CN104830356A

CN104830356A - 一种内外组合加热式生物质热解炭化装置

Info

Publication number: CN104830356A
Application number: CN201410721384.6A
Authority: CN
Inventors: 赵立欣; 丛宏斌; 姚宗路; 孟海波; 李丽洁; 李敏
Original assignee: Chinese Academy of Agricultural Engineering CAAE
Current assignee: Chinese Academy of Agricultural Engineering CAAE
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: CN104830356B

Abstract

本发明公开了一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，包括热解系统、初级分离系统、冷凝分离系统、不可冷凝气体收集与计量系统、燃气回用系统、载气供应系统和控制系统等，热解系统、初级分离系统、冷凝分离系统、不可冷凝气体收集与计量系统依次串接，燃气回用系统和载气供应系统安装在热解系统前端。载气供应系统用于改变生物质热解气氛，控制系统用于装置炭化温度、升温速率和气体流量的监测和控制。热解系统产生的三态产物进入初级分离系统，将焦油分离集瓶，剩余的热解产物进入冷凝分离系统，将木醋液分离集瓶，然后，不可冷凝气体收集与计量系统完成可燃气计量与收集，最后，部分可燃气通过燃气回用系统燃烧后给热解系统供热。

Description

一种内外组合加热式生物质热解炭化装置

技术领域

本发明属于生物质资源综合开发利用技术领域，具体涉及一种生物质热解装置，具体是以各类农作物秸秆为原料，采用内外组合加热式固定床生物质炭化技术原理，对生物质进行热解炭化和热解可燃气回用的反应装置。

背景技术

生物炭（Biochar）是生物有机材料（生物质）在缺氧或绝氧环境中，经热裂解后生成的固态产物，既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上，为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案，生物炭的生产和应用已引起国内外广泛关注。按照加热方式生物质炭化技术分为外热式、内热式和自燃式3种类型。外热式炭化技术一般采用流动的热空气通过炭化室外壁对物料进行间接加热，炭化工艺参数控制方便，由于属间接加热方式，换热效率相对较低；内热式炭化技术将载热气体从炉体底部通入，与原料逆流接触，载热气体一般控制在450~550℃，由于属直接加热方式，换热效率较高；自燃式炭化技术是采用物料自燃的方式对炭化室内的物料进行直接加热，在3种加热方式中换热效率最高，但对炭化工艺参数，尤其是设备进风量的控制要求严苛。

