CN108753325A - 一种自供热式连续生产生物质炭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质原料再利用技术领域，具体涉及一种自供热式连续生产生物质炭的方法。本发明提供的自供热式连续生产生物质炭的方法，首次将炭化后产生的热解气直接燃烧，产生高温烟气，高温烟气采用间接换热的方式为炭化区提供热量，无需对热解气进行净化分离和冷却，降低了能耗，热效率达到85％以上。

Description

一种自供热式连续生产生物质炭的方法

技术领域

本发明属于生物质原料再利用技术领域，具体涉及一种自供热式连续生产生物质炭的方法。

背景技术

我国是一个农业大国，生物质资源非常丰富，仅稻草、麦草、蔗渣、芦苇、竹子等非木材纤维年产就超过10亿吨，加上大量的木材加工剩余物，都是取之不尽的能源仓库。我国政府及有关部门在对生物质能的利用方面表现出高度的重视，已经连续四个“五年计划”都将生物质能利用技术的研究与生物质炭的应用作为国家重点科研项目。

生物质炭是一种将废弃生物质秸秆在无氧或限氧的环境下转化为具有发达孔隙结构的碳材料，生物质炭巨大的比表面积以及丰富的表面官能团，使其具有很强的吸附性和稳定性。

追溯到生物质炭的制备工艺，均会涉及到高温下炭化步骤，该步骤需要大量的燃料提供热量，耗能较大。为了降低能耗，现有技术一般是将炭化过程中产生的热解气先经分离净化后直接引入到炭化炉外部的燃烧器系统点燃，从而实现对炭化炉的加热。

例如，中国专利文献CN102226092A，公开了一种连续式生物质低温热解炭化方法，包括以下步骤：对生物质原料进行干燥处理，将干燥后的生物质输送进入生物质热解炭化装置，生成热解气、生物质焦油和生物质炭；产生的生物质热解气和焦油经分段收集后直接送入燃烧室，并与部分补燃燃料一起燃烧，燃烧产生的高温烟气通过管道直接送入热解炭化装置或将部分烟气送入干燥装置，通过间接加热方式将热量传递给生物质，卸料仓上装有冷凝装置，向冷凝装置中通入空气，经过换热冷却得到产物,得到的热空气通向燃烧室与热解气一起燃烧。采用此方式，虽能利用炭化过程中的热解气给炭化炉提供热量，从而在一定程度上降低了能耗。但是，上述技术必须预先对生物质原料进行干燥处理，能耗较高；必须对热解气进行净化分离，否则容易造成积碳，影响燃烧器的正常运行，同时上述技术在热效率方面有待提高。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中生物质炭化工艺能耗较高等缺陷，从而提供一种自供热式连续生产生物质炭的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种自供热式连续生产生物质炭的方法，包括以下步骤：

将生物质在无氧或限氧的条件下在炭化区进行炭化，产生生物质炭和热解气；

将所述热解气在燃烧区进行燃烧，收集高温烟气，高温烟气返回炭化区，采用间接换热方式为炭化区提供热量。

进一步地，所述炭化区的炭化温度为400-700℃，压力5-10KPa。

进一步地，所述热解气在燃烧区进行燃烧的具体条件为：所述热解气在燃烧区进行燃烧的具体步骤为：将热解气提压至10-15KPa，采用旋流喷射方式，将热解气与水平方向成30-60°夹角切向送入燃烧区。

进一步地，所述燃烧区分为两级，第一级为贫氧燃烧区，第二级为富氧燃烧区，所述热解气依次经过第一级和第二级燃烧区。

进一步地，所述高温烟气的温度为700-900℃。

进一步地，所述生物质经过压缩和粉碎处理，所述生物质压缩后的压实密度为0.5-0.8kg/L，水分7-12％；和/或，

所述生物质粉碎后的直径为8-12mm。

进一步地，所述间接换热方式为，在炭化区的外部设置换热壳层，在所述壳层上设置若干折烟板。

进一步地，在所述炭化区的外周设置受热扩展面。

进一步地，对所述高温烟气的多余热量进行余热回收。

进一步地，将所述热解气的输送至燃烧区的过程中对其进行伴热，对其进行伴热，可进一步减少设备、管线内的堵塞问题，对于伴热的形式，可以采用导热油伴热、高温烟气伴热或电伴热。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的自供热式连续生产生物质炭的方法，不需要对生物质进行干燥处理，降低了能耗。首次将炭化后产生的热解气直接燃烧，无需对热解气进行净化分离，收集高温烟气，高温烟气采用间接换热的方式为炭化区提供热量，热效率达到85％以上。

