一种太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理方法及装置与流程

本发明涉及生物质能源领域，更具体地，涉及一种太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理方法及装置。

背景技术：

全球经济的发展、人口的增长以及生活水平的提高造成了能源需求的急剧增加，与此同时，也导致了常规能源的日益枯竭和日趋严重的环境污染。生物质能源作为最大的可再生能源，也是唯一的可再生的碳源，其有效利用可替代常规能源，缓解污染和减少温室气体排放。通过燃烧、气化、热解、厌氧发酵、酯交换及致密成型等技术，可将生物质转化为热量和燃气、生物油和炭三相产物和固体颗粒燃料，作为能源、化工和环保原料。相比常规能源，生物质含水量高、富含纤维素、热值低、吸水性强、密度低等特性使其收、储、运成本高且难以粉碎或加工处理，也难以实现较高的转化效率，限制了其规模化应用，经济、合理的生物质预处理技术研发成为世界各国关注的热点。

生物质原料烘焙预处理技术作为一项前景广阔的生物质预处理技术得到国内外广泛关注。国外针对生物质烘焙反应机理的研究和以成型燃料为主的应用进行了细致研究，一些国家已开始商用，文献显示国外个别项目的处理量可达6t/h；国内一些科研单位也进行了相应的研究，但尚处于实验研究阶段，示范应用较少。

生物质烘焙是一种低温（200～300℃）慢速热解过程。烘焙预处理后的生物质物性一致，含水低、具有疏水性、易于粉碎和储存，烘培后生物质中o/c比和h/c比较低，使其热值大为提高，烘焙后的生物质，一般情况下，重量减少约30%，但热量仅减少约10%。

生物质烘焙工艺主要分为干法（低温热解）、湿法和水蒸气法三种；湿法烘焙将生物质在烘焙温度下的高压水浸泡实现，水蒸气法是采用烘焙温度下饱和蒸汽对生物质进行气爆实现，湿法和水蒸气法烘焙的液相产物均与水相溶或混合，后期处理工艺繁杂，相比之下，干法工艺简单经济，其设备主要有流化床、移动床和固定床三种。螺旋烘焙反应器作为一种移动床反应器可消除流化床气流携带形成的产物损失和固定床内部温度不均，结构紧凑，运行平稳，是一种十分有前景的烘焙反应器。

根据烘焙温度的不同，生物质烘焙分为轻度烘焙（200～235℃）、中度烘焙（235～275℃）和重度烘焙（275～300℃）。不考虑少量灰分和抽提物的前提下，生物质主要由半纤维素（30%）、纤维素（40%）和木质素（30%）三种组分组成，热重分析显示，当烘焙温度低于220℃，水分的蒸发是主要的反应，半纤维素的热解从200℃开始，到315℃完全热解，纤维素的热解启始温度和终温度分别是315℃和400℃，而木质素的热解是从160℃到900℃的一个缓慢的过程。

生物质中水分的存在，使其比热容增加，延长生物质在烘焙反应器中的驻留时间，降低了生产效率，另外，烘焙初期水分的蒸发首先进行，在烘焙的高温气相产物中形成了一定的分压力，对半纤维素、纤维素和木质素三种组分的烘焙挥发物析出形成干涉，影响了烘焙反应的进程和产物的质量。采用低温热解法进行的生物质烘焙，是一种吸热反应，其热源一般来自自身挥发物的燃烧辅以少量外部热源，受原料种类以及原料初始含水量影响，要得到理想的烘焙产物，在水分含量较高或因生物质微观结构致密时，将依靠更多的外部热源输入、或者增加烘焙深度，前者意味着成本的增加，而后者往往难以保证烘焙产物的质量。生物质物料本身具有多样性，而下一级用户对于烘焙产物的要求相对一致，增加了生物质分配过程控制的复杂性，要求生物质烘焙预处理系统在基于能源合理匹配条件下具有良好的原料适应性。

