CN115433599B - 一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置及方法，属于可再生能源利用领域。该技术方案要点在于生物质原料经热解后获取热解焦，热解装置出口气体经冷凝分离获取生物油，冷凝后剩余的不可凝热解气进入燃烧器与辅助燃料混合燃烧，以回收剩余能量。热解焦经冷却后与生物油快速搅拌混合，配置成浆料，经成型装置挤压成型、干燥烧结后，制得机制炭。该方法利用生物油中的水分作为混合剂，利用生物油中二次加热易碳化缩聚的重质组分替代粘合剂，在提高成型燃料品质和系统能效的同时，避免了热解副产品可能造成的环境污染，显著提高了工艺经济性。

Description

一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置及方法

技术领域

本发明涉及可再生能源技术领域，尤其涉及一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置及方法。

背景技术

机制炭，又名人造炭、再生炭、无烟清洁炭，是生物质原料经破碎、干燥、挤压成型、炭化等工艺制得的具有一定形状的棒状炭质产品。机制炭密度大、热值高、安全无污染，是国际上公认的绿色环保产品。机制炭原料来源广泛，稻壳、花生壳、棉壳、秸秆、玉米芯等都可用作生产机制炭的原料。我国是农业大国，林木等生物质资源丰富，每年产生大量的果壳、果核、秸秆、稻壳、木屑等农林废弃物。

目前，机制炭的制备方法主要分为2种：(1)先成型后碳化。该方法先将生物质原料破碎、干燥、挤压成型，再对成型生物质进行碳化。如专利CN 110317654A中所记载的一种新型生物质燃料机制碳棒及其生产方法，以木屑、棉絮和桐木刨花为主要原料，经浸泡、干燥、粉碎、混料、成型，最后炭化制得成品机制炭。但这种方法生产的机制炭表面易变形、抗跌落性能较差，且生物质原料不易成型，制备过程中能耗大、设备磨损严重，工艺缺陷明显；(2)先碳化后成型。该方法中生物质原料先热解碳化获得生物炭，将生物炭粉碎、挤压成型，经过干燥烧结后制得机制炭。这种方法工艺简单、原料要求较低，也是当前机制炭常用的制备方法。但这种方法也存在自身的缺点，如生产周期较长、成本较高、能耗较高，成型过程中需加入一定量的水和粘结剂促进炭棒成型，同时热解过程还会产生难以处理的热解生物油。

热解生物油中含有大量水分(～80wt.％)，且生物油中的重质组分二次加热过程易碳化缩聚，若将生物油用于机制炭的成型过程中，可同时起到水和粘结剂的作用，这既省去了需外加的水和粘结剂，又解决了生物油的处置难题。此外，当前的机制炭生产过程中碳化和成型分别在各自独立的装置中完成，各装置间缺少耦联，导致设备能效低、生产周期较长。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置，其特征在于：包括进料系统、热解系统、成型系统，所述进料系统包括依次相连的生物质料仓和输料装置；所述热解系统包括回转窑热解装置、热解焦储仓、喷淋塔换热器，所述回转窑热解装置包括筒体和设置在所述筒体外侧的外燃室，所述筒体上设置有生物质原料入口、热解气出口和热解焦出口，所述输料装置的出口连通所述生物质原料入口，所述回转窑热解装置的热解焦出口连通热解焦储仓，所述喷淋塔换热器上设置有热解气入口、生物油出口，所述回转窑热解装置的热解气出口连通所述喷淋塔换热器的热解气入口；所述成型系统包括混合装置、机制炭成型装置、机制炭储仓，所述生物油出口和热解焦储仓均连通所述混合装置，所述机制炭成型装置上设置有成型原料入口和机制炭出口，所述热解焦储仓的出口连通所述成型原料入口，所述机制炭出口连通所述机制炭储仓。

进一步的，所述机制炭成型装置包括前进管、输料螺旋、成型筒、截断刀片，所述输料螺旋、成型筒和截断刀片沿着所述前进管内依次设置，输料螺旋通过电机驱动。

进一步的，所述外燃室上设置有不可凝热解气入口和高温烟气出口，所述喷淋塔换热器顶部设置有不可凝热解气出口，所述机制炭成型装置的前进管上设置有高温烟气入口和烟气出口，所述不可凝热解气出口和不可凝热解气入口相连通，所述高温烟气出口与高温烟气入口相连通，所述烟气出口与所述生物质料仓相连通。

