卧式生物质连续热炭联产系统的制作方法

1.本实用新型涉及的是一种炭化活化领域的技术，具体是一种卧式生物质连续热炭联产系统。


背景技术：

2.现有以煤炭作为燃料受到环保排放限制而难以为继，限煤和禁煤区域越来越多，而铺设天然气管道经济性又很低；另一方面，粮食产区农作物产生的农业废弃物如玉米秸秆、麦秆、木屑等生物质资源因得不到合理利用而废弃田间地头，因此急需寻找一种可替代现有能源资源的利用方式。生物质基活性炭因其较煤基含重金属等有害成分少、孔隙率高等特点，在水处理、食品、军工等行业具有重要应用，将秸秆、木质类生物质进行炭热联产转化，一方面产生了附加值较高的活性炭产品，同时将转化过程中富余的能量进行合理利用，可为当前秸秆处理以及用能间的矛盾提供一种新的解决途径。
3.现有的各种炭化炉针对热解气大多采用先冷却再燃烧的处理方式，这种温度反复升降的方式即常温热解气净化技术一方面会引起能量损失，同时在焦油的处理中又会带来额外的废水或废气排放，长期运行则又有管路沾污甚至堵塞问题，此外，设备的起炉需借助外热源，而热解气燃烧所释放的热功率与物料热解所需的热功率不完全匹配，又会产生额外的热冗余，考虑到总量不大，专门利用的价值有限，不利用则又带来进一步的能量浪费。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种卧式生物质连续热炭联产系统，通过炭化筒与活化炉装置的有机结合，热解气体直接燃尽，生物质经炭化后无需专门冷却便进入后续的活化阶段，同时焦炭活化产生的高温烟气余热可应用在第二级炭化过程中，炭化筒和活化炉装置间的有效串联，降低了物料中间冷却产生的能量损耗，解决炭化过程中的焦油处理难题，同时提高炭化及活化系统的热利用效率。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本实用新型包括：依次连接的上料装置、炭化筒装置、粉碎机、炭粉储罐、活化炉装置、燃烧器、换热器装置和风机阀组，其中：炭化筒装置分别与活化炉装置、燃烧器、换热器装置和风机阀组相连，风机阀组与活化炉装置相连。
7.所述的上料装置包括：料仓、上料绞龙、料斗和第一进料锁气机构，其中：料仓顶部与上料绞龙相连，底部与炭化筒装置相连，第一进料锁气机构设置于料仓与炭化筒装置之间，料斗设置于上料绞龙另一端上。
8.所述的上料绞龙为倾斜布置，倾斜绞龙的一端与料仓入口相连，倾斜绞龙的另一端设有进料电机和料斗，其中：进料电机同轴设置于料斗下方，料斗下口连接绞龙进料口。
9.所述的炭化筒装置包括：第一级炭化筒、下料连接管和第二级炭化筒，其中：第一级炭化筒和第二级炭化筒上下设置并通过下料连接管相连，第一级炭化筒分别与燃烧器和换热器装置相连，第二级炭化筒分别与粉碎机、活化炉装置和风机阀组相连。
10.所述的第一级炭化筒包括：内筒、外筒、扬料板、减速电机、滚动支撑结构和用于强化换热的钉头翅，其中：内筒设置于外筒内并且两端设置于外筒外侧，扬料板以错位螺旋形设置于内筒内表面，减速电机与内筒一端相连，滚动支撑结构对称设置于内筒两端并设置于外筒外侧，钉头翅均匀设置于内筒外表面上。
11.所述的第二级炭化筒结构与第一级炭化筒一致。
12.所述的活化炉装置包括：鼓风机、炉体、活性炭储罐、蒸汽发生器、烟气再循环回路和气固换热器，其中：炉体与第二级炭化筒相连，鼓风机设置于炉体和炭粉储罐之间，活性炭储罐通过气固换热器与炉体相连，蒸汽发生器与炉体相连，烟气再循环回路分别与风机阀组、燃烧器和炉体相连。
13.所述的炉体和炭粉储罐之间设有第二进料锁气机构。
14.所述的炉体和气固换热器之间设有第三进料锁气机构。
15.所述的炉体上均匀设有进料喷嘴。
16.所述的换热器装置包括：第一换热器、第二换热器和流量调节阀，其中：第二换热器、流量调节阀和第一换热器依次设置于燃烧器和第一级炭化筒之间，第一换热器与风机阀组相连。
17.所述的风机阀组包括：第一引风机和第二引风机，其中：第一引风机分别与第二级炭化筒、活化炉装置和燃烧器相连，第二引风机与换热器装置相连。
18.技术效果
19.与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：
