一種林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置，電加熱器通過管道分別與炭粉燃燒器和熱解反應(yīng)器連通；換熱器通過管道分別與炭粉燃燒器、熱解反應(yīng)器、生物油箱連通；熱解反應(yīng)器通過管道與兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的第入口連通；兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的兩個排塵口與星型卸料閥兩個入口連通；星型卸料閥的出料口與帶水冷夾套的螺旋輸送機(jī)的進(jìn)料口連通；螺旋輸送機(jī)的出料口與炭粉燃燒器連通；兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的出氣管與集成式生物油冷凝器的入口連通；集成式生物油冷凝器的出口與生物油箱入口連通。本發(fā)明將燃燒器燃燒生成的熱煙氣通過一個換熱器與不可冷凝氣體換熱，將被加熱的不可冷凝氣體作為熱解通入熱解流化床內(nèi)，提高了整個裝置的可靠性。
【專利說明】一種林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于可再生能源【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置。[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]自從20世紀(jì)70年代爆發(fā)石油危機(jī)以來，世界原油的供應(yīng)越來越緊張，2011年世界每天的原油需求約為87.3百萬桶，據(jù)估計(jì)，到2030年，世界每天的原油需求將達(dá)到117.6百萬桶。多出來的30.3百萬桶/天的需求量約相當(dāng)于3個沙特阿拉伯的原油日產(chǎn)量。從我國的情況來看，近年來隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對石油資源的需求持續(xù)增長，2011年，我國石油對外依存度已經(jīng)達(dá)到56.5%,石油安全將不可避免地成為國家安全的一個重要組成部分。“十二 ?五”期間，我國仍然處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段，隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，能源需求還會持續(xù)較快增加，預(yù)計(jì)“十二.五”期間面臨的能源形勢依然嚴(yán)峻。能源已經(jīng)成為我國當(dāng)前和今后相當(dāng)長的一個時期內(nèi)，制約經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的突出瓶頸。
[0004]一方面世界每年消耗大量化石燃料(煤，石油，天然氣)，另一方面大量使用化石燃料導(dǎo)致了嚴(yán)重環(huán)境污染和其他生態(tài)問題。如我國每年燃煤和使用石油等化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳約10億噸。我國每年僅燃煤排放的二氧化硫液化后就足以填滿十余個西湖，同時產(chǎn)生約3億噸煙塵。使用石油、煤在內(nèi)的化石燃料排放的大量二氧化碳、二氧化硫等溫室氣體和其他固體顆粒物產(chǎn)生了嚴(yán)重的大氣污染和固體廢棄物污染，造成了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，形成了暴雨、干旱和反常的高溫天氣。
[0005]為了緩解原油供需的緊張狀況，維護(hù)能源安全，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展，世界各國均在加緊開發(fā)生物質(zhì)能。但生物質(zhì)資源的分布高度分散，單位面積產(chǎn)量較低(1.6噸/畝)，單位體積能量密 度較低，大批量收集、運(yùn)輸和貯存生物質(zhì)資源具有巨大的障礙和困難，決定了生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)不能走類似石油化工和煤化工的集中大規(guī)模生產(chǎn)/處理的技術(shù)路線，而應(yīng)當(dāng)走“分布式生產(chǎn)/預(yù)處理-集中應(yīng)用/精煉”的技術(shù)路線。
