CN109575966A - 基于农业废料制造固体燃料的系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于农业废料制造固体燃料的系统，从上到下依次包括送料气密闸门(法语为SAS)、反应塔、格栅盒、固体燃料收集系统和固体燃料输出气密闸门，系统还包括与反应塔和格栅盒联接的气体回收及热气发生回路，其中，反应塔为下大上小的锥形并包括位于格栅盒上方且与格栅盒邻近的高温反应区和位于反应区上方的低温冷却区，其中，格栅盒包括多孔的格栅和格栅支撑件，格栅叠置在固定的格栅支撑件上并能相对于格栅支撑件在一水平方向上往复运动。格栅的工作直径为3米至4米，格栅支撑件包括固定的框架以及固定到框架内的相互平行并间隔第一距离的多个横梁和相互平行并间隔第二距离的多个纵梁，多个横梁与多个纵梁相交并固定到彼此。

Description

基于农业废料制造固体燃料的系统

技术领域

本申请涉及农业废料回收领域，所述农业废料尤其为天然农作物的废弃物，例如玉米、小麦秸秆，以及农产品加工业的废弃物，例如花生壳、核桃壳等。

背景技术

众所周知，化石燃料(例如煤炭)的燃烧会产生很多有害的污染物，各国都在通过各种途径寻求降低对它的依赖程度，其中一种途径是寻找清洁替代物。生物能源是一种理想的潜在替代物。

诸如农作物秸秆的农业废料是一种生物质，具有不同含量的碳，而且在中国，每年产生的农业废料体量巨大，完全有可能被处理成有利用价值的清洁生物能源。然而，目前由于各种原因，尤其是由于缺乏合适的技术，大部分人选择将秸秆付之一炬，使得秸秆焚烧成为当今社会的一大毒瘤。

本专利发明人名下的国际专利申请WO2007000548A2(该申请的内容通过引用并入本文)公开了一种对固体有机产品进行蒸馏处理的方法以及实现该方法的系统，经该方法处理的固体有机产品(例如粉碎的被污染木料)将转变为主要含碳的产物，该产物可随后作为固体燃料用在很多场合。该方法主要包括以下步骤：

-将粉碎成碎屑形式的材料从反应塔上端的入口引入反应塔中，该材料在重力作用下自由下落到位于反应塔下部的格栅上。

-在反应塔的下部引入贫氧的热气(该热气的温度取决于所处理的材料，通常介于170至370摄氏度，低于该材料发生绝热燃烧所需的温度)，该热气从下往上穿过格栅，与格栅上的材料接触并发生反应，使该材料中及附着在该材料上的较重有机物的有机键断裂，成为较轻的有机物(可能要经历多次断裂)直至蒸发为气体(主要为可燃烃)，随热气流一起从位于反应塔上端的出口排出到气体回收及热气发生回路中，该气体经过处理之后又成为符合条件的贫氧的热气，再次从反应塔下部被引入其中。在该反应塔中，压强和温度从格栅处从下往上逐渐降低。

-持续地监测反应塔下部的热气入口处的热气温度以及落在格栅上的那层材料的温度，当这两个温度大致相等时(意味着不再有由有机键断裂引起的能量吸收，材料中能够蒸发的有机物已经全部消除，只剩下主要含碳的矿化产物)，使格栅在水平方向上往复运动，打开其所包含的孔，从而使矿化产物从这些孔漏到格栅下方的密封空间，然后在合适的时刻被密封空间中设置的固体产物移除系统移除。同时，随着格栅上矿化产物的下漏，位于其上方的尚未处理完成的材料会落到格栅上，继续发生上述的反应。

上述专利申请公布的系统从上到下依次包括送料气密闸门、反应塔、格栅盒和固体燃料收集系统和固体燃料输出气密闸门，以及与反应塔和格栅盒联接的气体回收及热气发生回路。反应塔为下大上小的锥形并包括位于格栅盒上方且与格栅盒邻近的高温反应区和位于反应区上方的低温冷却区。在该系统中，格栅盒包括具有多个圆形孔的固定格栅和多个长圆形孔的活动格栅构成，活动格栅叠置在固定格栅上并能相对于该固定格栅在水平方向上往复运动，且这两者之间设有呈流化床气垫形式的空隙。该活动格栅的工作直径为2.5米左右。