2.本发明提供的自供热式连续生产生物质炭的方法，通过对反应条件的控制以及原料的预处理，使得该工艺能够降低生物质炭挥发分含量，提高固定碳含量，经测试，其总有机碳含量在60％以上，总可溶性有机碳在1.6-2.3g/kg，挥发分低于18％，生物质炭收率在40wt％以上，总比表面积在20㎡/g以上，孔度较大；将生物质依次进行粉碎和造粒，制得生物质颗粒，提高堆密度，并在造粒过程中排出其内夹杂的空气，便于控制炭化处理温度，加之将生物质颗粒的压实密度维持在0.75-0.8kg/L，利于生物质颗粒由外向内形成温度梯度，能防止热解过度，同时，合理的压实密度还有利于挥发分或其它气态物挥发；通过限定生物质颗粒的直径，均衡了温度梯度与挥发分或其它气态物挥发的需求，同时能提高生产效率；秸秆中的水会在热裂解过程中挥发，从而在生物质炭中形成发达孔隙，提高其比表面积。

3.本发明提供的自供热式连续生产生物质炭的方法，热解气在燃烧区进行热解气进入燃烧区前，设置增压装置，将热解气压力提高到10-15KPa。全部燃气采用旋流喷射方式进入燃烧区，热解气与水平方向成30-60°夹角切向进入燃烧区，在强旋转气流作用下，旋转射流的内部建立一个回流区，不但从射流外侧卷吸周围介质，而且还从内回流区中卷吸介质，在燃烧过程中，从内外回流区卷吸的高温烟气对火焰的稳定性起着十分重要的作用。通过空气分级燃烧技术是将空气分级送入燃烧器，使燃料气在炉内分级燃烧。通常采用的方法是第一级营造贫氧燃烧环境，降低燃烧区域的氧浓度及燃烧温度，减少热力型NO_X的产生；第二级将燃烧所需的其余空气通过燃烬风喷口(位于燃烧器)进入炉内，形成富氧燃烧环境，将燃料燃尽。可以使热解气在不分离的情况下直接燃烧，且不会结焦，影响燃烧区的正常运行。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

将收集的秸秆，粉碎，直接将秸秆生物质颗粒加入炭化窑；开工初期，炭化窑采用化石能源做为燃料进行升温至400℃，压力5KPa，在氮气气氛下热解，产生热解气；热解气从喷嘴中喷出，与水平方向呈30°夹角切向进入燃烧区，形成旋转气流。气流一边旋转，一边又向静止介质中扩散。利用气流旋转强化低热值燃气燃烧，有效提高燃烧的强度和火焰的稳定性。产生高温烟气的温度为700℃，为炭化窑单元通过间接换热提供热量；用热风炉将多余热量进入余热回收装置产生低压蒸汽炭化窑产生的生物质炭通过螺旋冷却方式进入储存单元。高温烟气用于生物质炭化后多余的热能通过余热回收装置产生低压蒸汽；低压蒸汽可用于生产用汽或发电。

实施例2

将收集的秸秆，粉碎，直接将秸秆生物质颗粒加入炭化窑；开工初期，炭化窑采用化石能源做为燃料进行升温至700℃，压力6KPa，在氮气气氛下热解，产生热解气；热解气从喷嘴中喷出，与水平方向呈40°夹角切向进入燃烧区，形成旋转气流。气流一边旋转，一边又向静止介质中扩散。利用气流旋转强化低热值燃气燃烧，有效提高燃烧的强度和火焰的稳定性。产生高温烟气的温度为900℃，为炭化窑单元通过间接换热提供热量；用热风炉将多余热量进入余热回收装置产生低压蒸汽炭化窑产生的生物质炭通过螺旋冷却方式进入储存单元。高温烟气用于生物质炭化后多余的热能通过余热回收装置产生低压蒸汽；低压蒸汽可用于生产用汽或发电。

