CN112480950A - 移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了包括移动式拖车，以及安装在移动式拖车上的依次连接的连续式螺旋进出料***、微波反应***、微波催化重整***、分离回收***和主控台，连续式螺旋进出料***包括储料筒和螺旋送料器；微波反应***包括七面体微波反应炉体、微波吸收剂床层、提拉式螺旋搅拌器、微波发生器；微波催化重整***包括催化管道和催化剂床层；分离回收***包括依次连接的冷凝塔、储液罐、洗气罐、干燥罐和燃气回收发电组件。本发明装置利用移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产技术，处理农业废弃物秸秆，可就地将秸秆转化为高附加值生物燃气、木焦油、木醋液原液和生物炭，生产过程没有“三废”生产，实现废弃生物质全组分利用，绿色循环零污染。
Description
技术领域
本发明是一种移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产装置，属于生物能源领域。利用本发明装置对秸秆进行连续式微波热解，得到生物质炭、木焦油、木醋液原液、生物质可燃气。
背景技术
自20世纪80年代以来，随着农业的发展，我国粮食产量大幅度提高，秸秆数量大量增加，与此同时，农民生活水平显著提高，液化气进入农村家庭，农民不再将秸秆作为主要燃料，于是造成大量秸秆富余。据统计每年产生10亿吨秸秆，其中5亿吨需要高效利用。目前，小麦、玉米、水稻等作物，大量使用联合收割机收割，收割后秸秆直接留在田里，影响下一茬作物的正常耕种。与此同时，农村青壮年大多倾向于进城务工，留守的多为儿童、老人和妇女，无力将秸秆搬运离田地。种种原因导致农民不得不将秸秆焚烧、废弃，而由此带来的问题也越发凸显。同时国家已经将禁止焚烧秸秆写入法律，但是仍屡禁不止，季节性雾霾严重，国际环保與论压力巨大。尽管各级政府努力推进秸秆禁烧工作，但秸秆焚烧造成的环境污染问题依然很严重。
基于我国目前生物质利用技术不成熟、生物质资源低利用率低和秸秆利用存在问题的现状，发明出移动式秸秆微波辅助快速热解多联产的装备，该微波热解装置进行环保、高效的秸秆处理，可以打破集中化、规模化的秸秆处理方式所面临的秸秆收集、运输、储存成本高的难题，分散处理秸秆，集中加工产物，降低生产成本、提高资源利用率。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置。
本发明通过以下技术方案予以实现：
移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，包括移动式拖车，以及安装在移动式拖车上的依次连接的连续式螺旋进出料***、微波反应***、微波催化重整***、分离回收***和作为主控***的主控台；
连续式螺旋进出料***包括储料筒和螺旋送料器，螺旋送料器的进口与储料筒的底部相连通；
微波反应***包括微波高温热解炉，微波高温热解炉的顶部设有进料口C，进料口C与螺旋送料器出口连通；微波高温热解炉底部末端设置固体残渣排出口B，固体残渣排出口B与螺旋出料器连通，螺旋出料器末尾与储渣罐连接；微波高温热解炉下部侧壁设置热解气体排出口A；
微波高温热解炉包括七面体微波反应炉体、设置在七面体微波反应炉体内的微波吸收剂床层、悬挂安装在七面体微波反应炉体内的搅拌器，七面体微波反应炉体的末端为排料的锥板，锥板的边侧与七面体微波反应炉体内壁相接，锥板上设有多个贯穿的锥孔，七面体微波反应炉体每面上均安装若干组微波发生器；
微波催化重整***包括将热解气体排出口A与分离回收***连通的催化管道和催化剂床层；
分离回收***包括依次连接的冷凝塔、储液罐、洗气罐、干燥罐和燃气回收发电组件；若干级冷凝塔并列分布，储液罐与冷凝塔末端连通，洗气罐进气口与储液罐、冷凝塔的二者排气口连通，干燥罐与洗气罐的出气口连通，经冷凝塔冷凝成的液体流入储液罐中存储，其余不凝性的热解气体经过洗气罐净化、干燥罐干燥后进入燃气回收发电组件中进行发电自热。
进一步地，微波发生器采用半波整流微波源，从七面体微波反应炉体的多面形微波腔体侧面均匀馈入微波能量。
