CN103756745A - 生物质烘焙方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备烘焙生物质的生物质烘焙方法，包括以下步骤：1.生物质原料破碎；2.生物质原料干燥：将生物质原料输送至对流式干燥器内进行干燥处理；3.生物质原料烘焙：烘焙反应器为夹套式双层结构，将生物质原料输送至烘焙反应器的内腔内，混合烟气从烘焙反应器的进料口同侧输送至烘焙反应器的夹套中，同时热气流从烘焙反应器出料口同侧的气体进口输送至烘焙反应器的内腔中，生物质原料与混合烟气同向间接换热、并与热气流直接接触逆向对流换热进行烘焙反应；4.烘焙生物质降温。本发明的优点是：解决了生物质原料内外温差大以及烘焙反应器两端温差大的问题，在烘焙生物质质量稳定的情况下大大提高了烘焙生物质的产率。
Description
技术领域
本发明涉及生物质能领域，特别涉及一种制备烘焙生物质的生物质烘焙方法。
背景技术
烘焙是一种生物质的热化学处理技术，其通常在200℃至400℃的相对低温下，在低氧或无氧气氛中进行。烘焙主要是将生物质原料中的水分及其它有机挥发物从生物质原料中去除，从而得到具有低含水量、高能量密度、易粉碎以及具有易磨性、疏水性的可燃性固体，这种可燃性固体被称为烘焙生物质或生物煤，其具有低级煤的特性并且能够被压缩为高品位燃料芯块。
专利号为201010257856.9的中国发明专利申请中公开了一种用于木质纤维素材料烘焙的方法，通过烘焙反应器自身的循环回路将烘焙产生的气体循环至烘焙反应器中作为热反应气体参与烘焙反应，通过烘焙反应器和冷却器之间的循环回路为烘焙反应器提供惰性气体，位于烘焙反应器中的生物质原料在烘焙反应器的内部压力（内部压力约为5—20个大气压）、热反应气体以及惰性气体的作用下发生烘焙反应，得到烘焙生物质。专利号为201180039772.0的中国发明专利申请中公开了一种使用堆叠托盘烘焙反应器对木质纤维素材料烘焙的方法，采用惰性加压气体作为烘焙反应介质，使位于烘焙反应器中的生物质原料在工作压力为20个大气压左右的无氧气氛中发生烘焙反应，得到烘焙生物质。上述的两种生物质烘焙方法，均需在高压力的环境下发生烘焙反应；在烘焙反应过程中均存在温度场分布不均匀的缺陷，位于烘焙反应器内的生物质原料的内外温差比较大，且烘焙反应器两端的温差也相对比较大，这就使得处于烘焙反应温度范围内的生物质原料发生烘焙反应，而低于烘焙反应温度的生物质原料则不发生烘焙反应，能量转化效率低，这大大降低了烘焙生物质的产率且得到的烘焙生物质的质量稳定性较差。
发明内容
本发明所需解决的技术问题是：提供一种制备烘焙生物质的生物质烘焙方法，在烘焙反应过程中，烘焙反应器内的温度分布均匀，生物质原料受热均匀，位于烘焙反应器内的生物质始终处于烘焙反应温度范围内。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：所述的生物质烘焙方法，包括以下步骤：
（1）生物质原料破碎：将生物质原料破碎，破碎后的生物质原料的最大厚度不超过5mm，长度不超过20mm；
（2）生物质原料干燥：将破碎后的生物质原料通过螺杆输送装置输送至对流式干燥器内进行干燥处理，生物质原料从对流式干燥器的进料口输入，同时热烟气从对流式干燥器的出料口输送至对流式干燥器内，使热烟气与生物质原料直接接触并进行逆向对流换热，将生物质原料中的水分气化，换热后的热烟气连同水气一起从对流式干燥器中的排气口排出，进行干燥处理后的生物质原料从对流式干燥器的出料口输出至烘焙反应器中进行烘焙反应；对流式干燥器内的温度控制在150-180℃范围内，经过干燥处理后的生物质原料的含水量控制在3%以内；
