CN105154107B - 回转式生物质粉料炭化炉 - Google Patents

Abstract

回转式生物质粉料炭化炉，包括回转筒体，端盖，隔火板和陶瓷蓄热室，两块端盖垂直于回转筒体中心轴线安装，端盖位置固定不动，回转筒体沿自身中心轴线旋转，炉本体内腔被隔火板分隔成燃烧室和析出室，筒内壁面和隔火板边缘间距5mm～10mm，隔火板竖直均布众多细小圆孔，圆孔上下部分别连通燃烧室析出室，两块端盖各设置一个周期性交替快速预热空气和快速冷却烟气的陶瓷蓄热室，陶瓷蓄热室中心轴线延长相交于筒内壁面最高位置直线中点。炭化高值化综合利用农林生物质废料粉料屑末可使用本发明。应用表明：无需外界热量补充，炭化率>95％，排烟温度低至110℃～130℃，烟气污染物排放达到大气污染物综合排放标准(GB16297‑1996)要求。

Description

回转式生物质粉料炭化炉

技术领域

本发明属于农业农村节能减排和资源综合利用领域，尤其涉及一种适合于炭化高值化综合利用农林生物质废料、粉料、屑末及下脚料使用的回转式生物质粉料炭化炉。

背景技术

随着改革开放的深入,社会的不断发展进步,人民尤其是农村居民生活水平的提高,他们对生活质量也提出了更高的要求。农村大量燃用液化气、煤炭等优质能源用作燃料,使得木材、竹材的屑末下脚料,农作物秸秆,各种糠渣、谷壳剩余量越来越多。由于这些废弃生物质体积密度小,占用空间大,销毁处理不易,又污染环境,甚至有些人直接就地荒烧,既占用耕地、浪费资源又破坏生态环境。这些问题特别存在于粮食主产区和沿海经济发达的部分地区。

生物质炭化，是高值化综合回收利用农林废弃物、农作物秸秆，提高商品附加值的有效途径之一。传统生物质平板炭化炉炭化室里空气先和一部分生物质原料发生燃烧反应，燃烧放热使剩余原料升温并析出挥发分，挥发分和一部分剩余原料继续燃烧，维持后续挥发分析出所需的热量温度平衡。传统生物质回转炭化炉燃烧原油或煤气，高温烟气直接进入炉中，由炉头向炉尾流动，与原料逆流直接接触，将木屑炭化，出料室定期取出炭产品。炭化过程中易形成粘性塑性物料，粘附在炉壁上，结块成痂，堵塞炉膛。为了防止堵塞，在炉内装有链条串连好的星形刮刀，随筒体转动将粘在炉壁上的结块物料刮下。废烟气从炉尾经烟道进入废气回收系统。这些方法炭化室既挥发分燃烧又挥发分析出，加上空气流量难以控制，室内温度和氧分子分布不合理，往往出现炭产品被燃烧消耗，不仅炭质量不匀，炭产量降低，而且排放出大量高温可燃性烟气，浪费能源。

开发回转式生物质粉料炭化炉新装置，可以推进生物质资源综合利用，实现生物质资源化、商品化，促进资源节约、农业环境保护和农民增收。

发明内容

为了克服传统生物质炭化炉存在挥发分析出和挥发分燃烧供热发生在同一空间区域，缺乏高温无氧炭化条件，无法抑制炭燃烧消耗，炭产量低、炭化率低、排放高温可燃性烟气和污染环境等缺点，发明提供一种具有“燃烧室和析出室分开、筒体旋转、蓄热式燃烧”等结构特点，“挥发分析出和燃烧过程分别调控、旋转热传导和间接定向辐射传热、高效回收烟气余热预热空气”等技术特点，“无炭产量损失、炭化率高、无需外界热量补充、排烟温度低”等技术优势的回转式生物质粉料炭化炉。