进一步地，搅拌器采用提拉式螺旋搅拌器。
进一步地，进料口C处设置感应器。
进一步地，七面体微波反应炉体的外部均采用轻质微波用的纤维模块和纤维棉进行保温、炉内设置陶瓷内胆，陶瓷内胆采用透波陶瓷材料。
进一步地，微波吸收剂床层的吸收剂采用球形碳化硅。
进一步地，微波高温热解炉炉腔内部采用K型铠装热电偶传感器进行温度多点测量。
进一步地，催化剂床层内部填充高介电泡沫陶瓷催化剂；催化管道、催化剂床层外部均采用轻质微波用的纤维模块和纤维棉进行保温。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)本发明装置利用移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产技术，处理农业废弃物秸秆，可就地将秸秆转化为高附加值生物燃气、木焦油、木醋液原液和生物炭；其其中生物燃气为小分子物质(氢气、一氧化碳、甲烷)和少量短碳链碳氢化合物，净化后发电供热解装备自身使用，形成户外自热式生物质快速热解技术；木焦油系硬质聚氨酯泡沫的优良多元醇替代品，同时可作为生产油漆的原料；木醋液中含有多种有机酸、酚等，是植物生长的良好促进剂，同时也是有机肥料生产中的良好添加剂；生物炭具有多孔结构吸附性能好，且含有P、K、Na、Ca、Mg、Fe等矿物质元素，是肥料化利用中重要的营养元素，可用于土壤改良。生产过程没有“三废”产生，实现农业废弃物秸秆高效利用，绿色循环无污染。
(2)本发明装置利用新型催化剂耦合微波串接快速热解催化技术，可实现精准有效地调控热解反应温度及催化温度，大大缩短了反应时间，提高了处理效率。
(3)本发明设备可小型化、车载化，特别适用于我国秸秆原料资源丰富而分散的特点，在全国广大农村或城镇推广，形成“分布式初炼-集中式提质”的技术模式。
(4)本发明在直接吸波加热的基础上设计了提拉式螺旋搅拌器，工作时往复搅拌和上下顶杆，可达到物料受热均匀、快速升温的效果；且降低了热量损失，突破了物料受热不均匀的瓶颈，提高了热解效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中微波高温热解炉的内部结构示意图(不含微波发生器)。
图3为本发明中微波高温热解炉的内部俯视结构示意图。
图4为本发明工作流程图。
图示说明：1-移动式拖车，2-储料筒，3-微波高温热解炉，301-七面体微波反应炉体，302-微波吸收剂床层，303-搅拌器，304-锥板，305-微波发生器，4-催化管道，5-冷凝塔，6-储液罐，7-洗气罐，8-干燥罐，9-燃气回收发电组件，10-主控台，11-螺旋送料器，12-螺旋出料器，13-储渣罐，14-催化剂床层。
A-热解气体排出口，B-固体残渣排出口，C-进料口。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体地连接；可以是机械连接、电连接；可以是直接相连、中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
如图1至图3所示，移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，包括移动式拖车1，以及安装移动式拖车1上的依次连接的连续式螺旋进出料***、微波反应***、微波催化重整***、分离回收***和作为主控***的主控台10。其中，移动式拖车自带动力发电机***，具备可移动，重量轻的特点；连续式螺旋进出料***用于存储和连续给料；微波反应***用于将秸秆进行微波热解为固体残渣和气体；微波催化重整***用于将置热解气体进行催化重整，微波催化重整***利用新型催化剂耦合微波串接快速热解催化技术，可实现精准有效地调控热解反应温度及催化温度；分离回收***用于将热解气体进行气液分离，并对气体进行回收再利用；主控台10用于对各部分***进行联动控制。
连续式螺旋进出料***包括储料筒2和螺旋送料器11，储料筒2用于放置存储预处理(粉碎、干燥等)后的秸秆颗粒；螺旋送料器11的进口与储料筒2的底部相连通，其用于将秸秆连续进入后续反应***。
