CN106047383A - 无轴螺旋式生物质热裂解反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，包括：进料系统，反应器系统，冷凝系统。进料系统，用于将合适粒径的原料，输送到反应器系统中；反应器系统，用于将原料通过无轴螺旋传送到反应器，通过加热反应，原料发生热裂解反应形成热裂解蒸汽和生物炭，热裂解气体进入后续的冷凝系统，炭粉通过无轴螺旋的传送排出反应器，并通过自身重力落入储存设备中；冷凝系统，用于将反应器系统形成的可冷凝的热裂解蒸汽冷凝为液体。本发明方便操作；送料反应同时进行，原料的停留时间可控；采用循环水冷凝，静电除尘和干冰‑丙酮冷凝混合使用，增加了冷凝效率，装置可连续稳定运转。

Description

无轴螺旋式生物质热裂解反应装置

技术领域

本发明涉及生物质热裂解反应装置，具体地，涉及一种无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，是一种利用无轴螺旋传送在高温环境下使原料进行热裂解反应的装置，属于可再生能源领域。

背景技术

现代的工农业生产和城市化进程中产生了大量的有机废弃物。这些有机废弃物主要有包括农业源废弃物(作物秸秆，农产品的初级加工废弃物)，工业源的废渣废水和城市源的生活垃圾、市政污泥、餐厨垃圾等。这些废弃物产生量巨大，有机质的含量高，是环境污染的重要来源之一，长久以来这些废弃物没有得到有效的处理和利用，造成了严重的环境污染和资源的浪费。

有机废弃物的资源化利用途径有很多，如厌氧发酵，有氧堆肥，热裂解转化等。其中热裂解制取液体燃料技术是一种高效低成本操作简便的资源化利用技术。低热值、低附加值的固态有机废物可以通过热裂解转化为高热值、高附加值的液体燃料，同时产生生物炭及不可冷凝的可燃气体气体。具有以下的突出优点：工艺简便，对环境条件要求低，原料适应性广。

很多研究都致力于设计新型的反应装置。目前常见的反应装置有固定床反应器，流化床反应器，循环流化床反应器，旋转锥反应器等。不同类型的反应器由于设计的思路和原理不同，有不同的有缺点。

经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：201110308862.7，名称为：生物质快速热裂解的方法及其装置。该专利的自述为：装置设有加料仓、自动给料装置、质量流量仪、气体预热器、热裂解反应器、分离器、生物炭收集器、冷却器、循环泵、激冷塔、塔底暂储罐、第1生物质油收集罐、水冷冷凝器、第2生物质油收集罐、冰水冷凝器、第3生物质油收集罐。通过给料机把生物质物料送入热裂解反应器内的步骤；在热裂解反应器内对生物质物料进行热裂解和在分离器中将热裂解蒸汽与生物炭和灰份进行气固分离的步骤；在激冷塔中对热裂解蒸汽进行喷淋获得一级生物油的步骤；在水冷冷凝器中将热裂解蒸汽冷凝获得二级生物油和在冰冷冷凝器中将热裂解蒸汽进一步冷凝获得三级生物油的步骤。该项技术的不足之处在于：由于装置采用流化床工艺，需要流化气，并需要气体预热器对流化气进行预加热；冷凝系统采用喷淋冷凝，装置结构复杂，设计制作成本较高。

检索中还发现，中国专利申请号为：CN201410178441.0，名称为：常压连续热裂解秸秆提取生物油的方法及其设备。该专利的自述为：将秸秆干燥、粉碎；热裂解，热裂解设备是由若干个螺旋给料机首尾相接、自上而下往复式布置，在每个螺旋给料机管道的表面敷设电热管，在每个螺旋给料机管腔的上部设置一个热解气管道；将产生的热解气冷凝、出油，同时排渣。该项技术的不足之处在于：由于采用多个螺旋给料机首尾相接喂料，气态停留时间过长，易发生生物质热裂解气的二次裂解，造成液态油产率下降，气态不可冷凝气体的产率上升。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，该利用无轴螺旋进料，进料的同时进行反应，

