一种带T字型抄板的生物质热解装置

技术领域

本发明涉及生物质热解技术领域，具体涉及一种带T字型抄板的生物质热解装置。

背景技术

世界对于可持续能源的关注度越来越高，致力于探索用于能源和化学品生产的可再生资源，以消除化石燃料枯竭和气候变化带来的不利影响，生物质衍生的含氧化学品由于其更高的附加值而成为极具吸引力的目标。

作为可再生的绿色资源，生物质取代化石能源来生产热能、电能和运输燃料前景广阔，例如：每年约有一亿吨木质素作为固体废物从纸浆和纤维素乙醇工业中产生，而木质素通过解聚产生的小分子可以转化为高价值或高需求的化学品。目前对于生物质转化为清洁能源和化学品的主要面临的障碍有原料来源、结构差异、装置构造等。

热解是一种将生物质转化为中级固体生物燃料、生物油以及小分子气体的技术，但以往的反应装置结构会使颗粒在炉管中的运动受限，在稳定层中的颗粒几乎没有滑动和移动，加入球磨后，虽然增加了研磨效果，一定程度上提高了热解效果，但是依旧没有解决颗粒运动的问题。各类抄板的出现，例如：倒钩型、L型、交错式等，其使得颗粒与反应器壁的接触增加，大量热量转移到生物质颗粒内部，但是其生物油中的酚类含量并不高，可提取的高附加值化学品有限。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种带T字型抄板的生物质热解装置，采用球型强化混合介质对物料进行研磨，进一步提高反应效果和产率，整体装置简单，易于工业放大。该生物质热解装置的主要目的是，利用回转炉管内壁上的T字型抄板结构，破坏生物质原料表面的自由表面流，强化球磨与生物质原料的混合程度，T字型抄板与其他抄板的不同之处在于，沿着运动方向的一侧，抄板抄起生物质颗粒抛掷空中，背向运动方向的一侧也能起到带动一部分球磨与生物质颗粒的作用，同时球形强化混合介质的加入可以增强混动程度，有效防止了装置内部的结焦问题。

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，包括回转式热解炉，回转式热解炉的进料端上设有进气口且连接有生物质螺旋进料装置，回转式热解炉的出料端连接有产物收集装置；所述回转式热解炉包括热解炉体以及设置于热解炉体上的加热套和回转炉管，加热套包裹在回转炉管的外部；其中，回转炉管包括前部进料端和中间反应段，所述中间反应段内填充有球形强化混合介质。

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，其特征在于在所述中间反应段加入球形强化混合介质，球形强化混合介质材质采用不锈钢珠或γ-Al

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，其特征在于所述中间反应段内焊接有T字型抄板，抄板高度为中间反应段内径的1/6~1/3，优选为5/24~5/18，进一步优选为1/4。T字型抄板均匀分布在中间反应段内壁，数量为2~8个，优选为3~5个，进一步优选为4个。T字型抄板包括沿中间反应段内壁轴向设置的竖长板以及与竖长板垂直，设置于竖长板远离中间反应段内壁的一端上的横长板，T字型抄板的T形截面上的横长板的长度与竖长板的长度之比的比值为0.3~1.5，优选为0.6~0.8，进一步优选为0.7。

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，其特征在于所述进气口通过氮气流量计连接有氮气瓶，在进料前先通过进气口通入氮气，对空气进行置换，使后续热解在该气体的气氛下进行。热解反应的温度在400-700℃，优选550℃。

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，其特征在于所述回转炉管的前部进料端和后盖处都有旋转密封装置，由此保证反应氛围为所通气体。

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，其特征在于所述生物质螺旋进料装置包括螺旋进料管路，螺旋进料管路的前端设置进料电机，进料电机连接进料螺杆且进料螺杆穿设在螺旋进料管路内；螺旋进料管路贯穿插入回转炉管的前部进料端中并稍稍伸入中间反应段内部，螺旋进料管路的外壁与所述前部进料端之间通过旋转密封装置进行密封；螺旋进料管路前端侧部的进料口连接进料漏斗；所述进气口设置于螺旋进料管路上。

