本發(fā)明涉及生物質能源領域，更具體地，涉及一種太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理方法及裝置。

背景技術：

全球經濟的發(fā)展、人口的增長以及生活水平的提高造成了能源需求的急劇增加，與此同時，也導致了常規(guī)能源的日益枯竭和日趨嚴重的環(huán)境污染。生物質能源作為最大的可再生能源，也是唯一的可再生的碳源，其有效利用可替代常規(guī)能源，緩解污染和減少溫室氣體排放。通過燃燒、氣化、熱解、厭氧發(fā)酵、酯交換及致密成型等技術，可將生物質轉化為熱量和燃氣、生物油和炭三相產物和固體顆粒燃料，作為能源、化工和環(huán)保原料。相比常規(guī)能源，生物質含水量高、富含纖維素、熱值低、吸水性強、密度低等特性使其收、儲、運成本高且難以粉碎或加工處理，也難以實現(xiàn)較高的轉化效率，限制了其規(guī)?；瘧?，經濟、合理的生物質預處理技術研發(fā)成為世界各國關注的熱點。

生物質原料烘焙預處理技術作為一項前景廣闊的生物質預處理技術得到國內外廣泛關注。國外針對生物質烘焙反應機理的研究和以成型燃料為主的應用進行了細致研究，一些國家已開始商用，文獻顯示國外個別項目的處理量可達6t/h；國內一些科研單位也進行了相應的研究，但尚處于實驗研究階段，示范應用較少。

生物質烘焙是一種低溫（200～300℃）慢速熱解過程。烘焙預處理后的生物質物性一致，含水低、具有疏水性、易于粉碎和儲存，烘培后生物質中o/c比和h/c比較低，使其熱值大為提高，烘焙后的生物質，一般情況下，重量減少約30%，但熱量僅減少約10%。

生物質烘焙工藝主要分為干法（低溫熱解）、濕法和水蒸氣法三種；濕法烘焙將生物質在烘焙溫度下的高壓水浸泡實現(xiàn)，水蒸氣法是采用烘焙溫度下飽和蒸汽對生物質進行氣爆實現(xiàn)，濕法和水蒸氣法烘焙的液相產物均與水相溶或混合，后期處理工藝繁雜，相比之下，干法工藝簡單經濟，其設備主要有流化床、移動床和固定床三種。螺旋烘焙反應器作為一種移動床反應器可消除流化床氣流攜帶形成的產物損失和固定床內部溫度不均，結構緊湊，運行平穩(wěn)，是一種十分有前景的烘焙反應器。

根據(jù)烘焙溫度的不同，生物質烘焙分為輕度烘焙（200～235℃）、中度烘焙（235～275℃）和重度烘焙（275～300℃）。不考慮少量灰分和抽提物的前提下，生物質主要由半纖維素（30%）、纖維素（40%）和木質素（30%）三種組分組成，熱重分析顯示，當烘焙溫度低于220℃，水分的蒸發(fā)是主要的反應，半纖維素的熱解從200℃開始，到315℃完全熱解，纖維素的熱解啟始溫度和終溫度分別是315℃和400℃，而木質素的熱解是從160℃到900℃的一個緩慢的過程。

生物質中水分的存在，使其比熱容增加，延長生物質在烘焙反應器中的駐留時間，降低了生產效率，另外，烘焙初期水分的蒸發(fā)首先進行，在烘焙的高溫氣相產物中形成了一定的分壓力，對半纖維素、纖維素和木質素三種組分的烘焙揮發(fā)物析出形成干涉，影響了烘焙反應的進程和產物的質量。采用低溫熱解法進行的生物質烘焙，是一種吸熱反應，其熱源一般來自自身揮發(fā)物的燃燒輔以少量外部熱源，受原料種類以及原料初始含水量影響，要得到理想的烘焙產物，在水分含量較高或因生物質微觀結構致密時，將依靠更多的外部熱源輸入、或者增加烘焙深度，前者意味著成本的增加，而后者往往難以保證烘焙產物的質量。生物質物料本身具有多樣性，而下一級用戶對于烘焙產物的要求相對一致，增加了生物質分配過程控制的復雜性，要求生物質烘焙預處理系統(tǒng)在基于能源合理匹配條件下具有良好的原料適應性。

綜上所述，根據(jù)生物質的特性，有機結合適當?shù)目稍偕茉醋鳛橥獠繜嵩?，采用合理的工藝，充分利用烘焙揮發(fā)物燃燒的熱量，減少生物質在烘焙反應器中駐留時間，提高生產效率的同時依據(jù)烘焙產物品質要求，針對不同種類、不同含水量的生物質原料，進行定制化生產，將有助于生物質烘焙預處理技術的產業(yè)化應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術存在的上述問題，提供一種太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理方法。

