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CN108728166B - 用于生物质气化炉的干燥热解系统与生物质气化系统 - Google Patents

用于生物质气化炉的干燥热解系统与生物质气化系统 Download PDF

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CN108728166B CN201710245870.9A CN201710245870A CN108728166B CN 108728166 B CN108728166 B CN 108728166B CN 201710245870 A CN201710245870 A CN 201710245870A CN 108728166 B CN108728166 B CN 108728166B
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Abstract

本发明提供了一种用于生物质气化炉的干燥热解系统，以及一种包含该干燥热解系统的生物质气化系统。该干燥热解系统包括干燥段结构、热解段结构、锁气器(5)，干燥段结构水平或倾斜设置，热解段结构与水平面呈锐角α倾斜设置；干燥段结构包括同心焊接的干燥段夹套外筒(2)与干燥段绞龙(3)，换热片，干燥段加热气体进口(4)，干燥段加热气体出口(1)，水汽出口(11)；热解段结构包括同心焊接的热解段夹套外筒(7)与热解段绞龙(8)，换热片，热解段加热气体进口(9)、热解段加热气体出口(6)。本发明所述的干燥热解系统与生物质气化系统有利于生物质综合高效利用、降低企业的能耗、环境保护，具有优异的科研价值与市场价值。

Description

用于生物质气化炉的干燥热解系统与生物质气化系统
技术领域
本发明属于生物质气化技术领域，具体涉及一种用于生物质气化炉的干燥热解系统，以及一种包含该干燥热解系统的生物质气化系统。
背景技术
生物质能是指由光合作用而产生的各种有机体光合作用利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气所产生的能量。生物质通常包括农业废弃物、木材及森林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃圾以及能源作物等几种类型。生物质能具有以下特点：属于可再生能源，可保证能源的永续利用；种类多而分布广，便于就地利用，利用形式多样；相关技术已经成熟，可贮存性好；节能、环保效果好。生物质气化是利用空气中的氧气或含氧物作气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化碳和甲烷)的热化学反应。20世纪70年代，Ghaly等人首次提出了将气化技术应用于生物质这种含能密度低的燃料(GahlyM，PiskorzJ，et al.The Hydrogasification of wood[J].IndEngCheMres，1988，27：256-264)。值得一提的是，生物质的挥发分含量一般在76％～86％，生物质受热后在相对较低的温度下就能使大量的挥发分物质析出(李传统，新能源与可再生能源技术[M]，东南大学出版社，2005)。
气化炉是生物质气化反应的主要设备。按气化炉的运行方式不同，主要分为固定床、流化床和旋转床三种类型。国内目前生物质气化过程所采用的气化炉主要为固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉和流化床气化炉又有多种不同的形式。
随着对生物质综合高效利用的进一步深入研究，在现有技术中，研究人员已提出了生物质分级气化技术。如中国专利CN101144022A公开了一种三段式生物质气化炉，即分为热解、炉篦上气化段和炉篦下气化段三部分；然而，在该技术方案中，缺乏生物质干燥段，从而导致热解过程不充分，挥发分析出不完全，气化段温度不足，热量不够，整体气化效率降低等技术问题。发明人通过分析发现，由于生物质内含水率较高，热解段生成的热解气中水分含量过高，从而导致气化段内温度降低，随之而造成气化强度及气化效率下降，气化气中焦油的含量较高，这不仅加大了下游净化系统负担，造成二次污染，而且降低了能量转化率。
发明内容