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，包括进料系统，反应器系统，以及冷凝系统；其中：

进料系统，用于原料输送到反应器系统中；

反应器系统，通过无轴螺旋将原料传送到加热器，并在原料传送的同时进行加热，使得原料发生热裂解反应形成热裂解蒸汽和生物炭，热裂解气体进入后续的冷凝系统，生物炭通过无轴螺旋的传送排出反应器，并通过自身重力落入储存设备中；

冷凝系统，用于将反应器系统形成的可冷凝的热裂解蒸汽冷凝为液体。

较优地，所述进料系统包括：可调整高度的升降台、一级料斗、送料螺旋、二级料斗和进料电机和推力轴承，其中：可调整高度的升降台上固定有一级料斗，一级料斗的出口通过送料螺旋与二级料斗的进口相连，二级料斗的出口与反应器系统进料端相连，进料电机、推力轴承设置在所述反应器系统的进料端。

更优地，所述一级料斗的上方设置有透明的观察窗，用于实时监控进料情况。

较优地，所述反应器系统包括：无轴螺旋、加热器和储炭箱，其中：二级料斗的出口连接到无轴螺旋，无轴螺旋的进料端配置有进料电机和调速器，在无轴螺旋与进料电机之间设置推力轴承，无轴螺旋通过管道进入加热器中实现在原料传送的同时进行加热，无轴螺旋的出料端连接储炭箱。

更优地，所述加热器配置有显示屏和温度调节器，使反应温度可控可视可调节。

更优地，所述反应器的出口端和储炭箱内部各配置一个温度探测点，方便进行温度的检测和控制；所述储炭箱的外部配置加热套和隔热层，防止热裂解蒸汽在储炭箱附近冷凝。

较优地，所述冷凝系统包括：循环冷凝水部分，静电吸附冷凝部分，干冰-丙酮冷凝部分和过滤除尘部分，其中：循环冷凝水部分通过控制冷凝水的温度，实现不同沸点的燃油组分的初步分离；静电吸附冷凝部分通过高达15KV的静电高压，使较小的液滴在电极凝聚，方便液体收集；干冰-丙酮冷凝部分把冷凝温度降低到所需温度，提高冷凝的效果；过滤除尘部分把前几个部分未收集到的液滴和固态粉尘截留。

进一步的，所述系统进一步包括气体检测系统，该气体检测系统连接在冷凝系统之后，用于将不可冷凝的气体成分进行分析。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明上述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置：原料适用性广，防缠绕防堵塞，适宜运送颗粒和粉状物料；进料口出料口不易堵塞，密闭性好，防污染不泄露；转距大，能耗低，重量小，成本低，易损件少，经济耐用；输送量大，距离长，中部可多点装卸料，并可多级串联安装；可低速运转，平稳传动，即可下方出料，又可端头出料，并可在高温下工作；结构紧凑，节省空间，快速拆装，易于清洗，操作简便。在用于热裂解反应时由于与物料接触面积大，易于传热，热裂解效率高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例的结构示意图；

图中：100为反应器系统，200为冷凝系统；

1为液压升降台，2为一级料斗，3为观察窗，4为送料螺旋，5为二级料斗，6为进料电机，7为推力轴承，8为无轴螺旋，9为加热器，10为显示屏，11为温度调节按器，12为储炭箱，13为铁架台，14为循环冷凝管，15为静电高压发生器，16为静电吸附器，17为收集器，18为干冰-丙酮冷凝器，19为气体过滤器，20为气相色谱仪，21为气体流量计。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种无轴螺旋式生物质热裂解反应装置的较优实施例，由四个部分组成：进料系统，反应器系统，冷凝系统，气体检测系统。

进料系统，用于原料输送到反应器系统中；

反应器系统100，通过无轴螺旋将原料传送到加热器，并在原料传送的同时进行加热，使得原料发生热裂解反应形成热裂解蒸汽和生物炭，热裂解气体进入后续的冷凝系统，生物炭通过无轴螺旋的传送排出反应器，并通过自身重力落入储存设备中；

