一种生物质烘焙系统及其烘焙方法和应用

摘要

本发明提供一种生物质烘焙系统及其烘焙方法和应用，属于生物质能领域。本发明将生物质的烘焙与球磨两个过程进行耦合，粉碎能耗比生物质直接粉碎大幅降低，解决了采用生物质气化技术制备合成气过程中存在的生物质原料品质问题；烘焙气不进行外排，用作为生物质气化单元的载气并参与反应，不仅利用了烘焙气的能量，而且避免了污染大气；利用烘焙气与烟气进行换热，然后利用得到的高温烘焙气直接加热生物质，换热效率高，易于控制，因此具有良好的实际应用之价值。

说明书

技术领域

本发明属于生物质能领域，具体涉及一种生物质烘焙系统及其烘焙方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

生物质能作为生物质转化而来的能量，是唯一可以转化为液体燃料的可再生能源。生物质热化学转化技术具有能量转化率高、工业化较容易等优点，包括直接燃烧技术、热解技术、气化技术和液化技术。生物质液化技术包括直接液化技术和间接液化技术，其中直接液化技术也称为热解液化技术，是将生物质直接制成液体燃料；间接液化技术是先将生物质进行定向气化得到合成气，然后再合成烃类燃料、醇类燃料和化学品。以生产合成气为目的的生物质定向气化，与以生产燃气为目的的常规气化有着本质区别，即它不是以热值为追求目标，而是要尽可能多地转化为富含H

生物质间接液化技术是生物质能利用最具有发展潜力技术之一，气化过程是其中的关键环节。生物质气化按照使用的气化器类型不同主要分为固定床气化和流化床气化两种，其中固定床气化反应器结构简单、操作便利，运行模式灵活，但是只能适用于中小规模生产；流化床气化炉有良好的混合特性和较高的气固反应速率，更加适合工业化、大型化。流化床使用的原料不限定种类，进料形状不限，这也更适合于品质不一的生物质原料，但为了保证生物质燃料的正常流化，流化床对入炉燃料颗粒尺寸要求严格，因此需对生物质进行干燥、粉碎等一系列预处理，粉碎过程需要消耗大量的能量。

采用合理的预处理方式解决生物质原料的品质问题(生物质存在含水量高、含氧量高、不易储存、较难破碎等缺点)成为了当前的研究热点。烘焙技术能够大大改善生物质的物理和化学特性，包括显著改善生物质的磨粉性能，有效提高生物质的能量密度和堆积密度，同时还能降低生物质的含氧量，因此受到了国内外广泛的关注和重视。

生物质烘焙技术是一种在低温(一般在200～350℃下进行)、缺氧和较低加热速率条件下对生物质进行热处理方法，能使生物质中的纤维素、半纤维素和木质素发生一定程度的热解炭化，有效脱除生物质中的水分和轻质挥发分，并生成大量的固体产物(生物炭)及一定量冷凝液体(生物油、水蒸汽等)和不凝气体(CO，CO

CN107586567A公开了一种基于连续干馏、气化重整与烘焙耦合处理的生物质热解气炭清洁联产工艺，该工艺主要由原料烘焙预处理、连续干馏、气化重整、燃气回用加热工序组成，其中原料烘焙预处理、连续干馏、气化重整、燃气回用加热工序通过物质和能量的耦合转换及焦油消减，提高系统生产效率并实现余热的高效梯级利用，达到清洁生产目的，但该工艺直接采用烟气对生物质进行烘焙，之后烘焙气(含有CO，CO

