CN103923673A - 生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质制备生物油、活性炭和可燃气的装置与方法。该方法包括将生物质通过卧式炉排炉微波热解装置进行微波热解，所得气相产物热解气经过滤和冷凝获得生物油和可燃气。空气经与高温活性炭换热升温后，用于对原料进行干燥处理。该装置采用微波辐射加热，卧式炉排炉输送，原料无需破碎成细小颗粒，热解过程无需载气，既提高可燃气的产量，实现多联产效果，又避免生物炭颗粒进入热解气中，提高了生物油的品质。

Description

生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置与方法

技术领域

本发明涉及生物质资源利用领域，具体涉及生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置。

背景技术

随着社会经济的发展，人类消耗了越来越多的能源，造成化石资源日益枯竭。我国的能源结构中85%以上为煤、石油、天然气等化石能源，化石能源的大量使用，一方面产生了严重的环境污染问题，比如温室效应、酸雨、雾霾等；另一方面，我国每年需进口大量的石油和天然气，不仅花费大量外汇，而且能源安全存在隐患。新能源可以缓解能源供应紧张的局面，还可以实现CO₂等温室气体的零排放，进而减轻日益严重的温室效应，也可以减少造成酸雨的SO_X和NO_X的排放。因此，发展和利用新能源关系到社会和经济的可持续发展。

新能源是指传统能源之外的各种能源形式，如太阳能、地热能、风能、海洋能、核能和生物质能等。其中生物质能有其特有的优越性：无污染，生物质燃烧产生的SOX和NOX较少，排放的二氧化碳相当于生长时吸收的二氧化碳，对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应；总量十分丰富，生物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气，我国农业废弃物每年产量高达7亿吨，随着农林业的发展,生物质资源还将更多。因此，大力开发生物质能是我国解决环境问题，改善能源结构的重要措施之一。

近年来，生物质快速热裂解来制备生物质燃料技术得到了迅猛地发展，该方法能够将生物质高效转化为易储存、易运输、能量密度高的燃料。生物质热解是指生物质在无氧或缺氧的条件下加热分解，最终生成生物炭、生物油和可燃气的过程。然而，传统的生物质热解方式存在诸多缺点，比如难以做到对原料内部直接进行加热，传统的加热方式只能由表及里地对原料进行加热，原料由于受热不均而影响最终产物的产量和品质，倘若实现对原料内外均匀地加热，便可以显著地改善热解工艺，提高技术水平；目前大多数工艺在热解之前需要对原料进行破碎处理，将大块的物料破碎成为细小的颗粒，并且随着破碎颗粒粒径减小，加工费用也急剧增加，由此造成生产成本的上升，倘若能够实现免破碎预处理的热解工艺，便可以降低生产成本；此外，目前大多数热解工艺的热解装置都需要载气以实现床料流化和快速加热，但是载气的存在一方面会增加加热和冷却耗能，另一方面由于载气会夹带炭粒进入产物中，降低了生物油的品质。

发明内容

技术问题：针对现有技术的不足，本发明一种生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置及方法。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置，该装置将生物质预处理装置与油、炭、气多联产装置连成一体；该装置包括原料切割装置、物料输送带、过滤网、遮雨盖、料仓、卧式炉排炉微波热解装置、第一旋转式密封装置、第二旋转式密封装置、多孔金属过滤装置、冷凝装置、储气瓶、储油罐、活性炭储存箱、气固换热器；

原料切割装置的上部设有入料口，底部安装有物料输送带，并与料仓连通；料仓通过进料密封器与卧式炉排炉微波热解装置相连，

卧式炉排炉微波热解装置的末端出口上部通过多孔金属过滤装置与冷凝装置相连，末端出口下部通过出料密封器与气固换热器相连通；

气固换热器尾部连有活性炭储存箱；冷凝装置的上部出口连有储气瓶，下部出口连有储油罐；泵将储油罐内的油压送至冷凝装置；风机驱动空气经过气固换热器加热后进入物料输送带。