上述系统主要用于处理被污染的木料(如曾用作电线杆的木头)，而不适用于密度更小的农业废料，且其产能仅为大约2.2吨矿化产物/小时。

为了解决上述困扰社会的污染问题以及提供一种化石燃料的替代物，发明人提出将上述系统和方法用于处理农业废料。为了能够利用该系统将农业废料(通常比木头更轻)转变为干燥稳定的固体燃料并大幅提高产能(至少提高到5吨矿化产物/小时)，发明人对上述系统进行了一系列重大的改进，尤其是其中的关键部件格栅盒。具有原先结构和尺寸的格栅盒已经无法满足新的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的系统，该系统能够以较高的产能将农业废料转变为有价值的固体燃料。

为此，本发明提供了一种基于农业废料制造固体燃料的系统，从上到下依次包括送料气密闸门(法语为SAS)、反应塔、格栅盒、固体燃料收集系统和固体燃料输出气密闸门(法语为SAS)，所述系统还包括与所述反应塔和所述格栅盒联接的气体回收及热气发生回路，其中，所述反应塔为下大上小的锥形并包括位于所述格栅盒上方且与所述格栅盒邻近的高温反应区和位于所述反应区上方的低温冷却区，其中，所述格栅盒包括多孔的格栅和格栅支撑件，所述格栅叠置在固定的所述格栅支撑件上并能相对于所述格栅支撑件在一水平方向上往复运动。所述格栅的工作直径为3米至4米，所述格栅支撑件包括固定的框架以及固定到所述框架内的相互平行并间隔第一距离的多个横梁和相互平行并间隔第二距离的多个纵梁，所述多个横梁与所述多个纵梁相交并固定到彼此。

要提高产能就必须增大单位时间内送入反应塔的待处理废料的量。为此，必须增大反应塔的容积。在不希望增大反应塔的上部直径和高度的情况下，就需要增大反应塔下部的直径，相应地需要增大反应塔中格栅的尺寸。单纯地将现有技术系统中的活动格栅和固定格栅加长加宽会产生一系列问题。首先，由于反应塔的容积增大，其单位时间内的吞吐量加大，这意味着落在格栅上的待处理废料增多，格栅所要支撑的重量也加大。在此情况下，为了保证格栅对待处理废料的良好支撑，并且让活动格栅仍然能够在固定格栅上进行良好的往复运动，必须要使这些格栅具有足够的平面刚度。为此，在它们的长宽增大了的情况下，需要同时增大它们的厚度。然而，本发明方法的工作原理要求热气所穿过的部件(现有技术系统中的固定格栅和活动格栅)尽可能少吸热或不吸热，以便将热气的能量尽可能多地传递到位于活动格栅上的待处理废料使之发生反应。换句话说，本发明方法的工作原理要求热气所穿过的部件具有尽可能小的热质量，因此尽可能小的重量。这一点与传统炉子中对格栅的要求截然相反。在传统炉子中，格栅对位于其上方的炉膛起到冷却元件的作用，而本发明中的格栅则不得阻碍热气能量从下往上的传递。本申请的发明人发现，现有技术系统中的双格栅结构无法同时满足大的平面刚度和小的热质量的双重要求。因此，本申请发明人提出将该双格栅结构替换为上述方案中描述的结构。上述系统中改进后的格栅盒包括多孔的活动格栅和位于其下方的格栅支撑件，该格栅支撑件包括固定的框架和固定到该框架内的横纵梁结构，因此具有较轻的重量(从而具较小的热质量)，同时该结构也能保证足够的刚度，对位于其上的格栅以及格栅上的待处理废料(比原先更多)提供有效的支撑，使得如此大尺寸的格栅能够不翘曲保持平整的状态，从而顺利地在水平方向进行往复运动。根据格栅工作直径为3.5米的实施例，该系统的产能能够达到5吨固体燃料/小时，是原来的两倍多。

上述系统还可以包括以下特征中的一个或多个。

-所述框架为正方形。

-所述多个纵梁在所述水平方向上延伸，所述多个横梁与所述多个纵梁相互垂直。这样的结构易于实现，刚度更高，而且格栅支撑件对格栅的孔的阻碍被最小化，使得格栅上所产生的固体燃料能够更顺畅地通过格栅的孔而落到格栅下方。

