一种分段式热解气化装置的制作方法

本发明涉及生物质固体废弃物热化学转换领域，特别涉及一种分段式热解气化装置。

背景技术：

作为生物质热化学转化技术路径之一，生物质热解气化技术是较直燃更清洁高效的一种转化方式，在高温缺氧的条件下，将生物质转化为可燃气体、液体混合物和固体炭，产物由不同工艺条件确定，产品可用于发电供热、合成燃料和化学品等。该技术核心设备为热解气化反应器，目前工程应用主流设备为固定床和流化床两种类型，各自又分别包括不同形式。固定床具有结构简单、制造成本低、运动部件少的优点，但缺点是热解过程不容易人为控制，生物质在炉内容易搭桥形成风腔或反应不均易发生结焦，故而热解气化效率较低。流化床具有反应速度快、处理能力大的优势，但需要小粒径生物质物料的供给，系统运行控制和检测手段较复杂，设备投资大。现有的热解气化技术主要有干馏工艺，固定床气化工艺、流化床气化工艺等。干馏工艺由于能源消耗高，换热效率低，生物质转化率较低，一般应用于木炭生产过程中。固定床气化工艺主要有上吸式气化炉、下吸式气化炉,以及混吸式气化炉等，固定床内物料自然堆积，由于物料的不均匀性和布风不均匀性，导致炉内容易出现局部过烧和欠烧现象，导致反应速率低，炉内结焦等一系列问题，严重制约了固定床气化炉的稳定运行和大型化发展。其中，下吸式固定床气化炉燃气经过高温炭层，水蒸气与炭层发生反应，气化炉较高，燃气热值高，焦油含量低，但是由于高温燃气不能与新鲜物料换热，物料干燥热解过程效率较低，导致下吸式气化炉处理量较难提升；上吸式固定床物料干燥热解速率相对较高，但由于燃气不经过高温碳层，焦油含量高，气化率较低。流化床的虽有较高的反应效率，但受限于生物质低密度，粒径不均匀，以及高挥发分等特性，生物质流化床的设计和运行操作都还未发展成熟，市场应用成功案例有限。由实际工程经验可知，利用热解气化技术获得所需产品的关键在于热解气化工艺与生物质理化特性和热解气化特性的匹配程度，因此，针对生物质种类多样性和组分复杂的特点，亟需一种生物质热解气化反应器，有较好的物料适应性，并能有效控制工艺条件。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种热解效率高，换热效率提升，反应均匀稳定，延长反应停留时间，提高处理量，节省投资成本，大大节省后续产品利用过程中分离、精制、提纯费用的分段式热解气化装置。

为实现上述目的，本发明提供的一种分段式热解气化装置，其中，包括第一炉体、在第一炉体上设有的第一进料口和第一出料口、在第一炉体内设有两条间距开且横穿过第一炉体的第一主轴和第二主轴、在第一主轴和第二主轴下方设有的第一槽式布风板和第二槽式布风板、在第一主轴和第二主轴上分别设有的第一驱动调速器和第二驱动调速器、在第一主轴和第二主轴上分别设有多个等间距分布的第一叶片和第二叶片、在第一槽式布风板一侧上设有的第二出料口、在第二槽式布风板与炉体内壁之间设有的第一隔板，及在对应第二槽式布风板一侧的炉体上设有的第一气化剂入口。第二槽式布风板与第一炉体形成由第一隔板隔开的第一风腔。第一炉体上设置有第一燃气出口，上述第一燃气出口的位置可以是在第一炉体的前端部，也可以是在顶部。上述的风腔可以式弧型结构，也可以式方型结构。上述隔板将风腔分隔成若干个区段，便于精确调节炉内各区段的反应温度，因此，气化剂入口也不限于两个，其数量应与风腔段数一致，其中，各段风腔长度不限于一致。第一出料口和第二出料口错位设置于第一槽式布风板和第二槽式布风板上。第一槽式布风板和第二槽式布风板上均设置有多个排列规律的通孔。通孔的分布可以位于上述布风板底部区域，可以位于侧部区域，也可以是其他布置方式。第一主轴和第二主轴螺旋旋转的方向相反。由于炉内为高温环境，主轴长度不可能过长，因此，为了保证物料由足够的停留时间，物料的搅拌效果以及反应均匀性逐步降低，在较大处理量的同时还保证足够的反应效率，可以考虑在炉内设计两套叠加在一起的螺旋热解气化炉，即双轴双回程结构。物料在上层炉膛的热解反应主要依靠下层的炉膛气化反应提供热量，与上吸式固定床气化炉的分层反应原理类似，但其传质传热效率远大于上吸式固定床气化炉。在保证反应均匀稳定的前提下，还可延长反应停留时间，提高处理量，节省投资成本。