20.1、采用炭化与活化相结合的方法，可使炭化与活化间无需间冷过程，减少能量损失，同时实现能量产生、消耗间的互补，起炉过程可通过活化炉装置提供初始热源而无需配置其它燃烧器，利用卧式无绞龙设计，可提高物料处理量；
21.2、针对炭化过程中产生的热解气中焦油含量高的特点，开发了可适用的燃烧器，可实现热解气的高效转化；
22.3、上料绞龙采用斜45
°
的上端盲管形式，可提高绞龙内物料填充度，减少空气漏入，
23.保证第一级炭化筒内惰性氛围，提高焦炭产率；
24.4、结合活化过程中的释热，以及炭化过程中释放的能量，可保证在热炭联产和产出高品质活性炭产品的同时，能向外提供原料热值的近70％的热源；
25.5、将炭化过程分成两级炭化，第一级采用慢速低温炭化形式，能够获得更多焦炭产量，第二级采用高温炭化形式，能够获得更多的微孔结构；
26.6、采用烟气再循环回路，可降低nox排放，同时烟气中含有的h2o及co2可起到一定的气化活化作用；
27.7、可以在一定范围内调节热炭联产中二者的比例、更高负荷的热功率或更多活性炭产品，以匹配用户的不同需求；
28.8、炭化筒筒体可转动，有利于单体设备处理量的提高以及传热强化，提高单体设备炭化能力；
29.9、采用卧式连续炭化形式，可保证设备的持续稳定运行，活性炭品质稳定可控，热负荷输出平稳。
附图说明
30.图1为本实用新型结构示意图；
31.图2为本实用新型活化炉装置进料喷嘴结构示意图；
32.图3为本实用新型扬料板结构示意图；
33.图中：a为扬料板示意图；b和c分别为折板式和弧形板式；
34.图4为本实用新型粉碎机结构示意图；
35.图5为本实用新型炭粉储罐结构示意图；
36.图中：上料装置1、炭化筒装置2、粉碎机3、炭粉储罐4、活化炉装置5、燃烧器6、换热器装置7、风机阀组8、料仓9、上料绞龙10、料斗11、第一进料锁气机构12、进料电机13、第一级炭化筒14、第二级炭化筒15、下料连接管16、第一、二级炭化筒内筒17、第一、二级炭化筒外筒18、扬料板19、减速电机20、滚动支撑结构21、钉头翅22、鼓风机23、炉体24、活性炭储罐25、蒸汽发生器26、烟气再循环回路27、气固换热器28、第二进料锁气机构29、第三进料锁气机构30、进料喷嘴31、第一换热器32、第二换热器33、流量调节阀34、第一引风机35、第二引风机36、粉碎机传动轴301、粉碎机密封罩302、粉碎机粉碎头303、粉碎机进料口304、粉碎机出料口305、进料口401、罐体402、锥形下料口403。
具体实施方式
37.如图1所示，为本实施例涉及的一种卧式生物质连续热炭联产系统，其中包含：依次连接的上料装置1、炭化筒装置2、粉碎机3、炭粉储罐4、活化炉装置5、燃烧器6、换热器装置7和风机阀组8，其中：炭化筒装置2分别与活化炉装置5、燃烧器6、换热器装置7和风机阀组8相连，风机阀组8与活化炉装置5相连。
38.所述的上料装置1包括：料仓9、上料绞龙10、料斗11和第一进料锁气机构12，其中：料仓9顶部与上料绞龙10相连，底部与第一级炭化筒14相连，第一进料锁气机构12设置于料仓9与第一级炭化筒14之间，料斗11设置于上料绞龙10另一端上。
39.所述的上料绞龙10向上倾斜45
°
设置，形成密封的倒三角布置形式，用于防止热烟气的回流和冷空气漏入，上端与料仓9相连，下端处设有进料电机13，其中：进料电机13同轴设置于料斗11下方，速比为15:1～25:1。
40.所述的上料绞龙10上端设有弹簧压紧的圆形盖板，用于料仓9满料时物料顶开弹簧掉回地面，不会将上料绞龙10完全阻塞而烧坏电机。
41.所述的第一进料锁气机构12采用电机控制进料频率，进而控制炭化负荷，同时实现炭化筒装置内与料仓9间的空气隔离。
42.所述的炭化筒装置2包括：第一级炭化筒14、用以输送半焦固体产物的下料连接管16和第二级炭化筒15，其中：第一级炭化筒14和第二级炭化筒15上下设置并通过下料连接管16相连，第一级炭化筒14分别与燃烧器6和第一换热器32相连，第二级炭化筒15分别与粉碎机3、炉体24和第一引风机35相连。
