CN117801833A - 利用锅炉尾气的内热生物质汽炭联产方法及参数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用锅炉尾气的内热生物质汽炭联产方法及参数确定方法，其中汽炭联产方法包括：烘干脱水；工艺参数确定；进料；对生物质原料进行加热，形成热解气与生物炭；在所述热解设备外部，对所述热解设备进行内加热工艺控制；沉降：汽炭联产。工艺参数的确定方法，包括获取生物质原材料特性、获取生物质炭的特性、获取锅炉尾气的物理特性、建立工艺参数模型以及求解模型；该汽炭联产方法具有导热效率高、得炭率高、生产效率高和工艺控制稳定的优点，适合生物质汽炭联产，可实现生物质资源的高值利用。
Description
技术领域
本发明涉及生物质再利用技术领域，特别是指一种利用锅炉尾气的内热生物质汽炭联产方法及参数确定方法。
背景技术
我国生物质资源丰富、种类繁多，在我国广大的乡镇和农村，竹木材的屑末、加工下脚料、农作物秸秆、各种糠渣、谷壳等剩余物丰富。将这些生物质剩余物进行炭化，可以有效地实现固碳，减小大气CO2的排放量，也是目前公认的解决气候变化问题的可行技术措施之一。
将农作物秸秆等生物质剩余物进行热解炭化，是一种热化学转化技术。该技术不仅可以实现生物质的高值化利用，提高废弃物附加值的有效途径；而且生物炭在土壤改良、重金属吸附和水源净化等方面也具有重要作用。
生物质汽炭联产技术的出现提供了一种能源利用途径，既可以有效地解决生物质剩余物处置问题，促进农村经济发展；又能够获得蒸汽供企业使用，降低煤炭资源的使用。
现有的炭化技术按加热方式的不同，主要分为内加热式和外加热式。内加热式炭化技术主要是让炭化炉内的空气先和一部分生物质原料发生燃烧反应，燃烧放热使剩余原料升温并析出挥发分；挥发分和部分原料继续燃烧，从而维持后续热解炭化所需要的热量平衡。内加热式的换热效率较高，但热解炭化工艺参数控制难度大，而且要烧蚀一部分生物炭以维持热量平衡，因此得炭率偏低。
外加热式炭化技术工艺参数容易控制，生产成本低；外加热式炭化设备的结构简单、操作方便、成熟度高，因此目前大部分的炭化设备都是外加热式。但是，外加热式是通过炉壁的热传导来加热炉内生物质原料，则存在导热效率偏低，原料受热不均匀等问题。
很明显，内加热式的炭化技术和炭化设备具有更高的生产效率，市场前景也更明显。利用汽炭联产系统的资源和特殊性，开发具体稳定工艺控制能力的内加热式炭化新装备，可以推进生物质资源的高值利用，实现农业环境保护和农民增收。
发明内容
本发明提供一种利用锅炉尾气的内热生物质汽炭联产方法及参数确定方法，在热解设备外部，通过锅炉尾气来实现准确的热解炭化工艺参数控制，是一种“内热炉、外控制”的策略。该汽炭联产方法可以克服现有内加热式生物质热解炭化技术中工艺控制难度大的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产方法，包括：
（1）烘干脱水：对生物质原料进行烘干脱水；
（2）工艺参数确定：对所述生物质原料进行取样，测量其含水率，并进一步确定内加热生物质汽炭联产的工艺参数，具体包括热源温度，风量/>和进料量/>；
（3）进料：将烘干后的所述生物质原料投入热解设备中，同时将锅炉尾气同步引入所述热解设备中；
（4）在所述热解设备内部，锅炉尾气与生物质原料同向运动并发生直接接触，对生物质原料进行加热，所述生物质原料进行热解反应，形成热解气与生物炭；所述热解气混入锅炉尾气中，形成可燃气；
在所述热解设备外部，对所述热解设备进行内加热工艺控制；
（5）沉降：所述生物炭富集在炭气分离机构底部；所述可燃气则富集在所述炭气分离机构顶部；
（6）汽炭联产：
产炭：沉降后的所述生物炭进行降温；
产汽：沉降后的所述可燃气通过燃烧，产生热气；将所述热气进行热能转换为蒸汽为用户供热，锅炉尾气从锅炉的出口引出；
锅炉引出的所述锅炉尾气分成3部分：第1部分锅炉尾气被引入烘干脱水系统，为所述生物质原料的烘干脱水提供热能；第2部分锅炉尾气先进行伴热，再被引入所述热解设备，对所述生物质原料进行内加热升温，实现热解过程；第3部分为剩下的锅炉尾气。
在一些实施例中，所述步骤（3）通过进料器控制进料量M；所述步骤（3）通过风机控制风量Q。
在一些实施例中，炭化时间为所述生物质原料中的颗粒在所述热解设备中的滞留时间；所述炭化时间与所述生物质原料的粒径呈正相关性；所述自适应指原料中每个所述颗粒的所述炭化时间都不相同，可根据粒径大小自动匹配，具体为，粒径小的原料炭化时间短，粒径大的原料炭化时间长。
