CN115637160A

CN115637160A - 一种生物质热解装置

Info

Publication number: CN115637160A
Application number: CN202211162340.5A
Authority: CN
Inventors: 于凤文; 陈昕; 徐申政; 唐棋玲; 陆向红; 刘学军; 计建炳
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2022-09-23
Filing date: 2022-09-23
Publication date: 2023-01-24

Abstract

本发明公开了一种生物质热解装置，包括回转式热解炉，回转式热解炉的进料端上设有进气口且连接有生物质螺旋进料装置，回转式热解炉的出料端连接有产物收集装置；回转式热解炉包括热解炉体以及设置于热解炉体上的加热套和变径回转炉管，加热套包裹在变径回转炉管的外部；变径回转炉管包括前部进料端、中间反应段以及后部出料端，中间反应段为中间大两端渐小的变径结构，中间反应段内填充有球形强化混合介质。本发明能使生物质集中在变径回转炉管的恒温区反应，同时倾斜的炉管内壁可以使球形强化混合介质和生物质的轴向及纵向运动更加剧烈，增大了接触面积和研磨效果，从而有效抑制了装置内部的结焦。

Description

一种生物质热解装置

技术领域

本发明涉及生物质热解技术领域，具体涉及一种生物质热解装置。

背景技术

生物质能就是一种环保型的替代能源，它是以生物质为载体，将太阳能变成化学能储存在生物质中，具有对环境友好的特点。

热解是生物质利用较有前景的方法之一，主要通过热解来获得生物炭、裂解气和生物油，但是用于生物质热解的装置设备存在着能量利用率不高，热解不完全等问题。普通的等径回转炉在转动时，因为没有横向的阻力，原料会偏离恒温区，导致反应效果较差。为此，许多研究人员对反应器进行了改进，例如：在等径管的两端放置石英棉，从而控制原料与催化剂固定在恒温区；通过添加隔板使物料尽可能位于恒温区反应；将物料放入小舟中，再将小舟推至恒温区，以此来达到目的。然而，这样的方式方法，将炉管内部变得十分复杂，且效果并未达到预期，同时也会限制炉管的运动。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种生物质热解装置，采用球型强化混合介质对物料进行研磨，进一步提高反应效果和产率，整体装置简单，易于工业放大。该生物质热解装置的主要目的是，利用变径回转炉管的内径大小变化，使物料能集中在恒温区进行反应，并且可以通过改变炉管内壁的倾斜角度，从而改变恒温区的大小，同时还能改变物料的混动程度，以此来适应恒温区位置不同的加热套和不同的生产要求，同时球形强化混合介质的加入可以增强混动程度，有效防止了装置内部的结焦问题。

所述的一种生物质热解装置，包括回转式热解炉，回转式热解炉的进料端上设有进气口且连接有生物质螺旋进料装置，回转式热解炉的出料端连接有产物收集装置；所述回转式热解炉包括热解炉体以及设置于热解炉体上的加热套和变径回转炉管，加热套包裹在变径回转炉管的外部；其中，变径回转炉管包括前部进料端、中间反应段以及后部出料端，所述中间反应段为中间大两端渐小的变径结构，中间反应段内填充有球形强化混合介质。

所述的一种生物质热解装置，其特征在于在所述中间反应段加入球形强化混合介质，球形强化混合介质材质采用不锈钢珠或γ-Al₂O₃珠，直径为1-5mm；球形强化混合介质填充量为中间反应段内容量的1%-50%，优选为3~10%。

所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述中间反应段由中间最大管径处为起点，两端渐小并最终分别与前部进料端和后部出料端交接的内壁都有倾斜角度，中间反应段前端倾斜内壁与水平线的夹角为15~30°，中间反应段后端倾斜内壁与水平线的夹角为8~12°；所述前部进料端的管径与中间反应段的中间最大管径之比在0.1-0.9之间，优选为0.25~0.35，进一步优选为0.3；后部出料端的管径与中间反应段的中间最大管径之比在0.1-0.9之间，优选为0.55~0.65，进一步优选为0.6。

所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述进气口通过氮气流量计连接有氮气瓶，在进料前先通过进气口通入氮气，对空气进行置换，使后续热解在该气体的气氛下进行。热解反应的温度在400-700℃，优选550℃。

所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述变径回转炉管的前部进料端和后部出料端都有旋转密封装置，由此保证反应氛围为所通气体。

