一种生物质外热法热炭联产系统中碳化系统的控制方法与流程

本发明属于农业生物质废弃物综合利用技术领域，具体说是一种生物质外热法热炭联产系统中碳化系统的控制方法。

背景技术：

近年来，我国农业持续稳定发展，其中规模化养殖水平显著提高，保障了肉蛋奶供给，但大量的农业废弃物没有得到有效处理和利用，成为农村环境治理的一大难题。抓好农业废弃物资源化利用，关系农产品的有效供给，关系农村居民生产生活环境改善，是重大的民生工程。

目前市场针对禽畜养殖废弃物资源化利用方式主要是沼气工程和堆肥，这两种方式不但要耗费大量的土地资源而且会造成二次污染。相比较用碳化的方式处理更经济环保，产生的碳化物可作为活性炭、土壤修复剂、炭基肥等高附加值产品。

但是现有技术在对农业废气物进行碳化处理时，碳化的转化率比较低，能效比低下，严重影响和制约对农业废弃物的利用，现有技术对碳化装置进行了很多改进，但是缺少通过碳化反应器时间的控制来提高碳化效率的方法。

技术实现要素：

本发明着眼于市场需求和现有技术的痛点，提供一种生物质外热法热炭联产系统中碳化系统的控制方法，通过对物料在碳化系统中停留时间的控制，可以更加高效的控制物料的碳化程度，用最佳的时间加热，消耗最少的热能，产生最佳的碳化效果，碳化效率比最优，同时产生更加便于利用的更加环保的烟气，提高物料的碳化效率。

一种生物质外热法热炭联产系统中碳化系统的控制方法，通过如下方式进行控制：物料在碳化反应器内的停留时间由物料的平均粒径及含水率决定，其关联性描述为下述方程式:

t=a*m*e^d/m+b式中：“*”代表乘，“/”代表除；

t—物料在反应器内的停留时间单位min；

a—物料粒径关联常数，取a=52.131；

b—物料含水率关联常数，取b=15.260；

e—自然常数，取e=2.718；

d—物料平均粒径，，单位m,取0.003≤d≤0.05；

m—物料干基含水率，取5%≤m≤80%。

作为优选，0.010≤d≤0.045；10%≤m≤65%。

作为优选0.022≤d≤0.04；15%≤m≤45%。

作为优选：0.025≤d≤0.035；16%≤m≤35%。

作为优选，d=0.03， m=30%。

一种生物质外热法热炭联产系统，包括进料系统、碳化系统、出料系统、生物质气化系统、废气焚烧系统、蒸汽发生系统和外热系统，所述进料系统的物料出口与碳化系统连接，所述碳化系统的废料出口与出料系统连接，碳化系统的烟气出口与废气焚烧系统的烟气入口连接，所述废气焚烧系统的烟气出口与外热系统连接，所述生物质气化系统的燃气出口分别与废气焚烧系统和外热系统的燃气入口连接，所述外热系统的烟气出口与蒸汽发生系统连接。

作为优选，所述碳化系统包括进料机构、配料机构、碳化反应器、排气管路a、排气管路b和物料收集机构，所述进料机构包括料斗和搅拌器，进料机构的下方是配料机构，所述配料机构由多组旋向相反的螺旋叶片组件构成，所述碳化反应器是多个圆筒组件，圆筒组件内部有圆筒组件内部有多段叶片和螺距不同的螺旋叶片和多片轴向叶片。

作为优选，圆筒内部螺旋叶片从进物料端至出物料端，螺旋叶片的高度依次降低。

作为优选，圆筒内部螺旋叶片的第一螺旋叶片区域设置有多片轴向叶片，轴向叶片沿轴向均匀布置。

与现有技术相比，本发明一种生物质外热法热炭联产系统的碳化系统的控制方法，通过对物料在碳化系统中停留时间的控制，可以更加高效的控制物料的碳化程度，用最佳的时间加热，消耗最少的热能，产生最佳的碳化效果，碳化效率比最优，同时产生更加便于利用的更加环保的烟气，提高物料的碳化效率。

附图说明

图1为本发明一种生物质外热法热炭联产系统主体示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明一种生物质外热法热炭联产系统中的进料系统示意图；

图4为本发明一种生物质外热法热炭联产系统中的碳化系统示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为本发明一种生物质外热法热炭联产系统中的出料系统示意图；