[0006]快速熱解技術(shù)能夠?qū)⑸镔|(zhì)(如各種農(nóng)作物秸桿、落葉和樹枝)轉(zhuǎn)化為生物油(產(chǎn)率50wt%-70wt%)。生物油是一種褐色液體，熱值約為15MJ/kg，比重1.2左右。生物質(zhì)經(jīng)過快速熱解處理轉(zhuǎn)化為生物油后，由原來的松散固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，體積能量密度增加了3-5倍，更加適合運(yùn)輸(油罐車、管道)、儲存(油罐)和進(jìn)一步精煉加工。所以，快速熱解技術(shù)非常適合“分布式生產(chǎn)/預(yù)處理-集中應(yīng)用/精煉”模式，即在不同地區(qū)通過快速熱解技術(shù)(處理規(guī)模:5噸/t天-500噸/t天)將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油，然后將各地區(qū)生產(chǎn)出來的生物油運(yùn)輸至中心工廠集中使用(燃燒供熱/發(fā)電)或進(jìn)一步集中精煉為高級液體燃料(如甲醇、二甲醚和汽、柴油)。上世紀(jì)80年代早期，北美首先開展了熱解技術(shù)的研究工作。此后，世界各國先后建立了多種熱解裝置，力圖實(shí)現(xiàn)熱解技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。這些熱解裝置與相關(guān)工藝路線可分為三類:
如北美的Dynamotive公司、Ensyn公司、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和山東科技大學(xué)(中國)為代表的流化床熱解裝置，荷蘭BTG公司研制的旋轉(zhuǎn)錐熱解裝置和山東理工大學(xué)(中國)開發(fā)的下降管式熱解反應(yīng)裝置為代表。旋轉(zhuǎn)錐熱解裝置由燃燒器、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、炭粉分離裝置和生物油冷凝裝置組成。炭粉在燃燒器內(nèi)燃燒，將燃燒器中的沙子加熱至高溫，高溫沙子被輸送入旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器與農(nóng)林廢棄物接觸，農(nóng)林廢棄物發(fā)生熱解，生成生物油蒸汽、炭粉和不可冷凝氣體。炭粉分離裝置將炭粉和沙子從氣體中分離出來，送入燃燒器，炭粉在燃燒器內(nèi)進(jìn)行燃燒，加熱沙子。生物油蒸汽進(jìn)入冷凝裝置冷凝后，獲得液體生物油。山東理工大學(xué)開發(fā)的下降管式熱解反應(yīng)裝置與旋轉(zhuǎn)錐熱解裝置在原理上類似，下降管式熱解反應(yīng)裝置由燃燒器、下降管式熱解反應(yīng)器、炭粉分離裝置和生物油冷凝裝置組成，燃燒器中燃燒農(nóng)林廢棄物，產(chǎn)生的熱量加熱粒徑約3_~5_陶瓷球，高溫的陶瓷球被送入下降管式熱解反應(yīng)器與農(nóng)林廢棄物接觸，農(nóng)林廢棄物發(fā)生熱解，生成生物油蒸汽、炭粉和不可冷凝氣體。生物油蒸汽進(jìn)入冷凝裝置冷凝后，獲得液體生物油。
[0007]第三類熱解裝置以加拿大Laval公司的真空移動床熱解裝置為代表，該裝置由燃燒器、真空移動床、炭粉分離裝置和生物油冷凝裝置組成。炭粉在燃燒器內(nèi)燃燒獲得熱量將NaN03> KNO3和NaNO2的混合物加熱融化，融化的高溫液體鹽被引入真空移動床，高溫液體鹽與農(nóng)林廢棄物在真空移動床間接換熱，農(nóng)林廢棄物發(fā)生熱解，生成生物油蒸汽、炭粉和不可冷凝氣體。真空泵將生物油蒸汽和不可冷凝氣體抽出，生物油蒸汽被送入冷凝器冷凝，不可冷凝氣體被送入燃燒器燃燒，用于加熱融化鹽類。由于農(nóng)林廢棄物熱解獲得不可冷凝氣體燃燒產(chǎn)熱量不足，因此該裝置需要輔助電加熱裝置。
[0008]上述三類熱解裝置均采用單獨(dú)的燃燒器產(chǎn)生熱解反應(yīng)需要的熱量，然后將熱量以高溫?zé)煔狻嵘?、熱陶瓷球或熔融的鹽溶液的方式引入熱解反應(yīng)器。其缺點(diǎn)是配套設(shè)備復(fù)雜，操作困難。因?yàn)閷⑻糠蹚奶糠鄯蛛x裝置回送至燃燒器或?qū)⒉豢衫淠龤怏w回送至燃燒器需要選擇合適的風(fēng)機(jī)、管線、返料裝置和防竄氣裝置等；將熱量引入熱解反應(yīng)器也需要合適的風(fēng)機(jī)、管線或換熱器等。同時還需要仔細(xì)匹配各種工藝參數(shù)，如風(fēng)量、溫度、壓力和真空度等各種參數(shù)，稍有不慎，就可能造成整個熱解裝置的癱瘓。炭粉在整個熱解產(chǎn)品中占15%~30%，熱解氣(生物油蒸汽+不可冷凝氣體)中的炭粉濃度很高，如不能將炭粉有效分離，很多炭粉將會混入液體生物油中`，對生物油的利用產(chǎn)生巨大的阻礙。此外，炭粉密度低，形狀不規(guī)則，容易在炭粉收集裝置堆積、架橋，產(chǎn)生堵塞，從而影響整個熱解裝置的連續(xù)運(yùn)行。