本實用新型屬于生物質(zhì)能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物質(zhì)微波熱裂解煉制定量分析的實驗裝置。

背景技術(shù)：

隨著石化資源的日益枯竭及其過渡使用所帶來的生態(tài)環(huán)境惡化問題，農(nóng)業(yè)秸稈、林木剩余物等生物質(zhì)廢棄物資源的高效加工利用已經(jīng)成為當(dāng)前社會發(fā)展的熱點和焦點之一。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化手段多種多樣，包括機(jī)械成型、生物轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化以及熱化學(xué)轉(zhuǎn)化等。以熱裂解煉制為核心的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，在高溫作用下可以快速地將能量密度較低的固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料、可燃?xì)庖约盎钚蕴康雀吒郊又诞a(chǎn)品，具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化效率高等特點。

微波熱裂解是一種從原料內(nèi)部進(jìn)行加熱的裂解轉(zhuǎn)化方法。在微波熱解過程中，不需要外部熱源，是向被加熱物料內(nèi)部輻射微波電磁場，推動偶極子運(yùn)動，使物料內(nèi)部組分相互碰撞、摩擦而生熱，可以在不同深度同時產(chǎn)生熱量，即“體加熱效果”，不僅使加熱更快速，而且更均勻，相對于傳統(tǒng)熱解技術(shù)可以大大改善加熱的均勻性和質(zhì)量。

鑒于微波熱解技術(shù)在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)點和應(yīng)用潛力，有研究者在嘗試采用開發(fā)相應(yīng)的生物質(zhì)微波裂解技術(shù)與裝置。例如，專利CN200610068782.8公開的一種利用微波熱解生物質(zhì)的裝置，主要由截止門、螺旋壓料裝置、漏氣引風(fēng)機(jī)、微波熱解室、炭燃燒室和出灰絞龍構(gòu)成。然而這個裝置并不具備液相產(chǎn)物收集系統(tǒng)，同時也沒有對原料熱裂解特性分析功能。專利CN201310496029.9公開的一種微波熱解制生物油和活性炭的系統(tǒng)，包括微波熱解反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器、冷凝器、焦炭儲料倉、微波活化反應(yīng)器、氣體燃燒器、活性炭冷卻塔和氮氣發(fā)生器。該裝備雖然具有產(chǎn)物收集系統(tǒng)，但是也不具有對生物質(zhì)進(jìn)行在線微波熱裂解特性研究的功能，而且也不能對氣相產(chǎn)物進(jìn)行在線分析。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是，提供一種新的生物質(zhì)微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置，通過動態(tài)測量試樣在特定微波作用下的質(zhì)量—時間變化關(guān)系及溫度—時間變化關(guān)系實現(xiàn)對生物質(zhì)微波裂解特性的在線分析，同時還可以進(jìn)行生物質(zhì)熱裂解后液相、固相和氣體產(chǎn)物的收集，以及對氣相產(chǎn)物進(jìn)行在線化學(xué)分析。

本實用新型的技術(shù)方案為：

一種生物質(zhì)微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置，主要由載氣系統(tǒng)、微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)五部分組成；所述的載氣系統(tǒng)包括氣瓶，氣瓶中裝載惰性氣體，氣瓶中氣體通過載氣管路輸出；所述的微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)包括微波發(fā)生器和微波反應(yīng)器；微波反應(yīng)器安置在微波裂解反應(yīng)室中，所述的微波發(fā)生器安在微波裂解反應(yīng)室上；所述的保溫系統(tǒng)包括微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)的外殼體、微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)的快開門以及外殼體的外保溫層；快開門為帶加厚隔熱材料的保溫門；微波發(fā)生器和微波發(fā)生器的電源部分均采用全包圍保溫設(shè)計；所述的裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)包括冷凝管、靜電捕集器和儲氣罐；所述的監(jiān)控系統(tǒng)包括控制臺和微波反應(yīng)系統(tǒng)控制盤。

