专利名称：一种生物质干燥碳化系统及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种生物能源技术领域的装置，具体涉及一种生物质干燥碳化系统。
背景技术：
生物质能源是一种可再生能源，含硫、氮等污染物少，热化学转化不会造成额外的二氧化碳排放。与煤炭、石油等化石燃料相比，生物质水分含量高，灰分含量少，能量密度低，资源分散且具有季节性特点。由于生物质水分含量高，直接气化的焦油含量高，影响气化气在化工合成和在燃气轮机或内燃机中燃烧发电。通过碳化预处理可以除去大部分水分，而且由于脱羧基等反应，使得固体焦中氧元素含量降低，而低的0/C比有利于生物质焦的燃烧或气化反应。中国专利文献号CN1673317A，
公开日2005-9-28，记载了一种“生物质的碳化和气化以及发电装置”，该装置包括碳化器、气化器和发电机组，碳化器由多个独立的碳化室组成，且轮流工作，碳化室采用高温烟气间接加热的方式，其作用是生产碳化材料。该装置对生物质的碳化温度高达600°C，持续时间30-60min，由于此过程能量需求大，必须具有高温热源比如燃气轮机排放尾气才能达到比较高的经济性。然而，对于秸杆类生物质如果碳化温度太高，时间过长，导致过多的挥发分释放，得到的固体焦比率非常低，按专利CN1673317A记载，以杉木片为例经过500-600℃碳化后固体焦得率约为13%。因此碳化过程能量保有率非常低。
发明内容
本发明的目的是针对上述碳化过程生物质高温热解所需能量大、固体焦得率低等问题，提出采用生物质自身燃烧产生的高温烟气供碳化过程所需的能量，实际碳化温度控制在200-300℃，以获得尽可能高的固体焦得率。并且改进碳化炉结构，确保碳化过程的气态产物、液态产物和固体产物有效分离。本发明的技术原理
通过对碳化炉结构进行了改进，由送料绞龙传送生物质原料，此过程中持续碳化即热解。在送料绞龙的正下方加设孔板，在孔板的正下方从原料入口到碳化炉出口设有倾斜15°的斜槽，以利于液体产物的收集。生物质原料从原料仓落入碳化炉内，在送料绞龙的带动下逐渐向落焦管道移动，移动过程中来自小燃烧室的高温烟气对生物质进行加热碳化。碳化产生的液态产物即液体焦油和水分通过孔板流入斜槽内，然后汇集至收集管路进行收集，碳化产生的低热值热解气体以及小燃烧室通入碳化炉的高温烟气在与生物质原料换热后变成的低温烟气均依次经由收集管路上设有的旁路管道和风机送入小燃烧室回收利用，碳化产生的固体焦从碳化炉出口的落焦管道落入固体焦仓。生物质原料经过粉碎后，小部分落入小燃烧室燃烧产生高温烟气，大部分通过原料输送机构送入原料仓，再落入碳化炉。小燃烧室内高温烟气经过烟气引出管进入碳化炉以直接加热的方式维持碳化炉中的生物质碳化所需的温度即20(T30(TC。本发明的技术方案
一种生物质干燥碳化系统，包括原料粉碎机构、原料输送机构、原料仓、风机、小燃烧室、碳化炉、烟气除尘落灰斗和固体焦仓；
所述的原料粉碎机构为电动铡草机；
所述的小燃烧室设有空气入口、生物质原料入口 1、底部的出渣口和烟气出口，在小燃烧室的空气入口处设有点火装置；
所述的风机的出口与小燃烧室的空气入口相连，用以将外界的空气送入小燃烧室内；小燃烧室底部的出渣口连有出渣管，用以排出小燃烧室内生物质燃烧产生的灰渣和平衡小燃烧室烟气压力；
所述的原料仓的上部设有原料仓入口，下部设有原料仓出口 ；
