CN116286049A - 一种连续制备生物质燃料的装置系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续制备生物质燃料的装置系统，所述装置系统包括依次连接的生物质破碎装置(1)、预洗装置(3)、预脱水装置(4)、缓冲料仓(5)、连续进料装置(6)、水热处理装置(8)、冷却排料装置(9)和固液分离装置(10)。本发明所述的装置系统可连续制备得到得到干基能量密度高且无机盐离子含量低的生物质燃料，所述装置系统运行过程中耗水量小、能耗低、运行稳定，具有大规模推广应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物质燃料技术领域，尤其涉及一种连续制备生物质燃料的装置系统。
背景技术
秸秆具有体积大、密度轻、能量密度低等特点，高额储运成本严重制约了秸秆能源化利用，是目前亟待解决的问题。
秸秆中含有大量的钾、钠等碱金属离子和氯离子，含量均高达1wt％以上，钾、钠离子是造成秸秆燃烧后灰熔点低的主要原因。当燃料中氯含量大于0.3wt％时，高温腐蚀倾向严重。
CN104690068A公布了一种利用生物质制备水热焦的方法，包括如下步骤：
(1)在缺氧气氛中加热液化和腐殖化，将所得固液混合产物通过真空过滤分离得到一次液化产物和固体腐殖化材料；(2)将步骤(1)所得到的一次液化产物进行膜分离，然后通过透析和/或电渗析和/或纳米过滤得到可溶性糖浓缩液和剩余分离液；(3)将步骤(2)所得到的剩余分离液和补给步骤(1)中所用水质量的0～10％的水加入到反应釜中，然后与步骤(1)所得到的腐殖化材料在缺氧气氛中加热腐殖化，将产物过滤、离心得到二次液化产物和水热焦。所述方法可以不用除了水以外的任何催化剂，工艺简单、环境友好，生物质转化率和资源利用率高，具有工业应用潜力。但最终得到的水热焦的能量密度较低。
CN103386411A公开了一种生物质废物的水热处理方法及其系统，该方法包括：物料依次经过浆化预热处理、高压蒸汽水热处理和闪蒸处理，所述水热处理使用的蒸汽包括原蒸汽和二次蒸汽。该二次蒸汽是利用水热反应装置之间的蒸汽压力差，完成两个水热反应装置的蒸汽的均压均温。通过水热反应器之间的多级均压，提高了换热效率，降低了原蒸汽消耗量。但是该水热处理系统还存在水耗大且热耗高等问题，待进一步优化。
因此，开发一种生产效率高、能耗低的连续制备生物质燃料的装置系统，能够实现大幅度提高生物质燃料干基能量密度，并降低生物质燃料中无机盐含量具有重要意义。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种连续制备生物质燃料的装置系统，对生物质原料进行一系列的破碎、预洗、预脱水等前处理后，进行水热处理，实现了生物质燃料的连续制备，制备效率高且能耗低，得到的生物质燃料干基能量密度高，无机盐成分低。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种连续制备生物质燃料的装置系统，所述装置系统包括依次连接的生物质破碎装置、预洗装置、预脱水装置、缓冲料仓、连续进料装置、水热处理装置、冷却排料装置和固液分离装置。
本发明所述的连续制备生物质燃料的装置系统依次将生物质原料破碎、预洗分离、预脱水处理后，在特定的水热处理装置内进行水热处理，制备得到生物质燃料干基能量密度得到提高，其中无机盐成分降低，特别是氯离子和钾离子含量大大降低。本发明所述的装置系统解决了现有技术中水热处理生物质的连续生产系统存在的耗水量大、能耗高和系统运行不稳定的问题。
本发明所述生物质破碎装置的作用是将生物质原料处理到合适颗粒大小，保障生物质原料进入带压水热反应容器的稳定性并促进高温水渗透至生物质内部加速水热反应进程，进而缩短制备时间，提高制备效率，降低制备成本。
优选地，所述生物质破碎装置与预洗装置之间设置有生物质输送装置。
优选地，所述生物质输送装置包括输送带或输送链条。
优选地，所述装置系统还包括防蒸汽反喷装置。
优选地，所述防蒸汽反喷装置分别与连续进料装置和水热处理装置相连。
本发明所述的防蒸汽反喷装置用于实时监控连续进料装置的进料端和出料端的压力及电机的电流情况，出现异常时，中止进料。
优选地，所述防蒸汽反喷装置包括压力传感器、电流检测器、快速隔离阀和气动执行器。
本发明所述的防蒸汽反喷装置中的压力传感器用于实时监测连续进料装置进料端和出料端的压力并计算压力差。当压力差小于水热处理装置运行时的压力与大气压之间的差值时，视为异常。
本发明所述的防蒸汽反喷装置中的电流检测器检测到连续进料装置主电机的电流下降至正常工作的70％时，视为异常。
本发明所述的防蒸汽反喷装置中的气动执行机用于接受异常信号并推动快速隔离阀启动以中止连续进料装置出料。
本申请中防蒸汽反喷装置通过同时检测电流大小和进料口与压力差，当进料不畅，发生料塞打滑时，电机电流会显著下降，压差会明显减小，这是最直接的反馈信号，可确保第一时间发现进料故障，保障设备和人员的安全。
