CN107353918A - 一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化多联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化多联产系统，属于可再生能源技术领域，适用于生物质热解多联产系统。该系统由密封上料、扰动式内构件回转炉热解装置和热解产物分离系统组成。生物质通过密封上料装置进入到扰动式内构件回转炉中进行热解。内构件提供了一个更均匀的热分布，优化了温度场，使更多的热量传递到生物质颗粒内部；内构件减小了热解气的扩散阻力，优化了流场，提高了油气品质。保温炭化区通过延长反应时间加深热解程度。水冷熄焦箱的循环水对焦油进行保温，实现了余热的梯级利用，有利于保持焦油流动性和油水分离。热解气先进折流板除尘器再进旋风除尘器，解决了旋风除尘器对10μm以下颗粒除尘效果差的问题。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源技术领域，具体涉及一种新型扰动式内构件回转炉热解装置及其炭化方法，适用于各类生物质在不同条件下的热解炭化。该系统可以实现生物质热解多联产的高值化梯级利用。
背景技术
我国是农业大国，农作物秸秆资源和森林资源丰富。据统计，我国农作物的产量约为6亿吨，折合3亿吨标准煤。然而，大量的生物质资源在田间地头焚烧，不仅浪费了资源，而且造成了严重的环境污染。生物质热解是在绝氧和低氧环境中加热升温引起分子内部分解形成各种热解产品的过程，该技术工艺简单，实现生物质的高值化梯级利用。热解产生的生物炭可以作为土壤改良剂；生物质燃气可以满足农村炊事和供暖需求；木焦油和醋液可以炼制精油和农药等化工产品，
近几年开展生物质热解炭化研究的手段主要包括两大类。在基础研究方面，主要是基于热重分析仪得出了原料种类、粒径、热解终温、升温速率等因素对生物炭理化性质的影响规律。但是热重分析仪用料很少，避开了生物质传热传质对热解的影响，对后续工艺技术放大、参数优化缺乏指导意义。在工艺技术方面，主要是利用自制炭化设备对生物质原料进行热解炭化，在加热方式、进料与炭化连续性等生产工艺方面做了较多尝试。现有技术中，回转炉工艺结构简单、操作方便、成熟度高，可以实现生物质热解的连续进行，但是回转炉内温差较大，不同料层区温度控制精度低，降低了生物质热解产物产率和品质。回转炉转速较快时携带粉尘较多，影响并恶化后续处理，而旋风除尘器对10μm以下颗粒分离效果差，如何按合理的方式将折流板、旋风除尘或布袋除尘技术多级组合，增大除尘效率，也有待研究。
为解决上述问题，降低热解油品含尘量和重质组分高，提高热解气体热值，亟需设计一种新型热解炭化反应器并优化方法线路，强化反应过程中的传质传热，实现反应-温度场-流场的较好匹配。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术提到的问题，提出一种新型扰动式内构件回转炉热解装置，提高热解油气炭的产率和品质。本发明对于科学研究和生产实践都具有重要意义。
为了达到上述目的，所采用的解决方案是：一种生物质热解炭化多联产系统，由密封上料装置、新型扰动式内构件回转炉热解装置和热解产物分离系统组成。新型扰动式内构件回转炉热解装置是该系统的核心，热解产物分离系统可以实现炭气油的收集、分析，实现定向调控热解产物，最终确定最佳工艺参数。
本发明具有以下优点或积极效果：
(1)准确地研究温度、升温速率、压力、粒径等因素对生物质热解行为的影响，清晰探明不同条件下回转炉热解装置中生物质热解特性的变化规律以及所涉及的传质机理，为回转炉的工艺参数优化提供数据支持和技术指导；
(2)新型扰动式内构件回转炉热解装置通过加装可拆卸式内构件，增加了传热面积，提供了一个更均匀的热分布，优化了温度场，使得更多的热量被传递到生物质颗粒内部，使得热解更容易发生；
(3)扰动式内构件加速了靠近金属板位置物料的提前热解，会产生气体短路，因而减小了热解气在煤料中的扩散阻力，使得更多热解产物流向中心低温物料层，优化了流场，增强了自由基的产生并抑制了大分子化合物的团聚，提高了油、气品质；
(4)新型扰动式内构件回转炉热解装置增加了颗粒间的扰动、碰撞，减少了因焦油气粘结物料的结块现象。
(5)通过在前端布置折流板除尘器，有效与后端旋风除尘器多级组合，解决了旋风除尘器对10μm以下颗粒分离效果差的问题，增大了除尘效率，降低了焦油的尘含量。
附图说明：
图1为一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化装置工艺流程图。
图2为一种新型扰动式内构件结构示意图。
图3为有/无扰动式内构件回转炉内热解产物流动路径示意图。
图1中，1.密封上料装置；2.扰动式内构件回转炉热解装置；3.热解产物分离系统；101.喂料器；102.上料螺旋；103.上料电机；201.扰动式内构件回转炉反应器；202.加热电炉；203.扰动式内构件；204.保温炭化装置；205.排料电机；206.水冷熄焦箱；301.折流板除尘器；302.旋风分离器；303.料腿；304.集粉桶；305.压力表；306.一级冷凝；307.二级冷凝；308.集油瓶；309.二次吸收瓶；310.真空泵；311.湿式流量计；312.在线色谱仪。