ZL201410241502.3公开了一种低质燃料热解工艺，将干熄焦技术和流化床热解技术相互结合，利用吸收半焦热量的熄焦气体混合一部分高温烟气作为流化介质使用，并将冷却后的流化气体返回干熄焦炉作为熄焦气体，同时利用热解气体燃烧后的高温烟气作为系统热源，在利用流化床快速热解技术的同时，有效吸收了高温半焦的余热，提高了系统的热效率，而且将系统的流化介质和熄焦介质耦合使用，在保证焦油产率的同时减小了熄焦成本，实现了利用流化床技术同时生产焦油和半焦，该工艺将烟气用于间接加热低质燃料，烘焙气没有外排，但间接加热的效率较低，对于大型设备较难控制。此外，ZL201280029802.4公开了一种用于高效烘焙生物质的方法和系统，所述系统包括用于加热可选地被预干燥的生物质的第一区域和用于烘焙被加热生物质的绝热第二区域，第二区域具有被连接到第一区域的出口的入口和用于取出设置在第二区域底部的烘焙生物质的器件，从而生物质可通过重力向下运动通过第二区域。CN104039938A公开了一种研磨和烘焙生物质的反应器，包括用内壁内部限定分隔的腔室，腔室内部的研磨装置包括可旋转安装于腔室内的旋转中央轴和存在于旋转中央轴上用于对着内壁研磨存在于腔室内部的生物质、优选木质纤维素生物质的研磨元件。这几项专利都是以加热介质(例如热气体)间接加热的方式来加热生物质，在大型化装置上同样存在加热效率低、不易控制的问题。

综上可见，生物质气化存在生物质原料品质差、原料预处理能耗高、加热方式不合理等问题，必须从能量利用、资源利用和环保等各个方面考虑生物质原料的干燥、烘焙、热解、气化、重整、水蒸气变换、净化、费托合成、反应分离等生物质间接液化技术的整个环节，选择更加适合的生物质原料预处理工艺。

发明内容

针对上述现有技术的不足，发明人经长期的技术与实践探索，提供一种生物质烘焙系统及其烘焙方法和应用，本发明设计的烘焙系统和方法，从生物质间接液化技术的整个环节综合考虑，将生物质的烘焙与球磨两个过程进行耦合，从而解决采用生物质气化技术制备合成气过程中存在的生物质原料品质问题，因此具有良好的实际应用之价值。

具体的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供一种生物质烘焙系统，所述系统包括：

回转炉，所述回转炉的炉管内部在回转炉炉尾的一端设置有球磨介质和若干个用于拦截球磨介质的挡料板；

所述回转炉的炉头设置有炉头罩和螺旋进料器，回转炉的炉尾设置有炉尾罩；

炉头罩顶部设置有排气口，炉头罩底部设置有粉尘排出口；

炉尾罩顶部设置有进气口，炉尾罩底部设置有出料口；

排气口之后的管路分为两支路，一路设置有排气阀，另一路与风机连通，风机之后的管路与换热器连通，换热器之后的管路与进气口连通。

本发明的第二个方面，提供一种生物质烘焙方法，所述烘焙方法采用上述生物质烘焙系统进行。

具体的，所述烘焙方法包括：

生物质由螺旋进料器输送至回转炉，在回转炉中与由换热器加热后的高温烘焙气进行逆流接触并产生新的烘焙气，这些烘焙气进入炉头罩，之后经排气口排出后分为两路，一路经排气阀排出，另一路烘焙气经风机输送至换热器，由换热器加热得到的高温烘焙气经进气口进入炉尾罩并在回转炉中与生物质进行逆流接触；

烘焙气携带的粉尘在炉头罩中沉降经粉尘排出口排出；

生物质在回转炉中回转烘焙，并在球磨介质的作用下成为更小颗粒的生物炭，之后进入炉尾罩经出料口排出。

本发明的第三个方面，提供上述烘焙系统和/或烘焙方法在生物质热解气化中的应用。

上述一个或多个技术方案的有益技术效果：

上述技术方案将生物质的烘焙与球磨两个过程进行耦合，粉碎能耗比生物质直接粉碎大幅降低，得到的小颗粒的生物炭在采用流化床进行气化时更加易于控制；利用烘焙气与烟气进行换热，然后利用得到的高温烘焙气直接加热生物质，换热效率高，易于控制；烘焙气(含有CO，CO

