CN107916120A - 一种生物质烘焙装置及烘焙方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质烘焙装置及其烘焙方法，所述烘焙装置包含驱动装置、封头、和电加热套，所述封头位于筒体上端，封头上设置有进料口；所述筒体内设置有与驱动装置连接的搅拌装置，筒体下端设置有出料口；所述电加热套包覆于筒体和封头外壁。通过该装置进行的生物质烘焙，能够精确控制烘焙温度、原料适应性强、生物炭品质均匀稳定。

Description

一种生物质烘焙装置及烘焙方法

技术领域

本发明涉及一种烘焙装置及烘焙方法，特别涉及一种生物质烘焙装置及烘焙方法。

背景技术

传统化石能源(特别是煤炭)的大量利用带来了酸雨、雾霾以及气候变化引起的温室效应等一系列环境问题。开发与利用太阳能、风能和生物质等可再生能源已成为解决当前能源环境问题的要途径。在所有可再生能源中，生物质资源种类繁多，储量丰富，主要包括农林作物、薪柴、水生植物、城市固体废弃物、生活污泥、禽畜粪便等。我国生物质资源丰富，仅农作物秸秆每年就达7亿吨以上。生物质具有低硫、低氮、高挥发份、高灰焦活性、零CO₂净排放等特点，因此其在能源利用和环境保护方面具有独特的优势。

生物质能利用途径主要包括直接燃烧、热化学法、生化法、化学法和物理法。目前，较为成熟的现代生物质能源化利用技术主要有直接燃烧技术、气化技术、沼气技术、燃料乙醇技术、生物柴油技术以及固体成型技术等。由于生物质具有水分含量高、热值和能量密度低、易腐烂、不宜长期贮存和长距离运输等缺陷，也限制了生物质能的规模化利用。生物质烘焙(也称为低温热解炭化)是在低温(200-300℃)、缺氧(或无氧)和较低加热速率(小于50℃/min)的条件下对生物质进行热化学处理，进而获得含水率低、热值与能量密度高、可磨性与疏水性好、适宜长距离运输和长时间贮存的生物炭。该处理技术在生物质燃烧、热解、气化等领域显示了良好的发展和应用前景。国内外学者分别利用热重分析仪、固定床和移动床等实验装置开展了生物质烘焙特性的研究，认为烘焙温度和停留时间是影响生物炭理化特性的重要因素。

CN102226092A公开了一种螺旋式农林废弃物低温热解炭化方法及炭化炉装置，但目前使用的诸如固定床、移动床等烘焙实验装置普遍存在原料适应性差、烘焙温度难以准确控制、烘焙产品的均匀性难以保证以及炭化效率低等缺陷。因此，有必要开发一种新的生物质烘焙实验装置，以提高生物质烘焙质量和效率，为生物质烘焙技术应用提供基础。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种能够精确控制烘焙温度、原料适应性强、生物炭品质均匀稳定的生物质烘焙装置。本发明的另一目的为提供了该生物质烘焙装置的烘焙方法。

技术方案：本发明所述一种生物质烘焙装置，包括驱动装置、封头、筒体和电加热套；所述封头位于筒体上端，封头上设置有进料口；所述筒体内设置有与驱动装置连接的搅拌装置，筒体下端设置有出料口；所述电加热套包覆于筒体和封头外壁。

所述封头上设有热解气出口、热电偶接口和管道阀门。

所述封头上下两端分别设置有上法兰和下法兰；所述筒体上端设置有上法兰。

所述搅拌装置下方设置有固定于筒体上的网状多孔板组件，可使得生物质从进料口进入筒体中，由于生物质粒径大小不一，在搅拌时候，效率较低，故在筒体内设置支撑组件，可使得进入筒体的生物质先分布于支撑组件，在烘焙过程中，部分生物质变为生物碳的形式，在搅拌装置和自身重力的作用下，粒径可以从支撑装置中进入到筒体下端，提高了搅拌的效率；所述多孔板组件包括多孔板与钢丝网，钢丝网可设置为多层，每层钢丝网的目数大小不同，可起到进一步筛分的作用。所述多孔板组件为平板、V形或碟形，所述的网状多孔板组件与搅拌叶片最底层叶片形状相同，制成不同的型式。

所述搅拌装置包括搅拌轴和搅拌叶片。所述搅拌叶片设置为3-5层。所述搅拌叶片最底层叶片为平板、V形或碟形，其余叶片为片状、锯齿状或麻花状，每层可以设置长短不同的多个叶片。

所述驱动装置固定于机架套件上；所述机架套件位于封头上端；所述机架套件包括底座、安装于底座上端的机械轴封和用于支撑驱动装置的机架。所述驱动装置可为电机，固定在机架套件上。

所述出料口设置有旋塞；所述旋塞一端的中心设有载气连接孔，用于连接载气管道；所述旋塞的另一端密封与支撑板相连，四周设有小孔，小孔数目可为4-6个，旋塞顶部与支撑装置相连。