43.如图3所示，所述的第一级炭化筒14包括：内筒17、外筒18、扬料板19、减速电机20、滚动支撑结构21和用于强化换热的钉头翅22，其中：内筒17设置于外筒18内并且两端设置于外筒18外侧，扬料板19以错位螺旋形设置于内筒17内表面，用于物料在不停翻滚炭化的同时实现固体物料的轴向输送，减速电机20与内筒17一端相连，滚动支撑结构21对称设置
于内筒17两端并设置于外筒18外侧，钉头翅22均匀设置于内筒17外表面上。
44.如图3所示，所述的扬料板19为带导程角和二次折边的钢板结构，板片与圆筒横切面的导程角为30
°
～60
°
，具体依物料的休止角和附着性决定。
45.如图3所示，在不同场合下，所述的扬料板19也可以采用弧形板式，板厚为4～6mm，板高为筒径d的1/4～1/6倍，单周板数n为6～10。
46.所述的钉头翅22为圆钢与筒壁电阻焊接的结构，圆钢直径为，钉头翅22顶端与外筒18间隙为10mm。
47.所述的内筒17和外筒18为夹套筒的连接方式，内筒17和外筒18均采用耐高温的材质制作，内筒17为主换热表面，外筒18与内筒17间形成热烟气流通通道夹层，两端与内筒17形成配合的动静密封。
48.所述的第二级炭化筒15结构与第一级炭化筒14一致，第一级炭化筒14和第二级炭化筒15采用固体料进口侧低、固体料出口侧高的设置方式，且与水平倾角为10
°
～15
°
，用于在不降低筒内转速时，由于物料的翻滚返流效果，提高筒内物料的停留时间及炭化强度。
49.所述的第一级炭化筒14和第二级炭化筒15差别在于运行的温度范围不同，第一级炭化筒14运行温度区间为400～600℃，第二级炭化筒15运行温度区间为700～900℃。通过控制第一、第二级炭化筒15的温度来控制热解过程，即在第一级炭化筒14实现生物质料的慢速热解，以产生更多的焦炭，在第二级炭化筒15实现焦炭内部中小孔隙的扩容和微孔结构的进一步扩展。
50.所述的第二级炭化筒15中夹套筒出来的热烟气，在温度区间满足第一级炭化筒14温度区间时，也可以引入第一级炭化筒14的夹套层参与炭化，温度不足时也可与燃烧器6出口高温烟气混合后再引入第一级炭化筒14夹套层，为第一级炭化筒14热源的另一种实现方式。
51.所述的第二级炭化筒15炭化热源，当温度区间不满足运行要求时，可采用掺混冷风或燃烧器6高温热烟气的方式实现，为第二级炭化筒15热源的另一种实现方式。
52.所述的第一级炭化筒14的出口侧设有热解气出口，可使得第一级炭化筒14内产生的最大量热解气及时导出，并减少热解气中焦油成分在高温条件下与焦炭反应的堵塞孔隙。
53.如图4所示，所述的粉碎机3为密封性能良好的结构特点，其主要结构包括粉碎机传动轴301，粉碎机密封罩302，粉碎机粉碎头303，粉碎机进料口304，粉碎机出料口305。
54.如图5所示，所述的炭粉储罐4为立式圆筒结构，主要包括进料口401，罐体402和锥形下料口403组成，进料口401连接粉碎机3出口，锥形下料口403连接第二进料锁气机构29，通过第二进料锁气机构29转动频率高低来控制活化炉装置的运行和负荷变化，保证运行平稳和连续。
55.所述的活化炉装置5包括：鼓风机23、炉体24、活性炭储罐25、用于提供活化剂的蒸汽发生器26、用于控制温度的烟气再循环回路27和气固换热器28，其中：炉体24与第二级炭化筒15相连，鼓风机23设置于炉体24和炭粉储罐4之间，活性炭储罐25通过气固换热器28与炉体24相连，蒸汽发生器26与炉体24相连，烟气再循环回路分别与第一引风机35、燃烧器6和炉体24相连。
56.所述的炉体24和炭粉储罐4之间设有第二进料锁气机构29。
57.所述的炉体24和气固换热器28之间设有第三进料锁气机构30，用于控制活性炭成品。
58.所述的炉体24上均匀设有五个进料喷嘴31，进料喷嘴31均匀环绕设置于炉体24上，进料喷嘴24与径向夹角为30
°
，与轴向夹角60
°
，沿轴向高度方向上下设有一组空气喷嘴，用以匹配炭粉处理量，空气喷嘴的夹角及方向与进料喷嘴31一致，空气量的控制根据不同炭化原料及炭粉粒径分布调整。