目前，国内生物质炭化技术与设备研究取得了一定的成果，但相关研究仍需深入，尤其是内外组合加热式生物质炭化技术研究较少，相关装备的设计开发尚属空白。

发明内容

本发明的目的是解决技术背景中所述的在生物质热解炭化研究中，内外组合加热式生物质炭化技术与设备研究不足的问题。为了达到这一目的，内外组合加热式生物质热解炭化装置所采取的技术方案包括热解系统（1）、初级分离系统（2）、冷凝分离系统（3）、不可冷凝气体收集与计量系统（4）、燃气回用系统（5）、载气供应系统（6）和控制系统（7），其特征在于反应管（8）外部安装热解炉（24），内部装有反应管热电偶（34），反应管（8）下端与载气供应系统（6）连接，上端与初级分离系统（3）连接，冷凝分离系统（3）与初级分离系统（2）的后端连接，不可冷凝气体收集与计量系统（4）连接在冷凝分离系统（3）后端，不可冷凝气体收集与计量系统（4）收集的燃气经过燃气回用系统（5）通过内加热方式给热解系统（1）提供热量，整个炭化装置由控制系统（7）控制。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，热解系统（1）由热解炉（24）、反应管（8）、热电偶排布器（9）组成，热解炉（24）由热解炉加热丝（25）、热解炉热电偶（26）、保温层电阻丝（27）和热解炉外壳（28）组成，热解炉（24）最高温度和最大升温速率分别为800℃和30℃/min。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，热解炉（24）可分为5段，每段温度和升温速率可单独控制，炭化温度和升温速率可调，热解炉（24）自上而下每段基准控制炭化温度分别为520℃、510℃、500℃、500℃、510℃。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，热解炉（24）外形呈圆筒形结构，采用对开设计，热解炉加热丝（25）安装在热解炉（24）内侧，保温层（27）安装在热解炉加热丝（25）与热解炉外壳（28）之间。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，反应管（8）包括石英管（29）、烧结底板（30）和具孔塞（31），石英管（29）采用石英材质，外观呈圆筒形，上部连接处为磨砂口，下口设有具孔塞（31），反应管（8）内距具孔塞（31）距离h为40 mm处设有烧结托板（30），使用时反应管（8）可更换。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，热电偶排布器（9）包括支撑管（32）、托板（33）、反应管热电偶（34）和固定板（35），支撑管（32）上下口均为磨砂口，7根反应管热电偶（34）均布在固定板（35）和托板（33）上。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，初级分离系统（2）由导流器（47）、导流管（38）、套管过滤器（46）与收集瓶（45）组成，导流管（38）顶部开口处有导流器顶塞（37），在一侧有导流器采样支管（36）和导流器螺旋塞（48），另一侧通过导流管（38）与套管过滤器（46）连接，初级分离系统（2）安装在恒温箱（42）内。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，套管过滤器（46）包含滤芯（43）和套管过滤器外壳（44），套管过滤器（46）有两个出口，上端通过过滤管（41）连接冷凝分离系统（3），下端直接连接收集瓶（45），在过滤管（41）一侧设有过滤器采样支管（40）和过滤器螺旋塞（39），套管过滤器（46）处于恒温箱（42）内。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，冷凝分离系统（3）包括冷凝管（56）、弯管（52）、密封塞（53）、锥形瓶（54），其中，冷凝管（56）包括螺旋管（50）和冷凝管外壳（51、入水口（55）和出水口（49），冷凝管（56）和锥形瓶（54）通过弯管（52）和密封塞（53）连接。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，不可冷凝气体收集与计量系统（4）包括不可冷凝气总开关阀（10）、湿式流量计（11）、气袋（12）和不可冷凝气体收集开关阀（13），在不可冷凝气总开关阀（10）的后侧将不可冷凝气体分为收集和计量两个支路。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，载气供应系统（6）包括载气罐（19）、载气开关阀（20）、载气电磁流量计（21）和载气单向阀（22），以上各部分通过软管依次串接。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，燃气回用系统（5）由储气罐（15）、储气罐进气调节阀（14）、储气罐出气调节阀（16）、空气混配器（17）、燃烧喷嘴（18）组成，储气罐（15）与不可冷凝气体收集与计量系统（4）连接，燃烧喷嘴（18）生成的热烟气通过管道直接进入反应管（8）内。

上述的内外组合加热式生物质热解炭化装置，控制系统（7）包括控制主机（23）、热解炉热电偶（26）、反应管热电偶（34）、不可冷凝气体电磁调节阀（10）、湿式流量计（11）、储气罐进气调节阀（14）、储气罐出气调节阀（16）、空气混配器（17）、载气开关阀（20）和载气电磁流量计（21）、恒温箱（42）等组成，用于完成炭化装置反应温度与气体流量的信号采集与控制。

具有而言，本发明专利与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明采用内外组合加热式生物质热解炭化技术原理，集生物质热解炭化、热解产物冷却分离、不可冷凝气体收集回用及炭化气氛调节技术于，创新开发了生物质炭化技术设备。

（2）本发明采用五段式加热炉，各段温度可实现分段程序控制，炉膛有足够大的长径比，保证了反应管恒温区的长度，可提高生物质热解产物品质。

（3）本发明采用两级分离系统，可以根据不同裂解产物的冷凝温度，实现液液分离和气液分离，将木焦油和木醋液分别收集利用。

（4）本发明在反应管内多点布设热电偶，可实时采集反应管多点温度，为研究温度场对生物质热解特性的影响提供了条件。

（5）本发明设有载气供应系统，供气速度可控可测，可作为热解产物的载气，也可用于改变热解气氛，提高了设备功能。

（6）本发明在不同位置设有多个热解三态产物采集口，可实现热解产物的多点采样与分析。

（7）本发明设有可燃气回用系统，采用可燃气燃烧后热风和热解炉加热，组成了生物质炭化内外组合式加热系统。

附图说明

图1为内外组合加热式生物质热解炭化装置结构示意图。

图2为内外组合加热式生物质热解炭化装置热解炉示意图。

图3为内外组合加热式生物质热解炭化装置反应管示意图。

图4为内外组合加热式生物质热解炭化装置热电偶排布器示意图。

图5为内外组合加热式生物质热解炭化装置初级分离系统示意图。

图6为内外组合加热式生物质热解炭化装置冷凝分离系统示意图。

图1中: 1为热解系统、2为初级分离系统、3为冷凝分离系统、4为不可冷凝气收集与计量系统、5为燃气回用系统、6为载气供应系统、7为自动控制系统、8为反应管、9为热电偶排布器、10为不可冷凝气总开关阀、11为湿式流量计、12为气袋、13为不可冷凝气收集开关阀、14为储气罐进气开关阀、15为储气罐、16为储气罐出气开关阀、17为空气混配器、18为燃烧喷嘴、19载气罐、20为载气开关阀、21载气电磁流量计、22为载气单向阀、23为控制主机、24为热解炉