回转式生物质粉料炭化炉，主要包括回转筒体，端盖，隔火板和陶瓷蓄热室，回转筒体两端各由一块端盖密封，端盖呈圆盘状，两块端盖垂直于回转筒体中心轴线安装，两块端盖圆心在回转筒体中心轴线上，端盖位置固定不动，回转筒体沿自身中心轴线旋转，端盖和回转筒体组成炉本体，炉本体内腔空间被隔火板分隔成上下两部分，上部为挥发分燃烧室，下部为挥发分析出室，析出室内放置待炭化的生物质粉料，隔火板呈矩形状且水平布置，隔火板相对的两边分别固定在两块端盖上，筒内壁面和隔火板边缘间距5mm～10mm，隔火板竖直均匀布置众多细小圆孔，圆孔上部和燃烧室相连通，下部和析出室相连通，两块端盖上各设置一个气流进出口，两个气流进出口分别连通一个陶瓷蓄热室，两个陶瓷蓄热室周期性交替预热空气和冷却烟气，陶瓷蓄热室呈圆柱状，两个陶瓷蓄热室中心轴线延长相交，交点即为过回转筒体中心轴线的垂直平面和筒内壁面的最高位置相交线中点。

农业农村领域炭化高值化综合利用农林生物质及回收利用农林生物质废料、粉料、屑末及下脚料等场所，都可以使用本发明。

发明经济性好，节能环保效益显著。应用表明：回转式生物质粉料炭化炉投资少，安全性高；无需外界热量补充，车间环境干净；炭产量高，炭化率超过95％；炭化温度均匀且不接触氧分子，炭化均匀；110℃～130℃排烟，烟气污染物排放达到大气污染物综合排放标准(GB16297-1996)要求。

附图说明

图1为回转式生物质粉料炭化炉通过中心轴线的竖直剖视图，图2为回转式生物质粉料炭化炉垂直于中心轴线的竖直剖视图。图1和图2中，1为回转筒体，2为端盖，3为隔火板，4为陶瓷蓄热室。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的说明。

如附图1和附图2所示，回转式生物质粉料炭化炉，主要包括回转筒体1，端盖2，隔火板3和陶瓷蓄热室4。回转筒体1两端各由一块端盖2密封，端盖2呈圆盘状，两块端盖2直径相等，两块端盖2垂直于回转筒体1中心轴线安装，回转筒体1中心轴线包含两块端盖2圆心，即两块端盖2的圆心在回转筒体1中心轴线上，端盖2位置固定不动，回转筒体1沿自身中心轴线旋转。端盖2和回转筒体1组成炉本体。炉本体内腔空间被隔火板3分隔成上下两部分，上部为挥发分燃烧室，下部为挥发分析出室，析出室内放置待炭化的生物质粉料屑末原料。燃烧室位于隔火板3之上，隔火板3之下是析出室。隔火板3呈矩形状且水平布置，隔火板3相对的两边分别固定在两块端盖2上，并和端盖2一样位置固定不动，筒内壁面和隔火板3边缘间距为5mm～10mm。隔火板3均匀布置众多细小圆孔，圆孔中心轴线和回转筒体1中心轴线垂直，圆孔上部和燃烧室相连通，下部和析出室相连通，析出室挥发分通过隔火板3上众多细小圆孔扩散流至燃烧室。省去了析出室挥发分输送管道，简化了管道配置，另外为燃烧室提供了燃料，节省了外界热量补充。两块端盖2各设置一个气流进出口，两个气流进出口分别连通一个陶瓷蓄热室4。陶瓷蓄热室4呈圆柱状，两个陶瓷蓄热室4中心轴线延长相交，交点即为过回转筒体1中心轴线的垂直平面和筒内壁面的最高位置相交线中点。经陶瓷蓄热室4斜向上喷入燃烧室的空气射流中心轴线在过回转筒体1中心轴线的垂直平面上，和筒内壁面相交于筒内壁面最高位置水平直线中点。

