CN113166653A - 应用于生物质的焙烧的包括承载优化轮廓的搅拌齿的臂的多层炉 - Google Patents

Abstract

本发明主要包括用于对装料M进行热处理的多层炉(1)，其包括在炉的每个层(3)上方、固定至旋转轴的至少一个搅拌臂(5)，以及包括垂直于该臂固定的搅拌齿(7)，每个搅拌齿(7)具有从底部到顶部倾斜的前缘，该倾斜的前边缘构成待搅拌的装料M的引导边缘(70)。

Description

应用于生物质的焙烧的包括承载优化轮廓的搅拌齿的臂的多 层炉

技术领域

本发明涉及一种多床炉，也称为多层炉(已知缩写为MHF)。

本发明旨在改善在炉中待热处理的装料的装填的搅拌，尤其是为了获得均匀且受控的装料传送。

在本发明的上下文中，“搅拌”被理解为是指搅动待热处理的装料、通过将其分离而使其散布，并且使其从炉床到炉床之间穿过炉的动作。

本发明的优选应用是生物质的焙烧，优选木质纤维素生物质的焙烧。

在本发明的上下文中，“生物质”应理解为是指任何含碳的植物或动物来源的不均质材料，例如木质纤维素生物质，森林或农场残留物(秸秆)的不均质材料，可以是准干燥或进水的，例如家庭垃圾。

特别地，生物质可以是木质纤维素类型的，例如木材和农业材料，并且具有任何水分含量，优选包含10％至60％的水，并且可以以各种形式(例如屑、薄片等)引入到根据本发明的设备中。

尽管参考生物质焙烧应用进行了描述，但是根据本发明的多床炉可以用于许多其他应用，其中可以引用矿物矿石(焦炭，耐火粘土等)、煤、净化站污泥的热处理。

背景技术

在消费永不停止增长的背景下，考虑生物质的增值，以使能源资源多样化。特别地，考虑基于气化和燃烧的热转换管线。

首字母缩写为BtL的所谓“生物质到液体”工厂是旨在通过气化实施生物质热化学转化过程、以生产液体燃料的工厂。这些BtL工厂已经得到了广泛的描述并提供了在投资和生产成本方面的大量的经济数据：[1]，[2]。目前正在设计的BtL工厂(更一般地说是旨在从生物质生产气态或液态燃料的工厂)是示范项目，旨在测试和验证热化学转化过程的整个技术链。完全实施或执行的第一步在于干燥湿生物质。实际上，新收集的生物质的水分含量通常在30％至50％之间，该初始水分含量根据生物质的类型、收集时段和生物质的存储地点而变化。已经证明生物质中包含的水大大降低了气化效率，因为这涉及到无用蒸汽的生成和气化反应器中所需的水的蒸发。此外，现在已经接受的是，鉴于所需的时间，在工业应用中不能真正设想对生物质进行自然干燥：[3]，[4]，[5]。

换句话说，在工业规模上，只能设想强制干燥生物质。似乎同样可以接受的是，将木质纤维素生物质干燥至水分含量低于15％左右是没有意义的，因为低于该值，木材被证明具有很高的吸湿性，并且在木材转移到气化反应器及其中间储存器的过程中，当木材暴露于空气中时会重新吸收水。此外，最终水分百分比的提取显著增加了能量消耗。因此，似乎可以接受的是，在转化效率和所需的能量消耗方面，在将生物质气化之前将其干燥至大约15％的水分含量是很好的权衡。

生物质，优选木质纤维素的生物质的焙烧是对生物质进行预处理的步骤，以将生物质以粉末形式注入驱动流反应器(气化反应器)或燃煤电厂中的所谓的生物质与煤共燃反应器，或者以将生物质制成颗粒。实际上，生物质的纤维和弹性结构使其微粉化成为能量密集型的，并赋予了不适合以粉末形式注入的研磨产物特性。焙烧是在干燥和热解之间的交界处对生物质进行温和的热处理，通常在200至300℃的温度下进行，目的是消除水分并改性生物质的一部分有机物质以破坏其纤维。换句话说，该温和的热处理影响生物质的纤维结构，从而随后促进其研磨和将其注入气化反应器或共燃反应器中。