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，其特征在于所述回转式热解炉还包括传动电机，传动电机的输出轴连接转轮，回转炉管的前部进料端外侧壁固定设置有皮带轮，皮带轮与转轮之间设置皮带，在传动电机的驱动作用下，能够带动回转炉管进行旋转。

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，其特征在于回转炉管的后部安装有可拆卸的后盖，并通过旋转密封装置进行密封，后盖的出气口通过管路连接产物收集装置。

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，其特征在于所述产物收集装置包括生物油收集瓶、冷凝管、三通阀、气体流量计、尾气吸收瓶和气体收集装置；从回转炉管流出来的气体产物先进入冷凝管进行冷凝，冷凝下来的生物油收集于生物油收集瓶中，不凝性气体经过冷凝管后，流经三通阀，一小部分进入气体收集装置中，便于后续分析，大部分通过气体流量计和尾气吸收瓶后排出。

所述的一种带T字型抄板的生物质热解装置，其特征在于加热套上设置有温度检测装置，用于检测加热套中间内部等温区的温度。

本发明生物质热解装置的使用方法如下：

1）向回转炉管中加入球形强化混合介质及生物质，将后盖与回转炉管的后部使用法兰连接，并用旋转密封装置做好密封；

2）将进料螺杆插入螺旋进料管路中，连接进料电机；

3）在回转炉管的前部进料端使用旋转密封装置进行密封，连接进气口橡胶管；

4）打开加热套和温度检测装置，控制回转炉管加热至热解所需温度；将三通阀开启至连通气体流量计，开启氮气瓶阀门，使高纯氮气通过进气口通入整个系统中，使系统内部处于无氧环境；

5）待系统稳定后，打开进料电机，将生物质装入进料漏斗，通过进料螺杆向回转炉管内进料；

6）物料在回转炉管内热解产生气体，热解气体通过后续冷凝操作，得到生物油产品，在稳定热解过程中，将三通阀开启至连通气体收集装置，收集气体2-3秒，再将三通阀开启至连通气体流量计，气体收集装置中的气体可以进行气相分析；

7）进料漏斗内物料加料完成后，等待一定时间，待氮气将回转炉管中剩余的热解气体带出；反应结束后关闭所有开关，拔出进料螺杆，清理炉管中的残留固体。

本发明的有益效果是：

（1）采用T字型抄板，破坏了原本颗粒的对称运动流型，使得颗粒可以在多维度空间上产生交换，增大了轴向混合和径向混合的程度，破坏了物料表面的自由表面流，加速传热，对于物料颗粒的扰动不仅局限于回转炉管的运动方向，由此提高裂解效率，整体结构简单，改造方便。

（2）在回转炉管中加入球形强化混合介质，可以使生物质在回转研磨条件下，强化物料和球磨介质之间的传热，提高热解反应速率，有效减少团聚，使物料充分热解。

（3）中小规模的该装置可以实现一体化装配，能适用于多种固体类生物质的热解，能使生物质热解更加完全。

通过采用以上技术，本发明采用回转炉管并在内壁焊接有T字型抄板，消除了物料颗粒的运动死区，增强了物料的轴向和径向运动，提高了热解效果。使用球形强化混合介质可以有效抑制物料团聚，该装置能进行较为简便的放大设计。

附图说明

图1为本发明一种生物质热解装置的结构示意图。

图2 为本发明一种回转炉管的结构示意图。

图3为本发明T字型抄板的截面结构示意图。

图4为本发明一种回转炉管的横截面示意图。

图5为本发明物料运动状态示意图。

图中：1-氮气瓶，2-氮气流量计，3-进料漏斗，4-螺旋进料管路，5-进料螺杆，6-传动电机，7-气体输送管路，8-进气口，9-旋转密封装置，10-加热套，11-温度检测装置，12-回转炉管，13-球形强化混合介质，14-后盖，15-T字型抄板，16-热解炉体，17-生物油收集瓶，18-冷凝管，19-三通阀，20-气体流量计，21-尾气吸收瓶，22-气体收集装置，121-前部进料端，122-中间反应段，151-竖长板，152-横长板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

