生物质燃料温和热解装置及工艺的制作方法

1.本发明涉及生物质燃料热法预处理技术，特别涉及一种生物质燃料温和热解装置及工艺。


背景技术：

2.生物质燃料一般是以农作物秸秆，农产品加工副产品及废弃物（农业加工剩余物）、林业废弃物（林业加工剩余物）和能源作物等生物质资源作为原料。由于秸秆类原料存在季节波动性大、供应不稳定等因素，部分生物质发电厂通常考虑掺烧煤炭，以保证发电机组能够提供稳定的电力。
3.目前生物质直燃发电得到广泛应用，即对生物质燃料进行直接燃烧发电。直接燃烧过程主要包括预热干燥（水分脱除）、轻质挥发分（ch4、co、co2等）析出和残留焦炭颗粒（固定碳）燃烧。生物质燃料在直接燃烧过程中主要存在如下问题：一、原料含水量高，需较长时间干燥和较高温度预热，燃烧不充分产生烟气量较多，致使排烟热损失增加，且炉膛和蒸发受热面腐蚀较大；二、轻质挥发分含量较高，但其热值相对较低，致使燃烧后炉内温度场偏低，较难保证稳定燃烧；三、轻质挥发分燃尽后，灰烬将焦炭颗粒包围，空气与焦炭颗粒接触困难，致使燃烧速度变缓和燃尽困难等问题。因此，上述问题严重制约了生物质燃料的燃烧效率，不利于生物质燃料的推广利用。
4.另外，生物质燃料具有热值低、密度小、松散、杂乱、易腐烂和易燃等特性，并有软质、硬质、枝状、散碎等多种形态。由此，生物质燃料的不易于整理、存放、装车的特性造成其运输难度较大，而且基于国内农林业大多为分散单户种植，机械化水平较低，生物质燃料收储还无法采用国外成熟的大型机械。中国专利201010257856.9、201180039772.0、201280032304.5均公开了用于木质纤维素材料烘焙的系统，其核心设备包括带有复杂换热系统的反应器，上述专利更适用于木质原料丰富的北欧和美洲国家。中国专利201480074767.7公开了一种由标准商业振动式干燥机改造而来的烘焙反应器，设备结构复杂，难以小型化，更适用于生物质燃料原料比较集中的场景。现有传统的人工收集散杆或采用打捆机田间捡拾打捆后送往收储点，不仅费用偏高、运营效率较低，而且生物质燃料原料的高含湿量易导致原料腐烂变质。因此，生物质燃料收储运体系所面临的问题在于如何快速高效地将松散易变质的初级燃料转变为具有一定附加值、便于储存和运输的高级燃料。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种生物质燃料温和热解装置及工艺，在一体化的温和热解装置结构中，实现了对生物质燃料的干燥、温和热解和冷却，能提高生物质燃料特性，装置结构紧凑，有利于实现自动化操作和移动化作业。
6.本发明是这样实现的：一种生物质燃料温和热解装置，包括壳体和螺旋出料机；所述壳体上端设置入料口，壳体内腔由上至下依次设置干燥区、反应区和下料区；
所述干燥区一侧设置斜面，斜面上端位于入料口下方，斜面下端连接反应区，斜面上设置若干进风孔；所述干燥区另一侧壳体上设置气体出口，干燥区另一侧设置搅拌部，搅拌部向下延伸依次经过反应区和下料区；所述反应区的壳体上设置喷嘴，用于通入燃烧用空气物流；所述下料区的下端与螺旋出料机的入口连接；所述螺旋出料机外壁上设置换热器。
7.所述搅拌部包括转动轴和若干搅拌桨，转动轴轴向为竖直方向，若干搅拌桨在径向上错开分布。
8.所述反应区的上部截面减缩且反应区的下部截面渐扩，反应区的中部形成喉口。
9.所述喷嘴为若干个并均匀布置在喉口下方处。
10.一种生物质燃料温和热解工艺，采用所述的生物质燃料温和热解装置，所述工艺包括如下步骤：步骤一，生物质燃料粗碎后由壳体的入料口进入干燥区并落在斜面上，热介质由进风孔进入干燥区并经过斜面上生物质燃料后向气体出口流动，生物质燃料在重力作用下随斜面向下移动至斜面下端；步骤二，生物质燃料在搅拌部的作用下继续向下移动并进入反应区，燃烧用空气物流经喷嘴进入反应区，生物质燃料和燃烧用空气物流发生部分燃烧反应生成固体产物和高温烟气；固体产物在重力和搅拌部作用下继续向下移动并进入下料区，高温烟气沿着搅拌部向上流动并从气体出口排出；步骤三，固体产物移动至下料区下端并进入螺旋出料机，固体产物在螺旋出料机中移动时与换热器进行间接换热，然后固体产物由螺旋出料机的出口排出。