所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述生物质螺旋进料装置包括螺旋进料管路，螺旋进料管路的前端设置进料电机，进料电机连接进料螺杆且进料螺杆穿设在螺旋进料管路内；螺旋进料管路贯穿插入变径回转炉管的前部进料端中并稍稍伸入中间反应段内部，螺旋进料管路的外壁与所述前部进料端之间通过旋转密封装置进行密封；螺旋进料管路前端侧部的进料口连接进料漏斗；所述进气口设置于螺旋进料管路上。

所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述回转式热解炉还包括传动电机，传动电机的输出轴连接转轮，变径回转炉管的前部进料端外侧壁固定设置有皮带轮，皮带轮与转轮之间设置皮带，在传动电机的驱动作用下，能够带动变径回转炉管进行旋转。

所述的一种生物质热解装置，其特征在于变径回转炉管的后部出料端可拆卸安装有后盖，并通过旋转密封装置进行密封，后盖的出气口通过管路连接产物收集装置。

所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述产物收集装置包括生物油收集瓶、冷凝管、三通阀、气体流量计、尾气吸收瓶和气体收集装置；从变径回转炉管流出来的气体产物先进入冷凝管进行冷凝，冷凝下来的生物油收集于生物油收集瓶中，不凝性气体经过冷凝管后，流经三通阀，一小部分进入气体收集装置中，便于后续分析，大部分通过气体流量计和尾气吸收瓶后排出。

所述的一种生物质热解装置，其特征在于加热套上设置有温度检测装置，用于检测加热套中间内部等温区的温度。

本发明生物质热解装置的使用方法如下：

1）向变径回转炉管中加入球形强化混合介质及生物质，将后盖与变径回转炉管的后部出料端使用法兰连接，并用旋转密封装置做好密封；

2）将进料螺杆插入螺旋进料管路中，连接进料电机；

3）在变径回转炉管的前部进料端使用旋转密封装置进行密封，连接进气口橡胶管；

4）打开加热套和温度检测装置，控制变径回转炉管加热至热解所需温度；将三通阀开启至连通气体流量计，开启氮气瓶阀门，使高纯氮气通过进气口通入整个系统中，使系统内部处于无氧环境；

5）待系统稳定后，打开进料电机，将生物质装入进料漏斗，通过进料螺杆向变径回转炉管内进料；

6）物料在变径回转炉管内热解产生气体，热解气体通过后续冷凝操作，得到生物油产品，在稳定热解过程中，将三通阀开启至连通气体收集装置，收集气体2-3秒，再将三通阀开启至连通气体流量计，气体收集装置中的气体可以进行气相分析；

7）进料漏斗内物料加料完成后，等待一定时间，待氮气将变径回转炉管中剩余的热解气体带出；反应结束后关闭所有开关，拔出进料螺杆，清理炉管中的残留固体。

本发明的有益效果是：

（1）采用变径回转炉管，倾斜的炉管内壁可以使物料集中在恒温区热解，防止物料停留在炉管两端，造成热解不完全或者未达到设定热解温度，同时，物料和球形强化介质落在壁面上后进行不规则的反弹，增加其轴向和纵向运动，促进物料粉碎，提高裂解效率，整体结构简单，改造方便。

（2）在变径回转炉管中加入球形强化混合介质，可以使生物质在回转研磨条件下，强化物料和球磨介质之间的传热，提高热解反应速率，有效减少团聚，使物料充分热解。

（3）中小规模的该装置可以实现一体化装配，能适用于多种固体类生物质的热解，能使生物质热解更加完全。

通过采用以上技术，本发明采用变径回转炉管，可以增加物料和球形强化混合介质的轴向及纵向运动，也可以使得物料在恒温区热解，提高了热解效果。使用球形强化混合介质可以有效抑制物料团聚，该装置能进行较为简便的放大设计。

附图说明

图1为本发明一种生物质热解装置的结构示意图。

图2为本发明一种变径回转炉管的结构示意图。

图中：1-氮气瓶，2-氮气流量计，3-进料漏斗，4-螺旋进料管路，5-进料螺杆，6-传动电机，7-气体输送管路，8-进气口，9-旋转密封装置，10-加热套，11-温度检测装置，12-变径回转炉管，13-球形强化混合介质，14-后盖，15-热解炉体，16-生物油收集瓶，17-冷凝管，18-三通阀，19-气体流量计，20-尾气吸收瓶，21-气体收集装置，121-前部进料端，122-中间反应段，123-后部出料端。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

