CN104531227A - 一种生物质双轴螺旋热解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质双轴螺旋热解装置，包括截面呈U型的中空筒体状机壳，其开口通过机盖封盖密封，从而形成密闭的反应区，且在轴向上该机壳中形成的反应区依次被分为独立的多个热解子区域，机壳筒壁为中空的夹层结构以作为烟气通道，且机壳中心设置有轴向贯穿反应区的双轴螺旋绞龙，两螺旋绞龙的转动方向相反，从生物质进口进入的生物质经过双轴螺旋绞龙混合及输送，依次经烘焙子区域进行烘焙处理，以及通过所述气化子区域以及重整子区域分别进行催化气化和重整后，即可生成高品质合成气产品通过所述热解气出口排出。本发明的装置强化了物料混合及传热传质效果，采用内外热结合和催化作用实现生物质高效气化，解决了螺旋热解装置在高温下运行时的轴向及径向胀缩问题。

Description

一种生物质双轴螺旋热解装置
技术领域
本发明属于生物质热解气化制备合成气装置领域，具体涉及一种生物质双螺旋热解装置。
背景技术
在众多生物质能源利用技术中，热化学转化技术与其他技术相比，具有原料适应性广泛及易于规模化生产等优势。生物质热解气化制备合成气(以H2和CO为主要组分的原料气)，进而合成多种化工产品(如合成氨、CH3OH、链烃或其它精细化学品等)是热化学转化技术中最具发展前景的生物质能源资源化利用途径之一。生物质热解气化制备合成气工艺中的核心设备为气化反应器，其结构、形式及运行参数等对合成气的品质有直接影响。
现有生物质热解制备合成气装置通常采用固定床、流化床、气流床或绞龙等为气化反应器。固定床结构简单、操作方便、投资少，成为主要的气化反应器，但是存在处理量小、炉体中换热效果差、气化效率低、气体中灰分及焦油较多、难以精确控制气体产物等不足；流化床和气流床气化装置能够有效提升处理规模，并实现连续生产，不过流化床反应器一般需要后续设备来处理焦油和重整合成气等问题，气流床反应器对生物质原料的研磨要求过高，因此装置系统复杂、操作繁琐、能耗较大。
螺旋气化反应装置利于原料连续输送机稳定运行，但目前的螺旋轴下物料的传热传质较差，同时气化设备在高温下的胀缩与密封特性有待改善。同时，常规气化技术多为内热式生物质气化，即向气化炉里限量引入空气，依靠生物质自身在空气中燃烧产生的热能对未燃烧的生物质直接加热气化，但气体产品含有大量N2和CO2严重影响了合成气的气体品质，无法满足后续应用的要求。尽管内热式气化技术中采用富氧/水蒸气气化方式有助于提高合成气品质，但需要增加制氧设备、蒸汽发生器和过热设备，一次投资较高，系统独立性及稳定性较差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物质双轴螺旋热解装置，其通过设置多级相互独立结构，将热解过程分级进行处理，并设置双轴螺旋热解反应器，从而提高热解气化和催化重整的反应速率和气化效率，获得高品质的合成气。
为实现上述目的，按照本发明，提供一种生物质双轴螺旋热解装置，其特征在于，该装置包括截面呈U型的中空筒体状机壳，其开口通过机盖封盖密封，从而形成密闭的反应区，且在轴向上该机壳中形成的反应区依次被分为独立的多个热解子区域，包括烘焙子区域、气化子区域以及重整子区域，其中机盖在烘焙子区域上设置有生物质进口，在气化子区域上设置催化剂进口，在气化子区域上设置热解气出口，机壳筒壁为中空的夹层结构以作为烟气通道，且机壳中心设置有轴向贯穿反应区的双轴螺旋绞龙，两螺旋绞龙的转动方向相反，从所述生物质进口进入的生物质经过双轴螺旋绞龙混合及输送，依次经所述烘焙子区域进行烘焙处理，以及通过所述气化子区域以及重整子区域分别进行催化气化和热解重整后，即可生成高品质合成气产品通过所述热解气出口排出。
作为本发明的改进，所述机壳内壁设置有呈尖峰状的凸起，使得内壁底面呈“W”形。
作为本发明的改进，所述烟气通道内布置折流板，反应区产生的高温烟气流经该烟气通道，通过该折流板与机壳内壁进行充分热交换，以循环利用高温烟气的热量为生物质热解反应提供部分热量。
作为本发明的改进，所述机盖和机壳外部敷设保温材料。
作为本发明的改进，所述双轴螺旋绞龙一端与传动装置连接，通过该传动装置的转动带动双轴螺旋绞龙转动，实现对物料中反应区中的混合与输送。
