CN104861995A - 可变式梯级调温生物质连续炭化装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，该装备主要由进料装置、分段热解装置、油气分离装置、二次催化裂解装置和余热回用装置组成，整个过程由反应控制系统总体调控。通过连续密闭进料和出料保证热解反应的连续进行。热解部分采用可变的梯级分段式加热原理，实现热解炉不同加热区间的多级调控，满足热解过程中不同升温速率的要求。同时集成了热解气的冷凝分离技术、二次催化裂解除焦油技术、生物炭的连续冷却技术、高温裂解气余热回用技术和内外组合加热式热解炭化技术等。装备适用于各类生物质在不同条件下的热解炭化加工。

Description

可变式梯级调温生物质连续炭化装备

技术领域

本发明属于可再生能源技术领域，具体涉及一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，该装备适用于各类生物质在不同条件下的热解，工作中，不仅能实现热解炉内梯级分段调温式加热，而且能完成热解产物炭-油-气的分离与收集以及焦油的二次催化裂解和热解气的余热回用。

背景技术

生物炭是生物质有机材料在缺氧或绝氧环境中，经热裂解后生成的固态产物。其资源丰富，用途广泛，既可作为高品质能源，也可作为还原剂，还可作为土壤改良剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂。

目前，由于对生物质热解机理研究的重视，已产生了一些较显著的成果。热解设备按生产方式可分为间歇式和连续式，其中热管式和固定床式热解设备都属于间歇式，回转炉式和螺旋式属于连续式。虽然热管式生物质固定床热解试验台能够较为灵活的探索升温速率、热解终温、停留时间、反应压力等热解因素的规律，但是只能间歇式作业，所以在一定程度上限制了其工业化推广。而连续式热解试验台可弥补这一不足，实现生物质热解的连续进行，但是现存的连续热解试验台在设计过程中并没有将热解炉的温度进行梯度式分级，导致生物质在热解过程中升温速率的不可控性，违背了生物质缓慢热解的机理。因此如何更加全面的探索连续式热解机理，优化热解工艺，提高热解效率和生物质炭产品得率是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决技术背景中所述现有生物质热解技术中存在的升温速率不可控问题，公开一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，该装备采用了具有梯级调温技术的热解炉。其特征在于，该装备主要包括进料装置1、分段热解装置2、安全防爆装置3、油气分离装置4、二次催化裂解装置5、循环冷却装置6、余热回用装置7和控制系统8，进料装置1下端与分段热解装置2相连接，分段热解装置2内置有螺旋绞龙203，末端连接循环冷却装置6、油气分离装置4和催化裂解装置5，其中二次催化裂解装置5的高温裂解气通过余热回用装置7再通回到分段热解装置2中，整个热解装备由控制系统8调控。

所述分段热解装置2主要由电热丝207、热电偶209、隔热板210、螺旋绞龙203、热解炭化筒214和变频电机一202组成。螺旋绞龙203的主螺旋叶片采用耐高温850℃的不锈钢材料，其转速由变频电机一202调节，调节范围是0.2-5r/min，以满足热解过程中对物料不同加热时间的要求，5段热解炭化筒214与4组隔热板210交叉布置，每段热解炭化筒214上布有2组电热丝207，每段电热丝207的温度和升温速率可单独调控，每段最大升温速率达到60℃/min，通过改变各组电热丝的温度设定值使热解炉产生一个梯度式温度环境，拟合生物质热解机理，最终实现分段热解装置2中热解炉缓慢升温区204、预热解区205、热解炭化区208和炭化保温区212的横向炉温的梯度变化。

所述分段热解装置2中，在布置热电偶209的位置处对螺旋绞龙203进行环切，得到螺旋叶片缺口206用以将热电偶209插入物料层进行测温而不影响物料的正常输送，采用螺旋插入式安装的热电偶209通过转动调节插入深度，不仅避免了热电偶209因不能接触物料层而产生的误差，而且可以通过调节热电偶209的插入深度测量不同深度的料层温度，使测定的温度更加准确。

所述分段热解装置2的末端错开安装出炭口215和热解气出口216，是为了防止生物炭在出炭口215处掉落时因冲击而产生的扬尘进入热解气出口216，出炭口215与热解气出口216之间装有反向螺旋叶片218，反向螺旋叶片218不仅可防止生物炭堆积到热解炭化筒214的末端，又可阻挡一些随混合气而来的灰尘，热解气出口216上部安装可更换且耐高温的金属过滤网217，实现对混合气的二次除尘过滤。

所述油气分离装置4和二次催化裂解装置5分别通过冷凝分离阀门401和二次催化裂解阀门501连接在热解炭化装置3的后端，作为热解气出口216的两个支路，如果进行油气分离，则打开冷凝分离阀门401，关闭二次催化裂解阀门501，如果进行二次催化裂解，则打开二次催化裂解阀门501，关闭冷凝分离阀门401。

