一种农作物秸秆制炭炉及其制炭方法与流程

本发明涉及能源制备技术领域，具体涉及一种农作物秸秆制炭炉及其制炭方法。

背景技术：

农作物秸秆是一种优良的生物质能源，目前全世界每年产农作物秸秆29亿多吨，我国每年可生产秸秆达7亿吨以上，其中以稻壳为例，我国每年产稻谷约2亿吨，相当于稻壳四千万吨，占世界总产量的30％以上，居世界第一位。以前由于对农作物秸秆的利用方式少，通常是堆叠在田地里直接焚烧，不仅浪费，而且污染环境。

农作物秸秆是一种有机物，它由可燃质、无机质和水组成，主要含有碳，氢，氧及少量的氮，还有少量的硫等元素。对农作物秸秆进行炭化处理制炭是充分利用这些农业废弃物作为生物质原料的有效途径之一。将农作物秸秆置于炭化炉中，在缺氧的条件下焖烧，即可得到机制炭及其热解的产物可燃气体、木焦油和木醋酸液。

目前的秸秆炭化设备一般是让秸秆处于高温环境下进行炭化，采用封闭的炉灶式，一次进料以后需要封闭炭化室进行炭化，炭化完成后再进行出料，无法持续工作，制炭效率比较低；其次在出料和再次进料过程中，热量损失较大，经济性差，此外炭化过程中由于秸秆处于一个相对封闭的环境中，秸秆分解产生的可燃性气体无法利用，造成极大浪费，炭化过程中的资源没有实现最大化利用。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种农作物秸秆制炭炉及其制炭方法，来解决炭化过程中资源化利用率低的问题。

鉴于上述问题，本发明提供的技术方案是：

一种农作物秸秆制炭炉，包括炉架以及固定安装在炉架内部的炉筒，所述炉筒内设置有炉胆，所述炉胆顶部开口处设置有向周圈延伸的圆台，所述圆台盖合在炉筒顶部开口端面上，且所述炉胆外壁与炉筒内壁之间设置有燃烧腔室，所述燃烧腔室底部设置有燃烧器，所述炉筒外设置有燃气进气管，所述燃气进气管穿过所述炉筒并与所述燃烧器相连接，所述炉筒外还设置有鼓风机，所述鼓风机上连接有鼓风管道，所述鼓风管道伸进炉筒底部并与所述燃烧腔室连通，所述炉胆上方设置有炉盖，所述炉盖、圆台以及炉筒通过螺栓连接，所述炉胆内设置有搅拌装置，所述炉盖顶面设置有用于驱动搅拌装置转动的第一电机，所述搅拌装置包括搅拌轴，所述搅拌轴上均匀分别若干搅拌杆，所述搅拌轴的顶端穿过所述炉盖顶面并与所述第一电机的输出轴转动连接，所述搅拌轴的末端延伸至炉胆底部，所述炉胆底部侧壁上设置有穿过所述炉筒的出炭管，所述炉盖上方一侧的炉架上设置有进料蛟龙，所述进料蛟龙包括进料管，所述进料管穿过炉盖并与所述炉胆连通，所述炉盖顶面还设在有氮气进气管，所述氮气进气管一端与氮气罐连接，另一端穿过炉盖底面并与炉胆相连通，所述炉盖上方另一侧的炉架上设置有可燃气处理装置，所述可燃气处理装置一端通过炉盖上方的可燃气出气管与所述炉胆连通，另一端通过可燃气循环管与燃烧器相连。

为了更好的实现本发明，进一步的，所述进料蛟龙还包括进料仓、第二电机、蛟龙管、蛟龙杆，所述蛟龙管的一端底部连接所述进料管，另一端连接有第二电机，所述蛟龙管内设置有蛟龙杆，所述蛟龙杆与所述第二电机转动连接，所述蛟龙管的中部连接有进料仓。

为了更好的实现本发明，进一步的，所述可燃气处理装置包括除尘器、冷凝器、净化器，所述除尘器的进气端连接所述可燃气出气管，出气端连接冷凝器，所述净化器的的进气端连接所述冷凝器的出气端，所述净化器的出气端连接有可燃气循环管。

作为优选，所述炉筒外壁设有保温层。

作为优选的，本发明还包括若干个换热水箱，所述换热水箱下部设有进水口，上部设有出水口，所述换热水箱内设置有换热管，所述的换热管在换热水箱内呈竖向u型设置，环绕于换热水箱内，所述换热管一端通过炉筒上部开设的出烟口与燃烧腔室相连通，另一端与设在换热水箱外部的排烟口相连。