冷凝系统200，用于将反应器系统形成的可冷凝的热裂解蒸汽冷凝为液体。

气体检测系统，该气体检测系统连接在冷凝系统之后，用于将不可冷凝的气体成分进行分析。

如图1所示，在一较优实施例中，所述进料系统设置在可调节高度的液压升降台1上，包括：一级料斗2、观察窗3、送料螺旋4、二级料斗5和进料电机6和推力轴承7，其中：液压升降台1上固定一级料斗2，一级料斗2的出口通过送料螺旋4与二级料斗5的进口相连，二级料斗5的出口与反应器系统进料端相连，进料电机6、推力轴承7设置在所述反应器系统的进料端。

在一较优实施例中，所述反应器系统包括：无轴螺旋8、加热器9、显示屏10、温度调节按器11、储炭箱12，其中：二级料斗5的出口连接到无轴螺旋8，二级料斗5的出口位于所述无轴螺旋8的进料端的上方，从而可以利用自身重力进行进料，无轴螺旋8的进料端配置有进料电机6和调速器，在无轴螺旋8与进料电机6间设置推力轴承7，无轴螺旋8通过管道进入加热器9中，在无轴螺旋8的出料端连接储炭箱12，储炭箱12位于所述无轴螺旋8的出料端下方。

在一较优实施例中，所述冷凝系统包括：循环冷凝管14、静电高压发生器15、静电吸附器16、收集器17、干冰-丙酮冷凝器18和气体过滤器19，其中：所述反应器系统的出口储炭箱12的一端连接循环水冷凝管14，循环冷凝管14的另一端连接有静电吸附器16，静电吸附器16连接有静电高压发生器15，静电吸附器16另一端连接有干冰-丙酮冷凝器18，静电吸附器16和干冰-丙酮冷凝器18下部分别设置生物油的收集器17，干冰-丙酮冷凝器18另一端连接气体过滤器19。

在一较优实施例中，所述气体检测系统包括气相色谱仪20和气体流量计21，从冷凝系统中经过的气体最后进入气相色谱仪20中分析气体的组分和含量，通过气体流量计21记录气体体积。

本发明上述较优实施例中：采用流动进料方式，一级进料放置在液压升降台1上，方便操作；由所述无轴螺旋8、加热器9组成无轴螺旋反应器(进一步包括显示屏10、温度调节按器11)，采用该无轴螺旋反应器，送料反应同时进行，原料的停留时间可控；采用诱导出料方式，不使用旋风分离器；冷凝系统采用循环水冷凝，静电除尘和干冰-丙酮冷凝混合使用，增加了冷凝效率；对不可冷凝的气体采用在线GC分析，方便计算出气体组分，进而可以评估整个系统的物质平衡和能量得率，装置可连续稳定运转。

所述一级料仓2、送料螺旋4、二级料斗5、无轴螺旋8之间密封连接，一级料仓2的位置高于二级料斗5，二级料斗5的出口位于无轴螺旋8的进料口正上方。

所述的进料系统，将合适粒径的原料，运送到反应器系统中。所述进料系统采用流动进料的方式，利用自身重力和送料螺旋4推动控制进料速度，并且整个进料系统放置在液压升降台1上，方便调节进料口高度，进行实验操作和后续的清理等工作。

在部分优选实施例中，一级料斗的上方设置有透明的观察窗3，可以观测进料效果。

所述的反应器系统，将进料系统传送过来的物料，送入无轴的螺旋式反应器，将原料加热至500℃左右，原料发生热裂解形成热裂解蒸汽和生物炭。热裂解气体进入后续的冷凝系统。炭粉通过无轴螺旋8的传送，排出反应器系统100，并通过自身重力，落入储炭箱12中。在无轴螺旋8与进料电机6间配备推力轴承7，减小进料电机6承受的轴向力。

在部分优选实施例中，加热器9配备液晶液晶显示屏10和温度调节按器11，使反应温度可控可视可调节。

在部分优选实施例中，在反应器系统的出口端和储炭箱12内部各配置一个温度探测点，方便进行温度的检测和控制。在储炭箱12的外部配置加热套和隔热层，防止热裂解蒸汽在储炭箱附近冷凝。

