一种有机热载体加热的生物质烘焙系统的制作方法

本实用新型涉及一种烘焙系统，特别涉及一种有机热载体加热的生物质烘焙系统。

背景技术：

化石燃料的大量利用造成了全球范围的环境污染和CO2排放引起的温室效应等一系列问题，也极大地制约了全球经济和社会发展。20世纪中叶以来，人类对能源、环境和经济发展问题进行了重新认识，大力开发与使用可再生能源来替代常规化石燃料能源被认为是目前控制SO2、NOx等污染物和温室气体CO2排放的重要对策。可再生能源主要包括可燃可再生能源与废弃物、太阳能、水能、风能、生物质能、地热能和海洋能等非化石能源。在所有可再生能源中，生物质能有着其他可再生能源无可比拟的优势。世界上生物质资源丰富，种类很多，形式多样，主要有薪柴、农林作物、水生植物、城市固体废弃物、生活污泥、禽畜粪便等。生物质能占世界能源总消耗的14%，仅次于石油、煤炭和天然气，位居第4位。尽管生物质能具有低硫、低氮、高挥发份、高灰焦活性、零CO2净排放等诸多优点，但其分布十分分散，形态各异，能量密度低，给收集、运输、存储和利用带来了较大的挑战，因此，必须采取一定的预处理措施或转化途径以提升其利用的经济性。

生物质能转化途径主要包括直接燃烧法、热化学转化法、生物转化法、化学转化法和物理转化法。生物质烘焙（也称低温热解）作为一种重要的热化学转化技术，近年来得到较多的关注。它是指在无氧或缺氧、200~300℃和较低升温速率（<50℃/min）下将生物质转化为以固体产物（生物炭）为主，同时伴生少量液体和气体产物的热化学处理方法。烘焙处理可以降低生物质的含水率和吸水性，显著提高生物质的热值和能量密度，改善其易磨性和腐烂变质性，从而适宜长期贮存。目前关于生物质烘焙的研究主要集中于生物质烘焙特性及其动力学方面，而对于烘焙装置的研究报道较少。根据热源供给方式生物质烘焙可分为外热式、内热式和自燃式三种。外热式主要是采用热载体（空气、烟气、过热蒸汽、导热油等）或电加热等方式间接对物料进行加热；内热式是通过热载体（烟气或空气）与生物质原料直接接触进行加热；而自燃式一般是通过部分生物质自身燃烧所放出的热量对生物质原料进行直接加热。根据烘焙过程物料的运行情况，主要有固定床、移动床和流化床三种形式。固定床是实验室研究普遍采用的烘焙方式，但其存在处理物料量小、温度分布均匀性差的缺陷。目前，商业化烘焙装置主要侧重于移动床和流态化，其中移动床又包括多层床、螺旋式、回转窑等形式，但这些装置均处于研发起步阶段，有待于进一步完善。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型为了解决生物质烘焙过程中温度不宜控制，生物质处理量小及现有的烘焙装置存在的问题，提供了一种有机热载体加热的生物质烘焙系统。

技术方案：本实用新型所述的有机热载体加热的生物质烘焙系统，包括烘焙系统、为烘焙系统提供气体的载气供应系统、用于加热烘焙装置的有机热载体加热系统、用于控制烘焙系统温度的温控系统以及与烘焙系统相连的尾气收集系统；

所述烘焙系统包括筒体、开口于筒体下端的出料口、位于筒体下端的载气进口以及位于筒体上端的热解气出口；

所述有机热载体加热系统包括储油罐、油加热器、与所述储油罐出液口相连的设置有第一截止阀的第一连接管、与所述储油罐进液口相连的设置有第二截止阀的第二连接管、与所述油加热器出液口相连的设置有第三截止阀的第三连接管、与所述油加热器进液口相连的设置有第四截止阀的第四连接管以及呈螺纹状环绕于所述筒体外围的蛇形管；所述蛇形管的进液口分别与所述第一连接管与第三连接管连通；所述蛇形管的出液口分别与所述第二连接管与所述第四连接管连通；

所述载气供应系统的进气口通过载气进口与所述筒体连通；所述尾气收集系统的进气口与所述烘焙系统的出气口连通。

所述载气供应系统，包括气瓶（一般为氮气）、减压阀、浮子流量计及其相应的连接管道和阀门。

为了防止储油灌环路与油加热环路的切换更加灵敏且防止环路中有机热载体出现回流的情形，在所述蛇形管的进液口设置第五截止阀，蛇形管的出液口设置有第六截止阀。

为了使得烘焙系统的温度恒定，在所述筒体外壁包裹有保温外壳，所述蛇形管位于所述保温外壳与筒体之间，当有机热载体流经蛇形管时，可以高效对烘焙系统进行加热，而保温外壳用于烘焙装置的保温。

本实用新型设置温控系统随时对整个体系内的温度进行实时监测，为了获取系统内不同位置的温度数据，上述的温控系统包括第一温度检测器和第二温度检测器；所述第一温度检测器设置于所述筒体内部；所述第二温度检测器设置于所述保温外壳与所述筒体之间。