优选地，所述防蒸汽反喷装置包括压力传感器、电流检测器、快速隔离阀和气动执行器。
优选地，所述压力传感器设置在连续进料装置进出口。
优选地，所述电流检测器监测连续进料装置电机电流，实时反馈给成套装置的控制系统。
本发明中的快速隔离阀和气动执行器是一体的，相当于气动执行器提供快速隔离阀动作的驱动力。
优选地，所述生物质破碎装置包括刀辊切割装置或水力挤压破碎装置。
本发明所述生物质破碎装置处理后的生物质长度≤10cm，例如可以是10cm、9cm、8cm、7cm、5cm或2cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；直径≤2cm，例如可以是2cm、1.8cm、1.5cm、1.3cm、1cm或0.5cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用
优选地，所述预洗装置包括预洗池和设于所述预洗池内的导料转轮。
优选地，所述预洗池的一侧为进料口，另一侧为出料口，洗涤过程中的洗涤浸泡时间均可以通过控制导料转轮的转动速度来控制。
优选地，所述预洗池的内壁截面为圆弧形。
优选地，所述预洗池的底部设有排渣口。
优选地，所述导料转轮包括转轴和一端固定连接在所述转轴上的导料扇叶。
本发明所述预洗装置对生物质原料进行清洗，在洗涤过程中，通过重力差去除生物质中泥沙砖块等杂质。经破碎后的生物质通过预洗池的进料口进入，随着导料转轮的转动，导料扇叶推动较轻的、浮起来的生物质原料转动，而泥沙、砖块等较重的杂质，在重力作用下从导料扇叶上甩至预洗池31内壁上，这些杂质沿着内壁下滑至最底端，从排渣口排出。
优选地，所述导料扇叶的数量为5～15个，例如可以是5个、6个、8个、10个、12个或15个等。
优选地，所述导料扇叶的另一端向预洗池的内壁延伸但不接触内壁。
本发明的预洗装置的洗涤用水最好是热水，热水有助于生物质的浸泡以及杂质从生物质上脱离，但是必须是液体水而不能是蒸汽。生物质原料在预洗池中预洗时，水温≤90℃，例如可以是90℃、88℃、70℃、60℃、50℃或40℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；液固比≥3:1，例如可以是3:1、3.5:1、4:1、5:1、6:1或7:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。所述液固比指液体水与生物质固体原料的重量比值，单位为kg/kg。
本发明中生物质原料中无机盐离子浓度会由于预洗水温度和浸泡时间不同出现差异。
优选地，所述预脱水装置包括重力脱水装置或机械挤压脱水装置。
本发明所述预脱水装置用于降低生物质进入连续进料装置的水分含量，防止物料由于水分过高，导致连续进料装置内物料旋转打滑、进料不畅、系统运行不稳定等问题。
本发明所述预脱水装置处理后的出料中生物质含量≥10wt％，例如可以是10wt％、15wt％、17wt％、20wt％、25wt％或30wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述缓冲料仓和连续进料装置之间设置有定量给料装置。
优选地，所述连续进料装置包括螺旋连续进料装置。
本发明优选所述连续进料装置包括螺旋连续进料装置，主要通过螺旋变径变距不断压缩挤压生物质原料，使得生物质原料密度不断增大，增加压实的生物质原料与管道壁面的摩擦力将水热处理装置内的高温高压蒸汽密封住。
本发明所述螺旋连续进料装置的压缩比≥2:1，例如可以是2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1或5:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；所述连续进料装置处理后的出料中物料含水率≤60wt％，例如可以是60wt％、55wt％、52wt％、50wt％、40wt％或30wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述水热处理装置的数量至少为1组，例如可以是1组、3组或4组等。
本发明中2组及以上的水热处理装置的布置方式可根据需要选择，可相同也可不同，有利于控制物料浸泡程度和时间，有利于控制反应的进程。
优选地，每组水热处理装置中反应容器的数量至少为1个，例如可以是1个、2个、3个或4个等。
优选地，所述水热处理装置内设置有刮板或螺旋推进部件，通过改变刮板链条或螺旋轴驱动电机速度可精确调节物料在反应容器内的停留时间。
优选地，所述水热处理装置倾斜布置，物料在底部时得到充分浸泡促进水热反应均匀。
优选地，所述水热处理装置的中心轴与地面的倾斜角度≤60°，例如可以是60°、58°、55°、50°、40°、30°或20°等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明优选所述水热处理装置的中心轴与地面的倾斜角度≤60°，可以促进出口端物料中的水分依靠重力进行粗分离，从而提高出口物料的干度。
