一种微波辅助内热式生物质回转热解气化装置及方法 |
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| 申请号 | CN202410091598.3 | 申请日 | 2024-01-22 | 公开(公告)号 | CN117866664A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 山东省科学院能源研究所; | 发明人 | 耿文广; 孙荣峰; 付开玲; 赵改菊; 张卫杰; 黄继凯; 李光元; 薛旭方; 闫培宁; 员冬玲; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 微波 辅助内热式 生物 质 回转 热解 气化 装置及方法，所述装置包括回转圆筒本体，所述回转圆筒本体内部沿轴向间隔设置多个微波发生器，所述回转圆筒本体的外部套设置有外加热套筒，所述回转圆筒本体的筒壁和外加热套筒的筒壁之间留有间隙，且通入热烟气；所述微波发生器从内向外对生物质进行加热，所述热烟气从外向内对生物质进行加热，通过内外耦合加热对生物质进行热解；本发明采用热解气直燃获取的高温烟气加热筒壁方式间接加热待热解物料；内热采用镶嵌固定与回转圆筒内部的微波发生装置直接加热，可使物料实现非 接触 式的直接快速加热，物料整体受热升温均匀，温控效果好，同时还能维持筒内适量空气/含 氧 量，带走热解气。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种微波辅助内热式生物质回转热解气化装置，其特征在于，包括回转圆筒本体，所述回转圆筒本体内部沿轴向间隔设置多个微波发生器，所述回转圆筒本体的外部设置有外加热套筒，所述回转圆筒本体的筒壁和外加热套筒的筒壁之间留有间隙，且通入热烟气；所述微波发生器从内向外对生物质进行加热，所述热烟气从外向内对生物质进行加热，通过内外耦合加热对生物质进行热解。 |
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| 说明书全文 | 一种微波辅助内热式生物质回转热解气化装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及生物质热解装置技术领域，具体涉及一种微波辅助内热式生物质回转热解气化装置及方法。 背景技术[0002] 面对化石能源的枯竭和环境污染的加剧，寻找一种洁净的新能源成了迫在眉睫的问题。通过生物质能转换技术可高效地利用生物质能源，生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于化石能源的依赖，减轻化石能源消费给环境造成的污染。生物质热解是指生物质在没有氧化剂(空气、氧气、水蒸气等)存在或只提供有限氧的条件下，加热到逾500℃，通过热化学反应将生物质大分子物质(木质素、纤维素和半纤维素)分解成较小分子的燃料物质(固态炭、可燃气、生物油)的热化学转化技术方法。生物质热解的燃料能源转化率可达95.5％，最大限度的将生物质能量转化为能源产品。 [0003] 生物质热解设备主要分为间歇式和连续式两类，间歇式热解设备精度要求不高、制造简单、成本低，但存在生产效率低、能源利用率低、产品批次品质均匀度差等缺陷；连续式生物质热解设备可以实现生物质物料的连续进料和连续热解，提高了生物质的热解效率，满足工业发展要求。 [0004] 但是，现有的连续式生物质炭化设备仍然存在很多不足。重力竖流式炭化设备结构简单，运行所需费用低，但在运输物料的过程中极易发生堵塞，从而引起焦化结渣等问题。螺旋式连续热解炭化设备可调控物料在炭化室内的停留时间，物料运输过程稳定，但其螺旋轴不宜过长，否则容易变形。回转筒式热解炭化设备不受规模限制，且物料在筒内不断翻转，受热更为均匀，但是现有的回转式炭化设备结构复杂，且大多引用外部热源加热，导致筒内物料受热均匀性差、温度水平不易控制、热解产物质量难保证、总体热效率低、能源浪费严重等缺陷。 