一种链式结构的生物质外热回转裂解供热工艺及系统的制作方法

本发明属于生物质废弃物的综合利用技术及生物质能源供热装备领域，具体涉及一种生物质裂解供热工艺及汽炭联产系统。

背景技术：

1、我国是一个农业大国，农林业的资源十分丰富，在每年产生的农业废弃物中，仅农作物秸秆总量就超过6亿吨。林业加工企业的废弃物，竹屑、木屑、下脚料、刨花等也更为丰富。随着农村经济的发展和农民生活水平的提高，我国大部分农村地区把煤炭、液化气等常规能源作为炊事取暖用能的首选，大量的农林业废弃物被遗弃，甚至在田间地头付之一炬，既浪费资源又污染环境。

2、近年来，随着我国“双碳”目标的提出，大力推动绿色能源建设是自身实现高质量发展的内在要求。生物质能源作为零碳能源，已经成为助推实现“双碳”目标的重要手段之一。对生物质废弃物进行高温裂解可以转换为可燃气，是一种环保的零碳能源；高温裂解的同时还会产生生物质炭，可以广泛应用于工业、农业、环保、家庭等多个领域，如用于制造火药、炸药、蚊香助燃剂、炭基肥等，也是生物质废弃物“变废为宝”，资源化利用的重要手段。

3、现有的外热裂解设备中，加热炉体包裹在窑体外部，利用高温烟气对金属窑体外壁加热，通过窑壁的导热使内部生物质原料升温，从而达高温裂解的工艺要求。外热裂解转窑是一种典型的外热裂解设备，它的窑体保持旋转，加热炉体与窑体不可避免存在缝隙，大量的冷空气通过缝隙进入设备中。冷空气的进入对裂解供热系统的危害明显，提高了蒸汽发生器或锅炉的排烟温度，增大了供热系统的排烟量，降低了供热系统的热效率。而进一步利用炭化尾气进行烘干时，冷空气的进入还提高了尾气的氧含量，易造成生物质烘干设备的自燃或气爆。

4、生物质原料的含水率受材料、来源、季节影响而波动明显，而炭化尾气或锅炉尾气的温度相对稳定，利用尾气烘干的工艺难以根据生物质原料的情况而适应性调整。未达到干燥效果的生物质原料，对后续裂解反应的影响巨大，甚至造成供热系统停炉。为了克服上述问题，亟需需要专门针对外热裂解设备，特别是外热回转炭的特点，研究一种更节能、更安全、易操作的裂解供热新工艺及汽炭联产系统。。

技术实现思路

1、本发明提供一种链式结构的生物质外热回转裂解供热工艺，该工艺可以适应不同生物质原料含水率的差异，原料干燥脱水后的一致性强，提高了供热系统中裂解工艺的稳定性。

2、该工艺还可以降低烟气/尾气的氧含量，减少排烟量，从而提高了供热系统的热效率；降低烟气/尾气的氧含量，还有利于预防供热系统中烘干设备的自燃或气爆，提高了供热系统的安全性。

3、本发明还提供一种链式结构的生物质外热回转裂解供热系统，该系统通过设置若干个独立的闭“环”，来实现烟气局部循环流动，而“环”与“环”之间通过烟气的流动形成“链”。在“环”内，烟气流量只影响内部的循环，不会影响“环”与“环”之间气流量。这样的设计有利于每个系统功能模块的独立运行，提高了系统可操作性。

4、为实现上述目标，本发明提供一种链式结构的生物质外热回转裂解供热工艺及系统。

5、本发明的技术方案是通过如下步骤来实现的：

6、一种链式结构的生物质外热式回转裂解供热工艺，包括：

7、（1）烘干：将料仓或料斗中的生物质原料，通过原料输送机送入烘干设备中；在烘干设备内对生物质原料进行干燥脱水；

8、在一些实施例中，所述生物质原料中的含水率干燥到20%以下。

9、（2）外热裂解：干燥后的生物质原料通过干料输送机，再送入裂解设备内部空间中，进行裂解反应；

10、在一些实施例中，优选的，所述裂解设备为外热裂解转窑，对生物质原料进行回转裂解；

11、所述回转裂解，具体为，生物质原料随着裂解转窑的转动，在裂解转窑内缓慢移动，在移动过程中，生物质原料逐渐受热升温，产生裂解反应，释放裂解气；所述回转裂解的气态产物为裂解气，固态产物为生物质炭；

