CN112480946B

CN112480946B - 用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置及使用方法

Info

Publication number: CN112480946B
Application number: CN202011315375.9A
Authority: CN
Inventors: 张俊霞; 王泽华
Original assignee: Shaoyang University
Current assignee: Shaoyang University
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2040-11-20
Also published as: CN112480946A

Abstract

本发明属于农林废弃物生物质能利用技术领域，公开了一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置，该装置包括依次连接的真空泵Ⅰ、抽气管Ⅰ、反应管、缓冲室、出气管、冷凝器、接管、真空泵Ⅱ和排气管；在抽气管Ⅰ上设有调节阀Ⅰ；反应管设置在加热炉内，反应管内设有用于承载废塑料和生物质的反应盘，在反应管上设有真空表，在反应管与抽气管连接的一端设有进气阀；在反应管与抽气管连接的一端还连接有用于通入热解气体的加气管，加气管上设有加气阀；出气管上设有出气阀；在接管上连接有温度计Ⅰ和调节阀Ⅱ。该装置可实现炉内温度、真空度的自动调节，具有较高的气化效率。本发明还公开了其使用方法，过程简单，易操作。

Description

用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置及使用方法

技术领域

本发明属于农林废弃物生物质能利用技术领域，涉及一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置及使用方法。

背景技术

生物质能是世界上应用最广泛的可再生能源，农林废弃物是一种重要的生物质资源，是气化或热解制氢的优质原料。固体废弃物塑料给环境造成白色污染，废塑料中的C、H元素有助于提高生物质气化或热解产物中H₂和CH₄的产量，因此，将生物质和废塑料混合热解是一种提高气化产物中可燃气体产量的有效方法。然而，现有生物质热解或气化多在常压或高压炉内实现，高压或常压气氛不利于废塑料降解，气化效率低、气体产物热值低，相比之下，热解压力低于大气压力不仅有助于废塑料热解，还有助于生物质热解气体尽快从生物质表面解析出来，提高生物质和废塑料的热解效率，并提高可燃气体的产量。因此，有必要提出一种可以提供真空环境的热解装置来提高生物质和废塑料的热解或气化效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置及使用方法，解决了现有技术在生物质和废塑料热解过程中气化效率低、气体产物热值低的弊端。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置，包括依次连接的真空泵Ⅰ、抽气管Ⅰ、反应管、缓冲室、出气管、冷凝器、接管、真空泵Ⅱ和排气管；在抽气管Ⅰ上设有调节阀Ⅰ；

反应管设置在加热炉内，反应管内设有用于承载废塑料和生物质的反应盘，在反应管上设有真空表，在反应管与抽气管连接的一端设有进气阀；

在反应管与抽气管连接的一端还连接有用于通入热解气体的加气管，加气管上设有加气阀；出气管上设有出气阀；

在接管上连接有温度计Ⅰ和调节阀Ⅱ。

进一步，在反应管的顶端设有上法兰，在反应管的底端设有下法兰。

进一步，接管上安装有燃气流量表和灰尘干燥器。

进一步，加热炉上安装有压力表和温度计。

进一步，加热炉外设有保温层。

进一步，保温层由多晶莫来石纤维制成。

进一步，反应盘为多孔板。

进一步，在抽气管Ⅰ和真空泵Ⅰ之间连接有水汽干燥器。

进一步，在反应管下端与缓冲室通过下流管连接，下流管上设有止回阀。

本发明还公开了所述真空度可调装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、在反应盘上放置废塑料和生物质，关闭出气阀，打开进气阀，启动真空泵Ⅰ，为反应管抽真空，使得反应管达到最大真空度；

S2、打开调节阀Ⅰ，调节真空度达到确定值，观察真空表的读数；

S3、开启加热炉，加热反应管；

S4、打开加气阀和出气阀，为加热炉通入气化气水蒸气；

S5、打开真空泵Ⅱ，同时打开调节阀Ⅱ，观察加反应管上的真空表的读数；

S6、调节调节阀Ⅱ的开度大小，使得真空表上的读数为指定位置；

S7、取热解过程中不同加热温度下的热解气体产物样本，以待检测分析；

S8、读取不同加热时间真空表的读数，并记录；

S9、保温时间到，关闭加热炉的电源，打开出气阀和调节阀Ⅱ；

S10、取热解完成时的气体产物，以待测量分析。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置，包括真空泵、反应管、真空表、加热炉、缓冲室、反应盘和各种阀门管道等，通过真空泵Ⅰ抽走反应管内的空气，使得反应管在真空缺氧条件下反应，有利于热解产物沸点降低、快速析出、加速降解，从而转化为更多的CH₄和H₂；通过真空泵Ⅱ调节反应管内的真空度，保证反应管内维持在一定真空度下，有助于生物质热解气体尽快从生物质表面解析出来，提高生物质和废塑料的热解效率，并提高可燃气体的产量。通过本装置可以可以将不同种类和粒径的废塑料和生物质热压成型颗粒在不同真空度和高温下热解，从而获得不同真空度气氛下的生物质热解、气化行为，来提高气体产物中生物氢烷的种类和活性炭的品质。该装置结构简单紧凑、操作安全，可实现炉内温度、真空度的自动调节，具有较高的气化效率。

