CN113512433A - 一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置及方法，生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置应用于生物质热解气化系统，所述生物质热解气化系统包括反应器，反应器中放置有生物质颗粒；所述生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置包括测温单元，所述测温单元包括热电偶和温控模块，所述热电偶的一端插入所述生物质颗粒中，热电偶的另一端与温控模块连接。本发明的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置与方法，可以在热解气化过程中实时监测生物质颗粒内部的传热过程。

Description

一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置与方法
技术领域
本发明属于生物质资源利用技术领域，具体涉及一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置与方法。
背景技术
随着社会生产对于能源的需求日益加剧，寻求清洁高效的可再生能源受到学者的广泛关注。生物质能作为可再生能源主要有以下优点：对地域和气候依赖性较小；资源充足和经济性高；易于存储和转换为液体、气体燃料及电能、热能等其他能源形式；生物质能的高效利用可以实现零碳排放。因此，生物质能被认为是可再生能源中最具有发展前景的未来能源，并成为继煤炭、石油和天然气之后的第四大能源。
生物质热解气化技术能够将低能量密度的生物质转化为高能量密度的气态、液态和固态产物，是未来生物质高值化利用的重要途径。生物质气化得到的合成气一方面可以直接作为燃料或重要氢气来源，进而转变为热能、电能等；另一方面可以通过费托合成等反应转变为甲醇、二甲醚等高附加值的精细化学品，此外，气化过程所形成的固体副产物，在生物炭和肥料等方面也有着重要应用。该技术能够以较低的成本，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态、液态和固态产物，一方面，实现了生物质利用的减量高效，另一方面降低了储存和运输成本。
近年来生物质气化技术已经得到了长足的发展，就目前关于颗粒尺度的生物质气化监测和测量技术来看，主要仅仅采用热电偶对颗粒内部进行测温以及反应器尾部接连液体和气体收集装置进行产物收集。但是由于生物质热解气化是一个极其复杂的热转化过程，现有实验方法很难同时原位进行生物质热解气化监测和颗粒内部温度测量等。因此，开发一种实用性强且实施简单的生物质热解气化原位监测和颗粒内部温度测量装置方法尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置与方法，可以在热解气化过程中实时监测生物质颗粒内部的传热过程。
为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置，应用于生物质热解气化系统，所述生物质热解气化系统包括反应器，反应器中放置有生物质颗粒；所述生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置包括测温单元，所述测温单元包括热电偶和温控模块，所述热电偶的一端插入所述生物质颗粒中，热电偶的另一端与温控模块连接。
作为本发明实施例的进一步改进，所述测温单元有两个，一个测温单元的热电偶的一端位于生物质颗粒的球心处，另一个测温单元的热电偶的一端位于生物质颗粒的半径中点处。
作为本发明实施例的进一步改进，还包括微型气相色谱仪，所述微型气相色谱仪的探针插入所述生物质颗粒中。
作为本发明实施例的进一步改进，所述微型气相色谱仪的探针位于生物质颗粒的半径中点处，且微型气相色谱仪的探针与另一个测温单元的热电偶的一端对称。
作为本发明实施例的进一步改进，还包括依次连接的冷凝器、过滤器和煤气分析仪，所述冷凝器与反应器的出气口连接。
作为本发明实施例的进一步改进，还包括摄像机，所述加热炉体的侧壁设有视窗，所述摄像机设置在加热炉体的外侧，且位于视窗处。
另一方面，本发明实施例还提供一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量方法，包括以下步骤：
步骤10)将热电偶的一端插入所述生物质颗粒中，热电偶的另一端与温控模块连接；使得一个热电偶的一端位于生物质颗粒的球心处，另一个热电偶的一端位于生物质颗粒的半径中点处；
步骤20)热解气化过程中测量得到生物质颗粒内部温度变化。
作为本发明实施例的进一步改进，所述步骤10)还包括：
将微型气相色谱仪的探针插入生物质颗粒中，使得探针位于生物质颗粒的半径中点处，并与另一个测温单元的热电偶的一端对称。
作为本发明实施例的进一步改进，所述步骤10)还包括：
在反应器的出气口依次安装冷凝器、过滤器和煤气分析仪；
所述步骤20)后还包括：
步骤30)反应过程中通过煤气分析仪测量得到反应生成气体种类和含量。
作为本发明实施例的进一步改进，加热炉体的侧壁设有视窗；
所述步骤10)还包括：
在加热炉体外设置摄像机，摄像机位于视窗处；
所述步骤20)后还包括：
步骤40)反应过程中通过摄像机拍摄得到生物质颗粒外貌变化。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例提供的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置与方法，将热电偶伸入生物质颗粒内部，测量得到生物质颗粒内部温度，以监测热解气化过程中生物质颗粒的内部传热过程。