12、所述外热，具体为，高温烟气通过加热炉体在窑体外部加热，由金属窑壁的导热使内部生物质原料升温的方式。所述外热，其特征在于，外部的高温烟气与内部的裂解气和生物质炭无直接接触；

13、（3）炭冷却：所述生物质炭由裂解转窑引入冷却机构，降至常温后排出；

14、（4）空气热混：冷空气通过加热炉体与窑体之间的缝隙进入加热炉体，在加热炉体内受热升温为热空气，再与烟气进行混合后生成高氧烟气；

15、所述高氧烟气为热空气与烟气的混合物，含有较高的氧分子含量，为可燃气体燃烧提供助燃剂；

16、在一些实施例中，可以通过加热炉体或管道上开设的阀门，调节进入冷空气的流量，控制高氧烟气的含氧量。

17、（5）裂解气燃烧：将所述裂解气作为燃料，和所述高氧烟气在燃气炉中进行燃烧，生成所述高温烟气；

18、在一些实施例中，所述高温烟气的温度可以达到1000℃以上。

19、（6）裂解环过程：通过裂解环，为所述外热裂解提供热源；

20、所述裂解环，具体为，将所述高温烟气由燃气炉中引入加热炉体；在加热炉体内为外热裂解提供热源；再与热空气进行混合生成高氧烟气；最后在裂解循环风机的作用下，作为助燃剂重新回到燃气炉；上述过程形成烟气的局部循环流动；

21、在一些实施例中，所述外热回转裂解所需的热量和裂解温度，可以通过裂解环内烟气的局部循环流量来控制；裂解环环内局部循环流量越大，给外热裂解提供的热能也越多，裂解温度也越高，对应所述生物质炭的挥发份也越低。

22、（7）蒸汽生成：利用蒸汽发生器或锅炉吸收所述高温烟气的热能，换转为蒸汽，排出低温烟气；所述高温烟气由燃气炉出口引入调温烟道中；

23、在一些实施例中，所述蒸汽为企业供热使用；也可以利用导热油炉生成高温导热油为企业供热。

24、（8）调温环过程：通过调温环，为所述蒸汽生成提供热源；

25、所述调温环，具体为，将高温烟气由调温烟道中引出；高温烟气进入蒸汽发生器或锅炉为蒸汽生成提供热源，并降温为低温烟气；最后在调温循环风机的作用下，所述低温烟气重新回到调温烟道；上述过程，通过烟气的局部循环流动，为所述蒸汽生成提供了热源；

26、（9）调温：所述低温烟气在调温烟道中，与所述高温烟气混合，生成调温烟气；所述调温烟气由调温烟道引入烘干烟道中；

27、在一些实施例中，所述调温烟气的温度，可以通过调温环内烟气的局部循环流量来控制；环内局部循环流量越大，调温烟气的温度也越低。

28、（10）烘干环过程：通过烘干环，为所述烘干提供热源；

29、所述烘干环，具体为，将调温烟气由烘干烟道中引出；进入烘干设备为生物质原料的干燥脱水提供热源；生物质原料中的水分进入烟气中，形成潮湿烟气；最后在烘干循环风机的作用下，所述潮湿烟气重新回到烘干烟道；上述过程，通过烟气的局部循环流动，为所述烘干生成提供了热源；

30、在一些实施例中，所述烘干所需的热量和烘干效果，可以通过调温烟气的温度来控制；生物质原料的含水率越高，烘干所需的热量也越多，则可通过减小调温环内局部循环流量、提高调温烟气的温度来主动适应。

