CN206177745U - 生物质微波热裂解炼制在线分析实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及生物质微波热裂解炼制在线分析实验装置，属于生物质能源技术领域。本装置主要由载气系统、微波裂解反应系统、保温系统、裂解产物收集系统和监控系统五部分组成。载气系统包括气瓶和带传感器的数字流量计，监控系统具有温度、气体流量、物料质量显示、时间控制等模块，微波裂解反应系统包括微波发生器和微波反应器，裂解产物收集及分析系统包括过滤器、第一级蛇形冷凝管、第二级蛇形冷凝管、静电捕集器、冷凝液收集瓶、洗气瓶、储气罐以及外接气体分析仪器等。本实用新型装置全自动控制和实时显示，可以实现对生物质微波裂解特性的动态在线分析以及全产物的分离、收集，原料无需干燥处理、适用范围广。

Description

生物质微波热裂解炼制在线分析实验装置

技术领域

本实用新型属于生物质能源技术领域，具体涉及一种生物质微波热裂解炼制定量分析的实验装置。

背景技术

随着石化资源的日益枯竭及其过渡使用所带来的生态环境恶化问题，农业秸秆、林木剩余物等生物质废弃物资源的高效加工利用已经成为当前社会发展的热点和焦点之一。生物质转化手段多种多样，包括机械成型、生物转化、化学转化以及热化学转化等。以热裂解炼制为核心的热化学转化技术，在高温作用下可以快速地将能量密度较低的固态生物质转化为液体燃料、可燃气以及活性炭等高附加值产品，具有原料适应性强、转化效率高等特点。

微波热裂解是一种从原料内部进行加热的裂解转化方法。在微波热解过程中，不需要外部热源，是向被加热物料内部辐射微波电磁场，推动偶极子运动，使物料内部组分相互碰撞、摩擦而生热，可以在不同深度同时产生热量，即“体加热效果”，不仅使加热更快速，而且更均匀，相对于传统热解技术可以大大改善加热的均匀性和质量。

鉴于微波热解技术在生物质转化领域的技术优点和应用潜力，有研究者在尝试采用开发相应的生物质微波裂解技术与装置。例如，专利CN200610068782.8公开的一种利用微波热解生物质的装置，主要由截止门、螺旋压料装置、漏气引风机、微波热解室、炭燃烧室和出灰绞龙构成。然而这个装置并不具备液相产物收集系统，同时也没有对原料热裂解特性分析功能。专利CN201310496029.9公开的一种微波热解制生物油和活性炭的系统，包括微波热解反应器、旋风分离器、冷凝器、焦炭储料仓、微波活化反应器、气体燃烧器、活性炭冷却塔和氮气发生器。该装备虽然具有产物收集系统，但是也不具有对生物质进行在线微波热裂解特性研究的功能，而且也不能对气相产物进行在线分析。

发明内容

本实用新型的目的是，提供一种新的生物质微波热裂解炼制在线分析实验装置，通过动态测量试样在特定微波作用下的质量—时间变化关系及温度—时间变化关系实现对生物质微波裂解特性的在线分析，同时还可以进行生物质热裂解后液相、固相和气体产物的收集，以及对气相产物进行在线化学分析。

本实用新型的技术方案为：

一种生物质微波热裂解炼制在线分析实验装置，主要由载气系统、微波裂解反应系统、保温系统、裂解产物收集系统和监控系统五部分组成；所述的载气系统包括气瓶，气瓶中装载惰性气体，气瓶中气体通过载气管路输出；所述的微波裂解反应系统包括微波发生器和微波反应器；微波反应器安置在微波裂解反应室中，所述的微波发生器安在微波裂解反应室上；所述的保温系统包括微波裂解反应系统的外壳体、微波裂解反应系统的快开门以及外壳体的外保温层；快开门为带加厚隔热材料的保温门；微波发生器和微波发生器的电源部分均采用全包围保温设计；所述的裂解产物收集系统包括冷凝管、静电捕集器和储气罐；所述的监控系统包括控制台和微波反应系统控制盘。

所述的气瓶中装载的惰性气体是氮气。

所述的载气系统还包括数字流量计，数字流量计设置在所述的载气管路上。

所述的微波反应器中放置高温气炼石英材料；所述的微波发生器主要由磁控管、变压器、电子电路以及散热保护装置组成；磁控管设有4支，安在微波裂解反应室上。

所述的裂解产物收集系统还包括过滤器和洗气瓶；所述的冷凝管为蛇形冷凝管，由第一级蛇形冷凝管和第二级蛇形冷凝管组成；在第一级蛇形冷凝管、第二级蛇形冷凝管和静电捕集器下分别设置冷凝液收集瓶。

所述的载气系统中气瓶的出口通过载气管路与微波裂解反应系统的微波反应器相连；所述的微波裂解反应系统的微波发生器设置在微波裂解反应室上，微波反应器设置在微波裂解反应室内；所述的微波裂解反应系统出口与所述的裂解产物收集及分析系统中的过滤器、第一级蛇形冷凝管、第二级蛇形冷凝管、静电捕集器、洗气瓶和储气罐依次相连。

