CN105018123B - 一种提高生物质受热均匀性和热效率的烘焙方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高生物质受热均匀性和热效率的烘焙方法及系统，其中方法包括在螺杆烘焙器的外周和内部形成内外部的间接加热,且内外部间接加热的烟气与待烘焙生物质分别是顺流流动和逆流流动；烘焙产物经冷空气热交换，形成热空气用于生物质的预干燥或与加热生物质后的烟气混合后用于待烘焙生物质的干燥，热烟气在传输过程中均采取保温措施。烘焙系统包括螺杆烘焙器、生物质进料系统、燃烧器、烟气循环系统、生物质干燥器、烘焙产物的收集和冷却单元。本发明有效提高了螺杆烘焙器温度的均匀性、烘焙产物质量的稳定性，也提高了传热效率减少了热损失。燃烧器的烟气、烘焙产物冷却系统和生物质干燥器的有效结合，进一步提高了系统热效率。

Description

一种提高生物质受热均匀性和热效率的烘焙方法和系统

技术领域

本发明涉及生物质烘焙的方法和装置，特别涉及一种提高生物质受热均匀性和热效率的烘焙方法和系统。

背景技术

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，化石能源的开发和利用虽利于发展经济，但也增加了污染物排放、损害了生态环境和人们的健康水平，发展清洁可再生能源已成为紧迫的课题。生物质能属于低碳清洁能源，中国有丰富的生物质再生能源的资源，其研发、推广和普及对改善中国的能源结构和生态环境有重要意义。生物质烘焙技术可以有效地提高生物质能量密度和堆积密度、降低生物质吸水性和微生物的损耗、减少运输和存储成本、提高粉碎和物料处理的性能，烘焙产物可独立用于燃烧气化过程，也可以用于和煤的混燃混气化，从而促进生物质能源更广泛的应用。

目前生物质的预处理方式主要包括干燥、粉碎、成型、烘焙、热解。常规的200℃以下的干燥技术比较成熟，但经普通干燥后，生物质中仍常有2-10％的水分(湿基质量分数)，由于生物质的吸水性，易再次受潮，且生物质自身能量密度和堆积密度低，不易研磨、高氧含量等特性仍未得到改善。烘焙技术可以改善或解决这些生物质特性所带来的问题。烘焙是在常压、隔绝氧气的条件下，反应温度介于200～300℃之间慢速热解过程，可有效提高生物质能量密度和堆积密度、提高研磨粉碎和处理性能、降低或消除生物质的吸水性、降低运输和存储成本。

目前的生物质烘焙技术主要包括滚筒式反应器、螺杆反应器、流化床、多室炉、带式反应器等，加热方式有直接加热和间接加热。欧洲的Andritz和ECN开发了一种直接加热的立式筒状干燥和烘焙器，生物质在3级或大于3级的立式筒式反应器里依次进行干燥和烘焙，Andritz和ECN已经在丹麦建立了每小时1吨的示范厂。Andritz还开发了间接加热的滚筒式反应器和相应的生物质成型技术工艺，滚筒式反应器温度是250-300oC,物料停留时间约30分钟，其示范厂规模已达到每小时1吨的生产能力。美国的New Biomass Energy公司开发了一种间接加热的螺杆烘焙器，烘焙气体燃烧产生的热量通过油介质传至生物质。荷兰的Biolake开发了间接加热的螺杆烘焙器，烘焙器温度小于270oC,停留时间小于10分钟，间接加热的热量来自烘焙气体的燃烧，中试厂规模已达每小时1吨的生产能力。无论是直接还是间接加热烘焙技术，目前存在的主要问题是生物质受热不均匀、产品质量不稳定、半焦生成和传热效率低，对于直接加热烘焙技术，烘焙产物的质量也受到加热气体成分的影响；需要开发能量自平衡、受热均匀、产品质量稳定、传热效率高的烘焙系统。