所述油气分离装置4主要由油-气分离器402和油-水-气分离器403组成，保持200℃左右的油-气分离器402将重焦油分离并收集到集油瓶404，保80℃左右的油-水-气分离器403利用静置分层原理，实现水、轻质油和不可冷凝气的分离并收集到集油瓶404、集水瓶405和储气柜一406。集油瓶404连接在油-气分离器402和油-水-气分离器403下部的集油端，集水瓶405连接在油-水-气分离器403中部的集水端，储气柜一406连接在油-水-气分离器403上部的集气端。

所述二次催化裂解装置5通过密封阀门二501连接在安全防爆装置3的后端，在二次催化裂解装置5的前端和后端分别制有取样孔一505和取样孔二506，管式固定床反应器502的外部为加热炉504，加热炉504的调温范围是600～900℃，高温裂解气通过烟气管道503通回分段热解装置2中。

所述二次催化裂解装置5所用催化剂为二氧化钛、多孔硅、氧化铝和镁碱沸石酸性分子筛。

所述余热回用装置7主要由烟气管道503、冷凝分离器703、罗茨风机702和储气柜二701组成，烟气管道503和冷凝分离器703通过弹簧垫片式密封连接在螺旋绞龙203的两端，罗茨风机702控制高温裂解气以一定的流速回用至热解炉中。

所述进料装置1主要由上料仓101、上密封阀门102、下料仓103、生物质料位计一104、下密封阀门105组成，其中生物质料位计一104通过电控装置连接上下密封阀门，阀门均采用电动刀型阀，由生物质料位计一104控制上下阀门的开关，实现自动连续进料。

所述循环冷却装置6主要由进水口601、输料螺旋602、水冷套603、出水口604、出料阀一605、储炭仓606、变频电机607、出料阀二608、生物炭料位计二609和集炭箱610组成，通过变频电机二607控制生物炭不同的冷却时间，出料阀一605和出料阀二608保证了密闭连续出炭。

所述安全防爆装置3连接在输气管道301的支路上，末端安装安全阀302，设定安全阀耐压0.5Mpa，因为和整个分段热解装置2的内部连通且气压相等，因此，当反应炉中气压过高时会冲开安全阀302减压，以保护整个装置和操作人员的安全性。

所述控制系统8主要由控制主机、生物质料位计一104和生物炭料位计二609、热解炉热电偶209、电热丝207、变频电机一202、变频电机二607和罗茨风机702等组成，将热解反应过程中的升温速率、反应终温、反应炉压、反应时间和原料处理量等参数通过电脑终端显示记录，并生成趋势曲线。

具体而言，本发明专利与现有技术相比有以下优点：

1)本发明中的可变式梯级调温生物质热解炭化设备集成了连续分段热解技术、热解气冷凝分离技术、热解气二次催化裂解技术以及高温裂解气的余热回用技术，多种技术的集成调试，更有利于工业化的推广。

2)本发明中的热解炉采用梯级调温原理，通过改变反应炉中不同的温度梯度和加热长度，改变物料热解过程中的升温速率，创新采用连续热解过程中的分级加热原理，可满足连续热解工程中不同升温速率的要求，解决了连续热解过程中升温速率不可调控的问题。

3)本发明中的余热回用系统，利用经二次裂解的高温烟气对分段热解炉进行回流换热，将高温热解气通入螺旋空轴内，创新采用内外组合加热技术，不仅降低能耗，而且使物料受热更加均匀。

4)本发明中的测温系统，可以将热电偶直接插入到物料层进行精准测温而不影响物料正常输送，避免了测温时受炉壁温度影响产生的误差，使得热解过程中的测温更加准确。而且可以通过调节热电偶的插入深度测量不同料层深度的温度，为传热传质提供数据参考。

5)本发明可以将热解反应过程中的升温速率、反应终温、反应炉压、反应时间和原料处理量等参数通过电脑终端进行显示记录，并生成趋势曲线，便于研究人员进一步分析并优化热解工艺。

