本发明涉及一种气化制炭设备及气化制炭工艺，特别涉及一种用于生物质原料的气化制炭设备及气化制炭工艺。
背景技术：
生物质资源具有资源丰富、分布广泛、获取成本低的特点，是制备炭的常用原料。生物炭是生物有机材料（生物质）在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供一个绿色、可持续解决方案；生物质有机质中蕴含的化学能亦可作为能源加以利用，利用生物质转化为热能获取蒸汽、热水、导热油等高品位能量可以替代煤炭等化石能源消耗，消减温室气体排放、降低燃煤产生的各种气固相污染物排放，也是符合全球能源生产发展趋势，广受关注的技术路线。
生物质制碳是指生物质在合适的条件下被加热时，有机物通过热解转化为富碳物质，即无定形碳的过程。该反应称作干馏过程，也称作碳化过程。干馏过程中需要将生物质从室温升高到可以促进热解反应可发生的高温并提供热量使生物质大分子结构分解，因而是吸热过程。
传统的干馏工艺过程中需要将大约10％-20％的原料燃烧来提供干馏所需热量，该比例取决于干馏工艺和原料的性质。这种干馏模式下无需外供热量，降低了生产成本，但是弊端也很明显：一部分碳作为热源被消耗降低了碳产率；燃烧产生的灰残留在产品碳中降低了产品品质；干馏过程中燃烧产生的热烟气几乎不流动，生物质和热烟气之间的换热效果极差，需要非常长的反应时间（数小时到数天）才能完成干馏过程，大大降低生产效率；干馏气的产生周期长，折算到单位时间的气产率极低，导致利用困难，如果不加利用排放往往造成严重的环境污染。
最近发展的生物质干馏技术有采用固体热载体供热提供干馏所需热量，由于固体热载体和生物质充分混合后直接接触的传热强度大、传热效率高，可以增加干馏反应强度，减小反应器容所需积、降低所需干馏反应时间，大幅度提升工艺竞争力。根据高温热载体的种类和加热热载体的方式不同，该技术路线可分为很多流派，但是通常存在需要外部热源加热热载体导致工艺成本增加；采用半焦燃烧提供干馏热量降低产品炭产量和品质；采用干馏气燃烧加热热载体时存在换热工艺复杂等问题，此外固体热载体干馏工艺普遍存在热载体和生物质混合均匀性不良以及热载体和成品炭分离困难等弊端。
生物质原料的挥发分含量一般大于原料种类60%（干基），挥发分中所含的能量通常超过生物质原料低位发热量的50%，也大于生物质热解后半焦所含能量。因此，即使完全利用挥发分所含能量提供干馏所需热量，还有相当的能量剩余可供他用。现有的生物质制炭工艺以高附加值的生物质炭为目标产物，往往忽视对生物质原料的能源价值的利用，特别是忽视对挥发分中所含能源的利用，这不但导致能源浪费，更为严重的是挥发分排入大气会造成严重污染。在生物质制炭工艺中整合干馏气的综合利用是必要的也是必须的。
技术实现要素：
本发明的第一个目的是提供一种气化制炭设备，结构合理，便于操作和控制，能在生物质干馏气能量得到充分利用的同时提升生物质炭的生产效率，确保成品生物质炭具有较高的产率以及品质。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种气化制炭设备，包括干馏炉体、与所述干馏炉体连通的进料机构、一端连通在所述干馏炉体上的出气管道、连通在所述出气管道另一端的燃烧机构、分别与所述燃烧机构和所述干馏炉体连通的用于将所述燃烧机构中燃烧产生的高温烟气通入所述干馏炉体中的回气管道、与所述干馏炉体连通的用于冷却所述干馏炉体中输出的干馏炭的冷却机构。
优选地，所述气化制炭设备还包括与所述燃烧机构连通的用于接收所述高温烟气的余热换热机构。
本发明的第二个目的是提供一种气化制炭工艺，提高系统的效率、降低工艺成本、实现能量的充分利用并最终实现生物质资源的综合转化和高效利用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种气化制炭工艺，使用上述气化制炭设备来实现，所述气化制炭工艺包括以下步骤：