（3）生物质原料烘焙：烘焙反应器为夹套式双层结构，将干燥处理后的生物质原料通过螺杆输送装置由烘焙反应器的进料口输送至烘焙反应器的内腔内，350-400℃的混合烟气从与烘焙反应器的进料口同侧的夹套进气口输入至烘焙反应器内腔外面的夹套中，夹套中混合烟气的流向与生物质原料的传送方向相同，混合烟气通过内腔壁将热量传递到烘焙反应器的内腔中，同时烘焙热气流从烘焙反应器的出料口处的气体进口输送至烘焙反应器的内腔中，使得烘焙热气流与生物质原料的传送方向相反流动，烘焙反应器内腔中形成的混合热气流从烘焙反应器的进料口处的气体出口排出，生物质原料与混合烟气同向间接传导换热、并与烘焙热气流逆向直接对流换热进行烘焙反应，烘焙反应后得到烘焙生物质；烘焙反应器的内腔温度控制为280-350℃，烘焙反应器内的氧气含量控制在0.5%以内，控制生物质原料在烘焙反应器中的停留时间为10-25分钟，烘焙反应器内腔中的工作压力为0.9-1个大气压；
（4）烘焙生物质降温：将烘焙生物质输送至冷却器中进行降温，降温后的烘焙生物质的温度控制在60-80℃范围内。
进一步地，前述的生物质烘焙方法，其中，步骤（2）中所述的对流式干燥器为螺旋输送对流式干燥器、滚筒对流式干燥器、流化床对流式干燥器中的一种。
进一步地，前述的生物质烘焙方法，其中，步骤（2）中所述的热烟气为烘焙反应器夹套中经过间接传导换热后的混合烟气，热烟气从烘焙反应器出料口同侧的夹套出气口输出；热烟气进入干燥器前的温度控制在180-275℃范围内。
进一步地，前述的生物质烘焙方法，其中，步骤（3）中所述的烘焙热气流为：烘焙反应后烘焙反应器内腔中形成的混合热气流通过引风机从与烘焙反应器的进料口同侧的气体出口输出，其中10%-20%的混合热气流从烘焙反应器的出料口同侧的气体进口中再次输送至烘焙反应器内用作烘焙热气流，剩余部分的混合热气流经过焦油裂解器脱除焦油成分后输送至燃烧炉内，混合热气流在富氧气氛的燃烧炉内燃烧，燃烧后产生的高温烟气进入烟气配比室与冷空气混合产生混合烟气，混合烟气通过引风机输送至烘焙反应器的夹套中；燃烧炉内的富氧空气流量与混合热气流流量的比值为2.5：1～3：1，混合烟气的温度控制在350-400℃。
进一步地，前述的生物质烘焙方法，其中，步骤（4）中所述的冷却器为旋风分离器、水冷换热器的一种。
进一步地，前述的生物质烘焙方法，其中，步骤（4）中烘焙生物质冷却时的环境气氛中的氧含量不超过0.5%。
进一步地，前述的生物质烘焙方法，其中，将步骤（4）冷却后的烘焙生物质压制成球状、棒状或块状的固体燃料，固体燃料中烘焙生物质和粘土的质量比例为8:1～9.5:1。
本发明的有益效果是：采用上述的生物质烘焙方法，生物质原料可以连续进料，并在常压下进行烘焙反应，这大大简化了操作工艺；在烘焙反应过程中，通过生物质原料与烘焙热气流直接接触逆向对流换热以及生物质原料与位于烘焙反应器夹套中的混合烟气同向间接换热的双重传热方式，既解决了仅靠烘焙反应器内腔壁接触间接传热导致的生物质原料内外温差大的问题，同时又解决了烘焙反应器两端温差大的问题，大大提高了传热效率，从而使位于烘焙反应器内的生物质原料受热均匀，这大大提高了烘焙生物质的产率，烘焙反应后得到的烘焙生物质的质量收率达到70%-80%，能量密度达到5500-6500大卡/公斤；此外，将烘焙反应中产生的混合热气流回收并分别用于干燥处理和烘焙反应中，不仅为干燥处理提供了热能，同时还为烘焙反应提供了热的惰性气体，使烘焙反应在无氧或低氧气氛中进行，热能回收的充分利用，提高了整个系统的能量利用率，能量损耗仅为10%-20%；在产量提高的同时能维持烘焙生物质的稳定性，得到的烘焙生物质具有高能量密度、低含水量、疏水、储存稳定、易粉碎和易点燃的特性。