11.所述步骤一中，所述生物质燃料为秸秆，热介质的温度设置在120~150℃之间。
12.所述步骤二中，燃烧用空气物流的空气量不超过生物质燃料完全燃烧所需化学计量的10%，部分燃烧反应的温度不超过400℃；高温烟气在向上流动过程中和向下移动的生物质燃料进行换热，高温烟气从气体出口排出时的烟气温度不超过150℃。
13.所述步骤二中，高温烟气从气体出口排出后送入锅炉，锅炉燃烧产生热流分别用于热介质和燃烧用空气物流。
14.所述步骤三中，固体产物排出后进行压缩成型处理。
15.本发明生物质燃料温和热解装置，在装置壳体内设置了干燥区、反应区和下料区，能实现预干燥和温和热解的连续处理，结构紧凑的一体化设计能实现生物质燃料加工处理的自动化操作，尤其适合制作成模块化设备以实现移动化作业，使得生物质燃料能在储存和运输之前先进行加工处理，无需将松散的、高含湿量的生物质燃料进行长距离运输，有效提高了生物质燃料的收集效率，使得加工处理后的生物质燃料便于储存、运输。另外，与下料区对接的螺旋出料机上设置换热器，能对固体产物所含的显热加以回收利用，减少热能损失。
16.本发明生物质燃料温和热解工艺，首先，通过采用干燥和温和热解技术对生物质燃料进行处理，使得生物质燃料水份大幅度减少，处理后生物质燃料的质量产率和能量产率能保持较高水平，且处理后生物质燃料的o/c和h/c原子比较低，具有更高的能量密度，由此生物质燃料经温和热解处理后其燃料特性显著优于未处理前。其次，反应区生成的高温烟气在向上流动过程中和下降移动的生物质燃料进行换热，有效利用了高温烟气热能并有
益于生物质燃料的部分燃烧反应效果。再者，温和热解工艺对于生物质燃料的粉碎要求不高，不需要使用高能耗粉碎机，通过简单切碎即可进行干燥、温和热解处理，能有效降低系统能耗。
17.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：紧凑型装置结构，能实现温和热解的自动化操作和移动化作业，工艺流程能提高生物质燃料特性和收集效率，使得生物质燃料便于储存和运输，同时实现了热能自用和热能回收，有助于减少能耗并提高能量利用率。
附图说明
18.图1为本发明生物质燃料温和热解装置的结构示意图；图2为本发明生物质燃料温和热解工艺的流程图。
19.图中，1壳体，11斜面，12搅拌桨，13转动轴，14喉口，15喷嘴，2螺旋出料机，21换热器，22电机，23出料螺旋。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
21.参见图1，一种生物质燃料温和热解装置，包括壳体1和螺旋出料机2；所述壳体1上端设置入料口，壳体1内腔由上至下依次设置干燥区、反应区和下料区。
22.干燥区一侧设置斜面11，斜面11上端位于入料口下方，斜面11下端连接反应区，斜面11上设置若干进风孔。干燥区另一侧壳体1上设置气体出口，干燥区另一侧设置搅拌部，搅拌部向下延伸依次经过反应区和下料区。搅拌部包括转动轴13和若干搅拌桨12，转动轴13轴向为竖直方向，若干搅拌桨12在径向上错开分布。
23.反应区的上部截面减缩且反应区的下部截面渐扩，反应区的中部形成喉口14。反应区的壳体1上设置喷嘴15，喷嘴15外接燃烧用空气物流输送管道，用于向反应区通入部分燃烧反应所需的空气量。优选地，喷嘴15为若干个并均匀布置在喉口14下方处。
24.下料区的下端与螺旋出料机2的入口连接。螺旋出料机2由电机22和变速箱带动出料螺旋23，使得螺旋出料机2中的物料移动并排出。 螺旋出料机2外壁上设置换热器21，换热器通入冷却介质用于对螺旋出料机2内的物料进行冷却。
