专利名称：气流式大型快速秸秆炭化等压反应炉的制作方法
技术领域：
本设计为可再生生物能源大规模生产的设备。
背景技术：
本炉的设计就是体现快速、高效、节能的理念，尤其是它的大容量、大吨位快速秸杆炭化的能力，使大工业化的秸杆炭的生产成为可能。应用的技术有气流式加热脱水工作原理、气流式冷却工作原理及炭化阶段工作原理
发明内容
本发明为气流式大型快速秸杆炭化等压反应炉。传统的炭化炉窑，由于其传热、温控、材料的放置形式以及排湿的方式，造成原料脱水和炭化的时间周漫长而低效。虽然目前市场上已有一些新兴的秸杆炭化炉，但其工作原理及效率并未脱离传统的理念，并不适用于大规模的工业秸杆的开发和利用。而本人设计的炭化炉，不但脱水、炭化周期快速，并且其有效容积在IlOOm3左右，每2小时就能产出150吨的秸杆炭化的成品(包括进、出料的时间)。
图I是气流式大型快速秸杆炭化等压反应炉示意图，说明1.整体结构以耐高温钢筋混凝土为主体。2.冷却管，热导气管，进料口(出料口)，外部空气引入管，煤气管，顶部排风设备口均应设置关断阀门。3.热导气管道均有保温。4.图中缺省长度单位均为毫米。5.搅拌叶片转速为8r/min。6.炭化炉膛有效容量为总容量的70%。7.炭化炉底钢板厚20mm。图2是气流式加热脱水工作原理示意图。图3是炭化阶段工作原理示意图。图4是气流式加热炉膛冷却工作原理示意图。图5是气流式炭化炉膛冷却工作原理示意图。
具体实施例方式秸杆材料的含水量一般在30-40%之间，有两个因素决定其脱水的速度，就是温度和湿度。一般来说，环境温度越高，物体的脱水速度也就越快。但是对于秸杆的植物纤维来说，其本身的物理传热性能很差，局部的高温并不能通过植物纤维把热量迅速地传遍整个秸杆的单体，因此，单纯提高炉温并不能显著地提高秸杆的快速均匀的脱水过程。反而会造成一部分秸杆已经燃烧，而一部分材料还未完全脱水，最终会影响炭化产品的产量和品质。为了使秸杆材料能均匀、快速地受热而快速脱水，本炉的温度导热方式设计为大气流热能传送方式。炭化炉膛底部是煤气加热炉膛，两者之间由钢板相隔，煤气炉膛内的空气经燃烧加热后由8根2X0. 5m的热导气管道经煤气炉膛引入炭化炉膛(见图I)。由于是热空气的加热方式，它能使秸杆材料快速均匀地受热。并且在炭化炉膛设置了叶片式的搅拌装置(见图I)，它能使原料更好地均匀受热。为了使炭化炉底的钢板温度不至于过高，也为了使加热炉膛内得到更多的空气补充，我们把6根直径40cm的外部空气引入管放置于加热炉的直径I. 5m的中央管(见图I)。其出气口的高低位置是位于加热炉顶与加热煤气炉头之间，由于在加热炉四周设置有8根2 X 0. 5m的热导气管，它们能迅速地、均匀地把热气流由加热炉膛送入炭化炉膛，随着加热炉膛内热空气流出，使其膛内压力下降，炉外的空气就能经外部空气引入管进入加热炉膛，它们在加热炉顶部和煤气炉头之间形成一层空气层，这样使外部进入的空气就先被燃烧的火头加热，并非被燃烧的煤气直接加热。炭化炉内的温度被控制在70°C左右，所以炉内的秸杆原料在快速脱水的同时不会被燃烧。由于采用了上述这些特殊设计，使得加热炉的热能得到了充分的利用，在提高成品的产量的同事也节省了大量的能源。环境湿度也涉及影响脱水速度的重要因素。在整个秸杆炭化成品的过程中，原料的脱水时间直接影响到产品的整个运行周期的长短。由于本炉是一个大容量和大产出的设计，为了在2个小时内的整个生产周期中能够得到将近150吨的炭化成品。就应在I小时内实现对原料完全脱水。从炉中排除水分将有70-100吨。此时快速降低炭化炉内的湿度，加快排出水分是影响秸杆脱水速度的关键因素。因此我们设计在炭化炉顶设置6台，每台最大风量25000m3/h的排风机，总排风能力达150000m3/h，也就是每秒能排出42m3的空气，由于炭化炉中的大量空气的排出同时也带走了大量的水分。