CN108587653A - 微波热解生物质的反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波热解生物质的反应装置，包括微波热解单元，所述微波热解单元包括微波热解炉、以及设于所述微波热解炉外侧的至少一个加料口，所述微波热解炉从下至上包括依次连接的固相热解部和气相热解部，所述固相热解部包括若干套接的由金属网组成的固相空心圆柱体，且其上填充有固相微波吸收剂和催化剂。本发明的微波热解生物质的反应装置，提高了热解加热速率、降低固体残碳的生成量、提高产物中热解气的比例、优化热解反应过程；设备简单，占地少、操作方便，可完成连续进料出渣的操作，便于运行管理。
Description
技术领域
本发明涉及生物质热解装置，尤其涉及一种微波热解生物质气化多联产反应装置。
背景技术
生物质是太阳能以化学能的形式储存在生物质载体中的能量，是一种重要的可再生能源和唯一的一种可再生碳源。随着世界经济的发展煤炭、石油等化石燃料供需形势严峻，清洁、可再生能源代替化石燃料的形势不可避免。由于生物质的产生和转化利用构成了碳的封闭循环，其碳中性的特点有利于减缓全球气候变暖；此外生物质还有污染物质少，燃烧相对清洁、廉价等优点。
我国作为世界上最大的农业国，拥有丰富的生物质能资源。理论生物质能资源量约为50亿吨/年，其主要来源有农林废弃物、粮食加工废弃物、木材加工废弃物和城市生活垃圾等。其中农林废弃物是我国生物质能资源的主体，包括秸秆、薪柴及林业废弃物等。若能结合我国国情，充分利用生物质能资源的优势，利用现代技术实现生物质能的高效开发转换，将有利于改变我国以化石能源为主的能源结构和能源消费方式，具有极大的能源经济意义和环境效益。
微波加热有别于传统加热方式，一般都是偶极子加热方式，当介质在微波电磁场的作用下而发生偶极子极化时，通过偶极子极化落后于外电场的变化，外加电场附加的能量通过分子热运动和邻近分子的相互摩擦以热耗散的形式进行转变，有别于传统加热方式通过导热或对流进行转移。
微波加热热解生物质时，由于微波具有透射性，使物料内外均匀受热，而内部缺乏散热条件，造成内部温度高于外部温度。由于物料中的分子与电磁场的相互作用使得电磁能直接转化为热能存储在物料中，不必加热物料周围区域，减小了热能需求，使得加热速率远快与传统加热方式，整体迅速达到所需温度，且高的加热速率有利于生物质分子链的断裂，促进挥发分的生成。同时微波加热对于生物质热解时有固体参加的反应有促进作用，比如一些分解反应和异相反应，也有利于热解油和合成气的生成。
由于目前大多数生物质本身的损耗正切值低，吸收微波的能力比较弱，不满足热解时快速升温的要求，所以需要在生物质微波热解时加一些损耗正切值大的物质。这些物质(即微波吸收剂/催化剂)吸收微波能力强，在微波加热条件下温度迅速上升，通过导热及对流的方式将热量传递给周围物料，从而促使物料快速升温并发生热解。因此，吸收剂的添加可实现低能耗下生物质的热解。活性炭、生物质热解残炭、SiC及CaO都是比较常见的催化剂。同时微波催化剂有着一定的催化选择性，表现为对于某一类化合物催化分解能力更强。
同时微波加热时物料一般都位于金属制成的加热室内，由于金属反射微波而不吸收微波，微波只能被加热物体吸收，而不会被加热室本身吸收，热效率高且不改变工作环境温度，生产环境改善。微波功率易于控制，可连续、自动化调节。通过添加催化剂的不同控制热解产物中气液固三者比例，并对三种产物做有效的分离收集，生产者可以获得自己所需要的产品，从而达到生物质多联产的目的。
