技术领域
[0001] 本
发明涉及生物质碳化炉，尤其涉及一种塔式生物质连续碳化炉。
背景技术
[0002] 我国是
木炭生产大国，每年木炭产量高达千万吨，随着国民经济的快速发展，木炭的需求量也逐年上升。同时，我国还是农业生产大国，每年
农作物秸秆等生物质废弃物约为70亿吨左右，但其利用率仅为20%，而树枝、锯末、稻壳等生物质废弃物也有上亿吨被白白浪费掉。生物质碳化技术能有效地将这些生物质废弃物转化为生物质碳化产物——可燃气体和
生物炭即木炭，这样就能大大降低对天然木材的需求量，从而有效地保护林业资源。生物质碳化就是利用热化学反应原理，以木屑、农作物秸秆、果壳等生物质废弃物作为生物质原料来制备绿色可再生
燃料。在碳化过程中，生物质原料中多余的
水分及挥发物被脱除，生物质原料中的
纤维素、半
纤维素、木质素等被部分分解，最终完成炭气联产得到生物质碳化产物。
[0003] 目前常用的生物质碳化装置为手工碳化窑和半工业碳化釜，这两种生物质碳化装置在工作过程中始终需要依靠外界提供
热能来对生物质原料进行高温碳化，碳化加热时间至少需要10天左右，碳化时间长、产率低、能耗高，而且在碳化过程中产生污染气体的程度更甚于将生物质原料直接焚烧所产生污染气体的程度，严重污染了环境。除此之外，上述两种生物质碳化装置均为间歇性的手工作业，无法实现连续生产，产量不高，并且碳化
温度无法精确掌控，对技术工操作经验的依赖性比较强，得到的生物质碳化产物含量也不稳定，品质较差。
[0004]
申请号为200510056829.4的中国发明
专利申请中公开了一种生物质的碳化和
气化以及发电装置，该装置中的碳化室采用高温烟气间接加热方式，碳化过程中需保持碳化温度600℃，能耗大；该申请中以杉木片为例得到的木炭产率仅为13%左右，产率不理想。而且该设备占地面积大，向外排出的气体中含有焦油成分，严重污染了周围的环境。申请号为201110419809.4的中国发明专利申请中公开了一种间歇操作的碳化炉，生物质原料通过高温厌
氧热解得到生物碳。但是该装置只能间歇操作，不能实现连续生产，而且在工作过程中始终需要外部提供热源，能耗比较大而且产率仅为16%左右，产率不理想。
发明内容
[0005] 本发明所需解决的技术问题是：提供一种能实现连续生产、能大大降低能耗、且能很好地掌控炉内温度从而得到稳定高品质、高产率的生物炭的塔式生物质连续碳化炉。
[0006] 为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：所述的塔式生物质连续碳化炉，包括：安装座和带内腔的炉体，炉体安装于安装座上，炉体内腔从上至下依次设置有干燥室、碳化室、高
温室和冷却室四个腔室，干燥室与炉体顶部的进料口相连通，冷却室与炉体底部的出料口相连通，各相邻腔室分别通过活动炉栅分隔；在高温室
侧壁上设置有供可燃气体燃烧的燃烧腔室，可燃气体在燃烧腔室内燃烧产生的高温烟气能进入到高温室内，在炉体侧壁上设置有带第一进气口、第二进气口的
喷嘴，喷嘴的喷嘴头穿过炉体侧壁的通孔后伸入燃烧腔室内，第二进气口与带
燃烧器的引
风机相连接，带燃烧器的引风机能提供助燃气使可燃气体在燃烧腔室内贫氧燃烧；进料斗通过进料控制装置与炉体顶部的进料口相连接，在炉体底部设置有与炉体底部的出料口相连通的卸料斗，卸料斗的出料口与卸灰
阀相连接；在炉体顶部设置有与干燥室相连通的气体通道，气体通道的出气口与气体
净化冷却系统的进气口相连通，气体净化冷却系统的出气口通过输送管路分别与喷嘴的第一进气口及卸料斗上的通孔相连通，在输送管路上还设置有第一风机，在第一风机的驱动下，从气体净化冷却系统的出气口输出的净化、冷却后的可燃气体通过输送管路分别被输送至燃烧腔室和冷却室内。
[0007] 进一步地，前述的塔式生物质连续碳化炉，其中，所述的进料控制装置由第一进料阀、过渡料斗和第二进料阀组成，进料斗的出料口依次通过第一进料阀、过渡料斗和第二进料阀与炉体顶部的进料口相连接，工作时第一进料阀和第二进料阀不能同时处于开启状态。
