CN107099313A - 一种具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置与方法；包括用于对通入的不同类型的惰性气体进行混合的气体混合器；载气加热器；置于微波腔室内的用于放置微波热解物料的石英反应釜；高温烟气过滤器；冷凝器；集油装置；风机；气体混合器、载气加热器、石英反应釜、高温烟气过滤器、冷凝器、集油装置、风机依次管路连接；风机用于使管路内形成负压。本微波热解装置简便可行，能有效提高微波热解的集油效率，实现更精确、更清洁、更安全的微波热解实验。
Description
技术领域
本发明涉及微波热解装置，尤其涉及一种具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置与方法。
背景技术
目前，生物质、污泥、垃圾等可再生利用物质能量利用方式通常有焚烧、热解等方式。焚烧的效率高于热解，但是二噁英、飞灰、氮氧化物等排放较大，需要有完善的尾气处理系统。而热解可以将生物质能转化为气、液、固等三相能源产品，烟气量少、飞灰量少、还原性气氛下产生二噁英少，但效率低于焚烧。传统热解方式是根据热传导、对流和辐射原理使热量从外部传至物料，使物料升温热解，这种方式的加热速度慢并且存在温度梯度，加热效率较低。而微波热解是通过被加热体内部偶极分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热物料温度升高，不须任何热传导过程，就能使物料内外部同时加热、同时升温，加热速度快且均匀，加热效率高。利用微波热解技术处理生物质、污泥、垃圾等可再生利用物质具有有害物排放少、效率高等优点，因此，微波热解技术引起国内外科研工作者的广泛关注，并开展了大量研究。
生物质颗粒被微波加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分，其中，挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成。微波热解生物质过程中，只有一部分可凝气体会在生物质油收集装置被冷凝并收集起来，另一部分可冷凝气体在经过反应器冷壁面或者冷管子壁面时会冷凝下来。这不但会降低原料的产油率，而且会污染反应器壁面，甚至造成管子堵塞。对于工业生产过程，可凝结气体在反应器壁面、管子通道凝结会降低总的油产量，并且增加了清洁成本，不符合生产的经济性；对于实验室的微波热解实验过程，这种情况会不利于测定固、液、气三相产物真实产量，并且要耗费一定时间清洁仪器，不利于实验的精确性。因此，如何提高生物质微波热解的产油率，对于实现更高效、更清洁、更安全的微波热解工业生产和进行更精确小型微波实验具有重大的意义和影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置与方法。可改善热解油的收集效果，提高微波热解实验的精确性和安全性，并可实现实验时两种不同载气按比例充分混合后通入装置或随时切换热解气氛的功能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置，包括如下部件：
用于对通入的不同类型的惰性气体进行混合的气体混合器5；
载气加热器6；
置于微波腔室12内的用于放置微波热解物料的石英反应釜13；
高温烟气过滤器14；
冷凝器15；
集油装置17；
风机20；
所述气体混合器5、载气加热器6、石英反应釜13、高温烟气过滤器14、冷凝器15、集油装置17、风机20依次管路连接；风机20用于使管路内形成负压。
所述气体混合器5为矩形箱体；在矩形箱体的四个角各分布有一个进气口；
气体A依次通过第一针阀1、第一气体流量计2送入两相邻进气口；
气体B依次通过第二针阀3、第二气体流量计4送入剩余两相邻进气口；
这两种气体在气体混合器5内形成四角切圆流场、并相互卷吸螺旋前进，这两种气体在气体混合器5内充分混合后通入到载气加热器6。
所述载气加热器6内设置有多块竖向间隔分布的扰流板61；在扰流板61正反面均刻划有“V”型沟槽；充分混合后的气体A和气体B在扰流板61的作用下呈“S”形运动前行。
在载气加热器6与石英反应釜13之间的管路上按照气体流动方向依次设置有压力变送器8、第一温度变送器9；
在集油装置17与风机20之间的管路上按照气体流动方向依次设置有第四针阀18、第三气体流量计19。
石英反应釜13放置在电子天平21上。
石英反应釜13的内壁贴附有石棉保温层11；将第二温度变送器10的探头从石英反应釜13上方的孔伸入微波热解物料中。
载气加热器6内盘绕加热丝，通过外部变压器7对来自载气加热器6的气体加热。
