CN113150808A - 基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解方法及系统 - Google Patents

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韩亨达
李寒剑
王鑫
熊哲
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徐俊
江龙
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苏胜
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Abstract

本发明公开一种基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解方法及系统，方法具体包括以下步骤：步骤1、将预处理后的生物质送入热解炉中，得到热解焦、焦油和燃料气；步骤2、用聚光器将太阳光聚集照射到所述步骤1获得的热解焦上以加热热解焦，再将加热后的热解焦送入所述热解炉中与生物质共同热解；系统包括热解炉、聚光器和输送装置，所述输送装置用以将所述热解炉出料口处的热解焦输送至所述热解炉的进料口处，所述聚光器设置在所述输送装置的一侧，其用以将太阳光聚集照射以加热所述输送装置输送通道上的热解焦并加热。本发明利用热解焦吸收太阳能热量作为热载体，循环进入所述热解区为生物质提供热解所需的热量，提高太阳能能量吸收效率。

Description

基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解方法及系统
技术领域
本发明涉及含纤维素物料分解的技术领域，具体涉及一种基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解方法及系统。
背景技术
生物质是唯一的可再生碳基能源，是自然界最稳定的可再生能源之一。我国生物质储能丰富，但大量生物质资源未得到充分利用。将生物质转化为能源或化工原料是当前生物质转化的发展趋势。生物质通过热解可转化为高吸附能力的热解焦，燃气等，这种分级利用方式使得生物质利用更加灵活，热解被认为是生物质高效利用发展趋势。但由于热解过程需要吸热，在传统热解系统中，生物质热解生成的油/气等往往有很大部分被直接燃烧，以致生物质热解系统经济性欠佳，通过太阳能供热取代生物质热解产物回燃供能是提高生物质热解经济性的有力手段。
但当前采用太阳能直接对生物质进行热解的装置，距离实际应用还有很远距离，究其原因在于太阳能不稳定、太阳能热解装置投资成本高昂，且太阳能受天气变化影响极大，能量波动显著，采用太阳能聚光直接对生物质进行热解，由于太阳能不稳定，生物质热解产品难以保证；同时由于生物质黑度低，吸热能力弱，太阳能转化效率低，热解过程中会有大量挥发分生成、冷凝与镜片，导致沾污，影响太阳能投射效率。
还有部分对生物质进行热解的装置通过太阳能加热熔盐来间接加热生物质，加热熔盐能够有效缓解沾污问题，并可通过提高熔盐罐黑度来提升太阳能吸热效率，但是采用熔盐吸收太阳能所需的太阳能热解系统的体积、投资和运行成本成倍增加，间接加热效率低，同时还有熔盐泄露的风险。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种体积小、投资小和运行成本低的生物质热解系统。
一种基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将预处理后的生物质送入热解炉中，得到热解焦、焦油和燃料气；
步骤2、用聚光器将太阳光聚集照射到所述步骤1获得的热解焦上以加热热解焦，再将加热后的热解焦送入所述热解炉中与生物质共同热解。
优选地，所述步骤2中热解焦加热后的温度为600-700℃。
优选地，所述步骤2中送入所述热解炉的热解焦和生物质的质量比为0.5-3:1。
一种基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统，还包括焦油分离收集装置和燃烧炉，所述热解炉的外壁上套设有夹套，所述夹套与热解炉的外壁之间留有空隙，且所述夹套、所述热解炉外壁以及二者之间的间隙构成加热腔，所述夹套上设有与所述加热腔连通的进气口和出气口，所述热解炉的排气口用以与所述焦油分离收集装置的进气口连通，所述焦油分离收集装置的出气口用以与所述燃烧炉的进气口连通，所述燃烧炉的出气口用以与所述夹套的进气口连通，所述夹套的出气口用以与外部连通。