卧式炉排炉微波热解装置为热解装置，包括入料密封器、出料密封器、微波发生器、传送带装置、外壳体；卧式炉排炉微波热解装置的上端盖的内侧沿物料运动方向均匀布置三排微波发生器，炉壁为隔绝微波的材料。

由入料口、原料切割装置、物料输送带、过滤网、遮雨盖、料仓组成了原料处理系统，用于同时进行原料切割和干燥处理。

原料为各种生物质，包括农田秸秆、草本植物、木料、水生植物、中药炼制残渣、纤维乙醇炼制残渣以及其它含碳垃圾中的任一种或其任一组合。

本发明还提供了一种生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的方法，该方法包括如下步骤：

原料由入料口落入原料切割装置内，原料切割装置的左端下部连接有物料输送带，物料输送带底部通入温度较高的空气，对物料进行干燥处理，尾气经过过滤网排入大气，物料进入料仓后再落入入料密封器的一个料仓中，随着入料密封器的运转，隔板不断地旋转，装有物料的料斗转离入口位置，此时物料继续落入另一个料斗中，直到料斗转至出口位置时，物料落入卧式炉排炉微波热解装置中，由此不断循环即可实现密封和入料；

落入卧式炉排炉微波热解装置的物料，受重力作用继续落到传送带上，炉排炉微波热解装置的上端盖的内侧沿物料运动方向均匀布置三排微波发生器，物料随传送带运动过程中吸收微波使得温度逐渐升高，进而产生热解气体和活性炭；活性炭继续随传送带运动落入出料密封器的一个料仓中，随着出料密封器的运转，隔板不断地旋转，装有活性炭的料斗转离入口位置，此时生物炭继续落入另一个料斗中，直到料斗转至出口位置时，生物炭进入气固换热器，最终进入活性炭储存箱，

空气由气侧通过该气固换热器，加热后得到的高温空气通入物料输送带底部；热解过程产生的热解气通过嵌在卧式炉排炉微波热解装置右上部的多孔金属过滤装置，从冷凝装置的侧面底部进入，油泵将储油罐内的低温油送入冷凝装置内的喷油淋浴的管道中，喷出的雾状油将热解气冷凝，在底部得到的生物油再次送回储油罐，由此循环可以实现对热解气的第一级冷凝；剩余未被冷凝的热解气进入旋转式蒸汽冷凝器的细小通道时，由于惯性较大而附着于壁面进而凝结下落回冷凝装置的底部，由此实现第二级冷凝；不可冷凝的可燃气最后进入储气瓶，从而可以得到活性炭、生物油和可燃气，实现了多联产。

有益效果：

1、卧式炉排炉微波热解装置为本发明的特色之一。使用微波可实现对生物质内部的直接加热，物料受热均匀，加热速率快，加热温度可以精确控制。该装置对原料适应能力强，反应效果好，产品产率高。

2、本发明的原料处理系统可以同时进行对原料的切割和干燥处理工作，原料不需要磨成细小颗粒，可以直接将大块的生物质投入，免去了复杂和昂贵的初加工过程，节约大量成本。

3、进料和出料口都安装有旋转式装密封装置，防止了热解气的外漏。

4、由多孔金属材料制造而成的多孔金属过滤装置，材料内部形成大量空隙，可以有效地过滤掉热解气中夹杂的炭颗粒，并且设备简单，过滤效果好，易于清理。

5、冷凝装置采用二级冷凝，设备简单，易于维护，而冷凝效果极佳。

6、气固换热器回收高温活性炭的热量，将空气加热后用于干燥物料，拥有节能减排的效果。

7、本发明的热解过程无需载气，既提高可燃气的产量，实现多联产的效果，又避免生物炭颗粒进入热解气中，提高了产物的品质。

附图说明

图1是本发明生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置与方法的工艺流程图。

图2是本发明生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置与方法的卧式炉排炉微波热解装置。

图3是本发明生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置与方法的卧式炉排炉微波热解装置的上端盖及其微波发生器。