通过焙烧的预处理还通过使其特别疏水并且对生物降解具有抗性而增强了生物质用于其存储的特性。焙烧装料后制粒也是一种可能的应用。

从焙烧中获得的产物是固体、焙烧气体和可冷凝物。

在目前已知的木质纤维素生物质干燥和焙烧设备中，可以分为三个主要单元：

-预热/干燥反应器，在其中，生物质的原料被加热并且一部分水分可以被蒸发，如下文所述；

-焙烧反应器，在其中，将干燥的生物质加热至焙烧温度，残留水分被完全除去并且发生解聚现象；

-焙烧产物冷却单元，在其中，在惰性气氛中冷却焙烧产物。

现有的焙烧反应器是旋转式的，焙烧反应器具有多层，也称为多炉床(多床炉，首字母缩写为MHF)，具有液体饱和或蒸气饱和的通道，具有推进器或甚至具有流化床。

当前的多床炉在大气压下，在250℃至大约1050℃之间的温度范围内操作，并且具有可能的大反应表面。多床炉还具有连续搅拌待处理产物的优点。除焙烧生物质外，多床炉还用于环境领域(固体废物热解，煤炭再生)和原料焙烧(工业矿物矿石的煅烧和重结晶以及火法冶金)。

图1至图4示意性地示出了根据现有技术的多床炉，总体上由附图标记1指代并具有其各个部件。炉1包括外壳2，在外壳2中固定有具有圆形截面的一系列炉床或烧板3，炉床或烧板3彼此平行地布置。炉床3和外壳2可以由覆盖有耐火材料的钢材制成。旋转轴4竖直地布置在炉的中心轴线Z上。旋转轴4可以通过齿轮电机组40旋转。旋转轴4包括臂5，称为搅拌臂，这些臂通过布置在每个炉床3上方而固定在旋转轴4上。例如，彼此均匀间隔成90°的四个搅拌臂5固定在每个炉床3的上方。每个搅拌臂5的功能是搅拌装料M(例如生物质)，从外壳2的顶部开口孔20向炉内供料，并通过螺旋形路径将其跨过每个炉床3转移至外壳2的底部开口孔21，在底部开口孔处排出装料。

如图2中所示，每个搅拌臂5包括型材6，型材6上固定有多个相同的齿7，这些齿被称为搅拌齿，其具有矩形截面，彼此平行排列，与型材成直角，但全部相对于型材6的纵向轴线X倾斜不同于90°的倾角α。

此外，搅拌齿7全部以型材6的轴线X为中心，也就是说，每个齿的宽度L均等地分布在轴线X的两侧。

搅拌齿7以及其支撑型材6构成耙形的工具，这使得可以以尽可能均匀的方式将装料M从一个炉床3转移到下方的相邻炉床，并同时尽可能将其混合，以便使每个装填粒子在通过炉时接收相同的热量。这使得可以获得在所有装料上尽可能均匀的热转换，例如焙烧(减少火候不足的纸浆和焙烧过度的碎片等)。

因此，如图3中示意性所示，装料M在两个相邻的炉床3中沿相反的方向分别移动到炉的中心和外部，反之亦然。

为此，两个相邻的炉床3中的每一者均设有一个或多个转移开口孔30、31，该转移开口孔30、31分别形成在旋转轴4附近、优选地围绕旋转轴4以及在炉床3的外缘处。

在图1所示的示例中，各个炉床3及其转移开口孔30、31的布置在外壳3的外缘处产生装料M的最终排出，而在图3的示例中，装料M的最终提取是围绕旋转轴4居中进行的。

换句话说，在炉1中，装料M在顶部炉床3处被供给，并被搅拌以通过一个或多个转移孔30、31穿过炉床3，该一个或多个转移孔30、31通向下方紧邻的炉床3，以此类推。因此，装料M在每个炉床3上经过并穿过每个炉床3到达底部孔21，在底部孔21处装料被排出。