（1）将生物质原料从进料机构中送入干馏炉体中，并从回气管道向所述干馏炉体中通入高温气体，所述高温气体流过所述生物质原料的颗粒间隙，将热量传递给所述生物质原料，所述生物质原料的温度升高，并开始干燥和干馏，以制得干馏炭；
（2）所述生物质原料干馏产生的挥发性干馏气和所述高温气体在所述干馏炉体中混合形成低热值可燃气，当所述低热值可燃气冷却至设定值后，将其通过出气管道通入燃烧机构中；
（3）所述低热值可燃气与空气在所述燃烧机构中混合并燃烧，将燃烧产生的高温烟气通过回气管道通入所述干馏炉体中，用于提供干馏所述生物质原料所需的热量；
（4）将所述干馏炉体中制得的所述干馏炭送入冷却机构中进行冷却，以得到成品炭。
优选地，在所述步骤（1）中，干馏温度在350-900℃之间。
优选地，在所述步骤（1）中，所述生物质原料在所述干馏炉体中停留5-120分钟。
优选地，在所述步骤（2）中，当所述低热值可燃气的温度低至350-600℃之间时，将其通过所述出气管道通入所述燃烧机构中。
优选地，在所述步骤（3）中，将部分所述高温烟气通过所述回气管道通入所述干馏炉体中，将其余的所述高温烟气通入余热换热机构中。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种气化制炭设备及气化制炭工艺，在现有制炭工艺技术和能源利用方法的基础上进行实质性的改进和创新，通过高温烟气对生物质原料进行高温干馏炭化，并对干馏过程中产生的挥发性干馏气进行回收利用。将气体燃料的高效燃烧技术与生物质干馏技术进行科学集成，通过系统优化对现有的生物质制炭过程进行完善，以提高系统的效率、降低工艺成本、实现能量的充分利用并最终实现生物质资源的综合转化和高效利用。
附图说明
附图1为本发明设备的结构示意图。
其中：1、干馏炉体；2、进料机构；3、出气管道；4、燃烧机构；5、回气管道；6、冷却机构；7、余热换热机构。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1所示，上述一种气化制炭设备，用于干馏生物质原料以气化制炭。
这里的生物质原料包括：绿色植物利用光合作用形成的木材、秸秆、果实等木质和非木质类生物质有机物质；前述生物质原料经过直接或者间接利用、加工、处理后形成的残渣、废料或者中间产物，例如糠醛渣、废弃模板、废弃物衍生燃料（rdf）、酒糟、稻壳等。该生物质原料的特征为，物质主体由含碳的天然有机高分子聚合物：纤维素、半纤维素和木质素中的一种或者若干种组合构成。
该气化制炭设备包括干馏炉体1、与干馏炉体1连通的进料机构2、一端连通在该干馏炉体1上的出气管道3、连通在该出气管道3另一端的燃烧机构4、分别与该燃烧机构4和该干馏炉体1连通的回气管道5、与干馏炉体1连通的用于冷却干馏炉体1中输出的干馏炭的冷却机构6。该回气管道5用于将该燃烧机构4中燃烧产生的高温烟气通入干馏炉体1中，以提供干馏生物质原料所需的热量。冷却机构6中用于输出冷却后制得的成品炭。出气管道3连通在干馏炉体1的上部，回气管道5连通在干馏炉体1的下部。
在本实施例中，该干馏炉体1为气体热载体填充床干馏装置，即通过高温气体对其中的生物质原料进行高温干馏。该进料机构2为设于该干馏炉体1上方的生物质原料储仓。该燃烧机构4为流态化低热值燃气燃烧装置。该冷却机构6为水冷装置，
该气化制炭设备还包括与燃烧机构4连通的用于接收高温烟气的余热换热机构7。该余热换热机构7为余热锅炉，用于生产热水、蒸汽或导热油等，实现热量的回收利用。
上述一种气化制炭工艺，包括以下步骤：
