CN107903925A - 一种螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置及方法 - Google Patents

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CN107903925A CN201711214139.6A CN201711214139A CN107903925A CN 107903925 A CN107903925 A CN 107903925A CN 201711214139 A CN201711214139 A CN 201711214139A CN 107903925 A CN107903925 A CN 107903925A
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Abstract

本发明公开了一种螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置及方法，所述装置主要包括生物质输送单元、生物质热裂解多级反应器单元、生物质炭输送单元、热裂解气体及生物油和木醋液分离与收集单元。所述多级反应器为三级结构，分别为生物质预热单元、生物质热裂解单元、生物质炭输送及热裂解气体、木醋液和生物油输出单元。生物质在本发明所述装置中，经预热、热裂解反应后，产生生物炭和热裂解气体，并通过三级反应器实现固/气分离(生物炭/烟气)、油/水分离(生物油/木醋液)，最终生产出生物炭、生物油、木醋液和洁净燃气。该结构设计简单，无需通入氮气，实现连续生产，并减少结焦和便于除焦。

Description

一种螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置及方法
技术领域
本发明涉及生物质再生及高效清洁利用，特别涉及一种螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置及生产生物炭、清洁燃气、生物油和木醋液的方法，最终实现生物质的再生和利用。
背景技术
生物质资源种类众多、数量巨大、分布广泛，主要有秸秆等农作物废弃物、畜禽粪便、能源植物、木柴燃料、城市废物等。一些生物质资源可被用于饲料、肥料、造纸、食用菌基料和燃料等，但是仍有大量生物质资源未能得到充分有效利用，每年仍然有大量秸秆被焚烧，造成环境污染和资源浪费，因此，开发生物质资源利用技术对于解决目前我国所面临严峻的资源与环境突出问题具有重要意义。
实现生物质资源能源转化使生物质资源得到再生，是解决目前我国大量生物质资源不能得到充分利用并造成资源浪费和环境污染问题的有效途径，能源转化技术有物理转化、生物化学转化和热化学转化等；其中，生物质热化学转化方式主要有热裂解、气化、液化和直接燃烧等。热裂解是生物质在完全隔绝或限制供氧条件下进行热分解反应生成低分子量可燃气体、液体(木醋液和生物油)及固体(生物炭)的过程，热裂解反应可分为慢速热裂解、快速热裂解、瞬时热裂解方式。
生物质发生热裂解反应需要在隔绝空气条件下完成，现有技术在连续生产过程中，通常采用向反应器中通入氮气，用以控制氧气的含量，该方法主要缺点是增加使用氮气生产成本，同时也会增加单位产品的能耗，氮气的通入会降低反应器温度，造成部分能量的损失；而不采用通入氮气的生产工艺，其设备结构复杂，制造成本高，维护费用高、无法保障连续生产，同时会发生大量结焦问题，增加除焦成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多级螺旋推进式生物质连续热裂解反应装置，通过对螺旋推进式多级反应器内部结构和外部联动方式的优化设计，配合烟气导出、收集、净化、分离和利用等装置，实现生物质热裂解产物的连续产出与分离，包括固/气分离(生物炭/烟气)、油/水分离(生物油/木醋液)，最终生产出生物炭、生物油、木醋液和洁净燃气。该结构的设计简单，无需通入氮气，实现连续生产，及生物质的慢速热裂解、快速热裂解和瞬时热裂解，并减少结焦和便于除焦。
为解决上述问题，本发明提供了一种多级螺旋推进式连续生物质热裂解反应装置，包括由上而下纵向排列的一级反应器、二级反应器和三级反应器；其中一级反应器为生物质预热单元，二级反应器为生物质热裂解单元，三级反应器为生物质炭输出及热裂解气体、木醋液和生物油输出单元；在所述一级反应器的顶部一端设置有入料口，在所述三级反应器的底部设置有出料口；