附图说明
图1为本发明实施例的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中微型气相色谱仪的探针和热电偶安装位置示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
11-热电偶，12-微型气相色谱仪，121-探针，13-冷凝器，14-过滤器，15-煤气分析仪，16-摄像机，21-反应器，22-加热炉体，211-生物质颗粒，221-视窗，23-气源，24-球阀，25-稳压阀，26-质量流量计，27-单向阀，28-压力传感器，29-工作站。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置，应用于生物质热解气化系统。
如图1所示，生物质热解气化系统包括反应器21，反应器21中放置有生物质颗粒211。反应器21设置在加热炉体22中。气源23、球阀24、稳压阀25、质量流量计26、单向阀27、和压力传感器28依次与反应器21的进气口连接。其中，气源23用于提供惰性气体及反应气，稳压阀25用于稳定气路出口压力，质量流量计26用于控制各路进气流量大小及配比，压力传感器28用于监测气路压力。反应器21为石英反应器，长度940mm、内径35mm、外径40mm的圆柱形反应器，上下端由不锈钢法兰进行管路的密封，距离顶端50mm的位置设置出气口，距离顶端60mm的位置设有外径70mm的圆形卡盘用于反应器的固定及安装，并垫入石英棉起到隔热的作用，防止法兰密封件内部胶圈的熔融。加热炉体22为三段式电加热炉体，三段式电加热炉体包括温度控制单元、保温材料以及硅钼加热棒，设置了上中下三段独立温控单元。可在同一炉体实现不同组分的分级气化研究，所有操控及显示单元均集中于工作站上，可根据实验需求设置不同函数型温度控制方式。气化之前需将生物质颗粒制作成球形颗粒，对于秸秆、木屑等松软细小的原料采用微波加热同时挤压成型的方法，这样可以保证颗粒内部结合紧密；对于松木、杨木等体积较大颗粒采用切削打磨的方法制作成型。生物质颗粒的粒径为1-4cm。
如图1所示，本发明实施例的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置包括测温单元，测温单元包括热电偶11和温控模块，热电偶11的一端插入生物质颗粒211中，热电偶11的另一端与温控模块连接。
上述实施例中，热电偶11伸入生物质颗粒211内部，测量得到生物质颗粒211内部温度，以监测热解气化过程中生物质颗粒的内部传热过程。
优选的，如图2所示，测温单元有两个，一个测温单元的热电偶11的一端位于生物质颗粒211的球心处，另一个测温单元的热电偶11的一端位于生物质颗粒211的半径中点处。本实施例中，为了探究单颗粒内部的传热过程，共采集三个温度，一是将加热炉体的温度作为生物质颗粒211的表面温度，二是生物质颗粒211的1/2半径处温度，三是生物质颗粒的球心处温度，从而进行温度梯度变化过程的描述。选择球心处和1/2半径处作为测温点，一方面该两处为颗粒内部传热过程的典型代表位置，另一方面便于在不同实验过程种选取相同的位置进行实验研究，减少测量误差，保障重复实验的准确性。
优选的，本发明实施例的测量装置还包括微型气相色谱仪12，微型气相色谱仪12的探针121插入生物质颗粒211中。探针121采集生物质颗粒内实时生成的气体，气体通过微型泵吸入探针211内，微型气相色谱仪12对生成的气体进行在线测量。微型气相色谱仪所表征的是单颗粒在气化过程中内部的原位反应特性。同时测量生物质颗粒内部的温度以及生成的气体，可以保障在颗粒内部温度发生变化时第一时间采集到引起温度气体产物信息，进而根据产物组成反推该温度变化是由何种反应引起的，与传统炉体末端检测装置相比，由于本发明气体没有经过炉体其他区域以及冷凝装置，所反应得信息更具有时效性和精确性。
优选的，微型气相色谱仪12的探针121位于生物质颗粒211的半径中点处，且微型气相色谱仪12的探针121与另一个测温单元的热电偶11的一端对称。一般而言，对于球形颗粒，在炉体高温辐射下，为环形加热，可以认为对称位置的变化规律相同，因此探针位置与热电偶对称可以更好地反应测点位置的实时变化信息。
优选的，本发明实施例的测量装置还包括依次连接的冷凝器13、过滤器14和煤气分析仪15，冷凝器13与反应器21的出气口连接。反应器21生成的气体中包含未反应的焦油小分子、水蒸气以及细微颗粒，经冷凝器13冷凝将未反应的焦油脱除，过滤器14去除水蒸气和细微颗粒后通入煤气分析仪15中，在线检测合成气种类及含量，分析数据储存于工作站29中气化所产生的气体产物通过数据处理系统在线分析不同气体组分的实时动态，可将气化的总包过程分级解析，通过产气不同时刻的变化规律帮助探究气化反应过程进行的所处环节，明晰气化过程的传热传质规律。煤气分析仪显示的是正常工艺条件下物料生成的气体产物分布规律。
优选的，本发明实施例的测量装置还包括摄像机16，加热炉体22的侧壁设有视窗221，摄像机16设置在加热炉体22的外侧，且位于视窗221处。视窗大小为40mm×40mm，通过摄像机16，以60帧每秒的速度连续记录生物质颗粒的形貌变化情况，采集的数据实时存储于工作站29中。
上述优选实施例的测量装置的使用方法如下：
先通过工作站29控制三段式加热炉体升温，待到炉内温度上升至设定值后，将生物质颗粒211从上端放入反应器21内。实验开始后摄像机16通过视窗221以连续以60帧每秒的速度记录反应器内生物质颗粒的形貌变化情况，采集的数据可实时存储于工作站29中。微型气相色谱仪12通过探针121采集生物质颗粒内部实时生成的气体，微型气相色谱仪12对生成的气体进行在线测量。位于生物质颗粒211内部的热电偶11实时监测颗粒内部不同位置的温度并将监测信息记录于工作站29。通过煤气分析仪15实时测定产气种类及含量，所测数据保存至工作站29中。