本实验装置的用途：能够动态测量生物质试样在特定微波功率、温度下的质量—时间变化关系及温度—时间变化关系；使用过滤器、冷凝器、静电捕集器等，可以实现热解液相、固相和气体产物的收集；通过外接的气体分析仪器可以实现对经过洗气瓶后的不可冷凝气体进行化学成分分析；通过生物质物料微波热解过程中的升温和失重特性研究，结合热解产物的测试分析结果，研究和分析微波热解产物的形成途径和热解机理。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的微波热裂解炼制在线分析实验装置可以对生物质裂解过程的物料质量变化进行实时、准确监控，并生成分析试验数据和裂解特性曲线进行显示、存储和输出，通过还可以通过外接气体分析仪器对热解产生的气体产物进行实时分析，可以对微波裂解过程进行全自动控制和实时显示，装置精密度高，便于对生物质微波裂解全过程进行在线研究。

2.本实用新型的微波热裂解炼制在线分析实验装置，具有液相、固相和气相产物分离和收集系统，可以实现全产物的100％转化和收集，便于开展后续的深入研究分析和产物利用工作。

3.本实用新型的微波热裂解炼制在线分析实验装置，没有机械进料装置，因此对树叶、工业木质素、树皮等熔融温度较低的特殊原料也可以进行处理，而且原料无需干燥处理，原料适用范围广。

附图说明

图1是本实用新型的生物质微波热裂解炼制在线分析实验装置的结构示意图。

图中标记：

1-气瓶；2-数字流量计；3-控制台；4-微波反应系统控制盘；5-快开门；6-电子天平；7-微波裂解反应室；8-测温热电偶；9-微波反应器；10-微波发生器；11-外壳体；12-过滤器；13-第一级蛇形冷凝管；14-冷凝液收集瓶；15-第二级蛇形冷凝管；16-静电捕集器；17-洗气瓶；18-储气罐；19-气体分析仪。

具体实施方式

参见图1，本实用新型生物质微波热裂解液化实验装置主要由载气系统、微波裂解反应系统、保温系统、裂解产物收集系统和监控系统五部分组成。

所述的载气系统，包括气瓶1和带传感器的数字流量计2。气瓶1中装载惰性气体氮气，作为裂解过程保护气体。气瓶1中气体通过载气管路输出。

所述的微波裂解反应系统，主要包括微波发生器10和微波反应器9。微波反应器9安置在微波裂解反应室7中。微波裂解反应系统工作条件包括，微波发生器10的微波输出功率≤4KW，可调，总输入功率约≤5KVA，工作电压：三相五线380V±6％，工作频率：2450MHZ±50HZ，最高加热温度约1000度，温度控制可调。微波反应器9的最大放料容积量为1-3L，材质为高温气炼石英材料。所述的微波发生器10主要由磁控管、变压器、高精密电子电路以及散热保护装置组成(均为现有技术)。磁控管(额定功率1050W)带风冷散热保护，共设有4支，安在微波裂解反应室7上。为保证磁控管的高稳定性及使用寿命，特采用离心风机冷却方式，连续使用寿命达到12000小时。磁控管使用高铝陶瓷密封管口，其耐高温、效率高、抗载能力强、寿命长、运行可靠稳定。采用带过热保护特制变压器WBL-1050W(耐高压100KV高品质变压器，全铜芯制造，每只重约8公斤)，采用双重散热保护装置。配置耐高压硅堆(CL04-12)及高可靠高精密电子电路设计系统确保微波输出功率为4KW(可调)。所有电子电气配件及机械工艺调试稳定可靠，确保该设备24小时连续不停机生产。微波馈能采用双面馈能方式，微波辐射更均匀，相位互补形开馈口，保证磁控管完全正常运行，输出匹配性能优越，延长使用寿命。微波功率设计，根据生物质原料处理量和反应温度等情况，微波处理功率可快速精确调节。微波功率设计为交叉互补方式，可有效保证物料高温烧结的均匀性。

所述的保温系统，包括微波裂解反应系统的外壳体11、微波裂解反应系统的快开门5以及外壳体11的外保温层。外壳体11的每段内胆采用310S耐高温不锈钢材料制造；每段均采用内多面体加热腔体结构设计。快开门5为带加厚隔热材料、并带扼流装置的保温门，确保微波设备长期使用不泄漏，确保使用安全。快开门5采用手动控制方式。微波发生器10和微波发生器的电源部分均采用150㎜厚的全包围保温设计，可有效防止热量损失。