所述一级反应器、二级反应器和三级反应器首尾依次串联；且在每级反应器的腔体内，沿水平方向，分别设置有用于物料输送的螺旋主轴和设置于其上的螺旋叶片；通过螺旋主轴带动螺旋叶片旋转，从而推送物料由进口向出口方向行进，物料被不断推送并由上级反应器的出口落入下级反应器内部；
每级反应器的螺旋主轴，其两端分别配有密封传动轴承；且上下相邻的两极反应器的密封传动轴承，分别通过传动链轮和链条由控制电机带动而旋转。上下相邻的两极反应器的密封传动轴承的转动方向相同，而螺旋叶片方向相反，物料被螺旋叶片推进，由一级反应器进入二级反应器，随后由二级反应器进入三级反应器，最后由出口送出。
所述一级反应器外部配有温控器的低温加热套，相应区域称为低温加热区，用于对反应器内部物料进行预热。所述低温加热区温度控制范围为室温-300℃；
所述二级反应器外部配有温控器的高温加热套，相应区域称为高温加热区，用于对反应器其内部物料进行高温加热。所述高温加热区温度控制范围为室温-1000℃。
所述三级反应器外部配有风冷散热片，相应区域称为散热区，通过风冷散热片能够对反应器其内部输出生物质炭温度降低至室温。
所述每一级反应器的螺旋主轴，其两端分别配有密封传动轴承；且上下相邻的两极反应器的密封传动轴承，分别通过控制电机带动而旋转；上下相邻的两极反应器的密封传动轴承的转动方向相同，而螺旋叶片方向相反，物料被螺旋叶片推进，由一级反应器进入二级反应器，随后由二级反应器进入三级反应器，最后由三级反应器的出料口送出。
对于上文所述技术方案中，所述控制电机带动旋转的方式通过下述方式实现：传动链轮和链条带动、皮带带动、梯形齿传动带或齿轮传动，其他类似方式也可以实现同样效果，因此均为列入本案保护范围。
对于上文所述技术方案中，所述二级反应器密封传动轴承外部配有冷却装置；所述冷却装置可以为冷却水循环装置的水套或者其他能够用于降温的装置，用于对加热区传递过来的热量进行降温，保护轴承正常运转。
对于上文技术方案中，在所述一级反应器的上游还设置有履带输送机；在所述履带输送机出口管壁处开有排气孔，排气孔与外部大气相通，物料进入一级反应器过程中会从此处排除部分空气。
对于上文技术方案，还包括由冷凝集气罐、多级烟气净化罐、引风机依次连接组成的烟气净化系统；所述烟气净化系统抽入由二级反应器腔体内产生的烟气。
对于上文技术方案中，在所述三级反应器腔体靠近物料入口一端设置有抽气管口，该抽气管口与所述冷凝集气罐通过螺旋管相连通。
对于上文技术方案，在所述冷凝集气罐顶部设置有出口；出口通过管道与所述烟气净化罐入口相连通，所述烟气净化罐入口内部配有直管插入距离罐底20cm水位的水面下方，使烟气通过水体进入烟气净化罐水线上方空间中，烟气实现净化；进一步，烟气进入冷凝集气罐后，水蒸气、木醋液和生物油等被冷凝在罐体内部，静置后可实现油(生物油)水(木醋液)分离，生物油与木醋液分别通过设置于冷凝集气罐底部的放液阀放出，进入收集桶中。
该烟气净化罐顶部出口与另一个烟气净化罐顶部入口通过管道连通，该烟气净化罐入口配有直管插入距离罐底20cm水位的水面下方，使烟气通过水体进入烟气净化罐水线上方空间中，使烟气得到二次净化。
所述烟气净化罐出口通过管道与引风机入口连通，二次净化烟气通过引风机出口排出，被排出的净化烟气可用于燃气锅炉等燃气利用装置。
进一步，冷凝集气罐出口通过管道与烟气净化罐入口相连通，烟气净化罐入口内部配有直管插入距离罐底20cm水位的水面下方，使烟气通过水体进入烟气净化罐水线上方空间中，烟气实现第一次净化。
进一步，该烟气净化罐出口与另一个烟气净化罐入口通过管道连通，该烟气净化罐入口配有直管插入距离罐底20cm水位的水面下方，使烟气通过水体进入烟气净化罐水线上方空间中，使烟气得到二次净化。
进一步，烟气净化罐出口通过管道与引风机入口连通，二次净化烟气通过引风机出口排出，被排出的净化烟气可用于燃气锅炉等燃气利用装置。
根据本发明上文所公开的内容，本领域技术人员，可以根据所述的反应装置通过并联安装而实现多组(n)组合的系统，从而提高生物质n倍处理能力，及其生物质热裂解产品的n倍生产能力；即将多组如权利要求1所述的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置并联设置；各级并联的一级反应器上方的物料入口，可以分别由不同的履带输送机输送物料；各级并联的三级反应器的物料出口中输出的物料集中输送至同一收料兜中。
本发明另一方面公开一种螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应方法，其步骤包括：