所述电加热套为柔性电加热套。所述电加热套为柔性电加热套，为可拆卸式结构，能够将筒体和椭圆封头完全包裹，并在生物质加料口、生物炭出料口、热解气出口以及热电偶接口、支撑耳座等部位留有相应的孔口。

所述驱动装置包括中心轴和联轴器；所述中心轴通过联轴器与搅拌装置连接。

所述筒体中部外侧四周设有支撑耳座。

利用上述烘焙装置的生物质烘焙方法，包含以下步骤：

(1)将生物质原料从进料口加入到筒体内部，待加料完成后关闭进料口，启动电机，设置搅拌速度为15～120rpm，通过筒体底部的载气通道通入载气，载气穿过生物质物料层，进入热解气出口管路，利用烟气分析仪检测热解气出口管路中的氧气含量；

(2)当气体中的氧气含量＜0.5％时，设定升温速率、烘焙温度和停留时间，并进行柔性电加热，此时生物质在搅拌装置、载气和外部加热的共同作用下进行均匀烘焙；烘焙过程中产生的水汽、焦油和不凝气体在载气携带下由热解气出口进入热解气收集与净化系统，经冷却后分别获得液态和气态烘焙产物；

(3)烘焙过程结束后，关闭电加热，在连续搅拌和持续通入载气的条件下，将生物炭冷却至室温，最终由出料口取出烘焙后的生物质。

有益效果：本发明利用搅拌装置和网状多孔板组件，强化了生物质原料与壁面、气-固以及固体颗粒间的换热，使得固体物料的温度更加均匀，避免了局部高温，提高了实验测试结果的准确性；本发明采用柔性电加热套与筒体内部监测相结合的控温方式，避免了只监测筒壁温度带来的系统误差，提高了加热速率和烘焙温度的控制精度；本发明可以根据生物质原料的特性，灵活选用和布置不同型式的搅拌叶片，极大地提高了实验装置的原料适应性；本发明通过可以灵活设置多种快速连接方式，便于与生物质加料、热解气收集与净化、载气供应等系统连接，大大缩短了实验的时间，提高了实验效率。

附图说明

图1为是本发明结构示意图；

图2是本发明封头俯视图；

图3是本发明载气进口局部放大图；

图4是本发明搅拌装置与网状多孔板组件结构；

图5为本发明搅拌装置与网状多孔板组件结构；

图6为本发明搅拌装置与网状多孔板组件结构。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本发明所述的生物质烘焙装置包括驱动装置调频电机1、椭圆封头2、筒体3、柔性电加热套4、搅拌装置5、网状多孔板组件6和机架套件7。调频电机1固定在机架套件7上，电机中心轴101通过联轴器102与搅拌装置5相连。椭圆封头2设有上法兰201、生物质加料口202、热解气出口203、热电偶接口204、下法兰205以及相应的管道阀门206，其中，生物质加料口202与生物质加料仓相连，热解气出口203与热解气收集与净化系统相连；椭圆封头通过上法兰201和下法兰205分别与机架套件和筒体连接。如图2所示，热电偶通过热电偶接口204插入罐内生物质，用于监测罐内温度。筒体3上部设有上法兰301，底部设有生物炭出料口302，筒体中部外侧四周设有支撑耳座305。本发明采用柔性电加热套与筒体内部监测相结合的控温方式，避免了只监测筒壁温度带来的系统误差，提高了加热速率和烘焙温度的控制精度。本发明在筒体与封头连接处设置法兰，可以在连接处起到很好的密封作用。本发明在封头上端和机架套件的连接处也分别设置法兰，可使得各部件之间连接灵活。

如图3所示，生物炭出料口302与旋塞304相连，旋塞304一端的中心设有载气连接孔303，用于连接载气管道306，载气管道上设置有阀门；旋塞304的另一端顶部密封，四周设有6个小孔，旋塞顶部与网状多孔板组件相连；载气经旋塞中心孔进入后由小孔流出，并经网状多孔板组件6均布后进入筒体3，出料口旋塞的设置，可以很好的使得气体进去筒体内。

如图4、图5和图6所示，搅拌装置5由搅拌轴501和搅拌叶片502组成，搅拌轴501通过联轴器102与电机中心轴101相连。根据生物质种类的不同，可以设置3-5层不同形状片状、锯齿状或麻花状等等，搅拌叶片502长度可以根据设备的大小和生物质的类型进行设定，最底层搅拌叶片可以制作成平板、V形和碟形等形状，并与网状多孔板组件6结构型式相匹配。网状多孔板组件6由多孔板和钢丝网组合而成，可选择不同的钢丝网目数，确定多孔板组件的网孔的大小。可制成平板、V形和碟形等形式，并与上文所述的最底层搅拌叶片型式相匹配。上述的搅拌装置，网状多孔板的灵活选用和布置不同型式的搅拌叶片，极大地提高了实验装置对原料适应性。