-所述多个纵梁中的至少一部分在其长度的至少一部分上设有贯穿其厚度的减重孔。这样能够更进一步降低格栅支撑件的重量，从而降低其热质量。

-所述多个横梁与所述多个纵梁均是带有缺口的长条形薄片，所述多个横梁的缺口卡接到所述多个纵梁的相应缺口，并且每个卡接处均进行了焊接。实验表明，这样的结构同时具有轻质量、高刚度的特点，能够很好地满足本发明的需求。

-所述格栅由至少3块矩形的子格栅构成，所述子格栅可彼此独立地沿所述水平方向往复运动且每个子格栅的长边都沿所述水平方向延伸。与整体式格栅相比，这种结构使得格栅的制造和驱动变得容易，无需特殊的设备和高昂的成本即可制造出尺寸相对较小的子格栅，而且使用普通功率的电机和驱动机构即可实现各子格栅的往复运动。

-所述格栅是打有多个孔的钢板，所述孔沿所述水平方向成排地布置在所述格栅上，并且每相邻N排的孔构成一组且该组内每排孔按相同的方式布置，每相邻两组的孔在垂直于所述水平方向的方向上相互错开，其中N大于或等于2。这种孔的布置方式能够最大化格栅孔的总表面积，使尽可能多的反应产物能够通过这些孔而漏下，并且使格栅尽可能地轻，从而降低其热质量。

-所述多个孔均为跑道形，每个所述孔的短边在所述水平方向上延伸，每个所述孔的长边则在垂直于所述水平方向的方向上延伸。这种形状的孔由于没有容易卡住反应产物的角，能让反应产物顺利通过而不滞留在格栅的孔中造成堵塞。

-所述多个纵梁每个都包括多个朝所述格栅突起并与所述格栅的下表面接触的突起部，所述突起部与所述格栅接触的位置恰好对应于所述格栅的相邻孔之间的实心部。这样，它的实心部能够一直得到所述突起部的有效支撑，使得格栅的往复运动能更平稳地进行。

在本申请中，术语“农业废料”是指来自农业生产的天然植物废弃物或农产品加工业产生的废弃物，包括但不限于各种农作物秸秆、果实壳。

在本申请中，术语“固体燃料”是指主要含碳的能够燃烧的固体物质。

在本申请中，术语“工作直径”是指格栅的与待处理材料接触的表面的最大尺寸，优选地该表面为圆形。

附图说明

下面将参照附图对本申请作进一步的详细说明。本领域技术人员容易理解的是，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本申请的保护范围构成限制。图中相同的附图标记表示相同或相似的部件。为了说明的目的，这些图不一定完全按比例绘制。

图1是根据本发明一个实施例的基于农业废料制造固体燃料的系统的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的格栅盒的示意性俯视透视图。

图3是图2所示格栅盒的示意性俯视图。

图4是图2所示格栅盒的示意性仰视透视图。

图5是图2所示格栅盒的俯视分解示意图。

图6是图2所示格栅盒的仰视分解示意图。

图7是图2所示格栅盒所包括的其中一块子格栅的示意性俯视图。

图8是图7所示方框A处的示意性放大图。

图9是根据本发明一个实施例的格栅孔的形状示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明一个实施例的基于农业废料制造固体燃料的系统。该系统从上到下依次包括送料气密闸门、反应塔1、格栅盒7、位于格栅盒7下方的固体燃料收集系统和固体燃料输出气密闸门，以及与反应塔1和格栅盒7联接的气体回收及热气发生回路3。在该实施例中，回路3包括反应塔上端的气体出口附近的阀门V、气体干燥装置9、燃烧器5、热气发生装置4、增压器6、以及位于不同位置的传感器(例如，温度或压强传感器)。应当理解的是，回路3可以有其它的设计，只要它能够将从反应塔上端排出的气体处理成符合输入条件的贫氧热气即可。“贫氧”是指热气中的氧气含量足够低以至于待处理材料不会发生绝热燃烧，通常氧气含量不超过1％。输入到反应塔中的热气流量恒定、温度恒定，该温度T1随待处理材料的种类而变化，例如当待处理的材料为玉米秸秆时，该温度为大约220摄氏度，当其为未受污染的木屑时，该温度为大约240摄氏度。