图2中：25为热解炉加热丝、26为热解炉热电偶、27为保温层、28为热解炉外壳

图3中：29为石英管、30为烧结底板、31为具孔塞

图4中：32为支撑管、33为托板、34为反应管热电偶、35为固定板

图5中36为导流器采样支管、37导流器顶塞、38为导流管、39为过滤管螺旋塞、40为过滤器采样支管、41为过滤管、42为恒温箱、43为滤芯、44为套管过滤器外壳、45为收集瓶、46为套管过滤器、47为导流器、48为导流器螺旋塞

图6中: 49为出水口、50为螺旋管、51为冷凝管外壳、52为弯管、53为密封塞、54为锥形瓶、55为进水口、56为冷凝管。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体结构和工作过程进一步的描述。

一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，主要包括热解系统、初级分离系统、冷凝分离系统、不可冷凝气体收集与计量系统、燃气回用系统、载气供应系统和控制系统，在反应管外部安装热解炉，内部安装反应管热电偶，反应管下端与载气供应系统连接，上端与初级分离系统连接，冷凝分离系统安装在初级分离系统的后端，不可冷凝气体收集与计量系统安装在冷凝分离系统后端，不可冷凝气体收集与计量系统收集的燃气经过燃气回用系统给热解系统提供热量。

热解系统由热解炉、反应管、热电偶排布器组成，热解炉由热解炉加热丝、热解炉热电偶、保温层电阻丝和热解炉外壳组成，热解炉最高温度和最大升温速率分别为800℃和30℃/min。热解炉设计为5段，每段温度和升温速率可单独控制，炭化温度和升温速率可调，热解炉自上而下每段基准控制炭化温度分别为520℃、510℃、500℃、500℃、510℃。热解炉外形设计为圆筒形结构，采用对开设计，热解炉加热丝安装在热解炉内侧，保温层安装在热解炉加热丝与热解炉外壳之间。反应管包括石英管、烧结底板和具孔塞，石英管采用石英材质，外观设计为圆筒形，上部连接处设计为磨砂口，下口安装具孔塞，反应管内距具孔塞距离h为40 mm处安装烧结托板，使用时反应管可更换。热电偶排布器用于安装在反应管内径向排布的热电偶，热电偶排布器包括支撑管、托板、反应管热电偶和固定板，支撑管上下口均为磨砂口，7根反应管热电偶均布在固定板和托板上。

初级分离系统由导流器、导流管、套管过滤器与收集瓶组成，导流管顶部开口处有导流器顶塞，在一侧有导流器采样支管和导流器螺旋塞，另一侧通过导流管与套管过滤器连接，初级分离系统安装在恒温箱内。套管过滤器由滤芯和套管过滤器外壳组成，套管过滤器有两个出口，上端通过过滤管连接冷凝分离系统，下端直接连接收集瓶，在过滤管一侧设计过滤器采样支管和过滤器螺旋塞，套管过滤器处于恒温箱内。冷凝分离系统由冷凝管、弯管、密封塞、锥形瓶组成，其中，冷凝管由螺旋管和冷凝管外壳、入水口和出水口组成，冷凝管和锥形瓶通过弯管和密封塞连接。不可冷凝气体收集与计量系统由不可冷凝气总开关阀、湿式流量计、气袋和不可冷凝气体收集开关阀，在不可冷凝气总开关阀的后侧设计有不可冷凝气体收集和计量两个支路。

载气供应系统由载气罐、载气开关阀、载气电磁流量计和载气单向阀组成，各部分通过软管依次串接。燃气回用系统由储气罐、储气罐进气调节阀、储气罐出气调节阀、空气混配器、燃烧喷嘴组成，储气罐与不可冷凝气体收集与计量系统连接，燃烧喷嘴通过管道与反应管连接，生成的热烟气通过管道可直接进入反应管内。控制系统包括控制主机、热解炉热电偶、反应管热电偶、不可冷凝气体电磁调节阀、湿式流量计、储气罐进气调节阀、储气罐出气调节阀、空气混配器、载气开关阀和载气电磁流量计、恒温箱等组成，用于完成炭化装置反应温度与气体流量的信号采集与控制。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，主要包括热解系统（1）、初级分离系统（2）、冷凝分离系统（3）、不可冷凝气体收集与计量系统（4）、燃气回用系统（5）、载气供应系统（6）和控制系统（7），其特征在于反应管（8）外部安装热解炉（24），内部装有反应管热电偶（34），反应管（8）下端与载气供应系统（6）连接，上端与初级分离系统（3）连接，冷凝分离系统（3）与初级分离系统（2）的后端连接，不可冷凝气体收集与计量系统（4）连接在冷凝分离系统（3）后端，不可冷凝气体收集与计量系统（4）收集的燃气经过燃气回用系统（5）通过内加热方式给热解系统（1）提供热量，整个炭化装置由控制系统（7）控制。