进一步，保温层采用多晶莫来石纤维，它具有热容小、重量轻、导热系数小，是炉体保温的优选绝热材料。

进一步，在抽气管Ⅰ和真空泵Ⅰ之间连接有水汽干燥器，水汽干燥器可以干燥真空泵Ⅰ抽取出来的加热炉内的气体，保护真空泵Ⅰ不受到水蒸汽的腐蚀。

进一步，在接管上连接有灰尘干燥器，用于去除气体产物中的灰尘粒子。

本发明还公开了所述真空度可调装置的使用方法，初始时，只开启真空泵Ⅰ，关闭真空泵Ⅱ，加热前使反应管处于真空度状态；当反应一段时间以后，开启真空泵Ⅱ，保证反应管内的压力不能过大，维持一定的真空度，利于反应的持续进行。过程简单，易操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：1为真空泵Ⅰ；2为水汽过滤器；3为调节阀Ⅰ；4为抽气管Ⅰ；5为进气阀；6为上法兰；7为反应管；8为压力表；9为加热炉；10为温度计；11为反应盘；12为下法兰；13为出气管；14为出气阀；15为冷凝器；16为接管Ⅰ；17为燃气流量表；18为排气管；19为温度计Ⅰ；20为接管Ⅱ；21为真空泵Ⅱ；22为灰尘过滤器；23为调节阀Ⅱ；24为真空表；25为加气阀；26为加气管；27为下流管；28为止回阀；29为真空表I；30为缓冲室。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明公开了一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置，包括依次连接的真空泵Ⅰ1、抽气管Ⅰ4、反应管7、缓冲室30、出气管13、冷凝器15、接管、真空泵Ⅱ21和排气管18；在抽气管Ⅰ4上设有调节阀Ⅰ3；反应管7设置在加热炉9内，反应管7内设有用于承载废塑料和生物质的反应盘11，在反应管7上设有真空表24，在反应管7与抽气管连接的一端设有进气阀5；在反应管7与抽气管连接的一端还连接有用于通入热解气体的加气管26，加气管26上设有加气阀25；出气管13上设有出气阀14；在接管上连接有温度计Ⅰ19和调节阀Ⅱ23。

更优地，反应管7的上方连接有上法兰6，下方连接有下法兰12，内部放置有反应盘11，在上法兰6上安装有加气管26，加气管26上面安装有加气阀25，上法兰6上还安装有真空表24，真空泵Ⅰ1通过抽气管Ⅰ4接在上法兰6上。

具体地，反应管7放置在加热炉9中，在加热炉9的上方安装有压力表8和温度计10；下法兰12通过下流管27与缓冲室30相互连接，下流管27安装有止回阀28，缓冲室30上安装有真空表Ⅰ29，缓冲室30通过出气管13与冷凝器15相互连接，出气管13上安装有出气阀14，冷凝器15的另一端通过接管Ⅰ16与燃气流量表17相接，燃气流量表17的另一端接有接管Ⅱ20，在接管Ⅱ20上温度计Ⅰ19、灰尘干燥器22和调节阀Ⅱ23，接管Ⅱ20的另一端接有真空泵Ⅱ21，真空泵Ⅱ21的另一端安装有排气管18。

工作开始时，令真空泵Ⅱ21不工作，真空泵Ⅰ1工作。首先在反应管7内部放置的反应盘11上面放置一定量的废塑料和生物质，然后关闭出气阀14，打开真空泵Ⅰ1，抽取反应管7内空气，使其通过水汽过滤器2，当抽取真空到一定值，观察真空表24读数，直到达到指定真空度，关闭真空泵Ⅰ1和调节阀Ⅰ3。开始为加热炉9加热，设定一定升温速率使炉温达到一定值，反应管7内的生物质和废塑料开始共热解，在热解过程中，由于气体产物的产生，反应管7内的真空度会下降。为了维持反应管7内的真空度，令真空泵Ⅱ21工作。打开出气管13上的出气阀14，利用安装在冷凝器15后方的真空泵Ⅱ21抽取反应管7内的热解气体，这些热解气体通过下流管27进入到缓冲室30中，然后进一步流入冷凝器15、燃气流量计17，使反应管7处于一定的真空度；同时打开调节阀Ⅱ23，来调节反应管7内的真空度大小，随时观察反应管7上的真空表24的读数，使反应管7的压力维持一定的真空度，此时，反应管7可以在一定的真空度下一直热解，该真空度是热解过程的恒定压力。