进一步的，还设置有尾气处理装置与所述生物质料仓相连通。

进一步的，所述进料系统还包括第一锁气器和第二锁气器，所述第一锁气器和第二锁气器设置在所述输料装置的出口和所述生物质原料入口之间。

一种生物质热解成型一体化制备机制炭的方法，其特征在于，利用上述任一项所述生物质热解成型一体化制备机制炭的装置，包括如下步骤：

步骤1：装置启动阶段，向回转窑热解装置外燃室中加入辅助燃料，利用燃烧产生的高温烟气对回转窑热解装置和机制炭成型装置进行预热，并对生物质料仓中的生物质颗粒原料进行干燥；

步骤2：生物质料仓中的生物质原料经输料装置输送至回转窑热解装置，进行热解碳化，产生的热解气和热解焦分别输送至喷淋塔换热器和热解焦储仓，热解焦冷却后输送至混合装置；

步骤3：热解气经喷淋塔换热器冷凝分离出的生物油输送至混合装置，与冷却后的热解焦搅拌均匀配置成浆料，进入机制炭成型装置经挤压成型、干燥烧结后制得成型机制炭；

步骤4：热解气经喷淋塔换热器冷凝分离后剩余的不可凝尾气进入外燃室与辅助燃料混合燃烧，以回收剩余热能，外燃室中燃烧产生的高温烟气依据所需温度高低，依次提供生物质热解、机制炭干燥烧结和生物质原料干燥所需能量。

进一步的，所述步骤2中的热解碳化温度为400-700℃，所述步骤3中机制炭干燥烧结温度为200-500℃。

进一步的，所述生物质原料来源于农林废弃物，包括秸秆、稻壳、花生壳、木屑、玉米芯、竹子。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明将生物质热解所得副产物生物油和不可凝热解气回收再利用，在提高机制炭品质和系统能效的同时，避免了热解副产品可能造成的环境污染。

2.本发明充分利用了生物油中富含的水分(～80wt.％)，成型过程中无需额外加水促进碳棒成型。

3.本发明利用了生物油中重质组分在二次加热过程中的缩聚碳化作用，提高机制炭品质的同时，替代了成型过程中需外加的粘结剂。

4.本发明一体化制备装置充分回收利用了系统中的热能，提高了系统整体能耗水平。冷凝分离生物油后剩余的不可凝热解气进入回转窑热解装置外燃室燃烧，以回收剩余能量。外燃室燃烧产生的高温烟气，先提供生物质热解所需热量；随后进入机制炭成型装置，提供机制炭干燥烧结所需热量；降温后的烟气进入生物质料仓，用于生物质原料的干燥；最后经尾气处理装置处理后排出。

附图说明

图1为本发明一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置整体结构示意图；

图2为本发明一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置中回转窑热解装置的结构示意图；

图3为本发明一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置中喷淋塔冷凝器的结构示意图；

图4为本发明一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置机制炭成型装置的结构示意图。

其中：1-生物质料仓；2-输料装置；3-第一锁气器；4-第二锁气器；5-回转窑热解装置；6-热解焦储仓；7-混合装置；8-机制炭成型装置；9-机制炭储仓；10-喷淋塔冷凝器；11-尾气处理装置；51-外燃室；52-筒体；53-生物质原料入口；54-热解焦出口；55-热解气出口；56-不可凝热解气入口；57-高温烟气出口；81-电机；82-前进管；83-输料螺旋；84-成型筒；85-截断刀片；86-成型原料入口；87-高温烟气入口；88-机制炭出口；89-烟气出口；101-热解气入口；102-生物油出口；103-不可凝热解气出口。