所述的氣瓶中裝載的惰性氣體是氮氣。

所述的載氣系統(tǒng)還包括數(shù)字流量計，數(shù)字流量計設(shè)置在所述的載氣管路上。

所述的微波反應(yīng)器中放置高溫氣煉石英材料；所述的微波發(fā)生器主要由磁控管、變壓器、電子電路以及散熱保護(hù)裝置組成；磁控管設(shè)有4支，安在微波裂解反應(yīng)室上。

所述的裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)還包括過濾器和洗氣瓶；所述的冷凝管為蛇形冷凝管，由第一級蛇形冷凝管和第二級蛇形冷凝管組成；在第一級蛇形冷凝管、第二級蛇形冷凝管和靜電捕集器下分別設(shè)置冷凝液收集瓶。

所述的載氣系統(tǒng)中氣瓶的出口通過載氣管路與微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)的微波反應(yīng)器相連；所述的微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)的微波發(fā)生器設(shè)置在微波裂解反應(yīng)室上，微波反應(yīng)器設(shè)置在微波裂解反應(yīng)室內(nèi)；所述的微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)出口與所述的裂解產(chǎn)物收集及分析系統(tǒng)中的過濾器、第一級蛇形冷凝管、第二級蛇形冷凝管、靜電捕集器、洗氣瓶和儲氣罐依次相連。

本實驗裝置的用途：能夠動態(tài)測量生物質(zhì)試樣在特定微波功率、溫度下的質(zhì)量—時間變化關(guān)系及溫度—時間變化關(guān)系；使用過濾器、冷凝器、靜電捕集器等，可以實現(xiàn)熱解液相、固相和氣體產(chǎn)物的收集；通過外接的氣體分析儀器可以實現(xiàn)對經(jīng)過洗氣瓶后的不可冷凝氣體進(jìn)行化學(xué)成分分析；通過生物質(zhì)物料微波熱解過程中的升溫和失重特性研究，結(jié)合熱解產(chǎn)物的測試分析結(jié)果，研究和分析微波熱解產(chǎn)物的形成途徑和熱解機(jī)理。

本實用新型的有益效果是：

1.本實用新型的微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置可以對生物質(zhì)裂解過程的物料質(zhì)量變化進(jìn)行實時、準(zhǔn)確監(jiān)控，并生成分析試驗數(shù)據(jù)和裂解特性曲線進(jìn)行顯示、存儲和輸出，通過還可以通過外接氣體分析儀器對熱解產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物進(jìn)行實時分析，可以對微波裂解過程進(jìn)行全自動控制和實時顯示，裝置精密度高，便于對生物質(zhì)微波裂解全過程進(jìn)行在線研究。

2.本實用新型的微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置，具有液相、固相和氣相產(chǎn)物分離和收集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全產(chǎn)物的100％轉(zhuǎn)化和收集，便于開展后續(xù)的深入研究分析和產(chǎn)物利用工作。

3.本實用新型的微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置，沒有機(jī)械進(jìn)料裝置，因此對樹葉、工業(yè)木質(zhì)素、樹皮等熔融溫度較低的特殊原料也可以進(jìn)行處理，而且原料無需干燥處理，原料適用范圍廣。

附圖說明

圖1是本實用新型的生物質(zhì)微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記：

1-氣瓶；2-數(shù)字流量計；3-控制臺；4-微波反應(yīng)系統(tǒng)控制盤；5-快開門；6-電子天平；7-微波裂解反應(yīng)室；8-測溫?zé)犭娕迹?-微波反應(yīng)器；10-微波發(fā)生器；11-外殼體；12-過濾器；13-第一級蛇形冷凝管；14-冷凝液收集瓶；15-第二級蛇形冷凝管；16-靜電捕集器；17-洗氣瓶；18-儲氣罐；19-氣體分析儀。

具體實施方式

參見圖1，本實用新型生物質(zhì)微波熱裂解液化實驗裝置主要由載氣系統(tǒng)、微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)五部分組成。