在一些实施例中，所述的伴热为利用热气对锅炉尾气进行加热，提高锅炉尾气温度的方法；所述的伴热在形式上为导热式伴热或混合式伴热。
在一些实施例中，所述导热式伴热为通过换热器或管道外壁进行导热，将热气能量传导给锅炉尾气，从而提高锅炉尾气的温度。
在一些实施例中，所述混合式伴热为将热气与锅炉尾气进行混合，从而提高混合后锅炉尾气的温度。
在一些实施例中，所述步骤（4）加热过程中，锅炉尾气温度由热源温度下降到炭化温度/>；所述生物质原料逐渐由常温上升到炭化温度/>；生物质原料在炭化温度/>下进行热解反应，热解反应的产物为热解气与生物炭；热解气混入锅炉尾气中，形成可燃气。
上述的过程控制：在所述热解设备外部，对所述热解设备进行内加热工艺控制；所述内加热工艺控制具体包括原料控制和锅炉尾气控制；所述原料控制指控制烘干后的所述生物质原料的进料速度为进料量；所述锅炉尾气控制为气体温度控制与气体流量控制；所述气体温度控制指通过伴热提升锅炉尾气温度，获得升温尾气；并将所述升温尾气保持在热源温度/>；所述气体流量控制指通过控制所述升温尾气进入热解设备的流量，获得控流尾气；将所述控流尾气的流量被控制在风量/>。
一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产的工艺参数确定方法，包括：
（1） 获取生物质原材料特性：
对生物质原料进行取样，获取以下物理参数：原料含水率；再对生物质原料进行化学测试，获取以下化学参数：干基炭化温度/>，干基得炭率/>；
（2） 获取生物质炭的特性：
对取样的生物质原料进行热解，对热解气与生物炭进行物理测试，获取以下物理参数：生物质炭的比热，热解气的比热/>；
（3） 获取锅炉尾气的物理特性：
对锅炉尾气进行取样并进行物理测试，获取以下物理参数：锅炉尾气比热，锅炉尾气标准密度/>；
（4） 建立工艺参数模型：
根据热传导的热能守恒原理，建立内加热的换热方程式；该方程式描述热源温度，风量/>与进料量/>之间的关系；优选的，该公式具有如下形式：
；
其中：Cw为水蒸气的比热；
根据干基得炭率的定义，可以建立进料量与炭产量/>之间的产能方程式；炭产量/>为系统预期的产能，为已知量；优选的，该方程式具有如下形式：
；
根据内加热中锅炉尾气与烘干后生物质原料的气固质量比，建立描述热源温度，风量/>与进料量/>之间的质量方程式；优选的，该方程式具有如下形式：
；
（5）求解模型：对步骤（4）中所建换热方程式、产能方程式和质量方程式，进行3方程式联立求解，解得3个待确定工艺参数：热源温度，风量/>和进料量/>。
在一些实施例中，所述方法还包括工艺参数复核，在3个所述工艺参数使用前进行复核，具体的，应该全部满足如下3个条件：①；②/>；③/>。
本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
（1）得炭率高。本发明提供的汽炭联产方法，利用汽炭联产的锅炉尾气作为内加热式热解炭化的热源。从而避免了传统内加热式中，需要通入空气烧蚀一部分生物炭以维持热量平衡；因此本发明可以获得更高的得炭率。
（2）生产效率高。本发明提供的汽炭联产方法，利用升温的锅炉尾气直接加热生物质原料，克服外加热式需要炉壁热传导的缺点，因此可以获得更高的生产效率。
（3）工艺控制稳定。本发明提供的汽炭联产方法，通过在热解设备外部实施原料控制和锅炉尾气控制，可以获得稳定的热源温度，风量和进料量，从而使内加热系统的工艺过程更稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方案或现有技术中的技术方案，下面将对实施方案或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例中以处置杉木屑为例，对一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产的工艺参数确定方法的做进一步详述，包括：
（1）获取杉木屑的特性：
先对杉木屑原料进行取样，利用含水率测试仪，实测杉木屑原料的含水率为50%；再对杉木屑原料进行化学测试，可利用马沸炉来进行热裂解实验，获取杉木屑的干基炭化温度/>为350℃，杉木屑的干基得炭率/>为37%；
（2） 获取杉木炭的特性：
利用马沸炉对取样的杉木屑加热到350℃进行热解，再对热解得到的热解气与杉木炭进行物理测试；利用比热测定仪测量杉木炭的比热为0.45Kcal/kg℃，热解气的比热/>为0.28Kcal/kg℃；