熱解裝置一般采用旋風(fēng)分離器分離炭粉，但以往熱解裝置采用的旋風(fēng)分離器在有效分離高濃度炭粉和防止炭粉堆積架橋方面效果不好。本發(fā)明專利的旋風(fēng)分離器采用蝸殼式入口方式，對于這種入口結(jié)構(gòu)來說，由于氣體進(jìn)入蝸殼后的過流面積減少，使得氣體在進(jìn)入主要分離空間前已逐漸加速，在蝸殼入口段已經(jīng)首先分離大部分炭粉顆粒。此外，氣體的內(nèi)漩渦渦核的旋轉(zhuǎn)速度相應(yīng)增高，也提高了分離效率。蝸殼式入口結(jié)構(gòu)極其適用于處理大流量、高炭粉濃度的熱解工況。由于熱解裝置中的第一級旋風(fēng)分離器最容易出現(xiàn)堆積架橋現(xiàn)象，產(chǎn)生堵塞。
[0009]以往的生物油冷凝裝置一般使用填料塔和列管式換熱器。填料塔采用直接冷凝方式，具有較好的冷凝效果。由于生物油粘度較大，還會夾雜著一些炭顆粒，因此填料塔在冷凝生物油時，液體生物油夾雜著炭粉，會沉積在填料上，造成填料塔壓降比較大、易堵塞。列管換熱器采用間接冷凝方式，不易堵塞，但冷效果不如填料塔，檢修較為困難。
[0010]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與缺陷，本發(fā)明的目的在于提供林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置，該裝置具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，炭粉收集效率好，生物油冷凝效果好的優(yōu)點(diǎn)，能夠高效連續(xù)生產(chǎn)生物油液體燃料。[0012]實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目有的技術(shù)方案是一種林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置，包括電加熱器，所述電加熱器通過管道與炭粉燃燒器連通；所述炭粉燃燒器通過管道與換熱器連通；所述換熱器通過管道與熱解反應(yīng)器連通；所述熱解反應(yīng)器通過管道與兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的第入口連通；所述兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的兩個排塵口與星型卸料閥兩個入口連通；所述星型卸料閥的出料口與帶水冷夾套的螺旋輸送機(jī)的進(jìn)料口連通；所述螺旋輸送機(jī)的出料口與炭粉燃燒器連通；所述兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的出氣管與集成式生物油冷凝器的入口連通；所述集成式生物油冷凝器的出口與生物油箱入口連通，所述生物油箱側(cè)邊的出氣口通過風(fēng)機(jī)和管道與所述換熱器連通，所述熱解反應(yīng)器通過管道與電加熱器連通。[0013]所述的熱解反應(yīng)器上連接有螺旋粉碎進(jìn)料裝置。[0014]所述集成式冷凝器內(nèi)部構(gòu)件包括上部的噴頭和從上到下的多層蛇管。[0015]本發(fā)明的林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置以農(nóng)林廢棄物(如秸桿、木屑和樹枝等)為原料生產(chǎn)生物油和炭粉。生物油是一種褐色液體，熱值約為15MJ/kg，能夠用于工業(yè)鍋爐或窯爐燃燒供熱，也可用于渦輪機(jī)或透平中燃燒發(fā)電。生物油經(jīng)過品質(zhì)提升后(如催化加氫、催化裂解和氣化-費(fèi)托合成)，可以轉(zhuǎn)化為汽油或柴油。生物油還可做為化工原料生產(chǎn)除冰劑、脫水葡萄糖和化肥等各種化學(xué)化工產(chǎn)品。炭粉熱值約為23MJ/kg，既是一種寶貴的固體燃料，又可做為化工原料生產(chǎn)多種活性炭產(chǎn)品和還原劑。[0016]本發(fā)明的林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置首先啟動電加熱器，空氣被電加熱器加熱至700°C后進(jìn)入炭粉燃燒器，在那里引燃炭粉(啟動時需要外界提供炭粉)后，生成的熱煙氣進(jìn)入換熱器和不可冷凝氣體換熱，加熱不可冷凝氣體(啟動時使用空氣)，熱的不可冷凝氣體進(jìn)入熱解流化床，此時，熱解農(nóng)林廢棄物，產(chǎn)生熱解氣、不可冷凝氣體和炭粉(整個裝置運(yùn)行順利后，就可關(guān)閉電加熱器)。[0017]在農(nóng)林廢棄物被熱解為生物油蒸汽、炭粉和不可冷凝氣體后，這些熱解產(chǎn)物(生物油蒸汽、炭粉和不可冷凝氣體)被輸送至兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器(2)。兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器(2)的作用是將炭粉與熱解氣體(生物油蒸汽和不可冷凝氣體)分離。由于炭粉占整個熱解產(chǎn)物的15%-30%，熱解氣體的含粉塵濃度很高。此外，炭粉密度低，形狀不規(guī)則，容易在旋風(fēng)分離器內(nèi)堆積架橋，產(chǎn)生堵塞。一般化工生產(chǎn)上使用的普通旋風(fēng)分離器無法高效從熱解氣體從分離出炭粉，并且容易不堵塞。[0018]因此，本發(fā)明將直接冷凝與間接冷凝結(jié)合在一起，發(fā)明了集成式生物油冷凝器，集成式生物油冷凝器的主要構(gòu)件包括上部的噴頭和從上到下的多層蛇管，上部的噴頭向下噴灑直接冷凝劑，直接冷凝劑與生物油蒸汽直接接觸，冷凝生物油。多層蛇管內(nèi)部走冷卻水，冷卻水通過蛇管外壁面間接冷凝生物油。集成式生物油冷凝器結(jié)合了直接冷凝和間接冷凝，并且內(nèi)部具有較大的空間，因此具有冷凝效果好，不易堵塞和檢修方便的優(yōu)點(diǎn)。
[0019]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1本發(fā)明林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置示意圖；
圖2為90°圓筒環(huán)繞式蝸殼入口結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為180°圓筒環(huán)繞式蝸殼入口結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為270°對數(shù)螺旋式蝸殼入口結(jié)示意圖；
圖5為360°對數(shù)螺旋式蝸殼入口結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6旋風(fēng)分離器尺寸與結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7外壁包裹水冷夾套的螺旋輸送機(jī)示意圖；
圖8集成式冷凝器示意圖。
[0020]【具體實(shí)施方式】
圖1給出了本發(fā)明林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包括電加熱器9，所述電加熱器9通過管道與炭粉燃燒器7連通；所述炭粉燃燒器7通過管道與換熱器8連通；所述換熱器8通過管道與熱解反應(yīng)器I連通；所述熱解反應(yīng)器I通過管道與兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器2的第入口連通；所述兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的兩個排塵口與星型卸料閥5兩個入口連通；所述星型卸料閥5的出料口與帶水冷夾套的螺旋輸送機(jī)6的進(jìn)料口連通；所述螺旋輸送機(jī)6的出料口與炭粉燃燒器7連通；所述兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的出氣管與集成式生物油冷凝器3的入口連通；所述集成式生物油冷凝器3的出口與生物油箱4入口連通，所述生物油箱4側(cè)邊的出氣口通過風(fēng)機(jī)和管道與所述換熱器8連通，所述熱解反應(yīng)器I通過管道與電加熱器9連通。
[0021]所述的熱解反應(yīng)器I上連接有螺旋粉碎進(jìn)料裝置。
[0022]所述集成式冷凝器`3內(nèi)部構(gòu)件包括上部的噴頭和從上到下的多層蛇管。
[0023]電加熱器9負(fù)責(zé)整個裝置，熱解反應(yīng)器負(fù)責(zé)林農(nóng)廢棄物的熱解，林農(nóng)廢棄物在熱解反應(yīng)器中熱解為生物油蒸汽、炭粉和不可冷凝氣體。炭粉燃燒器負(fù)責(zé)燃燒炭粉，提供熱解熱源。換熱器負(fù)責(zé)將不可冷凝氣體加熱為高溫氣體。兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器收集炭粉，星形卸料閥和帶水冷夾套的串聯(lián)螺旋輸送機(jī)負(fù)責(zé)輸送炭粉進(jìn)入炭粉燃燒器。集成式生物油冷凝器冷凝生物油蒸汽，獲得液體生物油。