以含水率10-20％的生物质(例如：稻壳)为原料，通过履带输送机运送至一级反应器入料口，原料依靠重力自由落入一级反应器内，一级反应器加热区温度维持在150℃±10℃，物料在反应器内部运行(预热)时间为5-10分钟，该运行时间由控制电机控制，预热后物料通过二级进料口进入二级反应器内，二级反应器温度维持在300～1000℃，物料运行(热裂解)时间为≤10分钟，裂解产物通过二级反应器出料口靠重力自由落入三级反应器内，三级反应器将生物质裂解产物生物炭送入履带输送机，运行时间为5-10分钟；二级反应器内产生的烟气经过三级反应器入口通过引风机导入冷凝集气罐内，在冷凝集气罐内冷凝后，依次进入串联的多级烟气净化罐，最后通过引风机出口排出，冷凝集气罐内被冷凝下来的生物油和木醋液沉降后分层，通过冷凝集气罐底部的放液阀放出，并收集储存，净化后燃气可用于燃气锅炉和其他燃气装置。
通过对二级反应器温度和时间的控制，具体为生物质的慢速热裂解300-700℃，600～6000秒；快速热裂解600-1000℃，0.5～5秒；瞬时热裂解800-1000℃，≤0.5秒方式(其中，所述快速热裂解和瞬时热裂解，可以通过缩短反应器长度的方式实现)，生产出不同质量的生物质热裂解产品。
有益效果：利用本发明上述装置和方法，最终生产出生物炭、生物油、木醋液和洁净燃气的产率均有所提高，以实施例的数据为依据，整个生产工艺过程采用慢速热裂解方式，即一级反应器加热区温度维持在150℃±10℃，二级热反应器加热区温度维持在500℃±10℃，则生物炭产率为43％，燃气产率为0.11m3/kg，木醋液产率为3.1％，生物油产率为1.7mg/kg。该结构的设计简单，无需通入氮气，实现连续生产，并减少结焦和便于除焦。
附图说明
图1为本发明一种螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置主视图及工艺方法流程。物料和烟气及冷却水流向如图箭头所示。
图中：1-上料斗、2-履带输送机I、3-进料斗、4-排气孔、5-隔热板、6-进料口、7-温控器、8-低温加热套、9-螺旋主轴、10-正向螺旋叶片、11-一级出口、12-二级入口、13-水套、14-温控器、15-水套、16-一级链轮、17-链条、18-二级链轮1、19-二级链轮2、20-链条、21-三级链轮1、22-三级链轮2、23-链条、24-控制电机齿轮、25-控制电机、26-三级入口、27-二级出口、28-高温加热套、29-抽气管口、30-螺旋主轴、31-反向螺旋叶片、32-密封轴承、33-螺旋主轴、34-正向螺旋叶片、35-散热片、36-散热风机、37-三级出口、38-收料箱、39-开关蝶阀、40-进料斗、41-履带输送机II、42-收料桶、43-冷却水循环泵、44-冷凝集气罐、45-烟气净化罐1、46-烟气净化罐2、47-引风机、48-流量计、49-进气管、50-液位计、51-放液阀。
具体实施方式
结合以下附图对本发明实施例中的技术方案进行描述，所描述的实例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
本发明附图1所示的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置，其包括由上而下纵向排列的一级反应器、二级反应器和三级反应器；所述的一级反应器、二级反应器和三级反应器首尾依次串联，具体为：在所述一级反应器的上游还设置有履带输送机I 2；所述履带输送机I 2的出口管壁处开有排气孔4。在所述一级反应器一端的顶部设有进料口6，进料口6与履带输送机I 2的出口相连通；在所述一级反应器另一端下部设有一级出口11；
所述进料口6与全封闭式履带输送机I 2相连，物料由履带输送机I 2输送经进料口6落入一级反应器内。物料由一级反应器送入二级，然后由二级反应器送入三级反应器，最后由三级反应器出口进入收料箱38。
在所述二级反应器一端的顶部设有二级入口12，另一端下部设有二级出口27；所述二级入口12与一级出口11相连；
在所述三级反应器一端的顶部设有三级入口26，另一端下部设有三级出口37；所述三级入口37与二级出口27相连，三级反应器外部配有散热片系统，由散热片35和散热风机36组成。
且在每级反应器的腔体内，沿水平方向，分别设置有用于物料输送的螺旋主轴9、30、33和设置于其上的螺旋叶片10、31、34；通过螺旋主轴带动螺旋叶片旋转，从而推送物料由进口向出口方向行进，物料被不断推送并由上级反应器的出口落入下级反应器内部；具体以一级反应器为例：所述一级反应器腔体内沿水平方向设置有用于物料输送的螺旋主轴9和设置于其上的正向螺旋叶片10，通过正向螺旋叶片10推动物料由进料口6向一级出口11方向行进，物料被不断推送并由一级出口11落入二级反应器内部。