作为本发明的改进，所述螺旋绞龙上的螺旋叶片采用间断式结构，以克服高温下螺旋轴径向膨胀。
作为本发明的改进，所述机壳一端采用转动式铰接，另一端采用调节螺杆支撑，可调节机壳倾斜角度。
本发明的一种双轴螺旋式生物质热解气化装置，通过分级处理生物质原料、强化反应装置内传热传质、内外热结合供能及催化气化等方法达到制备高品质合成气的目的。
本发明中，双轴螺旋热解反应器的机壳采用夹层结构，呈U形，内壁呈“W”形结构，防止内壁底部中心形成物料搅拌的“死区”。两端设有高温烟气进、出口，夹层内部为烟气通道，布置折流板结构，利用高温烟气间接加热，提供生物质热解所需部分热量，机壳上部为分段式机盖，前端设置有生物质进口，中部设置催化剂进口，可提供高温催化剂用于催化热解及供给热量，末端设置热解气出口。机盖与机壳之间紧密连接，形成密闭的反应区，且机盖和机壳外部敷设保温材料。双螺旋轴贯穿整个反应区，转动方向相反，用于物料的混合及输送。螺旋轴由管轴、螺旋叶片和两端轴承等组成，一端与传动装置连接，另一端接旋转接头。叶片采用间断式结构。机壳与机座之间有支座支撑，其中一端支座固定，其余支座可沿机座上的滑道移动。机座水平角度可调。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、新装置将生物质热解气化制备合成气过程中的原料烘焙、半焦气化及气体催化重整等有机结合，同时将内外热供能相结合，形成适合分级气化的反应条件，实现能量的高效综合利用，简化了生物质热解制备合成气的实验系统，提高了系统的气化效率。
2、相较于传统的单轴螺旋反应器，双轴螺旋热解反应器增加原料处理规模的同时加强物料内部的传热传质效果，有利于提高热解气化和催化重整的反应速率。
3、反应器中螺旋叶片采用间断式结构，可以克服高温下螺旋轴径向的膨胀问题。机壳末端下部设置有可滑动式支座，可以克服高温下螺旋轴轴的膨胀问题。
4、热解装置机座支架前端采用转动式铰接，末端采用调节螺杆支撑，通过调节机壳倾斜角度(角度范围0～15°)，可加强物料的输送特性。
5、本发明具有节能环保、高效低耗、连续稳定、结构简单等优点，经济和工程实现性强，提高了整个热解装置的能量转化率并保证了系统的稳定性等，适用于秸秆、锯末等生物质原料热解气化制备高品质合成气。
附图说明
图1是本发明的装置结构俯视图。
图2是本发明的装置结构正视图。
图3是A-A面的剖视图。
附图标记说明：1、电机，2、变速箱，3、烟气出口，4、物料入口，5、催化剂进料口，6、保温层，7、螺旋轴，8、螺旋叶片，9、机座，10、联轴器，11、转动式机座支架，12、机壳，13、夹层，14、折流板，15、烟气入口，16、热解气出口，17、分段式机盖，18、固定式机壳支座，19、中间支座，20、排渣口，21、滑动式机壳支座，22、支架调节螺杆，23、机壳内壁
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，按照本发明实施例所构建的生物质螺旋气化反应器，主要包括双螺旋轴7、螺旋叶片8、保温层6、烟气夹层13、机壳12、机壳内壁23及分段式机盖17。反应器动力输送装置由电机1、变速箱2及联轴器10等组成。
分段式机盖17前端设置有物料入口4，原料经给料设备由此进入反应器，在(双)螺旋轴7和螺旋叶片8作用下进行输送，依次经历烘焙及气化等反应阶段。具有载热特性的催化剂经给料设备由设置在分段式机盖17中段的催化剂进口5进入反应器，与物料充分混合及传热，促进热解气化反应，获得粗合成气，然后在末段的高温条件下实现焦油的催化裂解及粗合成气的重整，产生的气体由热解气出口16排出，经气固分离后得到合成气产品。
在机壳12末段下部设置有排渣口20。高温烟气由烟气入口15进入烟气夹层13，与机壳内壁23进行充分热交换后由烟气出口3排出，夹层13内设置折流板14结构，目的是增强与机壳内壁24的换热效果。机壳12前端下部布置固定式机壳支座18，末端下部布置滑动式机壳支座21，同时在中段一定间隔处布置中间支座19，共同支撑热解装置。
机座9前部采用转动式机座支架11，后部采用调节螺杆22支撑，可调节机座的水平倾斜角度。