具体实施方式
下面结合优选实施例对本发明所述的技术方案作进一步详细的说明。
本发明所述的生物质烘焙方法，包括以下步骤：
（1）生物质原料破碎：将生物质原料破碎，破碎后的生物质原料的最大厚度不超过5mm，长度不超过20mm；本实施例中所述的生物质原料采用木屑、玉米秸秆、棉花秸秆和大豆秸秆，粉碎后的生物质原料的厚度为2-5mm，长度为5-20mm，生物质原料的化学分析特性参见表1，生物质原料的元素组成分析参见表2。
（2）生物质原料干燥：将破碎后的生物质原料通过螺杆输送装置输送至对流式干燥器内进行干燥处理，生物质原料从对流式干燥器的进料口输入，同时热烟气（主要成分为二氧化碳、氮气和水蒸气）从对流式干燥器的出料口输送至对流式干燥器内，使热烟气与生物质原料直接接触进行逆向对流换热，将生物质原料中的水分气化，换热后的热烟气连同水气一起从对流式干燥器中的排气口排出，进行干燥处理后的生物质原料从对流式干燥器的出料口输出至烘焙反应器中进行烘焙反应；对流式干燥器内的温度控制在150-180℃范围内，经过干燥处理后的生物质原料的含水量控制在3%以内。本实施例中所述的对流式干燥器为螺旋输送对流式干燥器、滚筒对流式干燥器、流化床对流式干燥器中的一种。本实施例中所述的热烟气为步骤（3）中烘焙反应器夹套中经过间接传导换热后的混合烟气，热烟气从烘焙反应器出料口同侧的夹套出气口输出；热烟气进入干燥器前的温度控制在180-275℃范围内。干燥处理过程中的各个参数参见表3。在实际操作中，如若生物质原料的含水量超过30%，生物质原料进行一次干燥处理后得到的生物质原料的含水量依然高于3%，则需要再次对其进行干燥处理，此时可以采用多个对流式干燥器串联设置，以保证干燥后的生物质原料的含水量不超过3%。
（3）生物质原料烘焙：烘焙反应器为夹套式双层结构，将干燥处理后的生物质原料通过螺杆输送装置由烘焙反应器的进料口输送至烘焙反应器的内腔内，350-400℃的混合烟气从与烘焙反应器的进料口同侧的夹套进气口输入至烘焙反应器内腔外面的夹套中，夹套中混合烟气的流向与生物质原料的传送方向相同，混合烟气通过内腔壁将热量传递到烘焙反应器的内腔中，同时烘焙热气流从烘焙反应器的出料口处的气体进口输送至烘焙反应器的内腔中，使得烘焙热气流与生物质原料的传送方向相反流动，烘焙反应器内腔中形成的混合热气流从烘焙反应器的进料口处的气体出口排出，生物质原料与混合烟气同向间接传导换热、并与烘焙热气流逆向直接对流换热进行烘焙反应，烘焙反应后得到烘焙生物质；烘焙反应器的内腔温度控制为280-350℃，烘焙反应器内的氧气含量控制在0.5%以内，控制生物质原料在烘焙反应器中的停留时间为10-25分钟，烘焙反应器内腔中的工作压力为0.9-1个大气压。