如图1所示，热气G(例如燃烧烟气)通常与装料成逆流循环，使炉达到所需的温度，并引起装料所需的一个或多个热处理反应(强力干燥、焙烧等)。因此，热量是通过装料本身的成分或专用燃料的燃烧产生的。例如，液体燃料燃烧器12可以经由外壳2布置在一些炉床3处。水蒸气也可以注入炉中以改善其控制。炉通常在受控的气氛中操作，并包括用于控制炉中装料的温度和停留时间的装置。装料的供应可以连续地进行调整，以使搅拌床的厚度在炉内保持恒定。尤其在净化站污泥焚烧设备中描述了这种连续运行的炉：[6]。

当发明人实现了这种用于焙烧木质纤维素生物质的炉时，他们能够发现与如上所述的齿的形状和排列有关的各种问题。

首先，直的矩形齿的旋转位移R具有将装料向前推动的更大趋势，而不是将装料分离并在中心或向外方向上驱动。换句话说，齿产生一种装料的簇，该装料的簇在齿的端部形成壁，该壁随着臂的运动而旋转R。这在图4和图6中被象征示意，可以看到，在搅拌齿7的竖直的引导边缘70的端部处形成装料M的簇。因此，装料M的簇根据搅拌臂7的旋转R由引导边缘70推动。

该颗粒壁倾向于利用齿的倾角α来增强。因此，对于当前的齿，α的值为了调节炉的传递参数而增加得越多，两个相邻齿之间的间距就减少得越多，这导致装料的颗粒壁的堵塞和加固，该壁由齿的端部推动并且因此不会侧向移位。

如图6中所示，同一个臂的相同齿7，以其轴线X为中心并且全部以相同的角度α倾斜，在臂的整个长度上产生装料M的簇或壁。

因此，需要改进多床炉，尤其是避免、至少最小化由搅拌齿引起的装料簇，该装料簇不利于循环的装料均匀且受控的传递，循环的装料必须进行热处理。

本发明的目的是至少部分地解决该需求。

发明内容

为此，本发明的主题是一种多床炉，用于对装料M进行热处理，所述多床炉包括：

-具有中心轴线的外壳，该外壳包括：

·顶部开口孔，用于供给待处理的装料，

·底部开口孔，处理后的装料旨在通过该底部开口孔排出，

-安装成在外壳内可围绕中心轴线旋转的轴，

-多个炉床，这些炉床彼此平行地固定在外壳内，每个炉床包括一个或多个开口孔，这些开口孔适于将搅拌后的装料M转移至下方紧邻布置的炉床，一个炉床的一个或多个转移孔靠近旋转轴布置，而相邻炉床的一个或多个转移孔布置在所述相邻炉床的外缘，