具体实施例：

图1示出了本实施例一种生物质热解装置的结构示意图。其包括：螺旋进料管路4、回转炉管12、气体输送管路7、后盖14、生物油收集瓶17和热解炉体16等。热解炉体16上设置加热套10，加热套10内设置有与回转炉管12的外形相配的空腔，加热套10包裹在回转炉管12的外部。回转炉管12包括前部进料端121和中间反应段122，所述中间反应段122内填充有球形强化混合介质13。加热套10上设置有温度检测装置11，用于检测加热套10中间内部等温区的温度。

所述回转炉管12的前部进料端121和后盖14处都有旋转密封装置9，由此保证反应氛围为所通气体。

对照图2中，前部进料端121为直径较小的等径管，与中间反应段122相连接，中间反应段122为一直径较大的等径管。

螺旋进料管路4前端设置有进气口8，所述进气口8通过氮气流量计2与氮气瓶1由气体输送管路7连接，在进料前先通过进气口8通入氮气，对空气进行置换，使后续热解在该气体的气氛下进行。

螺旋进料管路4的前端设置进料电机，进料电机连接进料螺杆5且进料螺杆5穿设在螺旋进料管路4内；螺旋进料管路4贯穿插入回转炉管12的前部进料端121中并稍稍伸入中间反应段122内部，螺旋进料管路4的外壁与所述前部进料端121之间通过旋转密封装置9进行密封；螺旋进料管路4前端侧部的进料口连接进料漏斗3。

对照图1中，回转式热解炉还包括传动电机6，传动电机6的输出轴连接转轮，变径回转炉管12的前部进料端121外侧壁固定设置有皮带轮，皮带轮与转轮之间设置皮带，在传动电机6的驱动作用下，能够带动回转炉管12进行旋转。

本实施例中，向回转炉管12中加入球形强化混合介质13及生物质，球形强化混合介质13在加入时应注意从回转炉管12的后端加入，且优选直径为3mm的γ-Al

本实施例中，螺旋进料管路4中设有进料螺杆5，且进料螺杆5深入回转炉管12的内部。在进料漏斗3中加入物料完成后，对漏斗的上盖进行密封操作。

本实施例中，进料前先开启加热套10和温度检测装置11，等温度达到预定热解温度并稳定一段时间后，再开启传动电机6驱动回转炉管12进行旋转。并通过进料电机驱动进料螺杆5转动，在进料漏斗3中加入物料完成后，对漏斗的上盖进行密封操作。物料进入回转炉管12后迅速热解，同时炉管转动。一般的等径炉管，在转动时由于离心力等的作用，会使得物料扩散至炉管两端，从而大大降低了热解的效果，因此本发明采用T字型抄板15，可以增加物料及球形强化混合介质13的轴向和纵向运动，破坏物料表面的自由表面流，增强传热，进一步提高了热解的效果。

对照图3-5中，中间反应段122内壁沿圆周方向均匀焊接若干T字型抄板15，T字型抄板15包括沿中间反应段122内壁轴向设置的竖长板151以及设置于竖长板远离中间反应段122内壁的一端上的横长板152。

T字型抄板的T形截面上的横长板的长度与竖长板的长度之比的比值为0.3~1.5，优选为0.6~0.8，进一步优选为0.7。即对照图3中为T字型抄板的T形截面，对应图3中横长板的横向长度与竖长板的竖向长度之比为0.3~1.5，优选为0.6~0.8，进一步优选为0.7。