发明内容[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种微波辅助内热式生物质回转热解气化装置及方法，通过内外耦合加热的方式提高生物质的热解效率。 [0006] 本发明的技术方案如下： [0007] 在本发明的第一方面，提供了一种微波辅助内热式生物质回转热解气化装置，包括回转圆筒本体，所述回转圆筒本体内部沿轴向间隔设置多个微波发生器，所述回转圆筒本体的外部设置有外加热套筒，所述回转圆筒本体的筒壁和外加热套筒的筒壁之间留有间隙，且通入热烟气；所述微波发生器从内向外对生物质进行加热，所述热烟气从外向内对生物质进行加热，通过内外耦合加热对生物质进行热解。 [0008] 在本发明的一些实施方式中，所述回转圆筒本体的一端设置螺旋给料机，另一端设置出炭口和生物质热解气出口。 [0010] 在本发明的一些实施方式中，所述碾压球体间隔设置有多个，中心轴上柔性链条的两侧设置有限位件，使得每个碾压球体相对于回转圆筒本体的内壁面做圆周方向运动。 [0011] 在本发明的一些实施方式中，所述微波发生器通过筒内支架固定在回转圆筒本体的轴线上，且微波发生器套在中心轴上。 [0012] 在本发明的一些实施方式中，所述微波发生器通过筒内支架固定在回转圆筒本体的轴线上，且微波发生器套在中心轴上。 [0013] 在本发明的一些实施方式中，所述回转圆筒本体的内壁面上设置有抄料板，所述抄料板在回转圆筒本体的内壁面上在圆周方向均匀排布。 [0015] 在本发明的第二方面，提供了一种微波辅助内热式生物质回转热解气化方法，包括以下步骤： [0016] 物料进入回转圆筒本体内部，回转圆筒本体持续转动，在外部烟气加热和内部微波定向加热的共同作用下进行热解，热解产生的热解炭经过回转圆筒本体内部的出料口排出；热解产生的生物质燃气净化后存储备用，完成生物质的热解。 [0017] 进一步地，在生物质进行加热热解的同时，碾压球体对生物质进行碾压破碎。 [0018] 本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果： [0019] (1)本发明提供的微波辅助内热式生物质回转热解气化装置，采用热解气直燃获取的高温烟气加热筒壁方式间接加热待热解物料；内热采用镶嵌固定与回转圆筒内部的微波发生装置直接加热，可使物料实现非接触式的直接快速加热，可迅速提高热解温度，物料整体受热升温均匀，温控效果好，同时还能维持筒内适量空气/含氧量，带走热解气。 [0020] (2)本发明提供的微波辅助内热式生物质回转热解气化装置，采用双螺旋输料机构，一方面实现了喂料侧外界与回转圆筒内部的气相阻断，保证了热解过程所需的气氛条件；另一方面在双螺旋挤压作用下，生物质原料破碎粒度均匀可控，为热解的均一性提供条件。 [0021] (3)本发明热解过程生物质料在密封状况下进行，无外部空气、高温烟气直接接触，预热升温驱除的水蒸气在圆筒内部起活化剂作用，对后期活性炭的孔隙结构具有较好的提升改善作用。 [0022] (4)本发明的碾压破碎球体采用吸波性能良好的金属氧化物材质制成，在微波作用下快速升温，球体与物料直接接触，起到碾压破碎和向生物质料快速传热的作用；燃烧器和微波发生器按工艺要求分区布置，可以灵活调控生物质料在各区间的目标温度；另外，本发明为连续型生物质热解装置，物料破碎粒度可调，制备不同品级的活性炭和生物质热解气。 [0024] 图1为本发明的微波辅助内热式生物质回转热解气化装置的整体结构示意图； [0025] 图2是本发明的螺旋给料机的结构示意图； [0026] 图3是本发明的中心轴上热解气集气口的结构示意图； [0027] 图4是本发明的碾压球体连接的结构示意图； [0028] 图5是本发明的微波发生器安装的结构示意图； [0029] 图6是本发明的炒料板排布的示意图； [0030] 图7是本发明的热解气、燃气与燃烧器连接的示意图。 [0031] 图中：1、回转圆筒本体；2、外加热套筒；3、微波发生器；4、基座；5、料抄板；6、动力驱动托轮；7、进料口；8、出气口；9、出炭口；10、温度传感器；11、压力传感器；12、螺旋给料机电机；13、螺旋给料机；14、复合密封机构；15、出气管伴热带；16、筒内支架；17、给料机控制器；18、中心轴；19、碾压球体；20、过滤装置；21、热解气集气口；22、燃烧器。 具体实施方式[0032] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 [0033] 实施例1 [0034] 微波加热具有非接触式、有选择性、直接加热贴点，升温速率快,能穿透物料,加热功率和温度调控方便及时，但现有技术多应用于固定床/固定装置的热解过程。 [0035] 针对以现有技术存在的问题，本发明在天然气或热解气燃烧产高温烟气外热的基础上，引入微波辅助热解方法，构建回转圆筒内物料的选择性加热机制，开发内外耦合加热的连续回转热解方法和工艺，提高物料受热的均匀性，提高能源利用效率和产品质量。 [0036] 本发明的一种典型的实施方式中，提出一种微波辅助内热式生物质回转热解气化装置，如图1所示，包括回转圆筒本体1，所述回转圆筒本体1内部沿轴向间隔设置多个微波发生器3，所述回转圆筒本体1的外部套设置有外加热套筒2，所述回转圆筒本体1的筒壁和外加热套筒2的筒壁之间留有间隙，且通入热烟气；所述微波发生器3从内向外对生物质进行加热，所述热烟气从外向内对生物质进行加热，通过内外耦合加热对生物质进行热解。 [0037] 具体的，回转圆筒本体1通过动力驱动托轮6驱动旋转，所述回转圆筒本体1的一端设置螺旋给料机13，另一端设置出炭口9，在本实施例中，如图2所示，所述螺旋给料机13上设置有进料口7，采用双螺旋挤压进料，在喂料的同时可以将生物质原料破碎至一定粒度，螺旋直径与螺距可根据待加工物料设计，获得所期望的物料粒度范围，双螺旋给料机具有破碎进料和密封给料的多重效应。螺旋给料机13的螺旋给料机电机12通过给料机控制器17进行控制转速，可以改变破碎粒度。 [0038] 在本实施例中，所述回转圆筒本体1的中心位置设置有中心轴18，所述中心轴采用中空结构，如图3所示，所述中心轴18上设置有热解气集气口21，回转圆筒本体内的热解气通过中心轴18排出，中心轴上的热解气出口经过过滤装置20与储气罐相连。中心轴18作为热解气出气管将回转圆筒本体内的热解气引出高温热解区，中心轴连接至回转圆筒外部，筒外部分的中心轴上设置有出气管伴热带15保持热解气的较高温度，减小降温焦油析出堵塞滤袋、管路的机率，中心轴18与回转圆筒本体1之间通过复合密封机构14进行密封，可以有效保证回转圆筒内部的气氛，且回中心轴18与转圆筒本体1一起旋转。 [0039] 如图4所示，所述中心轴18上通过柔性链条连接有碾压球体19，碾压球体由柔性链条连接至回转圆筒中心轴的套环，套环无轴向移动，具体的，所述碾压球体19间隔设置有多个，中心轴上柔性链条的两侧设置有限位件，碾压球体在自身重力作用下维持在圆筒底部，使得每个碾压球体19相对于转圆筒本体1的内壁面做圆周方向运动，可以实现碾压球体对生物质进行均匀碾压破碎，避免由于碾压球体无序移动导致生物质破碎颗粒大小不一。所述碾压球体采用吸波性能良好的金属氧化物球体，高温球体在碾压破碎生物质的同时，还能起到较好的传热作用。 [0040] 进一步地，所述微波发生器3通过筒内支架16固定在回转圆筒本体的轴线上，且微波发生器3套在中心轴18上，如图5所示，筒内支架16由3‑5条径向辐条构成，在回转圆筒轴向有中心轴协同固结，微波发生器套在或者固定在中心轴上，与回转圆筒本体一起旋转，中心轴、轴上固定的微波发生器和回转圆筒本体一起旋转。进一步地，微波发生器电源电缆在中心轴内部敷设，与外部供电电源联通。 [0041] 在本实施例中采用的微波发生器不同于家用或远距离波导管传输模式，本实施例中的微波发生器，配合所固结的中心轴设计，波导管呈圆周状径向传播；生物质料在圆筒本体内的填充率约25‑38％，不会与中心轴上的微波发生器直接接触造成磨损，另外，微波发生器外层使用耐高温耐腐蚀钢质材料加工，保障微波发生器的寿命。 [0042] 在本实施例中如图6所示，所述回转圆筒本体1的内壁面上设置有抄料板5，所述抄料板5在回转圆筒本体1的内壁面上在圆周方向均匀排布，所述抄料板5的端部呈15‑35°仰角，能够获得较好的均料效果，提高物料被加热的均匀性。 [0043] 进一步地，所述回转圆筒本体1的筒壁和外加热套筒2的筒壁之间的间隙为300mm‑500mm，所述外加热套筒内侧砌耐火砖类隔热保温材料，内外筒之间布置外燃烧器22，燃烧器22安装在基座4上，燃烧器为燃油、燃气兼用式燃烧器，根据温度需求，排布密度和功率分项设计和安装，以保证各区间的温度目标，燃烧器火焰出口有陶瓷板均烟挡板，确保高温火焰不直接喷射至内筒外壁，减小回转圆筒的高温损伤几率。进一步地，如图7所示，储气罐内的部分热解气由热解气出口返回至外加热燃烧器提供燃料。 [0044] 在本实施例中，外加热套筒2与回转圆筒本体1同轴设置，外加热套筒不随内筒转动，一般设计为倒U型，外筒底部一般为平面，与地面或厂房支撑面接触，外筒内壁贴有耐高温保温层，保温层的内壁与回转圆筒本体1留有间隙，通入高温烟气，实现外加热，通过的高温烟气可以是本装置运行过程中产生的热解气直接燃烧产生烟气，也可以是天然气燃烧产生烟气。 [0045] 在本实施例中，燃气燃烧器分区布置，沿回转圆筒分为3‑5个温度区间，燃烧器密度与功率实行差异化布置，遵循预热升温、高温热解、低温冷却不同区间，根据物料的热解特性程序设定各温度区间。 [0046] 在本实施例中，所述过滤装置为袋式过滤装置，配有脉动喷吹除灰机构；用以过滤掉热解气中的粉尘，过滤装置下设灰斗，收集热解固态产物。 [0047] 在本实施例中，回转圆筒本体采用碳钢或不锈钢回转圆筒，筒体直径一般为500‑2000mm，筒长为20‑40m，筒体按一定角度(可调)安装，回转圆筒本体1内均匀设置有温度传感器10和压力传感器11，实现对回转圆筒本体内部的温度和压力的实时监测。 [0048] 本实施例提供的微波辅助内热式生物质回转热解气化装置，工作过程如下：物料首先进入料仓，在双螺旋给料机作用下，物料从料仓经挤压移动至回转圆筒内部，回转圆筒以一定的转速5‑10r/min持续转动，在外部烟气加热和内部微波定向加热作用下首先进行预热升温，同时在碾压破碎装置的作用下进一步破碎，在预热段进行预热升温过程，物料快速升温至350℃，物料在圆筒转动下以设定速率移动至高温热解区，在内外热共同作用下进行热解，升温至600℃‑700℃维持1‑2h，产生热解气和炭，同时预热升温产生的水蒸气对炭起到活化作用，热解过程维持一定时间后进入冷却段，冷却为自然冷却，夹带有颗粒物的热解气的由袋式过滤器滤除，清洁的热解气在正压作用下由出气口接入储气罐缓存，部分热解气返回燃烧器进行燃烧为热解提供热量，生产的活性炭在气化室末端落入储料罐，完成热解过程。 [0049] 实施例2 [0050] 本发明的一种典型的实施方式中，提出一种微波辅助内热式生物质回转热解气化方法，包括以下步骤： [0051] 物料进入回转圆筒本体内部，回转圆筒本体持续转动，在外部烟气加热和内部微波定向加热的共同作用下进行热解，热解产生的热解炭经过回转圆筒本体内部的出料口排出；热解产生的生物质燃气净化后存储备用，完成生物质的热解。 [0052] 进一步地，在生物质进行加热热解的同时，碾压球体对生物质进行碾压破碎。 [0053] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。 |
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