本發(fā)明涉及一種氣化制炭設(shè)備及氣化制炭工藝，特別涉及一種用于生物質(zhì)原料的氣化制炭設(shè)備及氣化制炭工藝。

背景技術(shù)：

生物質(zhì)資源具有資源豐富、分布廣泛、獲取成本低的特點(diǎn)，是制備炭的常用原料。生物炭是生物有機(jī)材料（生物質(zhì)）在缺氧或絕氧環(huán)境中，經(jīng)高溫?zé)崃呀夂笊傻墓虘B(tài)產(chǎn)物。既可作為高品質(zhì)能源、土壤改良劑，也可作為還原劑、肥料緩釋載體及二氧化碳封存劑等，已廣泛應(yīng)用于固碳減排、水源凈化、重金屬吸附和土壤改良等，可在一定程度上為氣候變化、環(huán)境污染和土壤功能退化等全球關(guān)切的熱點(diǎn)問題提供一個(gè)綠色、可持續(xù)解決方案；生物質(zhì)有機(jī)質(zhì)中蘊(yùn)含的化學(xué)能亦可作為能源加以利用，利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為熱能獲取蒸汽、熱水、導(dǎo)熱油等高品位能量可以替代煤炭等化石能源消耗，消減溫室氣體排放、降低燃煤產(chǎn)生的各種氣固相污染物排放，也是符合全球能源生產(chǎn)發(fā)展趨勢(shì)，廣受關(guān)注的技術(shù)路線。

生物質(zhì)制碳是指生物質(zhì)在合適的條件下被加熱時(shí)，有機(jī)物通過熱解轉(zhuǎn)化為富碳物質(zhì)，即無定形碳的過程。該反應(yīng)稱作干餾過程，也稱作碳化過程。干餾過程中需要將生物質(zhì)從室溫升高到可以促進(jìn)熱解反應(yīng)可發(fā)生的高溫并提供熱量使生物質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)分解，因而是吸熱過程。

傳統(tǒng)的干餾工藝過程中需要將大約10％-20％的原料燃燒來提供干餾所需熱量，該比例取決于干餾工藝和原料的性質(zhì)。這種干餾模式下無需外供熱量，降低了生產(chǎn)成本，但是弊端也很明顯：一部分碳作為熱源被消耗降低了碳產(chǎn)率；燃燒產(chǎn)生的灰殘留在產(chǎn)品碳中降低了產(chǎn)品品質(zhì)；干餾過程中燃燒產(chǎn)生的熱煙氣幾乎不流動(dòng)，生物質(zhì)和熱煙氣之間的換熱效果極差，需要非常長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間（數(shù)小時(shí)到數(shù)天）才能完成干餾過程，大大降低生產(chǎn)效率；干餾氣的產(chǎn)生周期長(zhǎng)，折算到單位時(shí)間的氣產(chǎn)率極低，導(dǎo)致利用困難，如果不加利用排放往往造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

最近發(fā)展的生物質(zhì)干餾技術(shù)有采用固體熱載體供熱提供干餾所需熱量，由于固體熱載體和生物質(zhì)充分混合后直接接觸的傳熱強(qiáng)度大、傳熱效率高，可以增加干餾反應(yīng)強(qiáng)度，減小反應(yīng)器容所需積、降低所需干餾反應(yīng)時(shí)間，大幅度提升工藝競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)高溫?zé)彷d體的種類和加熱熱載體的方式不同，該技術(shù)路線可分為很多流派，但是通常存在需要外部熱源加熱熱載體導(dǎo)致工藝成本增加；采用半焦燃燒提供干餾熱量降低產(chǎn)品炭產(chǎn)量和品質(zhì)；采用干餾氣燃燒加熱熱載體時(shí)存在換熱工藝復(fù)雜等問題，此外固體熱載體干餾工藝普遍存在熱載體和生物質(zhì)混合均勻性不良以及熱載體和成品炭分離困難等弊端。