本發(fā)明的第二個目的是提供實現(xiàn)上述方法的裝置，即一種太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理裝置。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案予以實現(xiàn)的：

一種太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理的方法，包括以下步驟：

s1.利用太陽能作為輔助熱源，將自然風干、水分含量為14～16%、經尺寸處理后的生物質進行生物質干化脫水；

s2.利用常規(guī)能源對生物質螺旋烘焙反應器進行預熱，將干化脫水后的生物質送入生物質螺旋烘焙反應器中進行烘焙反應，待烘焙揮發(fā)物能夠點燃后，停用常規(guī)能源，烘焙后得到的固相產物經冷卻后可以儲存或進行下一級應用，烘焙揮發(fā)物與空氣混合進行燃燒，燃燒產生的高溫熱煙氣混配空氣到設定溫度后，進入生物質螺旋烘焙反應器，為烘焙反應提供熱量，從生物質螺旋烘焙反應器排出的中溫煙氣與空氣進行換熱后排空，被加熱的空氣用于生物質的干化脫水的主熱源。

本發(fā)明是將生物質烘焙過程分為干化脫水和低溫熱解兩步進行，利用太陽能作為輔助熱源，且充分利用烘焙揮發(fā)物燃燒作為反應主熱源和梯級能量利用方式分別為生物質螺旋熱解反應和干化脫水供熱，實現(xiàn)具有廣泛生物質物料適應性且效率較高的生物質烘焙預處理定制化生產。

優(yōu)選地，s1所述生物質進行干化脫水后殘余水分小于5%。

優(yōu)選地，s2所述烘焙反應中，生物質在生物質螺旋烘焙反應器內的時間為25～30min。

優(yōu)選地，s1所述生物質干化脫水的溫度為120～130℃。

優(yōu)選地，s2所述設定溫度是指比生物質烘焙所需溫度高50℃，生物質烘焙揮發(fā)物中含有＜1%的灰分，燃燒后將部分粘附于換熱表面，提高的溫度用于抵消換熱表面積灰對于換熱的影響。

本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)上述方法的裝置，包括依次連接的循環(huán)泵、導熱油爐、生物質干化脫水反應器、生物質螺旋烘焙反應器、空氣加熱器，所述導熱油爐上設有太陽能集熱器和與太陽能集熱器相對的受熱面，所述生物質螺旋烘焙反應器還分別與揮發(fā)物燃燒器、柴油燃燒器相連，空氣加熱器還與鼓風機相連，所述空氣加熱器的出口管道通向生物質干化脫水反應器。

優(yōu)選地，所述生物質干化脫水反應器內壁設有熱管，且導熱油爐和生物質干化脫水反應器間通過導熱油循環(huán)傳熱，通過熱管將熱量傳遞給生物質。

優(yōu)選地，所述生物質干化脫水反應器還與生物質尺寸預處理裝置相連，使得針對不同種類的生物質，方便進行尺寸預處理。

作為一種具體的實施方案，本發(fā)明利用所述裝置進行生物質預處理的方法，包括以下步驟：

s1.生物質干化脫水：太陽光經過太陽能集熱器集熱后，集中反射到導熱油爐的受熱面上，熱量通過爐內導熱油和循環(huán)泵的作用傳遞到生物質干化脫水反應器內壁的熱管，由熱管將熱量傳遞給生物質，為生物質的干化脫水提供部分熱源；

s2.生物質烘焙：利用柴油燃燒器對生物質螺旋烘焙反應器預熱到設定溫度，經生物質干化脫水反應器脫水后的生物質送入生物質螺旋烘焙反應器中進行烘焙反應，烘焙揮發(fā)物能夠點燃后，關閉柴油燃燒器，烘焙后得到的固相產物經冷卻后可以儲存或進行下一級應用，烘焙產生的揮發(fā)物進入揮發(fā)物燃燒器中與空氣混合進行燃燒，燃燒產生的高溫熱煙氣混配空氣到設定溫度后，通過揮發(fā)物燃燒器的出口管道進入生物質螺旋烘焙反應器，為烘焙反應提供熱量，從生物質螺旋烘焙反應器排出的中溫煙氣進入空氣加熱器，并與鼓風機輸出的空氣進行換熱后排空，被加熱的空氣還通過空氣加熱器的出口管道進入生物質干化脫水反應器用于生物質的干化脫水的主熱源，實現(xiàn)了梯級能量利用。