在本发明所述水热处理装置中水热处理时，控制压力为0.8～3MPa，例如可以是0.8MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa或3MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；水的温度为160～230℃，例如可以是160℃、180℃、190℃、200℃、220℃或230℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；液固比为(3～8):1，例如可以是3:1、4:1、5:1、6:1、7:1或8:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；反应时间为10～90min，例如可以是10min、20min、30min、40min、50min、80min或90min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述冷却排料装置与冷水管道相连。
本发明优选所述冷却排料装置与冷水管道相连，主要作用是将水热处理后的混合物降温至90℃以下。
优选地，所述固液分离装置与液体回流管道相连。
优选地，所述液体回流管道分别与所述水热处理装置和所述预洗装置相连。
优选地，所述液体回流管道上设置有泵和/或热交换组件。
本发明所述泵用于提供压力，所述热交换组件用于使得固液分离后进入水热处理装置或预洗装置前的液体升温。由于使用固液分离后的液体仍然保持较高的温度和压力，该高温高压的水可直接回补至反应系统内或为反应系统低温补水提供大量加热热量，解决了非牛顿流体浆体物料热量回收率低的难题，提高了整个装置系统热回收率，降低了能耗。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的连续制备生物质燃料的装置系统得到的生物质燃料的干基能量密度高，而且生物质燃料中的氯离子和钾离子含量大大降低；
(2)本发明提供的连续制备生物质燃料的装置系统的生产效率高，耗水量小，系统能耗低，运行稳定，适合大规模推广应用。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中连续制备生物质燃料的装置系统的结构示意图。
图2是本发明具体实施方式中预洗装置的结构示意图。
图中：1-生物质破碎装置；2-生物质输送装置；3-预洗装置；31-预洗池；311-排渣口；32-导料转轮；321-转轴；322-导料扇叶；4-预脱水装置；5-缓冲料仓；6-连续进料装置；7-防蒸汽反喷装置；8-水热处理装置；9-冷却排料装置；10-固液分离装置；11-热交换组件。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
作为本发明的一个具体实施方式，提供一种连续制备生物质燃料的装置系统，其结构示意图如图1所示。
所述装置系统包括依次连接的生物质破碎装置1、预洗装置3、预脱水装置4、缓冲料仓5、连续进料装置6、水热处理装置8、冷却排料装置9和固液分离装置10。
所述生物质破碎装置1与预洗装置3之间设置有生物质输送装置2。所述生物质输送装置为输送带。
所述装置系统还包括防蒸汽反喷装置7；所述防蒸汽反喷装置7分别与连续进料装置6和水热处理装置8相连。
所述防蒸汽反喷装置7包括压力传感器、电流检测器、快速隔离阀和气动执行器。所述压力传感器设置在连续进料装置6进出口；所述电流检测器监测连续进料装置6电机电流，实时反馈给成套装置的控制系统。
所述生物质破碎装置1为刀辊切割装置。
所述预洗装置的结构示意图如图2所示。
所述预洗装置3包括预洗池31和设于所述预洗池31内的导料转轮32。
所述预洗池31的内壁截面为圆弧形。
所述导料转轮32包括转轴321和一端固定连接在所述转轴321上的导料扇叶322；所述导料扇叶322的另一端向预洗池31的内壁延伸但不接触内壁。
所述预洗池31的底部设有排渣口311。
所述预脱水装置4为重力脱水装置。
所述缓冲料仓5和连续进料装置6之间设置有定量给料装置。
所述连续进料装置6为螺旋连续进料装置。
所述水热处理装置8的数量为2组，分别为第一水热处理装置和第二水热处理装置。
所述水热处理装置8倾斜布置；所述水热处理装置8的中心轴与地面的倾斜角度为50°。
所述冷却排料装置9与冷水管道相连。
所述固液分离装置10与液体回流管道相连；所述液体回流管道分别与所述水热处理装置8和所述预洗装置3相连。
所述液体回流管道上设置有热交换组件11。
上述连续制备生物质燃料的装置系统的生产方法包括如下步骤：
采用500kg干基秸秆原料，干基热值3800大卡/千克；经生物质破碎装置1处理后通过生物质输送装置2进入预洗装置3中；