发明内容

本发明的目的是解决现有烘焙装置生物质受热不均匀、产品质量不稳定和热效率较低的问题，提供一种能量自平衡并提高生物质受热均匀性和系统热效率的方法，进而开发一种实现前述方法的生物质烘焙系统。

实现本发明目的技术方案是：

一种提高生物质受热均匀性和系统热效率的方法,该方法包括采用螺杆烘焙器，产生的烘焙气体经燃烧器燃烧后生成热烟气,该烟气用于烘焙系统的加热,在螺杆烘焙器的外周和内部分别形成对待烘焙生物质的外部间接加热和内部间接加热,且外部间接加热的烟气与待烘焙生物质呈逆流流动、内部间接加热的烟气与待烘焙生物质呈顺流流动，同时螺杆旋转运动对待烘焙生物质有搅拌混合和促进传热的作用；烘焙产物经冷空气热交换，形成热空气用于生物质的预干燥或与加热生物质后的烟气混合后用于待烘焙生物质的干燥，热烟气在传输过程中均采取保温措施。

实现上述方法的生物质烘焙系统，包括生物质干燥器、生物质进料系统、螺杆烘焙单元、燃烧器、烟气循环系统、烘焙产物收集单元、烘焙产物冷却系统，其中生物质干燥器、生物质进料系统、螺杆烘焙单元依次连接，燃烧器与螺杆烘焙单元的螺杆烘焙器的挥发分移出管连接，烘焙产物螺杆下料器和烘焙产物旋转阀出料器输送烘焙产物到烘焙产物收集器中，烘焙产物收集器与烘焙产物旋转阀出料器尾端的下料管连接，烘焙产物收集器与烘焙产物冷却系统通过螺杆输送器输送烘焙产物。

上述螺杆烘焙单元包括螺杆烘焙器，其外部至少部分具有烘焙器热夹套，该夹套与燃烧器通过燃烧器烟气管道连通；其内部具有烘焙器螺杆，烘焙器螺杆的轴为空心轴，空心轴内部固定有烟气管一，与烘焙器热夹套出口管和烟气收集器连通；螺杆烘焙器的尾端设置的烟气收集器，其通过烟气管二与生物质干燥器连通；所述烘焙产物冷却系统包括冷却器，冷却器内采用冷空气冷却烘焙产物，换热后经热空气出口管与生物质干燥器直接连接，或与烟气管二连接后与生物质干燥器连接。

上述生物质烘焙系统，烘焙器是螺杆反应器，螺杆烘焙器的外壁是中空的，里面布置有折流板，烟气在里面螺旋流动并和生物质呈逆流流动以延长烟气的停留时间、增加烟气的湍流程度和传热效率、改善烘焙器里面干燥和烘焙区域的温度分布。

上述生物质烘焙系统，烘焙器的螺杆是中空的，螺杆烘焙器通过螺杆的空心轴和里面的烟气管实现内间接加热，空心轴里面烟气管外表面有内凹的凹槽或外凸的突起物以和空心轴的内壁形成横截面积交替变化的气道从而增加烟气在空心轴里面的湍流和传热效率。

上述生物质烘焙系统，生物质进料系统的螺杆输送器采用螺杆输送设计使生物质物料均匀输送到其下面的一至多个旋转阀进料器。旋转阀进料器起到气锁作用以避免空气进入烘焙器，同时，烘焙器里面的蒸汽和挥发分压力防止了空气流入。

上述生物质烘焙系统，烘焙产物螺杆下料器采用输送和挤压设计以实现烘焙产物收集器和烘焙产物冷却器的有效料封和隔离，空气或惰性气体也可在烘焙产物收集器和冷却器之间注入以加强气封，同时烘焙产物旋转阀出料器有气锁作用以防止烘焙产物冷却器里面的空气进入烘焙器，烘焙器里面的蒸汽和挥发分压力也防止了空气的流入。

上述生物质烘焙系统，烘焙产物冷却器的热空气可以用于生物质预干燥或和从烟气收集器来的烟气混合进入生物质干燥器，干燥后的生物质通过重力、螺杆或旋转阀进料器输送到生物质进料装置的料仓。

