CN106118701A - 一种高产炭量的生物质炭化工艺及系统 - Google Patents

一种高产炭量的生物质炭化工艺及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高产炭量的生物质炭化工艺，属于生物质利用技术领域。包括如下步骤：(1)生物质原料的预处理；(2)放料过程；(3)生物质原料炭化，采用外热控温方式控制炭化温度为300‑500℃，引风风速为11‑13m/s；(4)尾气处理；(5)炭化结束。本发明涉及一种高产炭量的生物质炭化系统，包括依次连接的炭化炉、旋风分离器、一级冷凝器、一级除焦器、二级冷凝器、二级除焦器、罗茨风机、储气柜。本发明的高产炭量的生物质炭化工艺及系统，具有工艺设备简单，资源利用率高，炭化温度低，节约能源，实现多产炭少产气的技术效果，针对性强，生产成本低，易于推广。

Description

一种高产炭量的生物质炭化工艺及系统
技术领域
本发明属于生物质利用技术领域，具体涉及一种高产炭量的生物质炭化工艺及系统。
背景技术
生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中，它是由太阳能转化而来的。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3％。
生物质能具有如下特点：(1)可再生性:生物质能属可再生资源，生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属可再生能源，资源丰富，可保证能源的永续利用。(2)低污染性：生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOX、NOX较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应。(3)广泛分布性：缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能。(4)生物质燃料总量十分丰富：生物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算，地球陆地每年生产1000～1250亿吨生物质；海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。
现有技术中的炭化设备，对生物质进行炭化处理，可以得到生物质炭、生物质燃气、木醋液和木焦油四种产品，但由于工艺研究不够深入，还无法做到针对性的生产某种产品，且多数以生物质炭为主要产品的炭化设备对后续生物质燃气尾气没有进行处理，造成对环境的污染。
生物质炭是炭化净化过中的一项主要产品，相比木炭，生物质炭具有以下优点：(1)代替木材烧制的炭，保护森林资源，维护生态平衡；(2)以废弃物为原料，变废为宝，化害为利，综合利用，减轻对环境的污染；(3)原料取之不尽，用之不竭，年复一年生长，廉价甚至无价；(4)热值高，放热时间长；(5)无毒、无味、无烟。
本发明对生物质炭化工艺及系统进行了深入分析，旨在提出一种高产炭量的生物质炭化工艺及系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效、简单、成本低的生物质炭化工艺，通过此工艺及实现该工艺的系统，可以增加生物质炭化的产炭量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高产炭量的生物质炭化工艺，其特征在于，包括下述工艺步骤：
(1)生物质原料的预处理；
(2)放料过程，将预处理后的生物质原料放入炭化炉内；
(3)生物质原料炭化，采用外热控温方式控制炭化温度为300-500℃，引风风速为11-13m/s；
(4)尾气处理，将步骤(3)中产生的生物质燃气进行处理；
(5)炭化结束，回收生物质炭，清理炭化炉。
作为进一步的优选，还包括步骤(6)，所述步骤(6)重复进行步骤(1)至步骤(5)。