2.根据权利要求1所述的一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于热解系统（1）由热解炉（24）、反应管（8）、热电偶排布器（9）组成，热解炉（24）由热解炉加热丝（25）、热解炉热电偶（26）、保温层电阻丝（27）和热解炉外壳（28）组成，热解炉（24）最高温度和最大升温速率分别为800℃和30℃/min。

3.根据权利要求1或2所述的一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于热解炉（24）可分为5段，每段温度和升温速率可单独控制，炭化温度和升温速率可调，热解炉（24）自上而下每段基准控制炭化温度分别为520℃、510℃、500℃、500℃、510℃。

4.根据权利要求1或2所述的一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于热解炉（24）外形呈圆筒形结构，采用对开设计，热解炉加热丝（25）安装在热解炉（24）内侧，保温层（27）安装在热解炉加热丝（25）与热解炉外壳（28）之间。

5.根据权利要求1或2所述的一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于反应管（8）包括石英管（29）、烧结底板（30）和具孔塞（31），石英管（29）采用石英材质，外观呈圆筒形，上部连接处为磨砂口，下口设有具孔塞（31），反应管（8）内距具孔塞（31）距离h为40 mm处设有烧结托板（30），使用时反应管（8）可更换。

6.根据权利要求1或2所述的一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于热电偶排布器（9）包括支撑管（32）、托板（33）、反应管热电偶（34）和固定板（35），支撑管（32）上下口均为磨砂口，7根反应管热电偶（34）均布在固定板（35）和托板（33）上。

7.根据权利要求1所述一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于初级分离系统（2）由导流器（47）、导流管（38）、套管过滤器（46）与收集瓶（45）组成，导流管（38）顶部开口处有导流器顶塞（37），在一侧有导流器采样支管（36）和导流器螺旋塞（48），另一侧通过导流管（38）与套管过滤器（46）连接，初级分离系统（2）安装在恒温箱（42）内。

8.根据权利要求1或7所述一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于套管过滤器（46）包含滤芯（43）和套管过滤器外壳（44），套管过滤器（46）有两个出口，上端通过过滤管（41）连接冷凝分离系统（3），下端直接连接收集瓶（45），在过滤管（41）一侧设有过滤器采样支管（40）和过滤器螺旋塞（39），套管过滤器（46）处于恒温箱（42）内。

9.根据权利要求1所述一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于冷凝分离系统（3）包括冷凝管（56）、弯管（52）、密封塞（53）、锥形瓶（54），其中，冷凝管（56）包括螺旋管（50）和冷凝管外壳（51、入水口（55）和出水口（49），冷凝管（56）和锥形瓶（54）通过弯管（52）和密封塞（53）连接。

10.根据权利要求1所述的一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于不可冷凝气体收集与计量系统（4）包括不可冷凝气总开关阀（10）、湿式流量计（11）、气袋（12）和不可冷凝气体收集开关阀（13），在不可冷凝气总开关阀（10）的后侧将不可冷凝气体分为收集和计量两个支路。

11.根据权利要求1所述一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于载气供应系统（6）包括载气罐（19）、载气开关阀（20）、载气电磁流量计（21）和载气单向阀（22），以上各部分通过软管依次串接。

12.根据权利要求1所述一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于燃气回用系统（5）由储气罐（15）、储气罐进气调节阀（14）、储气罐出气调节阀（16）、空气混配器（17）、燃烧喷嘴（18）组成，储气罐（15）与不可冷凝气体收集与计量系统（4）连接，燃烧喷嘴（18）生成的热烟气通过管道直接进入反应管（8）内。

13.根据权利要求1所述一种内外组合加热式生物质热解炭化装置，其特征在于控制系统（7）包括控制主机（23）、热解炉热电偶（26）、反应管热电偶（34）、不可冷凝气体电磁调节阀（10）、湿式流量计（11）、储气罐进气调节阀（14）、储气罐出气调节阀（16）、空气混配器（17）、载气开关阀（20）和载气电磁流量计（21）、恒温箱（42）等组成，用于完成炭化装置反应温度与气体流量的信号采集与控制。