上述生物质烘焙系统，螺杆烘焙器及外面的热夹套、燃烧器、烟气收集器和各种烟气管道有保温层。

上述生物质烘焙系统，烘焙器是螺杆反应器，螺杆烘焙器的外壁有热夹套，里面布置有折流板，从燃烧器来的烟气在里面呈螺旋流动以延长烟气的停留时间并增加烟气的湍流程度和传热效率。烘焙器热夹套里面的烟气和生物质呈逆流流动，改善了烘焙器里面的干燥和烘焙区域的温度分布。烘焙器的螺杆也是中空的，螺杆烘焙器通过螺杆的空心轴和伸到其里面的烟气管实现内间接加热，空心轴里烟气管外表面有内凹的凹槽或外凸的突起物以和空心轴的内壁形成横截面积交替变化的气道从而增加烟气在空心轴里面的湍流和进一步提高传热效率。从螺杆烘焙器的热夹套和其螺杆空心轴里面一起加热烘焙器和其里面的生物质，使生物质内外受热更加均匀，烘焙器热夹套的折流板和螺杆空心轴里面的横截面积交替变化的气道，进一步促进了烟气的湍流和传热效率。烘焙器的螺杆空心轴可以在螺杆管道或料槽的径向中心处，也可以径向非对称布置使空心轴靠近螺杆管道或料槽下面的内壁处，促进空心轴和生物质的传热，同时也使螺杆叶片顶端和底部料槽的间隙缩短，使叶片更完全更有效地推动物料向前移动并促进物料的翻滚和混合。烘焙器螺杆空心轴里的烟气经烟气收集器和烟气输送管道进入生物质干燥器。从烘焙器出来的烘焙气体管道和进入螺杆空心轴的烟气管道紧密并排在一起并在两个管道外设置隔热保温层，以保证烘焙气体管道的温度防止烘焙气体凝结。烘焙气体在燃烧器和空气混合燃烧，其烟气用于螺杆烘焙器的间接加热系统。生物质进料系统包括螺杆输送器和旋转阀进料器，螺杆输送器将生物质物料分别输送到一至多个旋转阀进料器，旋转阀进料器和其上面的物料起到气锁作用，烘焙器里面的蒸汽和烘焙气体压力也防止空气从生物质进料系统进入烘焙器。在烘焙器末端，烘焙产物收集单元包括烘焙产物螺杆下料器、烘焙产物旋转阀出料器和烘焙产物收集器，螺杆下料器收集烘焙器的固体产物即生物煤，通过旋转阀出料器输送到烘焙产物收集器。采用螺杆输送器进一步将烘焙固体产物输送到冷却器，此螺杆在烘焙产物收集器和冷却器之间采用输送挤压设计以实现烘焙产物收集器和冷却器的有效隔离，空气或惰性气体也可在烘焙产物收集器和冷却器之间注入以加强气封，烘焙器和烘焙产物收集器之间的旋转阀出料器实现烘焙器和烘焙产物收集器之间的有效隔离，烘焙器里的蒸汽和烘焙气体压力也防止了气体从烘焙产物冷却器倒流至烘焙器。被烘焙固体产物加热的热空气从烘焙产物冷却器经管道连接输送至生物质预干燥器或输入到从烟气收集器来的烟气管道一并进入生物质干燥器，从而提高了系统热利用率。螺杆烘焙器及其热夹套、燃烧器、烟气收集器及所有烟气管道有隔热保温层。