所述的原料输送机构包括斜向上的输送皮带和垂直向下的落下管，所述的斜向上的输送皮带的一端与原料粉碎机构相连，用以接受原料粉碎机构粉碎好的生物质原料，另一端与原料仓入口相连，所述的垂直向下的落下管的一端设置在斜向上的输送皮带的中间，另一端与小燃烧室顶部的生物质原料入口I相接；
所述的碳化炉设有生物质原料入口 I1、高温烟气入口，内部中间设有水平布置的送料绞龙，送料绞龙的一端通过绞龙轴承I与碳化炉的高温烟气入口相连，送料绞龙的另一端通过固定在碳化炉上的绞龙轴承II后与位于碳化炉外部的送料绞龙的传动电机相连，送料绞龙的正下方设有水平布置的孔板，对应送料绞龙的末端的孔板位置处设有碳化炉出口，碳化炉出口直接通过落焦管道与固体焦仓连接；
所述的孔板的开孔孔径优选为3mm、开孔率优选为60% ；
碳化炉中对应孔板的正下方设有水平向下倾斜15°的斜槽，在接近落焦管道的斜槽上设有一漏斗状的收集管路，在漏斗状的收集管路上设有另外一旁路管道并与风机入口处的空气管道并联，用以回收生物质碳化过程释放的低热值热解气体及小燃烧室通入碳化炉的高温烟气与生物质原料换热后变成的低温烟气；
碳化炉的生物质原料入口 II位于原料仓的正下方，直接与原料仓出口相连；
所述的小燃烧室的烟气出口经烟气引出管与碳化炉的高温烟气入口相连，在烟气引出管上设有烟气除尘落灰斗，用于将小燃烧室中的小部分生物质燃烧后的烟气进行除尘。上述的一种生物质干燥碳化系统在生物质原料碳化生产固体焦中的应用，步骤如下:
原料粉碎机构即电动铡草机将生物质原料切割粉碎并输出至斜向上的输送皮带，斜向上的输送皮带将切割粉碎后的生物质原料总量的7512%送入到原料仓，总量的If 25%通过落下管落入到小燃烧室；
所述的生物质原料为农业废弃物或林业加工废弃物，其中所述的农业废弃物为小麦杆、棉花杆、稻杆、玉米杆、油菜杆、稻壳、甘蔗渣或玉米芯类加工废弃物，所述的林业加工废弃物为木片、木屑、树枝、树叶或刨花类加工废弃物；
小燃烧室通过风机送入空气并通过打火装置进行打火将通过落下管落入到小燃烧室中的生物质原料完全燃烧，产生温度为40(T60(T C的高温烟气经烟气引出管上设有的烟气除尘落灰斗除尘后送入碳化炉。碳化炉借助于该温度为40(T600°C的高温烟气的热量将由原料仓落下的大部分生物质原料进行加热碳化；
所述的加热碳化是在送料绞龙将由原料仓落下的生物质原料送至碳化炉出口的过程中完成的，实际热解碳化温度仅20(T300°C，时间为15 30min ；
碳化后产生的固体焦通过落焦管道落入固体焦仓中；
碳化后产生的低热值热解气体经漏斗状的收集管路上的管道旁路后经风机送回小燃烧室进行回收，即进行燃烧再利用；
碳化过程中产生的液体产物通过孔板流入斜槽内，然后汇集至收集管路进行收集； 所述的液体产物包括水和液体焦油；
碳化过程中小燃烧室产生的高温烟气在碳化炉内与生物质原料换热后变成低温烟气，经漏斗状的收集管路上设有的旁路管道和风机送回小燃烧室，与风机引入的空气直接混合并加热风机引入的空气以利用其余热；
小燃烧室内生物质原料完全燃烧后的灰渣经小燃烧室下部设有的落渣管排出。本发明的有益效果
本发明的一种生物质干燥碳化系统，由于碳化炉中大部分生物质原料碳化所需的能量由小燃烧室中的小部分生物质原料燃烧产生的温度为40(Γ600 V左右的高温烟气提供，或由小燃烧室中的部分生物质原料与碳化过程产生的热解气体回收至小燃烧室后进行共同燃烧产生的温度为40(T600°C左右的高温烟气提供，而实际碳化温度仅20(T300°C，时间仅需15 30min，因此整个生物质碳化过程热效率较高，最终固体焦产率达50飞0%。且本发明的生物质干燥碳化系统小巧灵活，方便布置在生物质原料产地。