一種生物質熱解炭化設備及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物質能源利用技術領域，特別涉及到一種生物質熱解炭化設備及其控制方法。
【背景技術】
[0002]炭是工業生產和日常生活中基本的能源之一，近年來由于需求量的增加，林業部門為保護森林資源和生態平衡，禁止亂砍濫伐及成材燒炭，使得木炭供需矛盾日趨緊張。于是生物質炭應運而生，有效緩解了木炭供應緊張的局勢。生物質炭與傳統木炭相比，具有以下優點:以廢棄物為原料來代替木材，變廢為寶，化害為利，有利于保護森林資源及維持生態平衡，減輕對環境的污染。
[0003]生物質熱解炭化設備包括兩種類型，即窯式熱解炭化爐和固定床式熱解炭化反應爐。其中窯式熱解炭化爐是在傳統土窯炭化工藝基礎上發展的新爐型，在產炭的同時可以回收熱解過程中的氣液產物，目前國內外對窯式炭化爐體研究主要集中在利用現代化工藝和制造手段改進傳統爐體上，已出現很多窯式炭化爐專利。該種制炭的溫升不易控制，以經驗操作為主，制炭質量難以達到最佳，并燃燒一部分煤炭或木材以實現外加熱。制炭場所只能在野外，增加了原料與產品的運輸成本，而且制炭熱解氣只能排放，造成了能量的浪費。
[0004]上世紀70年代開始，生物質固定床熱解炭化技術得到迅猛發展，各種炭化爐爐型結構大量出現。生物質固定床式熱解炭化反應設備的優點是運動部件少、制造簡單、成本低、操作方便，可通過改變煙道和排煙口位置及處理頂部密封結構來影響氣流流動從而達到熱解反應穩定、得炭率高的目的，更適合于小規模制炭。
[0005]固定床式炭化設備按照傳熱方式的不同又可分為外燃料加熱式和內燃式:
外加熱式固定床熱解炭化系統包含加熱爐和熱解爐兩部分，由外加熱爐體向熱解爐提供熱解所需能量。加熱爐多采用管式爐，其最大優點是溫度控制方便、精確，可提高生物質能源利用率，改進熱解產品質量，但需消耗其它形式的能源。
[0006]內燃式固定床熱解炭化爐的燃燒方式類似于傳統的窯式炭化爐，需在爐內點燃生物質燃料，依靠燃料自身燃燒所提供的熱量維持熱解。內燃式炭化爐與外熱式的最大區別是熱量傳遞方式的不同，外熱式為熱傳導，而內燃式炭化爐是熱傳導、熱對流、熱輻射三種傳遞方式的組合。內燃式固定床熱解炭化爐熱解過程不消耗任何外加熱量，反應本身和原料干燥均利用生物質自身產熱，熱效率較高，但生物質物料消耗較大，且為了維持熱解的缺氧環境，燃燒不充分，升溫速率較緩慢，熱解過程中溫升不易控制。
[0007]炭化過程中，生物質材料棒的溫度均衡并按溫度曲線升溫對制出炭的質量至關重要，傳統制炭方法全憑人員的經驗控制，無精度可言，因此一爐炭制成后，窯內不同位置的炭品質不一致，制炭質量不佳。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提出一種生物質熱解炭化設備及其控制方法，以改善制炭質量。
[0009]本發明的生物質熱解炭化設備由爐體、蓋板和架設于爐體內部上方的內鍋構成，所述爐體設有煙氣排放口，所述蓋板密封扣合于爐體上，蓋板與爐體形成加熱腔，蓋板與內鍋形成炭化腔，所述蓋板對應于內鍋上方的位置處設有可開啟及關閉的濕氣排放口 ；所述內鍋底面與加熱腔的底壁之間形成炭化爐爐膛，所述爐膛內放置有燃燒器；所述炭化腔與一個延伸至爐體外部的熱解氣通道連接。
[0010]進一步地，所述煙氣排放口有多個，并均勻分布于爐體的側壁，所述爐體設有若干個溫度傳感器，以探測加熱腔的溫度分布情況；所述每個煙氣排放口均設有用于改變煙氣排放口開度的煙氣排放調節閥；所述溫度傳感器、煙氣排放調節閥均與一個控制單元電連接，所述控制單元根據溫度傳感器的信息來控制煙氣排放調節閥的開度。
[0011 ] 進一步地，所述煙氣排放口與一個煙氣排放管道連接，所述煙氣排放管道設有抽風機，所述抽風機與控制單元電連接。通過一個統一的煙氣排放管道來排放煙氣，有助于控制污染，而且抽風機可以調節排氣功率，進而影響加熱腔的溫度------當抽風機的排氣功率較大時，加熱腔內的熱氣排出速度較快，帶走加熱腔內的熱量的速度較快，加熱腔的溫度就會降低，反之，加熱腔的溫度就會升高。