具体实施例：

图1示出了本实施例一种生物质热解装置的结构示意图。其包括：螺旋进料管路4、变径回转炉管12、气体输送管路7、后盖14、生物油收集瓶16和热解炉体15等。热解炉体15上设置加热套10，加热套10内设置有与变径回转炉管12的外形相配的空腔，加热套10包裹在变径回转炉管12的外部。变径回转炉管12包括前部进料端121、中间反应段122以及后部出料端123，所述中间反应段122为中间大两端渐小的变径结构，中间反应段122内填充有球形强化混合介质13。加热套10上设置有温度检测装置11，用于检测加热套10中间内部等温区的温度。

所述变径回转炉管12的前部进料端121和后部出料端123都有旋转密封装置9，由此保证反应氛围为所通气体。

对照图2中，中间反应段122由中间最大管径处为起点，两端渐小并最终分别与前部进料端121和后部出料端123交接的内壁都有倾斜角度，中间反应段122前端倾斜内壁与水平线的夹角为23°，中间反应段122后端倾斜内壁与水平线的夹角为10°。

螺旋进料管路4前端设置有进气口8，所述进气口8通过氮气流量计2与氮气瓶1由气体输送管路7连接，在进料前先通过进气口8通入氮气，对空气进行置换，使后续热解在该气体的气氛下进行。

螺旋进料管路4的前端设置进料电机，进料电机连接进料螺杆5且进料螺杆5穿设在螺旋进料管路4内；螺旋进料管路4贯穿插入变径回转炉管12的前部进料端121中并稍稍伸入中间反应段122内部，螺旋进料管路4的外壁与所述前部进料端121之间通过旋转密封装置9进行密封；螺旋进料管路4前端侧部的进料口连接进料漏斗3。

对照图1中，回转式热解炉还包括传动电机6，传动电机6的输出轴连接转轮，变径回转炉管12的前部进料端121外侧壁固定设置有皮带轮，皮带轮与转轮之间设置皮带，在传动电机6的驱动作用下，能够带动变径回转炉管12进行旋转。

本实施例中，向变径回转炉管12中加入球形强化混合介质13及生物质，球形强化混合介质13在加入时应注意从变径回转炉管12的后端加入，且优选直径为3mm的γ-Al₂O₃珠，填充量为5%。封上炉管的后盖14，检查前部和后部两处的旋转密封装置是否密封良好。后盖14引出橡胶管至生物油收集瓶16和冷凝管17，提前开启低温循环泵，使冷凝管17的温度达到零下，通过冷凝管17的不凝性气体会先进入三通阀18，一小部分进入气体收集装置21中，便于后续分析，大部分通过气体流量计19和尾气吸收瓶20后排出系统，尾气吸收瓶20主要用来吸收可能残存的生物气，避免对大气环境造成污染。

本实施例中，螺旋进料管路4中设有进料螺杆5，且进料螺杆5深入变径回转炉管12的内部。在进料漏斗3中加入物料完成后，对漏斗的上盖进行密封操作。

本实施例中，进料前先开启加热套10和温度检测装置11，等温度达到预定热解温度并稳定一段时间后，再开启传动电机6驱动变径回转炉管12进行旋转。并通过进料电机驱动进料螺杆5转动，在进料漏斗3中加入物料完成后，对漏斗的上盖进行密封操作。物料进入变径回转炉管12后迅速热解，同时炉管转动。一般的等径炉管，在转动时由于离心力等的作用，会使得物料扩散至炉管两端，从而大大降低了热解的效果，因此本发明采用内壁倾斜的炉管，恒温区的大小及位置根据具体加热套的不同灵活调整，同时，倾斜的内壁可以增加物料及球形强化混合介质13的轴向和纵向运动，进一步提高了热解的效果。

实施例1：

本实施例中，向变径回转炉管12中加入直径为3mm的γ-Al₂O₃珠，其在中间反应段122内的填充量为10%。变径回转炉管12的整体长度为690mm，变径段长度180mm。中间反应段122前端倾斜内壁与水平线的夹角为23°，中间反应段122后端倾斜内壁与水平线的夹角为10°，炉管最大直径为120mm。变径回转炉管12的前部进料端管径与炉管最大直径之比为0.35，后部出料端管径与炉管最大直径之比为0.63。