综上所述，根据生物质的特性，有机结合适当的可再生能源作为外部热源，采用合理的工艺，充分利用烘焙挥发物燃烧的热量，减少生物质在烘焙反应器中驻留时间，提高生产效率的同时依据烘焙产物品质要求，针对不同种类、不同含水量的生物质原料，进行定制化生产，将有助于生物质烘焙预处理技术的产业化应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述问题，提供一种太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理方法。

本发明的第二个目的是提供实现上述方法的装置，即一种太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理装置。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理的方法，包括以下步骤：

s1.利用太阳能作为辅助热源，将自然风干、水分含量为14～16%、经尺寸处理后的生物质进行生物质干化脱水；

s2.利用常规能源对生物质螺旋烘焙反应器进行预热，将干化脱水后的生物质送入生物质螺旋烘焙反应器中进行烘焙反应，待烘焙挥发物能够点燃后，停用常规能源，烘焙后得到的固相产物经冷却后可以储存或进行下一级应用，烘焙挥发物与空气混合进行燃烧，燃烧产生的高温热烟气混配空气到设定温度后，进入生物质螺旋烘焙反应器，为烘焙反应提供热量，从生物质螺旋烘焙反应器排出的中温烟气与空气进行换热后排空，被加热的空气用于生物质的干化脱水的主热源。

本发明是将生物质烘焙过程分为干化脱水和低温热解两步进行，利用太阳能作为辅助热源，且充分利用烘焙挥发物燃烧作为反应主热源和梯级能量利用方式分别为生物质螺旋热解反应和干化脱水供热，实现具有广泛生物质物料适应性且效率较高的生物质烘焙预处理定制化生产。

优选地，s1所述生物质进行干化脱水后残余水分小于5%。

优选地，s2所述烘焙反应中，生物质在生物质螺旋烘焙反应器内的时间为25～30min。

优选地，s1所述生物质干化脱水的温度为120～130℃。

优选地，s2所述设定温度是指比生物质烘焙所需温度高50℃，生物质烘焙挥发物中含有＜1%的灰分，燃烧后将部分粘附于换热表面，提高的温度用于抵消换热表面积灰对于换热的影响。

本发明还提供一种实现上述方法的装置，包括依次连接的循环泵、导热油炉、生物质干化脱水反应器、生物质螺旋烘焙反应器、空气加热器，所述导热油炉上设有太阳能集热器和与太阳能集热器相对的受热面，所述生物质螺旋烘焙反应器还分别与挥发物燃烧器、柴油燃烧器相连，空气加热器还与鼓风机相连，所述空气加热器的出口管道通向生物质干化脱水反应器。

优选地，所述生物质干化脱水反应器内壁设有热管，且导热油炉和生物质干化脱水反应器间通过导热油循环传热，通过热管将热量传递给生物质。

优选地，所述生物质干化脱水反应器还与生物质尺寸预处理装置相连，使得针对不同种类的生物质，方便进行尺寸预处理。

作为一种具体的实施方案，本发明利用所述装置进行生物质预处理的方法，包括以下步骤：

s1.生物质干化脱水：太阳光经过太阳能集热器集热后，集中反射到导热油炉的受热面上，热量通过炉内导热油和循环泵的作用传递到生物质干化脱水反应器内壁的热管，由热管将热量传递给生物质，为生物质的干化脱水提供部分热源；

s2.生物质烘焙：利用柴油燃烧器对生物质螺旋烘焙反应器预热到设定温度，经生物质干化脱水反应器脱水后的生物质送入生物质螺旋烘焙反应器中进行烘焙反应，烘焙挥发物能够点燃后，关闭柴油燃烧器，烘焙后得到的固相产物经冷却后可以储存或进行下一级应用，烘焙产生的挥发物进入挥发物燃烧器中与空气混合进行燃烧，燃烧产生的高温热烟气混配空气到设定温度后，通过挥发物燃烧器的出口管道进入生物质螺旋烘焙反应器，为烘焙反应提供热量，从生物质螺旋烘焙反应器排出的中温烟气进入空气加热器，并与鼓风机输出的空气进行换热后排空，被加热的空气还通过空气加热器的出口管道进入生物质干化脱水反应器用于生物质的干化脱水的主热源，实现了梯级能量利用。