在该实施例中，反应塔1高达数米，为下大上小的锥形，并包括位于格栅盒7上方且与格栅盒7邻近的高温反应区1A和位于反应区1A上方的低温冷却区。在该反应塔中，温度从格栅盒处往上逐渐递减。

如图2至6所示，格栅盒7包括热气入口74、与该入口流体联通的盒体75，该盒体的两个主表面上均设有圆形的开口。在该盒体内部设有多孔的格栅72和格栅支撑件73，格栅72叠置在固定不动的格栅支撑件73上并能相对于格栅支撑件73在水平方向X上往复运动。盒体75的上主表面的开口限定了格栅72的工作表面，即接收待处理材料的表面，该开口的直径即为格栅72的工作直径Dw(见图3)。反应塔1密封地设置在格栅盒7上，其底部的内直径刚好对应于格栅72的工作直径。从反应塔1上端送入的待处理材料会落到格栅72的工作表面上。

在该实施例中，格栅72的工作直径为3米至4米，由三块矩形的尺寸较小的子格栅720构成(见图5)，每个子格栅通过其各自的传动机构12联接到一个电机10，它们可彼此独立地沿水平方向X往复运动且每个子格栅的长边都沿水平方向X延伸。与位于两边的子格栅相比，中间的子格栅要承受更大的载荷，因此它的宽度更小，以具有更大的刚度。应当理解的是，子格栅的数量可以是4个、5个甚至更多，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。如图7和图8最佳示出地，每个子格栅720均是打有多个孔721的钢板，这些孔(除了靠近格栅边缘的不完整孔之外)优选为跑道形(见图9)，具有大致相同的长度L和大致相同的宽度w，并沿水平方向X成排地布置在该格栅上，并且每相邻N(这里N为2)排的孔721a、721b构成一组且该组内每排孔按相同的方式布置，每相邻两组的孔在水平方向Y上相互错开。相邻两组孔之间的距离D恰好等于格栅在水平方向X上的行程。应当理解的是，N也可以大于2，例如为3或4，一般从反应塔上端输入的材料越细，N的数量可以越大，相应地，每个孔的宽度w越小；格栅也可以由其它合适的材料制成，只要它能耐受热气的温度，具有尽量低的热质量和足够的刚度。

在该实施例中，格栅支撑件73包括固定的正方形框架733以及固定到该框架内的相互平行并间隔第一距离的多个横梁732和相互平行并间隔第二距离的多个纵梁731，所述多个横梁与所述多个纵梁相交并固定到彼此，其中纵梁731在格栅72的运动方向(即水平方向X)上延伸，横梁732则在与纵梁731垂直的方向(即水平方向Y)上延伸。所述多个横梁732与所述多个纵梁731均是带有缺口的长条形薄片，它们在各自的端部焊接到框架733，所述多个横梁的缺口卡接到所述多个纵梁的相应缺口，并且每个卡接处均进行了焊接。应当理解的是，所述多个横梁732与所述多个纵梁731也可以用其它合适的方式连接，只要能保证足够的连接强度，以对位于其上的格栅和格栅上的载荷提供有效的支撑。有利地，可以在至少一部分(优选地在所有)纵梁731的至少一部分长度上设有贯穿其厚度的减重孔(未示出)。在该实施例中，所述多个纵梁731每个都包括多个朝格栅72突起并与格栅72的下表面接触的突起部7311(见图6)，有利地，该突起部与格栅72接触的位置恰好对应于该格栅的相邻孔之间的实心部722(见图8)。根据一个实施例，格栅72的运动速度达到2个来回/秒。