生物質(zhì)原料的揮發(fā)分含量一般大于原料種類60%（干基），揮發(fā)分中所含的能量通常超過生物質(zhì)原料低位發(fā)熱量的50%，也大于生物質(zhì)熱解后半焦所含能量。因此，即使完全利用揮發(fā)分所含能量提供干餾所需熱量，還有相當(dāng)?shù)哪芰渴Ｓ嗫晒┧谩，F(xiàn)有的生物質(zhì)制炭工藝以高附加值的生物質(zhì)炭為目標(biāo)產(chǎn)物，往往忽視對(duì)生物質(zhì)原料的能源價(jià)值的利用，特別是忽視對(duì)揮發(fā)分中所含能源的利用，這不但導(dǎo)致能源浪費(fèi)，更為嚴(yán)重的是揮發(fā)分排入大氣會(huì)造成嚴(yán)重污染。在生物質(zhì)制炭工藝中整合干餾氣的綜合利用是必要的也是必須的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種氣化制炭設(shè)備，結(jié)構(gòu)合理，便于操作和控制，能在生物質(zhì)干餾氣能量得到充分利用的同時(shí)提升生物質(zhì)炭的生產(chǎn)效率，確保成品生物質(zhì)炭具有較高的產(chǎn)率以及品質(zhì)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種氣化制炭設(shè)備，包括干餾爐體、與所述干餾爐體連通的進(jìn)料機(jī)構(gòu)、一端連通在所述干餾爐體上的出氣管道、連通在所述出氣管道另一端的燃燒機(jī)構(gòu)、分別與所述燃燒機(jī)構(gòu)和所述干餾爐體連通的用于將所述燃燒機(jī)構(gòu)中燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄈ胨龈绅s爐體中的回氣管道、與所述干餾爐體連通的用于冷卻所述干餾爐體中輸出的干餾炭的冷卻機(jī)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述氣化制炭設(shè)備還包括與所述燃燒機(jī)構(gòu)連通的用于接收所述高溫?zé)煔獾挠酂釗Q熱機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種氣化制炭工藝，提高系統(tǒng)的效率、降低工藝成本、實(shí)現(xiàn)能量的充分利用并最終實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的綜合轉(zhuǎn)化和高效利用。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種氣化制炭工藝，使用上述氣化制炭設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，所述氣化制炭工藝包括以下步驟：

（1）將生物質(zhì)原料從進(jìn)料機(jī)構(gòu)中送入干餾爐體中，并從回氣管道向所述干餾爐體中通入高溫氣體，所述高溫氣體流過所述生物質(zhì)原料的顆粒間隙，將熱量傳遞給所述生物質(zhì)原料，所述生物質(zhì)原料的溫度升高，并開始干燥和干餾，以制得干餾炭；

（2）所述生物質(zhì)原料干餾產(chǎn)生的揮發(fā)性干餾氣和所述高溫氣體在所述干餾爐體中混合形成低熱值可燃?xì)猓?dāng)所述低熱值可燃?xì)饫鋮s至設(shè)定值后，將其通過出氣管道通入燃燒機(jī)構(gòu)中；

（3）所述低熱值可燃?xì)馀c空氣在所述燃燒機(jī)構(gòu)中混合并燃燒，將燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^回氣管道通入所述干餾爐體中，用于提供干餾所述生物質(zhì)原料所需的熱量；

（4）將所述干餾爐體中制得的所述干餾炭送入冷卻機(jī)構(gòu)中進(jìn)行冷卻，以得到成品炭。

優(yōu)選地，在所述步驟（1）中，干餾溫度在350-900℃之間。

優(yōu)選地，在所述步驟（1）中，所述生物質(zhì)原料在所述干餾爐體中停留5-120分鐘。

優(yōu)選地，在所述步驟（2）中，當(dāng)所述低熱值可燃?xì)獾臏囟鹊椭?50-600℃之間時(shí)，將其通過所述出氣管道通入所述燃燒機(jī)構(gòu)中。

優(yōu)選地，在所述步驟（3）中，將部分所述高溫?zé)煔馔ㄟ^所述回氣管道通入所述干餾爐體中，將其余的所述高溫?zé)煔馔ㄈ胗酂釗Q熱機(jī)構(gòu)中。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明一種氣化制炭設(shè)備及氣化制炭工藝，在現(xiàn)有制炭工藝技術(shù)和能源利用方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)和創(chuàng)新，通過高溫?zé)煔鈱?duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行高溫干餾炭化，并對(duì)干餾過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性干餾氣進(jìn)行回收利用。將氣體燃料的高效燃燒技術(shù)與生物質(zhì)干餾技術(shù)進(jìn)行科學(xué)集成，通過系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)現(xiàn)有的生物質(zhì)制炭過程進(jìn)行完善，以提高系統(tǒng)的效率、降低工藝成本、實(shí)現(xiàn)能量的充分利用并最終實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的綜合轉(zhuǎn)化和高效利用。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、干餾爐體；2、進(jìn)料機(jī)構(gòu)；3、出氣管道；4、燃燒機(jī)構(gòu)；5、回氣管道；6、冷卻機(jī)構(gòu)；7、余熱換熱機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。