微波反应***包括微波高温热解炉3，微波高温热解炉3的顶部设有进料口C，进料口C与螺旋送料器11出口连通，进料口C处设置感应器；微波高温热解炉3底部末端设置固体残渣排出口B，固体残渣排出口B与螺旋出料器12连通，螺旋出料器12末尾与储渣罐13连接；微波高温热解炉3下部侧壁设置热解气体排出口A。
如图2和图3所示，微波高温热解炉3包括七面体微波反应炉体301、设置在七面体微波反应炉体301内的微波吸收剂床层302、悬挂安装在七面体微波反应炉体301内的搅拌器303，七面体微波反应炉体301的末端为排料的锥板304，锥板304的边侧与七面体微波反应炉体301内壁相接，锥板304上设有多个贯穿的锥孔，七面体微波反应炉体301每面上均安装若干组微波发生器305。
微波高温热解炉3的七面体设计可减少多微波源组合的相互干扰和消耗；七面体微波反应炉体301的外部均采用轻质微波专用特种纤维模块和纤维棉进行保温、炉内设置陶瓷内胆，陶瓷内胆采用特制的透波陶瓷材料进而使得微波发生器305辐射出电磁波能够被七面体微波反应炉体301里的秸秆和微波吸收剂吸收；
微波吸收剂床层302的吸收剂采用球形碳化硅，在具体工作过程中，球形碳化硅与秸秆颗粒在搅拌器303的作用下混合在一起，搅拌器303的搅拌速率采用低速，球形碳化硅颗粒自身强度大，在搅拌过程中不会搅碎，且碳化硅颗粒球的体积远大于锥孔体积，并不会随固体残渣排出；
搅拌器303采用提拉式螺旋搅拌器，提拉式螺旋搅拌器工作时由下而上的提拉式搅动，带动碳化硅球和秸秆原料的上下提拉式搅拌，以增大物料与吸收剂的接触面积，达到均匀受热、快速升温的目的；
搅拌器303通过机械搅拌强化微波对秸秆颗粒的直接及间接加热效率，搅动秸秆颗粒和球形碳化硅混合并在微波加热段内连续运动进行热解过程，整体物料流速在适宜的动力往复搅拌下，固体残渣通过底部的锥孔排出，由螺旋出料器12转输送至密封的储渣罐8，整个工艺流程能够实现连续不间断的生产，整个过程未与空气接触；
微波高温热解炉3内的微波源来源于若干组均匀分布在七面体微波反应炉体301上微波发生器305，在本实施例中，微波源包括3×7共21套微波发生器305，微波发生器305采用1.5kw、2450MHz的水冷磁控管、相应数量高压变压器和灯丝变压器，采用半波整流微波源，从七面体微波反应炉体的多面形微波腔体侧面均匀馈入微波能量；每路微波源分别经过标准波导(水冷)传输***接入微波腔体，以确保微波波源的稳定工作。微波输入端采用陶瓷密封片隔离。每台微波源单独可调成分组控制，并通过总控制***对测温传感器等多参数PLC闭路反馈控制***连续调节不同微波功率，满足***温度不同需要；微波高温热解炉3炉腔内部采用K型铠装热电偶传感器进行温度多点测量，秸秆通过自身吸波加热和微波吸收剂辅助加热快速升至设定目标温度后，微波发生器305关闭。
微波催化重整***包括将热解气体排出口A与分离回收***连通的催化管道4和催化剂床层14。催化剂床层14内部填充高介电泡沫陶瓷催化剂，高介电泡沫陶瓷催化剂，其具有气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能，使反应物快速升到目标温度，大大缩短了反应时间，其内催化温度设定为350℃；催化管道4、催化剂床层14外部也采用轻质微波专用特种纤维模块和纤维棉进行保温。
分离回收***，包括依次连接的冷凝塔5、储液罐6、洗气罐7、干燥罐8和燃气回收发电组件9；若干级冷凝塔5并列分布，储液罐6与冷凝塔5末端连通，洗气罐7进气口与储液罐6、冷凝塔5的二者排气口连通，干燥罐8与洗气罐7的出气口连通；
催化热解气从微波腔体尾端气化油气出口经过冷凝塔6，高温气体混合物与冷却剂(自来水)充分接触，经热量传递后，冷凝温度高的气体液化成木醋液原液，经冷凝塔5冷凝成的液体流入储液罐6中存储，其余不凝性的热解气体经过洗气罐7净化、干燥罐8干燥后在罗茨风机的作用下进入燃气回收发电组件9中进行发电自热，为整个装置提供部分能量，实现部分能量的循环。
洗气罐7内装有碱液，其中的碱液组成为(氢氧化钠：水＝15:55)，将经过冷却塔5的气体通入洗气罐7内，利用氢氧化钠与二氧化碳、氮氧化物及二氧化硫等含碳、氮、硫的气体进行化学反应，可除去部分含硫及含氮氧化物气体，进一步提纯气体产物，达到净化的目的。