优选地，还包括内部中空的箱体，所述输送装置的输送通道穿过所述箱体，所述箱体上分别设有与其内部连通且位于所述输送装置的输送通道下方的进风口和出风口，所述夹套的出气口与所述箱体的进风口连通，所述箱体的出风口与外部连通。
优选地，还包括干燥器和风机，所述干燥器用以将生物质输送至所述热解炉的进料口，所述箱体的出风口通过管道与所述干燥器的进风口连通，所述风机的出风口与所述管道连通，其用以向所述管道内送入冷空气。
优选地，还包括冷却器，所述热解炉的出料口与所述冷却器的入料口连通，所述冷却器的出料口用以将冷却后的热解焦输送至所述输送装置的进料端处。
优选地，所述热解炉的进料口向其炉膛内部按顺序依次交叉输送热解焦和生物质，且输送至所述热解炉的炉膛同一批次的原料的起始原料和末端原料均为热解焦。
优选地，所述热解炉的炉膛内具有沿其长度方向分布的螺旋轴，所述热解炉内壁上设有温度传感器，且所述温度传感器的检测部靠近所述螺旋轴的翅片。
本发明所述利用热解焦吸收太阳能热量作为热载体循环进入所述热解区为生物质提供热解所需的热量，具有以下优点：1)部分热解热量由太阳能提供，固化太阳能，同时降低传统生物质热解过程需要燃烧部分生物质提供热量，提高热解产品品质，减少碳排放；2)热解完成后的热解焦的黑度值高，对太阳能能量吸收的效率高；3)采用热解焦间接加热所述生物质，有效的解决了太阳能直接加热生物质后产生玷污而影响太阳能吸收效率的问题；4)新鲜热解焦中富含的活性官能团、碱土金属能有效的催化生物质的裂解，有利于提高生物质热解产品的品质；
本发明还利用生物质热解气燃烧高温烟气配合太阳能加热系统，解决太阳能加热稳定性差难题，提高热解区内温度的稳定性，有利于生物质热解产品品质调控，实现了太阳能与生物质能两种可再生能源的高效低成本协同利用，实现负碳排放；
本发明还利用热电偶反馈，通过调控高温热解焦和热解气燃烧烟气比例来稳定热解区内的温度，有利于保证生物质热解产品品质。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统的结构示意图；
图2为本发明实施例所述热解炉的结构示意图之一；
图3为本发明实施例所述热解炉的结构示意图之二；
图4为本发明实施例所述基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解方法的流程示意图。
附图标记的具体含义为：
1、热解炉；11、夹套；2、聚光器；3、焦油分离收集装置；4、燃烧炉；5、箱体；6、干燥器；7、风机；8、冷却器；9、温度传感器。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参照图1和2所示，本发明公开一种基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统的实施例，具体包括热解炉1、聚光器2和输送装置，所述热解炉1具有进料口、排气口和出料口，所述输送装置用以将所述热解炉1出料口处的热解焦输送至所述热解炉1的进料口处，所述聚光器2设置在所述输送装置的一侧，其用以将太阳光聚集照射所述输送装置输送通道上的热解焦并加热，以向所述热解炉1的炉膛同时送入生物质和加热后的热解焦。
生物质经绞龙从所述热解炉1的进料口送入其炉膛内部，并在所述热解炉1中热解后产生热解焦，再利用所述输送装置将获得的热解焦输送至所述热解炉1的进料口处，同时利用太能光照射所述输送装置输送通道上的热解焦，使一定温度的热解焦与生物质同时送入所述热解炉1内，从而利用黑度值更高的热解焦吸收太阳能热量作为热载体循环进入所述热解区为生物质提供热解所需的温度和热量，热解焦对太阳能能量吸收效率更高；同时还避免采用太阳能直接照射生物质产生玷污而影响太阳能投射效率的问题；热解后获得的热解焦中富含的官能团、碱土金属能有效催化生物质的裂解，有利于提高生物质热解后所获得的产品的质量。
生物质在所述热解炉1内热解的温度为450-550℃，为避免所述热解焦中的碱土金属在高温环境下蒸发，使经过太阳能加热后的热解焦的温度为600-700℃，送入所述热解炉1内的热解焦和生物质的质量比为0.5-3:1。
优选地，还包括焦油分离收集装置3和燃烧炉4，所述热解炉1的外壁上套设有夹套11，所述夹套11与热解炉1的外壁之间留有空隙，且所述夹套11、所述热解炉1外壁以及二者之间的间隙构成加热腔，所述夹套11上设有与所述加热腔连通的进气口和出气口，所述热解炉1的排气口用以与所述焦油分离收集装置3的进气口连通，所述焦油分离收集装置3的出气口用以与所述燃烧炉4的进气口连通，所述燃烧炉4的出气口用以与所述夹套11的进气口连通，所述夹套11的出气口用以与外部连通。