一种具有载气混合加热和集油功能的微波热解方法，其包括如下步骤：
步骤一：在微波热解实验前，打开石英反应釜13两边的盖子，把微波热解物料放入石英反应釜13的中间位置后，再把盖子重新盖上，并连接气体A与气体B的载气管线；
步骤二：然后从石英反应釜13上面的孔放入第二温度变送器10，使其探头伸进微波热解物料的中间位置后，将该孔用石英塞密封；关上微波腔室12的屏蔽门，开始实验；
步骤三：实验时，首先打开第一针阀1、第二针阀3，通入或者按比例通入气体A和气体B，气体A和气体B会从气体混合器5的四角通入，气体A和气体B在气体混合器5内形成四角切圆流场、并相互卷吸螺旋前进，充分混合；与此同时，打开第四针阀18并接启动风机20，使各管线内形成负压状态，压力可由压力变送器8读取；
步骤四：待第一气体流量计2、第二气体流量计4和第三气体流量计19示数稳定后，给冷凝器15通入冷却水，同时接通变压器7电源，此时载气加热器6将气体A和气体B加热到250℃以上，并通入到石英反应釜13中；
步骤五：待第一温度变送器9示数稳定后，打开微波功率开关，并设定微波功率，将石英反应釜13中的微波热解物料分解；微波热解物料中的挥发分经过微波热解会生成可凝结气体和不可凝结气体，由于石英反应釜13采取了石棉保温层11，石英反应釜13至冷凝器15之间的管路上采用了保温材料，石英反应釜13和该段管路内壁面温度可保持在载气温度250℃以上，因此微波热解产生的可凝气体产物经过高温烟气过滤器14过滤掉烟气中微颗粒后到冷凝器15中才开始冷凝；
步骤六：气体产物是从冷凝器15的上端口进，下端口出，可凝气体会在冷凝器15中完全冷凝成生物油，然后汇集到冷凝器15之后的集油装置17内，不凝结气体则由风机20抽出；
实验进行过程中，第一气体流量计2、第二气体流量计4、压力变送器8、第一温度变送器9、第二温度变送器10、第三气体流量计19和精密电子天平会实时检测各处的气体流量、压力、温度以及微波腔室12内微波热解物料的质量，并自动传送到电脑保存。
待反应时间达到后，首先关闭微波功率开关以及变压器5开关，继续通入室温载气和冷凝器15的冷却水，将载气加热器6和石英反应釜13冷却到室温后，停止通入气体A、气体B和冷却水，关闭风机20；此时，可取出石英反应釜13中微波热解后的固态残留物；打开设置在集油装置17底部的第三针阀16，将热解油释放到容器收集。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)使用了两条管线分别通入载气，加装了气体混合器，可实现在微波热解实验过程中两种载气按比例通入管线或随时切换热解气氛的功能，有利于实验人员研究各种载气对微波热解实验的影响；
(2)设置了气体混合器，使用气体从混合器四角通入并形成四角切圆的流动状态，使气体充分混合；
(3)载气加热器使用了多块(三块)隔板并在隔板上刻上“V”型沟槽，既增长了载气在加热器内的停留时间，又增强了载气流场的扰动，从而增强了载气加热器的加热效果。此加热器可将载气温度升高到250℃以上，微波热解产生的可凝蒸汽在此温度的载气携带下，不会在冷凝器前冷凝，因此，反应釜壁面和反应釜与冷凝器间的管子内不会粘上热解油，这有利于热解油尽量收集到收集装置之内，提高了集油效率，并方便实验人员精确测定微波热解油的产量；
(4)载气温度可控，载气流量变化，可通过调节变压器输出电压大小来调节电阻丝功率，从而调节载气的温度；
(5)在实验装置气体出口处设置有风机，维持各部件和管线内微负压状态，尽可能避免发生高温载气泄露灼伤实验人员的事故。
综合以上，本发明简便可行，能有效提高微波热解的集油效率，实现更精确、更清洁、更安全的微波热解实验。
附图说明
图1为本发明具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置结构示意图。
图2为气体混合器截面示意图。
图3为载气加热器截面示意图。
图4为扰流板61(隔板)结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至图4所示。本发明公开了一种具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置，包括如下部件：
用于对通入的不同类型的惰性气体进行混合的气体混合器5；
载气加热器6；
置于微波腔室12内的用于放置微波热解物料的石英反应釜13；
高温烟气过滤器14；
冷凝器15；
集油装置17；
风机20；
所述气体混合器5、载气加热器6、石英反应釜13、高温烟气过滤器14、冷凝器15、集油装置17、风机20依次管路连接；风机20用于使管路内形成负压。
气体混合器5长度与高度比为4:1。
所述气体混合器5为矩形箱体；在矩形箱体的四个角各分布有一个进气口；