并且炭化炉内压力的下降也为加热炉膛热气流的进入提供了动力的来源。理论上在上述两种加热和排湿的方式作用下，I小时内使炉内秸杆完全脱水干燥成为可能。虽然秸杆的植物纤维的物理导热性能很差，但由于其单体非常细小，将秸杆先打碎成Icm大小的碎片后再投入炉内。所以相对大块整木完全炭化所需几十小时来说，秸杆 碎片在完全脱水干燥后，理论上只要几分钟地时间就能完全炭化。因此当炭化炉内的湿度达到0% RH时，单台排风机(变频风机，根据炉内外压力差调节转速)处于运行中，其余炉顶的风机(定频风机)停止工作，炭化炉内形成相对密闭的缺氧环境，此时进入炭化炉膛的热气流是煤气管内的煤气和空气经燃烧后的残余气体(没有氧气)(见图3)，炭化炉内温度被控制在500°C，大约经过20分钟煅烧后，炉内秸杆就会完全炭化。当炉内秸杆完全炭化后，为了使炉内成品快速冷却降温，将一根热导气管在加热炉膛出炉膛部分向外作水平延伸，作一个三通接口，热导气管进炭化炉段和延伸的冷却管分别设置一个阀门，然后在延伸段加装一根垂直向上的加热炉冷却管道。在管道末端装一台排风量为40000m3/h的冷却用排风机(见图I)。当停炉后，热导气管进入炭化炉膛的阀门全部关闭，炉顶工作中的排风机和阀门均关闭，外部空气引入管阀门开启，担任加热炉膛冷却工作的那根热导气管接冷却用排风机的阀门和风机开启工作。随着加热炉膛内的热气的排出，炉内压力下降，炉外空气经外部空气管进入加热炉膛进行冷却。由于加热炉膛温度不断下降，从加热炉膛的炉顶钢板传来的炭化炉内的热量也得到不断地冷却。由于木炭的燃点在300°C左右，因此在停炉后的冷却第一阶段是通过对加热炉膛首先冷却，然后间接地对炭化炉膛降温的方式，以保证炭化炉膛内无氧，成品不会被燃烧(见图4)。当炭化炉膛内的温度下降至280°C以下时，冷却方式从对加热炉膛的冷却方式转换为对炭化炉膛的直接冷却方式(见图5)。此时炭化炉顶的风阀和排风机同时打开以最大排风量运行，连接加热炉和炭化炉的热导气管阀门也打开，这样就能快速排出炭化炉内的热量。当炉温下降至IOO0C以下时成品就可出炉。整个冷却过程大约30分钟就能完成。原料和成品都是通过抽吸的方式进入炭化炉，炭化炉底周边有3个出料口(进料口)，每台抽吸机的能力是每秒抽吸o. 4立方米的材料，大约15分钟能送入或抽出整炉中的原料或成品。在进、出料时，炉周边的热导气管阀门均打开，冷却管阀门关闭，加热炉的外部空气管阀门也同时打开，这样炉内在抽吸机出料时不会有正负压的阻力。整个进、出料、脱水、炭化流程是一个全自动的操作系统，操作简单，便捷。整个进料、脱水、炭化、冷却、出料的工作步骤流程(过程大约2小时)I 进料(过程15分钟)a打开进料口(出料口)阀门； b炉顶阀门和排风机处于关闭状态；c热导气管阀门均打开；d冷却管阀门和冷却用排风机关闭；e外部引入空气管阀门打开；f加热炉煤气处于关闭状态；g炭化炉内搅拌叶片处于工作状态；2.脱水阶段(过程45-60分钟)a进料口(出料口)阀门关闭状态；b热导气管阀门均打开；c冷却管阀门和冷却用排风机关闭；d外部引入空气管阀门开启；e加热炉煤气点燃加热；f炭化炉顶阀门和排风机开启；g炭化炉内搅拌叶片处于工作状态3.炭化阶段(当炉内湿度为0% RH时，过程20分钟)a进料口(出料口)阀门关闭状态；b热导气管阀门均打开；c冷却管阀门和冷却用排风机关闭；d顶部5台定频风机停止运行，阀门处于关闭状态，I台变频风机处于运行状态；e外部引入空气管阀门关闭；f搅拌叶片处于工作状态；g炭化炉内温度逐渐增加至500°C左右；(大约20分钟关闭煤气)4.冷却阶段(过程30分钟)a进料口(出料口)阀门关闭状态b炉顶阀门和排风机关闭状态；c热导气管阀门均关闭；d煤气管阀门关闭状态；e外部引入空气管阀全部打开；f 冷却管阀门和冷却用排风机开启；g冷却用排风机开启；h搅拌叶片处于工作状态；