在部分优选实施例中，所述的冷凝系统，将热裂解蒸汽冷凝为液态燃料，该系统包括：循环冷凝水部分(图中循环冷凝管14)，静电吸附冷凝部分(图中静电高压发生器15、静电吸附器16)，干冰-丙酮冷凝部分(图中干冰-丙酮冷凝器18)和过滤除尘部分(图中气体过滤器19，固态小颗粒和液态小液滴通过气体滤器19截留)。循环冷凝水部分通过控制冷凝水的温度，实现不同沸点的燃油组分的初步分离。静电吸附冷凝部分通过高达15KV的静电高压，使较小的液滴在电极凝聚，方便液体收集。干冰-丙酮冷凝部分可以把冷凝温度降低到-20℃左右，提高冷凝的效果。过滤除尘部分把前几个部分未收集到的液滴和固态粉尘截留到此部分。

在部分优选实施例中，所述气体检测系统，通过气体流量计21和气相色谱仪20，分析得到不可冷凝气体的流量和组分。气体检测系统分析不可冷凝气体组分，首先是为了评价整个装置的物质平衡状态，液体燃料，生物炭和气体组分各占多大的比例；其次不可冷凝气可以作为气体燃料燃烧供热，因此需要对其成分进行分析。

本发明上述的热裂解装置可以利用的原料包括并不仅限于：生物质类农林废弃物，餐厨垃圾，残旧布料，废弃橡胶、轮胎、塑料，烟草废弃物，残损纸币等。

上述实施例无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，具体使用时：

①将原料依次干燥、粉碎，粉碎至长度不超过2cm厘米；

将原料装入料仓中，密封进料的透明板，测试进料电机6的进料速度，在进料

口下放置空桶，称量在10min中内的空桶中落入的原料量，得到原料的进料速度。

②调整液压升降台1高度，使一级料仓2，通过送料螺旋4与二级料斗5相连，无轴螺旋8末端下方设置储炭箱12。循环冷凝管14固定在铁架台13上，并使无轴螺旋8末端与循环冷凝管14相连。如图1所示，以下部件之间必须是密封连接：一级料斗2与观察窗3，观察窗3与送料螺旋4，送料螺旋4与二级料斗5，二级料斗5与无轴螺旋8，无轴螺旋8与储炭箱12，无轴螺旋8与循环冷凝管14，循环冷凝管14与静电吸附器16，静电高压发生器15与静电吸附器16，静电吸附器16与干冰-丙酮冷凝器18，静电吸附器16与收集器17，收集器17与干冰-丙酮冷凝器18，干冰-丙酮冷凝器18与气体过滤器19，气体过滤器19与气相色谱仪20，气体过滤器19与气体流量计21，以保证装置的气密性。

③打开加热器9开关，调整设置温度到550℃，打开循环冷凝管14的循环冷凝水开关。

④打开温度检测器，监控加热器9的温度，待温度上升到550℃时，打开静电高压发生器15的开关，在干冰-丙酮冷凝器18中加入干冰和丙酮。

⑤打开无轴螺旋8开关，打开送料螺旋4开关，开始进料，并记录此时气体流量计的数值。开始检测气体组分。

反应完成后，关闭送料螺旋4，关闭无轴螺旋8。

⑥关闭加热器9，记录此时的气体流量计的数值，可以得到产生的气体的总的体积。

⑦关闭冷凝水开关和静电高压发生器15的开关。记录一级料斗2、二级料斗5中原料质量，气体过滤器19增重和储炭箱12中固体质量。最后进行仪器的拆卸和清洗，把收集到的生物油装入棕色试剂瓶中检测其物理化学特性及组分。

本发明采用所述无轴螺旋，有以下优点：原料适用性广，防缠绕防堵塞，适宜运送颗粒和粉状物料；进料口出料口不易堵塞，密闭性好，防污染不泄露；转距大，能耗低，重量小，成本低，易损件少，经济耐用；输送量大，距离长，中部可多点装卸料，并可多级串联安装；可低速运转，平稳传动，即可下方出料，又可端头出料，并可在高温下工作；结构紧凑，节省空间，快速拆装，易于清洗，操作简便。在用于热裂解反应时由于与物料接触面积大，易于传热，热裂解效率高。