本发明具有积极的效果：(1)本发明方法或系统的螺杆烘焙器是内外间接加热相结合的，使烘焙器的温度以及生物质的受热内外更加均匀，避免了生物质局部过热；(2)螺杆烘焙器热夹套，里面布置有折流板，从燃烧器来的烟气在里面呈螺旋流动以延长烟气的停留时间避免短路并增加烟气的湍流程度和传热效率；(3)烘焙器的螺杆是中空的，螺杆烘焙器通过螺杆的空心轴和伸到其里面的烟气管实现内间接加热，空心轴里烟气管外表面有内凹的凹槽或外凸的突起物以和空心轴的内壁形成横截面积交替变化的气道从而增加烟气在空心轴里面的湍流和传热效率；(4)螺杆烘焙器热夹套里的烟气和生物质呈逆流流动，空心轴里面的烟气和生物质呈顺流流动，再加上烘焙器螺杆的搅拌混合作用，使生物质物料的受热更加均匀避免了局部过热现象的发生；(5)生物质进料系统的螺杆输送器的设计使其具有均布生物质物料的功能，使多螺杆烘焙器的各个螺杆反应器能有均匀的物料分配；(6)烘焙产物收集器和冷却器采用螺杆的输送挤压设计实现料封，烘焙产物收集器和冷却器之间也可输入惰性气体或空气以加强气封；生物质进料的旋转阀进料器和烘焙产物的旋转阀出料器实现烘焙器和上下游单元的隔离，烘焙器里的蒸汽和烘焙气体压力防止了空气进入烘焙器；(7)从烘焙器出来的烘焙气体管道和进入烘焙器螺杆空心轴的烟气管道紧密并排在一起并在两个管道外设置隔热保温层，以保证烘焙气体管道的温度防止烘焙气体凝结。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明生物质烘焙系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1的结构示意图；

图3为本发明实施例2的结构示意图。

其中：

1生物质干燥器、2燃烧器、3烘焙产物收集器、4螺杆烘焙器，5烘焙器热夹套，6燃烧器烟气管道、7烘焙器螺杆，8空心轴、9烟气管一、10烘焙器热夹套出口管、11烟气收集器、12烟气管二、13冷却器、14热空气出口管、15烘焙器挥发分移出管、16生物质进料装置、161螺杆输送器、162旋转阀进料器、163生物质料仓、17烘焙产物螺杆输送器，18烘焙产物螺杆下料器、19烘焙产物旋转阀出料器。

具体实施方式

(实施例1，见图1和图2)

本实施例包括螺杆烘焙器4，其外面有烘焙器热夹套5，热夹套里面布置有12个折流板，夹套与燃烧器2通过燃烧器烟气管道6连通，从燃烧器2来的烟气在夹套里面呈螺旋流动，烘焙器热夹套5里面的烟气和生物质呈逆流流动，使螺杆烘焙器4干燥区域温度较低、烘焙区域温度较高，改善了螺杆烘焙器4里面的温度分布。烘焙器螺杆7也是中空的，螺杆烘焙器4通过螺杆的空心轴8和伸到其里面的烟气管一9实现内间接加热，空心轴8里烟气管外表面有多个内凹的凹槽。从螺杆烘焙器4的外面和其螺杆空心轴8里面一起加热烘焙器和生物质，使生物质内外受热更加均匀，烘焙器热夹套的折流板和螺杆空心轴里面的横截面积交替变化的气道，促进了烟气的湍流和传热效率。烘焙器的螺杆空心轴8在螺杆管道的径向中心处。烘焙器螺杆空心轴8里的烟气经烟气收集器11和烟气管二12进入生物质干燥器1。烟气管一9与烘焙器热夹套出口管10和烟气收集器11连通，从烘焙器出来的烘焙气体经烘焙器挥发分移出管15和进入螺杆空心轴的烟气管道10紧密并排在一起并在两个管道外设置隔热保温层，以保证烘焙器挥发分移出管15的温度防止烘焙气体凝结，烘焙气体在燃烧器2内和空气混合燃烧，其烟气用于螺杆烘焙器4的间接加热系统。生物质进料装置16包括生物质料仓163、螺杆输送器161和旋转阀进料器162，螺杆输送器161将生物质物料分别输送到4个旋转阀进料器162，旋转阀进料器162和其上面的物料起到气锁作用，螺杆烘焙器4里面的蒸汽和烘焙气体压力防止空气从生物质进料系统进入烘焙器内。在烘焙器末端，烘焙产物螺杆下料器18将由烘焙产物下料管来的烘焙产物即生物煤收集，通过烘焙产物旋转阀出料器19输送到烘焙产物收集器3。采用烘焙产物螺杆输送器17将烘焙固体产物输送到冷却器13，此螺杆采用输送挤压设计以实现烘焙产物收集器3和冷却器13的料封，空气或惰性气体也可在烘焙产物收集器3和冷却器13之间注入以加强气封，螺杆烘焙器4和烘焙产物收集器3之间的烘焙产物旋转阀出料器19实现螺杆烘焙器4和烘焙产物收集器3之间的有效隔离，烘焙器里的蒸汽和烘焙气体压力也防止了气体从冷却器13倒流至螺杆烘焙器4。被烘焙固体产物加热的热空气从烘焙产物冷却器经热空气出口管14连接输送至生物质干燥器1从而提高了系统热利用率。螺杆烘焙器4、烘焙器热夹套5、燃烧器2、烟气收集器11及所有烟气管道有隔热保温层。