所述每一级反应器的螺旋主轴9、30、33，其两端分别配有密封传动轴承；且上下相邻的两极反应器的密封传动轴承，分别通过控制电机25带动而旋转；上下相邻的两极反应器的密封传动轴承的转动方向相同，而螺旋叶片方向相反，物料被螺旋叶片推进，由一级反应器进入二级反应器，随后由二级反应器进入三级反应器，最后由三级反应器的出料口37送出。进一步，一级反应器螺旋主轴两端配有密封传动轴承，右侧轴承一端配有传动链轮，该一级链轮16通过链条17与二级反应器链轮19相连。二级反应器螺旋主轴两端配有密封传动轴承，其右侧轴承一端装配有两个传动链轮，其中一个传动链轮通过链条与一级反应器链轮21相连，另一个传动链轮通过链条与三级反应器链轮相连。三级反应器螺旋主轴33两端配有密封传动轴承，右侧轴承一端配有两个传动链轮，一个传动链轮通过链条与二级链轮相连，另一个链轮通过链条与控制电机轴承齿轮24相连，由控制电机25带动。控制电机25运转带动三级反应器轴承运转，三级反应器轴承运转带动二级反应器轴承运转，二级反应器轴承运转带动一级反应器轴承运转。
所述一级反应器外部加热区配有温控器7的低温加热套8；相应区域称为低温加热区，用于对反应器内部物料进行预热。所述低温加热区温度控制范围为室温-300℃；所述二级反应器外部加热区配有温控器14的高温加热套15。相应区域称为高温加热区，用于对反应器其内部物料进行高温加热。所述高温加热区温度控制范围为室温-1000℃。在所述二级反应器密封传动轴承外部配有冷却水循环装置的水套13。所述三级反应器外部配有风冷散热片35，相应区域称为散热区，通过风冷散热片35能够对反应器其内部输出生物质炭温度降低至室温。
三级反应器出口与收料箱的入口之间安装带有定时开关蝶阀39，开关蝶阀39在每次收料箱38进满物料后瞬间开闭，物料随着螺旋推进器行进不断落入物料输送机收料箱38。
还包括由冷凝集气罐44、多级烟气净化罐45、46、引风机47依次连接组成的烟气净化系统；所述烟气净化系统抽入由二级反应器腔体内产生的烟气。
在所述三级反应器腔体靠近物料入口一端设置有抽气管口29，该抽气管口29与所述冷凝集气罐44通过螺旋管相连通。
在所述冷凝集气罐44顶部设置有出口；出口通过管道与所述烟气净化罐45入口相连通，所述烟气净化罐45入口内部配有直管插入距离罐底20cm水位的水面下方，使烟气通过水体进入烟气净化罐45水线上方空间中，烟气实现净化；所述冷凝集气罐44底部设置有放液阀51，可实现油生物油水木醋液分离。
该烟气净化罐45顶部出口与另一个烟气净化罐46顶部入口通过管道连通，该烟气净化罐46入口配有直管插入距离罐底20cm水位的水面下方，使烟气通过水体进入烟气净化罐46水线上方空间中，使烟气得到二次净化。
所述烟气净化罐46出口通过管道与引风机47入口连通，二次净化烟气通过引风机47出口排出，被排出的净化烟气可用于燃气锅炉等燃气利用装置。
实施例2
对于上述实施例1所述装置的使用方法如下：
以含水率11％的稻壳为原料，采用本发明公开的装置进行稻壳连续热裂解生产生物炭、生物油、木醋液和洁净燃气。稻壳通过输送带运送至一级反应器(I)入口处，依靠重力自由落入一级反应器内，一级反应器加热区温度维持在150℃±10℃，物料在反应器内部运行(预热)时间为6分钟，该运行时间由控制电机控制，预热后物料通过二级进料口11进入二级反应器(II)内，二级反应器加热区温度维持在500℃±10℃，物料运行(热裂解)时间为6分钟，裂解产物通过二级出料口进入三级反应器内部，三级反应器(III)将生物质裂解产物生物炭送入履带输送机II 41，三级反应器出口温度维持室温，运行时间为6分钟。烟气通过引风机导入冷凝集气罐内，在冷凝集气罐内冷凝后，依次进入烟气净化罐1和烟气净化罐2，最后通过引风机出口排出，冷凝集气罐内被冷凝下来的生物油和木醋液沉降后分层，通过放液阀放出，并收集储存，净化后燃气可用于燃气锅炉和其他燃气装置。整个生产工艺过程，生物炭产率为43％，燃气产率为0.11m3/kg，木醋液产率为3.1％，生物油产率为1.7mg/kg。

Claims (10)

1.一种螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置，其特征在于：包括由上而下纵向排列的一级反应器、二级反应器和三级反应器；