图4a为本发明的卧式炉排炉微波热解装置8的主视图。

图4b为本发明的卧式炉排炉微波热解装置8俯视图。

图4c为本发明的卧式炉排炉微波热解装置8侧视图。

图中虚线或实线标示的小方格为本发明的卧式炉排炉微波热解装置8上安装的微波发生器22。

其中，1为入料口、2为原料切割装置、3为物料输送带、4为过滤网、5为遮雨盖、6为料仓、8为卧式炉排炉微波热解装置、7和9分别为入料密封器和出料密封器、10为多孔金属过滤装置、11为冷凝装置、12为储气瓶、13为储油罐、14为泵、15为喷油淋浴、16为旋转式蒸汽冷凝器、17为电动机、18为活性炭储存箱、19为气固换热器、20为风机、21为卧式炉排炉微波热解装置的上端盖、22为上端盖内侧安装的微波发生器。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明：

参见图1－图4c，本发明生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置与方法，将生物质预处理装置与油、炭、气多联产装置连成一体；该装置包括原料切割装置2、物料输送带3、过滤网4、遮雨盖5、料仓6、卧式炉排炉微波热解装置8、第一旋转式密封装置7、第二旋转式密封装置9、多孔金属过滤装置10、冷凝装置11、储气瓶12、储油罐13、活性炭储存箱18、气固换热器19。

原料切割装置2的上部设有入料口1，底部安装有物料输送带3，并与料仓6连通；料仓6通过进料密封器7与卧式炉排炉微波热解装置8相连，卧式炉排炉微波热解装置8的末端出口上部通过多孔金属过滤装置10与冷凝装置11相连，末端出口下部通过出料密封器9与气固换热器19相连通。

气固换热器19尾部连有活性炭储存箱18；冷凝装置11的上部出口连有储气瓶12，下部出口连有储油罐13；泵14将储油罐13内的油压送至冷凝装置11；风机20驱动空气经过气固换热器19加热后进入物料输送带3。

原料为各种生物质，包括农田秸秆、草本植物、木料、水生植物、中药炼制残渣、纤维乙醇炼制残渣以及其它含碳垃圾中的任一种或其任一组合。仅需要将原料切割为较小尺寸，而不需要破碎碾磨，就可以进行热解反应，免去复杂且昂贵的初加工过程。

热解装置为卧式炉排炉微波热解装置8，主要由入料密封器7、出料密封器9、微波发生器22、传送带装置、外壳体等组成。卧式炉排炉微波热解装置的上端盖的内侧沿物料运动方向均匀布置三排微波发生器22，炉壁为隔绝微波的特殊材料。物料随输送带进入炉内，固体残渣随输送带排出，通过控制微波发生器22发出的微波强度控制加热温度，也可以通过调节传送带的速率控制加热温度和加热时间。利用微波对原料内部直接加热，使得原料受热均匀，加热速率快，加热温度可以精确控制。热解过程中不需要载气，排气中几乎不含炭颗粒，产物更加纯净，免去了传统热解方法的旋风分离步骤。

原料处理系统由入料口1、原料切割装置2、物料输送带3、过滤网4、遮雨盖5、料仓6等组成，可以同时进行原料切割和干燥处理。电动机带动原料处理装置2内的螺旋叶轮搅拌和切割原料。切割后的原料通过物料输送带3进至料仓6，在此过程中通入高温空气对物料进行干燥处理。

多孔金属过滤装置10由多孔金属材料制造而成。该多孔金属材料与普通的金属网（仅由金属制成网状）有本质区别，多孔金属材料内部存在大量均匀的空隙，可以有效地过滤掉热解气中夹杂的炭颗粒，并且易于维护，免去传统工艺的旋风分离步骤。

冷凝装置11采用二级冷凝。该装置包括：油泵14、喷油淋浴15、旋转式蒸汽冷凝器16、电动机17等组成。热解气由底部进入冷凝装置11，油泵14将温度较低的生物油压入喷油淋浴15，进而将热解气冷却，此为第一级冷凝；旋转式蒸汽冷凝器16外形为圆柱体，内部由下至上布满细小的通道，并且在电动机17的带动下旋转，未被冷凝的热解气进入旋转式蒸汽冷凝器16的细小通道时，由于惯性较大附着于壁面而凝结下落回冷凝装置11的底部，此为第二级冷凝。