本实施例中，所述的烘焙热气流为：烘焙反应后烘焙反应器内腔中形成的混合热气流通过引风机从与烘焙反应器的进料口同侧的气体出口输出，其中10%-20%的热气流从烘焙反应器的出料口同侧的气体进口中再次输送至烘焙反应器内用作烘焙热气流，剩余部分的混合热气流经过焦油裂解器脱除焦油成分后输送至燃烧炉内，将混合热气流中的焦油成分脱除可以有效防止燃烧炉内结焦以及燃烧炉喷嘴堵塞等问题，混合热气流在富氧气氛的燃烧炉内燃烧，燃烧后产生的高温烟气（高温烟气的温度>900℃）进入烟气配比室与冷空气混合产生混合烟气，混合烟气通过引风机输送至烘焙反应器的夹套中；燃烧炉内的富氧空气流量与混合热气流流量的比值为2.5：1～3:1，混合烟气的温度控制在350-400℃。本实施例中所述的混合热气流（混合热气流的参数参见表4）包括可凝结产物（冷却后呈液态）和不可凝结产物（气态），可凝结产物的主要组成物质为：水、甲醛、乙醛、蚁酸、乙酸和甲醇，不可凝结产物的主要组成物质为：二氧化碳、一氧化碳、少量的甲烷和低于0.5%的氧气；可凝结产物和不可凝结产物的产量比例与烘焙反应温度有关，一般可凝结产物与不可凝结产物的产量比为2:1至4:1之间。
（4）烘焙生物质降温：将烘焙生物质输送至冷却器中进行降温，降温后的烘焙生物质的温度控制在60-80℃范围内。本实施例中烘焙生物质冷却时的环境气氛中的氧含量不超过0.5%；本实施例中所述的冷却器为旋风分离器、水冷换热器的一种。在实际操作中，冷却后的烘焙生物质可以直接储存作为最终的产品，也可以通过成型设备将烘焙生物质压制成球状、棒状、块状的固体燃料，在压制过程中，需要在烘焙生物质中添加水以及粘土，其中烘焙生物质和粘土的质量比例为8:1～9.5:1。
表1.生物质原料的化学分析特性（干燥无灰基）表
| 生物质原料 | 半纤维素（%） | 纤维素（%） | 木质素（%） | 其他（%） |
| 木屑 | 23.2 | 47.5 | 22.5 | 6.8 |
| 玉米秸秆 | 31.6 | 43.1 | 6.3 | 19 |
| 棉花秸秆 | 43.1 | 22.8 | 15.6 | 18.5 |
| 大豆秸秆 | 42.2 | 28.5 | 17.1 | 12.2 |
表2.生物质原料的元素组成分析表
表3.干燥处理过程中的各个参数
| 热烟气进入干燥器前的温度 | 180-275℃ |
| 带走水分的热烟气温度 | <110℃ |
| 干燥处理后木屑的含水量 | <3% |
| 干燥时间 | 10min |
| 出料口处木屑的温度 | 160-180℃ |
表4.烘焙反应过程中产生的混合热气流的参数（混合热气流的温度控制在280-350℃范围内）
表5列举了烘焙反应器中相同质量的生物质原料在不同的烘焙反应温度下得到的烘焙生物质的产率以及烘焙生物质的能量密度。从表5中可以看出，在生物质原料进料量以及停留时间均相同的情况下，烘焙生物质的产率随着烘焙反应温度的升高而下降，烘焙生物质的能量密度随着烘焙反应温度的升高而上升。
表5. 烘焙床反应器内不同反应温度对烘焙生物质产率以及能量密度的影响
表6列举了烘焙反应器中相同质量的生物质原料在烘焙反应器中的不同停留时间（即烘焙反应时间）下得到的烘焙生物质的产率以及烘焙生物质的能量密度。从表6中可以看出，在生物质原料进料量以及烘焙反应温度均相同的情况下，烘焙生物质的产率随着停留时间的延长而下降，烘焙生物质的能量密度随着停留时间的延长而上升。
表6. 生物质原料在烘焙床反应器内不同停留时间对烘焙生物质产率以及能量密度的影响
Claims (7)
1.生物质烘焙方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）生物质原料破碎：将生物质原料破碎，破碎后的生物质原料的最大厚度不超过5mm，长度不超过20mm；