气体A依次通过第一针阀1、第一气体流量计2送入两相邻进气口；
气体B依次通过第二针阀3、第二气体流量计4送入剩余两相邻进气口；
这两种气体在气体混合器5内形成四角切圆流场、并相互卷吸螺旋前进，这两种气体在气体混合器5内充分混合后通入到载气加热器6。
所述载气加热器6内设置有多块竖向间隔分布的扰流板61；在扰流板61正反面均刻划有“V”型沟槽；充分混合后的气体A和气体B在扰流板61的作用下呈“S”形运动前行。
在载气加热器6与石英反应釜13之间的管路上按照气体流动方向依次设置有压力变送器8、第一温度变送器9；
在集油装置17与风机20之间的管路上按照气体流动方向依次设置有第四针阀18、第三气体流量计19。
石英反应釜13放置在电子天平21上。石英反应釜13内空间的长度内径比为3:1，环形夹层高度与内径之比为1:5。
石英反应釜13的内壁贴附有石棉保温层11；将第二温度变送器10的探头从石英反应釜13上方的孔伸入微波热解物料中。
载气加热器6内盘绕加热丝，通过外部变压器7对来自载气加热器6的气体加热。加热丝总电阻为100欧。变压器7可调电压输出范围为0-300V，以此改变加热丝的温度，实现载气加热器6内的气体温度可调。
本发明具有载气混合加热和集油功能的微波热解方法，可通过如下步骤实现：
步骤一：在微波热解实验前，打开石英反应釜13两边的盖子，把微波热解物料放入石英反应釜13的中间位置后，再把盖子重新盖上，并连接气体A与气体B的载气管线；
步骤二：然后从石英反应釜13上面的孔放入第二温度变送器10，使其探头伸进微波热解物料的中间位置后，将该孔用石英塞密封；关上微波腔室12的屏蔽门，开始实验；
步骤三：实验时，首先打开第一针阀1、第二针阀3，通入或者按比例通入气体A和气体B，气体A和气体B会从气体混合器5的四角通入，气体A和气体B在气体混合器5内形成四角切圆流场、并相互卷吸螺旋前进，充分混合；若只需通入其中某一气体，则只需打开对应的第一针阀1或者第二针阀3；与此同时，打开第四针阀18并接启动风机20，使各管线内形成负压状态，压力可由压力变送器8读取；
步骤四：待第一气体流量计2、第二气体流量计4和第三气体流量计19示数稳定后，给冷凝器15通入冷却水，同时接通变压器7电源，此时载气加热器6将气体A和气体B加热到250℃以上(由第一温度变送器9读取)，并通入到石英反应釜13中；
步骤五：待第一温度变送器9示数稳定后，打开微波功率开关，并设定微波功率，将石英反应釜13中的微波热解物料分解；微波热解物料中的挥发分经过微波热解会生成可凝结气体和不可凝结气体，由于石英反应釜13采取了石棉保温层11，石英反应釜13至冷凝器15之间的管路上采用了保温材料(如玻璃纤维带)，石英反应釜13和该段管路内壁面温度可保持在载气温度250℃以上，因此微波热解产生的可凝气体产物经过高温烟气过滤器14过滤掉烟气中微颗粒后到冷凝器15中才开始冷凝；
步骤六：气体产物是从冷凝器15的上端口进，下端口出，可凝气体会在冷凝器15中完全冷凝成生物油，然后汇集到冷凝器15之后的集油装置17内，不凝结气体则由风机20抽出；
实验进行过程中，第一气体流量计2、第二气体流量计4、压力变送器8、第一温度变送器9、第二温度变送器10、第三气体流量计19和精密电子天平会实时检测各处的气体流量、压力、温度以及微波腔室12内微波热解物料的质量，并自动传送到电脑保存。
待反应时间达到后，首先关闭微波功率开关以及变压器5开关，继续通入室温载气和冷凝器15的冷却水，将载气加热器6和石英反应釜13冷却到室温后，停止通入气体A、气体B和冷却水，关闭风机20；此时，可取出石英反应釜13中微波热解后的固态残留物；打开设置在集油装置17底部的第三针阀16，将热解油释放到容器收集。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置，其特征在于包括如下部件：
用于对通入的不同类型的惰性气体进行混合的气体混合器(5)；
载气加热器(6)；
置于微波腔室(12)内的用于放置微波热解物料的石英反应釜(13)；
高温烟气过滤器(14)；
冷凝器(15)；
集油装置(17)；
风机(20)；
所述气体混合器(5)、载气加热器(6)、石英反应釜(13)、高温烟气过滤器(14)、冷凝器(15)、集油装置(17)、风机(20)依次管路连接；风机(20)用于使管路内形成负压。
2.根据权利要求1所述具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置，其特征在于：所述气体混合器(5)为矩形箱体；在矩形箱体的四个角各分布有一个进气口；
气体A依次通过第一针阀(1)、第一气体流量计(2)送入两相邻进气口；