组装好整个体系后，开启循环冷凝，并开启氮气，流量为400ml/min，使得整个体系为无氧状态，通气10min后，将10g木质素通过螺旋进料管路4输入至变径回转炉管12的中间反应段122中，调节氮气流量为300ml/min，开启加热套10，热解反应的温度设定为550℃，并开启旋转，使变径回转炉管12的旋转速度为5rpm。当温度检测装置11显示为550℃时，继续保持50min。到达反应时间后，关闭加热和旋转，打开热解炉体15进行自然散热，一定时间后，停止通氮气，生物油收集瓶16中收集到液体。最终可得液体2.76g，液体产物产率为27.6%。

实施例2：

本实施例中，向变径回转炉管12中加入直径为3mm的γ-Al₂O₃珠，其在中间反应段122内的填充量为5%。变径回转炉管12的整体长度为690mm，变径段长度180mm。中间反应段122前端倾斜内壁与水平线的夹角为23°，中间反应段122后端倾斜内壁与水平线的夹角为10°，炉管最大直径为120mm。变径回转炉管12的前部进料端管径与炉管最大直径之比为0.35，后部出料端管径与炉管最大直径之比为0.63。

组装好整个体系后，开启循环冷凝，并开启氮气，流量为400ml/min，使得整个体系为无氧状态，通气10min后，将10g木质素通过螺旋进料管路4输入至变径回转炉管12的中间反应段122中，调节氮气流量为300ml/min，开启加热套10，温度设定为550℃，并开启旋转，使变径回转炉管12的旋转速度为5rpm。当温度检测装置11显示为550℃时，继续保持50min。到达反应时间后，关闭加热和旋转，打开热解炉体15进行自然散热，一定时间后，停止通氮气，生物油收集瓶16中收集到液体。最终可得液体2.79g，液体产物产率为27.9%。

实施例3：

组装好整个体系后，开启循环冷凝，并开启氮气，流量为400ml/min，使得整个体系为无氧状态，通气10min后，将10g木质素通过螺旋进料管路4输入至变径回转炉管12的中间反应段122中，调节氮气流量为300ml/min，开启加热套10，温度设定为600℃，并开启旋转，使变径回转炉管12的旋转速度为5rpm。当温度检测装置11显示为600℃时，继续保持50min。到达反应时间后，关闭加热和旋转，打开热解炉体15进行自然散热，一定时间后，停止通氮气，生物油收集瓶16中收集到液体。最终可得液体3.27g，液体产物产率为32.7%。

实施例4：

本实施例中，向变径回转炉管12中加入直径为3mm的γ-Al₂O₃珠，其在中间反应段122内的填充量为10%。变径回转炉管12的整体长度为690mm，变径段长度180mm，中间反应段122前端倾斜内壁与水平线的夹角为23°，中间反应段122后端倾斜内壁与水平线的夹角为10°，炉管最大直径为120mm。变径回转炉管12的前部进料端管径与炉管最大直径之比为0.35，后部出料端管径与炉管最大直径之比为0.63。

组装好整个体系后，开启循环冷凝，并开启氮气，流量为400ml/min，使得整个体系为无氧状态，通气10min后，将10g木质素通过螺旋进料管路4输入至变径回转炉管12的中间反应段122中，调节氮气流量为300ml/min，开启加热套10，温度设定为600℃，并开启旋转，使变径回转炉管12的旋转速度为5rpm。当温度检测装置11显示为600℃时，继续保持50min。到达反应时间后，关闭加热和旋转，打开热解炉体15进行自然散热，一定时间后，停止通氮气，生物油收集瓶16中收集到液体。最终可得液体3.01g，液体产物产率为30.1%。

对实施例1-4获得的液体产物分别进行测试分析，对液体产物中的有机相使用GC-MS进行分析，着重关注酚类产物，最终结果如表1所示。

表1为不同实施例所得液体产物有机相分析，其中，总酚含量、苯酚含量、愈创木酚含量和香兰素含量，指的都是该种物质占有机物总量的百分数。其中等径炉管的整体长度为680mm，中间等径反应段长度为410mm，筒体外径76mm，内径70mm；前部进料端长度为270mm，外径40mm，内径35mm，使用等径炉管进行热解木质素的其他反应条件重复实施例1中（即热解改变的实验条件只是炉管的结构，以及γ-Al₂O₃珠的填充量）。