经过所述热解炉1排气口排出的挥发分中的焦油在引风机的作用下流入所述焦油分离收集装置3，挥发分中的焦油被所述焦油分离收集装置3收集，余下的燃烧气可采用飞灰或液相吸附剂等对CO2进行吸附，提高获得的燃烧气中的CH4、CO、H2等可燃气体比例，从而获得高值气体，获得的高值气体可储存起来作为生物天然气使用，还可将燃烧气送入所述燃烧炉4内回燃，所述燃烧炉4燃烧产生的烟气的温度约为1100℃，高温烟气送入所述加热腔内，以协助热解焦为热解炉内的反应提供温度和能量。
通过调整热解焦循环比例和可燃气的回燃比例，保证热解炉1炉膛内部的生物质的环境温度为450-550℃，保证热解区内温度的稳定性，并实现了太阳能与生物质能两种可再生能源的高效低成本协同利用。
在本实施例中，还包括内部中空的箱体5，所述输送装置的输送通道穿过所述箱体5，所述箱体5上分别设有与其内部连通且位于所述输送装置的输送通道下方的进风口和出风口，所述夹套11的出气口与所述箱体5的进风口连通，所述箱体5的出风口与外部连通。
将燃烧气燃烧产生的烟气通过送风机送入加热腔内并热解炉，从所述加热腔流出的烟气的温度下降，在太阳光能量不强时，可利用烟气的余热进一步加热热解焦，实现了能量的高效利用。
在本实施例中，所述箱体5的上端设有透明窗，所述聚光器2聚集的光照透过所述透明窗照射在所述输送装置输送通道上的热解焦上。
优选地，还包括干燥器6和风机7，所述干燥器6用以将生物质输送至所述热解炉1的进料口，所述箱体5的出风口通过管道与所述干燥器6的进风口连通，所述风机7的出风口与所述管道连通，其用以向所述管道内送入冷空气。
所述干燥器出料口的生物质和所述输送装置出料口处的热解焦均通过绞龙进入所述热解炉1炉膛内部，且从所述箱体5流出的烟气与所述风机7吹入所述管道的冷空气混合后流入所述干燥器6内，以对所述干燥器6内部的生物质进行干燥，提高能量利用率，在本实施例中，流入所述干燥器6内部的混合气体温度不应超过250℃，避免因温度过高使所述干燥器6内部的生物质燃烧或裂解。
优选地，还包括冷却器8，所述热解炉1的出料口与所述冷却器8的入料口连通，所述冷却器8的出料口用以将冷却后的热解焦输送至所述输送装置的进料端处。
本实施例中所述输送装置采用板链式输送机，上述冷却器8将所述热解炉1获得的热解焦冷却至300℃以下，避免热解焦的温度过高而损坏所述板链式输送机。本实施例中，所述冷却器8采用水作为冷却介质降低热解焦的温度，换热效率高。
如图1所示，冷水进入所述焦油分离收集装置3，所述热解炉1排气口排出的焦油与冷水换热后冷凝，与所述焦油换热后的水排出。
优选地，所述热解炉的进料口处向其炉膛内部按顺序依次交叉输送热解焦和生物质，且输送至所述热解炉炉膛内的同一批次的原料的起始原料和末端原料均为热解焦。
如图2所示，本实施例中所述热解炉1的进料口处设有进料壳体，所述进料壳体内安装与螺旋输送机，所述进料壳体上设有一个生物质投入口和一个热解焦投入口，所述螺旋输送机向热解炉1的炉膛内部送入的同一批次的原料的起始原料和末端原料均为热解焦。
所述热解焦比所述生物质先一步投入所述热解炉1中，为生物质热解提供营造热值环境，热解焦最后投入所述热解炉1内，以使投入所述热解炉1炉膛内的热解焦覆盖生物质，也为生物质的热解营造受热环境。
如图3所示，在另外一个实施例中，所述热解炉1的炉体上设有一个生物质投入口和一个热解焦投入口，所述热解炉1的炉膛内进料时，所述热解焦投入口先向所述热解炉1的炉膛内部送入热解炉1中，以使所述热解焦为生物质热解提供营造热值环境后，所述生物质投入口再向所述的热解炉1的炉膛内投入生物质。
优选地，所述热解炉1的炉膛内具有沿其长度方向分布的螺旋轴，所述热解炉1内壁上设有温度传感器9，且所述温度传感器9的检测部靠近所述翅片。
本申请所述温度传感器9采用铠装热电偶温度传感器，响应速度快。
如图2所示，所述热解炉1炉膛设有两个铠装热电偶，两个所述铠装热电偶在热解炉1的内壁上沿其长度方向间隔分布。
如图3所示，本申请所述热解系统的工作原理为：将预处理后的生物质送入热解炉1中，得到热解焦、焦油和燃料气，用聚光器2将太阳光反射并照射到获得的热解焦上以加热热解焦，再将加热后的热解焦送入所述热解炉1中与生物质共同热解。
当所述热解炉1中的热解温度低于450-550℃时，增加送入所述热解炉1内的热解焦和生物质的质量比以提高所述热解炉1内的温度，若所述热解炉1内的物料达到最大负载量，但所述热解炉1内部温度仍低于450-550℃，则将所述生物质热解产生的热解气送入燃烧炉燃烧产生烟气，并将燃烧产生的烟气送入所述加热腔内，协助所述热解焦对所述热解炉1内部加热，直至热解炉1中的热解温度为450-550℃；