作为进一步的优选，步骤(1)中对生物质原料进行粉碎，粉碎尺寸为5cm以下的短节或颗粒。
作为进一步的优选，步骤(2)中将处理后的生物质原料平铺在炭化炉中，并进行压实处理，压实力度为10千帕至16千帕。
作为进一步的优选，步骤(3)中所述引风过程开启、关停循环进行，使其每次开启时间10-30min、关停时间10-30min。
作为进一步的优选，步骤(4)包括依次进行的旋风分离除尘过程、一级冷凝回收木醋液过程、一级吸附除焦油过程、二级冷凝回收木醋液过程、二级吸附除焦油过程以及生物质燃气存储过程。
作为进一步的优选，所述一级冷凝回收木醋液过程中的冷凝温度为20-30℃，二级冷凝回收木醋液过程中的冷凝温度为10-20℃。
作为进一步的优选，所述步骤(3)至步骤(4)的运行时间为6.5-8.5h。
本发明的目的还通过以下技术方案实现：
一种运行上述高产炭量的生物质炭化工艺的系统，包括依次连接的炭化炉、旋风分离器、一级冷凝器、一级除焦器、二级冷凝器、二级除焦器、罗茨风机、储气柜。
作为进一步的优选，所述炭化炉为敞口式炭化炉，下部设有出气口，所述炭化炉外壁上部设有电热丝。
本发明的有益效果有：
(1)生物质炭的产炭量增加，相对现有技术，增加10-40％。
(2)整体炭化所需温度降低，节约能源。
附图说明
图1为高产炭量的生物质炭化工艺流程示意图；
图2为高产炭量的生物质炭化系统示意图；
其中：1、炭化炉；2、旋风分离器；3、一级冷凝器；4、一级除焦器；5、二级冷凝器；6、二级除焦器；7、罗茨风机；8、储气柜。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种高产炭量的生物质炭化工艺及系统，通过对炭化工艺细节的研究以及设备的调整，增加了生物质炭化四种产品中生物质炭的产量，且整体炭化所需温度明显降低。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
如题1所述，本发明实施例的高产炭量的生物质炭化工艺，包括以下工艺步骤：
(1)生物质原料的预处理；
(2)放料过程，将预处理后的生物质原料放入炭化炉内；
(3)生物质原料炭化，采用外热控温方式控制炭化温度为300-500℃，引风风速为11-13m/s；
(4)尾气处理，将步骤(3)中产生的生物质燃气进行处理；
(5)炭化结束，回收生物质炭，清理炭化炉。
接下来详细介绍每一个工艺步骤的详细情况以及两个工艺步骤之间的衔接关系：
(1)生物质原料的预处理。
生物质原料可以为植物生物质原料，比如玉米秸秆、小麦秸秆等；也可以为动物粪便生物质原料，比如牛粪、羊粪等。
各种生物质原料需要进行干燥处理或加湿处理，使其含水量控制在12％以下，含水量的控制有利于缩短炭化所需时间。
生物质原料在进入炭化炉前，需要控制原料尺寸，如通过粉碎机将生物质原料粉碎至尺寸为5cm以下的短节或颗粒，将生物质原料尺寸控制在长度5cm以下，可增加生物质原料接触的表面积，从而加速炭化进程，缩短了炭化时间。
(2)放料过程，将预处理后的生物质原料放入炭化炉内。
将步骤(1)预处理完毕的生物质原料通过传送带或者其它现有技术中的手段运输进炭化炉内，通过自动布料机或人工的方式将生物质原料平铺在炭化炉内的乘料隔板上面，之后进行压实处理，压实力度为10千帕至16千帕，比如使用100kg重物在生物质原料上部进行压实，压实生物质原料有利于增加生物质原料相接触的表面积，缩短炭化时间，同时还能提高炭化率。
(3)生物质原料炭化，采用外热控温方式控制炭化温度为300-500℃，引风风速为11-13m/s。
步骤(2)放料完毕后，进行生物质原料炭化过程，这一过程中，炭化温度和引风风速是两个重要工艺参数，通过大量的炭化工艺实验，总结出炭化温度300-500℃，引风风速为11-13m/s时，生物质炭的产量相对较高；其中炭化温度是为生物质原料炭化提供热源，本发明中采用外热控温的方式控制炭化温度，所谓外热控温是外部提供热源使生物质原料达到炭化温度，不需要生物质原料自身燃烧提供，外热控温的好处是炭化温度比较好控制，同时减少生物质原料自身燃烧的损耗，达到提高生物质炭产量的目的。引风的作用是将生物质原料中炭化产生的生物质燃气尾气及时引出并送至下一个工艺步骤。