在一些实施方式中，第一出料口和第二出料口上分别设置有第一卸料阀和第二卸料阀；生物质物料从所述的第一进料口送入。

在一些实施方式中，第一槽式布风板和第二槽式布风板均为弧形结构。

在一些实施方式中，第一炉体的内壁设置有保温层。

另一目的是提供一种分段式热解气化装置，其中，包括三个依次串联连通的第一螺旋热解气化炉、第二螺旋热解气化炉和第三螺旋热解气化炉。第一螺旋热解气化炉包括第二炉体、在第二炉体上设有的第二进料口和第三出料口、在第二炉体内设有横穿过第二炉体的第三主轴、在第三主轴上设有的第三槽式布风板、在第三主轴上设有的第三驱动调速器、在第三主轴上设有多个等间距分布的第三叶片，及在第三槽式布风板与第二炉体内壁之间设有的第二隔板和对应第三槽式布风板一侧的第二炉体上设有的第二气化剂入口；所述的第三槽式布风板与第二炉体形成由第二隔板隔开的第二风腔。第二螺旋热解气化炉包括第三炉体、在第三炉体上设有与第三出料口连通的第三进料口、在第三炉体上设有的第四出料口、在第三炉体内设有横穿过第三炉体的第四主轴、在第四主轴上设有的第四槽式布风板、在第四主轴上设有的第四驱动调速器、在第四主轴上设有多个等间距分布的第四叶片，及在第四槽式布风板与第三炉体内壁之间设有的第三隔板和对应第四槽式布风板一侧的第三炉体上设有的第三气化剂入口。第四槽式布风板与第三炉体形成由第三隔板隔开的第三弧型结构，也可以式方型结构。第四槽式布风板与第三炉体形成由第三隔板隔开的第三风腔。第三螺旋热解气化炉包括第四炉体、在第四炉体上设有与第四出料口连通的第四进料口、在第四炉体上设有的第五出料口、在第四炉体内设有横穿过第四炉体的第五主轴、在第五主轴上设有的第五槽式布风板、在第五主轴上设有的第五驱动调速器、在第五主轴上设有多个等间距分布的第五叶片，及在第五槽式布风板与第四炉体内壁之间设有的第四隔板和对应第五槽式布风板一侧的第四炉体上设有的第四气化剂入口。第五槽式布风板与第四炉体形成由第四隔板隔开的第四风腔。第三出料口和第四出料口上分别设置有第三卸料阀和第四卸料阀。第二炉体和第四炉体上分别有设置有第二燃气出口和第三燃气出口，上述第二燃气出口的位置可以是在第四炉体的前端部，也可以是在顶部。上述各段之间通过卸灰阀隔开，形成相互独立的环境，将热解气化反应的各个过程分开，在独立的炉膛空间内完成反应，有利于根据物料热解气化特性，以及产品需求的不同，在各反应区段设置最优化参数，可获得最经济和最高效的反应效率。第一叶片、第二叶片、第三叶片、第四叶片和第五叶片均可以采用间断式螺旋叶片或者耙式结构或者螺带结构。具体由物料特性决定。主轴为耐热不锈钢空心管或者铸钢管件。由此，空心管的结构可减小主轴自身重量，提高主轴刚度；还可作为冷却介质的流道，在炉内温度较高时，通入冷却介质保证主轴结构强度。

第一叶片、第二叶片、第三叶片、第四叶片和第五叶片均上的螺距为渐变式螺距。主要是为了适应物料热解气化过程中体积变化的特点；为了增加对物料的搅拌效果，还可以在叶片上增设耙。

本发明的有益效果是具有热解效率高，换热效率提升，反应均匀稳定，延长反应停留时间，提高处理量，节省投资成本，大大节省后续产品利用过程中分离、精制、提纯费用的效果。对于上述各螺旋热解气化炉的工作原理是，生物质物料由进料口进入炉体内，在炉内高温环境中发生热解气化反应，驱动调速器带动主轴旋转，主轴上连接的叶片在转动过程中，不断对物料进行搅拌，并推动物料向炉后移动。气化剂由气化剂进口进入风腔，在风腔内稳压后，经槽式布风板底部均布的通孔进入炉内，与物料发生氧化反应，并释放热量，保证炉内高温环境。物料经热解气化反应后，产生的生物质燃气经燃气出口排出，剩余的炭渣经卸灰阀由出料口排出。