[0008] 进一步地，前述的塔式生物质连续碳化炉，其中，所述的气体通道为具有一个进气口、两个出气口的通道，气体通道的进气口与干燥室相连通，气体通道的其中一个出气口与气体净化冷却系统的进气口相连通，气体通道的另一个出气口通过防爆膜密封
覆盖。
[0009] 进一步地，前述的塔式生物质连续碳化炉，其中，所述的气体净化冷却系统包括
煤气洗涤塔和捕滴器，气体通道的出气口通过连接管路依次与煤气洗涤塔和捕滴器相连接，捕滴器的出气口与输送管路的进气口相连接。
[0010] 进一步地，前述的塔式生物质连续碳化炉，其中，在卸灰阀上方的卸料斗侧壁上设置有与卸料斗内部相通的防堵通道；位于卸灰阀出料口处的安装座上设置有雾化喷头装置，雾化喷头装置能对从卸灰阀输出的生物碳进行降温。
[0011] 进一步地，前述的塔式生物质连续碳化炉，其中，在炉体底部设置有密封腔室，密封腔室将卸料斗密封于密封腔室内，卸料斗上的通孔与密封腔室相通，卸料斗的出料口从密封腔室底部伸出密封腔室外，在密封腔室侧壁设置有与密封腔室相通的接头，输送管路与接头相连通，从气体净化冷却系统的出气口输出的净化、冷却后的可燃气体通过输送管路、接头、密封腔室及卸料斗上的通孔后进入冷却室内。
[0012] 进一步地，前述的塔式生物质连续碳化炉，其中，卸料斗上的通孔由若干小孔构成，各小孔均匀分布于卸料斗侧壁下段。
[0013] 进一步地，前述的塔式生物质连续碳化炉，其中，所述的活动炉栅的结构为：包括：若干间隔设置的耐高温的搅拌棒，各耐高温的搅拌棒两端分别通过
轴承座
支撑于炉体内腔中，各耐高温的搅拌棒分别由一个驱动
电机驱动，在各
驱动电机的驱动下各耐高温的搅拌棒沿相同方向以相同转速转动。
[0014] 进一步地，前述的塔式生物质连续碳化炉，其中，在干燥室、碳化室、高温室和冷却室四个腔室侧壁上均分别设置有
热电偶、观察镜和
人孔。
[0015] 进一步地，前述的塔式生物质连续碳化炉，其中，在炉体外侧设置有进料系统，生物质原料能通过进料系统输送至进料斗内；在卸灰阀出口处设置有卸料系统，从卸灰阀输出的生物碳能通过卸料系统输出。
[0016] 本发明的有益效果是：（1）该装置结构简单，制造成本低，仅在碳化炉启动初始阶段需要由外部提供热能，在碳化炉正常工作高温碳化产生可燃气体后，碳化炉所需的热能则不需要由外界提供，能耗低，碳化过程中的
能量利用率高；而且在碳化过程中无废气排放；（2）对生物质原料的形状不受约束，碳化过程中可以对多种形状——如条状、压缩颗粒状、压缩棒等形状的生物质原料实现连续生产，对生物质原料的兼容性大，大大提高了生产效率；（3）在碳化过程中采用逆向直接换热方式，
传热效率高，生物质原料能在较短时间内完全碳化，大大提高了碳化速率，从干燥、碳化到冷却的全过程中物料滞留在碳化炉内的时间一般为10小时左右；（4）能很好地掌控炉体内腔中的温度以及物料在炉体内腔中滞留的时间，保证炉体内腔中的物料受热均匀，碳化及冷却充分，避免出现过烧、夹生现象，从而得到高品质、性能稳定的生物碳。生物碳产率达到25%-30%，生物碳中的固定碳含量达到85%以上，挥发分低于5%。
附图说明
[0017] 图1是本发明所述的塔式生物质连续碳化炉的结构示意图。
[0018] 图2是图1中去除支撑架后的塔式生物质连续碳化炉的结构示意图。
[0019] 图3是图2中A部分的局部放大图。
[0020] 图4是图2中B部分的局部放大图。
[0021] 图5是图2中炉体的左视方向的结构示意图。
[0022] 图6是图5中C-C方向的剖视图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图及优选
实施例对本发明所述的技术方案作进一步详细的说明。
[0024] 如图1所示，本发明所述的塔式生物质连续碳化炉，包括：安装座15和带内腔的炉体5，炉体5安装于安装座15上，本实施例中，炉体5的内径与炉体5的高度比为1:10-1:15。在实际使用过程中还在炉体5的外围设置支撑炉体5的支撑架1，在支撑架1上从下至上间隔设置有若干平台11，在支撑架1上还设置有能到达任一平台11的梯子12。