i当炭化炉内温度< 280°C时(木炭燃点300°C )(I)热导气管阀门均打开(2)冷却管阀门和冷却用排风机关闭；(3)炉顶阀门和排风机打开工作；(4)冷却降温直至炭化炉内温度< 100°C5.出料(当炭化炉内温度< 100°C时，过程15分钟)a打开出料口(进料口 )阀门；
b热导气管阀门均打开；c冷却管阀门和冷却用排风机关闭；d外部空气引入空气管阀门处于开启状态；e炉顶阀门和排风机关闭；f搅拌叶片处于工作状态。整个操作流程由温度、湿度和压力自动控制，在炉顶设置传感器。以一天24小时工作计算，单炉能产出1500吨以上的秸杆炭化产品，它使秸杆大规模的工业化利用成为了可能，也是一种可持续、可再生生物能源燃料。利用秸杆炭发电，它所释放的二氧化碳和氮氧化物的水平远低于煤炭的释放量。三台这样的炭化炉就能满足一个中型煤电发电厂的全年煤炭的需求。故此我们希望此产品的设计能为我们国家的建设做出应有的贡献。
权利要求
1.湿度是影响脱水的重要因素，为了加快排湿，加快秸杆脱水速度，同时也为加热炉膛热气流进入炭化炉膛内提供更大的动力，在炉顶设置大风量的排风机出台最大排风量25000mVh的排风机，总排风能力达到15000m3/h，也就是每秒钟能排出42m3的热湿空气)。
2.温度是影响脱水的重要因素，为了使炭化炉膛内能得到大量的热气流(42m3/秒的流量)，因此从加热炉膛周围弓丨出热导气管(8根2 X 0. 5m的热导气管)通入炭化炉膛，产生的热气流能使秸杆更快、更均匀地受热脱水。
3.为了使加热炉膛内得到更多的空气补充，同时为了降低加热炉膛内的空气流速，将外部引入空气管(6根直径40cm的外部空气引入管)设置于加热炉中的中央管(直径I.5m)，中央管的出气口高低位置是位于加热炉顶与加热煤气炉头之间，由此使外部进入的空气被燃烧的火头加热，形成热气流。
4.为了在炭化阶段能充分利用加热炉膛的残余气体的热能，在炉顶设置一台变频排风机，根据炭化炉内外压力差调节转速(起到等压的作用)，从而使炭化炉膛内形成相对密闭的缺氧环境。
5.为了使炭化炉内成品快速降温，也为了使炭化炉内成品(温度高达500°C)不和氧气接触燃烧(木炭燃点300°C )，利用冷却用排风机(排风量40000m3/h)进行对加热炉膛的首先冷却，随着加热炉顶钢板的传热效应，间接地对炭化炉膛进行冷却，当炭化炉膛内温度小于280°C时，冷却方式就自动转换为对炭化炉膛内的直接冷却模式。
6.为了使秸杆原料和炭化成品在快速进出炭化炉膛的过程中没有正负压的阻力，利用炭化炉膛与加热炉膛之间的热导气管阀门的开启，加热炉膛中设置的中央管、外部空气引入管的阀门的开启与炉外大气相通的原理。
全文摘要
气流式大型快速秸秆炭化等压反应炉的设计就是体现快速、高效、节能的理念，尤其是它的大容量、大吨位快速秸秆炭化的能力，使大工业化的秸秆炭的生产成为可能。应用的技术有气流式加热脱水工作原理、气流式冷却工作原理及炭化阶段工作原理。本发明为气流式大型快速秸秆炭化等压反应炉。传统的炭化炉窑，由于其传热、温控、材料的放置形式以及排湿的方式，造成原料脱水和炭化的时间周漫长而低效，并不适用于大规模的工业秸秆的开发和利用。而本设计的炭化炉，不但脱水、炭化周期快速，并且其有效容积在1100m3左右，每2小时就能产出150吨的秸秆炭化的成品(包括进、出料的时间)。
文档编号C10B1/00GK102807880SQ20111014327
公开日2012年12月5日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者施培琰 申请人:施培琰