具体实施方式：
本实施例为一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化装置以及其热解炭化方法，下面结合附图对本发明的实施例进行描述：该生产系统由密封上料装置(1)、扰动式内构件回转炉热解装置(2)和热解产物分离系统(3)组成。密封上料装置(1)包括喂料器(101)、上料螺旋(102)和上料电机(103)组成。电机转速可调，喂料器进料后将料斗密封。
扰动式内构件回转炉热解装置由扰动式内构件回转炉反应器(201)、加热电炉(202)、扰动式内构件(203)、保温炭化装置(204)、排料电机(205)和水冷熄焦箱(206)组成；加热电炉(202)使用硅碳棒对扰动式内构件回转炉反应器(201)进行加热。反应器(201)与地面倾角呈5-10°，使用齿轮传动。新型扰动式内构件回转炉热解反应器(201)内的扰动式内构件如图2所示，采用304金属传热板，垂直安装于反应器内。该新型扰动式内构件回转炉热解反应器具有以下优势：
(1)增加了反应器内的传热面积，使更多物料接触到了高温加热壁，提供了一个更均匀的热分布，优化了温度场，最终更多的热量被传递到生物质颗粒内部，使得热解更容易发生；
(2)加速靠近金属板位置物料提前热解，会产生气体短路，因而减小了热解气在煤料中的扩散阻力，使更多热解产物流向中心低温物料层，优化了流场，增强了自由基的产生并抑制了大分子化合物的团聚，提高了油、气品质。具体热解产物流动路径变化如图3所示，左图为没有加装内构件回转炉内热解产物流动路径示意图；右图为加装内构件回转炉内热解产物流动路径示意图。结果表明：加装内构件，更多的热解产物流向低温的物料层，减少了二次反应的发生，提高了油气品质和产率。
(3)新型扰动式内构件加剧了颗粒间的扰动和碰撞，减少了焦油气粘结在物料表面造成的结块现象。
热解产物分离系统(3)包括折流板除尘器(301)、旋风分离器(302)、料腿(303)、集粉桶(304)、压力表(305)、一级冷凝(306)、二级冷凝(307)、集油瓶(308)、二次吸收瓶(309)、真空泵(310)、湿式流量计(311)和在线色谱仪(312)等。回转炉中产生的热解产物不可避免夹带部分粉尘、颗粒，旋风除尘器对10μm以下颗粒分离效果差，合理的将折流板除尘器与旋风分离器多级组合，增大除尘效率，降低了焦油的尘含量。热解气进入折流板除尘器(301)后，由于折流板除尘器(301)内部加装双层圆形折流板，粉尘或颗粒由于碰撞折流板，改变运动轨迹而与热解产物分离，粉尘又流回到保温炭化区(204)。本实验通过真空泵维持反应常压，双层折流板除尘器并不增加热解气相产物逸出阻力。初次除尘的热解产物继续进入旋风分离器(302)进行二次分离，分离后的粉尘进入料腿(303)，在集粉桶(304)中收集；二次除尘后的热解产物进入一级冷凝(306)中，未冷凝的产物继续在二级冷凝(307)中冷凝，最终焦油和热解水在集油瓶(308)中收集。集油瓶(308)外部采用熄焦箱(206)的循环水，由于熄焦循环水温度大概在70-80℃，用于集油瓶(308)不仅有助于实现余热利用，而且使焦油具有较好的流动性和促进焦油与水分层。真空泵(310)用于维持压力表(305)的常压，湿式流量计(311)用于计量生成的热解气体积。该装置尾端外接在线色谱仪(312)，用于实时监测和分析热解气组分变化。
试验结果表明，新型扰动式内构件回转炉热解装置通过加装可拆卸式内构件，避免物料粘结，增加传热面积使得温度场分布更均匀，优化了温度场；还通过加速靠近金属板位置物料提前热解，使得更多热解产物流向中心低温物料层，优化了流场。该新型扰动式内构件回转炉热解装置中不同条件下的生物质热解特性变化可以在图1系统进行深入、彻底的研究。此外，该系统可以实现传统回转生物质连续干馏多联产的单一因素下热解特性的研究，可以清晰探明不同条件下生物质热解特性的变化规律以及其中所涉及的传质机理，为传统回转炉的生物质中试放大提供数据支持和技术指导。本发明显著提高了生物质热解的油气品质和产率，显示出了良好的应用前景。本发明潜力较大，对于科学研究和生产实践都具有重要意义，且易于工业化推广。
Claims (6)
1.一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化多联产系统，包括密封上料装置(1)、扰动式内构件回转炉热解装置(2)和热解产物分离系统(3)组成，其特征在于新型扰动式热解装置前端为密封上料装置(1)，后端为热解产物分离系统(3)，采用硅碳棒电炉(202)对反应器进行加热，尾端连接在线色谱仪(312)对热解气体组成进行在线监测和分析。
2.根据权利要求1所述的一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化多联产系统，其特征在于密封上料装置(1)由喂料器(101)、上料螺旋(102)和上料电机(103)组成。电机转速可调，喂料器进料后将料斗密封。