具体实施方式

为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

图1-4示出了一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置的具体实施例，包括进料系统、热解系统和成型系统三个部分。进料系统包括生物质料仓1、输料装置2、第一锁气器3和第二锁气器4，生物质料仓1出口连接输料装置2入口，输料装置2出口连接第一锁气器3入口，第一锁气器3出口连接第二锁气器4入口，第二锁气器4出口连接回转窑热解装置5入口。

热解系统包括回转窑热解装置5、热解焦储仓6、喷淋塔换热器10和尾气处理装置11。如图2所示，回转窑热解装置5由外燃室51和筒体52构成，外燃室51设置在筒体52的外侧，筒体52上设置有生物质原料入口53、热解气出口55和热解焦出口54，外燃室51上设置有不可凝热解气入口56和高温烟气出口57；筒体52用于生物质原料热解，生物质原料入口53连接第二锁气器4的出口。如图3所示，喷淋塔换热器10一侧开有热解气入口101，底部设有生物油出口102，顶部设有不可凝热解气出口103，内部设有两层喷淋层，气体流向与喷淋液相反，以增强冷凝补集效果。回转窑热解装置5上的热解气出口55连接喷淋塔换热器10的热解气入口101，热解焦出口54连接热解焦储仓6。热解焦储仓6中的热解焦经冷却后输送至混合装置7。喷淋塔换热器10中冷凝所得生物油经底部生物油出口102输入混合装置7，与热解焦充分搅拌混合，配置成浆料。冷凝后剩余的不可凝热解气由顶部的不可凝热解气出口103排出，经不可凝热解气入口56进入外燃室51与辅助燃料混合燃烧，以回收剩余能量。

成型系统包括混合装置7、机制炭成型装置8和机制炭储仓9。如图4所示，机制炭成型装置包括前进管82、输料螺旋83、成型筒84、截断刀片85，输料螺旋83、成型筒84和截断刀片85沿着前进管82内依次设置，输料螺旋83通过电机81驱动。生物油和热解焦搅拌混合均匀配置成的浆料，由机制炭成型装置8顶部的成型原料入口86进入，在输料螺旋83的推动下沿前进管82经成型筒84塑型成所需外形，再由截断刀片85截断为所需长度。高温烟气入口87与外燃室51的高温烟气出口57相连，机制炭胚料在前进管82中经高温烟气的二次干燥烧结制得成品机制炭，由机制炭出口88输入机制炭储仓9中暂存。降温后的烟气经由烟气出口89进入生物质料仓1，用于生物质原料的干燥和预热，进一步回收余热，最后经尾气处理装置11处理后排出。

利用上述实施例进行的生物质热解成型一体化制备机制炭的方法包括如下具体步骤：

步骤1：装置启动阶段，向回转窑热解装置5的外燃室51中加入辅助燃料，利用燃烧产生的高温烟气对回转窑热解装置5和机制炭成型装置8进行预热，并对生物质料仓1中的秸秆、稻壳、花生壳、木屑、玉米芯、竹子等生物质颗粒原料进行干燥；

步骤2：生物质料仓1中的生物质原料经输料装置2、第一锁气器3和第二锁气器4后输送至回转窑热解装置5的筒体52中，在400-700℃的温度下进行热解碳化，产生的热解气和热解焦分别通过热解气出口55和热解焦出口54输送至喷淋塔换热器10和热解焦储仓6中，热解焦在热解焦储仓6中冷却后输送至混合装置7；

步骤3：热解气在喷淋塔换热器10中和作为喷淋液的生物油进行热交换后，冷凝分离出的生物油输送至混合装置7中，与冷却后的热解焦搅拌均匀配置成浆料，进入机制炭成型装置8经成型筒挤压成型、200-500℃的温度下干燥烧结后制得成型机制炭；

步骤4：热解气经喷淋塔换热器10冷凝分离后剩余的不可凝尾气从不可凝热解气出口103进入外燃室51与辅助燃料混合燃烧，以回收剩余热能，外燃室51中燃烧产生的高温烟气依据所需温度高低，依次提供生物质热解、机制炭干燥烧结和生物质原料干燥所需能量。