本發(fā)明所述利用裝置進行生物質預處理的方法中，所述生物質干化脫水不僅利用了太陽能，還通過與烘焙揮發(fā)物燃燒熱煙氣加熱的空氣的協(xié)同作用進行生物質干化脫水。

本發(fā)明所述預處理方法包含兩個層次的方案，一是鼓風機、空氣加熱器、生物質螺旋烘焙反應器、生物質干化脫水反應器、揮發(fā)物燃燒器、柴油燃燒器間有機集成形成的兩步法生物質烘焙技術方案，二是導熱油爐、循環(huán)泵、太陽能集熱器與上一層次有機集成形成的太陽能輔助兩步法生物質烘焙預預處理技術方案。

針對微觀結構致密、難以烘焙的生物質，通過調整生物質的進料速率實現(xiàn)，以秸稈類松軟生物質進料速率為基準，對于硬質果殼類生物質，進料速率為秸稈類松軟生物質進料速率的80%；針對不同含水量生物質的運行調節(jié)，主要通過調整生物質的進料速率實現(xiàn)，一般情況下，自然風干生物質的含水量為15%，設為基準含水率，其對應的進料速率為基準進料速率，當水分不同時按下式計算：

式中：

s：進料速率，kg/h

sb:基準進料速率，kg/h

m：物料含水率，%

mb:基準含水率，%

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供了一種太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理方法，包括s1.利用太陽能作為輔助熱源，將自然風干、水分含量為14～16%、經尺寸處理后的生物質進行生物質干化脫水；s2.利用常規(guī)能源對生物質螺旋烘焙反應器進行預熱，將干化脫水后的生物質送入生物質螺旋烘焙反應器中進行烘焙反應，待烘焙揮發(fā)物能夠點燃后，停用常規(guī)能源，烘焙后得到的固相產物經冷卻后可以儲存或進行下一級應用，烘焙揮發(fā)物與空氣混合進行燃燒，燃燒產生的高溫熱煙氣混配空氣到設定溫度后，進入生物質螺旋烘焙反應器，為烘焙反應提供熱量，從生物質螺旋烘焙反應器排出的中溫煙氣與空氣進行換熱后排空，被加熱的空氣用于生物質的干化脫水的主熱源。使生物質物料先通過干化脫水先去除水分，降低物料的比熱容，消除烘焙初期水分蒸發(fā)在烘焙的高溫氣相產物中形成的分壓力及其對對半纖維素、纖維素和木質素三種組分的烘焙揮發(fā)物析出形成干涉，有利于物料在生物質螺旋烘焙反應器中升溫和烘焙揮發(fā)物的析出，保證了烘焙產物的質量，也將有效減少生物質在生物質螺旋烘焙反應器中的駐留時間，提高生產效率；另外通過揮發(fā)物燃燒器產生的高溫煙氣和生物質螺旋烘焙反應器排出的中溫煙氣的分別應用，提高了能源利用率，實現(xiàn)了梯級能量利用；由于太陽能輔助熱源的介入，可以在不提高烘焙深度從而影響烘焙產物質量的條件下，提高整套裝置對于生物質物料種類、含水量的適應性，從而實現(xiàn)針對不同種類、不同含水量生物質物料滿足統(tǒng)一烘焙產物質量要求的定制化生物質烘焙預處理生產。

附圖說明

圖1為太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理裝置連接示意圖。

圖2為太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理流程圖。

附圖標記說明：1-鼓風機；2-空氣加熱器；3-生物質螺旋烘焙反應器；4-生物質干化脫水器；5-導熱油爐；6-循環(huán)泵；7-太陽能集熱器；8-生物質尺寸預處理裝置；9-揮發(fā)物燃燒器；10-柴油燃燒器；11-受熱面；12-揮發(fā)物燃燒器的出口管道；13-空氣加熱器的出口管道。

具體實施方式

下面將結合說明書附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明的內容，但不應理解為對本發(fā)明的限制。不背離本發(fā)明精神和實質的情況下，對本發(fā)明方法、步驟、條件所作的修改或替換，均屬于本發(fā)明的范圍。若無特別說明，實施例中所用的實驗方法均為本領域技術人員所熟知的常規(guī)方法和技術，試劑或材料均為通過商業(yè)途徑得到。