本发明还提供了一种农作物秸秆制炭方法，包括向炉胆内通入氮气使炉内为无氧或低氧环境后，将农作物秸秆原料颗粒通过进料蛟龙加入到炉胆内，通过燃气进气管通入可燃气体，并由燃烧器在燃烧腔室内进行燃烧，启动搅拌装置使炉内的秸秆充分搅拌，热气流从炉胆底部传递到炉内，在炉内形成逆流反应区域；控制炉胆底部的反应温度为220～300℃，炉内压力为1020～1300mbar，反应生成生物质炭燃料从炉胆底部侧壁的出炭管输出。

所述低氧环境是指氧气体积百分含量低于10％。

炉胆内产生的可燃气体从炉盖上部的可燃气出气管排出，所述可燃气体依次经过可燃气处理装置进行除尘、冷凝、净化处理后，经由可燃气循环管输送给燃烧器，并作为燃烧产生热气流作为制炭炉的热源，实现了能量的循环利用。

所述除尘是采用旋风除尘器进行除尘，去除可燃气体携带的碳颗粒及粉尘等固体杂质，减少进入冷凝器的气体中固体杂质的含量，不仅避免了冷凝器内部结垢的现象，减少了冷凝液体中固体杂质的含量，提高了冷凝产品的品质；同时，经过除尘的可燃气体燃烧时，避免了气体燃烧不均匀、燃烧效率不高，甚至爆燃的现象，使进入炭化炉的热气流温度可控，提高了系统运行的稳定性；

所述冷凝是采用冷凝器加入冷却水进行冷凝，冷凝前气体的温度为50～60℃，冷凝后气体的温度为42～52℃，冷凝所得产物主要成分是醋液；

所述净化是采用净化器进行吸附净化，去除冷凝器未能处理的、被气流携带出的小液滴，对可燃气体进行进一步的净化，提高后续燃烧的效率和均匀性，进一步提高进入制炭炉的热气流温度的可控性和系统运行的稳定性。

通过鼓风机可以向燃烧腔室内通入一定量的空气，从而控制燃烧腔室内的燃烧强度，从而控制炉胆底部的热解反应温度。

所述农作物秸秆原料颗粒是由以下方法制备的：将农作物秸秆粉碎至粒径<3mm，后经压制成型至粒径<15mm，即得，所得农作物秸秆原料颗粒的堆密度0.25～0.40g/cm3，所述农作物秸秆原料颗粒的含水率<20％。

该方法中，物料在炉胆中的停留时间为1～6h。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

本发明所涉及的农作物秸秆制炭炉，能够在制炭过程中产生可燃气体，可燃气体经过处理后，可以燃烧产生热气流作为制炭炉的热源，热源得以循环利用，减少对燃气的依赖，有效降低燃料成本；同时利用燃烧余热对水进行加热，将热水用于供暖等用途，提高能源利用率，降低污染排放。

本发明的涉及的农作物秸秆制炭方法，以氮气作载气，开始通入氮气保证炭化炉内为无氧或低氧环境，然后将农作物秸秆原料颗粒输送至炉胆中；初始利用可燃气进气管向制炭炉内提供燃气原料，并通过燃烧器燃烧为炉胆提供热解炭化反应提供热量；农作物秸秆原料颗粒在炉胆内上下搅拌，热气流从炉胆底部上升至顶部，两者直接接触，在垂直方向上逆流移动并形成持续反应区域。控制炉胆底部的热解反应温度为220～300℃，炉内压力为1020～1300mbar(绝压)，炉胆内维持着温度梯度，从上到下温度逐渐升高，使秸秆在炉内从上到下运动过程中依次实现干燥、预热解、热解和炭化阶段，从而在炉底生成生物质炭燃料，从炉胆底部侧壁上的出炭管输出，实现生物质炭燃料的制备；该方法中，原料颗粒与热气流直接接触，热利用效率高；炭化温度低能源得率高；所得生物质炭能量密度高，可作为燃料使用，拓展了产品的用途，为农作物秸秆的回收利用提供了新的途径。

该方法中，农作物秸秆原料颗粒以一定的速率进入炉胆内，从炉胆顶部降落到底部过程中，首先失去水分被干燥，原料颗粒持续下降，逐渐通过温度更高区域，此时生物质发生热解反应，释放出co、co2及轻组分有机物等气体，热解完成得到的生物质炭燃料以一定的出炭速率在炉胆底连续输出，实现了生物质炭燃料的连续生产。

进一步的，热解过程中产生的可燃气体，从炉盖上部排出，依次经除尘、冷凝、净化后，经由可燃气循环管输送给燃烧器，并作为燃烧产生热气流作为制炭炉的热源，实现了能量的循环利用，且能维持制炭炉的连续生产。

在制炭过程中，通过燃烧腔室内的燃烧余热可以对水进行加热，获得热水用于供暖或其他使用，提高能源利用率，降低污染排放。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的制炭炉立体示意图；