两个陶瓷蓄热室4对称布置。两个气流进出口周期性交替承担空气进入口及烟气排出口功能，相对应的两个陶瓷蓄热室4周期性交替承担快速预热助燃空气和快速冷却燃烧烟气功能。两个陶瓷蓄热室4结构尺寸，陶瓷蓄热体种类、用量及堆放方式相同。陶瓷蓄热体放在铸铁支撑架上，陶瓷蓄热室4陶瓷蓄热体之上的空间为上集气室，上集气室和燃烧室通过气流进出口相连通，陶瓷蓄热体之下的空间为下集气室，下集气室侧壁设置进空气进入或烟气排出管。陶瓷蓄热室4内装有比表面积>800m²/m³、Al₂O₃含量>80％的陶瓷球或蜂窝状蓄热体。气流进出口为空气进入口时，和其相联通的陶瓷蓄热室4高温陶瓷体传热给助燃空气，将助燃空气预热到600℃以上温度水平，起到快速预热助燃空气功能。气流进出口为烟气排出口时，和其相联通的陶瓷蓄热室4高温烟气传热给低温陶瓷体，离开陶瓷蓄热室4的烟气温度低至110℃～130℃，起到快速冷却燃烧烟气功能。在高频切换装置作用下，助燃空气通道及燃烧烟气通道交替切换周期在30s～60s范围。

回转筒体1呈圆筒形，由钢板卷制并焊接而成，沿回转筒体1中心轴线方向筒内径不变。炭化炉除炉本体外，还包括支承装置、带挡轮支承装置，炉头炉尾密封装置。回转筒体1最外层金属壳体中间有多个滚圈，水平或倾斜2°～5°安装在多对托轮上，分担炉本体重力作用。回转筒体1中部外面装有大齿轮以推动回转筒体1转动。挡轮装置能控制炉体上下窜动，做到工作时不摇动。回转筒体1设置用于装料及卸炭的操作口。除回转筒体1沿自身中心轴线匀速旋转外，两块端盖2，隔火板3和两个陶瓷蓄热室4位置均固定不动，不随筒体旋转而旋转。

设置炉头炉尾密封装置，以解决回转筒体1和两块端盖2之间的圆周状连接处密封不严导致的漏气或吸气问题。隔火板3边缘和筒内壁面之间留有5mm～10mm间距。隔火板3不阻碍回转筒体1沿自身中心轴线旋转，但隔火板3能促使粉料适应于回转筒体1旋转而沿圆周方向翻滚，筒体内壁面不粘附块团状胶结物，筒体内壁面光滑整洁，无放炮爆燃不安全隐患。析出室挥发分穿过隔火板3圆孔扩散流动到燃烧室，为燃烧室补充燃料。析出室空间被粉料占据，无额外气相空间存在，燃烧室烟气及成分(包括过剩氧分子)难以穿过隔火板3众多细小圆孔扩散流动到析出室。除粉料温度900℃～950℃外，析出室缺乏氧气和着火源等条件，减少了炭燃烧消耗。

从内向外回转筒体1和两块端盖2结构依次是耐火层→保温层→金属壳体。回转筒体1和端盖2最外层金属壳体温度<120℃。隔火板3可以是陶瓷厚板或耐高温金属厚板，也可以由耐火砖砌筑而成。

从回转筒体1操作门装入含水率不超过10％的待炭化生物质粉料。在隔火板3上面放置少量生物质粉料并点燃，900℃～950℃火焰直接冲击筒内衬，同时开启陶瓷蓄热系统，使得燃烧室内衬耐火层快速升温到800℃赤红状态。炉内火焰将热量以对流换热和辐射传热方式传递给筒内壁面。旋转回转筒体1，使得粉料边旋转边翻动，不断地接触到赤红的已蓄热足够多的筒内壁面。在筒体耐火内衬900℃～950℃高温作用下，粉末均匀受热，快速完成干燥、预炭化、炭化和煅烧过程，最终排出残留在生物质炭中的挥发分，形成产品炭。回转筒体1旋转使高温粉料移向隔火板3圆孔位置，粉料周围挥发分从隔火板3圆孔扩散流入燃烧室，为燃烧室补充燃气。陶瓷蓄热系统回收燃烧烟气显热，烟气快速降温至110℃～130℃时排放，同时空气被快速预热到600℃以上。在空气射流冲向筒体最高位置区域过程中不断卷吸隔火板3之上的挥发分，发生预热空气燃烧，火焰温度<1000℃。当炭化料变松散、不结块、乌黑油光时，即可停止筒体旋转，打开操作门，卸出产品炭。