当所述热解炉1内的热解温度高于450-550℃时，且所述加热腔内有烟气循环时，则通过减少所述加热腔内的烟气量来降低所述热解炉1内的温度，若停止向所述加热腔内送入烟气后，所述热解炉1内的热解温度仍高于450-550℃，则减小送入所述热解炉1内的热解焦和生物质的质量比，以降低所述热解炉1内的温度至450-550℃。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、将预处理后的生物质送入热解炉(1)中，得到热解焦、焦油和燃料气；
步骤2、用聚光器(2)将太阳光聚集照射到所述步骤1获得的热解焦上以加热热解焦，再将加热后的热解焦送入所述热解炉(1)中与生物质共同热解。
2.根据权利要求1所述的基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解方法，其特征在于，所述步骤2中热解焦加热后的温度为600-700℃。
3.根据权利要求2所述的基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解方法，其特征在于，所述步骤2中送入所述热解炉(1)的热解焦和生物质的质量比为0.5-3:1。
4.一种基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统，其特征在于，包括热解炉(1)、聚光器(2)和输送装置，所述热解炉(1)具有进料口、排气口和出料口，所述输送装置用以将所述热解炉(1)出料口处的热解焦输送至所述热解炉(1)的进料口处，所述聚光器(2)设置在所述输送装置的一侧，其用以将太阳光聚集照射以加热所述输送装置输送通道上的热解焦并加热，以向所述热解炉(1)的炉膛同时送入生物质和加热后的热解焦。
5.根据权利要求4所述的基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统，其特征在于，还包括焦油分离收集装置(3)和燃烧炉(4)，所述热解炉(1)的外壁上套设有夹套(11)，所述夹套(11)与热解炉(1)的外壁之间留有空隙，且所述夹套(11)、所述热解炉(1)外壁以及二者之间的间隙构成加热腔，所述夹套(11)上设有与所述加热腔连通的进气口和出气口，所述热解炉(1)的排气口用以与所述焦油分离收集装置(3)的进气口连通，所述焦油分离收集装置(3)的出气口用以与所述燃烧炉(4)的进气口连通，所述燃烧炉(4)的出气口用以与所述夹套(11)的进气口连通，所述夹套(11)的出气口用以与外部连通。
6.根据权利要求5所述的基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统，其特征在于，还包括内部中空的箱体(5)，所述输送装置的输送通道穿过所述箱体(5)，所述箱体(5)上分别设有与其内部连通且位于所述输送装置的输送通道下方的进风口和出风口，所述夹套(11)的出气口与所述箱体(5)的进风口连通，所述箱体(5)的出风口与外部连通。
7.根据权利要求6所述的基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统，其特征在于，还包括干燥器(6)和风机(7)，所述干燥器(6)用以将生物质输送至所述热解炉(1)的进料口，所述箱体(5)的出风口通过管道与所述干燥器(6)的进风口连通，所述风机(7)的出风口与所述管道连通，其用以向所述管道内送入冷空气。
8.根据权利要求7所述的基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统，其特征在于，还包括冷却器(8)，所述热解炉(1)的出料口与所述冷却器(8)的入料口连通，所述冷却器(8)的出料口用以将冷却后的热解焦输送至所述输送装置的进料端处。
9.根据权利要求5-8任一项所述的基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统，其特征在于，所述热解炉(1)的进料口向其炉膛内部按顺序依次交叉输送热解焦和生物质，且输送至所述热解炉(1)的炉膛同一批次的原料的起始原料和末端原料均为热解焦。
10.根据权利要求5-8任一项所述的基于热解焦再循环吸收太阳能的生物质热解系统，其特征在于，所述热解炉(1)的炉膛内具有沿其长度方向分布的螺旋轴，所述热解炉(1)内壁上设有温度传感器(9)，且所述温度传感器(9)的检测部靠近所述螺旋轴的翅片。
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