參見圖1所示，上述一種氣化制炭設(shè)備，用于干餾生物質(zhì)原料以氣化制炭。

這里的生物質(zhì)原料包括：綠色植物利用光合作用形成的木材、秸稈、果實(shí)等木質(zhì)和非木質(zhì)類生物質(zhì)有機(jī)物質(zhì)；前述生物質(zhì)原料經(jīng)過直接或者間接利用、加工、處理后形成的殘?jiān)?、廢料或者中間產(chǎn)物，例如糠醛渣、廢棄模板、廢棄物衍生燃料（rdf）、酒糟、稻殼等。該生物質(zhì)原料的特征為，物質(zhì)主體由含碳的天然有機(jī)高分子聚合物：纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中的一種或者若干種組合構(gòu)成。

該氣化制炭設(shè)備包括干餾爐體1、與干餾爐體1連通的進(jìn)料機(jī)構(gòu)2、一端連通在該干餾爐體1上的出氣管道3、連通在該出氣管道3另一端的燃燒機(jī)構(gòu)4、分別與該燃燒機(jī)構(gòu)4和該干餾爐體1連通的回氣管道5、與干餾爐體1連通的用于冷卻干餾爐體1中輸出的干餾炭的冷卻機(jī)構(gòu)6。該回氣管道5用于將該燃燒機(jī)構(gòu)4中燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄈ敫绅s爐體1中，以提供干餾生物質(zhì)原料所需的熱量。冷卻機(jī)構(gòu)6中用于輸出冷卻后制得的成品炭。出氣管道3連通在干餾爐體1的上部，回氣管道5連通在干餾爐體1的下部。

在本實(shí)施例中，該干餾爐體1為氣體熱載體填充床干餾裝置，即通過高溫氣體對(duì)其中的生物質(zhì)原料進(jìn)行高溫干餾。該進(jìn)料機(jī)構(gòu)2為設(shè)于該干餾爐體1上方的生物質(zhì)原料儲(chǔ)倉。該燃燒機(jī)構(gòu)4為流態(tài)化低熱值燃?xì)馊紵b置。該冷卻機(jī)構(gòu)6為水冷裝置，

該氣化制炭設(shè)備還包括與燃燒機(jī)構(gòu)4連通的用于接收高溫?zé)煔獾挠酂釗Q熱機(jī)構(gòu)7。該余熱換熱機(jī)構(gòu)7為余熱鍋爐，用于生產(chǎn)熱水、蒸汽或?qū)嵊偷?，?shí)現(xiàn)熱量的回收利用。

上述一種氣化制炭工藝，包括以下步驟：

（1）將直徑3cm、長(zhǎng)度3-5cm的木質(zhì)生物質(zhì)成型顆粒從進(jìn)料機(jī)構(gòu)2中連續(xù)送入填充床干餾裝置的上部進(jìn)口，這里的木質(zhì)生物質(zhì)原料為非粉末狀，可以是顆粒狀、塊狀、片狀或成型處理后的其他形狀；生物質(zhì)顆粒在填充床干餾裝置中依靠重力緩慢向下移動(dòng)，移動(dòng)速度受控于填充床干餾裝置下部的干餾炭的排出速度，進(jìn)入填充床干餾裝置中的生物質(zhì)顆粒與從填充床干餾裝置下部回氣管接口處送入的850℃高溫氣體在相對(duì)流動(dòng)的過程中發(fā)生直接接觸，高溫氣體流過生物質(zhì)顆粒間隙并將熱量傳遞給生物質(zhì)顆粒，生物質(zhì)顆粒的溫度由室溫開始升高并依次開始干燥和干餾，干餾發(fā)生的溫度在400-850℃之間，生物質(zhì)顆粒在填充床干餾裝置中停留時(shí)間為40分鐘，以確保干餾徹底；

（2）生物質(zhì)顆粒干餾產(chǎn)生的揮發(fā)性干餾氣和用于提供干餾所需熱量并已經(jīng)被冷卻到一定程度的高溫氣體在填充床干餾裝置中混合后形成低熱值可燃?xì)?，?dāng)?shù)蜔嶂悼扇細(xì)獾臏囟仍?00℃左右時(shí)，將低熱值可燃?xì)馔ㄟ^填充床干餾裝置頂部的出氣管道3排出，利用高溫煤氣風(fēng)機(jī)送往流態(tài)化低熱值燃?xì)馊紵b置中；對(duì)于含水量在20%左右的木質(zhì)生物質(zhì)顆粒原料，該低熱值可燃?xì)獾臀话l(fā)熱量為1100kcal/nm³左右；