图2为本发明实施例中所提供的制炭炉平面示意图；

附图标记说明：

1-炉架，2-炉筒，3-炉胆，4-圆台，5-燃烧腔室，6-燃烧器，7-燃气进气管，8-鼓风机，9-鼓风管道，10-炉盖，11-搅拌装置，111-搅拌轴，112-搅拌杆，12-第一电机，13-出炭管，14-进料蛟龙，141-进料管，142-料仓，143-第二电机，144-蛟龙管，145-蛟龙杆，15-氮气进气管，16-可燃气处理装置，161-除尘器，162-冷凝器，163-净化器，17-可燃气出气管，18-可燃气循环管，19-保温层，20-换热水箱，21-出烟口，201-进水口，202-出水口，203-换热管，204-排烟口。

具体实施例

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供了一种农作物秸秆制炭炉，包括炉架1以及固定安装在炉架1内部的炉筒2，所述炉筒2内设置有炉胆3，所述炉胆3顶部开口处设置有向周圈延伸的圆台4，所述圆台4盖合在炉筒2顶部开口端面上，且所述炉胆3外壁与炉筒2内壁之间设置有燃烧腔室5，所述燃烧腔室5底部设置有燃烧器6，所述炉筒2外设置有燃气进气管7，所述燃气进气管7穿过所述炉筒2并与所述燃烧器6相连接，燃气进气管7用于连接可燃气罐，向燃烧器6提供气体原料，这些气体原料可以是天然气、煤气、液化石油气中的任意一种，所述炉筒2外还设置有鼓风机8，所述鼓风机8上连接有鼓风管道9，所述鼓风管道9伸进炉筒2底部并与所述燃烧腔室5连通，用于向燃烧腔室5内鼓入一定量的空气或氧气，来调节燃烧器6的燃烧量，控制加热温度，所述炉胆3上方设置有炉盖10，所述炉盖10、圆台4以及炉筒2通过螺栓连接，使用螺栓连接方便拆卸，所述炉胆3内设置有搅拌装置11，所述炉盖10顶面设置有用于驱动搅拌装置11转动的第一电机12，所述搅拌装置11包括搅拌轴111，所述搅拌轴111上均匀分别若干搅拌杆112，所述搅拌轴111的顶端穿过所述炉盖10顶面并与所述第一电机12的输出轴转动连接，所述搅拌轴111的末端延伸至炉胆3底部，搅拌装置11用于对进入炉胆3内的秸秆颗粒进行搅拌，保证其受热炭化均匀，所述炉胆3底部侧壁上设置有穿过所述炉筒2的出炭管13，炭化完成的生物质炭燃料则会通过出炭管13输出，所述炉盖10上方一侧的炉架1上设置有进料蛟龙14，所述进料蛟龙14包括进料管141，所述进料管141穿过炉盖10并与所述炉胆3连通，进料蛟龙14还包括进料仓142、第二电机143、蛟龙管144、蛟龙杆145，所述蛟龙管144的一端底部连接所述进料管141，另一端连接有第二电机143，所述蛟龙管144内设置有蛟龙杆145，所述蛟龙杆145与所述第二电机143转动连接，所述蛟龙管144的中部连接有进料仓142，进料蛟龙14用于控制秸秆原料进入炉胆3内的速率，所述炉盖10顶面还设在有氮气进气管15，所述氮气进气管15一端与氮气罐连接，另一端穿过炉盖10底面并与炉胆3相连通，氮气进气管15用于向炉胆3内注入一定量的氮气，保证炭化炉内为无氧或低氧环境，所述炉盖10上方另一侧的炉架上设置有可燃气处理装置16，所述可燃气处理装置16包括除尘器161、冷凝器162、净化器163，所述除尘器161的进气端通过炉盖10上方的可燃气出气管17与所述炉胆3连通，除尘器161的出气端连接冷凝器162，所述净化器163的的进气端连接所述冷凝器162的出气端，所述净化器163的出气端连接有可燃气循环管18，可燃气循环管18与燃烧器6相连。可燃气体依次经过可燃气处理装置进行除尘、冷凝、净化处理后，经由可燃气循环管18输送给燃烧器6，并作为燃烧产生热气流作为制炭炉的热源，实现了能量的循环利用。

在本发明实施例中，所述炉筒2外壁设有保温层19，防止制炭过程中燃烧腔室内的热量通过炉筒2外壁流失，影响制炭质量。

作为本发明的优选实施例，本发明还包括若干个换热水箱20，所述换热水箱20下部设有进水口201，上部设有出水口202，由进水口201向换热水箱20中注水，由出水口202将热水排出。所述换热水箱20内设置有换热管203，所述的换热管203在换热水箱20内呈竖向u型设置，环绕于换热水箱20内，所述换热管203一端通过炉筒2上部开设的出烟口21与燃烧腔室5相连通，另一端与设在换热水箱20外部的排烟口204相连。换热管203在换热水箱20内呈竖向u型设置，环绕于换热水箱内。目的在于增大换热管203与水的接触面积，提高烟气热量的利用率。