-在每个炉床上方固定至旋转轴的至少一个搅拌臂，所述至少一个搅拌臂包括与该臂成直角固定的搅拌齿。

在这种炉中，轴的旋转使得可以在其顶部孔和底部孔之间的外壳的高度上，对由齿搅拌的装料M沿着螺旋路径进行热处理并转移装料M。

根据本发明，每个搅拌齿具有从底部到顶部倾斜的前缘，该倾斜的前缘构成了待搅拌的装料M的引导边缘。

因此，本发明主要在于限定一种新的齿形，用于利用用于该装料的引导边缘搅拌待热处理的装料，该引导边缘不再像现有技术中那样是竖直的、而是倾斜的。

由于其倾斜度，齿的引导边缘将促进装料颗粒的分离，并且因此允许使装料在每个炉床的最大表面积上的更均匀的铺开和转移。

本文指定了，齿的引导边缘是首先与到达的待搅拌装料接触的边缘。

因此，当待搅拌的装料到达给定炉床的外缘时，齿的引导边缘为外侧边缘，而当装料到达炉床的中部时，引导边缘为内侧边缘。

根据一个有利的变型实施方式，每个搅拌齿的引导边缘是倾斜的，使得齿的底部的宽度大于顶部的宽度。

有利地，每个搅拌齿的引导边缘相对于臂的纵向轴线(X)倾斜5°至70°的角度。

根据另一个有利的变型实施方式，当从正面看时，每个搅拌齿具有三角形或梯形、优选直角三角形或直角梯形的形状。

优选地，每个搅拌齿的高度在100mm至500mm之间，长度在100mm至800mm之间。

根据第一有利构造，每个搅拌齿可以是平坦的。

根据第二有利构造，每个搅拌齿由平坦部分和偏转部分构成，平坦部分包括用于装料的引导边缘，偏转部分在平坦部分的延伸部中，该平坦部分与臂的纵向轴线正交，而偏转部分相对于臂的纵向轴线以一个或多个不同于90°的倾斜度倾斜。

偏转部分可以由另一个平坦部分构成，该另一个平坦部分与具有引导边缘的平坦部分或弯曲部分形成非零角度。

根据一个有利的实施方式，由同一个臂支撑的齿的至少一部分相对于臂的纵向轴线(X)侧向地偏移，同时它们的后边缘(称为拖尾边缘)在臂的长度上以相同的节距(P)彼此间隔。

当根据本发明的炉用于生物质的焙烧时，温度优选为200℃至300℃。对于木材型生物质，温度更优选为250℃至300℃，对于农业型生物质，温度更优选为220℃至280℃。实际上，木材对温度的反应要高于农业生物质。

根据本发明的多床炉可以结合在用于将生物质通过在气化反应器中进行气化而热化学转化为合成气体(众所周知的合成气)或另一种合成产物的设备中，以产生可燃物或燃料、特别是液体燃料。可以根据Fischer-Tropsch方法进行合成以生产液态瓦斯油或另一种燃料。

本发明还涉及所描述的炉的用途，用于焙烧木质纤维素生物质，或用于矿物矿石(焦炭，耐火粘土等)、煤炭、净化站污泥的任何热处理，或用于生产化石来源的煤的替代燃料等的用途。

附图说明

通过参考以下附图，以说明性和非限制性的方式阅读本发明的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得更加清楚。

-图1是根据现有技术的多床炉的一示例的纵向剖面示意图；

-图2是根据图1的炉中用于待处理装料的搅拌臂的透视示意图；

-图3是根据现有技术的多床炉的另一示例的局部纵向剖面示意图；

-图4是根据现有技术的矩形形状的搅拌齿的示意性前视图，其由根据现有技术的炉中的臂支撑，图4示出了形成在用于装料M的竖直前缘上的装料M的簇；

-图5是根据现有技术的矩形搅拌齿的俯视图，图5示出了齿的相对于臂的纵向轴线的倾斜角度；

-图6是根据现有技术的搅拌臂的俯视图，该搅拌臂支撑多个矩形齿，所有矩形齿均以臂的纵向轴线为中心并且以相同的倾斜度倾斜；

-图7是根据本发明的直角梯形的搅拌齿的示意性前视图，该搅拌齿由炉中的臂支撑，图7示出了装料M通过该齿的移位；

-图8是根据本发明的有利实施方式的搅拌齿的俯视图，图8示出了在该齿的平坦部分的延伸部中的弯曲部分；

-图9是根据本发明的搅拌臂的俯视图，该搅拌臂支撑根据图7的多个平坦齿，这些齿每隔一个在臂的纵向轴线上轴向偏移；

-图10是根据本发明的搅拌臂的俯视图，该搅拌臂支撑具有图8的平坦部分和弯曲部分的多个齿，这些齿每隔一个在该臂的纵向轴线上轴向偏移。

具体实施方式

在下面的描述和整个申请中，术语“前”、“后”是参照根据本发明的多床炉中生物质的转移方向使用的。因此，搅拌齿的前缘是首先攻击炉内待处理的装料的边缘，而后边缘是接触首先由引导边缘分离的装料的边缘。

同样地，应当参照根据本发明的炉的竖直操作构造来理解术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”。因此，顶部开口孔构成了待热处理的装料的入口孔，而底部孔指定为用于处理后的装料的出口孔。