回收活性炭的余温来加热空气。高温活性炭经过气固换热器18的固侧被冷却，空气经过气侧被加热。得到的高温空气由物料输送带3的底部进入，沿着输送带随物料运送过程中将物料干燥，最后经过滤网4排入大气。

入料密封器7和出料密封器9都为旋转式密封装置。其外壳为圆柱体，内部被由四片垂直布置的隔板分为四个容积相同的料仓，隔板固定在中心轴上，电动机通过中心轴带动隔板旋转。工作时，入口每个时刻只能与一个料仓相通，同时出口每个时刻也只能与另一个料仓相通，而四个料仓之间相互隔绝，由此可实现密封。

生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的方法为：原料由入料口1落入原料切割装置2内，原料切割装置2的左端下部连接有物料输送带3，物料输送带3底部通入温度较高的空气，对物料进行干燥处理，尾气经过过滤网4排入大气，物料进入料仓6后再落入入料密封器7的一个料仓中，随着入料密封器7的运转，隔板不断地旋转，装有物料的料斗转离入口位置，此时物料继续落入另一个料斗中，直到料斗转至出口位置时，物料落入卧式炉排炉微波热解装置8中，由此不断循环即可实现密封和入料。落入卧式炉排炉微波热解装置8的物料，受重力作用继续落到传送带上，卧式炉排炉微波热解装置的上端盖21的内侧沿物料运动方向均匀布置三排微波发生器22，物料随传送带运动过程中吸收微波使得温度逐渐升高，进而产生热解气体和活性炭。活性炭继续随传送带运动落入出料密封器9的一个料仓中，随着出料密封器9的运转，隔板不断地旋转，装有活性炭的料斗转离入口位置，此时生物炭继续落入另一个料斗中，直到料斗转至出口位置时，生物炭进入气固换热器19，最终进入活性炭储存箱18，空气由气侧通过该气固换热器19，加热后得到的高温空气通入物料输送带3底部。热解过程产生的热解气通过嵌在卧式炉排炉微波热解装置8右上部的多孔金属过滤装置10，从冷凝装置11的侧面底部进入，油泵14将储油罐13内的低温油送入冷凝装置11内的喷油淋浴15的管道中，喷出的雾状油将热解气冷凝，在底部得到的生物油再次送回储油罐13，由此循环可以实现对热解气的第一级冷凝；剩余未被冷凝的热解气进入旋转式蒸汽冷凝器的细小通道时，由于惯性较大而附着于壁面进而凝结下落回冷凝装置的底部，由此实现第二级冷凝。不可冷凝的可燃气最后进入储气瓶12，从而可以得到活性炭、生物油和可燃气，实现了多联产的效果。

如图2所示的本发明的卧式炉排炉微波热解装置8，其左上端的入料位置安装有入料密封器7，右下端的出料位置安装有出料密封装置9，右上端安装有多孔金属过滤装置10。采用不吸收微波的材料制成的输送带安装在两个带轮上，并由电动机带动。炉壁为隔绝微波的特殊材料，可防止微波外泄，从而避免能量损失，亦避免对操作人员造成伤害。其上端盖21如图3所示，微波发生器22沿物料运动方向均匀布置在上端盖21的内侧，共布置有三排微波发生器22，一排固定于上端盖21内侧的最顶端，另外两排对称地固定于上端盖21内侧偏下位置，通过预先设计和调整，将三排微波发生器22安装于最佳角度，使得原料可以充分吸收微波，其三视图如图4所示。在运行过程中，可以根据热解需求改变微波发生器22发出的微波强度以及输送带的运行速率。在热解过程中不需要载气，排气中几乎不含炭颗粒，产物更加纯净，免去了传统热解方法的旋风分离步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置，其特征在于，该装置将生物质预处理装置与油、炭、气多联产装置连成一体；该装置包括原料切割装置（2）、物料输送带（3）、过滤网（4）、遮雨盖（5）、料仓（6）、卧式炉排炉微波热解装置（8）、第一旋转式密封装置（7）、第二旋转式密封装置（9）、多孔金属过滤装置（10）、冷凝装置（11）、储气瓶（12）、储油罐（13）、活性炭储存箱（18）、气固换热器（19）；