3.根据权利要求1所述的一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化多联产系统，其特征在于扰动式内构件回转炉热解装置(2)由扰动式内构件回转炉反应器(201)、加热电炉(202)、扰动式内构件(203)、保温炭化装置(204)、排料电机(205)和水冷熄焦箱(206)组成；加热电炉(202)使用硅碳棒对扰动式内构件回转炉反应器(201)进行加热。反应器(201)与地面倾角呈5-10°，通过齿轮传动，内置扰动式内构件(203)。
4.根据权利要求1所述的一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化多联产系统，其特征在于扰动式内构件回转炉热解装置(2)的扰动式内构件使用耐高温且传热性能好的材料制成(详见图2)，垂直安装于反应器内，该内构件可以增加反应器内的传热面积，使更多物料接触到了高温加热壁，提供了一个更均匀的热分布，优化了温度场，最终更多的热量被传递到生物质颗粒内部，使热解更容易发生；还通过加速靠近金属板位置物料提前热解，产生气体短路，因而减小了热解气在煤料中的扩散阻力，使更多热解产物流向中心低温物料层，优化了流场，增强了自由基的产生并抑制了大分子化合物的团聚，提高了油、气品质。此外，新型扰动式内构件加剧了颗粒间的扰动和碰撞，减少了焦油气粘结在物料表面造成的结块现象。该新型反应器有助于提高油气炭产率和品质。
5.根据权利要求1所述的一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化多联产系统，其特征在于扰动式内构件回转炉热解装置(2)的水冷熄焦箱(206)使用外部循环水对热解炭进行冷却，熄焦后的水进入集油瓶(308)对焦油进行保温，有利于加速油水分离，并保持焦油的流动性。保温炭化装置(204)安装在回转炉反应器(201)的下方，通过延长反应时间进一步加深生物质热解程度。
6.根据权利要求1所述的一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化多联产系统，其特征在于热解产物分离系统(3)由折流板除尘器(301)、旋风分离器(302)、料腿(303)、集粉桶(304)、压力表(305)、一级冷凝(306)、二级冷凝(307)、集油瓶(308)、二次吸收瓶(309)、真空泵(310)、湿式流量计(311)和在线色谱仪(312)组成。折流板除尘器(301)位于旋风分离器(302)的前端，通过多级组合，增大了除尘效率。热解气携带的粉尘首先与折流板碰撞，实现气-固分离，减少热解气携带的粉尘含量；初次除尘后的热解气进而进入旋风分离器(302)中进一步的除尘，最终降低系统能耗，提高焦油品质，减少尘含量。
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| CN201710739505.3A Pending CN107353918A (zh) | 2017-08-23 | 2017-08-23 | 一种扰动式内构件回转炉生物质热解炭化多联产系统 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107353918A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110616089A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-27 | 同济大学 | 一种高含湿有机物料产生合成气的气化装置 |
| CN111218291A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-06-02 | 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 | 一种热解炭化催化一体化方法 |
| CN113061445A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-07-02 | 重庆大学 | 生物质与低阶煤分离耦合传热板和低品位铁矿石共热解系统 |
Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JPH09318027A (ja) * | 1996-05-30 | 1997-12-12 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 廃棄物処理装置における熱分解反応器 |
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| CN104861995A (zh) * | 2015-04-29 | 2015-08-26 | 农业部规划设计研究院 | 可变式梯级调温生物质连续炭化装备 |
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-
2017
- 2017-08-23 CN CN201710739505.3A patent/CN107353918A/zh active Pending
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