本发明所提供的技术方案旨在解决现有技术中存在的上述技术问题，发明人拟设计并制造出一种能够先充分干燥水分再实施热解的系统，能有效降低生物质中水分的含量，从而显著提高了气化段温度，增强了气化强度，降低了气化气中焦油的含量。
因此，本发明的第一方面提供了一种用于生物质气化炉的干燥热解系统，其包括干燥段结构，热解段结构，以及可拆卸地连接所述干燥段结构与所述热解段结构的锁气器；其中，干燥段结构水平或倾斜设置，热解段结构与水平面呈锐角α倾斜设置；
其中，所述干燥段结构包括同心焊接的干燥段夹套外筒、干燥段绞龙，并且，干燥段夹套外筒套设于干燥段绞龙上，干燥段夹套外筒的长度小于干燥段绞龙；其中，在干燥段夹套外筒和干燥段绞龙之间焊接有换热片，干燥段夹套外筒表面开设有干燥段加热气体进口、干燥段加热气体出口；干燥段绞龙包括干燥段进料口、干燥段出料口；
其中，所述热解段结构包括同心焊接的热解段夹套外筒、热解段绞龙，并且，热解段夹套外筒套设于热解段绞龙上，热解段夹套外筒的长度小于热解段绞龙；其中，在热解段夹套外筒和热解段绞龙之间也焊接有换热片，热解段夹套外筒表面开设有热解段加热气体进口、热解段加热气体出口；热解段绞龙包括热解段进料口、热解段出料口；
并且，所述锁气器的一端连接于所述干燥段出料口，其另一端连接于所述热解段进料口；在所述干燥段绞龙的与所述干燥段出料口相对的一侧上，焊接有水汽出口。
值得说明的是，该干燥热解系统运行时，来自料仓的生物质从干燥段进料口进入所述干燥段绞龙，在所述干燥段绞龙的推动下充分干燥，然后，从干燥段出料口输出，经锁气器进入热解段进料口，充分热解后，生成的热解气和生物质焦由热解段出料口进入生物质气化炉内，以实施进一步处理；其中，加热气体来源于经所述生物质气化炉生成的高温气化气换热后的气体，所述加热气体分别通入干燥段加热气体进口和热解段加热气体进口，由各换热片引导，分别对干燥段绞龙和热解段绞龙进行加热，最后从干燥段加热气体出口、热解段加热气体出口输出。特别是，由于所述干燥段绞龙上焊接有水汽出口，在干燥段生成的大量水汽可从该水汽出口排出，从而在热解前充分降低了生物质中水分的含量。
优选地，在上述干燥热解系统中，所述锁气器的两端分别通过法兰与所述干燥段绞龙和所述热解段绞龙连接。
优选地，在上述干燥热解系统中，所述干燥段绞龙和/或所述热解段绞龙的材质为铸铁或不锈钢。
优选地，在上述干燥热解系统中，所述锐角α＝5°～10°。因此，与水平面呈5°～10°角设置的所述热解段结构便于物料输送顺畅。
优选地，在上述干燥热解系统中，所述干燥段加热气体进口、所述干燥段加热气体出口均开设于所述干燥段夹套外筒的下侧。
优选地，在上述干燥热解系统中，所述热解段加热气体进口、所述热解段加热气体出口均开设于所述热解段夹套外筒的下侧。
此外，还可在所述干燥热解系统内设置绞龙转速调节装置，以及时调节干燥段绞龙、热解段绞龙的转速；同时，可分别在干燥段加热气体进口与热解段加热气体进口前设置加热气体流量调节阀，以适当调节加热气体的流量；更优选地，可同时设置所述的绞龙转速调节装置和加热气体流量调节阀，用于针对不同水分含量的生物质进行更为精准的控制，从而获得更好的生物质干燥热解效果。
本发明的第二方面还提供了一种生物质气化系统，其包含生物质分级气化炉和本发明第一方面所述的干燥热解系统；其中，所述热解段出料口伸入所述生物质分级气化炉的炉体上部。
优选地，在上述生物质气化系统内，所述生物质分级气化炉外层设有保温层，且炉体内设置有钢制炉篦，其将炉体分割为上部气化段与下部气化段；在炉体进口处设置有圆筒形喉口，所述喉口的横截面积小于该炉体的横截面积；并且，所述喉口的筒体上均匀设置有空气进气管，以连通炉外。
进一步优选地，在上述生物质气化系统内，所述喉口的横截面积为该炉体的横截面积的0.55～0.65倍。
进一步优选地，在上述生物质气化系统内，所述空气进气管倾斜设置。
另外，在设置了圆筒形喉口的情况下，与水平面呈锐角α倾斜设置的所述热解段结构有利于加强该喉口段对热解段的高温热辐射作用，从而提高了热解温度，强化了热解反应。
综上所述，相对于现有技术，本发明所提供的技术方案主要具有以下技术优势：本发明所述的干燥热解系统充分考虑了生物质的干燥特性和热解特性，能有效降低通入气化炉内热解气中的水分含量，提高气化温度，避免气化过程中热量的损失；本发明所述的干燥热解系统采用锁气器有效阻止干燥过程中产生的水汽流入热解段结构，同时还能保证热解段结构中维持微负压状态，从而加强热解段结构内气体的自然循环换热效果；此外所述热解段结构的倾斜布置一方面保证了物料输送的顺畅性，另一方面还能加强喉口段对热解段的高温热辐射作用，从而提高了热解温度，强化了热解反应。
