CN109609163A - 利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置以及系统，可以实现对焦油产物的有效收集。焦油收集装置的特征在于包括：导温片，包含：导温横板，和分别从导温横板的四个边部向上延伸的四个导温立臂；滤网部，贴合在导温横板上，包含多层导温滤网，越远离来流方向的导温滤网孔径越小；连接管，为透明石英管，压设在滤网部上；支撑罩，包含：顶板，和从顶板的边缘向下延伸、围绕滤网部和导温片的四个侧壁，每个侧壁上都设有与导温立臂相对应、并让导温立臂向外伸出的伸出口；四个制冷片，分别压接在四个导温立臂的外表面上；四个水冷头，分别与四个制冷片的热面相接触，对制冷片进行散热；以及温控组件，与四个制冷片相连。

Description

利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置以及系统

技术领域

本发明属于焦油收集领域，具体涉及一种利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，和包含该装置的焦油收集系统。

背景技术

生物质热解是指在隔绝空气或供给少量空气的条件下，通过热化学转换，将生物质转变成为木炭、液体和气体等低分子物质的过程。生物质热解技术能够以较低的成本、连续化生产工艺，将常规方法难以处理的低能量密度的生物质转化为高能量密度的气、液、固产物，减少了生物质的体积，便于储存和运输。同时还能从生物油中提取高附加值的化学品。

生物质热裂解根据热解条件有以下三种类型：

(1)慢速热解(烧炭法)

主要用于木炭的烧制，生物质在极低升温速率，温度低于400℃下长时间(几小时～几天)热解，可得到最大限度的焦炭产率为35％(质量分数)，这个过程也称为生物质的炭化。

(2)常规热解

将生物质原料放入常规热解装置中，在低于500℃、较低加热速率(10～100K/min)、热解产物停留时间0.5～5s下热解，可制成相同比例的气体、液体和固体产品(可得到原料重量10％～20％的生物油(焦油)和20％～25％的生物炭)。

(3)快速热解

快速热解是将磨细的生物质原料放入快速热解装置中，生物质在常压、超高加热速率(1000～10000K/s)、超短产物停留时间(0.5～2s)、适中热解温度(500～650℃)下瞬间气化，然后快速凝结成液体，可获得最大限度的液体产率，其产物中的生物油(焦油)一般可以达到原料重量的40％～60％。

在实验研究中，常规的焦油收集装置主要分为吸收式、冷却式和混合式，吸收式主要是以预装有吸收溶剂的多组洗气瓶为收集装置将产生的焦油吸收在溶剂中从而完成焦油的收集；冷却式主要以将含有焦油组分的热蒸气管道浸泡在冷却液中(冰盐水、干冰或液氮)，通过快速冷却的方法将焦油组分冷凝在管壁上实现对焦油产物的收集；混合式就是综合吸收式和冷却式的方法，分步骤分级采用混合吸收冷却的方法对焦油产物进行收集。

然而在快速热解实验装置中，为减少快速热解过程产生的焦油的二次反应，通常通入的气流量都比较大，这使得吸收式的收集方法很难实现，焦油大量集中的释放使得很多热解焦油来不及被溶剂吸收就被排出，同时快速升温过程的热冲击也比较强烈，这也使得吸收式的收集方法中吸收溶剂自身的量也会发生变化，进而无法测量热解产生的焦油的量；快速热解过程的大热冲击也使得冷却式的收集方法难以实现，一方面冷却需要的制冷量较大，冷却液短时间内的制冷量受到传热方式的影响很难保证热冲击下的高效冷却，另一方面，热冲击也很有可能导致冷却液自身发生相变，导致干冰的瞬时大量气化或液氮的沸腾，这使得冷却式的收集方法在实际实验中存在非常大的危险性；吸收式和冷却式焦油吸收方法存在的弊端在混合式吸收方法中均会体现且很难避免。

因此在快速热解实验研究中，高效安全稳定的焦油收集装置是实验装置开发的一个瓶颈。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置以及系统，可以实现快速热解实验研究中对焦油产物的有效收集。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<装置>