本发明所述利用装置进行生物质预处理的方法中，所述生物质干化脱水不仅利用了太阳能，还通过与烘焙挥发物燃烧热烟气加热的空气的协同作用进行生物质干化脱水。

本发明所述预处理方法包含两个层次的方案，一是鼓风机、空气加热器、生物质螺旋烘焙反应器、生物质干化脱水反应器、挥发物燃烧器、柴油燃烧器间有机集成形成的两步法生物质烘焙技术方案，二是导热油炉、循环泵、太阳能集热器与上一层次有机集成形成的太阳能辅助两步法生物质烘焙预预处理技术方案。

针对微观结构致密、难以烘焙的生物质，通过调整生物质的进料速率实现，以秸秆类松软生物质进料速率为基准，对于硬质果壳类生物质，进料速率为秸秆类松软生物质进料速率的80%；针对不同含水量生物质的运行调节，主要通过调整生物质的进料速率实现，一般情况下，自然风干生物质的含水量为15%，设为基准含水率，其对应的进料速率为基准进料速率，当水分不同时按下式计算：

式中：

s：进料速率，kg/h

sb:基准进料速率，kg/h

m：物料含水率，%

mb:基准含水率，%

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理方法，包括s1.利用太阳能作为辅助热源，将自然风干、水分含量为14～16%、经尺寸处理后的生物质进行生物质干化脱水；s2.利用常规能源对生物质螺旋烘焙反应器进行预热，将干化脱水后的生物质送入生物质螺旋烘焙反应器中进行烘焙反应，待烘焙挥发物能够点燃后，停用常规能源，烘焙后得到的固相产物经冷却后可以储存或进行下一级应用，烘焙挥发物与空气混合进行燃烧，燃烧产生的高温热烟气混配空气到设定温度后，进入生物质螺旋烘焙反应器，为烘焙反应提供热量，从生物质螺旋烘焙反应器排出的中温烟气与空气进行换热后排空，被加热的空气用于生物质的干化脱水的主热源。使生物质物料先通过干化脱水先去除水分，降低物料的比热容，消除烘焙初期水分蒸发在烘焙的高温气相产物中形成的分压力及其对对半纤维素、纤维素和木质素三种组分的烘焙挥发物析出形成干涉，有利于物料在生物质螺旋烘焙反应器中升温和烘焙挥发物的析出，保证了烘焙产物的质量，也将有效减少生物质在生物质螺旋烘焙反应器中的驻留时间，提高生产效率；另外通过挥发物燃烧器产生的高温烟气和生物质螺旋烘焙反应器排出的中温烟气的分别应用，提高了能源利用率，实现了梯级能量利用；由于太阳能辅助热源的介入，可以在不提高烘焙深度从而影响烘焙产物质量的条件下，提高整套装置对于生物质物料种类、含水量的适应性，从而实现针对不同种类、不同含水量生物质物料满足统一烘焙产物质量要求的定制化生物质烘焙预处理生产。

附图说明

图1为太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理装置连接示意图。

图2为太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理流程图。

附图标记说明：1-鼓风机；2-空气加热器；3-生物质螺旋烘焙反应器；4-生物质干化脱水器；5-导热油炉；6-循环泵；7-太阳能集热器；8-生物质尺寸预处理装置；9-挥发物燃烧器；10-柴油燃烧器；11-受热面；12-挥发物燃烧器的出口管道；13-空气加热器的出口管道。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤、条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。若无特别说明，实施例中所用的实验方法均为本领域技术人员所熟知的常规方法和技术，试剂或材料均为通过商业途径得到。

本发明具体实施例方式中的太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理可以通过一个预处理装置实现，该装置包括依次连接的循环泵6、导热油炉5、生物质干化脱水反应器4、生物质螺旋烘焙反应器3、空气加热器2，所述导热油炉5上设有太阳能集热器7和与太阳能集热器7相对的受热面11，所述生物质螺旋烘焙反应器3还分别与挥发物燃烧器9、柴油燃烧器10相连，空气加热器2还与鼓风机1相连，所述空气加热器2的出口管道通向生物质干化脱水反应器4。