将洗气净化后气体通过干燥罐8(干燥罐内装有干燥剂)，经过冷却塔6及洗气罐7后的气体会携带大量的水分，利用干燥罐8内的干燥剂对水分有吸收作用但不与气体发生反应的性质，除去水分，防止气体品质降低，影响气体的进一步利用。
在具体实施中，储料筒2、储渣罐13、储液罐6实现可视化，并配置热解产物中气、液、固体样品的采集口。
在具体实施中，各***之间设置控制阀门，用于控制各单元之间的连通、关闭；同时分离回收***还设有对气体抽吸的动力装置如罗茨风机等，用于引导、加速气体流向，整个***通过罗茨风机保持相对封闭的负压状态，工作压力控制在-0.010～-0.020Mpa，严禁空气进入***内，上述结构采用现有设计，在此不再赘述。
本发明中的各个***的排列、安装位置等根据需要可自行调节，使得其紧凑、合理地安装在移动式拖车1上。
本发明装置的实施在操作前需要对秸秆预处理，将水稻秸秆原料粉碎并晒干，控制水分含量在15％以下；各***的启闭、参数设置等与主控台10联动，此外可根据需要，通过主控台10调整各个子***工作参数到要求值，待***稳定后，设定***工作周期。
如图4所示，本发明装置的实施过程如下：
(1)将预处理后的秸秆物料填入储料筒2，再由驱动电机控制运送速度，经螺旋送料器11输送至进料口C，进料口C感应器感应到有物料填入时，阀门打开，利用搅拌器303的杆体引导秸秆物料送入七面体微波反应炉体301，进料速率及物料在反应器内通过的时间可在主控台10前触摸屏上显示；
(2)秸秆物料在七面体微波反应炉体301内进行微波热解反应，首先在微波发生器305从多面形微波腔体侧面均匀馈入微波能量，微波高温热解炉3在处理秸秆时所设定温度为550℃，物料的处理量为1000kg/d，并在微波吸收剂床层302(第一级固定床层)作用下发生气化热解反应，提拉式螺旋的搅拌器303通过电机提供动力，搅动秸秆颗粒和微波吸收剂床层302的球形碳化硅混合并在微波加热段内连续运动进行第一次气化过程；
(3)第一次气化热解完成后，秸秆物料被分解为固体残渣(生物炭)和气体，其中固体残渣由重力通过反应炉腔底部锥孔排出固体残渣排出口B，依次进入螺旋出料器12和储渣罐13，热解水稻秸秆产生的生物炭占30％；
秸秆在微波吸收剂的表层气化，热解形成的气体先自由向上漂移，在抽气负压作用下，向下运动进而穿过整合床层再次通过微波吸收剂床层(即热解气化床层)，最后通过热解气体排出口A排出，依次进入催化管道4，经过高介电泡沫陶瓷催化剂的催化剂床层14(第二级固定床层，催化温度为350℃)催化重整，形成气化油气；
(4)经催化重整后形成的气化油气分为可冷凝部分和不可冷凝部分，气化油气进入各级冷凝塔5后，通过分级冷凝，分别获得木焦油和木醋液原液，共占40％，可冷凝部分的凝液进入下方的储液罐6中；不可冷凝部分依次经过洗气罐7除杂、干燥罐8干燥，最后在罗茨风机的作用经自燃气回收发电组件9进行发电，发电供整个装置工作，对移动式拖车1运输能源消耗进行补充，达到能源最大化利用，实现能源的循环，热解水稻秸秆所得热解气约占30％。
本发明装置可把秸秆热解为30％的气体、40％的液体和30％的固体，其中气体基本上为小分子物质(氢气、一氧化碳、甲烷)和少量短碳链碳氢化合物，净化后发电供热解装备自身使用，实现能源的循环利用，形成户外自热式生物质快速热解技术；液体为木焦油和木醋液，木焦油系硬质聚氨酯泡沫的优良多元醇替代品，同时可作为生产油漆的原料；木醋液中含有多种有机酸、酚等，是植物生长的良好促进剂，同时也是有机肥料生产中的良好添加剂，可作为农用化学品的理想替代物，还能与多种物质综合作用以增加土壤微生物数量，为作物生长提供适宜的土壤条件，有效抑制有碍植物生长的微生物类的繁殖；固体经加工可制成炭基生物肥，具有固碳、减排、吸附土壤中重金属和有机污染物等作用。