所述油加热器的进液口通过第四连接管串联有油泵与滤油器，油泵用于有机热载体在体系内的循环，滤油器可保证在体系内循环的有机热载体的品质。所述有机热载体包括联苯-联苯醚型、烷基联苯型、烷基联苯醚型等，具有较好的热稳定性、导热性和清净分散性。

为了使得系统内的有机热载体迅速冷却，在所述储油罐外围设置有冷却器。

上述尾气收集系统用于热解气的收集与净化，包括生物油收集器、气体收集装置和排空装置，所述生物油收集装置为浸泡在冷凝水中的长进短出的广口瓶，所述气体收集器为连接在装置末端的集气袋或集气罐。

上述的烘焙系统还包括如下结构：

所述筒体内部下端设置有用于放置生物质的网状多板孔组件，网状多孔板组件可以减少最终生物炭成品的水分。

所述筒体上端设置有电机以及与电机相连位于筒体内部的搅拌装置，所述电机通过联轴器与所述搅拌装置相连。

为了进一步说明本实用新型的烘焙装置，烘焙装置的具体结构为：包括变频电机、椭圆封头、筒体、搅拌装置、网状多孔板组件、机架套件等。所述椭圆封头上设有生物质加料口、加料口处设置有加料仓、在加料仓与加料口之间设置的阀门、热解气出口、热电偶接口以及上下法兰；所述筒体上部设有上法兰，底部设有生物炭出料口、载气进口和烘焙装置支撑装置；所述搅拌装置由搅拌轴和若干层（3-5层）搅拌叶片组成，其中搅拌叶片可采用片状、锯齿状、麻花状等不同型式，搅拌叶片长度可以根据生物质原料种类的不同灵活调整；所述网状多孔板组件由多孔板和不同目数的钢丝网组合而成，并设置于筒体内部的底部，起到支撑生物质原料和均布载气的作用。调频电机固定在机架套件的上部，机架套件的底部与椭圆封头上部法兰相连；椭圆封头底部与筒体顶部通过法兰相连；调频电机中心轴通过联轴器与搅拌轴相连。

本实用新型的生物质烘焙系统的工作方法为：

1）根据系统工作要求，组装并连接各子系统，完成装置相关的气密性测试。

2）关闭生物质加料口的球形阀，采用较大的载气流量，预先排除筒体内的空气；通气约20 min后，将浮子流量计流量调节至2-10L/min。

3）打开生物质加料仓进口阀门将一定量的生物质原料加入到筒体内部，加料的同时启动调频电机，并根据生物质种类调整搅拌速度（一般为15-120rpm），加料结束后关闭生物质加料仓进口阀门。

4）利用烟气分析仪检测热解气出口管路中的氧气含量，当气体中的氧气含量满足烘焙实验要求（小于0.5%）时，打开电加热器，设定升温速率（20-50℃/min）、烘焙温度（200-300℃）和保温时间（10-240min），开启有机热载体加热系统进出口阀门，利用位于筒体外围的蛇形管作为换热器，对筒体内的生物质进行间接加热，此时，筒体内生物质原料在外部热源、搅拌和载气的共同作用下进行均匀烘焙。烘焙过程中对有机热载体进出口、蛇形管以及筒体内部等处的温度进行实时监测，并通过油加热器功率和有机热载体流量的自动调节，实现对升温速率和筒体内温度的精确控制。烘焙过程中产生的水汽、生物油和不凝气体在载气携带下由热解气出口进入尾气收集系统，经冷凝后分别获得液态和气态烘焙产物。

5）烘焙结束后，关闭油加热器以及有机热载体加热系统的进出口阀门，并开启其他旁路阀门，待有机热载体自然冷却后关闭油泵。同时，在连续搅拌和通入载气的条件下，将生物炭冷却至室温，最终由生物炭出料口取出，置于密封容器中备用。

有益效果：与现有技术相比，（1）本实用新型采用有机热载体、蛇形管、筒体内部等多点监测相结合的控温方式，提高了生物质烘焙温度的控制精度；（2）有机热载体的循环使用，强化了换热效果，节约外来热源，提高了系统热效率；（3）本实用新型采用有机热载体作为生物质烘焙的外来热源，具有烘焙过程控温精确、生物质适应性强、生物炭品质稳定、热载体可循环使用以及热效率高等特点；（4）筒体内搅拌装置的存在强化了生物质原料与壁面、气-固以及固体颗粒间的换热，使得固体物料的温度更加均匀，提升了烘焙质量和生物炭品质；（5）采用外热式加热系统便于系统控温，且不会对生物质烘焙产物造成影响。

附图说明

图1为实施例1结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细地说明。

实施例1：如图1所示，本实用新型所述的有机热载体加热的生物质烘焙系统，包括为烘焙系统提供气体的载气供应系统1、用于加热烘焙装置的有机热载体加热系统2、用于控制烘焙系统温度的温控系统3、烘焙系统4、以及与烘焙系统相连的尾气收集系统5。