图7为本发明一种生物质外热法热炭联产系统中的生物质气化系统示意图；

图8为图7的俯视图；

图9为本发明一种生物质外热法热炭联产系统中的废气焚烧系统示意图；

图10为图9的俯视图；

图11为本发明一种生物质外热法热炭联产系统中的外热系统示意图；

图12为本发明一种生物质外热法热炭联产系统中的蒸汽发生系统示意图；

标示说明：进料系统10、密封料斗11、螺旋输送机12、驱动电机13、支腿14；碳化系统20、进料机构21、配料机构22、碳化反应器23、物料收集机构24、排气管路a25、排气管路b26、料斗27、搅拌器28；出料系统30、螺旋输送机31、夹套32、驱动电机33、支腿34，；生物质气化系统40、料斗41、气化反应器42、渣桶43、旋风除尘器44、空气预热器45、爬梯46、干燥室47、螺旋进料器48；废气焚烧系统50；外热系统60；蒸汽发生系统70、左管箱71、壳程72、右管箱73、丝网除沫器74、支座75。

实施方式

以下结合附图对一种生物质外热法热炭联产系统进行说明。

如图1和2所示，生物质外热法热炭联产系统包括进料系统10、碳化系统20、出料系统30、生物质气化系统40、废气焚烧系统50、外热系统60、蒸汽发生系统70，所述进料系统10的物料出口与碳化系统20连接，所述碳化系统20的废料出口与出料系统30连接，碳化系统20的烟气出口与废气焚烧系统50的烟气入口连接，所述废气焚烧系统50的烟气出口、生物质气化系统40的气体出口与外热系统60连接，所述外热系统60的烟气出口与蒸汽发生系统70连接。以上生物质外热法热炭联产系统对生物质碳化和气化的处理更加环保高效，产生的烟气环保利用通过废气焚烧系统焚烧，所产生的废气更少，同时废气焚烧系统产生的高热烟气进入外热系统，对碳化系统进行加热，整体提高系统的效率和热能利用。

如图3所示，所述进料系统包括密封料斗11、螺旋输送机12、驱动电机13和支腿14，所述螺旋输送机12由圆筒壳体及内部的螺旋叶片组件构成，螺旋输送机12由驱动电机13提供动力，螺旋输送机的出口连接碳化系统20的进料机构21入口。

如图4和图5所示，碳化系统20包括进料机构21、配料机构22、碳化反应器23、物料收集机构24、排气管路a25和排气管路b26，排气管路a25出来的是低温气体，主要是水蒸气，排气管路b26出来是高温气体，两个混合后进入废气焚烧系统，所述进料机构包括料斗27和搅拌器28，进料机构21的下方是配料机构22，所述配料机构核心部件由两组或多组旋向相反的螺旋叶片组件构成，所述碳化反应器23是两个并排的圆筒组件，每个圆筒内部都有三段或多段圆筒组件内部有多段叶片和螺距不同的的螺旋叶片及一定数量的轴向叶片。

作为优选，碳化反应器内有可以设置多组圆筒组件，按照需要进行布置。

作为优选，碳化反应器23圆筒组件内部的螺旋叶片，从进物料端至出物料端，螺旋叶片的高度和螺距依次降低。通过以上设计，物料前进过程中加热温度的升高，物料中的挥发成分不断析出，物料在高温气氛运动的过程中会碎裂成小颗粒物，物料的占有的体积在缩减，螺旋叶片的高度和螺距依次降低可以保证物料充分反应和加热效率。

作为优选，碳化反应器23圆筒组件内部的螺旋叶片的第一螺旋叶片区域设置有一定数量的轴向叶片，轴向叶片沿轴向均匀布置。通过轴向叶片的设置，物料反应初始阶段可以使物料层更稳定，保持物料层的均匀性，从而使物料反应更加充分。