燃烧室900℃～950℃，常压操作。析出室900℃～950℃，常压操作。

炭化炉运行过程中防止放炮。启炉时开启引风机抽走热风达到低温点火，保持燃烧室值班火焰不熄灭，炉内不积留过多的挥发分，及时清理粘附在炉内壁凹洼处的炭屑做到炉内壁光滑整洁。循环水外排，加大冷却水量，同时对各挡轮带与托轮接触面加强润滑，加注新润滑油，以防止托轮轴瓦温升。炭化炉内腔空间小，温度分布均匀，加上隔火板不断地挂擦，炉内壁面光滑整洁，无结圈现象发生。保持炉火均匀，均匀旋转翻料，防止筒内壁结块。

发明结构创新、技术特征及带来的技术效果详细描述如下：

发明具有“竖直均布众多细小圆孔的隔火板3隔开燃烧室和析出室”结构特征。沿竖直方向隔火板3将炉内腔空间分隔为上下两部分，上部空间为挥发分燃烧室，下部空间为挥发分析出室，燃烧室和析出室独立设置。从上到下燃烧室和析出室依次布置，燃烧室在析出室之上。隔火板3每个圆孔上下部分别和燃烧室析出室相连通。隔火板3圆孔为析出室挥发分因热浮力上升扩散至燃烧室的气流通道。传统炭化炉只有一个平底炭化室，挥发分析出和挥发分燃烧集中于同一区域。

发明具有“陶瓷蓄热室4中心轴线延长相交筒内壁面最高位置直线中点”结构特征。经陶瓷蓄热室4斜向上喷入燃烧室的空气射流中心轴线在过回转筒体1中心轴线的垂直平面上，和筒内壁面相交于筒内壁面最高位置水平直线中点。

发明具有“筒体旋转”结构特征。多对托轮支撑回转筒体1的多个滚圈，加上回转筒体1中部外面大齿轮推动，使得回转筒体1能沿自身中心轴线匀速旋转，挡轮装置能控制炉体上下窜动。

发明具有“成对设置陶瓷蓄热室4”结构特征。两块端盖2分别设置一个气流进出口，两个气流进出口分别连通一个陶瓷蓄热室4，陶瓷蓄热室4内置高比表面积陶瓷球蓄热体或蜂窝状蓄热体，完成30s～60s时间内快速预热助燃空气和快速冷却燃烧烟气两过程。传统炭化炉不设置蓄热系统，没有考虑回收烟气余热用于预热空气，秸秆及秸秆挥发分燃烧形成的高温烟气直接排空，既不节能又污染环境。

发明“燃烧室和析出室分开”结构特征直接导致“挥发分析出和燃烧两过程分别调控”技术特征。析出室和燃烧室分开，是生物质挥发分析出过程和挥发分燃烧过程分别调控前提。避免传统炭化炉存在的秸秆和火焰大面积相接触，导致部分秸秆炭被燃烧消耗问题。燃烧室在析出室之上的设计，和析出室高温挥发分热浮升扩散运动规律相适应，高温挥发分能在低阻力条件流入燃烧室，避免了炉内气流循环流动设计复杂性。燃烧室位置在上，包括氧分子在内的烟气成分难以扩散至析出室，能满足析出室高温无氧炭化要求。

发明“隔火板3隔开燃烧室和析出室”结构特征，直接导致“900℃～950℃高温无氧炭化”技术特征。均匀竖直布置众多细小圆孔的隔火板3分隔燃烧室和析出室，燃烧室和析出室形成了不同的反应环境条件。燃烧室有足够的挥发分燃烧条件，如空气预热到600℃以上，氧浓度15％～21％，有着火条件等，而析出室只具备900℃～950℃高温条件，缺乏炭燃烧所需的氧浓度和火星明火着火条件，析出室内生物质粉料炭化操作调节控制变得简单。