实施例3

将收集的秸秆，粉碎，直接将秸秆生物质颗粒加入炭化窑；开工初期，炭化窑采用化石能源做为燃料进行升温至550℃，压力6KPa，在氮气气氛下热解，产生热解气；热解气从喷嘴中喷出，与水平方向呈50°夹角切向进入燃烧区，形成旋转气流。气流一边旋转，一边又向静止介质中扩散。利用气流旋转强化低热值燃气燃烧，有效提高燃烧的强度和火焰的稳定性。产生高温烟气的温度为800℃，为炭化窑单元通过间接换热提供热量；用热风炉将多余热量进入余热回收装置产生低压蒸汽炭化窑产生的生物质炭通过螺旋冷却方式进入储存单元。高温烟气用于生物质炭化后多余的热能通过余热回收装置产生低压蒸汽；低压蒸汽可用于生产用汽或发电。

实施例4

将收集的秸秆，粉碎，制得压实密度为0.75kg/L、颗粒直径为10mm的生物质颗粒，将秸秆生物质颗粒加入炭化窑；开工初期，炭化窑采用化石能源做为燃料进行升温至550℃，压力7KPa，在氮气气氛下热解，产生热解气；热解气从喷嘴中喷出，与水平方向呈60°夹角切向进入燃烧区，形成旋转气流。气流一边旋转，一边又向静止介质中扩散。利用气流旋转强化低热值燃气燃烧，有效提高燃烧的强度和火焰的稳定性。产生高温烟气的温度为800℃，为炭化窑单元通过间接换热提供热量；用热风炉将多余热量进入余热回收装置产生低压蒸汽炭化窑产生的生物质炭通过螺旋冷却方式进入储存单元。高温烟气用于生物质炭化后多余的热能通过余热回收装置产生低压蒸汽；低压蒸汽可用于生产用汽或发电。

实施例5

将收集的秸秆，粉碎，制得压实密度为0.5kg/L、颗粒直径为12mm的生物质颗粒；将秸秆生物质颗粒加入炭化窑；开工初期，炭化窑采用化石能源做为燃料进行升温至550℃，压力8KPa，在氮气气氛下热解，产生热解气；热解气从喷嘴中喷出，与水平方向呈60°夹角切向进入燃烧区，形成旋转气流。气流一边旋转，一边又向静止介质中扩散。利用气流旋转强化低热值燃气燃烧，有效提高燃烧的强度和火焰的稳定性，产生高温烟气的温度为850℃，为炭化窑单元通过间接换热提供热量；用热风炉将多余热量进入余热回收装置产生低压蒸汽炭化窑产生的生物质炭通过螺旋冷却方式进入储存单元。高温烟气用于生物质炭化后多余的热能通过余热回收装置产生低压蒸汽；低压蒸汽可用于生产用汽或发电。

实施例6

将收集的秸秆，粉碎，制得压实密度为0.8kg/L、颗粒直径为8mm的生物质颗粒；将秸秆生物质颗粒加入炭化窑；开工初期，炭化窑采用化石能源做为燃料进行升温至550℃，压力9KPa，在氮气气氛下热解，产生热解气；热解气从喷嘴中喷出，与水平方向呈30°夹角切向进入燃烧区，形成旋转气流。气流一边旋转，一边又向静止介质中扩散。利用气流旋转强化低热值燃气燃烧，有效提高燃烧的强度和火焰的稳定性，产生高温烟气的温度为850℃，为炭化窑单元通过间接换热提供热量；用热风炉将多余热量进入余热回收装置产生低压蒸汽炭化窑产生的生物质炭通过螺旋冷却方式进入储存单元。高温烟气用于生物质炭化后多余的热能通过余热回收装置产生低压蒸汽；低压蒸汽可用于生产用汽或发电。

实施例7

将收集的秸秆，粉碎，制得压实密度为0.75kg/L、颗粒直径为10mm的生物质颗粒，将秸秆生物质颗粒加入炭化窑；开工初期，炭化窑采用化石能源做为燃料进行升温至550℃，压力10KPa，在氮气气氛下热解，产生热解气；热解气从喷嘴中喷出，与水平方向呈40°夹角切向进入燃烧区，形成旋转气流。气流一边旋转，一边又向静止介质中扩散。利用气流旋转强化低热值燃气燃烧，有效提高燃烧的强度和火焰的稳定性，产生高温烟气的温度为850℃，为炭化窑单元通过间接换热提供热量；所述间接换热方式为，在炭化区的外部设置换热壳层，在所述壳层上设置若干折烟板。同时在所述炭化区的外周设置受热扩展面。用热风炉将多余热量进入余热回收装置产生低压蒸汽炭化窑产生的生物质炭通过螺旋冷却方式进入储存单元。高温烟气用于生物质炭化后多余的热能通过余热回收装置产生低压蒸汽；低压蒸汽可用于生产用汽或发电。