实现的效果具体如下：(1)采用主轴横穿过炉体，采用直接接触式螺旋热解气化炉的方式，克服现有技术采用间接外加热形式的螺旋管式热解炉的方式，换热效率大幅提升。(2)螺距为渐变式螺距，可以适应物料在热解气化过程中体积缩减的特性，提高热解效率。(3)各槽式布风板均分布通孔，便于气化剂往炉体输送，目的是进一步提高热解效率，而且适应不同类型的物料热解。(4)主轴为耐热不锈钢空心管或者铸钢管件，即主轴为空心轴内加冷却的设计，解决了主轴受热环境中的强度问题。(5)利用三段或多段螺旋移动床串联运行，生物质物料通过进料口进入系统，并依次通过反应段第一螺旋热解气化炉、第二螺旋热解气化炉、第三螺旋热解气化炉,完成热解气化的全过程，考虑到反应段第一螺旋热解气化炉温度相对较低，反应段第三螺旋热解气化炉温度较高，且物料在热解气化过程中体积不断缩减，因此有必要将反应段第一螺旋热解气化炉长度增长，反应段第三螺旋热解气化炉长度适当减短，既有利于主轴的强度，也符合实际反应的需求。反应段第三螺旋热解气化炉中，物料密度低，粒径小，有必要适量增加炉膛高度，减小炉膛内气体横向流速，较少粉尘夹带量。(6)分段反应还有利于调整热量的利用效果，将高温反应产生的热量用于为低温反应段补充热量，既保证反应所需的温度条件，又不造成能量浪费，如此可以降低系统的空气消耗量，燃气热值将得到提升。(7)分段反应还有利于产品的调质，将低温产生的含焦油和水蒸气较多的燃气通入高温反应段，高温炭层对焦油具有较好的催化作用，可大大降低燃气的焦油含量；水蒸气于高温炭层发生水煤气反应，有利于燃气热值和气化率的提高。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1中a-a的剖视结构示意图；

图3为对图2变形设计的结构示意图；

图4为第一槽式布风板或者第二槽式布风板底部通孔分布结构示意图；

图5为第一槽式布风板或者第二槽式布风板侧面通孔分布结构示意图；

图6为本发明实施例2的结构示意图；

图7为本发明实施例3的结构示意图；

图8为本发明实施例4的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步详细的说明。

双轴双回程的实施例1

如图1-5所示，一种分段式热解气化装置，包括第一炉体101、在第一炉体101上设有的第一进料口102和第一出料口103、在第一炉体101内设有两条间距开且横穿过第一炉体101的第一主轴104和第二主轴105、在第一主轴104和第二主轴105下方设有的第一槽式布风板106和第二槽式布风板107、在第一主轴104和第二主轴105上分别设有的第一驱动调速器108和第二驱动调速器109、在第一主轴104和第二主轴105上分别设有多个等间距分布的第一叶片110和第二叶片111、在第一槽式布风板106一侧上设有的第二出料口112、在第二槽式布风板107与炉体内壁之间设有的第一隔板113，及在对应第二槽式布风板107一侧的炉体上设有的第一气化剂入口114。第二槽式布风板107与第一炉体101形成由第一隔板113隔开的第一风腔115。第一炉体101上设置有第一燃气出口116，上述第一燃气出口116的位置可以是在第一炉体101的前端部，也可以是在顶部。上述的风腔可以式弧型结构，也可以式方型结构。上述第一隔板113将风腔分隔成若干个区段，便于精确调节炉内各区段的反应温度，因此，气化剂入口也不限于两个，其数量应与风腔段数一致，各段风腔长度不限于一致。第一出料口103和第二出料口112错位设置于第一槽式布风板106和第二槽式布风板107上。第一槽式布风板106和第二槽式布风板107上均设置有多个排列规律的通孔117。通孔117的分布可以位于上述布风板底部区域，可以位于侧部区域，也可以是其他布置方式。第一主轴104和第二主轴105螺旋旋转的方向相反。炉内为高温环境，主轴长度不可能过长，因此，为了保证物料由足够的停留时间，物料的搅拌效果以及反应均匀性逐步降低，在较大处理量的同时还保证足够的反应效率，可以考虑在炉内设计两套叠加在一起的螺旋热解气化炉，即双轴双回程结构。物料在上层炉膛的热解反应主要依靠下层的炉膛气化反应提供热量，与上吸式固定床气化炉的分层反应原理类似，但其传质传热效率远大于上吸式固定床气化炉。在保证反应均匀稳定的前提下，还可延长反应停留时间，提高处理量，节省投资成本。第一出料口103和第二出料口112上分别设置有第一卸料阀118和第二卸料阀119；生物质物料从所述的第一进料口102送入。第一槽式布风板106和第二槽式布风板107均为弧形结构。第一炉体101的内壁设置有保温层120。