（3） 获取锅炉尾气的物理特性：
对锅炉尾气进行取样并进行物理测试，利用比热测定仪测量锅炉尾气比热为0.255Kcal/kg℃，锅炉尾气标准密度/>为1.19kg/m3；
（4） 建立工艺参数模型：
根据上述杉木屑原料相关物理化学参数，建立内加热的换热方程式：
；
其中：Cw为水蒸气的比热；
本实施例中，杉木炭的产量为0.1kg/s，则可建立内加热的产能方程式：
；
再根据内加热中锅炉尾气参数建立质量方程式：
；
（5）求解模型：本实施例中，将相关参数代入上述换热方程式、产能方程式和质量方程式，并进行3方程式联立求解，解得：热源温度为605℃，风量/>为1.17m3/s和进料量为0.3kg/s；
（6） 工艺参数复核：最后对求得的3个工艺参数进行复核，满足条件①；②/>；③/>；因此，本实施例中求取的工艺参数有效。
实施例2
本实施例中以处置杉木屑为例，结合附图1对本发明中一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产方法的做进一步详述：
（1）烘干脱水：利用回转式烘干机对杉木屑进行烘干脱水，回转式烘干机的处置量为2吨/小时；杉木屑原料的含水率为50%，烘干脱水后杉木屑原料的含水率为10%；所述烘干脱水的热能来源于锅炉尾气；
（2）工艺参数确定：对杉木屑原料进行取样，测量其含水率为50%，进一步确定内加热生物质汽炭联产的工艺参数。具体通过换热方程式、产能方程式和质量方程式，进行3方程式联立求解，从而解得3个待确定工艺参数：热源温度为605℃，风量/>为1.17m3/s和进料量/>为0.3kg/s；
（3）过程控制：本实施例中，内加热式热解设备采用回转炭化窑，对回转炭化窑外部进行内加热工艺控制。①原料控制环节：利用螺旋进料器控制烘干后杉木屑的进料速度为0.3kg/s；②气体温度控制环节：对锅炉尾气温度进行升温，并通过PID控制使其温度保持605℃；③气体流量控制环节：通过风机控制锅炉尾气进入内加热式回转炭化窑的流量，使其流量始终被控制在1.17m3/s；
（4）同向内加热热解：杉木屑在内加热式回转炭化窑中缓慢移动，逐渐由进料端运动到出料端；在内加热式回转炭化窑内部，锅炉尾气与杉木屑同向运动并发生直接接触，对杉木屑进行加热；加热过程中，锅炉尾气温度由605℃下降到350℃；杉木屑逐渐由常温上升到350℃，并发生热解反应，产生热解气与杉木炭；热解气的生成量为0.46m3/s，杉木炭的生成量为0.1kg/s；热解气混入锅炉尾气中，形成可燃气；
（5）炭化时间自适应：由于杉木屑的颗粒存在大小差异性，本实施例中，即使采用350℃炭化温度，粒径大的杉木屑需要的炭化时间也越长，粒径小的杉木屑需要的炭化时间则会更短；而在本发明提供的方法中，1mm以内粒径的杉木屑在锅炉尾气的推动下，会加速向出料端运动，炭化时间小于20s；而10mm以上大粒径杉木屑运动速度相对缓慢，在炉内的滞留时间一般可以达到100s；很明显，在本实施例中，杉木屑颗粒的炭化时间与颗粒的粒径呈正相关性；本发明提供的方法，颗粒的炭化时间可根据粒径大小自动匹配，即粒径小的杉木屑炭化时间短，粒径大的杉木屑炭化时间长；
（6）沉降：在内加热式回转炭化窑的出口，设置重力沉降室，利用重力将杉木炭与可燃气进行分离；杉木炭富集在重力沉降室底部；可燃气则富集在重力沉降室顶部；
（7）汽炭联产：
产炭：350℃的杉木炭由重力沉降室底部的出炭口排出，通过冷却机冷却至常温后进行包装入库；
产汽：350℃的可燃气由重力沉降室炭顶部引出，通过燃气锅炉产生1000℃热气并转换为蒸汽为用户供热，锅炉尾气从锅炉的出口引出；
（8）锅炉尾气分配：本实施例中，燃气锅炉的锅炉尾气的温度为300℃；该锅炉尾气被分成3部分：第1部分锅炉尾气，流量约1.5m3/s，被引入烘干脱水系统，为杉木屑的烘干脱水提供热能；第2部分锅炉尾气先进行伴热升温到605℃，伴热后流量约1.17m3/s，再被引入内加热式回转炭化窑，用于实现热解过程；第3部分为所有剩下的锅炉尾气，流量约2.1m3/s，经过环保设备达到环保标准后排放。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产方法，其特征在于，包括：
（1）烘干脱水：对生物质原料进行烘干脱水；
（2）工艺参数确定：对所述生物质原料进行取样，测量其含水率，并进一步确定内加热生物质汽炭联产的工艺参数，具体包括热源温度，风量/>和进料量/>；