实施例8

将收集的秸秆，粉碎，制得压实密度为0.7kg/L、颗粒直径为11mm的生物质颗粒；将秸秆生物质颗粒加入炭化窑；开工初期，炭化窑采用化石能源做为燃料进行升温至600℃，压力8KPa，在氮气气氛下热解，产生热解气；热解气从喷嘴中喷出，与水平方向呈50°夹角切向进入燃烧区，形成旋转气流。气流一边旋转，一边又向静止介质中扩散。利用气流旋转强化低热值燃气燃烧，有效提高燃烧的强度和火焰的稳定性，产生高温烟气的温度为900℃，为炭化窑单元通过间接换热提供热量；所述间接换热方式为，在炭化区的外部设置换热壳层，在所述壳层上设置若干折烟板。同时在所述炭化区的外周设置受热扩展面。用热风炉将多余热量进入余热回收装置产生低压蒸汽炭化窑产生的生物质炭通过螺旋冷却方式进入储存单元。高温烟气用于生物质炭化后多余的热能通过余热回收装置产生低压蒸汽；低压蒸汽可用于生产用汽或发电。

对比例1

将收集的秸秆，粉碎，将秸秆生物质颗粒加入炭化窑；开工初期，炭化窑采用化石能源做为燃料进行升温550℃，压力5KPa，在氮气气氛下热解，产生热解气；将热解气引入燃烧区实现燃烧，产生高温烟气的温度为800℃，直接将高温烟气引入炭化窑单元通过直接换热提供热量；用热风炉将多余热量进入余热回收装置产生低压蒸汽炭化窑产生的生物质炭通过螺旋冷却方式进入储存单元。高温烟气用于生物质炭化后多余的热能通过余热回收装置产生低压蒸汽；低压蒸汽可用于生产用汽或发电。

实验例

按GB/T19587-2004对上述各实施例1-8所得生物质炭和对比例1所制得的生物质炭中固定碳含量、挥发分含量进行测定，同时也计算生物质炭产率和比表面积，对生物质炭制备过程中的热效率进行计算。相应的测试结果如下表1所示。

其中，热效率的公式为：

热效率＝100％－各项热损失的百分比之和

＝100％－q2－q3－q4－q5－q6

式中q2——排烟热损失，％；

q3——气体未完全燃烧热损失，％；

q4——固体未完全燃烧热损失，％；

q5——散热损失，％；

q6——灰渣物理热损失，％。

表1测试结果

从表中的数据可知，生物质预处理、炭化条件的优化均能提高生物质炭的有机碳含量、可溶性有机碳含量和比表面积，降低挥发分含量，同时提高生物质炭产率。采用本发明提供的工艺，不需要对生物质进行干燥处理，降低能耗；热解气不经过分离净化处理，简化了工艺；直接将热解气燃烧产生的高温烟气为炭化区提供热量，大大提高了热能利用效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将生物质在无氧或限氧的条件下在炭化区进行炭化，产生生物质炭和热解气；

将所述热解气在燃烧区进行燃烧，收集高温烟气，高温烟气返回炭化区，采用间接换热方式为炭化区提供热量。

2.根据权利要求1所述的自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，所述炭化区的炭化温度为400-700℃，压力5-10KPa。

3.根据权利要求1或2所述的自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，所述热解气在燃烧区进行燃烧的具体步骤为：将热解气提压至10-15KPa，采用旋流喷射方式，将热解气与水平方向成30-60°夹角切向送入燃烧区。

4.根据权利要求3所述的自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，所述燃烧区分为两级，第一级为贫氧燃烧区，第二级为富氧燃烧区，所述热解气依次经过第一级和第二级燃烧区。

5.根据权利要求4所述的自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，所述高温烟气的温度为700-900℃。

6.根据权利要求3所述的自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，所述生物质经过压缩和粉碎处理，所述生物质压缩后的压实密度为0.5-0.8kg/L，水分7-12％；

所述生物质粉碎后的直径为8-12mm。

7.根据权利要求3所述的自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，所述间接换热方式为，在炭化区的外部设置换热壳层，在所述壳层上设置若干折烟板。

8.根据权利要求7所述的自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，在所述炭化区的外周设置受热扩展面。

9.根据权利要求1-8任一项所述的自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，对所述高温烟气的多余热量进行余热回收。

10.根据权利要求9所述的自供热式连续生产生物质炭的方法，其特征在于，将所述热解气的输送至燃烧区的过程中对其进行伴热。