保持反应管7所在的加热炉9密封效果良好，否则反应管7的初始真空度会被破坏，加热炉9在加热后成也会因为压力升高而发生气体溢出，很危险。

热解气体可以采用水蒸气、甲烷等，这样可以通过自吸方式持续吸入不同气体，促进废塑料和生物质共热解。

下流管27上安装的止回阀28是耐高温不锈钢单向阀，它只允许反应管7中的燃气流入到缓冲室30，而缓冲室30中的气体不能反窜入反应管，用来保护反应管7中的真空度。同样地，出气阀14可采用耐高温不锈钢球阀。

缓冲室30总要维持给定的真空度，以保证反应管7有稳定的真空度。缓冲室30宜采用扩散形，能够产生一定的抽吸效应，有利于反应管7中气体产物涌出反应管7。采用耐高温不锈钢加工，壁面厚度为10mm，总体积为5～6倍反应管7体积。

加热炉9的加热功率为12kW，升温速率为5℃/mⅠn，热解温度可从100～1100℃调节，保温时间也可以自行设定，可连续工作48h。该加热炉9的内部安装有90mm内径和1m长的垂直反应管7，它的上下端分别连接有上法兰6和下法兰12，整个炉体采用多晶莫来石纤维密封保温。

冷凝器15为套管换热器，内管内径为10mm，外管内径为50mm，套管长为600mm。

更优地，在抽气管Ⅰ和真空泵Ⅰ之间连接有水汽干燥器2；在接管上连接有灰尘干燥器22。

水汽干燥器2可以干燥真空泵Ⅰ1抽取出来的加热炉9内的气体，保护真空泵Ⅰ1不受到水蒸汽的腐蚀。

水汽干燥器2中可以采用石灰石、盐和面粉的混合物作为吸收剂，还可考虑使用无水氯化钙、无水硫酸镁、碱石灰、活性氧化铝等。

灰尘干燥器22可以去除气体产物中的灰尘粒子。可以优先选择椰壳活性炭、松木活性炭或玉米棒芯活性炭等。

将来自冷凝器15的气体送入燃气流量表17测取质量流量，然后送入相关仪器中检测气体成分和含量。燃气流量表17可以采用LML型湿式气体流量计，量程为0～200m³/h。

反应盘11为多孔板，可采用不锈钢加工制作，厚度为3mm，多孔板直径为44mm，可悬空内嵌在反应管7的中下段，多孔板上的孔径在微米级，可选择加工孔径尺寸在0.3mm～1mm的多孔板，便于研究不同粒径的废塑料和生物质颗粒的气化过程。

废塑料可以选择聚丙烯、聚丙烷、聚乙烯等，生物质可以选择秸秆、稻壳、玉米棒芯、栗子壳、椰子壳等，将它们粉碎为粉末状，以一定比例均匀混合配比，然后热压成型，以便于热熔废塑料对生物质形成黏连。