生物质微波热解技术是近年来发展起来的一种新型生物质热转化技术，其作为一种加热速率快、加热均匀、减少热解能耗、操作方便可控的新技术正受到人们广泛的关注和研究兴趣，生物质微波热解技术是能源转化领域中具有很强潜在优势的新技术，但是由于现有的微波热解装置比较复杂，不易操作，且工作效率较低。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种微波热解生物质的反应装置，属于一种微波热解生物质的气化多联产反应装置，解决了现有技术中微波热解装置比较复杂，不易操作，且工作效率较低的问题。
技术方案：本发明的微波热解生物质的反应装置，包括微波热解单元，所述微波热解单元包括微波热解炉、以及设于所述微波热解炉外侧的至少一个加料口，所述微波热解炉从下至上包括依次连接的固相热解部和气相热解部，所述固相热解部包括若干套接的固相空心圆柱体，所述固相空心圆柱体开有若干孔洞，且其上填充有固相微波吸收剂和催化剂。其中，固相空心圆柱体由金属网组成。
所述固相热解部和气相热解部下方分别设有用于支撑的固相支撑架和气相支撑架。
周边加料口根据生物质原料性质选择3-6个加料口，加料口按一定角度(根据物料堆放的滑动角决定)向内倾斜，不使用的加料口通过法兰及配件关闭密封。
各所述固相空心圆柱体高度从外至内依次降低。生物质原料通过周边加料口加入微波热解炉内，由于固相空心圆柱体高度依次降低，保证生物质原料径向向内倾斜，从而保证热解炉各个水平面方向加料均匀；且所述固相空心圆柱体之间的距离为0.4-0.6m。所述固相空心圆柱体部分高度下降幅度根据物料堆放的滑动角决定，圆柱体厚度不宜太厚，要在保证微波加热速率达到预定要求的情况下，降低微波吸收剂及催化剂用量。
所述气相热解部包括若干套接的气相空心圆柱体，所述气相空心圆柱体开有若干孔洞，且其上填充有气相微波吸收剂和催化剂。其中，气相空心圆柱体由金属网组成。采用气、固相热解催化剂及微波吸收剂SiC是由于大部分生物质对微波的吸收能力不强，需要额外添加微波吸收能力强的物质辅助加热，以便在短时间内达到合适的热解温度，同时部分催化剂对生物质热解有着加快作用，能够提高生物油品质或者合成气热值。
将微波吸收剂与催化剂混合均匀后，装填进由金属制成的极薄、网状空心圆柱体，网眼大小保证催化剂和微波吸收剂不泄露，固相热解部空心圆柱体高度不一，从微波热解炉外侧向内逐渐降低，气相热解部空心圆柱体高度一致。
微波吸收剂的SiC与催化剂通过金属网与生物质原料隔开，催化剂不再混在固体残渣中，减少了催化剂的用量，降低了后续产物分离难度，保证微波热解的连续运行。
微波热解炉中的微波加热功率为10-30W/m3，微波热解炉腔体内温度从450-650℃，加热时间1-3秒，生物质在微波热解腔体内停留时间约为5秒；整个热解过程中微波吸收剂辅助加热提高加热速率，而催化剂提高特定产物对象的产率，进料与出渣产气同时进行，完成热解的连续运行。
所述微波热解炉下方还设有能够刮除渣体的刮渣板和出渣口，在进料的同时实现出料出渣，即连续热解的目的。通过刮渣机将热解产生的固体残渣沿微波热解炉底部坡度排至出渣口，开始运行前加料时关闭出渣口，产生的焦炭由刮渣机刮至出渣口，收集后可用于活性炭、生物肥或微波热解催化剂的制备。
所述微波热解单元还连接有分离收集单元，所述分离收集单元包括能够将所述微波热解单元的产物冷凝并分离的冷凝机构和分离机构。
所述冷凝机构包括与所述气相热解部连接的输气管道、以及能够冷凝输气管道内热解气体的冷凝塔。
所述输气管道其中一端通过两支气管与气相热解部连接、另一端连接有若干冷凝支管并置于所述冷凝塔内。所述热解气出气管分两个支气管从热解炉上方两侧引至所述冷凝塔各支管外部冷凝液流动部分设计，保证流动阻力均匀，减少阻力损失和可能的短流，保证各支管传热效果良好；在热解气进入冷凝塔后，分为多个支管，增大了热解气与冷凝液的接触面积，提高了传热效果，尽可能多的让生物油全部冷凝，提高合成气产物的纯度和热值。