（1）将直径3cm、长度3-5cm的木质生物质成型颗粒从进料机构2中连续送入填充床干馏装置的上部进口，这里的木质生物质原料为非粉末状，可以是颗粒状、块状、片状或成型处理后的其他形状；生物质颗粒在填充床干馏装置中依靠重力缓慢向下移动，移动速度受控于填充床干馏装置下部的干馏炭的排出速度，进入填充床干馏装置中的生物质颗粒与从填充床干馏装置下部回气管接口处送入的850℃高温气体在相对流动的过程中发生直接接触，高温气体流过生物质颗粒间隙并将热量传递给生物质颗粒，生物质颗粒的温度由室温开始升高并依次开始干燥和干馏，干馏发生的温度在400-850℃之间，生物质颗粒在填充床干馏装置中停留时间为40分钟，以确保干馏彻底；
（2）生物质颗粒干馏产生的挥发性干馏气和用于提供干馏所需热量并已经被冷却到一定程度的高温气体在填充床干馏装置中混合后形成低热值可燃气，当低热值可燃气的温度在400℃左右时，将低热值可燃气通过填充床干馏装置顶部的出气管道3排出，利用高温煤气风机送往流态化低热值燃气燃烧装置中；对于含水量在20%左右的木质生物质颗粒原料，该低热值可燃气低位发热量为1100kcal/nm3左右；
（3）低热值可燃气在流态化低热值燃气燃烧装置中与空气进行混合燃烧，在流态化低热值燃气燃烧装置中放置大量惰性的石英砂循环物料，可以为低热值可燃气的着火燃烧提供热源并平抑燃烧区域内大量放热导致的局部温度升高，以确保低热值可燃气和空气的充分混合、高效燃尽以及抑制氮氧化物生产，燃烧产生的高温烟气温度在850℃左右，将一部分高温烟气通过回气管道5通入填充床干馏装置中，用于提供干馏生物质颗粒所需的热量，将其余的高温烟气通入余热锅炉中，用于生产工业用高温蒸汽，实现热量的回收利用；
（4）使干馏产生的干馏炭持续移动并最终离开填充床干馏装置，经过内部和外部都设置水冷结构的绞龙构成的冷却机构6中进行冷却后，即得到成品炭。
本发明一种气化制炭设备结构合理，便于操作和控制，能在生物质干馏气能量得到充分利用的同时提升生物质炭生产效率，确保成品生物质炭具有较高的产率以及品质。
本发明一种气化制炭工艺的有益效果体现在：
利用高温气体作为热载体提供生物质干馏所需热量，填充床干馏装置内高温气体和生物质颗粒可以直接接触换热，较快流动的气体流过慢速移动的固体且在固体颗粒内不规则空隙间受到频繁扰动，大大提升了气体向颗粒表面的换热系数，可以确保生物质颗粒温度迅速提升，在尽可能短的时间内完成干馏。该机制大幅度提高了干馏反应容积强度，从而降低了工艺所需时间以及空间，大幅度降低了工艺成本。
气体热载体在填充床干馏装置中穿流而过，在生物质原料高温下完成干馏，形成干馏炭，排出填充床干馏装置冷却后即为成品生物质炭，无需进行产物分离，生物质在填充床干馏装置内干馏完全依靠高温惰性的烟气，几乎不发生固相半焦被燃烧消耗的情况，有效地确保了较高的生物质炭产率以及生物质炭较低的含灰率。
填充床干馏装置中产生的干馏气和作为热载体的烟气混合成为低热值可燃气后引出，其引出温度可以通过生物质原料的给入量和高温烟气的引入量的多少灵活控制，确保引出的低热值可燃气的温度可以经济可靠地输运到流态化低热值燃气燃烧装置中，且低热值可燃气中的可凝性焦油组分不在回气管道5中发生冷凝。
流态化低热值燃气燃烧装置适合燃烧处理低热值燃气，具有燃烧温度均匀可控、燃烧效率高、所需过量空气系数小、氮氧化物排放浓度低的特性，非常适合燃烧用干馏气和作为热载体的烟气混合形成低热值可燃气，可以确保携带了生物质原料中较大份额能量的干馏气得到充分的燃烧利用。
流态化低热值燃气燃烧装置中产生的高温燃气中一部分引回填充床干馏装置中，以气体热载体的形式提供制炭干馏所需能量，无需系统外能量供应，即简化了工艺流程也能降低工艺成本。多余的高温烟气可以在余热锅炉中生产热水、蒸汽、导热油，实现热量利用。进一步提升工艺的能效和竞争力。
该气化制炭工艺在高效制炭的同时实现了原料中热量的综合高效利用，工艺流程科学合理，综合利用程度高，便于操作和控制。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。