[0025] 如图2和图5所示，炉体内腔从上至下依次设置有干燥室51、碳化室52、高温室53和冷却室54四个腔室，本实施例中，如图3所示，在干燥室51、碳化室52、高温室53和冷却室54四个腔室上均分别设置有热电偶58、观察镜57和人孔55，各热电偶58能够分别监测到各腔室内的温度，从而能够更加准确的掌控各腔室内的温度；各观察镜57的设置能够方便操作者观察到各腔室的情况，各人孔55的设置能够方便检修者对碳化炉进行检修。所述的干燥室51与炉体5顶部的进料口相连通，冷却室54与炉体5底部的出料口相连通，各相邻腔室分别通过活动炉栅分隔。本实施例中，如图2、图5和图6所示，所述的活动炉栅的结构为：包括：若干间隔设置的耐高温的搅拌棒56，各耐高温的搅拌棒56的两端分别通过轴承座561支撑于炉体内腔中，各耐高温的搅拌棒56分别由一个驱动电机44驱动，在各驱动电机44的驱动下各耐高温的搅拌棒56沿相同方向以相同转速转动。工作时通过控制各耐高温的搅拌棒56的转速可以很好地掌控炉体内腔中的物料向下运动的速度，使物料受热及冷却更加均匀，干燥、碳化、冷却更加充分。在实际使用过程中，搅拌棒56的数量可根据生物质原料的体积大小而定，当各搅拌棒56沿相同方向以相同转速转动时，生物质原料能从各搅拌棒56之间的间隙顺畅、均匀掉落；本实施例以在炉体内腔中的每个活动炉栅具有间隔设置的三根搅拌棒56为例进行说明。
[0026] 如图2和图4所示，在高温室53的侧壁上设置有供可燃气体燃烧的燃烧腔室，在炉体侧壁上设置有带第一进气口91和第二进气口92的喷嘴9，喷嘴9的喷嘴头93穿过炉体侧壁的通孔后伸入燃烧腔室内，喷嘴9与炉体侧壁的通孔密封连接，第二进气口92与带燃烧器的引风机42相连接，带燃烧器的引风机42能为燃烧腔室内提供助燃气，使从喷嘴9喷出的可燃气体在燃烧腔室内贫氧燃烧，燃烧产生的高温烟气进入到高温室53内，并由高温室53向上流动，高温烟气在向上流动的过程中与向下掉落的物料直接逆向换热，使生物质原料快速碳化。
[0027] 如图2和图5所示，进料斗61通过进料控制装置与炉体5顶部的进料口相连接，进料控制装置能防止炉体内腔中的气体从进料斗61向外
泄漏，本实施例中，所述的进料控制装置由第一进料阀71、过渡料斗62和第二进料阀72组成，进料斗61的出料口依次通过第一进料阀71、过渡料斗62和第二进料阀72与炉体5顶部的进料口相连接，工作时第一进料阀71和第二进料阀72不能同时处于开启状态，这样就能防止炉体内腔中的气体经第二进料阀72、第一进料阀71向外泄露了；工作时通过控制第一进料阀71和第二进料阀72的开启
频率来调节生物质原料的进料量。在炉体5的底部设置有与炉体5底部的出料口相连通的卸料斗63，卸料斗63的出料口与卸灰阀73相连接。本实施例中，如图1所示，在支撑架1顶部的平台11上设置有进料系统13，生物质原料通过进料系统13输送至进料斗61内。在实际使用过程中可以选择由传送带输送器、缓冲进料箱和螺旋进料输送器组成一个完整的进料系统，通过传送带输送器、缓冲进料箱和螺旋进料输送器将生物质原料输送至进料斗61内。本实施例中，如图1所示，在卸灰阀73出口处设置有卸料系统14，从卸灰阀73输出的生物碳能通过卸料系统14输出碳化炉外。卸料系统14可采用可调节转速的螺旋出料输送器，螺旋出料输送器的输出端与生物碳储存罐相连接，从卸灰阀73输出的生物碳通过螺旋出料输送器被输送至生物碳储存罐内。在实际使用过程中，通过调节螺旋出料输送器的转速可以控制生物碳的出料量，通过调节耐高温的搅拌棒56的转速以及第一进料阀71、第二进料阀72及卸灰阀73的开启频率能够精确控制炉腔内物料的移动速度与反应滞留时间，保证生物碳的品质稳定可控，从而得到高产率、高品质、性能稳定的生物碳。在实际使用过程中，在碳化炉外还可以设置控制装置，通过控制装置控制螺旋出料输送器的转速、耐高温的搅拌棒56的转速以及第一进料阀71、第二进料阀72及卸灰阀73的开启频率，实现自动化生产，进一步提高生产效率。