(实施例2，见图1和图3)

本实施例包括螺杆烘焙器4，其外面有烘焙器热夹套5，热夹套里面布置有6个折流板，夹套与燃烧器2通过燃烧器烟气管道6连通，从燃烧器2来的烟气在夹套里面呈螺旋流动以延长烟气的停留时间并增加烟气的湍流程度和传热效率，烘焙器热夹套5里面的烟气和生物质呈逆流流动，使螺杆烘焙器4干燥区域温度较低、烘焙区域温度较高，改善了螺杆烘焙器4里面的温度分布。烘焙器螺杆7也是中空的，螺杆烘焙器4通过螺杆的空心轴8和伸到其里面的烟气管一9实现内间接加热，空心轴8里烟气管外表面有外凸的突起物以和空心轴8的内壁形成横截面积交替变化的气道从而增加烟气在空心轴里面的湍流和传热效率。从螺杆烘焙器4的外面和其螺杆空心轴8里面一起加热烘焙器和生物质，使生物质内外受热更加均匀，烘焙器热夹套的折流板和螺杆空心轴里面的横截面积交替变化的气道，促进了烟气的湍流和传热效率。烘焙器的1或多个螺杆7在矩形料槽的下面，并使螺杆叶片顶端和料槽下面及侧面内壁的间隙尽可能小以避免死角，同时使叶片更完全更有效地推动物料向前移动并促进物料的翻滚和混合。烘焙器相邻两个螺杆之间逆向旋转。烘焙器螺杆空心轴8里的烟气经烟气收集器11和烟气管二12进入生物质干燥器1。烟气管一9与烘焙器热夹套出口管10和烟气收集器11连通，从烘焙器出来的烘焙器挥发分移出管15和进入螺杆空心轴的烟气管道10紧密并排在一起并在两个管道外设置隔热保温层，以保证烘焙器挥发分移出管15的温度防止烘焙气体凝结，烘焙气体在燃烧器2内和空气混合燃烧，其烟气用于螺杆烘焙器4的间接加热系统。生物质进料装置16包括生物质料仓163、螺杆输送器161和旋转阀进料器162，螺杆输送器161将生物质物料分别输送到一至多个旋转阀进料器162，旋转阀进料器162和其上面的物料起到气锁作用，螺杆烘焙器4里面的蒸汽和烘焙气体压力防止空气从生物质进料系统进入烘焙器。在烘焙器末端，烘焙产物螺杆下料器18将由烘焙产物下料槽来的烘焙产物即生物煤收集，通过烘焙产物旋转阀出料器19输送到烘焙产物收集器3。采用烘焙螺杆输送器17将烘焙固体产物输送到冷却器13，此螺杆采用输送挤压设计以实现烘焙产物收集器3和冷却器13的料封，空气或惰性气体也可在烘焙产物收集器3和冷却器13之间注入以加强气封，螺杆烘焙器4和烘焙产物收集器3之间的烘焙产物旋转阀出料器19实现螺杆烘焙器4和烘焙产物收集器3之间的有效隔离，烘焙器里的蒸汽和烘焙气体压力也防止了气体从冷却器13倒流至螺杆烘焙器4。被烘焙固体产物加热的热空气从烘焙产物冷却器热空气输送管14输入到烟气收集器来的烟气管道二12并进入生物质干燥器1，从而提高了系统热利用率。螺杆烘焙器4、烘焙器热夹套5、燃烧器2、烟气收集器11及所有烟气管道有隔热保温层。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种生物质烘焙系统，包括生物质干燥器(1)、生物质进料系统、螺杆烘焙单元、燃烧器(2)、烟气循环系统、烘焙产物收集单元、烘焙产物冷却系统，其特征在于：所述螺杆烘焙单元包括螺杆烘焙器(4)，其外部至少部分具有烘焙器热夹套(5)，该烘焙器热夹套与燃烧器(2)通过燃烧器烟气管道(6)连通；螺杆烘焙器内部具有烘焙器螺杆(7)，烘焙器螺杆(7)的轴为空心轴(8)，空心轴(8)内部固定有烟气管一(9)，与烘焙器热夹套出口管(10)和烟气收集器(11)连通；螺杆烘焙器(4)的尾端设置有烟气收集器(11)，其通过烟气管二(12)与生物质干燥器(1)连通；所述烘焙产物冷却系统包括冷却器(13)，冷却器(13)内采用冷空气冷却烘焙产物，换热后经热空气出口管(14)与生物质干燥器(1)直接连接，或与烟气管二(12)连接后与生物质干燥器(1)连接；所述烘焙器热夹套(5)内部设有至少1个折流板；烘焙器热夹套(5)和螺杆烘焙器(4)外面有保温层；所述烟气管一(9)外表面有内凹的凹槽或外凸的突起物。