假设无质量损耗，总重2500kg含水80wt％的秸秆原料通过预脱水装置4后，含水率约70％，重量1666.7kg，温度90℃，接着进入缓冲料仓5；
缓冲料仓5内物料通过定量计量，连续稳定向连续进料装置6输送物料，在连续进料装置6的料塞位置秸秆物料含水率约50wt％，重量1000kg，此时脱除了30％～50％无机盐离子；
蒸汽反喷装置7实时监测，物料接着送入水热处理装置8；在水热处理装置8内，物料与高温水和蒸汽充分接触，迅速升温，进行190℃水热处理30min后，物料到达反应容器排料口，物料含湿率约75％，重量1600kg，物料干基热值约4350大卡/千克；
物料进入冷却排料装置9，经冷却水降温后排出，物料含湿率约90％，总重量4000kg；
物料经由固液分离装置10的分离后，含湿率约75％，重量1600kg；固液分离的液体水经热交换组件11加热升温后，一部分进入水热处理装置8，另一部分进入预洗装置，实现热量充分利用。
本具体实施方式中固液分离装置10的分离得到的物料再通过机械脱水的方式，干燥至50％含湿率，重量800kg，并进一步干燥制成生物质燃料。最终制备得到的生物质燃料的氯离子和钾离子去除率均可达70％以上，生物质燃料干基低温热值不低于4300大卡/千克。
综上所述，本发明提供的连续制备生物质燃料的装置系统得到的生物质燃料的干基能量密度高，高于生物质原料的1.1倍以上；而且生物质燃料中的氯离子和钾离子去除率均可达70％以上，适合大规模推广应用。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种连续制备生物质燃料的装置系统，其特征在于，所述装置系统包括依次连接的生物质破碎装置(1)、预洗装置(3)、预脱水装置(4)、缓冲料仓(5)、连续进料装置(6)、水热处理装置(8)、冷却排料装置(9)和固液分离装置(10)。
2.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述生物质破碎装置(1)与预洗装置(3)之间设置有生物质输送装置(2)；
优选地，所述装置系统还包括防蒸汽反喷装置(7)；
优选地，所述防蒸汽反喷装置(7)分别与连续进料装置(6)和水热处理装置(8)相连；
优选地，所述防蒸汽反喷装置(7)包括压力传感器、电流检测器、快速隔离阀和气动执行器；
优选地，所述压力传感器设置在连续进料装置(6)进出口；
优选地，所述电流检测器监测连续进料装置(6)电机电流，实时反馈给成套装置的控制系统。
3.根据权利要求1或2所述的装置系统，其特征在于，所述生物质破碎装置(1)包括刀辊切割装置或水力挤压破碎装置。
4.根据权利要求1～3任一项所述的装置系统，其特征在于，所述预洗装置(3)包括预洗池(31)和设于所述预洗池(31)内的导料转轮(32)；
优选地，所述预洗池(31)的内壁截面为圆弧形；
优选地，所述导料转轮(32)包括转轴(321)和一端固定连接在所述转轴(321)上的导料扇叶(322)；
优选地，所述导料扇叶(322)的另一端向预洗池(31)的内壁延伸但不接触内壁；
优选地，所述预洗池(31)的底部设有排渣口(311)。
5.根据权利要求1～4任一项所述的装置系统，其特征在于，所述预脱水装置(4)包括重力脱水装置或机械挤压脱水装置。
6.根据权利要求1～5任一项所述的装置系统，其特征在于，所述缓冲料仓(5)和连续进料装置(6)之间设置有定量给料装置；
优选地，所述连续进料装置(6)包括螺旋连续进料装置。
7.根据权利要求1～6任一项所述的装置系统，其特征在于，所述水热处理装置(8)的数量至少为1组；
优选地，每组水热处理装置(8)中反应容器的数量至少为1个；
优选地，所述水热处理装置(8)倾斜布置；
优选地，所述水热处理装置(8)的中心轴与地面的倾斜角度≤60°。
8.根据权利要求1～7任一项所述的装置系统，其特征在于，所述冷却排料装置(9)与冷水管道相连。
9.根据权利要求1～8任一项所述的装置系统，其特征在于，所述固液分离装置(10)与液体回流管道相连；
优选地，所述液体回流管道分别与所述水热处理装置(8)和所述预洗装置(3)相连。
10.根据权利要求9所述的装置系统，其特征在于，所述液体回流管道上设置有泵和/或热交换组件(11)。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310183636.3A CN116286049A (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 一种连续制备生物质燃料的装置系统 |
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2023
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