[0028] 如图5所示，在卸灰阀73上方的卸料斗侧壁上设置有与卸料斗内部相连通的防堵通道632，当生物碳积压于卸料斗63内而无法通过卸灰阀73顺利卸料时，将棍子从防堵通道632伸入卸料斗63内，将卸料斗63内积压的生物碳捣松，使生物碳能够顺利地从卸灰阀73输出碳化炉外。位于卸灰阀73出料口处的安装座15上设置有雾化喷头装置8，雾化喷头装置8能对从卸灰阀73的出料口输出的生物碳进行再次降温，避免出现输出的生物碳与空气
接触而氧化的现象。
[0029] 如图1、图2和图5所示，在炉体5顶部还设置有与干燥室51相连通的气体通道55，本实施例中，所述的气体通道55为具有一个进气口、两个出气口的通道，气体通道55的进气口与干燥室51的顶部相连通，气体通道55的其中一个出气口与气体净化冷却系统相连通，气体通道55的另一个出气口通过防爆膜551密封覆盖，防爆膜551能保护碳化炉，防止炉体内腔的气体压
力过大而造成安全隐患。本实施例中所述的气体净化冷却系统包括：煤气洗涤塔21和捕滴器22，气体通道55的其中一个出气口通过第一连接管路31与煤气洗涤塔21连接，煤气洗涤塔21通过第二连接管路32与捕滴器22相连接，捕滴器22的出气口通过输送管路33分别与喷嘴9的第一进气口91及卸料斗63上的通孔相连通，在输送管路33上还设置有第一风机41，在第一风机41的驱动下，从捕滴器22的出气口输出的净化、冷却后的可燃气体通过输送管路33分别被输送至第一进气口91和卸料斗63内。所述的煤气洗涤塔21是一种气体净化处理设备，用于对从炉体内腔输出的混合气体进行除焦、除尘和冷却操作；所述的捕滴器22是分离气体中所含水雾成分的一种设备，用于去除从煤气洗涤塔21输出的混合气体中的水分，煤气洗涤塔21和捕滴器22属于成熟的技术，两者都可以直接从市场上购买到。在实际使用过程中，在输送管路33上设置有第一气体输出端331、第二气体输出端332和第三气体输出端333，第一气体输出端331与喷嘴9的第一进气口91相连通，第二气体输出端332通过卸料斗63上的通孔与冷却室54相连通，第三气体输出端333与气体收集罐10相连接。在靠近第二气体输出端332的输送管路33上还连通有分支通道，分支通道与第二引风机43相连接，在碳化炉启动的初始阶段，需要先在炉体内腔中放置可燃烧物，通过燃烧可燃烧物产生的高温烟气使炉体内腔温度上升直至进入炉体内腔中的生物质原料高温碳化产生可燃气体，第二引风机43在碳化炉启动的初始阶段启动，可促进生物质原料高温碳化产生可燃气体，当碳化炉正常产生可燃气体后即可关闭第二引风机43，其后炉内碳化所需的热量由生物质碳化过程中产生的部分可燃气体燃烧后提供。
[0030] 如图1、图2和图5所示，在炉体5的下方设置有密封腔室50，密封腔室50将卸料斗63密封于密封腔室50内，卸料斗63上的通孔与密封腔室50相通，卸料斗63的出料口从密封腔室50底部伸出密封腔室50外，防堵通道632从密封腔室50侧壁伸出密封腔室50外，在碳化炉正常工作时，防堵通道632封闭。在密封腔室50侧壁设置有与密封腔室50相通的接头，输送管路33的第二气体输出端332与接头相连通，从第二气体输出端332输出的冷却后的可燃气体经接头、密封腔室50及卸料斗63上的通孔后进入冷却室54内，对生物碳进行降温处理。本实施例中，卸料斗63上的通孔为若干均匀分布于卸料斗下段侧壁的小孔631，进入密封腔室50内的可燃气体能够从各小孔631进入冷却室54内并向上流动而与下落的生物碳逆向直接换热，各小孔631的设置使冷却后的可燃气体能够更加均匀的进入到冷却室54内，从而使冷却室54内的高温生物炭冷却均匀、充分。
[0031] 生物质原料可选用木片、果壳、秸秆等多种生物质废料，生物质原料的长度一般控制在50㎜以内，厚度控制在10㎜以内、含水率控制在30%以内即可，生物质原料的形状可以是
块状、条状、压缩颗粒状、压缩棒状等多种形状。