本发明的一种生 物质干燥碳化系统，在常压下操作，不需要真空，也不需要高压，因此其操作方便，安全可靠，可用于处理农业废弃物或林业加工废弃物等不同种类生物质原料。本发明的一种生物质干燥碳化系统，碳化炉内生物质碳化所需能量主要由小燃烧室中的小部分生物质燃烧产生的高温烟气的热量提供，同时也将碳化炉中的大部分生物质碳化后产生的低热值热解气体回收后在小燃烧室内燃烧产生的热量供碳化炉内生物质碳化所需，通入碳化炉的高温烟气以直接加热的方式对碳化炉中的生物质进行干燥碳化，即比现有技术中生物质原料进行碳化采用间接加热方式的换热效率高。
图1、实施例1的一种生物质干燥碳化系统的结构示意 图2、实施例1中的生物质干燥碳化系统的碳化炉的结构示意 图3、图2中A-A向剖视的结构示意图。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。本发明实施例中仅给出了生物质干燥碳化系统在生物质原料棉花杆和小麦杆生产固体焦中的应用，但并不限制本发明的生物质干燥碳化系统在其他生物质原料生产固体焦中的应用。实施例1一种生物质干燥碳化系统，其结构示意图如图1所示，包括原料粉碎机构1、原料输送机构、风机7、原料仓3、小燃烧室4、碳化炉5、烟气除尘落灰斗9和固体焦仓13 ；
所述的原料粉碎机构I为电动铡草机；
所述的小燃烧室4设有空气入口、生物质原料入口 1、底部的出渣口和烟气出口，在小燃烧室4的空气入口处设有点火装置；底部的出渣口连有出渣管8，用以排出生物质原料燃烧的灰渣和平衡燃烧室烟气压力；
所述的风机7的出口与小燃烧室4的空气入口相连，用以将通过空气管14引入的外界空气送入小燃烧室4 ；
所述的原料仓3的上部设有原料仓入口，下部设有原料仓出口 ；
所述的原料输送机构包括斜向上的输送皮带2和垂直向下的落下管15，所述的斜向上的输送皮带2的一端与原料粉碎机构I相连，用以接受原料粉碎机构I粉碎好的生物质原料，另一端与原料仓入口相连，所述的垂直向下的落下管15的一端设置在斜向上的输送皮带2的中间，另一端与小燃烧室4顶部的生物质原料入口 I相接；
所述的碳化炉5，其结构示意图如图2所示，包括高温烟气入口 20、绞龙轴承116、送料绞龙6、孔板10、斜槽21、旁路管道11、收集管路12、落焦管道22、绞龙轴承1117、传动电机18、生物质原料入口 1119，其A-A向的剖视图的结构示意图如图3所示。即碳化炉5内部中间设有水平布置的送料绞龙6，送料绞龙6的一端通过绞龙轴承116与碳化炉的高温烟气入口 20相连，送料绞龙6的另一端通过固定在碳化炉5上的绞龙轴承1117后与位于碳化炉5外部的送料绞龙6的传动电机18相连，送料绞龙6的正下方设有水平布置的开孔孔径为3_、开孔率为60%的孔板10，碳化炉5在对应送料绞龙6的末端的孔板10的位置处设有碳化炉出口，碳化炉出口即固体焦出口直接通过落焦管道22与固体焦仓13连接，对应孔板10的正下方设有水平向下 倾斜15°的斜槽21，在接近落焦管道22的斜槽上设有一漏斗状的收集管路12用以收集生物质原料碳化过程中产生的液体产物，同时在收集管路12上还设有一旁路管道11并与风机7入口处的空气管道14并联一同进入风机7，该旁路管道11用以回收生物质原料碳化过程释放的低热值热解气体及小燃烧室4产生的高温烟气通入碳化炉5后与碳化炉5中的生物质原料进行换热后变成的低温烟气，回收的低热值热解气体进行燃烧再利用，而回收的低温烟气则与风机7引入的空气直接混合并加热风机7引入的空气以利用其余热；