原料切割装置（2）的上部设有入料口（1），底部安装有物料输送带（3），并与料仓（6）连通；料仓（6）通过进料密封器（7）与卧式炉排炉微波热解装置（8）相连，

卧式炉排炉微波热解装置（8）的末端出口上部通过多孔金属过滤装置（10）与冷凝装置（11）相连，末端出口下部通过出料密封器（9）与气固换热器（19）相连通；

气固换热器（19）尾部连有活性炭储存箱（18）；冷凝装置（11）的上部出口连有储气瓶（12），下部出口连有储油罐（13）；泵（14）将储油罐（13）内的油压送至冷凝装置（11）；风机（20）驱动空气经过气固换热器（19）加热后进入物料输送带（3）。

2.根据权利要求1所述的生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置，其特征在于，卧式炉排炉微波热解装置（8）为热解装置，包括入料密封器（7）、出料密封器（9）、微波发生器（22）、传送带装置、外壳体；卧式炉排炉微波热解装置（8）的上端盖的内侧沿物料运动方向均匀布置三排微波发生器，炉壁为隔绝微波的特殊材料。

3.根据权利要求1所述的生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置，其特征在于，由入料口（1）、原料切割装置（2）、物料输送带（3）、过滤网（4）、遮雨盖（5）、料仓（6）组成了原料处理系统，用于同时进行原料切割和干燥处理。

4.根据权利要求1所述的生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的装置，其特征在于，原料为各种生物质，包括农田秸秆、草本植物、木料、水生植物、中药炼制残渣、纤维乙醇炼制残渣以及其它含碳垃圾中的任一种或其任一组合。

5.一种生物质多联产制备生物油、活性炭和可燃气的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

原料由入料口（1）落入原料切割装置（2）内，原料切割装置（2）的左端下部连接有物料输送带（3），物料输送带（3）底部通入温度较高的空气，对物料进行干燥处理，尾气经过过滤网（4）排入大气，物料进入料仓（6）后再落入入料密封器（7）的一个料仓中，随着入料密封器（7）的运转，隔板不断地旋转，装有物料的料斗转离入口位置，此时物料继续落入另一个料斗中，直到料斗转至出口位置时，物料落入卧式炉排炉微波热解装置（8）中，由此不断循环即可实现密封和入料；

落入卧式炉排炉微波热解装置（8）的物料，受重力作用继续落到传送带上，卧式炉排炉微波热解装置（8）的上端盖（21）的内侧沿物料运动方向均匀布置三排微波发生器（22），物料随传送带运动过程中吸收微波使得温度逐渐升高，进而产生热解气体和活性炭；活性炭继续随传送带运动落入出料密封器（9）的一个料仓中，随着出料密封器（9）的运转，隔板不断地旋转，装有活性炭的料斗转离入口位置，此时生物炭继续落入另一个料斗中，直到料斗转至出口位置时，生物炭进入气固换热器（19），最终进入活性炭储存箱（18），

空气由气侧通过该气固换热器（19），加热后得到的高温空气通入物料输送带（3）底部；热解过程产生的热解气通过嵌在卧式炉排炉微波热解装置（8）右上部的多孔金属过滤装置（10），从冷凝装置（11）的侧面底部进入，油泵（14）将储油罐（13）内的低温油送入冷凝装置（11）内的喷油淋浴（15）的管道中，喷出的雾状油将热解气冷凝，在底部得到的生物油再次送回储油罐（13），由此循环可以实现对热解气的第一级冷凝；剩余未被冷凝的热解气进入旋转式蒸汽冷凝器的细小通道时，由于惯性较大而附着于壁面进而凝结下落回冷凝装置的底部，由此实现第二级冷凝；不可冷凝的可燃气最后进入储气瓶（12），从而可以得到活性炭、生物油和可燃气，实现了多联产。