附图说明

图1为可变式梯级调温生物质连续炭化装备结构示意图；

图2为可变式梯级调温生物质连续炭化装备进料装置示意图；

图3为可变式梯级调温生物质连续炭化装备分段热解装置示意图；

图4为可变式梯级调温生物质连续炭化装备冷凝分离和催化裂解装置示意图；

图5为可变式梯级调温生物质连续炭化装备循环冷却装置系统示意图。

图中，1--进料装置，2--分段热解装置，3--安全防爆装置，4--油气分离装置、5--二次催化裂解装置，6--循环冷却装置，7--余热回用装置，101--上料仓，102--上密闭阀门，103--下料仓，104--生物质料位计一，105--下密闭阀门，201--进料连接法兰，202--变频电机一，203--螺旋绞龙，204--缓慢升温区，205--预热解区，206--螺旋叶片缺口，207--电热丝，208--热解炭化区，209--热电偶，210--隔热板，211--支架，212--炭化保温区，213--连接法兰，214--热解炭化筒，215--出炭口，216--热解气出口，217--金属过滤网，218--反向螺旋叶片，301--输气管道，302--安全阀，401--冷凝分离阀门，402--油-气分离器，403--油-水-气分离器，404--集油瓶，405--集水瓶，406--储气柜一，501--二次催化裂解阀门，502--管式固定床反应器，503--烟气管道，504--加热炉，505--前端取样口，506--后端取样口，601--进水口，602--输料螺旋，603--水冷套，604--出水口，605--出料阀一，606--储炭仓，607--变频电机二，608--出料阀二，609--生物炭料位计二，610--集炭箱，701--储气柜二，702--罗茨风机，703--冷凝分离器。

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。

如图1的可变式梯级调温生物质连续炭化装备结构示意图所示，该装备主要包括进料装置1、分段热解装置2、安全防爆装置3、油气分离装置4、二次催化裂解装置5、循环冷却装置6、余热回用装置7和控制系统8，其特征在于进料装置1下端与分段热解装置2相连接，分段热解装置2内置有螺旋绞龙203，末端连接循环冷却装置6、油气分离装置4和催化裂解装置5，其中二次催化裂解装置5的高温裂解气通过余热回用装置7再通回到分段热解装置5中，整个热解装备由控制系统8调控。

如图2的可变式梯级调温生物质连续炭化装备进料装置示意图所示，生物质原料倒入上料仓101，关闭下密闭阀门105，打开上密闭阀门102，当物料装满下料仓103时，关闭密闭阀门102，打开下密闭阀门105，实现物料的连续密闭进料，当生物质料位计104检测到缺料时，关闭下密闭阀门105，打开上密闭阀门102再次进料，如此往复，保证热解连续进行。

如图3的可变式梯级调温生物质连续炭化装备分段热解装置示意图所示，进料前对10组电热丝207进行通电，当每段达到自己的设定温度值后，开动变频电机带动螺旋转动，给螺旋轴设定一定的转速，此时再打开下密闭阀门105开始进料。热解过程中热电偶209不断采集温度信号，热解炭经出炭口215排至循环水冷部分，热解气经热解气出口216通至后续的尾气处理部分。

如图4的可变式梯级调温生物质连续炭化装备冷凝分离和催化裂解装置示意图所示，热解气经三通进入冷凝分离部分，经过二级冷凝，将焦油、水和不可冷凝气分离并收集。另一支路热解气通至二次催化裂解装置，在高温条件下，经催化剂催化裂化，把大分子油裂解成小分子可燃气，并将高温裂解气通至螺旋轴内，进行余热回用。

如图5的可变式梯级调温生物质连续炭化装备循环冷却装置系统示意图所示，螺旋筒外壁通入循环水对生物炭冷却，螺旋绞龙203采用变频电机一202带动，可调节炭的输送速度，以保证最佳的能量消耗，出炭口215采用和进料口相同的密封式连续出炭原理，使得热解过程可以连续运行。

根据以上分类，本发明结合图例说明如下：

实施例：采用玉米秸秆生产生物炭

采用本发明的可变式梯级调温生物质连续炭化装备生产生物炭，原料为玉米秸秆，长度约3～4mm，水分在10～20％，密度大约100kg/m³，首先关闭进料装置的下密闭阀门，打开上密闭阀门，将原料暂存至下料仓，等到反应开始后再交替打开上密闭阀门和下密闭阀门。然后打开热解炉电热丝开关，将其各段炉壁温度加热到设定值，此时打开进料阀门和进料变频电机。通过热解炉各阶段不同的温度设定和螺旋绞龙的输送速度控制生物质原料的升温速率和热解终温，使生物质原料依次经过缓慢升温、预热解、热解炭化和炭化保温阶段，当原料到达热解炉末端时炭化完成，此时打开卸料阀门和冷凝装置开关，经过固气分离将生物炭输送至循环水冷部分，经过冷却处理后收集到集炭箱。而热解混合气则通过过滤器和气体管道输送至尾气处理部分，经三通后可选择性的进入冷凝分离装置或者二次催化裂解装置，若进入冷凝分离装置，在油气分离部分进行保温200℃，将重质焦油分离并收集，通过的混合气再进入油-水-气三相分离器，利用静置分层原理，将水、轻质油分离并收集，不可冷凝气体便会被收集到储气柜中；若热解混合气进入二次催化裂解装置，保持催化裂解炉的温度在600℃-900℃，则在高温和催化剂的条件下实现重质焦油的催化裂解，生成的小分子高温气体则通过余热回用管道通入至螺旋轴孔内，为热解炭化提供部分热源，实现对生物质的内外组合加热，换热之后的裂解气在经过冷凝分离并收集。热解反应结束后，保持各部件温度不变，利用罗茨风机将管道和各装置中的热解气抽吸出来，然后再关闭螺旋绞龙电机和各阶段电热丝，使整个装置在室温下冷却。