上述的碳化炉的生物质原料入口 1119位于原料仓3的正下方，直接与原料仓出口相
连；
上述的送料绞龙6—边输送从原料仓3经生物质原料入口 1119落入碳化炉5中的生物质原料，一边将在碳化炉5中碳化后产生的固体焦输送至碳化炉出口即固体焦出口后通过落焦管道22收集固体焦至固体焦仓13中；
所述的小燃烧室4的烟气出口经烟气引出管与碳化炉5的高温烟气入口 20相连，在烟气引出管上设有烟气除尘落灰斗9，用于将小燃烧室4中的小部分生物质燃烧后的烟气进行除尘。上述的一种生物质干燥碳化系统在生物质原料碳化生产固体焦中的应用，步骤如下:
其中原料粉碎机构I将生物质原料切割成长度约25飞Omm的小段后落入原料输送机构2，原料输送机构2将所得的生物质原料总量的18 25%通过落下管15送入小燃烧室4，总量的75 82%送入原料仓3 ；
小燃烧室4通过风机7送入空气并通过打火装置进行打火将送入小燃烧室4中的生物质原料完全燃烧，产生的40(T60(TC左右的高温烟气经过除尘落灰斗9除尘后送入碳化炉5 ；
送入原料仓3的生物质原料通过碳化炉5的生物质原料入口 1119落料至碳化炉5，碳化炉5通过其上的高温烟气入口 20接受来自小燃烧室4的40(T600°C左右的高温烟气对由原料仓3落下的生物质原料进行碳化，碳化过程中产生的固体焦经送料绞龙6送至碳化炉出口即固体焦出口直接通过落焦管道22落入固体焦仓13中；碳化过程中产生的液体产物通过孔板10落入斜槽21，然后汇集到漏斗状的收集管路12进行收集；碳化过程中产生的低热值热解气体经由漏斗状的收集管路12上的管道旁路11后经风机7送回小燃烧室4进行燃烧再利用；小燃烧室4通入到碳化炉5内的40(T60(TC左右的高温烟气在与待碳化的生物质原料换热后变成低温烟气，经由漏斗状的收集管路12上的管道旁路11后经风机7送回小燃烧室4并利用其余热加热由空气管14来的空气；
小燃烧室4内生物质原料完全燃烧后的灰渣经小燃烧室4下部设有的出渣管8排出。应用实施例1
实施例1所述的一种生物质干燥碳化系统在生物质原料棉花杆进行碳化生产固体焦中的应用，具体步骤如下:
以自然风干的棉花杆为原料，经自然风干后的秸杆中水分含量仅为2.0%，经过原料粉碎机I即电动铡草机切断成长度为25_左右的小段，切断后总量18%的棉花杆送入小燃烧室4中，总量82%的棉花杆送入碳 化炉5，小燃烧室4内通过风机7送入空气并通过打火装置进行打火使送入小燃烧室4中的棉花杆燃烧，产生的温度约为40(T600°C的高温烟气经过除尘落灰斗9除尘后全部送入碳化炉5加热由原料仓3落下的总量82%的棉花杆进行碳化，实际碳化温度约20(T30(TC，时间为15 30min。棉花杆碳化过程得到三种产物，分别为气态产物(低热值热解气体)、液体产物(水分和液体焦油)、固体产物(固体焦)。全部气态产物经过旁路管道11送回小燃烧室4内再次燃烧放热，液体产物经由孔板10漏下后落入斜槽21并汇集到漏斗状的收集管路12进行收集，而固体产物由送料绞龙6送至碳化炉出口即固体焦出口直接通过落焦管道22落入固体焦仓13中，小燃烧室4通入的40(T60(TC的高温烟气在碳化炉5内与待碳化的生物质原料棉花杆换热后变成的低温烟气经由漏斗状的收集管路12上的旁路管道11回收利用。回收的低温烟气与由空气管14送来的空气直接混合并加热空气以利用其余热。经过干燥后Ikg的棉花杆,其中0.18kg棉花杆送入小燃烧室4 ；0.82kg棉花杆送入碳化炉5进行碳化，最终得到固体焦0.52kg，液体产物0.04kg,气态产物0.26kg。其中液体产物中水分所占比例超过75%，气体产物主要为CO2和少量CO，CO2所占比例超过80%。不考虑液体产物中所含热量，整个过程能源产率约60%。应用实施例2