上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置，其特征在于：包括进料系统、热解系统、成型系统，所述进料系统包括依次相连的生物质料仓(1)和输料装置(2)；所述热解系统包括回转窑热解装置(5)、热解焦储仓(6)、喷淋塔换热器(10)，所述回转窑热解装置(5)包括筒体(52)和设置在所述筒体(52)外侧的外燃室(51)，所述筒体(52)上设置有生物质原料入口(53)、热解气出口(55)和热解焦出口(54)，所述输料装置(2)的出口连通所述生物质原料入口(53)，所述回转窑热解装置(5)的热解焦出口(54)连通热解焦储仓(6)，所述喷淋塔换热器(10)上设置有热解气入口(101)、生物油出口(102)，所述回转窑热解装置(5)的热解气出口(55)连通所述喷淋塔换热器(10)的热解气入口(101)；所述成型系统包括混合装置(7)、机制炭成型装置(8)、机制炭储仓(9)，所述生物油出口(102)和热解焦储仓(6)均连通所述混合装置(7)，所述机制炭成型装置(8)上设置有成型原料入口(86)和机制炭出口(88)，所述热解焦储仓(6)的出口连通所述成型原料入口(86)，所述机制炭出口(88)连通所述机制炭储仓(9)；

所述机制炭成型装置(8)包括前进管(82)、输料螺旋(83)、成型筒(84)、截断刀片(85)，所述输料螺旋(83)、成型筒(84)和截断刀片(85)沿着所述前进管(82)内依次设置，输料螺旋(83)通过电机(81)驱动；

所述外燃室(51)上设置有不可凝热解气入口(56)和高温烟气出口(57)，所述喷淋塔换热器(10)顶部设置有不可凝热解气出口(103)，所述机制炭成型装置(8)的前进管(82)上设置有高温烟气入口(87)和烟气出口(89)，所述不可凝热解气出口(103)和不可凝热解气入口(56)相连通，所述高温烟气出口(57)与高温烟气入口(87)相连通，所述烟气出口(89)与所述生物质料仓(1)相连通。

2.根据权利要求1所述一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置，其特征在于：还设置有尾气处理装置(11)与所述生物质料仓(1)相连通。

3.根据权利要求2所述一种生物质热解成型一体化制备机制炭的装置，其特征在于：所述进料系统还包括第一锁气器(3)和第二锁气器(4)，所述第一锁气器(3)和第二锁气器(4)设置在所述输料装置(2)的出口和所述生物质原料入口(53)之间。

4.一种生物质热解成型一体化制备机制炭的方法，其特征在于，利用上述权利要求1-3中任一项所述生物质热解成型一体化制备机制炭的装置，包括如下步骤：

步骤1：装置启动阶段，向回转窑热解装置外燃室(51)中加入辅助燃料，利用燃烧产生的高温烟气对回转窑热解装置(5)和机制炭成型装置(8)进行预热，并对生物质料仓(1)中的生物质颗粒原料进行干燥；

步骤2：生物质料仓(1)中的生物质原料经输料装置(2)输送至回转窑热解装置(5)，进行热解碳化，产生的热解气和热解焦分别输送至喷淋塔换热器(10)和热解焦储仓(6)，热解焦冷却后输送至混合装置(7)；

步骤3：热解气经喷淋塔换热器(10)冷凝分离出的生物油输送至混合装置(7)，与冷却后的热解焦搅拌均匀配置成浆料，进入机制炭成型装置(8)经挤压成型、干燥烧结后制得成型机制炭；

步骤4：热解气经喷淋塔换热器(10)冷凝分离后剩余的不可凝尾气进入外燃室(51)与辅助燃料混合燃烧，以回收剩余热能，外燃室(51)中燃烧产生的高温烟气依据所需温度高低，依次提供生物质热解、机制炭干燥烧结和生物质原料干燥所需能量。

5.根据权利要求4所述一种生物质热解成型一体化制备机制炭的方法，其特征在于：所述步骤2中的热解碳化温度为400-700℃，所述步骤3中机制炭干燥烧结温度为200-500℃。

6.根据权利要求5所述一种生物质热解成型一体化制备机制炭的方法，其特征在于：所述生物质原料来源于农林废弃物，包括秸秆、稻壳、花生壳、木屑、玉米芯、竹子。