因此，本发明所述的干燥热解系统与生物质气化系统的设置与使用，有利于生物质综合高效利用，有利于降低企业的能耗，有利于环境保护；总之，本发明所提供的干燥热解系统与生物质气化系统具有优异的科研价值与市场价值。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中所述的用于生物质气化炉的干燥热解系统的结构示意图；其中：1-干燥段加热气体出口，2-干燥段夹套外筒，3-干燥段绞龙，4-干燥段加热气体进口，5-锁气器，6-热解段加热气体出口，7-热解段夹套外筒，8-热解段绞龙，9-热解段加热气体进口，10-生物质气化炉/生物质分级气化炉，11-水汽出口。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施方式。
如图1所示，一种用于生物质气化炉的干燥热解系统，包括干燥段结构，热解段结构，以及可拆卸地连接所述干燥段结构与所述热解段结构的锁气器5，其中，干燥段结构水平设置，热解段结构与水平面呈5°锐角倾斜设置；
其中，所述干燥段结构包括同心焊接的干燥段夹套外筒2、干燥段绞龙3，并且，干燥段夹套外筒2套设于干燥段绞龙3上，干燥段夹套外筒2的长度小于干燥段绞龙3；其中，在干燥段夹套外筒2和干燥段绞龙3之间焊接有换热片(图中未示出)，干燥段夹套外筒2的表面开设有干燥段加热气体进口4、干燥段加热气体出口1；干燥段绞龙3包括干燥段进料口、干燥段出料口；
其中，所述热解段结构包括同心焊接的热解段夹套外筒7、热解段绞龙8，并且，热解段夹套外筒7套设于热解段绞龙8上，热解段夹套外筒7的长度小于热解段绞龙8；其中，在热解段夹套外筒7和热解段绞龙8之间也焊接有换热片(图中未示出)，热解段夹套外筒7的表面开设有热解段加热气体进口9、热解段加热气体出口6；热解段绞龙8包括热解段进料口、热解段出料口；
并且，所述锁气器5的一端连接于所述干燥段出料口，其另一端连接于所述热解段进料口；在所述干燥段绞龙3的与所述干燥段出料口相对的一侧上，焊接有水汽出口11。
此外，值得补充说的是，在上述干燥热解系统中，干燥段绞龙3、热解段绞龙8的具体直径与长度需分别根据进料量、处理量确定，而干燥段夹套外筒2、热解段夹套外筒7的具体直径还需根据干燥强度、热解强度的特定要求确定。并且，所述水汽出口11始终保持畅通，用于实时排出生物质干燥过程中产生的水汽。
在一个优选实施例中，所述锁气器5的两端分别通过法兰与所述干燥段绞龙3和所述热解段绞龙8连接。另外，所述锁气器5的容量根据所述干燥热解系统的生物质最大处理量配置。
在一个优选实施例中，所述干燥段绞龙3和所述热解段绞龙8的材质均为不锈钢。
在一个优选实施例中，所述干燥段加热气体进口4、所述干燥段加热气体出口1均开设于所述干燥段夹套外筒2的下侧。
在一个优选实施例中，所述热解段加热气体进口9、所述热解段加热气体出口6均开设于所述热解段夹套外筒7的下侧。
在一个进一步优选的实施例中，所述干燥段加热气体进口4、所述干燥段加热气体出口1与所述干燥段进料口、所述干燥段出料口逆流布置，即所述干燥段加热气体出口1设置在靠近所述干燥段进料口的一端，而所述干燥段加热气体进口4设置在靠近所述干燥段出料口的一端。
在一个进一步优选的实施例中，所述热解段加热气体进口9、所述热解段加热气体出口6与所述热解段进料口、所述热解段出料口逆流布置，即所述热解段加热气体出口6设置在靠近所述热解段进料口的一端，而所述热解段加热气体进口9设置在靠近所述热解段出料口的一端。
以上优选实施例中的“逆流布置”方式有利于加热气体与物料之间的换热更加充分。
在一个进一步优选的实施例中，所述干燥热解系统内还设置有绞龙转速调节装置，能够分别调节所述干燥段绞龙3、热解段绞龙8的转速。
在一个进一步优选的实施例中，在所述干燥段加热气体进口4与热解段加热气体进口9前各设置有一个加热气体流量调节阀，用于调节加热气体的流量。
一种生物质气化系统，其包含生物质分级气化炉10和本发明第一方面所述的干燥热解系统；其中，所述热解段出料口伸入所述生物质分级气化炉的炉体上部。
在一个优选实施例中，所述生物质分级气化炉外层设有保温层，且炉体内设置有钢制炉篦，其将炉体分割为上部气化段与下部气化段；在炉体进口处设置有圆筒形喉口，所述喉口的横截面积小于该炉体的横截面积；并且，所述喉口的筒体上均匀设置有空气进气管，以连通炉外。
在一个进一步优选的实施例中，所述喉口的横截面积为该炉体的横截面积的0.55～0.65倍。