从上述的实验结果可以得出，使用变径的回转炉管，可以比等径炉管得到的有机物中，酚类化合物的含量更高，其中苯酚的含量也更高，由此可以通过调节一定的反应条件，获得更多小分子裂解产物，达到一定的生产目的。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims

1.一种生物质热解装置，其特征在于包括回转式热解炉，回转式热解炉的进料端上设有进气口（8）且连接有生物质螺旋进料装置，回转式热解炉的出料端连接有产物收集装置；所述回转式热解炉包括热解炉体（15）以及设置于热解炉体（15）上的加热套（10）和变径回转炉管（12），加热套（10）包裹在变径回转炉管（12）的外部；其中，变径回转炉管（12）包括前部进料端（121）、中间反应段（122）以及后部出料端（123），所述中间反应段（122）为中间大两端渐小的变径结构，中间反应段（122）内填充有球形强化混合介质（13）。

2.如权利要求1所述的一种生物质热解装置，其特征在于在所述中间反应段（122）加入球形强化混合介质（13），球形强化混合介质（13）材质采用不锈钢珠或γ-Al₂O₃珠，直径为1-5mm；球形强化混合介质（13）填充量为中间反应段（122）内容量的1%-50%，优选为3~10%。

3.如权利要求1所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述中间反应段（122）由中间最大管径处为起点，两端渐小并最终分别与前部进料端（121）和后部出料端（123）交接的内壁都有倾斜角度，中间反应段（122）前端倾斜内壁与水平线的夹角为15~30°，中间反应段（122）后端倾斜内壁与水平线的夹角为8~12°；所述前部进料端（121）的管径与中间反应段（122）的中间最大管径之比在0.1-0.9之间，优选为0.25~0.35；后部出料端（123）的管径与中间反应段（122）的中间最大管径之比在0.1-0.9之间，优选为0.55~0.65。

4.如权利要求1所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述进气口（8）通过氮气流量计（2）连接有氮气瓶（1），在进料前先通过进气口（8）通入氮气，对空气进行置换，使后续热解在该气体的气氛下进行。

5.如权利要求1所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述变径回转炉管（12）的前部进料端（121）和后部出料端（123）都有旋转密封装置（9），由此保证反应氛围为所通气体。

6.如权利要求5所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述生物质螺旋进料装置包括螺旋进料管路（4），螺旋进料管路（4）的前端设置进料电机，进料电机连接进料螺杆（5）且进料螺杆（5）穿设在螺旋进料管路（4）内；螺旋进料管路（4）贯穿插入变径回转炉管（12）的前部进料端（121）中并稍稍伸入中间反应段（122）内部，螺旋进料管路（4）的外壁与所述前部进料端（121）之间通过旋转密封装置（9）进行密封；螺旋进料管路（4）前端侧部的进料口连接进料漏斗（3）；所述进气口（8）设置于螺旋进料管路（4）上。

7.如权利要求6所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述回转式热解炉还包括传动电机（6），传动电机（6）的输出轴连接转轮，变径回转炉管（12）的前部进料端（121）外侧壁固定设置有皮带轮，皮带轮与转轮之间设置皮带，在传动电机（6）的驱动作用下，能够带动变径回转炉管（12）进行旋转。

8.如权利要求5所述的一种生物质热解装置，其特征在于变径回转炉管（12）的后部出料端（123）可拆卸安装有后盖（14），并通过旋转密封装置（9）进行密封，后盖（14）的出气口通过管路连接产物收集装置。

9.如权利要求1所述的一种生物质热解装置，其特征在于所述产物收集装置包括生物油收集瓶（16）、冷凝管（17）、三通阀（18）、气体流量计（19）、尾气吸收瓶（20）和气体收集装置（21）；从变径回转炉管（12）流出来的气体产物先进入冷凝管（17）进行冷凝，冷凝下来的生物油收集于生物油收集瓶（16）中，不凝性气体经过冷凝管（17）后，流经三通阀（18），一小部分进入气体收集装置（21）中，便于后续分析，大部分通过气体流量计（19）和尾气吸收瓶（20）后排出。

10.如权利要求1所述的一种生物质热解装置，其特征在于加热套（10）上设置有温度检测装置（11），用于检测加热套（10）中间内部等温区的温度。