所述的載氣系統(tǒng)，包括氣瓶1和帶傳感器的數(shù)字流量計2。氣瓶1中裝載惰性氣體氮氣，作為裂解過程保護(hù)氣體。氣瓶1中氣體通過載氣管路輸出。

所述的微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)，主要包括微波發(fā)生器10和微波反應(yīng)器9。微波反應(yīng)器9安置在微波裂解反應(yīng)室7中。微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)工作條件包括，微波發(fā)生器10的微波輸出功率≤4KW，可調(diào)，總輸入功率約≤5KVA，工作電壓：三相五線380V±6％，工作頻率：2450MHZ±50HZ，最高加熱溫度約1000度，溫度控制可調(diào)。微波反應(yīng)器9的最大放料容積量為1-3L，材質(zhì)為高溫氣煉石英材料。所述的微波發(fā)生器10主要由磁控管、變壓器、高精密電子電路以及散熱保護(hù)裝置組成(均為現(xiàn)有技術(shù))。磁控管(額定功率1050W)帶風(fēng)冷散熱保護(hù)，共設(shè)有4支，安在微波裂解反應(yīng)室7上。為保證磁控管的高穩(wěn)定性及使用壽命，特采用離心風(fēng)機(jī)冷卻方式，連續(xù)使用壽命達(dá)到12000小時。磁控管使用高鋁陶瓷密封管口，其耐高溫、效率高、抗載能力強(qiáng)、壽命長、運(yùn)行可靠穩(wěn)定。采用帶過熱保護(hù)特制變壓器WBL-1050W(耐高壓100KV高品質(zhì)變壓器，全銅芯制造，每只重約8公斤)，采用雙重散熱保護(hù)裝置。配置耐高壓硅堆(CL04-12)及高可靠高精密電子電路設(shè)計系統(tǒng)確保微波輸出功率為4KW(可調(diào))。所有電子電氣配件及機(jī)械工藝調(diào)試穩(wěn)定可靠，確保該設(shè)備24小時連續(xù)不停機(jī)生產(chǎn)。微波饋能采用雙面饋能方式，微波輻射更均勻，相位互補(bǔ)形開饋口，保證磁控管完全正常運(yùn)行，輸出匹配性能優(yōu)越，延長使用壽命。微波功率設(shè)計，根據(jù)生物質(zhì)原料處理量和反應(yīng)溫度等情況，微波處理功率可快速精確調(diào)節(jié)。微波功率設(shè)計為交叉互補(bǔ)方式，可有效保證物料高溫?zé)Y(jié)的均勻性。

所述的保溫系統(tǒng)，包括微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)的外殼體11、微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)的快開門5以及外殼體11的外保溫層。外殼體11的每段內(nèi)膽采用310S耐高溫不銹鋼材料制造；每段均采用內(nèi)多面體加熱腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計?？扉_門5為帶加厚隔熱材料、并帶扼流裝置的保溫門，確保微波設(shè)備長期使用不泄漏，確保使用安全。快開門5采用手動控制方式。微波發(fā)生器10和微波發(fā)生器的電源部分均采用150㎜厚的全包圍保溫設(shè)計，可有效防止熱量損失。

所述的裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)，包括過濾器12、第一級蛇形冷凝管13、第二級蛇形冷凝管15、靜電捕集器16、冷凝液收集瓶14、洗氣瓶17、儲氣罐18等。