本装置中，机壳采用夹层结构，呈U形，外侧两端设有高温烟气进、出口，内部设有烟气通道，利用高温烟气间接加热，提供生物质热解所需部分热量，机盖位于机壳上部，前部设有生物质进口，中部设有催化剂进口，具有载热功能的催化剂提供生物质热解所需部分热量，后部设有热解气出口。机盖与机壳之间紧密连接，形成密闭的反应区，且机盖和机壳外部敷有保温材料。双螺旋轴贯穿整个反应区，用于物料的混合及输送。螺旋轴由管轴、螺旋叶片和两端轴承等组成，一端与传动装置连接，另一端接旋转接头。叶片采用间断式结构。机壳与机座之间有支座支撑，其中一端支座固定，其余支座可沿机座上的滑道移动。机座水平角度可调。
本实施例中，机壳内壁优选呈“W”形，防止反应区底部物料堆积形成“死区”
本实施例中，螺旋叶片优选采用间断式结构，用以克服高温下的径向膨胀问题。
本实施例中，机壳与机座之间的支座其中端固定，其余支座可沿机座上的滑道移动，用以克服高温下的轴向膨胀问题。
本实施例中，机座下部一端设有转动式铰接，另一端采用可调节高度螺杆支撑，用于调节机座倾斜角度(调节范围例如在0～15°)，可加强物料的输送特性。
本发明的装置其工作原理过程如下：
物料经破碎等预处理后由生物质进口进入热解反应器，在双螺旋轴输送作用下首先在200～300℃左右的较低温度下经历烘焙处理。烘焙阶段产生的H2O和CO2等气体作为后续气化和重整阶段的反应介质，同时可获得具有较好孔隙结构的固体产物，具有更好的气化反应活性(相比于原始物料)，然后烘焙产物在700～900℃的气化阶段进行催化气化反应制备粗合成气，产生的焦油及粗合成气再经过900～1000℃的高温重整段进行焦油裂解及粗合成气重整反应，在热解气出口得到高品质合成气产品。焦炭及催化剂由螺旋轴输送至末端经排渣口排出。各阶段温度通过调节烟气流速及高温催化剂进料量的内外热结合方式进行控制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物质双轴螺旋热解装置，其特征在于，该装置包括截面呈U型的中空筒体状机壳，其开口通过机盖封盖密封，从而形成密闭的反应区，且在轴向上该机壳中形成的反应区依次被分为独立的多个热解子区域，包括烘焙子区域、气化子区域以及重整子区域，其中机盖在烘焙子区域上设置有生物质进口，在气化子区域上设置催化剂进口，在重整子区域上设置热解气出口，机壳筒壁为中空的夹层结构以作为烟气通道，且机壳中心设置有轴向贯穿反应区的双轴螺旋绞龙，两螺旋绞龙的转动方向相反，从所述生物质进口进入的生物质经过双轴螺旋绞龙混合及输送，依次经所述烘焙子区域进行烘焙处理，以及通过所述气化子区域以及重整子区域分别进行催化气化和重整后，即可生成高品质合成气产品通过所述热解气出口排出。
2.根据权利要求1所述的一种生物质双轴螺旋热解装置，其中，所述机壳内壁设置有呈尖峰状的凸起，使得内壁底面呈“W”形。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物质双轴螺旋热解装置，其中，所述烟气通道内布置折流板，高温烟气流经该烟气通道，通过该折流板与机壳内壁进行充分热交换，以循环利用高温烟气的热量为生物质热解反应提供部分热量。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种生物质双轴螺旋热解装置，其中，所述机盖和机壳外部敷设保温材料。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种生物质双轴螺旋热解装置，其中所述双轴螺旋绞龙一端与传动装置连接，通过该传动装置的转动带动双轴螺旋绞龙转动，实现对物料中反应区中的混合与输送。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种生物质双轴螺旋热解装置，其中，所述螺旋绞龙上的螺旋叶片采用间断式结构，以克服高温下螺旋轴径向膨胀。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种生物质双轴螺旋热解装置，其中，所述机壳一端采用转动式铰接，另一端采用调节螺杆支撑，可调节机壳倾斜角度。
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