所述分离机构包括与若干所述冷凝支管连接的液体收集罐和通过连接管与液体收集罐连接的储气罐。高温热解产生的热解气由于引风机的运行，使气体沿输气管道流动，进入冷凝塔后冷凝，液体进入液体收集罐，剩下的合成气进入储气罐；高温气体在管道内由于不再被加热，温度逐渐降低，在通过冷凝塔时温度进一步降低，冷凝塔内的循环冷凝液是水，温度为常温，水的流动方向与热解气流动方向相反，保证良好的热交换及冷凝效果，热解气中沸点较低的生物油冷凝至液体收集罐，气体至储气罐。
上述的反应装置配有可编程的自动控制系统，通过反应器各个部分设置温度、压力、流速等传感器，时刻监控反应器运行时各种参数状况。在自动控制系统中可设置多组微波加热程序，针对不同的生物质、对应的的催化剂设定不同的加热功率及加热速率，避免过高过低的加热功率等不合理的加热方式，使微波热解炉发生结焦等不利的运行工况。
有益效果：1、本发明的微波热解生物质的反应装置，提高了热解加热速率、降低固体残碳的生成量、提高产物中热解气的比例、优化热解反应过程；2、设备简单，占地少、操作方便，可完成连续进料出渣的操作，便于运行管理；3、微波加热速度快、加热均匀、无温度梯度、体加热且无滞后效应等优点，有利于提高热解产物的经济性；4、使用SiC颗粒增强传热，添加催化剂(碳酸钠等无机盐)利于产物中氢气量的增加；5、能够使生物质原料快速升温并发生热解，具有节能降耗的优势；6、实现微波加热自动化控制，并可以根据实际实验情况(原料、微波吸收剂、催化剂的量和种类)对加热程序进行修改，具有很强的适应性，有效降低投资和运行成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中微波热解单元的结构示意图；
图3是本发明中固相热解部的俯视结构示意图；
图4是本发明中微波热解炉周缘加料口的剖视结构示意图；
图5是本发明中气相热解部的俯视结构示意图。
具体实施方式
参见图1至图5，本发明一实施例所述的微波热解生物质的反应装置，主要包括生物质热解和产物分离收集两大部分，具体为：包括微波热解单元1，微波热解单元1包括微波热解炉11、以及设于微波热解炉11外周缘的3个加料口12，微波热解炉11从下至上包括依次连接的固相热解部13和气相热解部14，固相热解部13包括若干套接的由金属网组成的固相空心圆柱体131，且其上填充有固相微波吸收剂和催化剂；气相热解部14包括若干套接的由金属网组成的气相空心圆柱体141，且其上填充有气相微波吸收剂和催化剂。固相热解部13和气相热解部14下方分别设有用于支撑的固相支撑架132和气相支撑架142。
加料口12的倾斜角度为30°。
固相空心圆柱131高度下降幅度为1m高度/0.5m长度，各个圆柱之间的距离为0.5m，圆柱金属网厚度为1mm，催化剂和微波吸收剂厚度为15cm，固相催化剂为石英石颗粒，微波吸收剂为SiC，反应器直径为0.8m，固相支撑架132为十字型，宽度为12cm。
气相空心圆柱141高度为1m，圆柱金属网厚度为2mm，催化剂和微波吸收剂厚度为15cm，催化剂为ZSM-5，微波吸收剂为SiC，反应器直径为0.8m，固相支撑架142为十字型，宽度为12cm。
微波加热速率为20W/m3，固相部分温度为650℃，气相部分温度为550℃。
微波热解炉11下方还设有能够刮除渣体的刮渣板3和出渣口31，刮渣板3尺寸为1.2m×0.8m，倾斜角度为15°，刮渣板厚度为6mm，刮渣机转速为60r/min，出渣量为2kg/h，出渣口31尺寸大小为1.5m。
微波热解单元1还连接有分离收集单元2，分离收集单元2包括能够将微波热解单元1的产物冷凝并分离的冷凝机构21和分离机构22。
冷凝机构21包括与气相热解部14连接的输气管道211、以及能够冷凝输气管道211内热解气体的冷凝塔212。输气管道211其中一端通过两支气管213与气相热解部14连接、另一端连接有若干冷凝支管214并置于冷凝塔212内。