所述的監(jiān)控系統(tǒng)，包括控制臺3、微波反應(yīng)系統(tǒng)控制盤4?？刂婆_3和微波反應(yīng)系統(tǒng)控制盤4的核心是一電腦。監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)有溫度監(jiān)控、氣體流量監(jiān)控、物料質(zhì)量顯示以及時間監(jiān)控等模塊，形成溫度監(jiān)控系統(tǒng)、氣體流量監(jiān)控系統(tǒng)、物料質(zhì)量顯示系統(tǒng)、時間控制系統(tǒng)。其中控制臺3設(shè)計有單獨總控制系統(tǒng)(PLC控制系統(tǒng))。所述的溫度監(jiān)控系統(tǒng)是由一設(shè)置在微波反應(yīng)器9中的測溫?zé)犭娕紝崟r監(jiān)測微波反應(yīng)器9內(nèi)物料、熱解氣和冷凝系統(tǒng)溫度。所述的氣體流量監(jiān)控系統(tǒng)通過安在載氣管路上數(shù)字流量計2，實時調(diào)節(jié)、精確控制載氣流量。所述的物料質(zhì)量顯示系統(tǒng)，設(shè)有承載微波反應(yīng)器9并含質(zhì)量傳感器的電子天平6，電子天平6用于稱量和記錄物料熱解失重情況，能動態(tài)測量試樣在特定微波功率溫度下的質(zhì)量-時間變化關(guān)系及溫度時間變化關(guān)系。電子天平6量程1kg，精度0.01g，可與控制臺3中電腦及物料質(zhì)量顯示模塊連接，直接顯示、存儲和輸出數(shù)據(jù)。所述的時間控制系統(tǒng)是在電腦中設(shè)計有總時間控制系統(tǒng)，可控制整套設(shè)備的工作時間,同時設(shè)計每段均配有時間控制系統(tǒng)一套，可單獨控制工作時間,可保證整套設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。其它控制顯示系統(tǒng)設(shè)計，如可顯示微波功率的電流表裝置等。

本實用新型的具體結(jié)構(gòu)組成以及之間的連接關(guān)系為：

載氣系統(tǒng)的氣瓶1的出口通過載氣管路連接到微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)的微波反應(yīng)器9，在載氣管路中設(shè)置有檢測氣體流量的數(shù)字流量計2。微波反應(yīng)器9設(shè)置在微波裂解反應(yīng)室7內(nèi)。在微波反應(yīng)器9中放置生物質(zhì)物料——高溫氣煉石英材料。微波反應(yīng)器9上設(shè)有測溫?zé)犭娕?，底部設(shè)有電子天平6。微波裂解反應(yīng)室7帶有快開門5，微波裂解反應(yīng)系統(tǒng)的微波發(fā)生器10通過設(shè)置在微波裂解反應(yīng)室7上的磁控管發(fā)射微波。微波裂解反應(yīng)室7整體被容置在外殼體11內(nèi)。微波反應(yīng)器9的出口管路通入裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)中的過濾器12，過濾器12的出口依次連接第一級蛇形冷凝管13、第二級蛇形冷凝管15、靜電捕集器16、洗氣瓶17和儲氣罐18。所述的第一級蛇形冷凝管13、第二級蛇形冷凝管15、靜電捕集器16底部均設(shè)有冷凝液收集瓶14。洗氣瓶17和儲氣罐18之間的管路上旁路出一分析管通到氣體分析儀19。

本實用新型生物質(zhì)微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置的裂解液化工藝流程為：

首先將待處理分析的生物質(zhì)原料放置在微波反應(yīng)器9中，氣瓶1中的惰性氣體通入微波反應(yīng)器9，經(jīng)微波發(fā)生器10發(fā)射的微波快速加熱至設(shè)定溫度后，開始進(jìn)行裂解反應(yīng)，固相的熱解炭保留在微波反應(yīng)器9中，而生成的揮發(fā)性熱解氣先經(jīng)過過濾器12濾去氣體中夾帶的固相產(chǎn)物，然后依次通過兩級串聯(lián)的蛇形冷凝管13、15冷卻，并通過靜電捕集器16，分別將水分和生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的可凝結(jié)氣體冷凝分離下來，進(jìn)入各自的冷凝液收集瓶14中，得到熱解油。通過靜電捕集器16后的氣體利用洗氣瓶17將未冷凝的焦油成分等徹底脫除；最后經(jīng)過干燥裝置(圖中未顯示)除水后使用儲氣罐18收集。并可由外接的氣體分析儀19(如氣相色譜儀、紅外煙氣分析儀等)進(jìn)行成分在線或離線GC、IR分析。