[0024]本發(fā)明林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置根據(jù)熱解氣體和炭粉本身的特點(diǎn)，采用了特殊的兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器，這兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器2均采用圓筒環(huán)繞式蝸殼入口或?qū)?shù)螺旋式蝸殼入口，蝸殼入口角度為90度(角度)至360度(角度)。對于蝸殼入口結(jié)構(gòu)來說，由于氣體進(jìn)入蝸殼后的過流面積減少，使得氣體在進(jìn)入主要分離空間前已逐漸加速，在蝸殼入口段已經(jīng)首先分離大部分炭粉顆粒。此外，氣體的內(nèi)漩渦渦核的旋轉(zhuǎn)速度相應(yīng)增高，也提高了分離效率。蝸殼式入口結(jié)構(gòu)極其適用于處理大流量、高炭粉濃度的熱解工況。圖2、圖
3、圖4和圖5分別展示了 90。，180°圓筒環(huán)繞式蝸殼入口結(jié)構(gòu)和270° ,360°對數(shù)螺旋式蝸殼入口結(jié)構(gòu)。R表示旋風(fēng)分離器筒體半徑，Rsc表示蝸殼半徑，Rsc>R。對于圓筒環(huán)繞式蝸殼，其蝸殼半徑可根據(jù)設(shè)計(jì)需要指定。對于對數(shù)螺旋式蝸殼，其蝸殼半徑Rsc由下式計(jì)算:

Θ
(Rr ^360
D _ ηPn
M V************ Jf % * *I
sc Iimi P
\ ini J
Rini是螺旋開始時(Θ =0° )的半徑，Rfin是螺旋尾部(Θ =360° )的半徑，Rini和Rfin根據(jù)設(shè)計(jì)需要指定。[0025]從熱值裝置的運(yùn)行的實(shí)際情況看，第一級旋風(fēng)分離器分離了大部分炭粉，這些炭粉往往會在第一級旋風(fēng)分離器中產(chǎn)生架橋堵塞，因此本發(fā)明的第一級旋風(fēng)分離器采用寬體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得炭粉在旋風(fēng)分離器中能無阻礙得下落至排塵口，有效防止炭粉在第一級旋風(fēng)分離器內(nèi)的架橋堵塞現(xiàn)象。第二級旋風(fēng)分離器用于分離更細(xì)的炭粉顆粒，如何提高第二級旋風(fēng)分離器的分離效率是設(shè)計(jì)的主要考慮因素，因此第二級旋風(fēng)分離器需要仔細(xì)確定各部分的幾何尺寸比例，以盡力捕集熱解氣體中的微細(xì)炭粉顆粒。本發(fā)明的第一級寬體結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器和第二級精細(xì)捕集旋風(fēng)分離器的尺寸結(jié)構(gòu)如下表:
【權(quán)利要求】
1.一種林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置，包括電加熱器(9)，其特征在于，所述電加熱器(9)通過管道與炭粉燃燒器(7)連通；所述炭粉燃燒器(7)通過管道與換熱器(8)連通；所述換熱器(8 )通過管道與熱解反應(yīng)器(I)連通；所述熱解反應(yīng)器(I)通過管道與兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器(2)的第入口連通；所述兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的兩個排塵口與星型卸料閥(5)兩個入口連通；所述星型卸料閥(5)的出料口與帶水冷夾套的螺旋輸送機(jī)(6)的進(jìn)料口連通；所述螺旋輸送機(jī)(6)的出料口與炭粉燃燒器(7)連通；所述兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的出氣管與集成式生物油冷凝器(3)的入口連通；所述集成式生物油冷凝器(3)的出口與生物油箱(4)入口連通，所述生物油箱(4)側(cè)邊的出氣口通過風(fēng)機(jī)和管道與所述換熱器(8)連通，所述熱解反應(yīng)器(I)通過管道與電加熱器(9 )連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置，其特征在于，所述的熱解反應(yīng)器(I)上連接有螺旋粉碎進(jìn)料裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林農(nóng)廢棄物自熱式熱解裝置，其特征在于，所述集成式冷凝器(3)內(nèi)部構(gòu)件包括上部的噴頭和從上到下的多層蛇管。
【文檔編號】C10B57/00GK103555351SQ201310553799
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月23日
【發(fā)明者】鄭冀魯, 尉芹, 馬希漢 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)