所述的裂解产物收集系统，包括过滤器12、第一级蛇形冷凝管13、第二级蛇形冷凝管15、静电捕集器16、冷凝液收集瓶14、洗气瓶17、储气罐18等。

所述的监控系统，包括控制台3、微波反应系统控制盘4。控制台3和微波反应系统控制盘4的核心是一电脑。监控系统中设有温度监控、气体流量监控、物料质量显示以及时间监控等模块，形成温度监控系统、气体流量监控系统、物料质量显示系统、时间控制系统。其中控制台3设计有单独总控制系统(PLC控制系统)。所述的温度监控系统是由一设置在微波反应器9中的测温热电偶实时监测微波反应器9内物料、热解气和冷凝系统温度。所述的气体流量监控系统通过安在载气管路上数字流量计2，实时调节、精确控制载气流量。所述的物料质量显示系统，设有承载微波反应器9并含质量传感器的电子天平6，电子天平6用于称量和记录物料热解失重情况，能动态测量试样在特定微波功率温度下的质量-时间变化关系及温度时间变化关系。电子天平6量程1kg，精度0.01g，可与控制台3中电脑及物料质量显示模块连接，直接显示、存储和输出数据。所述的时间控制系统是在电脑中设计有总时间控制系统，可控制整套设备的工作时间,同时设计每段均配有时间控制系统一套，可单独控制工作时间,可保证整套设备稳定运行。其它控制显示系统设计，如可显示微波功率的电流表装置等。

本实用新型的具体结构组成以及之间的连接关系为：

载气系统的气瓶1的出口通过载气管路连接到微波裂解反应系统的微波反应器9，在载气管路中设置有检测气体流量的数字流量计2。微波反应器9设置在微波裂解反应室7内。在微波反应器9中放置生物质物料——高温气炼石英材料。微波反应器9上设有测温热电偶8，底部设有电子天平6。微波裂解反应室7带有快开门5，微波裂解反应系统的微波发生器10通过设置在微波裂解反应室7上的磁控管发射微波。微波裂解反应室7整体被容置在外壳体11内。微波反应器9的出口管路通入裂解产物收集系统中的过滤器12，过滤器12的出口依次连接第一级蛇形冷凝管13、第二级蛇形冷凝管15、静电捕集器16、洗气瓶17和储气罐18。所述的第一级蛇形冷凝管13、第二级蛇形冷凝管15、静电捕集器16底部均设有冷凝液收集瓶14。洗气瓶17和储气罐18之间的管路上旁路出一分析管通到气体分析仪19。

本实用新型生物质微波热裂解炼制在线分析实验装置的裂解液化工艺流程为：

首先将待处理分析的生物质原料放置在微波反应器9中，气瓶1中的惰性气体通入微波反应器9，经微波发生器10发射的微波快速加热至设定温度后，开始进行裂解反应，固相的热解炭保留在微波反应器9中，而生成的挥发性热解气先经过过滤器12滤去气体中夹带的固相产物，然后依次通过两级串联的蛇形冷凝管13、15冷却，并通过静电捕集器16，分别将水分和生物质热解产生的可凝结气体冷凝分离下来，进入各自的冷凝液收集瓶14中，得到热解油。通过静电捕集器16后的气体利用洗气瓶17将未冷凝的焦油成分等彻底脱除；最后经过干燥装置(图中未显示)除水后使用储气罐18收集。并可由外接的气体分析仪19(如气相色谱仪、红外烟气分析仪等)进行成分在线或离线GC、IR分析。

Claims (6)

1.一种生物质微波热裂解炼制在线分析实验装置，其特征在于：主要由载气系统、微波裂解反应系统、保温系统、裂解产物收集系统和监控系统五部分组成；所述的载气系统包括气瓶，气瓶中装载惰性气体，气瓶中气体通过载气管路输出；所述的微波裂解反应系统包括微波发生器和微波反应器；微波反应器安置在微波裂解反应室中，所述的微波发生器安在微波裂解反应室上；所述的保温系统包括微波裂解反应系统的外壳体、微波裂解反应系统的快开门以及外壳体的外保温层；快开门为带加厚隔热材料的保温门；微波发生器和微波发生器的电源部分均采用全包围保温设计；所述的裂解产物收集系统包括冷凝管、静电捕集器和储气罐；所述的监控系统包括控制台和微波反应系统控制盘。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的气瓶中装载的惰性气体是氮气。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的载气系统还包括数字流量计，数字流量计设置在所述的载气管路上。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的微波反应器中放置高温气炼石英材料；所述的微波发生器主要由磁控管、变压器、电子电路以及散热保护装置组成；磁控管设有4支，安在微波裂解反应室上。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的裂解产物收集系统还包括过滤器和洗气瓶；所述的冷凝管为蛇形冷凝管，由第一级蛇形冷凝管和第二级蛇形冷凝管组成；在第一级蛇形冷凝管、第二级蛇形冷凝管和静电捕集器下分别设置冷凝液收集瓶。

6.根据权利要求1、4或5所述的实验装置，其特征在于：所述的载气系统中气瓶的出口通过载气管路与微波裂解反应系统的微波反应器相连；所述的微波裂解反应系统的微波发生器设置在微波裂解反应室上，微波反应器设置在微波裂解反应室内；所述的微波裂解反应系统出口与所述的裂解产物收集及分析系统中的过滤器、第一级蛇形冷凝管、第二级蛇形冷凝管、静电捕集器、洗气瓶和储气罐依次相连。