(4)尾气处理，将步骤(3)中产生的生物质燃气进行处理。
该步骤与步骤(3)同步进行，步骤(3)开始炭化并输出生物质燃气尾气及对尾气进行处理过程同时进行，该步骤具体包括依次进行以下分步骤：
41)旋风分离除尘过程：主要作用是把炭化炉输出的生物质燃气尾气中的大颗粒物质分离去除；
42)一级冷凝回收木醋液过程：分步骤41)中输出的生物质燃气中含有气态的木醋酸，木醋酸液是不能燃烧的，同时也是生物质炭化的一种主要产品，本分步骤以冷凝的方式将生物质燃气中的木醋酸液分离并回收，冷凝温度设置为20-30℃；
43)一级吸附除焦油过程：在高温炭化过程中，虽然焦油会分解，但是还会有少量焦油进入到生物质燃气中，本分步骤通过在除焦器中放入磨脚石吸附的方式将生物质燃气中的焦油吸附去除，使输出的生物质燃气更为洁净；
44)二级冷凝回收木醋液过程：分步骤42)进行了一级木醋液的冷凝回收，为了使生物质燃气中的木醋液回收的更为彻底，进行二级冷凝回收。本分步骤中冷凝温度低于分步骤42)的冷凝温度，设置为10-20℃；
45)二级吸附除焦油过程：分步骤44)进行了一级吸附除焦油，为了使生物质燃气尾气中的焦油去除更为彻底，本分步骤通过在除焦器中放入玉米芯吸附的方式，进行二级吸附除焦油。
46)生物质燃气存储过程：最终的生物质燃气尾气收集存储程序。
(5)炭化结束，回收生物质炭，清理炭化炉。
且上述步骤(3)中所述引风过程开启、关停循环进行，使其每次开启时间10-30min、关停10-30min。由于本发明主要针对的是高产炭量的生物质炭化工艺，生物质燃气产量相对较少，所以风机采用循环开启、关停的形式，节约电力能源。
步骤(2)中的生物质原料完全炭化结束后，关闭整个炭化系统，给炭化炉降温后，清理炭化炉中的生物质炭及灰分，为下一周期的炭化做准备。其中，炭化炉可以选择洒水、冷风、自然降温等降温方式。
步骤(5)完毕后，可以接续步骤(6)，步骤(6)包括步骤(1)到步骤(5)，可以实现整套工艺系统的连续工作，保证一个较高的工作效率。
在步骤(1)至步骤(5)的一个工艺周期内，步骤(3)至步骤(4)的运行时间为6.5-8.5小时，具体的，步骤(4)的运行时间根据步骤(3)确定，所以该运行时间即为步骤(3)的炭化时间。
如图2所示，本发明实施例的高产炭量的生物质炭化系统，包括依次连接的炭化炉1、旋风分离器2、一级冷凝器3、一级除焦器4、二级冷凝器5、二级除焦器6、罗茨风机7、储气柜8。
结合本发明的高产炭量的生物质炭化工艺，逐项介绍本发明实施例的高产炭量生物质炭化系统中各组成设备的结构及功能：
炭化炉1：炭化工艺中步骤(2)和步骤(3)在炭化炉1中进行，炭化炉1为敞口式炭化炉，外壁有电热丝进行加热，采用上部加热下部抽气的工作模式，上部原料首先炭化，然后利用热传导传到下部，并且为下部原料形成一层保护层，起到保温作用；由于本发明炭化过程采用敞口式炭化炉，随着炭化的进行，生物质原料会向下塌陷，采用下部抽气的工作方式，可防止上部空气混入生物质燃气尾气中，减少后续尾气处理步骤，提高存储生物质燃气纯度。
旋风分离器2：其进气口与炭化炉1的下部出气口连接，进行分步骤41)旋风分离除尘过程。
一级冷凝器3：其进气口与旋风分离器2的出气口连接，进行分步骤42)一级冷凝回收木醋液过程。一级冷凝器3里采用循环水循环冷却，节约资源。一级冷凝器3的出液口接入木醋液池，用于木醋液的回收。
一级除焦器4：其进气口与一级冷凝器3的出气口连接，进行分步骤43)一级吸附除焦油过程。生物质原料在炭化过程中会有焦油产生，一级除焦器中放入磨脚石对生物质燃气尾气中的焦油进行吸附。
二级冷凝器5：其进气口与一级除焦器4的出气口连接，进行分步骤44)二级冷凝回收木醋液过程。二级冷凝器5里同样采用循环水循环冷却。二级冷凝器5的出液口接入木醋液池，用于木醋液的回收。
二级除焦器6：其进气口与二级冷凝器的出气口连接，进行分步骤45)二级吸附除焦油过程。二级除焦器中放入玉米芯对生物质燃气尾气中的焦油进行吸附。