具体地，所述生物质螺旋烘焙反应器3的出口与挥发物燃烧器9的入口相连。

其中，所述生物质干化脱水反应器4内壁设有热管，且导热油炉5和生物质干化脱水反应器4间通过导热油循环传热，通过热管将热量传递给生物质。

其中，所述挥发物燃烧器9的出口管道12通向生物质螺旋烘焙反应器生物质螺旋烘焙反应器3。

其中，所述生物质干化脱水反应器4还与生物质尺寸预处理装置8相连。

实施例1

一种太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理的方法，包括以下步骤：

s1.利用太阳能作为辅助热源，与烘焙挥发物燃烧协同作用进行生物质烘焙预处理，具体是将水分含量15%、经尺寸处理（截断）后的玉米秸秆（尺寸为30mm以下）进行干化脱水（干化脱水的温度为120℃，玉米秸秆残余水分为2.5～3%），进料速率为5kg/h；

s2.利用柴油燃烧对生物质螺旋烘焙反应器预热到260℃，将干化脱水后的玉米秸秆送入生物质螺旋烘焙反应器中进行烘焙反应，待烘焙挥发物能够点燃后，停止柴油燃烧器，烘焙后得到的固相产物经冷却后可以储存或进行下一级应用，烘焙挥发物与空气混合进行燃烧，燃烧产生的高温热烟气混配空气到260℃后，进入生物质螺旋烘焙反应器，为烘焙反应提供热量（烘焙反应时间为25min），从生物质螺旋烘焙反应器排出的中温热烟气与空气进行换热后排空，被加热的空气用于生物质的干化脱水。

玉米秸秆烘焙后的固相产物挥发分含量减少21.5%，烘焙后剩余能量占比90.59%。

实施例2

一种太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理的方法，包括以下步骤：

s1.利用太阳能作为辅助热源，与烘焙挥发物燃烧协同作用进行生物质烘焙预处理，具体是将水分含量14%、经尺寸处理（截断）后的稻壳（尺寸为30mm以下）进行干化脱水（干化脱水的温度为125℃，稻壳残余水分为4～5%），进料速率为4.8kg/h；

s2.利用柴油燃烧对生物质螺旋烘焙反应器预热到300℃，将干化脱水后的稻壳送入生物质螺旋烘焙反应器中进行烘焙反应，待烘焙挥发物能够点燃后，停止柴油燃烧器，烘焙后得到的固相产物经冷却后可以储存或进行下一级应用，烘焙挥发物与空气混合进行燃烧，燃烧产生的高温热烟气混配空气到300℃后，进入生物质螺旋烘焙反应器，为烘焙反应提供热量（烘焙反应时间为27min），从生物质螺旋烘焙反应器排出的中温热烟气与空气进行换热后排空，被加热的空气用于生物质的干化脱水。

稻壳烘焙后的固相产物挥发分含量减少24.8%，烘焙后剩余能量占比84.94%。

实施例3

一种太阳能协同两步法生物质螺旋烘焙预处理的方法，包括以下步骤：

s1.利用太阳能作为辅助热源，与烘焙挥发物燃烧协同作用进行生物质烘焙预处理，具体是将水分含量15%的油茶壳进行干化脱水（干化脱水的温度为130℃，油茶壳残余水分为1.5～2.5%），进料速率为4kg/h；

s2.利用柴油燃烧对生物质螺旋烘焙反应器预热到330℃，将干化脱水后的油茶壳送入生物质螺旋烘焙反应器中进行烘焙反应，待烘焙挥发物能够点燃后，停止柴油燃烧器，烘焙后得到的固相产物经冷却后可以储存或进行下一级应用，烘焙挥发物与空气混合进行燃烧，燃烧产生的高温热烟气混配空气到330℃后，进入生物质螺旋烘焙反应器，为烘焙反应提供热量（烘焙反应时间为30min），从生物质螺旋烘焙反应器排出的中温热烟气与空气进行换热后排空，被加热的空气用于生物质的干化脱水。