在一个进一步优选的实施例中，所述空气进气管倾斜设置。
实施例1
发明人选取三种不同含水率(13.45％、16.6％和21.4％)的稻秆原料样品进行热重分析可知：这三种不同含水率的稻秆原料样品在150℃之前的失重率分别为5.0％、10.5％和19.0％，表明随着含水率的增大，失重越大，此阶段消耗的热量也越大；在温度高于230℃时，这三种不同含水率的稻秆原料样品的最大失重峰出现的温度分别为330℃，355℃和360℃，表明随着含水量的增大，最大失重峰出现的温度明显延迟，这表明，由于内在水的存在推迟了生物质热解反应的发生；通过对热解产物的分析可知，随着水分含量的增大，半焦产量越小；因此水分含量越高，稻秆干燥阶段所需要的能量也就越多，稻秆的热裂解反应会延迟，半焦产量越小。
发明人采用包含如图1所示的干燥热解系统的生物质气化系统对含水率为16％的稻秆原料样品进行生物质气化实验。在处理过程中，稻秆原料首先由料仓进入所述干燥段绞龙，在其推动下干燥一定时间以确保充分去除稻秆原料中的水分，得到干燥的稻秆原料；由于锁气器的存在，干燥过程中产生的水汽仅能通过水汽出口排出，而干燥的稻秆原料则通过锁气器输送到热解段绞龙内；充分热解后，生成了以CO、CO2、CH4、焦油等为主的热解气和生物质焦，随后由热解段出料口进入生物质气化炉内，以实施进一步处理与反应。实验发现，经充分干燥热解后，喉口段燃烧平均温度提高至1000℃，最高温度达1100℃，效果优异。
由此可见，本发明所提供的干燥热解系统，有效地解决了生物质气化过程中难题——部分氧化段温度不足，热量提供不足的问题，成功将一步热量提供分解为多步，从而提高了气化段中部分氧化段的温度，热解效果显著提高，“挥发分”析出明显提高。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于生物质气化炉的干燥热解系统，其特征在于，包括干燥段结构，热解段结构，以及可拆卸地连接所述干燥段结构与所述热解段结构的锁气器；其中，干燥段结构水平或倾斜设置，热解段结构与水平面呈锐角α倾斜设置；
其中，所述干燥段结构包括同心焊接的干燥段夹套外筒、干燥段绞龙，并且，干燥段夹套外筒套设于干燥段绞龙上，干燥段夹套外筒的长度小于干燥段绞龙；其中，在干燥段夹套外筒和干燥段绞龙之间焊接有换热片，干燥段夹套外筒表面开设有干燥段加热气体进口、干燥段加热气体出口；干燥段绞龙包括干燥段进料口、干燥段出料口；
其中，所述热解段结构包括同心焊接的热解段夹套外筒、热解段绞龙，并且，热解段夹套外筒套设于热解段绞龙上，热解段夹套外筒的长度小于热解段绞龙；其中，在热解段夹套外筒和热解段绞龙之间也焊接有换热片，热解段夹套外筒表面开设有热解段加热气体进口、热解段加热气体出口；热解段绞龙包括热解段进料口、热解段出料口；
并且，所述锁气器的一端连接于所述干燥段出料口，其另一端连接于所述热解段进料口；在所述干燥段绞龙的与所述干燥段出料口相对的一侧上，焊接有水汽出口。
2.根据权利要求1所述的干燥热解系统，其特征在于，所述锁气器的两端分别通过法兰与所述干燥段绞龙和所述热解段绞龙连接。
3.根据权利要求1所述的干燥热解系统，其特征在于，所述干燥段绞龙和/或所述热解段绞龙的材质为铸铁或不锈钢。
4.根据权利要求1所述的干燥热解系统，其特征在于，所述锐角α＝5°～10°。
5.根据权利要求1所述的干燥热解系统，其特征在于，所述干燥段加热气体进口、所述干燥段加热气体出口均开设于所述干燥段夹套外筒的下侧。
6.根据权利要求1所述的干燥热解系统，其特征在于，所述热解段加热气体进口、所述热解段加热气体出口均开设于所述热解段夹套外筒的下侧。
7.一种生物质气化系统，其特征在于，包含生物质分级气化炉和根据权利要求1～6中任一项所述的干燥热解系统；其中，所述热解段出料口伸入所述生物质分级气化炉的炉体上部。
8.根据权利要求7所述的生物质气化系统，其特征在于，所述生物质分级气化炉外层设有保温层，且炉体内设置有钢制炉篦，其将炉体分割为上部气化段与下部气化段；在炉体进口处设置有圆筒形喉口，所述喉口的横截面积小于该炉体的横截面积；并且，所述喉口的筒体上均匀设置有空气进气管，以连通炉外。
9.根据权利要求8所述的生物质气化系统，其特征在于，所述喉口的横截面积为该炉体的横截面积的0.55～0.65倍。
10.根据权利要求8所述的生物质气化系统，其特征在于，所述空气进气管倾斜设置。
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