[0032] 上述的碳化炉、气体净化冷却系统能形成一个气体循环利用回路，碳化炉处于启动的初始阶段时，高温碳化产生的可燃气体与燃烧腔室产生的高温烟气通过气体通道进入气体净化冷却系统进行除焦、除尘、冷却、分离水分后得到冷的洁净的可燃气体，冷的可燃气体一部分通过第一气体输出端331、喷嘴9被输送至燃烧腔室内燃烧产生高温烟气，冷的可燃气体一部分通过第二气体输出端332、卸料斗63上的通孔从冷却室54底部进入，然后与冷却室54内的高温生物碳逆向直接换热后形成热气流，热气流向上流动从高温室53与冷却室54之间活动炉栅的间隙进入高温室53内，进入高温室53内的热气流与高温烟气向上流动从碳化室52与高温室53之间活动炉栅的间隙进入碳化室52内，为物料碳化提供热能，物料高温碳化产生的可燃气体、高温烟气及热气流形成混合热气流，混合热气流向上流动从干燥室51与碳化室52之间活动炉栅的间隙进入干燥室51内，对干燥室内的生物质原料进行干燥处理，然后通过干燥室51顶部的气体通道55进入气体净化冷却系统中，经净化、冷却处理得到冷的洁净的可燃气体，冷的可燃气体又能为碳化炉提供碳化所需的热能及冷气流了。在气体循环利用回路中，卸料斗63上的各小孔631、各活动炉栅能使从下向上流动的气流均匀分布于炉体内腔内，从而保证炉体内腔中的物料受热及冷却均匀、充分。
[0033] 碳化炉的工作过程如下：进料时，先使第二进料阀72关闭，第一进料阀71打开，生物质原料通过进料系统13、进料斗61、第一进料阀71进入过渡料斗62内；然后使第一进料阀71关闭，第二进料阀72打开，使过渡料斗62内的生物质原料通过第二进料阀72、炉体进料口落入干燥室51内，落入干燥室51内生物质原料与上升的混合热气流逆向直接换热进行干燥预处理。落入干燥室51内的生物质原
料堆积在干燥室51与碳化室52之间的活动炉栅上，并随着搅拌棒56的转动均匀地从各搅拌棒56之间的间隙向下落入碳化室52，向下落入碳化室
52的物料与上升的混合热气流逆向直接换热进行高温碳化。碳化后的生物炭堆积在碳化室
52与高温室53之间的活动炉栅上，并随着搅拌棒56的转动均匀地从各搅拌棒56之间的间隙中向下落入高温室53，向下落入高温室53的生物碳在上升的高温烟气及热气流的作用下完全碳化。碳化充分的生物碳堆积在高温室53与冷却室54之间的活动炉栅上，并随着搅拌棒
56的转动均匀地从各搅拌棒56之间的间隙中向下落入冷却室54，向下掉落的高温生物碳与上升的冷气流逆向直接换热，对生物碳进行降温，使其温度降至100℃以下。冷却后的生物碳堆积在卸料斗63内并从卸灰阀73输出，雾化喷头装置8能对从卸灰阀73输出的生物碳进行二次降温，避免出现生物碳与空气接触而燃烧的现象。本实施例中以生物质原料进料量为1000 kg/h为例进行说明，得到的生物碳为250-300kg/h，生物碳产率约为25%-30%，木炭热值约为5500-6300大卡/公斤，可燃气产气量310kg/h,可燃气体热值约为2500-3000kcal/Nm³，系统热效率高达80%。
[0034] 本发明的优点是：（1）该装置结构简单，制造成本低，仅在碳化炉启动初始阶段需要由外部提供热能，在碳化炉正常工作高温碳化产生可燃气体后，碳化炉所需的热能则不需要由外界提供，能耗低，碳化过程中的能量利用率高；而且在碳化过程中无废气排放；（2）对生物质原料的形状不受约束，碳化过程中可以对多种形状——如条状、压缩颗粒状、压缩棒等形状的生物质原料实现连续生产，对生物质原料的兼容性大，大大提高了生产效率；（3）在碳化过程中采用逆向直接换热方式，传热效率高，生物质原料能在较短时间内完全碳化，大大提高了碳化速率，从干燥、碳化到冷却的全过程中物料滞留在碳化炉内的时间一般为10小时左右；（4）能很好地掌控炉体内腔中的温度以及物料在炉体内腔中滞留的时间，保证炉体内腔中的物料受热均匀，碳化及冷却充分，避免出现过烧、夹生现象，从而得到高品质、性能稳定的生物碳。生物碳产率达到25%-30%，生物碳中的固定碳含量达到85%以上，挥发分低于5%。
