4层分支架，每层支架铺设格栅网，每层格栅网开4个和内翅片22位置相同的豁口。

使用时，先将待炭化的木质原料进行粉碎，脱水等预处理，然后将处理后的木质原料置于物料架上，将物料架整体放入干馏釜；引燃炉膛底部的燃料，生成的高温烟气沿外翅片与炉膛内部构成的盘旋烟道上升，与干馏釜体进行热交换，实现木质原料的炭化，炭化结束后，将物料架从干馏釜内取出，经收集即得成品。

实施例3

与实施例1相比，区别点仅在于：本实施例中，圆柱体外沿高度方向均布10个圆环性外翅片21，上下相邻的两外翅片21间的缺口角度均为90°。外翅片21高度h为炉膛1与干馏釜外壁间距L的95%。干馏釜内部跨中均布2个长方形内翅片22，相邻夹角180°，其高度和干馏釜相同。干馏釜与炉膛1的容积比为90%。物料架4设有2层分支架，每层支架铺设格栅网，每层格栅网开2个和内翅片22位置相同的豁口。

实施例4

与实施例1相比，区别点仅在于：本实施例中，圆柱体外沿高度方向均布2个圆环性外翅片21，上下相邻的两外翅片21间的缺口角度为45°、90°或135°。外翅片21高度h为炉膛与干馏釜外壁间距L的100%。干馏釜内部跨中均布10个长方形内翅片22，相邻夹角36°，其高度和干馏釜相同。干馏釜与炉膛1的容积比为96%。物料架4设有等距的30层分支架，每层支架铺设格栅网，每层格栅网开10个和内翅片22位置相同的豁口。

实施例5

与实施例2相比，区别点仅在于：本实施例中，所述的外翅片21为设置在干馏釜体2外壁上的螺旋式翅片，该螺旋式翅片与炉膛内壁构成绕干馏釜体2螺旋的烟道。炭化过程中，高温烟气沿螺旋状烟道上升，与干馏釜进行热交换。

实施例6

本实施例提供了利用上述干馏炭化炉对木质原料进行炭化的方法，该方法具体包括如下步骤：

（1）将待炭化的木质原料分拣除去杂质，再截成长度为20~25cm，截面积小于60cm²的小块；

（2）将分筛后的木质原料进行烘干脱水，控制水分含量为15~18%；

（3）将脱水后的木质原料置于物料架上，将物料架整体放入干馏釜，再扣上釜盖进行密闭；

（4）引燃炉膛底部的燃料，生成的高温烟气沿外翅片与炉膛内部构成的盘旋烟道上升，所述高温烟气的温度为600~620℃，炭化时间为4.5h；

（5）炭化结束后，将物料架从干馏釜内取出，经收集即得成品。

实施例7

本实施例提供了利用上述干馏炭化炉对木质原料进行炭化的方法，该方法具体包括如下步骤：

（1）将待炭化的木质原料分拣除去杂质，再截成长度为25~30cm，截面积小于60cm²的小块；

（2）将分筛后的木质原料进行烘干脱水，控制水分含量为18~20%；

（3）将脱水后的木质原料置于物料架上，将物料架整体放入干馏釜，再扣上釜盖进行密闭；

（4）引燃炉膛底部的燃料，生成的高温烟气沿外翅片与炉膛内部构成的盘旋烟道上升，所述高温烟气的温度为500~520℃，炭化时间为6h；

（5）炭化结束后，将物料架从干馏釜内取出，经收集即得成品。

实施例8

本实施例提供了利用上述干馏炭化炉对木质原料进行炭化的方法，该方法具体包括如下步骤：

（1）将待炭化的木质原料分拣除去杂质，再截成长度为15~20cm，截面积小于60cm²的小块；

（2）将分筛后的木质原料进行烘干脱水，控制水分含量为10~15%；

（3）将脱水后的木质原料置于物料架上，将物料架整体放入干馏釜，再扣上釜盖进行密闭；

（4）引燃炉膛底部的燃料，生成的高温烟气沿外翅片与炉膛内部构成的盘旋烟道上升，所述高温烟气的温度为680~700℃，炭化时间为3h；

（5）炭化结束后，将物料架从干馏釜内取出，经收集即得成品。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于木质原料炭化的干馏炭化炉，包括炉膛及位于炉膛内的干馏釜，所述干馏釜与炉膛之间的间隙构成位于炉膛底部的燃烧室及炉膛内侧的烟道，其特征在于：所述的干馏釜由干馏釜体与干馏釜盖组成，干馏釜体内设有内翅片及与内翅片形状匹配且能自由取放的物料架；所述干馏釜体外壁上设有改变烟道结构的外翅片。

2.根据权利要求1所述的干馏炭化炉，其特征在于：所述的外翅片为设置在干馏釜体外壁上的若干个环状翅片，任意相邻两环状翅片分别设有位置相错的缺口，相邻翅片的间隔D占釜体总长度的5%~100%，所述外翅片通过该缺口与炉膛内壁构成绕干馏釜体盘旋迂回的烟道。

3.根据权利要求2所述的干馏炭化炉，其特征在于：任意相邻两外翅片缺口夹角为90或180°。

4.根据权利要求1所述的干馏炭化炉，其特征在于：所述的外翅片为设置在干馏釜体外壁上的螺旋式翅片，所述的螺旋式翅片与炉膛内壁构成绕干馏釜体螺旋的烟道。

5.根据权利要求1所述的干馏炭化炉，其特征在于：所述外翅片高度h为炉膛与干馏釜外壁间距L的10%~100%。

6.根据权利要求1所述的干馏炭化炉，其特征在于：所述的内翅片为若干个纵向设置在干馏釜内壁上呈轴对称分布的翅片，相邻翅片的夹角为10~180°。

7.根据权利要求6所述的干馏炭化炉，其特征在于：所述的物料架上设有2~200层格栅板，格栅板上设有与内翅片位置和数量相同的豁口。

8.根据权利要求1所述的干馏炭化炉，其特征在于：所述干馏釜与炉膛的容积比为40%~96%。

9.根据权利要求1所述的干馏炭化炉，其特征在于：所述的干馏釜盖上设有排气口及温度测量口。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述干馏炭化炉对木质原料进行炭化的方法，其特征在于：

（1）将待炭化的木质原料分拣除去杂质，再截成长度小于30cm，截面积小于60cm²的小块；

（2）将分筛后的木质原料进行烘干脱水，控制水分含量为≤20%；

（3）将脱水后的木质原料置于物料架上，将物料架整体放入干馏釜，再扣上釜盖进行密闭；

（4）引燃炉膛底部的燃料，生成的高温烟气沿外翅片与炉膛内部构成的盘旋烟道上升，所述高温烟气的温度为500~700℃，炭化时间为3~6h；

（5）炭化结束后，将物料架从干馏釜内取出，经收集即得成品。

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