柔性电加热套4为可拆卸式结构，能够将筒体和椭圆封头完全包裹，并在生物质加料口202、热解气出口203、热电偶接口204、生物炭出料口302和支撑耳座305等部位留有相应的孔口，以便于拆卸和外部连接设备的安装。机架套件7由底座701、机械轴封702和机架703组成，其中底座701与椭圆封头上法兰201相连，机械轴封702安装在底座701上部，起到密封和防止罐内热解气体泄漏的作用。本发明通过可以灵活设置多种快速连接方式，便于与生物质加料、热解气收集与净化、载气供应等系统连接，大大缩短了实验的时间，提高了实验效率。

上述生物质烘焙装置的工作方法为：

(1)将生物质加料仓、热解气收集与净化、烘焙用载气等与装置相应接口连接，并完成装置的气密性测试；(2)打开加料口阀门，经预处理(剪切、风干等)的生物质原料经加料口202进入筒体，待加料完成后关闭加料阀门，启动调频电机，并根据生物质种类来调整搅拌速度，速度为15～120rpm，载气N₂经载气管道306以2-10L/min的速率进入筒体底部，并经网状多孔板均布后进入筒体3，穿过生物质物料层，进入热解气出口管，在载气充填过程中逐步排出罐内的氧气，利用烟气分析仪检测热解气出口管路中的氧气含量，当热解气出口处的氧气含量小于0.5％(以体积百分数计)时，设定实验所需的升温速率、烘焙温度和停留时间，并开启柔性电加热套4进行电加热。此时，生物质原料在搅拌装置、载气和加热的共同作用下进行均匀烘焙，采用电加热套与筒体内部温度监测相结合的控温方式，以确保升温速率和烘焙温度的精度，烘焙过程中产生的水汽、焦油和不凝气体在载气携带下由热解气出口203进入热解气收集与净化系统，经冷却后分别获得液态和气态烘焙产物；(3)烘焙过程结束后，关闭柔性电加热套，在连续搅拌和持续通入载气的条件下，将生物炭冷却至室温，生成的生物炭最终由出料口302取出备用。

本发明所述的搅拌式生物质烘焙实验装置可满足大部分生物质烘焙的需要，具有结构简单、原料适用性广、控温精确以及生物炭质量稳定等优势。

Claims (10)

1.一种生物质烘焙装置，其特征在于，包括驱动装置(1)、封头(2)、筒体(3)和电加热套(4)；所述封头(2)位于筒体上端，封头上设置有进料口；所述筒体(3)内设置有与驱动装置(1)连接的搅拌装置(5)，筒体下端设置有出料口；所述电加热套包覆于筒体和封头外壁。

2.根据权利要求1所述的生物质烘焙装置，其特征在于所述封头上设有热解气出口、热电偶接口和管道阀门。

3.根据权利要求2所述的生物质烘焙装置，其特征在于所述封头上下两端分别设置有上法兰和下法兰；所述筒体上端设置有上法兰。

4.根据权利要求1所述的生物质烘焙装置，其特征在于所述搅拌装置下方设置有固定于筒体上的网状多孔板组件(6)。

5.根据权利要求1所述的生物质烘焙装置，其特征在于所述搅拌装置包括搅拌轴和搅拌叶片。

6.根据权利要求1所述的生物烘焙装置，其特征在在于所述驱动装置固定于机架套件上(7)；所述机架套件位于封头上端；所述机架套件包括底座、安装于底座上端的机械轴封和用于支撑驱动装置的机架。

7.根据权利要求1所述的生物质烘焙装置，其特征在于所述出料口设置有旋塞；所述旋塞一端的中心设有载气连接孔，用于连接载气管道；所述旋塞的另一端密封与支撑板相连，四周设有小孔。

8.根据权利要求1所述的生物质烘焙装置，其特征在于所述电加热套为柔性电加热套。

9.根据权利要求1所述的生物烘焙装置，其特征在于所述驱动装置包括中心轴和联轴器；所述中心轴通过联轴器与搅拌装置连接。

10.利用权利要求1-9所述的任一生物烘焙装置的生物质烘焙方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)将生物质原料从进料口加入到筒体内部，待加料完成后关闭进料口，启动电机，设置搅拌速度为15～120rpm，通过筒体底部的载气通道通入载气，载气穿过生物质物料层，进入热解气出口管路，利用烟气分析仪检测热解气出口管路中的氧气含量；

(2)当气体中的氧气含量＜0.5％时，设定升温速率、烘焙温度和停留时间，并进行柔性电加热，此时生物质在搅拌装置、载气和外部加热的共同作用下进行均匀烘焙；烘焙过程中产生的水汽、焦油和不凝气体在载气携带下由热解气出口进入热解气收集与净化系统，经冷却后分别获得液态和气态烘焙产物；

(3)烘焙过程结束后，关闭电加热，在连续搅拌和持续通入载气的条件下，将生物炭冷却至室温，最终由出料口取出烘焙后的生物质。