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明生物质烘焙系统示意图。

图2是本发明生物质烘焙系统的回转炉正视结构图。

图中：101-排气阀；102-排气口；103-炉头罩；104-螺旋进料器；105-粉尘排出口；106-压圈；107-填料；108-风机；109-换热器；110-回转炉；111-挡料板；112、115-支撑托架；113-传动装置；114-球磨介质；116-进气口；117-炉尾罩；118-出料口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本文用语“一”或“一种”不表示对数量的限制，而是表示所指的物体有至少一个。另外，人们应当注意，本文所用的术语“上”和“下”等方位术语除非另有指明，否则仅是为了便于描述，并不限于任何一个位置或者空间方位。

如前所述，目前生物质气化存在生物质原料品质差、原料预处理能耗高、加热方式不合理等问题，必须从能量利用、资源利用和环保等各个方面考虑生物质原料的干燥、烘焙、热解、气化、重整、水蒸气变换、净化、费托合成、反应分离等生物质间接液化技术的整个环节，选择更加适合的生物质原料预处理工艺。

有鉴于此，本发明提供一种生物质烘焙系统及烘焙方法，将生物质的烘焙与球磨两个过程进行耦合，粉碎能耗比生物质直接粉碎大幅降低，解决了采用生物质气化技术制备合成气过程中存在的生物质原料品质问题；烘焙气不进行外排，用作为生物质气化单元的载气并参与反应，不仅利用了烘焙气的能量，而且避免了污染大气；利用烘焙气与烟气进行换热，然后利用得到的高温烘焙气直接加热生物质，换热效率高，易于控制。

本发明的一个典型具体实施方式中，提供一种生物质烘焙系统，所述系统包括：

回转炉110，所述回转炉110的炉管内部在回转炉110炉尾的一端设置有球磨介质114和若干个用于拦截球磨介质114的挡料板111；

所述回转炉110的炉头设置有炉头罩103和螺旋进料器104，回转炉110的炉尾设置有炉尾罩117；

炉头罩103顶部设置有排气口102，炉头罩103底部设置有粉尘排出口105；

炉尾罩117顶部设置有进气口116，炉尾罩117底部设置有出料口118；

排气口102之后的管路分为两支路，一路设置有排气阀101，另一路与风机108连通，风机108之后的管路与换热器109连通，换热器109之后的管路与进气口116连通。

本发明的又一具体实施方式中，所述挡料板111设置有筛孔，筛孔的最大直径小于球磨介质114的最小直径。

所述挡料板个数可根据实际情况进行设置，在本发明的一个具体实施方式中，所述挡料板个数为1～6个，如1个、2个、3个、4个、5个、6个。

所述球磨介质可以为不锈钢实心球，从而更加持久耐用，在本发明的一个具体实施方式中，所述球磨介质具有不同规格(直径)，如设置直径分别为0.03米和0.05米的两种不锈钢实心球，从而使得球磨更加充分。

本发明的又一具体实施方式中，所述回转炉110的炉头穿过炉头罩103至炉头罩103内部，回转炉110的炉尾穿过炉尾罩117至炉尾罩117内部，螺旋进料器104穿过炉头罩103至回转炉110的炉管内部。

本发明的又一具体实施方式中，所述炉头罩103为旋风分离器，回转炉110的炉头从炉头罩103上部顶端的圆周切线方向与炉头罩103连接，螺旋进料器104从炉头罩103上部顶端的圆周切线方向穿过炉头罩103至回转炉110的炉管内部，炉头罩103顶部的圆周中间设置有排气口102并且排气口102的下端伸入到炉头罩103的下部。

本发明的又一具体实施方式中，所述回转炉110、炉头罩103、炉尾罩117的外层均设置有保温砖。

本发明的又一具体实施方式中，所述回转炉110的炉头与炉头罩103之间设置有压圈106和填料107，回转炉110的炉尾和炉尾罩117之间设置有压圈106和填料107。