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 (14)

1.一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，主要包括进料装置(1)、分段热解装置(2)、安全防爆装置(3)、油气分离装置(4)、二次催化裂解装置(5)、循环冷却装置(6)、余热回用装置(7)和控制系统(8)，其特征在于进料装置(1)下端与分段热解装置(2)相连接，分段热解装置(2)内置有螺旋绞龙(203)，末端连接循环冷却装置(6)、油气分离装置(4)和催化裂解装置(5)，其中二次催化裂解装置(5)的高温裂解气通过余热回用装置(7)再通回到分段热解装置(2)中，整个热解装备由控制系统(8)调节控制。

2.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于将分段热解装置(2)分为缓慢升温区(204)、预热解区(205)、热解炭化区(208)和炭化保温区(212)四部分。

3.根据权利要求1或2所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于分段热解装置(2)主要由5段热解炭化筒(214)组成，中间加有隔热板(210)，采用法兰(213)连接，每段炉壁缠有2套相距为5cm的电热丝(207)，每组电热丝的温度和升温速率可单独调控，每组最大升温速率达到60℃/min。

4.根据权利要求1或2所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于分段热解装置(2)的螺旋绞龙(203)在布置热电偶(209)的位置处对叶片进行环切，得到螺旋叶片缺口(206)用以将热电偶(209)插入到物料层进行测温，热电偶采用螺旋插入式安装，插入深度可调。

5.根据权利要求1或2所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于分段热解装置(2)的末端错开安装出炭口(215)和热解气出口(216)，出炭口(215)与热解气出口(216)之间装有反向螺旋叶片(218)，热解气出口(216)上部安装可更换的耐高温的金属过滤网(217)。

6.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于油气分离装置(4)和二次催化裂解装置(5)分别通过冷凝分离阀门(401)和二次催化裂解阀门(501)连接在安全防爆装置(3)后端，作为热解气出口(216)的两个支路。

7.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于油气分离装置(4)主要由油-气分离器(402)和油-水-气分离器(403)组成，其中油-气分离器(402)保温在200℃左右，油-水-气分离器(403)保温在80℃左右，集油瓶(404)连接在油-气分离器(402)和油-水-气分离器(403)下部的集油端，集水瓶(405)连接在油-水-气分离器(403)中部的集水端，储气柜一(406)连接在油-水-气分离器(403)上部的集气端。

8.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于二次催化裂解装置(5)通过二次催化裂解阀门(501)连接在安全防爆装置(3)的后端，在二次催化裂解装置的前端和后端分别制有取样孔一(505)和取样孔二(506)，管式固定床反应器(502)的外部为加热炉(504)，可调节温度在600-900℃，高温裂解气通过烟气管道(503)通回分段热解装置(2)中。

9.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于二次催化裂解装置(5)所用催化剂为二氧化钛、多孔硅、氧化铝和镁碱沸石酸性分子筛。

10.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于余热回用装置(7)主要由烟气管道(503)、冷凝分离器(703)、罗茨风机(702)和储气柜二(701)组成，烟气管道(503)和冷凝分离器(703)通过弹簧垫片式密封技术连接在螺旋绞龙(203)的两端。

11.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于进料装置(1)主要由上料仓(101)、上密封阀门(102)、下料仓(103)、生物质料位计一(104)和下密封阀门(105)组成，其中生物质料位计一(104)通过电控装置连接上下密封阀门，阀门均采用电动刀型阀，由生物质料位计一(104)控制上下阀门的开关。

12.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于循环冷却装置(6)主要由进水口(601)、输料螺旋(602)、水冷套(603)、出水口(604)、出料阀一(605)、储炭仓(606)、变频电机二(607)、出料阀二(608)、生物炭料位计二(609)和集炭箱(610)组成。

13.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于安全防爆装置(3)连接在输气管道(301)的支路上，末端安装安全阀302，设定安全阀耐压0.5Mpa。

14.根据权利要求1所述的一种可变式梯级调温生物质连续炭化装备，其特征在于控制系统(8)主要由控制主机(801)、生物质料位计(104)和生物炭料位计二(609)、热解炉热电偶(209)、电热丝(207)、变频电机一(202)、气体阀门(401)、变频电机二(607)和罗茨风机(702)等组成，将热解反应过程中的升温速率、反应终温、反应炉压、反应时间和原料处理量等参数通过电脑终端显示记录，并生成趋势曲线。