CN105542812B - 一种生物质连续热解装置及其温度监测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物质能源转化与利用的技术领域，更具体地，涉及一种生物质连续热解装置及其温度监测控制方法。一种生物质连续热解装置，包括电阻炉，设在电阻炉内部的反应管，设在反应管内部的给料螺旋，给料螺旋的一端通过连接轴与驱动电机相连接；反应管一端与给料箱相连接，另一端连接出气口和炭箱；温度传感器一端穿过反应管的末端插入到给料螺旋内部，另一端与控制器相连接控制加热温度；控制器控制电阻炉对反应管进行加热。热解过程中可以实时监测生物质物料在反应管内真实反应温度，探究生物质热解反应机理。通过温度传感器实测反应器内的温度来控制热解装置的加热温度，并能够监测热解反应过程的温度变化，实时显示和记录，实现在符合生物质热解机理的指导下控制生物质热解反应温度，获得理想的产物。

Description

一种生物质连续热解装置及其温度监测控制方法

技术领域

本发明涉及生物质能源转化与利用的技术领域，更具体地，涉及一种生物质连续热解装置及其温度监测控制方法。

背景技术

能源是经济社会发展的基础，同时也是影响经济社会发展的主要因素。我国在“十三五”能源规划中已经把大力发展可再生能源作为七大战略任务之一。我国理论生物质能资源50亿吨左右，是我国目前总能耗的4倍左右。利用生物质能转换技术高效地利用生物质资源，不但可以有效缓解经济及能源安全问题，还可以明显地改善我们的环境污染问题。

热解是目前应用最为广泛的生物质热化学转化方法，是生物质原料在隔绝或少量供给氧气的条件下，加热分解的过程，通常称为热解(也被称为热裂解)。利用热解技术可以将生物质原料转化为固态生物质炭、液态生物油和气态产物。生物质炭可以作为原料制备功能碳材料，也可以直接用作燃料或土壤修复剂；生物油通过精制之后可以用作石油等化石燃料的替代品，同时也可以提取高附加值化学品；气态产物可以制备清洁气体能源，三态产物都具有很高的环境和经济价值。

经过30多年的发展，国内外众多研究机构和公司已开发出不同的热解工艺和反应装置，其中热解反应装置是生物质热解液化技术的核心。目前，具有代表性的反应装置有流化床热解反应装置和螺旋式热解反应装置。相对于流化床热解装置结构复杂，操作控制要求高、后续的气固分离耗能大等缺点，螺旋式热解反应装置易于实现生物质连续热解且结构、操作简单，应用前景引人注目。

反应温度是生物质热解的主要技术工艺参数，对生物质热解三态产物的产率分布影响很大。通常情况下，反应温度小于500℃时，热解产物以固态产物炭为主；反应温度在500－650℃时，热解产物以液态生物质油为主；当反应温度超过700℃以上时，热解产物则以可燃气体为主。并且在不同的反应温度下，各态产物的物理和化学性质也有很大区别。所以在热解过程中准确控制热解反应器的温度至关重要。

中国实用新型专利CN200988831Y提出一种生物质连续热解炉及连续热解系统，其特征在于每个热解管内装有刚性的螺旋输送绞龙，实现物料的连续输送，生物质在热解管内连续移动的同时实现高温热解，从而生产出燃气或生物质炭。此连续热解系统的缺点是所使用的螺旋输送装置具有中心轴限位，使得物料的输送受到限制，而且不易使产生的热解气排出反应装置外。中国专利CN101486921A提出了一种带有柔性螺旋输送装置的生物质连续热解炭化装置。其特征在于利用柔性的整体钢制柔性螺旋弹簧推送物料，不需设定固定的中心轴，易于长距离输送物料，具有安全性好及运行平稳等优点，但是该装置并没有涉及热解反应温度的控制。

中国专利CN105005275A提出了一种生物质连续热解控制系统及方法。该系统在进料和出料处均设置两级料斗和炭箱，并通过各自的距离传感器来检测料斗和炭箱中物料位置，从而可以通过控制器来控制料斗和炭箱处的阀门动作，实现进出料的精准控制。两级冷凝器中都设置温度传感器，控制器通过温度传感器能够时刻监测两级冷凝器内的温度变化，从而检测冷凝器内的冷凝情况，进而可以控制风机或者水泵的运输速度，实现对冷凝器内的准确控制。在木醋液收集器和焦油收集器内设置液位传感器，控制器通过液位传感器可以时刻监测木醋液收集器和焦油收集器内液位情况，从而能够准确控制打开对应的排液阀来排出木醋液和或焦油。该热解控制系统采用了多种传感器对热解过程进行全面监控，但是并未提到对热解反应温度的控制。