本发明的又一具体实施方式中，所述回转炉110的炉头高于炉尾。

本发明的又一具体实施方式中，回转炉110的炉管外部设置有支撑托架112和支撑托架115，回转炉110的炉管外部设置有传动装置113。

本发明的又一具体实施方式中，提供一种生物质烘焙方法，所述烘焙方法采用上述生物质烘焙系统进行。

具体的，所述烘焙方法包括：

生物质由螺旋进料器104输送至回转炉110，在回转炉110中与由换热器109加热后的高温烘焙气进行逆流接触并产生新的烘焙气，这些烘焙气进入炉头罩103，之后经排气口102排出后分为两路，一路经排气阀101排出，另一路烘焙气经风机108输送至换热器109，由换热器109加热得到的高温烘焙气经进气口116进入炉尾罩117并在回转炉110中与生物质进行逆流接触；

烘焙气携带的粉尘在炉头罩103中沉降经粉尘排出口105排出；

生物质在回转炉110中回转烘焙，并在球磨介质114的作用下成为更小颗粒的生物炭，之后进入炉尾罩117经出料口118排出。

本发明的又一具体实施方式中，换热器109以高温烟气为热源，从换热器109出来后的低温烟气采用直接加热的方式干燥生物质。

本发明的又一具体实施方式中，经排气阀101排出的烘焙气用作为后续生物质气化单元和重整单元的反应气。经出料口118排出的生物炭不经冷却而直接用作为生物质气化单元的原料，或者经冷却后储存。

本发明的又一具体实施方式中，提供上述烘焙系统和/或烘焙方法在生物质热解气化中的应用。

本发明的又一具体实施方式中，所述生物质可以是农林废弃物，如秸秆(玉米秸秆、小麦秸秆)、食用菌基质、树皮、花生壳、甘蔗渣、稻糠等。

结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；在本发明没有特别限定，均可通过商业途径购买得到。

实施例1

如图1、图2所示，一种生物质烘焙系统，它包括回转炉110，风机108，换热器109。

回转炉110的炉头设置有炉头罩103和螺旋进料器104，回转炉110的炉尾设置有炉尾罩117。回转炉110、炉头罩103、炉尾罩117的外层设置有保温砖。

回转炉110的炉头穿过炉头罩103至炉头罩103内部，回转炉110的炉尾穿过炉尾罩117至炉尾罩117内部，螺旋进料器104穿过炉头罩103至回转炉110的炉管内部。

回转炉110的炉头与炉头罩103之间设置有压圈106和填料107，回转炉110的炉尾和炉尾罩117之间设置有压圈106和填料107。

回转炉110的炉头高于炉尾，具有6％的倾斜度。

炉头罩103顶部设置有排气口102，炉头罩103底部设置有粉尘排出口105。

炉尾罩117顶部设置有进气口116，炉尾罩117底部设置有出料口118。

排气口102之后的管路分为两路，一路设置有排气阀101，另一路与风机108连通，风机108之后的管路与换热器109连通，换热器109之后的管路与进气口116连通。