油茶壳烘焙后的固相产物挥发分含量减少29.5%，烘焙后剩余能量占比84.75%。

实施例4

本实施例针对玉米秸秆（水分含量为20%），其预处理方法和过程包括以下步骤：

s1.生物质被处理为需要的尺寸（30mm），进料速率为3.5kg/h，进入生物质干化脱水反应器4；

s2.生物质干化脱水：太阳光经过太阳能集热器7集热后，集中反射到导热油炉5的受热面11上，热量通过炉内导热油炉5和循环泵6的作用传递到导热油炉5内壁的热管，通过热管与生物质干化脱水反应器4内部物料的换热，通过与烘焙挥发物燃烧协同作用，实现生物质干化脱水反应器4内对s1处理后的生物质进行干燥脱水，提供辅助热源，其中，导热油炉内的导热油的温度为150℃，生物质干化脱水反应器4内的温度为130℃，在生物质干化脱水后，玉米秸秆残余水分为2.5～3%；

s3.生物质烘焙：利用柴油燃烧器10对生物质螺旋烘焙反应器3预热到260℃，生物质干化脱水反应器4脱水后的生物质送入生物质螺旋烘焙反应器3中进行烘焙反应，烘焙挥发物能够点燃后，关闭柴油燃烧器10，烘焙后得到的固相产物经冷却后可以储存或进行下一级应用，烘焙挥发物进入挥发物燃烧器9中与空气混合进行燃烧，燃烧产生的高温热烟气混配空气到260℃后，通过挥发物燃烧器9的出口管道12再次进入生物质螺旋烘焙反应器3（在生物质螺旋烘焙反应器内的时间在25min），为烘焙反应提供热量，从生物质螺旋烘焙反应器3排出的中温烟气进入空气加热器2，并与鼓风机1输出的空气进行换热后排空，被加热的空气（温度为130℃）还通过空气加热器2的出口管道13进入生物质干化脱水反应器4用于生物质的干化脱水的主热源，实现了梯级能量利用。

玉米秸秆烘焙后的固相产物挥发分含量减少26.11%，烘焙后剩余能量占比90.13%。

实施例5

本实施例针对松子壳（水分含量为13%），其预处理方法和过程包括以下步骤：

s1.将松子壳直接投入生物质干化脱水反应器4，进料速率为4kg/h；

s2.生物质干化脱水：太阳光经过太阳能集热器7集热后，集中反射到导热油炉5的受热面11上，热量通过炉内导热油5和循环泵6的作用传递到导热油炉5内壁的热管，通过热管与生物质干化脱水反应器4内部物料的换热，通过与烘焙挥发物燃烧协同作用，实现生物质干化脱水反应器4内对s1处理后的生物质进行干燥脱水，提供辅助热源，其中，导热油炉内的导热油的温度为150℃，生物质干化脱水反应器内的温度为125℃，在生物质干化脱水过程后，生物质残余水分为1.5～2%；

s3.生物质烘焙：利用柴油燃烧器10对生物质螺旋烘焙反应器3预热到325℃，生物质干化脱水反应器4脱水后的生物质送入生物质螺旋烘焙反应器3中进行烘焙反应，烘焙挥发物能够点燃后，关闭柴油燃烧器10，烘焙后得到的固相产物经冷却后可以储存或进行下一级应用，烘焙挥发物进入挥发物燃烧器9中与空气混合进行燃烧，燃烧产生的高温热烟气混配空气到325℃后，通过挥发物燃烧器9的出口管道12进入生物质螺旋烘焙反应器3（在生物质螺旋烘焙反应器内的时间在30min），为烘焙反应提供热量，从生物质螺旋烘焙反应器3排出的中温热烟气进入空气加热器2，并与鼓风机1输出的空气进行换热后排空，被加热的空气（温度为130℃）还通过空气加热器2的出口管道进入生物质干化脱水反应器4用于生物质的干化脱水的热源之一，实现了梯级能量利用。

松子壳烘焙后的固相产物挥发分含量减少28.79%，烘焙后剩余能量占比85.11%。