本发明实施例还提供一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量方法，包括以下步骤：
步骤10)将热电偶11的一端插入生物质颗粒211中，热电偶11的另一端与温控模块连接。其中，一个热电偶11的一端位于生物质颗粒211的球心处，另一个热电偶11的一端位于生物质颗粒211的半径中点处。
步骤20)热解气化过程中通过热电偶11测量得到生物质颗粒211内部温度变化。
上述实施例的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量方法，将热电偶伸入生物质颗粒内部，测量得到生物质颗粒内部温度，以监测热解气化过程中生物质颗粒的内部传热过程。
优选的，所述步骤10)还包括：
将微型气相色谱仪12的探针插入生物质颗粒211中，使得探针位于生物质颗粒211的半径中点处，并与另一个测温单元的热电偶11的一端对称。
优选的，所述步骤10)还包括：
在反应器21的出气口依次安装冷凝器13、过滤器14和煤气分析仪15。
所述步骤20)后还包括：
步骤30)反应过程中通过煤气分析仪15测量得到反应生成气体种类和含量。
优选的，加热炉体22的侧壁设有视窗221，所述步骤10)还包括：
在加热炉体外设置摄像机16，摄像机16位于视窗处；
所述步骤20)后还包括：
步骤40)反应过程中通过摄像机16拍摄得到生物质颗粒外貌变化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置，其特征在于，应用于生物质热解气化系统，所述生物质热解气化系统包括反应器(21)，反应器(21)中放置有生物质颗粒(211)；所述生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置包括测温单元，所述测温单元包括热电偶(11)和温控模块，所述热电偶(11)的一端插入所述生物质颗粒(211)中，热电偶(11)的另一端与温控模块连接。
2.根据权利要求1所述的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置，其特征在于，所述测温单元有两个，一个测温单元的热电偶(11)的一端位于生物质颗粒(211)的球心处，另一个测温单元的热电偶(11)的一端位于生物质颗粒(211)的半径中点处。
3.根据权利要求2所述的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置，其特征在于，还包括微型气相色谱仪(12)，所述微型气相色谱仪(12)的探针插入所述生物质颗粒(211)中。
4.根据权利要求3所述的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置，其特征在于，所述微型气相色谱仪(12)的探针位于生物质颗粒(211)的半径中点处，且微型气相色谱仪(12)的探针与另一个测温单元的热电偶(11)的一端对称。
5.根据权利要求1所述的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置，其特征在于，还包括依次连接的冷凝器(13)、过滤器(14)和煤气分析仪(15)，所述冷凝器(13)与反应器(21)的出气口连接。
6.根据权利要求1所述的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量装置，其特征在于，还包括摄像机(16)，所述加热炉体(22)的侧壁设有视窗，所述摄像机(16)设置在加热炉体(22)的外侧，且位于视窗处。
7.一种生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10)将热电偶(11)的一端插入所述生物质颗粒(211)中，热电偶(11)的另一端与温控模块连接；使得一个热电偶(11)的一端位于生物质颗粒(211)的球心处，另一个热电偶(11)的一端位于生物质颗粒(211)的半径中点处；
步骤20)热解气化过程中测量得到生物质颗粒(211)内部温度变化。
8.根据权利要求7所述的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量方法，其特征在于，所述步骤10)还包括：
将微型气相色谱仪(12)的探针插入生物质颗粒(211)中，使得探针位于生物质颗粒(211)的半径中点处，并与另一个测温单元的热电偶(11)的一端对称。
9.根据权利要求7所述的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量方法，其特征在于，所述步骤10)还包括：
在反应器(21)的出气口依次安装冷凝器(13)、过滤器(14)和煤气分析仪(15)；
所述步骤20)后还包括：
步骤30)反应过程中通过煤气分析仪(15)测量得到反应生成气体种类和含量。
10.根据权利要求7所述的生物质热解气化实时监测和颗粒温度测量方法，其特征在于，加热炉体(22)的侧壁设有视窗；
所述步骤10)还包括：
在加热炉体外设置摄像机(16)，摄像机(16)位于视窗处；
所述步骤20)后还包括：
步骤40)反应过程中通过摄像机(16)拍摄得到生物质颗粒外貌变化。
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