实施例1：

本实施例中，向回转炉管12中加入直径为3mm的γ-Al

组装好整个体系后，开启循环冷凝，并开启氮气，流量为400ml/min，使得整个体系为无氧状态，通气10min后，将10g木质素通过螺旋进料管路4输入至回转炉管12的中间反应段122中，调节氮气流量为300ml/min，开启加热套10，热解反应的温度设定为550℃，并开启旋转，使回转炉管12的旋转速度为7rpm。当温度检测装置11显示为550℃时，继续保持50min。到达反应时间后，关闭加热和旋转，打开热解炉体15进行自然散热，一定时间后，停止通氮气，生物油收集瓶17中收集到液体。最终可得液体2.75g，液体产物产率为27.5%。

实施例2：

本实施例中，向回转炉管12中加入直径为3mm的γ-Al

组装好整个体系后，开启循环冷凝，并开启氮气，流量为400ml/min，使得整个体系为无氧状态，通气10min后，将10g木质素通过螺旋进料管路4输入至回转炉管12的中间反应段122中，调节氮气流量为300ml/min，开启加热套10，热解反应的温度设定为550℃，并开启旋转，使回转炉管12的旋转速度为7rpm。当温度检测装置11显示为550℃时，继续保持50min。到达反应时间后，关闭加热和旋转，打开热解炉体15进行自然散热，一定时间后，停止通氮气，生物油收集瓶17中收集到液体。最终可得液体3.69g，液体产物产率为36.9%。

实施例3：

本实施例中，向回转炉管12中加入直径为3mm的γ-Al

组装好整个体系后，开启循环冷凝，并开启氮气，流量为400ml/min，使得整个体系为无氧状态，通气10min后，将10g木质素通过螺旋进料管路4输入至回转炉管12的中间反应段122中，调节氮气流量为300ml/min，开启加热套10，热解反应的温度设定为550℃，并开启旋转，使回转炉管12的旋转速度为7rpm。当温度检测装置11显示为550℃时，继续保持50min。到达反应时间后，关闭加热和旋转，打开热解炉体15进行自然散热，一定时间后，停止通氮气，生物油收集瓶17中收集到液体。最终可得液体3.17g，液体产物产率为31.7%。

实施例4：

本实施例中，向回转炉管12中加入直径为3mm的γ-Al

组装好整个体系后，开启循环冷凝，并开启氮气，流量为400ml/min，使得整个体系为无氧状态，通气10min后，将10g木质素通过螺旋进料管路4输入至回转炉管12的中间反应段122中，调节氮气流量为300ml/min，开启加热套10，热解反应的温度设定为550℃，并开启旋转，使回转炉管12的旋转速度为7rpm。当温度检测装置11显示为550℃时，继续保持50min。到达反应时间后，关闭加热和旋转，打开热解炉体15进行自然散热，一定时间后，停止通氮气，生物油收集瓶17中收集到液体。最终可得液体2.71g，液体产物产率为27.1%。

对实施例1-4获得的液体产物分别进行测试分析，对液体产物中的有机相使用GC-MS进行分析，着重关注酚类产物，最终结果如表1所示。表1中同时增加一对照组，对照组所使用的炉管内焊有两块一字型抄板，其高度为11mm，厚度2mm，长度400mm，间隔180°，炉管整体长度为680mm，反应段长度为410mm，筒体外径76mm，内径70mm，抄板即置于反应段中；前部进料端长度为270mm，外径40mm，内径35mm。

表1为不同实施例所得液体产物有机相分析，其中，总酚含量、苯酚含量、愈创木酚含量和香兰素含量，均指该种物质占有机物总量的百分数。除回转炉管内结构以及球形强化混合介质填充量占反应器体积百分率有所不同外，使用对照组进行热解木质素的其他反应条件与实施例1-4均相同。

从上述的实验结果可以得出，使用有T字型抄板的回转炉管，与具有一字型抄板的回转炉管相比，有机液体产率更高，且有机物中，总酚类化合物的含量更高，而酚类是一种具有高附加值的化学品，可用于生产很多的下游产品。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。