实施例1所述的一种生物质干燥碳化系统在生物质原料小麦杆进行碳化生产固体焦中的应用，具体步骤如下:
以收割后自然风干的小麦杆为生物质原料，自然风干后的秸杆水分含量仅为3.5%，经过原料粉碎装置I即电动铡草机切断成长度为25_左右的小段，切断后总量25%的小麦杆送入小燃烧室4中，总量75%的小麦杆送入碳化炉5，小燃烧室4内通过风机7送入空气并通过打火装置进行打火使送入小燃烧室4中的小麦杆燃烧，产生温度约为40(T60(TC的高温烟气经过除尘落灰斗9除尘后全部送入碳化炉5加热由原料仓3落下的总量75%的小麦杆进行碳化，实际碳化温度约20(T30(TC，时间为15 30min。小麦杆碳化过程得到三种产物，分别为气态产物(低热值热解气体)、液体产物(水分和液体焦油)、固体产物(固体焦)。固体产物即固体焦由送料绞龙6送至碳化炉出口即固体焦出口直接通过落焦管道22落入固体焦仓13中，产生的全部液体产物经由孔板10的小孔漏下后落入斜槽21并汇集到漏斗状的收集管路12进行收集，气态产物经旁路管道11送入小燃烧室4进行燃烧再利用，小燃烧室4通入的高温烟气在碳化炉5内与待碳化的生物质原料小麦杆换热后变成的低温烟气经由漏斗状的收集管路12上的旁路管道11送入小燃烧室4进行余热回收利用。回收的低温烟气与空气管14送来的空气直接混合并加热空气以利用其余热。经过干燥后Ikg的小麦杆其中有0.25kg在小燃烧室4燃烧，0.75kg送入碳化炉5进行碳化，最终得到固体焦0.36kg、液体产物0.06kg、气体0.33kg。其中液体产物中水分所占比例超过75%，而气体产物主要为CO2和少量CO，CO2所占比例超过80%。不考虑液体产物中所含热量，整个过程能源产率约52%。综上所述，本发明的一种生物质干燥碳化系统对生物质原料进行碳化即先将生物质原料分为两部分，其中少部分用于燃烧产生高温烟气，通过小部分生物质原料燃烧产生的高温烟气送入碳化炉内直接加热大部分生物质原料进行碳化，碳化炉中的大部分生物质原料碳化产生的主要产物有气态产物、液态产物和固体焦三种，其中固体焦所占比例达48飞3%，气态产物引入小燃烧室加以燃烧再次回收利用，整个碳化过程的能源产率超过50%。·上述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种生物质干燥碳化系统，其特征在于所述的生物质干燥碳化系统包括原料粉碎机构、原料输送机构、原料仓、风机、小燃烧室、碳化炉、烟气除尘落灰斗和固体焦仓； 所述的原料粉碎机构为电动铡草机； 所述的小燃烧室设有空气入口、生物质原料入口 1、底部的出渣口和烟气出口，在小燃烧室的空气入口处设有点火装置； 所述的风机的出口与小燃烧室的空气入口相连，小燃烧室底部的出渣口连有出渣管； 所述的原料仓的上部设有原料仓入口，下部设有原料仓出口 ； 所述的原料输送机构包括斜向上的输送皮带和垂直向下的落下管，所述的斜向上的输送皮带的一端与原料粉碎机构相连，另一端与原料仓入口相连，所述的垂直向下的落下管的一端设置在斜向上的输送皮带的中间，另一端与小燃烧室顶部的生物质原料入口 I相接； 所述的碳化炉设有生物质原料入口 I1、高温烟气入口，内部中间设有水平布置的送料绞龙，送料绞龙的一端通过绞龙轴承I与碳化炉的高温烟气入口相连，送料绞龙的另一端通过固定在碳化炉上的绞龙轴承II后与位于碳化炉外部的送料绞龙的传动电机相连，送料绞龙的正下方设有水平布置的孔板，对应送料绞龙的末端的孔板位置处设有碳化炉出口，碳化炉出口直接通过落焦管道与固体焦仓连接； 