所述一级反应器、二级反应器和三级反应器首尾依次串联；在所述一级反应器的顶部一端设置有入料口，在所述三级反应器的底部设置有出料口；且在每级反应器的腔体内，沿水平方向，分别设置有用于物料输送的螺旋主轴和设置于其上的螺旋叶片；通过螺旋主轴带动螺旋叶片旋转，从而推送物料由进口向出口方向行进，物料被不断推送并由上级反应器的出口落入下级反应器内部；
所述一级反应器外部配有温控器的低温加热套，相应区域称为低温加热区；所述二级反应器外部配有温控器的高温加热套，相应区域称为高温加热区；
所述每一级反应器的螺旋主轴，其两端分别配有密封传动轴承；且上下相邻的两极反应器的密封传动轴承，分别通过控制电机带动而旋转；上下相邻的两极反应器的密封传动轴承的转动方向相同，而螺旋叶片方向相反，物料被螺旋叶片推进，由一级反应器进入二级反应器，随后由二级反应器进入三级反应器，最后由三级反应器的出料口送出。
2.根据权利要求1所述的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置，其特征在于：所述低温加热区控制温度范围为室温～300℃；所述高温加热区控制温度范围为室温～1000℃。
3.根据权利要求1所述的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置，其特征在于：在所述二级反应器密封传动轴承外部配有冷却水循环装置的水套；在所述三级反应器外部配有风冷散热片系统。
4.根据权利要求1所述的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置，其特征在于：在所述一级反应器的上游还设置有履带输送机；所述履带输送机的出口管壁处开有排气孔；所述多级反应装置还包括由冷凝集气罐、多级烟气净化罐、引风机依次连接组成的烟气净化系统；所述烟气净化系统抽入由二级反应器腔体内产生的烟气。
5.根据权利要求4所述的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置，其特征在于：在所述三级反应器腔体靠近物料入口一端设置有抽气管口，该抽气管口与所述冷凝集气罐通过螺旋管相连通。
6.根据权利要求4所述的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置，其特征在于：在所述冷凝集气罐顶部设置有出口；出口通过管道与所述烟气净化罐入口相连通，所述烟气净化罐入口内部配有直管插入距离罐底20cm水位的水面下方，使烟气通过水体进入烟气净化罐水线上方空间中；
该烟气净化罐顶部出口与另一个烟气净化罐顶部入口通过管道连通，该烟气净化罐入口配有直管插入距离罐底20cm水位的水面下方，使烟气通过水体进入烟气净化罐水线上方空间中。
7.根据权利要求4所述的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置，其特征在于：所述烟气净化罐出口通过管道与引风机入口连通，二次净化烟气通过引风机出口排出，被排出的净化烟气可用于燃气锅炉等燃气利用装置。
8.根据权利要求4所述的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置，其特征在于：所述冷凝集气罐底部设置有放液阀，可实现油水分离。
9.利用权利要求1所述的反应装置实现多组(n)组合的系统，其特征在于：将多组如权利要求1所述的螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应装置并联设置。
10.一种螺旋推进式生物质连续热裂解多级反应方法，其特征在于：
以含水率10-20％的生物质为原料，通过履带输送机运送至一级反应器入料口，原料依靠重力自由落入一级反应器内，一级反应器加热区温度维持在150℃±10℃，物料在反应器内部运行时间为5-10分钟，该运行时间由控制电机控制，预热后物料通过二级进料口进入二级反应器内，二级反应器温度维持在300-1000℃，物料运行时间为≤10分钟，裂解产物通过二级反应器出料口靠重力自由落入三级反应器内，物料在三级反应器内运行时间为5-10分钟；二级反应器内产生的烟气通过引风机导入冷凝集气罐内冷凝后，依次进入串联的多级烟气净化罐，最后通过引风机出口排出，冷凝集气罐内被冷凝下来的生物油和木醋液沉降后分层，通过冷凝集气罐底部的放液阀放出。
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