在前言中已经讨论了图1至图6，图1至图6涉及根据现有技术的多床炉，该多床炉具有搅拌臂，搅拌臂支撑搅拌齿。因此，以下将不对其进行描述。

为了清楚起见，根据现有技术和根据本发明的同一个元件由同一个附图标记表示。

在下文中规定，仅描述根据本发明的搅拌齿及其在支撑臂上的布置，这些元件能够代替根据图2、4、5和6中所示的现有技术的具有搅拌齿的臂，而如此安装在关于图1和图3中描述的多床炉中。

图7示出了根据本发明的搅拌齿7。

直角梯形的该齿7包括前缘70，该前缘70从梯形的最大宽度到最小宽度、从底部到顶部倾斜。

该前缘70构成用于在炉中待热处理的装料M的引导边缘。装料M的引导边缘将促进装料颗粒的分离，因此可以避免形成簇，该簇形成壁，该壁随着臂的移动而旋转，如根据现有技术中的矩形齿。

作为指示，根据本发明的具有引导边缘70的搅拌齿7可以具有在100mm至500mm之间的高度，以及在100mm至800mm之间的宽度。根据本发明的齿可以是金属的。

根据图7中所示的变型实施方式，根据本发明的搅拌齿7是平坦的。

根据图8中所示的另一变型，搅拌齿7由平坦部分71和偏转部分72组成，该平坦部分71包括引导边缘70，偏转部分72在平坦部分的延伸部中。平坦部分71通过与支撑齿的臂的纵向轴线X正交地固定，而偏转部分相对于臂的纵向轴线X以不同于90°不同的一个或多个倾斜度倾斜。在图8中，偏转部分72是弯曲部分。

与轴线X成直角的平坦部分71将允许齿以与旋转臂成直角工作。因此，如图8中的两个箭头所示，平坦部分71将通过引导边缘70将装料M分离，以产生真实的装料垄沟。

在垄沟的一侧(图8中的右箭头)，分离的装料可以被齿表面移位，而在垄沟的另一侧(图8中的左箭头)，装料将保留在原位，然后在齿的后部，偏转部分72使分离的装料移位。因此，促进了在下方的炉床的表面上装料的均匀分离和转移。

图9示出了根据本发明的用于固定具有倾斜的引导边缘70的平坦形状的相同齿7的有利实施方式。在这里，所有齿相对于臂的轴线X侧向地偏移。

因此，第一齿7.1具有在轴线X的一侧上分配的宽度L1，该宽度L1小于在轴线X的另一侧上分配的宽度L2。

就其本身而言，与第一齿7.1相邻的第二齿7.2具有在轴线X的一侧上分配的宽度L3，该宽度L3大于在轴线X的另一侧上分配的宽度L4。

为了不产生促进装料堵塞的压缩，齿7.1至7.4的后端之间的节距P在臂的整个长度上是恒定的，而与每个齿的偏移无关。

图10还示出了根据本发明的齿7.1至7.9的偏置的构造，但是齿7具有从弯曲部分72延伸的轴线成直角的平坦部分71。

在不以任何方式脱离本发明的范围的情况下，可以提供其他变型和改进。

尽管在所示的实施方式中，根据本发明的齿具有矩形形状，但是可以替代地提供直角三角形形状的齿，并且更一般地，提供具有用于装料的引导边缘的任何形式的齿，该引导边缘在齿的高度上倾斜。

优选地，搅拌齿由金属制成，但是可以用与多床炉中遇到的条件兼容的任何材料来制造。

本发明不限于上述例子。特别地，可以在未示出的变型中将示出的示例的特征彼此组合。

参考文献

[1]:Tijmensen MJA、Faaij APC、Hamelinck CN、Hardeveld MRM撰写的“Exploration of the possibilities of Fischer Tropsch liquids and power viabiomass gasification”，《生物质与生物能》2002；23:129-52。

[2]:Haarlemmer G、Boissonnet G、Imbach J、Setier P-A、Peduzzi E撰写的“Second generation BtL type biofuels-a production cost analysis”，《能源与环境科学》2012；7。