分离机构22包括与若干冷凝支管214连接的液体收集罐221和通过连接管与液体收集罐221连接的储气罐222。
微波热解炉11顶部热解气出口的两支气管213管径为20mm，出口干管211管径为28mm，热解气产生量为2m3/h，温度为550℃。通过冷凝塔212冷凝后合成气产生量为2m3/h，温度为25℃，生物油产生量为1.8kg/h，热值为5kJ/kg。冷凝水温度为1℃，从冷凝塔下部进入，上部流出。
本发明的工作原理如下：
热解部分：待热解的生物质通过圆形微波热解炉11周边各个加料口12均匀进入微波热解炉11，加热方式为微波加热、SiC作为微波吸收剂辅助加热。按位置分为固相和气相两部分，在微波热解炉11中均呈空心圆柱状分布，微波吸收剂与催化剂混合均匀后加入空心圆柱体内，物料进入固相空心圆柱体131之间。低能量密度的生物质在高温(>80℃)下热解，经过固相、气相催化转化为高能量密度的气体(合成气，主要含H2、CO)、固体(焦炭)和液体(生物油)。
产物分离收集部分：高温下热解部分产生的气体中，生物油经冷凝塔212冷凝后进入液体收集罐221，合成气至储气罐222，微波热解炉11内产生的焦炭经炉底部的刮渣板3和出渣口31收集排出，之后可用于制备活性炭和生物肥。
Claims (10)
1.一种微波热解生物质的反应装置，其特征在于：包括微波热解单元(1)，所述微波热解单元(1)包括微波热解炉(11)、以及设于所述微波热解炉(11)外侧的至少一个加料口(12)，所述微波热解炉(11)从下至上包括依次连接的固相热解部(13)和气相热解部(14)，所述固相热解部(13)包括若干套接的固相空心圆柱体(131)，所述固相空心圆柱体(131)开有若干孔洞，且其上填充有固相微波吸收剂和催化剂。
2.根据权利要求1所述的微波热解生物质的反应装置，其特征在于：所述微波热解单元(1)还连接有分离收集单元(2)，所述分离收集单元(2)包括能够将所述微波热解单元(1)的产物冷凝并分离的冷凝机构(21)和分离机构(22)。
3.根据权利要求1所述的微波热解生物质的反应装置，其特征在于：所述微波热解炉(11)下方还设有能够刮除渣体的刮渣板(3)和出渣口(31)。
4.根据权利要求1所述的微波热解生物质的反应装置，其特征在于：各所述固相空心圆柱体(131)高度从外至内依次降低。
5.根据权利要求4所述的微波热解生物质的反应装置，其特征在于：所述固相空心圆柱体(131)之间的距离为0.4-0.6m。
6.根据权利要求1所述的微波热解生物质的反应装置，其特征在于：所述气相热解部(14)包括若干套接的气相空心圆柱体(141)，所述气相空心圆柱体(141)开有若干孔洞，且其上填充有气相微波吸收剂和催化剂。
7.根据权利要求1所述的微波热解生物质的反应装置，其特征在于：所述固相热解部(13)和气相热解部(14)下方分别设有固相支撑架(132)和气相支撑架(142)。
8.根据权利要求2所述的微波热解生物质的反应装置，其特征在于：所述冷凝机构(21)包括与所述气相热解部(14)连接的输气管道(211)、以及能够冷凝输气管道(211)内热解气体的冷凝塔(212)。
9.根据权利要求8所述的微波热解生物质的反应装置，其特征在于：所述输气管道(211)其中一端通过两支气管(213)与气相热解部(14)连接、另一端连接有若干冷凝支管(214)并置于所述冷凝塔(212)内。
10.根据权利要求8所述的微波热解生物质的反应装置，其特征在于：所述分离机构(22)包括与若干所述冷凝支管(214)连接的液体收集罐(221)和通过连接管与液体收集罐(221)连接的储气罐(222)。
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