本发明装置可以方便利用各种原料如：生物质类农林废弃物，餐厨垃圾，残旧布料，废弃橡胶、轮胎、塑料，烟草废弃物，残损纸币等，把垃圾中的资源变废为宝，节约垃圾存放的场地，减少环境污染，并产生有价值的化工产品原料和可用于进一步加工的替代化石能源的液态燃料。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，包括进料系统，反应器系统，以及冷凝系统；其中：

进料系统，用于原料输送到反应器系统中；

反应器系统，通过无轴螺旋将原料传送到加热器，并在原料传送的同时进行加热，使得原料发生热裂解反应形成热裂解蒸汽和生物炭，热裂解气体进入后续的冷凝系统，生物炭通过无轴螺旋的传送排出反应器，并通过自身重力落入储存设备中；

冷凝系统，用于将反应器系统形成的可冷凝的热裂解蒸汽冷凝为液体。

2.根据权利要求1所述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，所述进料系统包括：可调整高度的升降台、一级料斗、送料螺旋、二级料斗和进料电机和推力轴承，其中：可调整高度的升降台上固定有一级料斗，一级料斗的出口通过送料螺旋与二级料斗的进口相连，二级料斗的出口与反应器系统进料端相连，进料电机、推力轴承设置在所述反应器系统的进料端。

3.根据权利要求2所述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，所述一级料斗的上方设置有透明的观察窗，用于实时监控进料情况。

4.根据权利要求2所述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，所述反应器系统包括：无轴螺旋、加热器和储炭箱，其中：二级料斗的出口连接到无轴螺旋，无轴螺旋的进料端配置有进料电机和调速器，在无轴螺旋与进料电机之间设置推力轴承，无轴螺旋通过管道进入加热器中实现在原料传送的同时进行加热，无轴螺旋的出料端连接储炭箱。

5.根据权利要求4所述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，所述加热器配置有显示屏和温度调节器，使反应温度可控可视可调节。

6.根据权利要求4所述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，所述反应器的出口端和储炭箱内部各配置一个温度探测点，方便进行温度的检测和控制；所述储炭箱的外部配置加热套和隔热层，防止热裂解蒸汽在储炭箱附近冷凝。

7.根据权利要求1所述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，所述冷凝系统包括：循环冷凝水部分，静电吸附冷凝部分，干冰-丙酮冷凝部分和过滤除尘部分，其中：循环冷凝水部分通过控制冷凝水的温度，实现不同沸点的燃油组分的初步分离；静电吸附冷凝部分通过高达15KV的静电高压，使液滴在电极凝聚，方便液体收集；干冰-丙酮冷凝部分把冷凝温度降低到所需温度，提高冷凝的效果；过滤除尘部分把前几个部分未收集到的液滴和固态粉尘截留。

8.根据权利要求1所述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，所述冷凝系统包括：循环冷凝管、静电高压发生器、静电吸附器、收集器和干冰-丙酮冷凝器、气体过滤器，其中：所述反应器系统的出口连接循环水冷凝管，循环冷凝管的另一端连接有静电吸附器，静电吸附器一端连接有静电高压发生器，静电吸附器另一端连接有干冰-丙酮冷凝器，静电吸附器和干冰-丙酮冷凝器下部分别设置生物油的收集器，干冰-丙酮冷凝器另一端连接气体过滤器。

9.根据权利要求1-8任一项所述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，所述系统进一步包括气体检测系统，该气体检测系统连接在冷凝系统之后，用于将不可冷凝的气体成分进行分析。

10.根据权利要求9所述的无轴螺旋式生物质热裂解反应装置，其特征在于，所述气体检测系统包括气相色谱仪和气体流量计，从冷凝系统中经过的气体最后进入气相色谱仪中分析气体的组分和含量，通过气体流量计记录气体体积。