59.所述的活化炉装置5采用立式圆形结构，物料通过鼓风机23携带炭粉，炭粉经由中间进料喷嘴31进入炉体内，进料量通过第二下料锁气机构29控制，整体形成旋流燃烧活化，并通过炉体24下端进一步喷入活化剂成分如蒸汽、co2、氢气等来实现粗炭表面的活化。
60.所述的炉体24沿筒壁环形设有三个蒸汽喷嘴，蒸汽喷嘴位置设置于下空气喷嘴下方300mm，蒸汽喷入量可依据活性炭微孔活化程度进行调整。
61.所述的烟气再循环回路27的接口设置于进料喷嘴31与下空气进口之间，用于降低nox等污染物排放，再循环烟气中含有的h2o及co2可以作为二次活化剂成分，促进活性炭中微孔的生成。
62.所述的活化炉装置5产生的高温烟气通入第二级炭化筒15夹套层，并经由第一引风机35引出，一部分参与再循环，另一部分送入燃烧器6助燃和燃尽。
63.所述的燃烧器6设置于第一级炭化筒14的出口侧端头，燃烧器6的喷嘴为大口径、特别设置强化混合的结构形式。
64.所述的燃烧器6的热解气进口管路一端与第一级炭化筒14出口侧相连，另一端与燃烧器6可燃气进口相连，并通过热烟气夹套保温方式避免焦油黏附、管道堵塞的风险，保温温度控制在300℃，同时针对活化炉装置5活化尾气产生的可燃成分(co、h2等)一同参与燃烧器6燃尽过程，以实现能量的充分转化。
65.所述的燃烧器6的出口烟气分两路，一路通过第一级炭化筒14夹套层换热，再通过第一换热器32进一步换热，最终通过第二引风机36排除，另一路高温烟气直接进入第二换热器33，经换热完成后也通过第二引风机36排出，两路烟气流量通过流量调节阀34来实现。
66.所述的换热器7装置包括：第一换热器32、第二换热器33和流量调节阀34，其中：第二换热器33、流量调节阀34和第一换热器32依次设置于燃烧器6和第一级炭化筒14之间，第一换热器32与第二引风机36相连，用于炭粉或储罐的余热回收，以及燃烧器6出口高温烟气余热的回收。
67.所述的余热包含：经第一级炭化筒14后的烟气余热和燃烧器出口旁路的高温烟气余热。
68.所述的第一换热器32为低温换热器，第二换热器33为高温换热器。
69.所述的风机阀组8包括：第一引风机35和第二引风机36，其中：第一引风机35分别与第二级炭化筒15、烟气再循环回路27和燃烧器6相连，第二引风机36与第一换热器32相连。
70.系统基本工作流程：
71.物料由料仓1进入串联的第一级炭化筒14和第二级炭化筒15之间，分别实现慢速热解和焦炭的微孔扩张过程，再经过粉碎机3后，由高速气流携带输送进入活化炉装置5内进行氧化活化，并配合二次输入活化成分，用以调节活性炭中微孔与中孔的分布特性并实
现最终活化，经活化后的活性炭经气固换热器28冷却后进入活性炭储罐25。
72.由活化炉装置5产生的高温烟气进入第二级炭化筒15的夹套层，出口连接第一引风机35，其出口分两路，一路通过烟气再循环回路27到活化炉装置5中参与反应，另一路通过管道与第一级炭化筒14产出的大量热解气和第二级炭化筒15产生的极少量热解气一起进入燃烧器6进行燃烧，产生的烟气一部分通入第一级炭化筒14夹套层内进行加热，并由出口第一换热器32进行换热后排放，另一部分烟气则直接进入第二换热器33换热，再通过第二引风机36排放。
73.本实用新型可有效降低转化过程中的能量损耗，生物质经炭化后无需专门冷却便进入后续的活化阶段，同时焦炭活化产生的高温烟气余热可应用在第二级炭化过程中，炭化筒和活化炉装置间的有效串联，降低了物料中间冷却产生的能量损耗，需热工艺和供热工艺实现了系统内自平衡。活化炉装置5还可以在起炉过程中为炭化筒提供初始热源，避免了大多炭化筒需额外配置热源起炉的问题，同时，炭化产生的大量热解气成分以及活化炉装置5尾气中含有的可燃气成分可进一步通过燃烧器6进行燃尽，产生的热量一部分可供第一级炭化过程所需热量，另一部分可向外提供热源，由此可使整个炭化转化终产物中没有焦油类污染物的产生或排放，而最终产物仅为高品质活性炭和热量，另有燃尽程度高而无污染的烟气，完全避免了单纯炭化所产生的焦油处理难题、以及焦炭活化过程中含未燃尽气体的排放问题。
74.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。