罗茨风机7：其抽气口与二级除焦器6的出气口连接，罗茨风机7为整套系统提供引风功能。可以控制引风风速。
储气柜8：其进气口与罗茨风机出风口连接，运行分步骤46)生物质燃气存储过程。
结合本发明所述的高产炭量的生物质炭化工艺及系统，详细介绍下本发明的高产炭量的生物质炭化工艺在本发明高产炭量的生物质炭化系统上运行的过程，如下：
将生物质原料进行粉碎，放入炭化炉1中并压实；
打开一级冷凝器3和二级冷凝器5的循环泵，且一级冷凝器3、二级冷凝器5接入冷却水循环水池，冷凝器中采用循环水冷却，可以节约资源。调节冷凝器温控装置，使冷凝器达到冷凝温度，设置一级冷凝器3的冷凝温度为20-30℃，二级冷凝器5的冷凝温度为10-20℃；
打开罗茨风机7，采用从炭化炉1下部抽气的方式引风，控制风机流速为11-13m/s，且风机开启、关停循环进行，使其开启时间10-30min、关停时间10-30min，通过罗茨风机7把炭化炉1产生的生物质可燃气体抽入到储气柜8中；
生物质原料炭化：通电升温炭化炉上部外壁的电热丝，对炉子上部的生物质原料进行加热，通过温控表控制炭化温度在300-500℃，进行炭化，炭化时间为6.5-8.5h；
尾气处理：通过罗茨风机7的引风，将产生的生物质燃气尾气依次通过各尾气处理装置。其中，尾气处理装置包括依次相连的旋风分离器2、一级冷凝器3、一级除焦器4、二级冷凝器5、二级除焦器6、罗茨风机7、储气柜8。旋风分离器2连接于炭化炉1，主要作用为把炉内产生的大颗粒物质进行分离，起到除尘的作用；一级冷凝器3和二级冷凝器5用于分离生物质可燃气体中的木醋液；由于生物质炭化过程中，会有焦油产生，所以设置一级除焦器4和二级除焦器6对焦油进行吸附；最后，将经过初步处理的生物质燃气尾气收集至储气柜8中。
为了便于本发明技术方案的理解，下面结合对比例及若干实施例进行详细说明：
对比例，
工艺条件如下：生物质原料总量3吨，生物质原料粉碎尺寸10cm，炭化温度800℃，炭化时间6h，引风风速14m/s，一级冷凝回收木醋液过程冷凝温度25℃，二级冷凝回收木醋液过程冷凝温度15℃；炭化结果产生生物质炭0.8吨，炭化率为26.6％。
实施例1，
工艺条件如下：生物质原料总量3吨，生物质原料粉碎尺寸5cm，炭化温度300℃，炭化时间8.5h，引风风速11m/s，风机循环开启、关停时间间隔为10min,一级冷凝回收木醋液过程冷凝温度25℃，二级冷凝回收木醋液过程冷凝温度15℃；炭化结果产生生物质炭0.9吨，炭化率为30％。
实施例2，
工艺条件如下：生物质原料总量3吨，生物质原料粉碎尺寸5cm，炭化温度350℃，炭化时间8h，引风风速11.5m/s，风机循环开启、关停时间间隔为15min,一级冷凝回收木醋液过程冷凝温度25℃，二级冷凝回收木醋液过程冷凝温度15℃；炭化结果产生生物质炭0.92吨，炭化率为30.6％。
实施例3，
工艺条件如下：生物质原料总量3吨，生物质原料粉碎尺寸5cm，炭化温度400℃，炭化时间7.5h，引风风速12m/s，风机循环开启、关停时间间隔为20min,一级冷凝回收木醋液过程冷凝温度25℃，二级冷凝回收木醋液过程冷凝温度15℃；炭化结果产生生物质炭1.3吨，炭化率为43.3％。
实施例4，
工艺条件如下：生物质原料总量3吨，生物质原料粉碎尺寸5cm，炭化温度450℃，炭化时间7h，引风风速12.5m/s，风机循环开启、关停时间间隔为25min,一级冷凝回收木醋液过程冷凝温度25℃，二级冷凝回收木醋液过程冷凝温度15℃；炭化结果产生生物质炭1吨，炭化率为33.3％。
实施例5，
工艺条件如下：生物质原料总量3吨，生物质原料粉碎尺寸5cm，炭化温度500℃，炭化时间6.5h，引风风速13m/s，风机循环开启、关停时间间隔为30min,一级冷凝回收木醋液过程冷凝温度25℃，二级冷凝回收木醋液过程冷凝温度15℃；炭化结果产生生物质炭1.1吨，炭化率为36.6％。
对比分析：
根据上述各实施例可知，对比例中现有生物质炭化工艺一般生物质炭化率在30％以下，且炭化温度过高，需要提供更多能源；本案中生物质炭化工艺炭化率最优可达43.3％，显著提高了生物质原料炭化率，提高了资源利用率，且炭化温度低，节约能源。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或特点：