本發(fā)明具體實施例方式中的太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理可以通過一個預處理裝置實現(xiàn)，該裝置包括依次連接的循環(huán)泵6、導熱油爐5、生物質干化脫水反應器4、生物質螺旋烘焙反應器3、空氣加熱器2，所述導熱油爐5上設有太陽能集熱器7和與太陽能集熱器7相對的受熱面11，所述生物質螺旋烘焙反應器3還分別與揮發(fā)物燃燒器9、柴油燃燒器10相連，空氣加熱器2還與鼓風機1相連，所述空氣加熱器2的出口管道通向生物質干化脫水反應器4。

具體地，所述生物質螺旋烘焙反應器3的出口與揮發(fā)物燃燒器9的入口相連。

其中，所述生物質干化脫水反應器4內壁設有熱管，且導熱油爐5和生物質干化脫水反應器4間通過導熱油循環(huán)傳熱，通過熱管將熱量傳遞給生物質。

其中，所述揮發(fā)物燃燒器9的出口管道12通向生物質螺旋烘焙反應器生物質螺旋烘焙反應器3。

其中，所述生物質干化脫水反應器4還與生物質尺寸預處理裝置8相連。

實施例1

一種太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理的方法，包括以下步驟：

s1.利用太陽能作為輔助熱源，與烘焙揮發(fā)物燃燒協(xié)同作用進行生物質烘焙預處理，具體是將水分含量15%、經尺寸處理（截斷）后的玉米秸稈（尺寸為30mm以下）進行干化脫水（干化脫水的溫度為120℃，玉米秸稈殘余水分為2.5～3%），進料速率為5kg/h；

s2.利用柴油燃燒對生物質螺旋烘焙反應器預熱到260℃，將干化脫水后的玉米秸稈送入生物質螺旋烘焙反應器中進行烘焙反應，待烘焙揮發(fā)物能夠點燃后，停止柴油燃燒器，烘焙后得到的固相產物經冷卻后可以儲存或進行下一級應用，烘焙揮發(fā)物與空氣混合進行燃燒，燃燒產生的高溫熱煙氣混配空氣到260℃后，進入生物質螺旋烘焙反應器，為烘焙反應提供熱量（烘焙反應時間為25min），從生物質螺旋烘焙反應器排出的中溫熱煙氣與空氣進行換熱后排空，被加熱的空氣用于生物質的干化脫水。

玉米秸稈烘焙后的固相產物揮發(fā)分含量減少21.5%，烘焙后剩余能量占比90.59%。

實施例2

一種太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理的方法，包括以下步驟：

s1.利用太陽能作為輔助熱源，與烘焙揮發(fā)物燃燒協(xié)同作用進行生物質烘焙預處理，具體是將水分含量14%、經尺寸處理（截斷）后的稻殼（尺寸為30mm以下）進行干化脫水（干化脫水的溫度為125℃，稻殼殘余水分為4～5%），進料速率為4.8kg/h；

s2.利用柴油燃燒對生物質螺旋烘焙反應器預熱到300℃，將干化脫水后的稻殼送入生物質螺旋烘焙反應器中進行烘焙反應，待烘焙揮發(fā)物能夠點燃后，停止柴油燃燒器，烘焙后得到的固相產物經冷卻后可以儲存或進行下一級應用，烘焙揮發(fā)物與空氣混合進行燃燒，燃燒產生的高溫熱煙氣混配空氣到300℃后，進入生物質螺旋烘焙反應器，為烘焙反應提供熱量（烘焙反應時間為27min），從生物質螺旋烘焙反應器排出的中溫熱煙氣與空氣進行換熱后排空，被加熱的空氣用于生物質的干化脫水。

稻殼烘焙后的固相產物揮發(fā)分含量減少24.8%，烘焙后剩余能量占比84.94%。

實施例3

一種太陽能協(xié)同兩步法生物質螺旋烘焙預處理的方法，包括以下步驟：

s1.利用太陽能作為輔助熱源，與烘焙揮發(fā)物燃燒協(xié)同作用進行生物質烘焙預處理，具體是將水分含量15%的油茶殼進行干化脫水（干化脫水的溫度為130℃，油茶殼殘余水分為1.5～2.5%），進料速率為4kg/h；

s2.利用柴油燃燒對生物質螺旋烘焙反應器預熱到330℃，將干化脫水后的油茶殼送入生物質螺旋烘焙反應器中進行烘焙反應，待烘焙揮發(fā)物能夠點燃后，停止柴油燃燒器，烘焙后得到的固相產物經冷卻后可以儲存或進行下一級應用，烘焙揮發(fā)物與空氣混合進行燃燒，燃燒產生的高溫熱煙氣混配空氣到330℃后，進入生物質螺旋烘焙反應器，為烘焙反應提供熱量（烘焙反應時間為30min），從生物質螺旋烘焙反應器排出的中溫熱煙氣與空氣進行換熱后排空，被加熱的空氣用于生物質的干化脫水。