中国专利CN103805217A提出了一种高温热解实验系统及其方法。包括加热分解装置、气体收集处理系统和自动化电气控制系统。可以使实验物料的温度很快升高到预设温度，并迅速在预设温度下充分排出实验所需要的热解气体。反应温度是靠设置在炉管外的热电偶来监测，并未提到如何监测生物质原料在炉体内的热解反应温度。

虽然目前关于生物质连续热解的方法和装置已有大量研究报道和解决方案，并尝试对反应过程进行全面监控，但现有技术中的解决方案还未能实现对热解反应温度，特别是生物质物料在反应装置内的反应温度的测定和控制，以往的文献和实验中的生物质连续热解炭化装置都是以管壁温度作为热解反应温度，此温度并不是生物质在反应管内的实际反应温度，由于对生物质真实的热解温度不够了解，这显然会导致对热解反应机理产生错误的感知和理解。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种生物质连续热解装置及其温度监测控制方法，通过设置在反应管内部的温度传感器来实时监测生物质原料在反应腔内的真实反应温度，并把此温度反馈到控制器作为电阻炉的加热控制温度，从而实现对生物质热解温度的准确设定，并实时监测和控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种生物质连续热解装置，其中，包括电阻炉，设在电阻炉内部的反应管，设在反应管内部的给料螺旋，给料螺旋的一端通过连接轴与驱动电机相连接；

反应管一端与给料箱相连接，另一端连接出气口和炭箱；温度传感器一端穿过反应管的末端插入到给料螺旋内部，另一端与控制器相连接控制加热温度；控制器控制电阻炉对反应管进行加热。

控制器可以监测热解反应过程的温度变化，并实时显示和记录。

本发明中所涉及的热解装置为反应管在管式电阻炉中加热至最佳热解反应温度，然后利用给料螺旋把生物质原料输送到反应管内进行热解反应，反应产生热解气通过出气口进入下一阶段的冷凝系统。由于热解反应要求在无氧或部分绝氧的条件进行反应，所以在电阻炉中加热的反应管必须是封闭的，以往都是通过测定反应管外壁温度作为控制器的控制温度，并以此作为热解反应的温度。如果从反应管中部插入炉体内，传感器会与给料螺旋发生干涉。本发明从反应器末端将温度传感器插入到给料螺旋中部，由于给料螺旋无固定中心轴，所以不会与温度传感器发生干涉，且可以更准确探测到生物质物料在反应器内部的真实反应温度，然后将此温度反馈到控制器来控制电阻炉的加热温度。

进一步的，所述的给料螺旋为无中心轴螺旋弹簧。既便于生物质物料在反应管内的输送，又便于热解产生的气体迅速通过出气口排出反应器进行到冷凝系统中。

进一步的，所述的温度传感器穿过反应管末端插入到给料螺旋内部，且传感器探针直径远小于给料螺旋的内径。由于给料螺旋无固定中心轴，且传感器探针直径远小于给料螺旋的内径，不会与给料螺旋发生干涉，且可以准确测定生物质物料在反应管内的反应温度。

进一步的，所述的温度传感器与反应管末端连接端通过螺栓连接，插入深度可以根据实际需要进行调节。本发明中，把温度传感器实测到的反应管内的温度信息反馈给控制器，通过控制器对电阻炉进行控制。

利用所述生物质连续热解装置的温度监测控制方法，其中：包括以下步骤，

S1.控制器预设电阻炉的加热温度；

S2.若实际反应温度＜预设反应温度，电阻炉通电对反应管进行加热；若实际反应温度≥预设反应温度，电阻炉断电对反应管保温；

S3. 温度传感器监测反应管的实时温度并把温度反馈到控制器；

S4.控制器可以监测热解反应过程的温度变化，并实时显示和记录。

与现有技术相比，有益效果是：

1、热解过程中可以实时监测生物质物料在反应管内真实反应温度，可以正确深入探究生物质热解反应机理。

2、通过温度传感器实测反应器内的温度来控制热解装置的加热温度，在符合生物质热解机理的指导下准确控制生物质热解反应温度，获得理想的产物。

3、可以监测热解反应过程的温度变化，并实时显示和记录，便于详细了解生物质热解反应过程，进一步探究生物质热解反应机理。

4、可以实现对生物质物料的连续热解，便于生物质热解技术的产业化、规模化应用。连续运行试验及产物对比表明，该装置运行平衡，对热解反应温度控制准确。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明温度监测控制流程示意图。

图3是分别以管壁温度和反应器内部温度控制热解温度所得的炭产量比较图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种生物质连续热解装置，其中，包括电阻炉6，设在电阻炉6内部的反应管5，设在反应管5内部的给料螺旋4，给料螺旋4的一端通过连接轴2与驱动电机1相连接；