回转炉110的炉管外部设置有支撑托架112和支撑托架115，回转炉110的炉管外部设置有传动装置113。

回转炉110的炉管内部在回转炉110炉尾的一端设置有球磨介质114和5个用于拦截球磨介质114的挡料板111。

回转炉110的炉管采用不锈钢管，炉管长度为5米，内径0.4米。

5个挡料板111分别距离回转炉110的炉管末端0.02米、0.52米、1.02米、1.52米、2.02米米，将回转炉110的炉管分成5个球磨区。

挡料板111设置有筛孔。

球磨介质114采用直径分别为0.03米和0.05米的不锈钢实心球，两种不锈钢实心球的个数相等。

挡料板111设置的筛孔直径为0.02米。

风机108采用江苏全风环保科技有限公司生产的CX-1/4型变频耐高温风机。

采用上述的烘焙系统进行生物质烘焙，包括如下步骤：

以长度为0.03米的玉米秸秆(含水量10％(质量百分数))为原料，原料的低位热值为14.5MJ/kg，原料温度150℃，在烘焙启动阶段首先采用氮气置换回转炉110中的空气，回转炉110转速为1.0r/min，之后经螺旋进料器104以10kg/h的速度向回转炉110中进料，原料在回转炉110中与由换热器109加热后的高温烘焙气进行逆流接触并产生新的烘焙气，这些烘焙气进入炉头罩103，之后经排气口102排出。经排气口102排出的烘焙气分为两路，一路经排气阀101排出，另一路烘焙气经风机108输送至换热器109，由换热器109加热得到的高温烘焙气经进气口116进入炉尾罩117并在回转炉110中与生物质进行逆流接触；烘焙气携带的粉尘在炉头罩103中沉降经粉尘排出口105排出；生物质在回转炉110中回转烘焙，并在球磨介质114的作用下成为更小颗粒的生物炭，之后进入炉尾罩117经出料口118排出。

换热器109以580℃的高温烟气为热源，从换热器109出来后的低温烟气采用直接加热的方式生物质的干燥步骤。

经排气阀101排出的烘焙气用作为后续生物质气化单元和重整单元的反应气。出料口118排出的生物炭温度305℃，不经冷却而直接用作为生物质气化单元的原料。

调节通过风机108的烘焙气流量和通入换热器109的高温烟气的流量使经过换热器109加热后的高温烘焙气温度为530℃，经排气口102排出的烘焙气温度为175℃。

烘焙运行10小时得到38.5kg生物炭，经粉尘排出口105排出的粉尘0.21kg。参照国家标准GB-T 10322.7-2004《铁矿石粒度分布的筛分测定》测定所得生物炭的粒径，粒径在2.5毫米以下的占94.5％(质量百分数)以上，粒径在4.0毫米以下的占99.8％(质量百分数)以上；参照国家标准GB/T 213-2008《煤的发热量测定方法》测定所得生物炭的低位热值为25.05MJ/kg。

本实施例将生物质的烘焙与球磨两个过程进行耦合，生物质易于粉碎；利用烘焙气与烟气进行换热，然后利用得到的高温烘焙气直接加热生物质，换热效率高，易于控制；烘焙气不进行外排，不仅利用了烘焙气的能量，而且避免了污染大气。

实施例2

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：

炉头罩103为旋风分离器，回转炉110的炉头从炉头罩103上部顶端的圆周切线方向与炉头罩103连接，螺旋进料器104从炉头罩103上部顶端的圆周切线方向穿过炉头罩103至回转炉110的炉管内部，炉头罩103顶部的圆周中间设置有排气口102并且排气口102的下端伸入到炉头罩103的下部。

烘焙运行10小时得到38.7kg生物炭，经粉尘排出口105排出的粉尘0.44kg。参照国家标准GB-T 10322.7-2004《铁矿石粒度分布的筛分测定》测定所得生物炭的粒径，粒径在2.5毫米以下的占94.7％(质量百分数)以上，粒径在4.0毫米以下的占99.8％(质量百分数)以上；参照国家标准GB/T 213-2008《煤的发热量测定方法》测定所得生物炭的低位热值为25.08MJ/kg。

本实施例中的炉头罩103采用旋风分离器结构，能够有效捕集烘焙气中的粉尘(这些粉尘与原料混合后继续进行烘焙)，改善了管路和设备的运行工况。

实施例3

本实施例与实施例2相同之处不再赘述，不同之处在于：

经出料口118排出的生物炭温度305℃，经冷却后储存。

烘焙运行10小时得到38.6kg生物炭，经粉尘排出口105排出的粉尘0.45kg。参照国家标准GB-T 10322.7-2004《铁矿石粒度分布的筛分测定》测定所得生物炭的粒径，粒径在2.5毫米以下的占94.9％(质量百分数)以上，粒径在4.0毫米以下的占99.8％(质量百分数)以上；参照国家标准GB/T 213-2008《煤的发热量测定方法》测定所得生物炭的低位热值为25.09MJ/kg。

本实施例得到的生物炭经冷却后储存，解决了生物质原料的品质问题，(生物质存在含水量高、含氧量高、不易储存、较难破碎等缺点)，得到的生物炭具有热值高、能量密度高、疏水性强、可磨性好、不腐烂、适宜长时间储存和长距离运输等优点。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。