油茶殼烘焙后的固相產物揮發(fā)分含量減少29.5%，烘焙后剩余能量占比84.75%。

實施例4

本實施例針對玉米秸稈（水分含量為20%），其預處理方法和過程包括以下步驟：

s1.生物質被處理為需要的尺寸（30mm），進料速率為3.5kg/h，進入生物質干化脫水反應器4；

s2.生物質干化脫水：太陽光經過太陽能集熱器7集熱后，集中反射到導熱油爐5的受熱面11上，熱量通過爐內導熱油爐5和循環(huán)泵6的作用傳遞到導熱油爐5內壁的熱管，通過熱管與生物質干化脫水反應器4內部物料的換熱，通過與烘焙揮發(fā)物燃燒協(xié)同作用，實現(xiàn)生物質干化脫水反應器4內對s1處理后的生物質進行干燥脫水，提供輔助熱源，其中，導熱油爐內的導熱油的溫度為150℃，生物質干化脫水反應器4內的溫度為130℃，在生物質干化脫水后，玉米秸稈殘余水分為2.5～3%；

s3.生物質烘焙：利用柴油燃燒器10對生物質螺旋烘焙反應器3預熱到260℃，生物質干化脫水反應器4脫水后的生物質送入生物質螺旋烘焙反應器3中進行烘焙反應，烘焙揮發(fā)物能夠點燃后，關閉柴油燃燒器10，烘焙后得到的固相產物經冷卻后可以儲存或進行下一級應用，烘焙揮發(fā)物進入揮發(fā)物燃燒器9中與空氣混合進行燃燒，燃燒產生的高溫熱煙氣混配空氣到260℃后，通過揮發(fā)物燃燒器9的出口管道12再次進入生物質螺旋烘焙反應器3（在生物質螺旋烘焙反應器內的時間在25min），為烘焙反應提供熱量，從生物質螺旋烘焙反應器3排出的中溫煙氣進入空氣加熱器2，并與鼓風機1輸出的空氣進行換熱后排空，被加熱的空氣（溫度為130℃）還通過空氣加熱器2的出口管道13進入生物質干化脫水反應器4用于生物質的干化脫水的主熱源，實現(xiàn)了梯級能量利用。

玉米秸稈烘焙后的固相產物揮發(fā)分含量減少26.11%，烘焙后剩余能量占比90.13%。

實施例5

本實施例針對松子殼（水分含量為13%），其預處理方法和過程包括以下步驟：

s1.將松子殼直接投入生物質干化脫水反應器4，進料速率為4kg/h；

s2.生物質干化脫水：太陽光經過太陽能集熱器7集熱后，集中反射到導熱油爐5的受熱面11上，熱量通過爐內導熱油5和循環(huán)泵6的作用傳遞到導熱油爐5內壁的熱管，通過熱管與生物質干化脫水反應器4內部物料的換熱，通過與烘焙揮發(fā)物燃燒協(xié)同作用，實現(xiàn)生物質干化脫水反應器4內對s1處理后的生物質進行干燥脫水，提供輔助熱源，其中，導熱油爐內的導熱油的溫度為150℃，生物質干化脫水反應器內的溫度為125℃，在生物質干化脫水過程后，生物質殘余水分為1.5～2%；

s3.生物質烘焙：利用柴油燃燒器10對生物質螺旋烘焙反應器3預熱到325℃，生物質干化脫水反應器4脫水后的生物質送入生物質螺旋烘焙反應器3中進行烘焙反應，烘焙揮發(fā)物能夠點燃后，關閉柴油燃燒器10，烘焙后得到的固相產物經冷卻后可以儲存或進行下一級應用，烘焙揮發(fā)物進入揮發(fā)物燃燒器9中與空氣混合進行燃燒，燃燒產生的高溫熱煙氣混配空氣到325℃后，通過揮發(fā)物燃燒器9的出口管道12進入生物質螺旋烘焙反應器3（在生物質螺旋烘焙反應器內的時間在30min），為烘焙反應提供熱量，從生物質螺旋烘焙反應器3排出的中溫熱煙氣進入空氣加熱器2，并與鼓風機1輸出的空氣進行換熱后排空，被加熱的空氣（溫度為130℃）還通過空氣加熱器2的出口管道進入生物質干化脫水反應器4用于生物質的干化脫水的熱源之一，實現(xiàn)了梯級能量利用。

松子殼烘焙后的固相產物揮發(fā)分含量減少28.79%，烘焙后剩余能量占比85.11%。