[0012]進一步地，所述熱解氣通道設有與控制單元電連接的閥門，這樣可以在炭化作業的初始階段(即生物質材料棒的干燥過程)關閉閥門，避免濕氣進入到鍋爐內，而只在生物質材料棒熱解時打開閥門，使得炭化所產生的熱解氣純凈。
[0013]進一步地，所述炭化腔內設有若干個熱電偶，以探測炭化腔內的溫度分布情況，以便于控制單元根據炭化腔內的溫度分布情況來控制其它部件的工作，盡量使得炭化腔內的溫度分布均勻。
[0014]進一步地，所述炭化腔內放置有若干個頂部開口的鐵籠框，且相鄰鐵籠框之間留有間隙。將生物質材料棒豎直放入鐵籠框內，然后再將鐵籠框放入到內鍋內，炭鍋內可放入多層多個鐵籠框，每層之間留有空間，利用炭化腔內的熱傳輸而達到溫度平衡。
[0015]生物質炭化爐的燃燒器在燃燒時產生的煙氣通過爐體的煙氣排放口排出。
[0016]上述生物質熱解炭化設備的控制方法包括如下步驟:
A:將生物質材料棒放入鐵籠框內，并將鐵籠框放入內鍋內，將蓋板密封扣合于爐體上;
B:利用燃燒器對內鍋進行加熱，并利用燃燒器的燃料供給、煙氣排放口的開度、以及抽風機的抽風功率來控制炭化腔內的溫升速度，使炭化腔內的溫升曲線符合預定曲線；
C:在加熱過程中，利用溫度傳感器探測加熱腔的溫度分布情況，并根據加熱腔、的溫度分布情況來控制煙氣排放口的開度，從而調節加熱腔的溫度分布情況，并使得加熱腔的溫度分布均勻。
[0017]具體來說，所述B步驟中，所述預定曲線由下述四個階段構成:
干燥階段:以2°C /min的溫升速率使炭化腔內的溫度升高至130?150°C，并在130?150°C溫度范圍內保持4小時；
預炭化階段:以2°C /min的溫升速率使炭化腔內的溫度升高至250?275°C，并在250?275°C溫度范圍內保持6小時；
炭化階段:以2°C /min的溫升速率使炭化腔內的溫度升高至375?400°C，并在375?400°C溫度范圍內保持10小時； 煅燒階段:以2°C /min的溫升速率使炭化腔內的溫度升高至450?500°C，并在450?500 °C溫度范圍內保持2小時；
在干燥階段，打開濕氣排放口，并關閉熱解氣通道的入口處的閥門；在預炭化階段、炭化階段及煅燒階段，關閉濕氣排放口，并打開熱解氣通道的入口處的閥門；
上述溫度曲線的原理如下:在對內鍋加熱的過程中，生物質材料棒受熱而溫度逐漸升高，具體分為下述幾個階段:溫度在200°C以下時，此過程基本為干燥過程，生物質材料棒中所含水分依靠外部供給的熱量而蒸發，并由蓋板的濕氣排放口排出；當溫度繼續升高，達到200~400°C的時候，生物質材料棒的主要構成纖維素、半纖維素、木質素開始發生熱分解并放出熱解氣，并沿著熱解氣通道輸送至鍋爐的燃燒器以供燃燒(此時需要關閉蓋板的濕氣排放口)，伴隨著此過程生物質材料棒的質量開始大幅度減少，纖維素、半纖維素、木質素的主要熱分解反應在450~500°C時終止；當溫度達到500°C以上的時候，生物質炭處于精煉過程，在產生H2的同時，炭中的炭元素形成縮合多環芳香族結果，炭元素的比例超過80%。
[0018]所述C步驟中，如果加熱腔的溫度分布不均勻，則控制溫度較高處的煙氣排放調節閥增大開度，或者控制溫度較低處的煙氣排放調節閥減小開度，從而調整加熱腔的溫度分布，使得加熱腔內溫度分布均勻。
[0019]本發明的生物質熱解炭化設備在制炭過程中，炭化腔內的升溫可以得到有效監控，因此炭化過程的工藝曲線可由程序控制實現，降低了對工人經驗的依賴，炭化質量有保證。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的生物質熱解炭化設備的結構圖。
[0021]圖2是本發明的生物質熱解炭化設備的俯視圖(未包括蓋板)。
[0022]【附圖說明】:1、爐體；2、蓋板；3、內鍋；4、煙氣排放口 ；5、溫度傳感器；6、濕氣排放口 ；7、燃燒器；8、熱解氣通道；9、閥門；10、煙氣排放管道；11、抽風機；12、鐵籠框。
【具體實施方式】
[0023]下面對照附圖，通過對實施實例