（3）低熱值可燃?xì)庠诹鲬B(tài)化低熱值燃?xì)馊紵b置中與空氣進(jìn)行混合燃燒，在流態(tài)化低熱值燃?xì)馊紵b置中放置大量惰性的石英砂循環(huán)物料，可以為低熱值可燃?xì)獾闹鹑紵峁嵩床⑵揭秩紵齾^(qū)域內(nèi)大量放熱導(dǎo)致的局部溫度升高，以確保低熱值可燃?xì)夂涂諝獾某浞只旌?、高效燃盡以及抑制氮氧化物生產(chǎn)，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉁囟仍?50℃左右，將一部分高溫?zé)煔馔ㄟ^回氣管道5通入填充床干餾裝置中，用于提供干餾生物質(zhì)顆粒所需的熱量，將其余的高溫?zé)煔馔ㄈ胗酂徨仩t中，用于生產(chǎn)工業(yè)用高溫蒸汽，實(shí)現(xiàn)熱量的回收利用；

（4）使干餾產(chǎn)生的干餾炭持續(xù)移動(dòng)并最終離開填充床干餾裝置，經(jīng)過內(nèi)部和外部都設(shè)置水冷結(jié)構(gòu)的絞龍構(gòu)成的冷卻機(jī)構(gòu)6中進(jìn)行冷卻后，即得到成品炭。

本發(fā)明一種氣化制炭設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，便于操作和控制，能在生物質(zhì)干餾氣能量得到充分利用的同時(shí)提升生物質(zhì)炭生產(chǎn)效率，確保成品生物質(zhì)炭具有較高的產(chǎn)率以及品質(zhì)。

本發(fā)明一種氣化制炭工藝的有益效果體現(xiàn)在：

利用高溫氣體作為熱載體提供生物質(zhì)干餾所需熱量，填充床干餾裝置內(nèi)高溫氣體和生物質(zhì)顆?？梢灾苯咏佑|換熱，較快流動(dòng)的氣體流過慢速移動(dòng)的固體且在固體顆粒內(nèi)不規(guī)則空隙間受到頻繁擾動(dòng)，大大提升了氣體向顆粒表面的換熱系數(shù)，可以確保生物質(zhì)顆粒溫度迅速提升，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成干餾。該機(jī)制大幅度提高了干餾反應(yīng)容積強(qiáng)度，從而降低了工藝所需時(shí)間以及空間，大幅度降低了工藝成本。

氣體熱載體在填充床干餾裝置中穿流而過，在生物質(zhì)原料高溫下完成干餾，形成干餾炭，排出填充床干餾裝置冷卻后即為成品生物質(zhì)炭，無需進(jìn)行產(chǎn)物分離，生物質(zhì)在填充床干餾裝置內(nèi)干餾完全依靠高溫惰性的煙氣，幾乎不發(fā)生固相半焦被燃燒消耗的情況，有效地確保了較高的生物質(zhì)炭產(chǎn)率以及生物質(zhì)炭較低的含灰率。

填充床干餾裝置中產(chǎn)生的干餾氣和作為熱載體的煙氣混合成為低熱值可燃?xì)夂笠?，其引出溫度可以通過生物質(zhì)原料的給入量和高溫?zé)煔獾囊肓康亩嗌凫`活控制，確保引出的低熱值可燃?xì)獾臏囟瓤梢越?jīng)濟(jì)可靠地輸運(yùn)到流態(tài)化低熱值燃?xì)馊紵b置中，且低熱值可燃?xì)庵械目赡越褂徒M分不在回氣管道5中發(fā)生冷凝。

流態(tài)化低熱值燃?xì)馊紵b置適合燃燒處理低熱值燃?xì)?，具有燃燒溫度均勻可控、燃燒效率高、所需過量空氣系數(shù)小、氮氧化物排放濃度低的特性，非常適合燃燒用干餾氣和作為熱載體的煙氣混合形成低熱值可燃?xì)?，可以確保攜帶了生物質(zhì)原料中較大份額能量的干餾氣得到充分的燃燒利用。

流態(tài)化低熱值燃?xì)馊紵b置中產(chǎn)生的高溫燃?xì)庵幸徊糠忠靥畛浯哺绅s裝置中，以氣體熱載體的形式提供制炭干餾所需能量，無需系統(tǒng)外能量供應(yīng)，即簡(jiǎn)化了工藝流程也能降低工藝成本。多余的高溫?zé)煔饪梢栽谟酂徨仩t中生產(chǎn)熱水、蒸汽、導(dǎo)熱油，實(shí)現(xiàn)熱量利用。進(jìn)一步提升工藝的能效和競(jìng)爭(zhēng)力。

該氣化制炭工藝在高效制炭的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了原料中熱量的綜合高效利用，工藝流程科學(xué)合理，綜合利用程度高，便于操作和控制。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。