反应管5一端与给料箱3相连接，另一端连接出气口7和炭箱10；温度传感器8一端穿过反应管5的末端插入到给料螺旋4内部，另一端与控制器9相连接控制加热温度；控制器9控制电阻炉6对反应管5进行加热。

本实施例中，给料螺旋4为无中心轴螺旋弹簧。既便于生物质物料在反应管5内的输送，又便于热解产生的气体迅速通过出气口7排出反应器进行到冷凝系统中。

温度传感器8穿过反应管5末端插入到给料螺旋4内部，且传感器探针直径远小于给料螺旋的内径。由于给料螺旋无固定中心轴，且传感器探针直径远小于给料螺旋的内径，不会与给料螺旋发生干涉，且可以准确测定生物质物料在反应管内的反应温度。

温度传感器8与反应管5末端连接端通过螺栓连接，插入深度可以根据实际需要进行调节。本发明中，把温度传感器8实测到的反应管5内的温度信息反馈给控制器9，通过控制器9对电阻炉6进行控制。

控制器9可以监测热解反应过程的温度变化，并实时显示和记录。

如图2所示，利用所述生物质连续热解装置的温度监测控制方法，其中：包括以下步骤，

S1.控制器9预设电阻炉6的加热温度；

S2.若实际反应温度＜预设反应温度，电阻炉6通电对反应管5进行加热；若实际反应温度≥预设反应温度，电阻炉6断电对反应管5保温；

S3. 温度传感器8监测反应管5的实时温度并把温度反馈到控制器9；

S4.控制器可以监测热解反应过程的温度变化，并实时显示和记录。

本发明重点保护内容：

无轴给料螺旋与温度传感器相配合进行温度监测；用温度传感器实测的反应温度作为控制器的控制温度；温度传感器的插入深度可以根据实际需要进行调节。

以生物质连续热解松子壳所得炭产物为例，比较两种温度控制方法的区别：

图3是分别以管壁温度和反应器内部温度控制热解温度所得的炭产量比较图，从图中可以看出以管壁温度来控制热解温度，在不同的热解温度下的炭产量均低于以反应器内部温度作为热解控制温度时的热解炭产量；当热解温度从550℃上升到600℃时，以管壁为温度作为热解控制温度时的炭产量下降率明显高于以反应器内部温度作为热解温度时炭产量的变化情况，所以可以证明，在对生物质进行热解时，以管壁作为热解控制温度与反应器内部温度作为控制温度时，连续热解炭化的产物变化趋势完全不同，而通过热解产物的变化规律探求生物质热解反应机理的是国内外研究所采用的最直观，最直接，最有效的方法。如果不能准确监测并控制热解反应温度，必将导致对热解反应机理的错误认识，从而导致错误的研究结论。而反应器内部温度才是热解反应的真实温度，采用本发明的温度监测及控制方法完全能够准确控制连续热解炭化的温度，并以此为出发对生物质热解规律、反应机理进行正确的研究。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种生物质连续热解装置，其特征在于，包括电阻炉（6），设在电阻炉（6）内部的反应管（5），设在反应管（5）内部的给料螺旋（4），给料螺旋（4）的一端通过连接轴（2）与驱动电机（1）相连接；

反应管（5）一端与给料箱（3）相连接，另一端连接出气口（7）和炭箱（10）；温度传感器（8）一端穿过反应管（5）的末端插入到给料螺旋（4）内部，另一端与控制器（9）相连接控制加热温度；控制器（9）控制电阻炉（6）对反应管（5）进行加热。

2.根据权利要求1所述的一种生物质连续热解装置，其特征在于：所述的给料螺旋（4）为无中心轴螺旋弹簧。

3.根据权利要求2所述的一种生物质连续热解装置，其特征在于：所述的温度传感器（8）穿过反应管（5）末端插入到给料螺旋（4）内部，且传感器探针直径远小于给料螺旋（4）的内径。

4.根据权利要求3所述的一种生物质连续热解装置，其特征在于：所述的温度传感器（8）与反应管（5）末端连接端通过螺栓连接，插入深度可以根据实际需要进行调节。

5.利用权利要求1至4任一所述生物质连续热解装置的温度监测控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1.控制器（9）预设电阻炉（6）的加热温度；

S2.若实际反应温度＜预设反应温度，电阻炉（6）通电对反应管（5）进行加热；若实际反应温度≥预设反应温度，电阻炉（6）断电对反应管（5）保温；

S3. 温度传感器（8）监测反应管（5）的实时温度并把温度反馈到控制器（9）；

S4.控制器（9）可以监测热解反应过程的温度变化，并实时显示和记录。