本发明提供一种利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于，包括：导温片，包含：中部设有与来流管路出口部相对应连通的入流口的导温横板，和分别从导温横板的四个边部向上延伸的四个导温立臂；滤网部，贴合在导温横板上，包含多层导温滤网，每层导温滤网的孔径不同，越远离来流方向的导温滤网孔径越小；连接管，为透明石英管，并且压设在滤网部上；支撑罩，包含：内侧上表面压住连接管、并且中部设有与连接管的管出口相对应的开口的顶板，和从顶板的边缘向下延伸、围绕滤网部和导温片的四个侧壁，每个侧壁上都设有与导温立臂相对应、并让导温立臂向外伸出的伸出口；四个制冷片，分别压接在四个导温立臂的外表面上；四个水冷头，分别与四个制冷片的热面相接触，对制冷片进行散热；以及温控组件，与四个制冷片相连，通过控制输送给四个制冷片的电量对滤网部和导温片的温度进行控制。

该方案的有益效果是：通过制冷片对导温片及多层滤网进行冷却，利用低温的滤网对焦油进行冷凝收集，避免了传统冷却式收集方法利用低温液体进行冷却在热冲击下可能存在的危险，同时也能够通过温控组件和电源实现对滤网温度的控制，能够实现冷凝收集温度的调控从而进一步拓展了冷却式收集的温度范围。导温片能够将制冷片的冷量高效传出，向上翻起的四个导温立臂配合支撑罩，能够很大程度上节省焦油收集装置所需的空间，使得结构更加紧凑；配合制冷片冷面的结构在充分利用制冷片制冷量的同时也避免了材料过多而浪费制冷片的制冷量。透明石英连接管可作为透明视窗观察内部焦油收集情况，一方面具有非常好的抗热性、化学稳定性和一定的耐寒性，能够适应焦油收集装置中冷热态过程，且不易被腐蚀易于清洗，另一方面相较于金属热导率较低，能够起到一定的隔热保温作用。水冷头的设置一方面能够将制冷片热面的热量带走以保障制冷片的制冷，另一方面也可以实现了制冷片的与支撑罩之间的压连装配。

优选地，在本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置中，还可以具有这样的特征：滤网部包含：贴合在导温横板上的第一导温滤网，贴合在导温第一导温滤网上、并且中部向上凸起的第二导温滤网，以及贴合在第二导温滤网上、且中部向上凸起的第三导温滤网，从第一导温滤网至第三导温滤网，孔径依次减小，但凸起程度依次增大。

该优选特征的有益效果为：三层导温滤网能够很好地导入导温片带来的冷量，保持较低温度；靠近来流方向的滤网采用较大孔径，一方面减小气体阻力，使得携带焦油的热解气能够进一步向后层滤网行进，另一方面也因为接近来流方向，温度较高，负载其上的焦油主要为重质组分，较大的孔径能够避免堵塞；远离来就方向的滤网采用较小的孔径，一方面单位面积上有更多的金属丝材料，能够更好地接受导温片上的冷量，形成多层滤网的冷端，另一方面也能够更好地冷凝携带焦油的热解气中的轻质组分，从而保证快速热解过程焦油产物的收集；向上凸起形成空间结构的滤网可以减少层叠滤网带来的较大的气阻，也方便焦油轻质重质组分的分离，同时增大了后层的滤网与热解气的接触面积，保障轻质组分冷凝需要的接触时间；多层滤网空间结构配合热解气来流，形成来流方向上的温度梯度，同时配合滤网空隙形成接触面积梯度，从而形成初层温度高，接触面积小，冷凝重质组分防堵塞，后层温度低，接触面积大，充分冷凝轻质组分。

优选地，在本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置中，还可以具有这样的特征：第一导温滤网、第二导温滤网、第三导温滤网的孔径比依次为30：18～12：10～5，这样设置效果较佳。

优选地，在本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置中，还可以具有这样的特征：第一导温滤网、第二导温滤网、第三导温滤网的孔径比依次为30：15：7～8，这样设置效果更佳。

优选地，在本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置中，还可以具有这样的特征：第一导温滤网、第二导温滤网、第三导温滤网的凸起高度比依次为1～3：6～10：14，这样设置效果更佳。

优选地，在本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置中，还可以具有这样的特征：凸起形状为正四棱锥形，这样设置效果更佳。

优选地，在本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置中，还可以具有这样的特征：隔温部，包含：设置在支撑罩的顶板与连接管之间的第一隔温垫片，分别设置在支撑罩的四个侧壁的外表面与相对应的导温立臂的内表面之间的四个第二隔温垫片，设置在导温片与来流管路出口部之间的第三隔温垫片。