分段式螺旋热解气化炉的实施例2

如图6所示，一种分段式热解气化装置，包括三个依次串联连通的第一螺旋热解气化炉210、第二螺旋热解气化炉220和第三螺旋热解气化炉230。第一螺旋热解气化炉210包括第二炉体211、在第二炉体211上设有的第二进料口212和第三出料口213、在第二炉体211内设有横穿过第二炉体211的第三主轴214、在第三主轴214上设有的第三槽式布风板215、在第三主轴214上设有的第三驱动调速器216、在第三主轴214上设有多个等间距分布的第三叶片217，及在第三槽式布风板215与第二炉体211内壁之间设有的第二隔板218和对应第三槽式布风板215一侧的第二炉体211上设有的第二气化剂入口219。第三槽式布风板215与第二炉体211形成由第二隔板218隔开的第二风腔2110。第二螺旋热解气化炉220包括第三炉体221、在第三炉体221上设有与第三出料口213连通的第三进料口222、在第三炉体221上设有的第四出料口223、在第三炉体221内设有横穿过第三炉体221的第四主轴224、在第四主轴224上设有的第四槽式布风板225、在第四主轴224上设有的第四驱动调速器226、在第四主轴224上设有多个等间距分布的第四叶片227，及在第四槽式布风板225与第三炉体221内壁之间设有的第三隔板228和对应第四槽式布风板225一侧的第三炉体221上设有的第三气化剂入口229。第四槽式布风板225与第三炉体221形成由第三隔板228隔开的第三弧型结构，也可以式方型结构。第四槽式布风板225与第三炉体221形成由第三隔板228隔开的第三风腔2210。第三螺旋热解气化炉230包括第四炉体231、在第四炉体231上设有与第四出料口223连通的第四进料口232、在第四炉体231上设有的第五出料口233、在第四炉体231内设有横穿过第四炉体231的第五主轴234、在第五主轴234上设有的第五槽式布风板235、在第五主轴234上设有的第五驱动调速器236、在第五主轴234上设有多个等间距分布的第五叶片237，及在第五槽式布风板235与第四炉体231内壁之间设有的第四隔板238和对应第五槽式布风板235一侧的第四炉体231上设有的第四气化剂入口239。第五槽式布风板235与第四炉体231形成由第四隔板238隔开的第四风腔2310。第二炉体211和第四炉体231上分别有设置有第二燃气出口240和第三燃气出口250。第二炉体211和第四炉体231上分别有设置有第二燃气出口240和第三燃气出口250，上述第二燃气出口240的位置可以是在第四炉体231的前端部，也可以是在顶部。上述各段之间通过卸灰阀隔开，形成相互独立的环境，将热解气化反应的各个过程分开，在独立的炉膛空间内完成反应，有利于根据物料热解气化特性，以及产品需求的不同，在各反应区段设置最优化参数，可获得最经济和最高效的反应效率。第一叶片110、第二叶片111、第三叶片217、第四叶片227和第五叶片237均可以采用间断式螺旋叶片或者耙式结构或者螺带结构。具体由物料特性决定。主轴为耐热不锈钢空心管或者铸钢管件。空心管的结构可减小主轴自身重量，提高主轴刚度；还可作为冷却介质的流道，在炉内温度较高时，通入冷却介质保证主轴结构强度。第一叶片110、第二叶片111、第三叶片217、第四叶片227和第五叶片237均上的螺距为渐变式螺距。主要是为了适应物料热解气化过程中体积变化的特点；为了增加对物料的搅拌效果，还可以在叶片上增设耙。