气体B依次通过第二针阀(3)、第二气体流量计(4)送入剩余两相邻进气口；
这两种气体在气体混合器(5)内形成四角切圆流场、并相互卷吸螺旋前进，这两种气体在气体混合器(5)内充分混合后通入到载气加热器(6)。
3.根据权利要求2所述具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置，其特征在于：所述载气加热器(6)内设置有多块竖向间隔分布的扰流板；在扰流板正反面均刻划有“V”型沟槽；充分混合后的气体A和气体B在扰流板的作用下呈“S”形运动前行。
4.根据权利要求3所述具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置，其特征在于：在载气加热器(6)与石英反应釜(13)之间的管路上按照气体流动方向依次设置有压力变送器(8)、第一温度变送器(9)；
在集油装置(17)与风机(20)之间的管路上按照气体流动方向依次设置有第四针阀(18)、第三气体流量计(19)。
5.根据权利要求4所述具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置，其特征在于：石英反应釜(13)放置在电子天平(21)上。
6.根据权利要求5所述具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置，其特征在于：石英反应釜(13)的内壁贴附有石棉保温层(11)；将第二温度变送器(10)的探头从石英反应釜(13)上方的孔伸入微波热解物料中。
7.根据权利要求6所述具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置，其特征在于：载气加热器(6)内盘绕加热丝，通过外部变压器7对来自载气加热器(6)的气体加热。
8.一种具有载气混合加热和集油功能的微波热解方法，其特征在于采用权利要求7所述具有载气混合加热和集油功能的微波热解装置实现，其包括如下步骤：
步骤一：把微波热解物料放入石英反应釜(13)，连接气体A与气体B的载气管线；
步骤二：然后从石英反应釜(13)上面的孔放入第二温度变送器(10)，使其探头伸进微波热解物料的中间位置后，将该孔用石英塞密封；关上微波腔室(12)的屏蔽门，开始实验；
步骤三：实验时，首先打开第一针阀(1)、第二针阀(3)，通入或者按比例通入气体A和气体B，气体A和气体B会从气体混合器(5)的四角通入，气体A和气体B在气体混合器(5)内形成四角切圆流场、并相互卷吸螺旋前进，充分混合；与此同时，打开第四针阀(18)并接启动风机(20)，使各管线内形成负压状态，压力可由压力变送器(8)读取；
步骤四：待第一气体流量计(2)、第二气体流量计(4)和第三气体流量计(19)示数稳定后，给冷凝器(15)通入冷却水，同时接通变压器7电源，此时载气加热器(6)将气体A和气体B加热到250℃以上，并通入到石英反应釜(13)中；
步骤五：待第一温度变送器(9)示数稳定后，打开微波功率开关，并设定微波功率，将石英反应釜(13)中的微波热解物料分解；微波热解物料中的挥发分经过微波热解会生成可凝结气体和不可凝结气体，由于石英反应釜(13)采取了石棉保温层(11)，石英反应釜(13)至冷凝器(15)之间的管路上采用了保温材料，石英反应釜(13)和该段管路内壁面温度可保持在载气温度250℃以上，因此微波热解产生的可凝气体产物经过高温烟气过滤器(14)过滤掉烟气中微颗粒后到冷凝器(15)中才开始冷凝；
步骤六：气体产物是从冷凝器(15)的上端口进，下端口出，可凝气体会在冷凝器(15)中完全冷凝成生物油，然后汇集到冷凝器(15)之后的集油装置(17)内，不凝结气体则由风机(20)抽出；
实验进行过程中，第一气体流量计(2)、第二气体流量计(4)、压力变送器(8)、第一温度变送器(9)、第二温度变送器(10)、第三气体流量计(19)和精密电子天平会实时检测各处的气体流量、压力、温度以及微波腔室(12)内微波热解物料的质量，并自动传送到电脑保存。
9.根据权利要求8所述具有载气混合加热和集油功能的微波热解方法，其特征在于，该微波热解方法还包括一个实验结束步骤：
待反应时间达到后，首先关闭微波功率开关以及变压器5开关，继续通入室温载气和冷凝器(15)的冷却水，将载气加热器(6)和石英反应釜(13)冷却到室温后，停止通入气体A、气体B和冷却水，关闭风机(20)；此时，可取出石英反应釜(13)中微波热解后的固态残留物；打开设置在集油装置(17)底部的第三针阀16，将热解油释放到容器收集。
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