该优选特征的有益效果为：隔温垫片的设置不仅能够有效地防止导温片的冷量向支撑罩或者周围空气传递，而且还能增强密封性；并且，第二隔温垫片还能够在导温片和支撑罩之间形成软连接，从而避免压连的制冷片受到太大的挤压起到保护作用。

优选地，在本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置中，还可以具有这样的特征：石墨导热贴片，设置在连接管与滤网部之间，粘合面朝向滤网部，并将滤网部按压粘贴在导温横板上。

该优选特征的有益效果为：利用石墨导热贴片将多层滤网粘贴在导温片上，一方面对多层滤网进行初步的固定以便导温片和隔温垫片的装配，另一方面也能够增强导温片与多层滤网之间的热传导，从而保证导温片的冷量高效地传递至滤网；再者也可以填充滤网间隙，配合垫片形成更好的密封；与此同时粘贴的方式也方便多层滤网的拆除，进而实现滤网的快速替换，增加工作效率。

优选地，在本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置中，还可以包括：带孔筛板，设置在连接管中，并且与管出口相平行。

该优选特征的有益效果为：带孔筛板的设置一方面作为焦油收集的最后一道屏障，将部分未冷凝的轻质焦油收集在筛板上，另一方面带孔筛板也可以减缓气流的流动速度，均匀气体在管内的流速，避免携带焦油的热解气因与滤网接触时间短或局部区域聚集而使焦油冷凝收集不完全。

<系统>

进一步，本发明还提供了一种焦油收集系统，其特征在于，包括：多个上述<装置>中所描述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置；和连接构件，包含多组连接件，其中，每个多层滤网焦油收集装置的两端均设有相互匹配的装配孔，任意两个多层滤网焦油收集装置可通过装配孔和连接件固定相连进而配套使用。

附图说明

图1是本发明实施例涉及的多层滤网焦油收集装置的结构示意图；

图2是本发明实施例涉及的多层滤网焦油收集装置的分解图；

图3是本发明实施例涉及的导温片的结构示意图；

图4是本发明实施例涉及的滤网部的结构示意图；

图5是本发明实施例涉及的连接管和筛板的结构示意图，其中(a)是立体图，(b)是侧视图；

图6是本发明实施例涉及的支撑罩的结构示意图，其中(a)是立体图，(b)是侧视图；

图7是本发明实施例涉及的多层滤网焦油收集装置去掉两个制冷片和两个水冷头后的结构示意图；

图8是本发明实施例涉及的支撑罩和导温片的安装关系示意图。

具体实施方式

下参照附图对本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置以及系统作详细阐述。

<实施例>

如图1和2所示，多层滤网焦油收集装置10与来流管路20相连通，对来流管路20输送来的高温热解气体进行冷凝并收集液化后的焦油。多层滤网焦油收集装置10包括导温片11、滤网部12、连接管13、带孔筛板14、石墨导热贴片15、支撑罩16、隔温部17、四个制冷片18、四个水冷头19以及温控组件(图中未显示)。

如图3所示，导温片11采用导温性能优异的金属材料制成，它包含导温横板11a和四个导温立臂11b。导温横板11a的中部设有与来流管路出口部相对应连通的入流口，四周部上均匀设有八个装配孔。四个导温立臂11b分别从导温横板11a的四个边部开始向外伸出并且向上延伸一定高度(向上翻起)。

如图2和4所示，滤网部12贴合在导温横板11a上，沿着来流方向依次包含三层导温滤网，均为导温性能优异的金属材料制成。三层导温滤网分别为第一导温滤网12a、第二导温滤网12b和第三导温滤网12c。第一导温滤网12a贴合在导温横板11a上，并且中部略微向上拱形成第一凸起12a-1。第二导温滤网12b贴合在导温第一导温滤网12a上，并且中部也向上拱形成第二凸起12b-1。第三导温滤网12c贴合在第二导温滤网12b上，并且中部同样向上拱形成第三凸起12c-1。

本实施例中，第一凸起12a-1、第二凸起12b-1和第三凸起12c-1均为正四棱锥形，并且底面积相等，凸起高度依次为1mm、8mm、14mm。另外，在图2和4中，由于各导温滤网的网孔过细，故并未显示出，设导温滤网12a至12c上网孔的孔径依次为D1～D3，则应满足D1＞D2＞D3。本实施例中，第一导温滤网12a为70目，丝粗0.1mm，孔径D2＝0.3mm；第二导温滤网12b为120目，丝粗0.07mm，孔径D2＝0.15mm；第三导温滤网12c为200目，丝粗0.05mm，孔径D1＝0.074mm。