2.根据权利要求1所述的生物质烘焙系统，其特征在于：烘焙器螺杆的空心轴(8)位于螺杆管道或料槽的径向中心处，或为径向非对称布置。

3.根据权利要求1所述的生物质烘焙系统，其特征在于：烘焙器螺杆的空心轴8)内部的烟气管一(9)的固定采用悬臂结构，或分别在烘焙器螺杆两端处固定。

4.根据权利要求1所述的生物质烘焙系统，其特征在于：螺杆烘焙器(4)的挥发分通过烘焙器挥发分移出管(15)输送到燃烧器(2)内，烘焙器挥发分移出管(15)和烘焙器热夹套出口管(10)和进入烘焙器螺杆空心轴的烟气管一(9)紧密并排在一起并在其整个管道外设置隔热保温层；所述烟气收集器(11)、燃烧器烟气管道(6)、烘焙器热夹套出口管(10)、烟气管二(12)外面有保温层。

5.根据权利要求1所述的生物质烘焙系统，其特征在于：所述生物质进料系统包括生物质进料装置(16)，该生物质进料装置包括螺杆输送器(161)，其下部连接有1至多个旋转阀进料器(162)。

6.根据权利要求1所述的生物质烘焙系统，其特征在于：所述烘焙产物收集单元包括烘焙产物螺杆下料器(18)、烘焙产物旋转阀出料器(19)和烘焙产物收集器(3)，烘焙产物冷却系统包括冷却器(13)，所述烘焙产物收集器(3)与冷却器(13)之间设置有烘焙产物螺杆输送器(17)，采用螺杆输送并在烘焙产物收集器(3)和冷却器(13)之间段采用适度挤压和料封设计以实现烘焙产物收集器(3)和冷却器(13)的有效隔离，空气或惰性气体在烘焙产物收集器(3)和冷却器(13)之间注入以加强气封，同时烘焙产物旋转阀出料器有气锁作用以防止冷却器(13)里面的空气进入螺杆烘焙器(4)，螺杆烘焙器(4)里面的蒸汽和挥发分压力也防止了空气的流入。