分段式螺旋热解气化炉获得高热值低焦油燃气的工艺原理的实施例3

如图7所示，物料由反应段第一螺旋热解气化炉210进料口进入系统，在反应段第一螺旋热解气化炉210中进行干燥和热解反应，燃气由反应段第一螺旋热解气化炉210的第二燃气出口240排出，反应段第二螺旋热解气化炉220内，由第三气化剂入口229进入的空气与来自反应段第一螺旋热解气化炉210第三出料口213的物料进行气化反应，产生燃气并释放热量，用于维持反应段第二螺旋热解气化炉220的高温环境，产生的高温燃气由反应段第二螺旋热解气化炉220燃气出口排出，并进入反应段第一螺旋热解气化炉210用于维持反应段第一螺旋热解气化炉210所需的热量；反应段第二螺旋热解气化炉220反应后剩余的物料经出料口进入反应段第三螺旋热解气化炉230，在反应段第三螺旋热解气化炉230气化剂入口通入适量的空气，用于提升反应段第三螺旋热解气化炉230的反应温度，并将反应段第一螺旋热解气化炉210燃气出口排出的燃气送入反应段第三螺旋热解气化炉230气化剂入口，利用反应段第三螺旋热解气化炉230中的高温碳层催化燃气中携带的焦油，并与燃气中的水蒸气进行反应，进一步消耗物料的固定碳，最终获得高热值低焦油的燃气并由反应段第三螺旋热解气化炉230的燃气出口排出系统，剩余炭渣由反应段第三螺旋热解气化炉230出料口排出系统。

分段式螺旋热解气化炉获得高热值低焦油燃气的工艺原理的实施例4

如图8所示，生物质物料由反应段第一螺旋热解气化炉210进料口进入系统，在反应段第一螺旋热解气化炉210进行低温热解反应后剩余物料进入反应段第二螺旋热解气化炉220发生中温热解反应(温度在400～500℃之间)，之后进入反应段第三螺旋热解气化炉230进行高温热解反应(温度在600～750℃之间)，在反应段第一螺旋热解气化炉210内发生低温热解反应可获得的燃气主要为二氧化碳和少量一氧化碳，以及水、木醋液等成分，将燃气进行冷凝处理，即可得到焦油含量极低、性质稳定的木醋液，反应段第二螺旋热解气化炉220内中温热解反应可获得的燃气含有一定量的轻质焦油，将此热解气进行冷凝即可得到生物质油，可用作燃料或化工原料使用；反应段第三螺旋热解气化炉230内发生高温热解反应产生的热解气送入反应段第二螺旋热解气化炉220的气化剂进口，作为反应段第二螺旋热解气化炉220进行热解反应用的热源；反应段第二螺旋热解气化炉220产生的部分热解气送至燃烧器260，并匹配适量的空气进行燃烧，产生的高温烟气分两路，一路送至反应段第三螺旋热解气化炉230作为高温热解所需的热源，另一炉与空预器270进行换热后低温净化排放；空预器270输出的热空气用于反应段第一螺旋热解气化炉210低温热解的热源。反应段第一螺旋热解气化炉210产生的热解气进行冷凝处理，收集木醋液并降低含水量后，将剩余气体送至燃烧器260作为燃烧器260配风使用；反应段第三螺旋热解气化炉230反应剩余的生物质炭经第五出料口233排出系统。上述空预器为翅管式换热器。第二炉体211和第三炉体221上分别有设置有第二燃气出口240和第四燃气出口280。

该工艺系统利用分段工艺，采用最佳工况实现了生物质气、液、炭多联产，可获得优质的木醋液，优质的生物质炭和可燃气体。工艺中利用高温烟气作为热源，并与物料直接接触，既提高了反应效率，又可严格控制反应温度，确保各反应段的产品质量稳定，反应段第一螺旋热解气化炉210中进行低温反应，并由热空气进行热解，确保木醋液产品中焦油含量极低，品质优良，能节省较大的木醋液精制成本。反应段第一螺旋热解气化炉210产生的热解气经冷凝收集木醋液，并降低含水量后作为燃烧器260的燃烧配风使用，将气体中间少量一氧化碳消耗干净，能源利用率较高。该工艺在高温热解阶段严格避免空气与物料接触，保证固定炭最大限度的保留与生物质炭中，加上严格控制的反应条件，有效保证了生物质炭的产品质量和产率。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。