另外，在第一导温滤网12a、第二导温滤网12b和第三导温滤网12c的四周部上都均匀设有八个装配孔，与导温片11上的装配孔相对应。

如图5所示，连接管13为透明石英管，并且压设在滤网部12上。在连接管13两端的四周部上都均匀设有八个装配孔，与滤网部12上的装配孔相对应。连接管13不仅作为透明视窗观察内部焦油收集情况，而且抗冷热冲击和耐腐蚀性能好，并且还能够起到一定的隔热保温作用。

带孔筛板14设置在连接管13中，并且与管出口相平行，它一方面作为焦油收集的最后一道屏障，将部分未冷凝的轻质焦油收集在筛板上，另一方面也可以减缓气流的流动速度，均匀气体在管内的流速，使焦油被均匀冷凝，充分收集。本实施例中，带孔筛板14的孔径为1mm；带孔筛板14与第三凸起12c-1顶端的间距应大于5mm，本实施例中间距为8.5mm。

如图2所示，石墨导热贴片15设置在连接管13与滤网部12之间，石墨导热贴片15的下表面上设有粘接层，该粘接层朝向第三导温滤网12c，并通过滤网上的网孔与导温横板11a相接触进而粘接在一起，从而将第三导温滤网12c、第二导温滤网12b和第一导温滤网12a均密封压贴在导温横板11a上。并且，在石墨导热贴片15的四周部上均匀设有八个装配孔，与连接管13上的装配孔相对应。

如图2和6所示，支撑罩16包含顶板16a和四个侧壁16b。顶板16a的内侧上表面与连接管13相对应，中部设有与连接管13的管出口相对应的开口，四周部上都均匀设有八个装配孔，与连接管13上的装配孔相对应。四个侧壁16b从顶板16a的边缘向下延伸，围绕滤网部12和导温片11；每个侧壁16b上设有与导温立臂11b相对应，并让导温立臂11b向外伸出的伸出口16b-1；如图7和8所示，导温立臂11b通过伸出口16b-1伸出后向上延伸至内侧面与侧壁16b相对向，并且与侧壁16b间隔一定距离。另外，为了冷量被支撑罩16消耗，同时为了有效散热，在每个侧壁16b上部还开始有散热口16b-2。此外，在每个侧壁16b的左右两边部上都开设有纵向延伸的安装槽16b-3，用于安装水冷头19。

隔温部17用于防止冷量向支撑罩16或者周围空气传递。它包含第一隔温垫片17a、四个第二隔温垫片(图中未显示)和第三隔温垫片17b。第一隔温垫片17a设置在支撑罩16的顶板16a与连接管13之间。四个第二隔温垫片分别设置在四个侧壁16b的外表面与相对应的导温立臂11b的内表面之间。第三隔温垫片17b设置在导温横板11a下表面与来流管路20的出口部之间。

如图1和2所示，四个制冷片18分别压接在四个导温立臂11b的外表面上，与四个导温立臂11b紧密贴合，输出冷量。本实施例中，采用的制冷片18为三层结构，由外向内表面积逐层减小，呈阶梯状，这种结构制冷效果更好，冷面与热面可以达到更大温差。

四个水冷头19分别与四个制冷片18的热面相接触，用于对制冷片18进行散热。水冷头19上设有进水口和出水口，内部设有水冷通道，进水口和出水口与循环水冷组件(图中未显示)相连，让水冷液进行循环，不断带走制冷片18热面的热量。在每个水冷头19的四个角上都开设有安装孔，四个安装孔与侧壁16b两边部上的两个安装槽16b-3相对应，通过连接件(例如螺栓和螺母)紧固安装在一起。

另外，在制冷片18和导温片11接触面、水冷头19和制冷片18的接触面上均涂油热导率高的导热硅脂，这样能够有效地降低界面热阻，能够更好地将制冷片18冷面的冷量和热面的热量分别传递给导温片11和水冷头19，一方面能够使得导温片维持较低的温度，另一方面也及时将热面的热量传递出去，从而保证制冷片18的高效制冷。