气化过程中，利用废塑料熔融裂解，一方面形成孔隙率，另一方面形成黏连，，利用废塑料热解中含有的较高的C、H元素，来提高气体产物中甲烷和氢气的产量。

在加热炉9的运行中，需要调节真空度、废塑料和生物质颗粒度和配比、热解气氛质量流量来获得最高氢气体积分数。

在采用本发明一种用于废塑料和生物质共热解的高温真空度可调的气化炉装置时，具体分为以下几个步骤：

1)打开上法兰6，在反应盘11上放置一定质量和配比的废塑料和生物质，关闭6；

2)关闭出气阀14，打开进气阀5，启动真空泵Ⅰ1，为反应管7抽真空，使得反应管7达到最大真空度；

3)打开调节阀Ⅰ3，调节真空度达到确定值，观察真空表24的读数；

4)关闭真空泵Ⅰ1；

5)为加热炉9通电加热，调节加热速率、最高温度、保温时间；

6)打开加气阀25和出气阀14，为加热炉9通入气化气水蒸气；

7)打开真空泵Ⅱ21，同时打开调节阀Ⅱ23，观察加反应管7上的真空表24的读数；

8)调节调节阀Ⅱ23的开度大小，使得真空表24和真空表Ⅰ29上的读数为指定位置；

9)热解过程中随时可以从灰尘干燥器22中取不同加热温度下的热解气体产物样本，以待检测分析；

10)读取不同加热时间真空表24的读数，并记录；

11)保温时间到，关闭加热炉9的电源，打开出气阀14和调节阀Ⅱ23；

12)取样气体产物，以待测量分析。

13)热解结束，关闭真空泵Ⅱ21、为加热炉9停电。

对照例1

对10g麦秸和聚丙烷在加热炉9中通入空气进行热解，调节压力为常压，气体产物热解终温为1000℃，升温速率为10℃/mⅠn，保温时间为20mⅠn，热解时间为2小时，热解气体产物经测量发现氢气容积分数为12.7％。

对照例2

对10g麦秸和聚丙烷在加热炉9中通入水蒸气进行热解，调节压力为常压，气体产物热解终温为1000℃，升温速率为10℃/mⅠn，保温时间为20min，热解时间为1小时50分钟，热解气体产物经测量发现氢气容积分数为29.5％。

实施例1

采用本发明对10g麦秸和聚丙烷在加热炉9中自热解，调节反应管7真空度为5kPa，气体产物热解终温为1000℃，升温速率为10℃/min，保温时间为20min，热解时间为2小时，热解过程中反应管7压力升高为0.31MPa，热解气体产物经测量发现氢气容积分数为17.5％，比未抽真空提高了4.8％。

实施例2

采用本发明对10g麦秸和聚丙烷与水蒸气在加热炉9中共热解，调节其反应管7中真空度为8kPa，气体产物热解终温为900℃，升温速率为10℃/min，保温时间为20min，热解时间为1小时50分钟，热解过程中微调调节阀Ⅱ23使得反应管7压力始终为8kPa，900℃的热解气体产物经测量发现氢气容积分数为38.7％，比未抽真空提高了9.2％。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置，其特征在于，包括依次连接的真空泵Ⅰ(1)、抽气管Ⅰ(4)、反应管(7)、缓冲室(30)、出气管(13)、冷凝器(15)、接管、真空泵Ⅱ(21)和排气管(18)；在抽气管Ⅰ(4)上设有调节阀Ⅰ(3)；

反应管(7)设置在加热炉(9)内，反应管(7)内设有用于承载废塑料和生物质的反应盘(11)，在反应管(7)上设有真空表(24)，在反应管(7)与抽气管连接的一端设有进气阀(5)；

在反应管(7)与抽气管连接的一端还连接有用于通入热解气体的加气管(26)，加气管(26)上设有加气阀(25)；出气管(13)上设有出气阀(14)；

在接管上连接有温度计Ⅰ(19)和调节阀Ⅱ(23)；

在抽气管Ⅰ(4)和真空泵Ⅰ(1)之间连接有水汽干燥器；

在反应管(7)下端与缓冲室(30)通过下流管(27)连接，下流管(27)上设有止回阀(28)。

接管上安装有燃气流量表(17)和灰尘干燥器；

加热炉(9)上安装有压力表(8)和温度计(10)。

2.根据权利要求1所述的一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置，其特征在于，在反应管(7)的顶端设有上法兰(6)，在反应管(7)的底端设有下法兰(12)。

3.根据权利要求1所述的一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置，其特征在于，加热炉(9)外设有保温层。

4.根据权利要求1所述的一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置，其特征在于，保温层由多晶莫来石纤维制成。

5.根据权利要求1所述的一种用于废塑料和生物质共热解的真空度可调装置，其特征在于，反应盘(11)为多孔板。

6.权利要求1～5任意一项所述真空度可调装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在反应盘(11)上放置废塑料和生物质，关闭出气阀(14)，打开进气阀(5)，启动真空泵Ⅰ(1)，为反应管(7)抽真空，使得反应管(7)达到最大真空度；

S2、打开调节阀Ⅰ(3)，调节真空度达到确定值，观察真空表(24)的读数；

S3、开启加热炉(9)，加热反应管(7)；

S4、打开加气阀(25)和出气阀(14)，为加热炉(9)通入气化气水蒸气；

S5、打开真空泵Ⅱ(21)，同时打开调节阀Ⅱ(23)，观察加反应管(7)上的真空表(24)的读数；

S6、调节调节阀Ⅱ(23)的开度大小，使得真空表(24)上的读数为指定位置；

S8、读取不同加热时间真空表(24)的读数，并记录；

S9、保温时间到，关闭加热炉(9)的电源，打开出气阀(14)和调节阀Ⅱ(23)；

S10、取热解完成时的气体产物，以待测量分析。