载气供应系统1，包括氮气气瓶101、浮子流量计102及减压阀103，载气供应系统的进气口通过载气进口303与筒体404连通，氮气进入烘焙装置4底部，用于为实验提供无氧或缺氧的环境。

有机热载体加热系统2包括储油罐201、滤油器202、油泵203、油加热器204、及设置于储油罐201外围的冷却器213，储油罐201出液口相连的设置有第一截止阀210的第一连接管、与储油罐进液口相连的设置有第二截止阀205的第二连接管、与油加热器204出液口相连的设置有第三截止阀207的第三连接管、与油加热器204进液口相连的设置有第四截止阀206的第四连接管以及环绕于烘焙装置的筒体404外围的蛇形管411，蛇形管411的进液口分别与第一连接管与第三连接管连通，蛇形管411的出液口分别与第二连接管与第四连接管连通，蛇形管411的进液口设置第五截止阀208，蛇形管的出液口设置有第六截止阀209。

本实用新型设置温控系统3随时对整个体系内的温度进行实时监测，为了获取系统内不同位置的温度数据，温控系统3包括第一温度检测器301和第二温度检测器302，本实施例中第一温度检测器301和第二温度检测器302为探针式温度计，通过筒体404中的具有螺纹孔的热电偶接口分别插入其内部和其与保温外壳211夹层中，用于检测筒体404内部和夹层的温度变化，实现精准控温。

所述烘焙系统4包括位于筒体上端的变频电机401、用于支撑变频电机的机架405、与电机相连的电机中心轴406、通过联轴器407与电机中心轴406相连的搅拌装置，筒体404，开口于筒体下端的出料口409、位于筒体404下端的载气进口以及位于筒体404上端的热解气出口，位于筒体内部下端的网状多孔板组件408，筒体404上端为椭圆封头，椭圆封头上设有生物质加料口、加料口处设置有加料仓402、在加料仓402与加料口之间设置的球形阀门403、热解气出口412、热电偶接口以及上下法兰，筒体下端设置有烘焙装置支撑装置；

搅拌叶片长度可以根据生物质原料种类的不同灵活调整，本实施例中的搅拌装置由搅拌轴和3层片状搅拌叶片组成。

网状多孔板组件408由多孔板和不同目数的钢丝网组合而成，并设置于筒体内部的底部，起到支撑生物质原料和均布载气的作用。

尾气收集系统5用于热解气的收集与净化，包括生物油收集器501、气体收集装置505和排空装置506，生物油收集装置501为浸泡在冷凝水中的长进短出的广口瓶，其底部浸没于冰水槽507，进口端通过旋拧阀502与烘焙系统4相连，气体收集装置505为连接在装置末端的集气罐，出口端分别通过旋拧阀503和旋拧阀504连接气体收集装置505和排空装置506，用于收集实验产生的焦油和气体产物。

本实用新型的生物质烘焙系统的工作方法为：

1）根据系统工作要求，组装并连接各子系统，完成装置相关的气密性测试。

2）关闭生物质加料口的球形阀，采用较大的载气流量，预先排除筒体内的空气；通气约20 min后，将浮子流量计流量调节至2-10 L/min。

3）将经预处理（剪切、风干等）后的生物质原料经生物质加料仓402与球形阀门403进入筒体404，载气通过管道进入筒体404底部，并经网状多孔板408均布后进入筒体。并根据生物质种类调整搅拌速度（一般为15-120rpm），加料结束后关闭生物质加料仓进口阀门，开启调频电机401，关闭球形阀403，在载气充填过程中逐步排出罐内的氧气。

4）利用烟气分析仪检测热解气出口管路中的氧气含量，当气体中的氧气含量满足烘焙实验要求，小于0.5%时，打开电加热器给有机热载体加热，设定升温速率（20-50℃/min）、烘焙温度（200-300℃）和保温时间（10-240 min），并关闭所有截止阀后，通过注油口211向储油罐201中注油，打开第二截止阀205、第四截止阀206、第三截止阀207、第五截止阀208、第一截止阀210，并观察液面计212示数，当液面计不变时，则证明导热油已布满装个装置。同时打开截止阀209，关闭第二截止阀205和第一截止阀210后，再打开油泵203与油加热器204，有机载体实现循环供热。此时，生物质原料在搅拌装置4、载气和加热的共同作用下进行均匀烘焙，烘焙过程中产生的水汽、焦油和不凝气体在载气携带下由热解气出口进入尾气收集系统5，经冷却后分别获得液态和气态烘焙产物；烘焙过程中对有机热载体进出口、蛇形管以及筒体内部等处的温度进行实时监测，并通过油加热器功率和有机热载体流量的自动调节，实现对升温速率和筒体内温度的精确控制。

5）烘焙结束后，关闭油加热器204，打开第二截止阀205、第一截止阀210与冷却器213，待有机热载体自然冷却后关闭油泵，在连续搅拌和持续通入载气的条件下，将生物炭冷却至室温，最终由生物炭出料口409取出置于密封容器中备用。

本系统具有结构简单、原料适用性广、控温精确、炭化产品质量稳定等优势。