石英连接管可作为透明视窗观察内部焦油收集情况。

温控组件与四个制冷片18相连，通过控制输送给四个制冷片18的电量对滤网部12和导温片11的温度进行控制。

另外，上文提到的各结构上设置的装配孔，均通过连接件(例如，螺栓和螺母)紧固安装在一起。并且，在需要采用两个以上多层滤网焦油收集装置10对焦油进行收集的情况下，还可以通过装配孔和连接件将相邻固定相连进而配套使用。

以上是本实施例所提供的光流控检测器10的具体结构，基于上述结构，多层滤网焦油收集装置10的工作过程为：首先，通过温控组件调控制冷片18产生冷量，同时使水冷头19内通入水冷液通进行循环对制冷片18热面进行散热，使冷面能够持续制冷；冷面上的冷量传导至导温片11，进而传递给滤网部12，第一导温滤网12a、第二导温滤网12b和第三导温滤网12c与来流管路20输送来的高温热解气体充分接触，并逐层冷凝，分离热解气体中的轻质和重质组分，使得轻质组分(焦油)充分冷凝。接着，然后由带孔筛板14将热解气体中部分未冷凝的焦油收集在筛板上，进一步收集焦油。在焦油收集过程中，可通过连接管13观察内部焦油收集情况。另外，还可以根据具体情况，通过温控组件调对冷片18对滤网部12和导温片11的温度进行调节。

以上仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置以及系统并不仅仅限定于在以上中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于，包括：

导温片，包含：中部设有与来流管路出口部相对应连通的入流口的导温横板，和分别从所述导温横板的四个边部向上延伸的四个导温立臂；

滤网部，贴合在所述导温横板上，包含多层导温滤网，每层导温滤网的孔径不同，越远离来流方向的导温滤网孔径越小；

连接管，为透明石英管，并且压设在所述滤网部上；

支撑罩，包含：内侧上表面压住所述连接管、并且中部设有与所述连接管的管出口相对应的开口的顶板，和从所述顶板的边缘向下延伸、围绕所述滤网部和所述导温片的四个侧壁，每个所述侧壁上都设有与所述导温立臂相对应、并让所述导温立臂向外伸出的伸出口；

四个制冷片，分别压接在四个所述导温立臂的外表面上；

四个水冷头，分别与四个所述制冷片的热面相接触，对所述制冷片进行散热；以及

温控组件，与四个所述制冷片相连，通过控制输送给四个所述制冷片的电量对所述滤网部和所述导温片的温度进行控制。

2.根据权利要求1所述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于：

其中，所述滤网部包含：贴合在所述导温横板上的第一导温滤网，贴合在所述导温第一导温滤网上、并且中部向上凸起的第二导温滤网，以及贴合在所述第二导温滤网上、且中部向上凸起的第三导温滤网，

从所述第一导温滤网至所述第三导温滤网，孔径依次减小，但凸起程度依次增大。

3.根据权利要求2所述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于：

其中，所述第一导温滤网、所述第二导温滤网、所述第三导温滤网的孔径比依次为30：18～12：10～5。

4.根据权利要求2所述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于：

其中，所述第一导温滤网、所述第二导温滤网、所述第三导温滤网的孔径比依次为30：15：7～8。

5.根据权利要求1所述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于：

其中，所述第一导温滤网、所述第二导温滤网、所述第三导温滤网的凸起高度比依次为1～3：6～10：14。

6.根据权利要求2所述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于：

其中，所述凸起形状为正四棱锥形。

7.根据权利要求1所述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于：

隔温部，包含：设置在所述支撑罩的所述顶板与所述连接管之间的第一隔温垫片，分别设置在所述支撑罩的四个所述侧壁的外表面与相对应的所述导温立臂的内表面之间的四个第二隔温垫片，设置在所述导温片与所述来流管路出口部之间的第三隔温垫片。

8.根据权利要求1所述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于，还包括：

石墨导热贴片，设置在所述连接管与所述滤网部之间，粘合面朝向所述滤网部，并将所述滤网部按压粘贴在所述导温横板上。

9.根据权利要求1所述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置，其特征在于，还包括：

带孔筛板，设置在所述连接管中，并且与所述管出口相平行。

10.一种焦油收集系统，其特征在于，包括：

多个如权利要求1所述的利用制冷片冷却的多层滤网焦油收集装置；和

连接构件，包含多组连接件，

其中，每个所述多层滤网焦油收集装置的两端均设有相互匹配的装配孔，

任意两个所述多层滤网焦油收集装置可通过所述装配孔和所述连接件固定相连进而配套使用。