作为优选，生物质外热法热炭联产系统中碳化反应器23内的物料对停留时间进行控制：

一种生物质外热法热炭联产系统的碳化系统的控制方法，通过如下方式进行控制：物料在碳化反应器内的停留时间由物料的平均粒径及含水率决定，其关联性描述为下述方程式:

t=a*m*e^d/m+b式中：“*”代表乘，“/”代表除；

t—物料在反应器内的停留时间；

a—物料粒径关联常数，取a=52.131；

b—物料含水率关联常数，取b=15.260；

e—自然常数，取e=2.718；

d—物料平均粒径，，单位m,取0.003≤d≤0.05；

m—物料干基含水率，取5%≤m≤80%。

作为优选，0.010≤d≤0.045；10%≤m≤65%。

作为优选0.022≤d≤0.04；15%≤m≤45%。

作为优选，d=0.03， m=30%。

t通过控制方程式所得到的单位不影响数值，t只取所需数值即可。

以上对生物质在碳化反应器内停留时间的控制方式，是发明人独创的，是经过大量的试验，多次的验证得到的劳动成果，通过对物料在碳化系统中停留时间的控制，可以更加高效的控制物料的碳化程度，用最佳的时间加热，消耗最少的热能，产生最佳的碳化效果，碳化效率比最优，同时产生更加便于利用的更加环保的烟气，提高物料的碳化效率。

如图6所示，出料系统30包括螺旋输送机31、夹套32、驱动电机33、支腿34，螺旋输送机31由驱动电机33驱动。其进口与碳化系统20物料收集机构24的出口相连接。出料系统的夹套32中是流动的冷却水用于冷却高温的碳化产物。

如图7和图8所示，生物质气化系统40为整个系统提供燃料，包括料斗41、气化反应器42、渣桶43、旋风除尘器44、空气预热器45、爬梯46。料斗41下部为干燥室47，干燥室的通过管路连接空气预热器燃气进口，干燥室内部设置有螺旋进料器48。螺旋进料器的48出口连接气化反应器的物料进口。气化反应器42燃气出口连接旋风除尘器44。气化反应器42除渣口连接渣桶43。气化系统的燃气出口设在空气预热器45的下管箱处，通过管路连接废气焚烧系统50和外热系统60。

作为优选，干燥室的夹套腔体内壁上开有多个小孔，流程中的干燥室内燃气与生物质颗粒直接接触，燃气中的焦油及粉尘被吸附下来，提高燃气的洁净度，同时对颗粒加热蒸干更充分。为了进一步提高燃气的洁净度，干燥室燃气出口设有过滤装置。

作为优选，沿着生物质颗粒的运动方向，所述小孔的孔径和/或数量逐渐增加。主要是沿着生物质颗粒的运动方向，通过小孔的孔径和/或数量逐渐增加，增加进入 干燥室内的燃气的量，从而使的沿着生物质颗粒的运动方向，换热能力不断的增加，形成类似逆流换热效果，从而提高换热能力。

作为优选，沿着生物质颗粒的运动方向，所述小孔的孔径和/或数量逐渐增加的幅度不断增加。主要是沿着生物质颗粒的运动方向，通过小孔的孔径和/或数量逐渐增加幅度变大，增加进入干燥室内的燃气的量的不断增加的数量越来越大，从而使的沿着生物质颗粒的运动方向，换热能力不断的增加的幅度变大，形成更加稳定的逆流换热效果，从而提高换热能力。上述技术特征是申请人通过大量的研究得到的，并不是本领域的公知常识，幅度增加能够实现提高10%左右的换热效果。

如图9和图10所示，废气焚烧系统50与碳化系统的排气管路a25、排气管路b26相连接。废气焚烧系统50的主结构是一个圆筒形壳体，壳体的内部敷设耐火材料。废气焚烧系统设有燃气烧嘴,通过管路与生物质气化系统的燃气出口连接。燃气烧嘴包括自动点火器以及火焰监测器。废气焚烧系统的烟气出口与外热系统连接。

如图11所示，外热系统60包括包围碳化反应器圆筒所设置的隔热腔体，腔体内部敷设耐火材料；腔体的下部室整个系统的底座；腔体的一端设有燃气烧嘴。燃气烧嘴通过管路与生物质气化系统的燃气出口连接。燃气烧嘴包括自动点火器以及火焰监测器。腔体的侧面设有烟气进口与废气焚烧系统连接。腔体的顶部设有烟气出口，通过管路与蒸汽发生系统70烟气进口连接。

作为优选，如图12所示，蒸汽发生系统70包括左管箱71、壳程72、右管箱73、丝网除沫器74、支座75，左管箱71设有烟气进口，通过管路与外热系统60烟气出口连接。右管箱73设有烟气出口，通过管路连接引风机。支座75也可以是其它固定件，将蒸汽发生系统固定于外热系统上。