[3]:Simpson WT撰写的“Equilibrium Moisture Content of Wood in OutdoorLocations in the United States and Worldwide”.FPL-RN-0268，威斯康星州麦迪逊市森林产品研究所，1998年。

[4]:

A和Hartmann H撰写的“In Storage of wood logs–“Dryingspeed and dry matter losses”，2005年法国巴黎第14届欧洲生物质会议。

[5]:Scholz V、Idler C、Daries W撰写的“In Energy loss and moulddevelopment during storage of wood chips in unventilated piles”，2005年法国巴黎第14届欧洲生物质会议。

[6]:C.Brunner撰写的“Biological sludge incineration”，《废品管理》，第11卷,第155-162页,1991。

Claims (11)

1.一种多床炉(1)，所述多床炉(1)用于对装料M进行热处理，所述多床炉(1)包括：

-具有中心轴线(Z)的外壳(2)，所述外壳(2)包括：

·顶部开口孔(20)，所述顶部开口孔(20)用于供给待处理的装料，

·底部开口孔(21)，处理后的装料旨在通过所述底部开口孔(21)排出，

-轴(4)，所述轴(4)安装成在所述外壳内能够围绕中心轴线(Z)旋转，

-多个炉床(3)，所述多个炉床(3)彼此平行地固定在所述外壳内，每个炉床分别包括一个或多个开口孔(30，31)，所述开口孔(30，31)适于将搅拌后的装料M转移至下方紧邻布置的炉床，一个炉床的一个或多个转移孔(30)靠近旋转轴(4)布置，而相邻炉床的一个或多个转移孔(31)布置在所述相邻炉床的外缘，

-在每个炉床(3)上方固定至所述旋转轴的至少一个搅拌臂(5)，所述至少一个搅拌臂(5)包括与所述搅拌臂成直角固定的搅拌齿(7)，每个搅拌齿(7)具有从底部到顶部倾斜的前缘，所述倾斜的前缘构成用于待搅拌的装料M的引导边缘(70)。

2.如权利要求1所述的多床炉，其中，每个搅拌齿的引导边缘(70)以使所述齿的底部的宽度大于其顶部的宽度的方式倾斜。

3.如权利要求1或2所述的多床炉，其中，每个搅拌齿的引导边缘(70)相对于所述臂的纵向轴线(X)以5°至70°的角度倾斜。

4.如权利要求1至3中任一项所述的多床炉，其中，当从正面看时，每个搅拌齿具有三角形或梯形、优选直角三角形或直角梯形的形状。

5.如前述权利要求中任一项所述的多床炉，其中，每个搅拌齿的高度为100mm至500mm，长度为100mm至800mm。

6.如前述权利要求中任一项所述的多床炉，其中，每个搅拌齿是平坦的。

7.如权利要求1至5中任一项所述的多床炉，每个搅拌齿由平坦部分(71)和偏转部分(72)构成，所述平坦部分(71)包括用于所述装料的引导边缘，所述偏转部分(72)在所述平坦部分的延伸部中，所述平坦部分与所述臂的纵向轴线(X)正交，而所述偏转部分相对于所述臂的纵向轴线(X)以不同于90°的一个或多个倾斜度倾斜。

8.如权利要求7所述的多床炉，其中，所述偏转部分由另一个平坦部分构成，所述另一个平坦部分与具有引导边缘的所述平坦部分形成非零角度。

9.如权利要求7所述的多床炉，其中，所述偏转部分由弯曲部分构成。

10.如前述权利要求中任一项所述的多床炉，其中，由同一个臂支撑的所述齿的至少一部分相对于所述臂的纵向轴线(X)侧向地偏移，同时使它们的后边缘在所述臂的长度上以相同的节距(P)彼此间隔，所述后边缘被称为拖尾边缘。

11.一种如前述权利要求中任一项所述的多床炉的用途，用于焙烧生物质、特别是木质纤维素生物质，或用于矿物矿石(焦炭，耐火粘土等)、煤、净化站污泥的热处理，或用于生产化石来源的煤炭的替代燃料。

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