碳化炉中对应孔板的正下方设有水平向下倾斜15°的斜槽，在接近落焦管道的斜槽上设有一漏斗状的收集管路，在漏斗状的收集管路上设有另外一旁路管道并与风机入口处的空气管道并联； 碳化炉的生物质原料入口 II位于原料仓的正下方，直接与原料仓的出口相连； 所述的小燃烧室的烟气出口经烟气引出管与碳化炉的高温烟气入口相连，在烟气引出管上设有烟气除尘落灰斗。`
2.如权利要求1所述的一种生物质干燥碳化系统，其特征在于所述的孔板的开孔孔径为3mm、开孔率为60%。
3.如权利要求1或2所述的一种生物质干燥碳化系统在生物质原料碳化生产固体焦中的应用，其特征在于步骤如下: 原料粉碎机构将生物质原料切割粉碎并输出至斜向上的输送皮带，输送皮带将切割粉碎后的生物质原料总量的7512%送入原料仓，总量的If 25%通过落下管落入小燃烧室；小燃烧室通过风机送入空气并通过打火装置进行打火将送入小燃烧室中的生物质原料完全燃烧，产生温度为40(T60(TC的高温烟气经烟气引出管上设有的烟气除尘落灰斗除尘后送入碳化炉，碳化炉借助于该40(T60(TC的高温烟气对由原料仓落下的大部分生物质原料进行加热碳化； 所述的加热碳化是在送料绞龙将由原料仓落下的生物质原料送至碳化炉出口的过程中完成的，时间为15 30min ； 碳化后产生的固体焦经落焦管道落入固体焦仓； 碳化后产生的低热值热解气体依次经漏斗状的收集管路上设有的旁路管道和风机送回小燃烧室； 碳化过程中产生的液体产物通过孔板流入斜槽内，汇集至漏斗状的收集管路进行收集；送入碳化炉的40(T600°C的高温烟气在碳化炉内与生物质原料完成换热后变成低温烟气依次经漏斗状的收集管路上设有的旁路管道和风机送回小燃烧室； 所述的液体产物包括水和液体焦油； 小燃烧室内生物质原料完全燃烧后的灰渣经小燃烧室下部设有的落渣管排出。
4.如权利要求3所述的一种生物质干燥碳化系统在生物质原料碳化生产固体焦中的应用，其特征在于所述的生物质原料为农业废弃物或林业加工废弃物； 所述的农业废弃物为小麦杆、棉花杆、稻杆、玉米杆、油菜杆、稻壳、甘蔗渣或玉米芯； 所述的林业加工废弃物为木片、木屑、树枝、树叶或刨花。
5.如权利要求4所述一种生物质干燥碳化系统在生物质原料碳化生产固体焦中的应用，其特征在于所述的生 物质原料切割粉碎，即将生物质原料切割成长度为25 50mm的小段。
全文摘要
本发明公开一种生物质干燥碳化系统，包括原料粉碎机构、原料输送机构、原料仓、风机、小燃烧室、碳化炉、烟气除尘落灰斗和固体焦仓。原料粉碎机构将生物质原料切割粉碎后通过原料输送机构将小部分送入小燃烧室，大部分送入原料仓。小燃烧室中的生物质原料完全燃烧产生高温烟气送入碳化炉中对由原料仓落下的大部分生物质进行加热碳化，碳化后产生的固体焦落入固体焦仓，产生的低热值热解气体及送入碳化炉的高温烟气在碳化炉中与待碳化的生物质原料换热后变成的低温烟气送回小燃烧室回收，产生的液体产物通过孔板流入斜槽内经收集管路进行收集。本发明的一种生物质干燥碳化系统，整个生物质碳化过程热效率较高，最终固体焦产率达50~60%。
文档编号C10B53/02GK103224802SQ201310151090
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月27日 优先权日2013年4月27日
发明者邓剑, 王清成 申请人:上海应用技术学院