本发明在农作物秸秆制炭炉的基础上提供了一种农作物秸秆制炭方法，具体为：

实施例一：通过氮气进气管向炉胆3内通入氮气，使炉胆3内为无氧(所用氮气的纯度不低于99％)或低氧环境(氧气体积百分含量低于10％)，将农作物秸秆原料颗粒加入到进料蛟龙14上的进料仓142内，通过第二电机143转动驱动蛟龙杆145转动，使秸秆颗粒进入到蛟龙管144后，在蛟龙杆145的转动下，通过进料管141进入炉胆内，通过第一电机12转动驱动搅拌轴111转动，来带动搅拌杆112对炉胆3内的秸秆原料进行搅拌，使炉胆内的秸秆原料充分混合，初始利用燃气进气管7向制炭炉内提供燃气原料，并通过燃烧器6燃烧为炉胆3提供热解炭化反应提供热量，热气流从炉胆3底部传递到炉内，在炉内形成逆流反应区域；控制炉胆3底部的反应温度为220℃，炉内压力为1020mbar，物料在炉内的停留时间为3h，炭化反应后的生物质炭燃料从炉胆3底部侧壁上的出炭管13输出，炉内产生的可燃气体从炉盖10上方的可燃气出气管17排出。

具体实施方式中，所述农作物秸秆原料颗粒是由以下方法制备的：将农作物秸秆粉碎至粒径<3mm，后经压制成型至粒径<15mm，即得，所得农作物秸秆原料颗粒的堆密度0.25～0.40g/cm3，所述农作物秸秆原料颗粒的含水率<20％。

炉胆内维持着温度梯度，从上到下温度逐渐升高，使秸秆在炉内从上到下运动过程中依次实现干燥、预热解、热解和炭化阶段，从而在炉底生成生物质炭燃料，从炉胆底部侧壁上的出炭管输出，实现生物质炭燃料的制备。

初始利用可燃气进气管向制炭炉内提供燃气原料，并通过燃烧器6燃烧为炉胆提供热解炭化反应提供热量，后续炉内产生的可燃气体依次经过可燃气处理装置16进行除尘、冷凝、净化处理后，经由可燃气循环管18输送给燃烧器，并作为燃烧产生热气流作为制炭炉的热源，实现了能量的循环利用。在燃烧器燃烧时，通过鼓风机8可以向燃烧腔室5内通入助燃气体(空气)，以控制炉胆3底部的热解反应温度。

在可燃气体进入可燃气处理装置16后，除尘是采用旋风除尘器161进行除尘，去除可燃气体携带的碳颗粒及粉尘等固体杂质，减少进入冷凝器162的气体中固体杂质的含量，不仅避免了冷凝器162内部结垢的现象，减少了冷凝液体中固体杂质的含量，提高了冷凝产品的品质；同时，经过除尘的可燃气体燃烧时，避免了气体燃烧不均匀、燃烧效率不高，甚至爆燃的现象，使进入炭化炉的热气流温度可控，提高了系统运行的稳定性；

冷凝是采用冷凝器162加入冷却水进行冷凝，冷凝前气体的温度为50～60℃，冷凝后气体的温度为42～52℃，冷凝所得产物主要成分是醋液；

净化过程中的是采用净化器163进行吸附净化，去除冷凝器未能处理的、被气流携带出的小液滴，对可燃气体进行进一步的净化，提高后续燃烧的效率和均匀性，进一步提高进入制炭炉的热气流温度的可控性和系统运行的稳定性。

在制炭过程中，燃烧腔室5内产生的烟气还可以作为制热水的能源，具体的为：燃烧腔室5内带有热量的烟气通过炉筒2上部开设的出烟口204排出到换热水箱20的换热管中，此时，换热水箱20中充满用于供热的水，烟气通过换热管203时，烟气中的热量传递到与换热管203接触的水中，对水进行加热，水温达到供热要求温度后，热水从换热水箱的出水口202排出，供给供热用户。换热管203中的烟气由换热水箱20外部的排烟口204排出。

本发明提供的实施例二与实施例一的区别在于：控制炉胆底部的反应温度为300℃，炉内压力为1300mbar，物料在炉内的停留时间为6h，其他均与实施例一致。

本发明提供的实施例三与实施例一的区别在于：控制炉胆底部的反应温度为260℃，炉内压力为1150mbar，物料在炉内的停留时间为5h，其他均与实施例一致。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。