(1)本申请实施例中利用了生物质炭化并增加生物质炭化产炭量的工艺方法，生物质炭化产炭量高，炭化所需温度低，工艺流程简单，设备数量少，资源利用率高，成本低，具有良好的能源效益和环保效益，符合国家节能环保的政策，具有广泛的发展前景。
(2)本发明采用对炉子的上部进行加热下部抽气的方式，上部的生物质原料首先炭化，然后利用热传导传到下部，并且为下部原料形成一层保护层，起到保温的作用，同时也阻止了空气混入到生物质燃气中。
(3)能源效益：按本申请的工艺方法，以年处理3万吨生物质原料计算，可生产1万吨以上生物质炭，如果1万吨生物质炭全部用来制作炭基生物有机肥，可生产2.2万吨。
(4)环保效益：生物质原料在炭化过程中还会产生生物质燃气，本案中对生物质燃气进行了初步处理后存储在储气柜中，储气柜中的生物质燃气还可进一步净化后用于生产、生活等用气。
尽管已描述了本发明的优选实施例。但是本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性的概念，则可对这些实施例做出另外的变型和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变型和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种变型和修改而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些变型和修改属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些变型和修改在内。

Claims (10)

1.一种高产炭量的生物质炭化工艺，其特征在于，包括下述工艺步骤：
(1)生物质原料的预处理；
(2)放料过程，将预处理后的生物质原料放入炭化炉内；
(3)生物质原料炭化，采用外热控温方式控制炭化温度为300-500℃，引风风速为11-13m/s；
(4)尾气处理，将步骤(3)中产生的生物质燃气进行处理；
(5)炭化结束，回收生物质炭，清理炭化炉。
2.根据权利要求1所述的高产炭量的生物质炭化工艺，其特征在于，还包括步骤(6)，所述步骤(6)重复进行步骤(1)至步骤(5)。
3.根据权利要求1或2所述的高产炭量的生物质炭化工艺，其特征在于，步骤(1)中对生物质原料进行粉碎，粉碎至尺寸为5cm以下的短节或颗粒。
4.根据权利要求1或2所述的高产炭量的生物质炭化工艺，其特征在于，步骤(2)中将处理后的生物质原料平铺在炭化炉中，并进行压实处理，压实力度为10千帕至16千帕。
5.根据权利要求1或2所述的高产炭量的生物质炭化工艺，其特征在于，步骤(3)中所述引风过程开启、关停循环进行，使其每次开启时间10-30min、关停时间10-30min。
6.根据权利要求1或2所述的高产炭量的生物质炭化工艺，其特征在于，步骤(4)包括依次进行的旋风分离除尘过程、一级冷凝回收木醋液过程、一级吸附除焦油过程、二级冷凝回收木醋液过程、二级吸附除焦油过程以及生物质燃气存储过程。
7.根据权利要求5所述的高产炭量的生物质炭化工艺，其特征在于，所述一级冷凝回收木醋液过程中的冷凝温度20-30℃，二级冷凝回收木醋液过程中的冷凝温度为10-20℃。
8.根据权利要求1或2所述的高产炭量的生物质炭化工艺，其特征在于，所述步骤(3)至步骤(4)的运行时间为6.5-8.5h。
9.一种运行权利要求1-7任一项所述的高产炭量的生物质炭化工艺的系统，包括依次连接的炭化炉、旋风分离器、一级冷凝器、一级除焦器、二级冷凝器、二级除焦器、罗茨风机、储气柜。
10.根据权利要求9所述的运行高产炭量的生物质炭化工艺的系统，其特征在于，所述炭化炉为敞口式炭化炉，下部设有出气口，所述炭化炉外壁上部设有电热丝。
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