下面参照图1介绍所述系统是如何工作的。

通过反应塔1上端的送料气密闸门将待处理的农业废料(例如玉米秸秆)引入到反应塔中，该废料在重力作用下自由下落到位于反应塔下部的格栅72上，同时在反应塔的下部通过热气入口74引入贫氧的热气(该热气的温度取决于所处理的废料，低于该废料发生绝热燃烧所需的温度，对玉米秸秆而言，该温度为220摄氏度)，该热气从下往上穿过格栅支撑件73和格栅72，与格栅72上的农业废料接触并发生反应，使该废料中的较重有机物的有机键断裂，成为较轻的有机物(可能要经历多次断裂)直至蒸发为气体(主要为可燃烃)，随热气流一起从位于反应塔1上端的出口排出到气体回收及热气发生回路3中，该气体经过处理之后又成为符合条件的贫氧的热气，再次从反应塔下部被引入其中，如此循环往复。在该反应塔中，压强和温度从格栅处从下往上逐渐降低，因此废料中较重有机物的有机键断裂后变成的气体会被热气带到反应塔上部，在这里遇到较低的温度后冷凝成为液体附着在塔壁上，之后随着格栅上废料温度的上升，这些液体中的有机键会继续断裂，成为更轻的有机物，这样的过程可能会经历若干次，直至这些有机物断裂成为足够轻的气体，从反应塔上端排到循环回路3中。

持续地监测反应塔1下部的热气入口处的热气温度T1以及落在格栅72上的那层材料的温度T2，当这两个温度大致相等时(意味着不再有由有机键断裂引起的能量吸收，材料中能够蒸发的有机物已经全部消除，只剩下主要含碳的矿化产物，即固体燃料)，使格栅72(具体地各子格栅720)在水平方向X上往复运动，打开其所包含的孔721，从而使矿化产物从这些孔漏到格栅72和格栅支撑件73下方的密封空间，然后在合适的时刻被密封空间中设置的固体燃料收集系统收集到固体燃料输出气密闸门中，随后通过该闸门，输出到系统外部。同时，随着格栅72上矿化产物的下漏，位于其上方的尚未处理完成的废料会落到格栅72上，继续发生上述的反应，同时更多的待处理废料被添加到反应塔中。这样，所述系统能够连续地处理农业废料，而且处理产生的废气可被再回收用于实现上述处理，由此形成了能源自主的良性循环。

附图和以上说明描述了本申请的非限制性特定实施例。为了教导发明原理，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施例的变型落在本申请的范围内。本领域技术人员应该理解上述特征能够以各种方式结合以形成本申请的多个变型。由此，本申请并不局限于上述特定实施例，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于农业废料制造固体燃料的系统，从上到下依次包括送料气密闸门、反应塔、格栅盒、固体燃料收集系统和固体燃料输出气密闸门，所述系统还包括与所述反应塔和所述格栅盒联接的气体回收及热气发生回路，其中，所述反应塔为下大上小的锥形并包括位于所述格栅盒上方且与所述格栅盒邻近的高温反应区和位于所述反应区上方的低温冷却区，其中，所述格栅盒包括多孔的格栅和格栅支撑件，所述格栅叠置在固定的所述格栅支撑件上并能相对于所述格栅支撑件在一水平方向上往复运动，其特征在于，所述格栅的工作直径为3米至4米，所述格栅支撑件包括固定的框架以及固定到所述框架内的相互平行并间隔第一距离的多个横梁和相互平行并间隔第二距离的多个纵梁，所述多个横梁与所述多个纵梁相交并固定到彼此。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述框架为正方形。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个纵梁在所述水平方向上延伸，所述多个横梁与所述多个纵梁相互垂直。

4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述多个纵梁中的至少一部分在其长度的至少一部分上设有贯穿其厚度的减重孔。

5.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述多个横梁与所述多个纵梁均是带有缺口的长条形薄片，所述多个横梁的缺口卡接到所述多个纵梁的相应缺口，并且每个卡接处均进行了焊接。

6.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述格栅由至少3块矩形的子格栅构成，所述子格栅可彼此独立地沿所述水平方向往复运动且每个子格栅的长边都沿所述水平方向延伸。

7.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述格栅是打有多个孔的钢板，所述孔沿所述水平方向成排地布置在所述格栅上，并且每相邻N排的孔构成一组且该组内每排孔按相同的方式布置，每相邻两组的孔在垂直于所述水平方向的方向上相互错开，其中N大于或等于2。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述多个孔均为跑道形，每个所述孔的短边在所述水平方向上延伸，每个所述孔的长边则在垂直于所述水平方向的方向上延伸。

9.如权利要求7所述的系统，其中，所述多个纵梁每个都包括多个朝所述格栅突起并与所述格栅的下表面接触的突起部，所述突起部与所述格栅接触的位置恰好对应于所述格栅的相邻孔之间的实心部。