（3）进料：将烘干后的所述生物质原料投入热解设备中，同时将锅炉尾气同步引入所述热解设备中；
（4）在所述热解设备内部，锅炉尾气与生物质原料同向运动并发生直接接触，对生物质原料进行加热，所述生物质原料进行热解反应，形成热解气与生物炭；所述热解气混入锅炉尾气中，形成可燃气；
在所述热解设备外部，对所述热解设备进行内加热工艺控制；
（5）沉降：所述生物炭富集在炭气分离机构底部；所述可燃气则富集在所述炭气分离机构顶部；
（6）汽炭联产：
产炭：沉降后的所述生物炭进行降温；
产汽：沉降后的所述可燃气通过燃烧，产生热气；将所述热气进行热能转换为蒸汽为用户供热，锅炉尾气从锅炉的出口引出；
锅炉引出的所述锅炉尾气分成3部分：第1部分锅炉尾气被引入烘干脱水系统，为所述生物质原料的烘干脱水提供热能；第2部分锅炉尾气先进行伴热，再被引入所述热解设备，对所述生物质原料进行内加热升温，实现热解过程；第3部分为剩下的锅炉尾气。
2.根据权利要求1所述的一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产方法，其特征在于，所述步骤（3）通过进料器控制进料量M；所述步骤（3）通过风机控制风量Q。
3.根据权利要求1所述的一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产方法，其特征在于，所述生物质原料的粒径与炭化时间呈正相关性。
4.根据权利要求1所述的一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产方法，其特征在于，所述的伴热为利用热气对锅炉尾气进行加热，提高锅炉尾气温度的方法；所述的伴热在形式上为导热式伴热或混合式伴热。
5.根据权利要求4所述的一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产方法，其特征在于，所述导热式伴热为通过换热器或管道外壁进行导热，将热气能量传导给锅炉尾气，从而提高锅炉尾气的温度。
6.根据权利要求4所述的一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产方法，其特征在于，所述混合式伴热为将热气与锅炉尾气进行混合，从而提高混合后锅炉尾气的温度。
7.根据权利要求1所述的一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产方法，其特征在于，所述步骤（4）加热过程中，锅炉尾气温度由热源温度下降到炭化温度/>；所述生物质原料逐渐由常温上升到炭化温度/>；生物质原料在炭化温度/>下进行热解反应，热解反应的产物为热解气与生物炭；热解气混入锅炉尾气中，形成可燃气。
8.一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产的工艺参数确定方法，包括：
（1） 获取生物质原材料特性：
对生物质原料进行取样，获取以下物理参数：原料含水率；再对生物质原料进行化学测试，获取以下化学参数：干基炭化温度/>，干基得炭率/>；
（2） 获取生物质炭的特性：
对取样的生物质原料进行热解，对热解气与生物炭进行物理测试，获取以下物理参数：生物质炭的比热，热解气的比热/>；
（3） 获取锅炉尾气的物理特性：
对锅炉尾气进行取样并进行物理测试，获取以下物理参数：锅炉尾气比热，锅炉尾气标准密度/>；
（4） 建立工艺参数模型：
根据热传导的热能守恒原理，建立内加热的换热方程式；该方程式描述热源温度，风量/>与进料量/>之间的关系；
该公式具有如下形式：
；
其中：Cw为水蒸气的比热；
根据干基得炭率的定义，可以建立进料量与炭产量/>之间的产能方程式；炭产量/>为系统预期的产能，为已知量；优选的，该方程式具有如下形式：
；
根据内加热中锅炉尾气与烘干后生物质原料的气固质量比，建立描述热源温度，风量/>与进料量/>之间的质量方程式；优选的，该方程式具有如下形式：
；
（5）求解模型：对步骤（4）中所建换热方程式、产能方程式和质量方程式，进行3方程式联立求解，解得3个待确定工艺参数：热源温度，风量/>和进料量/>。
9.根据权利要求1所述的一种利用锅炉尾气的内加热生物质汽炭联产的工艺参数确定方法，其特征在于，所述方法还包括工艺参数复核，在3个所述工艺参数使用前进行复核，具体的，应该全部满足如下3个条件：①；②/>；③/>。
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