上述生物质外热法热炭联产方法，包括如下步骤：

（1）储料仓的物料通过机械输送方式进入进料系统10的密封料斗11中暂存，经螺旋输送机12送到碳化系统20进料口。

该流程中：密封料斗11内为微负压状态，避免污浊气体外泄污染空气。

（2）碳化系统接收来自进料系统10的物料。碳化系统20的进料机构21内设有振动器和搅拌器，避免物料的堵塞。进料机构21的下方是配料机构22，物料由配料机构22均匀地分配到碳化反应器23的两个圆筒组件中。筒内的物料在螺旋叶片的驱动下向前移动。

该流程中：圆筒组件在电动机的驱动下以一定的转速旋转，圆筒组件的转速要根据进入物料的含水率等成分来设定，提高反应效率，同时保证不同成分的物料在反应器内的在反应器内充分反应。

（3）物料在碳化反应器的圆筒组件在外热系统60腔体的高温烟气气氛中被加热。圆筒内的物料在向前移动的过程中温度逐渐升高，并发生如下反应：

100～150℃，物料中的游离水挥发；

150～200℃，物料中的化合水挥发，少量的小分子挥发分析出；

200～350℃，物料中的小分子挥发分挥发；

350～450℃，物料中的大分子挥发分挥发，获得最终的活炭化产物。物料收集机构24将得到的碳化产物收集后送入出料系统30。

该流程中：物料在反应器内的反应过程分阶段完成的，有利于提高反应效率和热能利用率。

（4）出料系统30接收来自碳化系统的高温碳化物冷却后输送出系统。出料系统的夹套32中是流动的冷却水用于冷却高温的碳化产物，使得排出系统的碳化产物温度低于60℃。

（5）物料在碳化反应器23中产生的挥发性气体通过排气管路a25和排气管路b26汇集后送入废气焚烧系统50。

（6）秸秆颗粒、粉碎的椰壳、碎木片等生物质物料通过机械或者人工送入生物质气化系统40中。物料在气化反应器42的高温气氛下依次发生干燥、热解、氧化、还原反应，产生可燃气体。可燃气体经过除尘冷却后，通过管路送到外热系统60及废气焚烧系统50中作为热源燃料。

该流程中：利用气化系统将秸秆颗粒等生物质物料气化为可燃气作为碳化系统的热源燃料，相比现有技术使用柴油、汽油等石化燃料，不会增加碳排放，更加经济环保。

（7）废气焚烧系统50接收来自碳化系统产生的废气。来自生物质气化系统的可燃气通过烧嘴点燃在圆筒壳体中燃烧这些废气。燃烧完全的高温烟气被导入外热系统60；

该流程中：圆筒壳体内维持850～900℃的高温气氛，其有效容积保证废气在壳体内滞留2S以上的时间，以使废气中的有害物质充分分解。

（8）外热系统60接收来自废气焚烧系统50的高温烟气，加热碳化反应器圆筒组件。来自生物质气化系统40的燃气作为辅助燃料，维持外热系统60隔热腔体内为550～600℃的高温气氛。加热完的碳化反应器的高温烟气被导入蒸汽发生系统70；

该流程中：利用来自废弃焚烧系统产生的高温烟气加热碳化系统的反应器，充分的利用烟气废热，提高热能利用率，极大的减少额外燃料的消耗。

（9）蒸汽发生系统70接收来自外热系统60的550℃左右的高温烟气。烟气在换热管内与壳体内的水间接换热，将水加热到150℃左右产生蒸汽。产生的蒸汽用于供热或者活化活性炭。

该流程中：利用排放的高温烟气产生蒸汽，充分的利用烟气废热，极大得提高热能利用率，提高了系统的经济收益。

本发明与现有技术相比具有如下优点和积极效果：

1.充分利用烟气废热加热反应器，热能利用率高，极大得降低了燃料消耗；

2.反应器效率更高，系统结构更紧凑。同等处理规模，占地面积小只有现有技术设备的25%；

3.利用生物质气化系统为碳化系统提供燃料，更加经济环保；

4.利用排烟废热副产蒸汽，极大得提高了系统的经济收益。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。