此外，本发明可在户外实现秸秆的生物质的清洁利用，加热均匀，升温迅速绿色、高效、无污染，节约能源，能分散处理秸秆，集中加工产物，有效降低收、运、储成本，提高资源利用率，特别适用于我国秸秆资源丰富而分散的特点,在全国广大农村推广,从而实现分散式秸秆资源就地利用，减少秸秆的就地焚烧或直接自然腐烂成肥，提高农林资源利用效率，促进发展循环农业。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，其特征在于：包括移动式拖车(1)，以及安装在所述移动式拖车(1)上的依次连接的连续式螺旋进出料***、微波反应***、微波催化重整***、分离回收***和作为主控***的主控台(10)；其中，
所述连续式螺旋进出料***包括储料筒(2)和螺旋送料器(11)，所述螺旋送料器(11)的进口与所述储料筒(2)的底部相连通；
所述微波反应***包括微波高温热解炉(3)，所述微波高温热解炉(3)的顶部设有进料口C，所述进料口C与所述螺旋送料器(11)出口连通；所述微波高温热解炉(3)底部末端设置固体残渣排出口B，所述固体残渣排出口B与螺旋出料器(12)连通，所述螺旋出料器(12)末尾与储渣罐(13)连接；所述微波高温热解炉(3)下部侧壁设置热解气体排出口A；
所述微波高温热解炉(3)包括七面体微波反应炉体(301)、设置在所述七面体微波反应炉体(301)内的微波吸收剂床层(302)、悬挂安装在所述七面体微波反应炉体(301)内的搅拌器(303)，所述七面体微波反应炉体(301)的末端为排料的锥板(304)，所述锥板(304)的边侧与所述七面体微波反应炉体(301)内壁相接，所述锥板(304)上设有多个贯穿的锥孔，所述七面体微波反应炉体(301)每面上均安装若干组微波发生器(305)；
所述微波催化重整***包括将所述热解气体排出口A与所述分离回收***连通的催化管道(4)和催化剂床层(14)；
所述分离回收***包括依次连接的冷凝塔(5)、储液罐(6)、洗气罐(7)、干燥罐(8)和燃气回收发电组件(9)；若干级所述冷凝塔(5)并列分布，所述储液罐(6)与所述冷凝塔(5)末端连通，所述洗气罐(7)进气口与所述储液罐(6)、所述冷凝塔(5)的二者排气口连通，所述干燥罐(8)与所述洗气罐(7)的出气口连通，经所述冷凝塔(5)冷凝成的液体流入所述储液罐(6)中存储，其余不凝性的热解气体经过所述洗气罐(7)净化、所述干燥罐(8)干燥后进入所述燃气回收发电组件(9)中进行发电自热。
2.根据权利要求1所述的移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，其特征在于：所述微波发生器(305)采用半波整流微波源，从所述七面体微波反应炉体(301)的多面形微波腔体侧面均匀馈入微波能量。
3.根据权利要求1所述的移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，其特征在于：所述搅拌器(303)采用提拉式螺旋搅拌器。
4.根据权利要求1所述的移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，其特征在于：所述进料口C处设置感应器。
5.根据权利要求1所述的移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，其特征在于：所述七面体微波反应炉体(301)的外部均采用轻质微波用的纤维模块和纤维棉进行保温、炉内设置陶瓷内胆，陶瓷内胆采用透波陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，其特征在于：所述微波吸收剂床层(302)的吸收剂采用球形碳化硅。
7.根据权利要求1所述的移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，其特征在于：所述微波高温热解炉(3)炉腔内部采用K型铠装热电偶传感器进行温度多点测量。
8.根据权利要求1所述的移动式农林秸秆微波辅助快速热解多联产的装置，其特征在于：所述催化剂床层(14)内部填充高介电泡沫陶瓷催化剂；所述催化管道(4)、所述催化剂床层(14)外部均采用轻质微波用的纤维模块和纤维棉进行保温。
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