发明“筒体旋转”和“陶瓷蓄热室4中心轴线延长相交”结构特征，直接导致“旋转热传导和间接定向辐射传热”技术特征。筒体旋转和火焰冲向筒内壁为析出室生物质粉料炭化提供了良好的物理化学条件。燃烧室斜向上火焰组织，是间接定向辐射传热技术关键。火焰冲向筒内壁面，避免了隔火板3高温火焰冲刷腐蚀，延长了隔火板3使用寿命，同时隔火板3圆孔区域的炭只能接触到低氧烟气，避免了炭直接燃烧消耗。火焰冲向筒体内壁面，筒内衬快速蓄热，再通过筒体旋转热传导给和低温粉料。隔火板3静止不动，回转筒体1旋转，驱动析出室粉料均匀翻滚。筒内衬被火焰直接加热蓄热后变成炉内最高温度区域，并随筒体旋转而移向粉料区。回转筒体1旋转也促使隔火板3之下的粉料翻动，不断地露出最低温度粉料，并始终接触到炉内最高温度固定壁面，达到了最大传热温差。热传导是固体直接传热有效方式。粉料翻滚混合是颗粒直接传热传质有效方式。粉料翻滚，使得粉料内部挥发分更容易移动到最外层，颗粒周围边界层被破坏，内部粉料析出挥发分阻力减弱，炭化速度得以加快，炭化时间缩短，生产效率提高。调节燃烧室燃烧强度，可调节析出室热传导速率和导热量，进而调节炭化速度和炭产量。传统炭化炉设置陶瓷板，通过陶瓷板高温导热作用焖烧秸秆，启动时间长，炭化过程缓慢，炭化反应不均匀，产品质量不均匀，炭化效率低。

发明“成对设置陶瓷蓄热室4”结构特征，直接导致“高效回收烟气余热和预热助燃空气”技术特征。传统炭化炉高温烟气直接排空，没有考虑烟气余热回收利用问题。经过陶瓷蓄热室4排出的烟气温度低至110℃～130℃，挥发分燃烧放热最大限度地得到回收利用，既节省了炭化过程补充的外界热量，又避免了烟气污染物排放。另外高比表面积陶瓷蓄热技术的应用，改善了燃烧室挥发分燃烧物理化学条件。600℃以上空气通入燃烧室，提高了燃烧温度，加快了燃烧速度，提高了燃烧完全程度，降低了烟气污染物排放。

上述四大结构特征和四大技术特征带来的综合技术效果，包括无炭产量损失、炭化率高、无需外界热量补充、排烟温度低，解决粮食主产区生物质废料堆放及焚烧带来的浪费能源、环境污染和途中运输交通安全等问题。

炭化高值化综合回收利用农林生物质秸秆，生物质废料、粉料、屑末及下脚料等农业农村领域节能、减排和资源综合利用场所，都可以使用本发明。

工业应用表明：回转式生物质粉料炭化炉无需生物质制粒工序，只需简单人工装料卸炭。炉本体及管道连接简单，无CO气泄漏，经济性好，安全性高。能生产炭粉，生物质附加值增加。炭产量高，炭化率>95％，炭产品质量均匀。排烟温度低至110℃～130℃，烟气污染物排放达到大气污染物综合排放标准(GB16297-1996)要求。无需外界热量补充，配套及管道少，机械运动部件少，日常运行费用低，车间环境干净。整个装置可以紧凑地安装或集成在一辆机动车上，方便地移动至粮食主产区，就地进行生物质粉料炭化处理，炭产量可大可小。

Claims (1)

1.回转式生物质粉料炭化炉，主要包括回转筒体，端盖，隔火板和陶瓷蓄热室，其特征在于：回转筒体两端各由一块端盖密封，端盖呈圆盘状，两块端盖垂直于回转筒体中心轴线安装，两块端盖圆心在回转筒体中心轴线上，端盖位置固定不动，回转筒体沿自身中心轴线旋转，端盖和回转筒体组成炉本体，炉本体内腔空间被隔火板分隔成上下两部分，上部为挥发分燃烧室，下部为挥发分析出室，析出室内放置待炭化的生物质粉料，隔火板呈矩形状且水平布置，隔火板相对的两边分别固定在两块端盖上，筒内壁面和隔火板边缘间距5mm～10mm，隔火板竖直均匀布置众多细小圆孔，圆孔上部和燃烧室相连通，下部和析出室相连通，两块端盖上各设置一个气流进出口，两个气流进出口分别连通一个陶瓷蓄热室，两个陶瓷蓄热室周期性交替预热空气和冷却烟气，陶瓷蓄热室呈圆柱状，两个陶瓷蓄热室中心轴线延长相交，交点即为过回转筒体中心轴线的垂直平面和筒内壁面的最高位置相交线中点。