25.参见图2，根据上述生物质燃料温和热解装置，所述生物质燃料温和热解工艺包括如下步骤：步骤一，生物质燃料粗碎后由壳体1的入料口进入干燥区并落在斜面11上，热介质由进风孔进入干燥区并经过斜面11上生物质燃料后向气体出口流动并排出，生物质燃料在重力作用下随斜面11向下移动至斜面11下端。本实施例中，生物质燃料为秸秆，热介质的温度设置在120~150℃之间。本步骤中，干燥处理是对生物质燃料在进行温和热解处理前的预处理工序。
26.步骤二，生物质燃料在搅拌部的作用下继续向下移动并进入反应区，燃烧用空气物流经喷嘴15进入反应区，生物质燃料和燃烧用空气物流发生部分燃烧反应生成固体产物和高温烟气。固体产物在重力和搅拌部作用下继续向下移动并进入下料区，高温烟气沿着搅拌部向上流动并从气体出口排出。优选地，高温烟气从气体出口排出后送入锅炉，锅炉燃烧产生热流分别用于热介质和燃烧用空气物流，同时部分生物质燃料送入锅炉进行燃烧。
27.本步骤中，需控制用于与生物质燃料进行部分燃烧反应的空气量，优选地，燃烧用空气物流的空气量不超过生物质燃料完全燃烧所需化学计量的10%，部分燃烧反应的温度不超过400℃。高温烟气在向上流动过程中和向下移动的生物质燃料进行换热，高温烟气从气体出口排出时的烟气温度不超过150℃。
28.步骤二即是对生物质燃料进行温和热解处理，从而能在很大程度上改善生物质燃料品质以提高其燃料特性，主要体现在：经温和热解后生物质燃料着火点降低，燃烧时间延长，燃烧更充分，炉内升温更快，燃烧放热量增大；同时有害物质排放量明显减少，并能得到有效控制。
29.温和热解，也称烘焙，是指一种在低温（250℃～300℃）、常压和惰性气氛下提升生物质燃料品质的热预处理方式。温和热解过程中，生物质中的水分和易挥发性物质相继析出，生成以水、含氧烃类为主的液体产物（轻质焦油或有机酸、醛类）和以co、co2为主的气体产物，收率约为30%，但这些挥发物仅带走了生物质燃料中约10%能量。因此，温和热解处理后生物质燃料（例如秸秆）的质量产率一般可保持在70%，能量产率约90%，且温和热解处理后生物质燃料具有更低的o/c和h/c原子比和更高的能量密度，燃料特性明显提高。此外，生物质经温和热解处理后在粉碎（研磨）、运输和存储等方面的成本大幅度降低。
30.温和热解处理工艺可通过调节处理温度、升温速率和处理时间等参数，以优化温和热解过程中的质量产率、能量产率及固体产物的含水量、氧碳比和热值，实现生物质燃料品质提升。温和热剂能有效降低生物质燃料中h、o含量，原料中水分和氧的脱除效果很好。生物质燃料中c含量随处理温度上升不断增加，水分脱除和挥发分析出使h和o元素含量不断减少，同时温和热解过程中燃烧产生的烟气排放量明显降低。例如，经温和热解处理的木材含水量减少，燃烧更充分，所产生的烟气和飞灰量减少，排烟热损失更低；又如，秸秆经经温和热解处理后其产物中生物炭结构发生改变，小颗粒粒径更为集中，疏水性增强，燃烧时对炉膛和后续受热面不易造成腐蚀，使秸秆类生物质燃料能适应更多炉型。
31.步骤三，固体产物移动至下料区下端并进入螺旋出料机2，固体产物在螺旋出料机2中移动时与换热器21进行间接换热，然后固体产物由螺旋出料机2的出口排出。另外，固体产物排出后可根据实际需要进行压缩成型处理。压缩成型可将固体产物加工为成型燃料，例如块料或粉体，以适用于不同规模的生物质燃料收储站点和中转运输体系。
32.本发明生物质燃料温和热解装置及工艺，通过干燥、温和热解工艺对生物质燃料进行热预处理，得到的固体产物不吸潮、易碎（易磨粉），使得处理后的生物质燃料能量密度高、便于储存和运输，有助于改进现有的生物质燃料加工和储运技术及模式。将处理后的生物质燃料制备为粉体燃料，其燃烧温度可高达1200℃以上，能大幅度提高发电效率，此外粉体生物质燃料亦可用于制备成型燃料、集中气化、替代燃油或燃气等，从而提高现有生物质燃料能源化利用企业的经济效益。
33.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。