（2）生物质原料干燥：将破碎后的生物质原料通过螺杆输送装置输送至对流式干燥器内进行干燥处理，生物质原料从对流式干燥器的进料口输入，同时热烟气从对流式干燥器的出料口输送至对流式干燥器内，使热烟气与生物质原料直接接触并进行逆向对流换热，将生物质原料中的水分气化，换热后的热烟气连同水气一起从对流式干燥器中的排气口排出，进行干燥处理后的生物质原料从对流式干燥器的出料口输出至烘焙反应器中进行烘焙反应；对流式干燥器内的温度控制在150-180℃范围内，经过干燥处理后的生物质原料的含水量控制在3%以内；
（3）生物质原料烘焙：烘焙反应器为夹套式双层结构，将干燥处理后的生物质原料通过螺杆输送装置由烘焙反应器的进料口输送至烘焙反应器的内腔内，350-400℃的混合烟气从与烘焙反应器的进料口同侧的夹套进气口输入至烘焙反应器内腔外面的夹套中，夹套中混合烟气的流向与生物质原料的传送方向相同，混合烟气通过内腔壁将热量传递到烘焙反应器的内腔中，同时烘焙热气流从烘焙反应器的出料口处的气体进口输送至烘焙反应器的内腔中，使得烘焙热气流与生物质原料的传送方向相反流动，烘焙反应器内腔中形成的混合热气流从烘焙反应器的进料口处的气体出口排出，生物质原料与混合烟气同向间接传导换热、并与烘焙热气流逆向直接对流换热进行烘焙反应，烘焙反应后得到烘焙生物质；烘焙反应器的内腔温度控制为280-350℃，烘焙反应器内的氧气含量控制在0.5%以内，控制生物质原料在烘焙反应器中的停留时间为10-25分钟，烘焙反应器内腔中的工作压力为0.9-1个大气压；
（4）烘焙生物质降温：将烘焙生物质输送至冷却器中进行降温，降温后的烘焙生物质的温度控制在60-80℃范围内。
2.按照权利要求1所述的生物质烘焙方法，其特征在于：步骤（2）中所述的对流式干燥器为螺旋输送对流式干燥器、滚筒对流式干燥器、流化床对流式干燥器中的一种。
3.按照权利要求1所述的生物质烘焙方法，其特征在于：步骤（2）中所述的热烟气为烘焙反应器夹套中经过间接传导换热后的混合烟气，热烟气从烘焙反应器出料口同侧的夹套出气口输出；热烟气进入干燥器前的温度控制在180-275℃范围内。
4.按照权利要求1所述的生物质烘焙方法，其特征在于：步骤（3）中所述的烘焙热气流为：烘焙反应后烘焙反应器内腔中形成的混合热气流通过引风机从与烘焙反应器的进料口同侧的气体出口输出，其中10%-20%的混合热气流从烘焙反应器的出料口同侧的气体进口中再次输送至烘焙反应器内用作烘焙热气流，剩余部分的混合热气流经过焦油裂解器脱除焦油成分后输送至燃烧炉内，混合热气流在富氧气氛的燃烧炉内燃烧，燃烧后产生的高温烟气进入烟气配比室与冷空气混合产生混合烟气，混合烟气通过引风机输送至烘焙反应器的夹套中；燃烧炉内的富氧空气流量与混合热气流流量的比值为2.5：1～3：1，混合烟气的温度控制在350-400℃。
5.按照权利要求1所述的生物质烘焙方法，其特征在于：步骤（4）中所述的冷却器为旋风分离器、水冷换热器的一种。
6.按照权利要求1所述的生物质烘焙方法，其特征在于：步骤（4）中烘焙生物质冷却时的环境气氛中的氧含量不超过0.5%。
7.按照权利要求1至6中任一权利要求所述的生物质烘焙方法，其特征在于：将步骤（4）冷却后的烘焙生物质压制成球状、棒状或块状的固体燃料，固体燃料中烘焙生物质和粘土的质量比例为8:1～9.5:1。
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