31、（11）烟气排放：所述潮温烟气从烘干烟道中引出，经环保设备处置，达到环保标准后排放。

32、在一些实施例中，为进一步提高烟气余热的利用率，一种链式结构的生物质外热式回转裂解供热工艺，还可以包括：

33、（12）余热环过程：在烘干烟道与环保设备之间设置余热烟道，引入潮温烟气；再通过余热环，进一步回收烟气中的余热，提高供热效率；

34、所述余热环，具体为，将潮湿烟气由余热烟道中引出；进入余热回收设备进一步利用潮湿烟气中的潜热；最后在余热循环风机的作用下，所述潮湿烟气重新回到余热烟道；上述过程，通过烟气的局部循环流动，为回收余热提供了热源；

35、在一些实施例中，余热回收设备可以选择省煤器、空气预热器等。

36、一种链式结构的生物质外热式回转裂解供热工艺，所述裂解环、所述调温环和所述烘干环之间，优选的，还包括余热环，采用链式结构连接；

37、所述环，具体为，实现烟气局部循环流动的连接方式；

38、所述链式结构，具体为，由若干个环构成的结构，环与环之间存在烟气的串行流动；其特征在于，某环内烟气流量只影响该环内部的烟气循环，不影响环与环之间的烟气流量，也不影响其它环内部的烟气循环；

39、为更好地实现本发明的技术目标，本发明还提供一种链式结构的生物质外热式回转裂解供热的控制方法，包括如下步骤：

40、（1）炭产品检测：对裂解转窑生产的生物质炭的挥发份进行检测，若实测生物质炭的挥发份满足公差范围；则进行步骤（3），否则进行步骤（2）；

41、（2）裂解环控制：若实测挥发份偏高，则提高裂解循环风机转速，加大裂解环流量；反之，若实测挥发份偏低，则降低裂解循环风机转速，减小裂解环流量；该步骤的特征还在于，调温环和烘干环的流量无需同步调整；再返回步骤（1）；

42、（3）供热检测：对蒸汽发生器或锅炉产出的蒸汽压力进行在线检测，若实测产出的蒸汽压力满足供热压力要求范围；则进行步骤（5），否则进行步骤（4）；

43、（4）调温环控制：若蒸汽压力偏低，则加大调温环流量，具体的，可以通过提高调温循环风机转速来实现；反之，若蒸汽压力偏高，则减小裂解环流量或打开蒸汽发生器的泄压阀；该步骤的特征还在于，裂解环和烘干环的流量无需同步调整；再返回步骤（3）；

44、在一些实施例中，若蒸汽压力偏低，则加大调温环流量，也可以通过减小调温阀门开度来实现；

45、（5）烘干检测：对烘干设备干燥后的生物质原料进行含水率检测；若实测干燥后的生物质原料含水率满足公差范围；则进行步骤（9），否则进行步骤（6）；

46、（6）烘干环控制：若干燥后生物质原料的含水率偏低，则减小烘干环流量，具体的，可以通过降低烘干循环风机转速来实现；再返回步骤（5）；若干燥后生物质原料的含水率偏高，则再对烘干烟道的出口温度t及烘干设备的出口温度t进行对比；若t>t，则进行步骤（7），否则进行步骤（8）；

47、在一些实施例中，减小烘干环流量，也可以通过增大烘干阀开度来实现；

48、（7）加大烘干流量：增加烘干环内部的烟气流量，具体的，可以通过提高烘干循环风机转速来实现；再进行步骤（5）；

49、在一些实施例中，增加烘干环内部的烟气流量，也可以通过减小烘干阀开度来实现；

50、（8）提高烘干温度：减小裂解环流量，从而提高调温烟气的温度，具体的，可以通过降低调温循环风机转速来实现；再进行步骤（5）；

51、在一些实施例中，减小裂解环流量，也可以通过增加调温阀开度来实现；

52、（9）本次控制结束。

53、为进一步实现上述目标，本发明还提供一种链式结构的生物质外热式回转裂解供热系统，包括：料仓/料斗、原料输送机、干料输送机、冷却机构、裂解环模块、调温环模块、烘干环模块构成，其中，所述裂解环模块包括裂解转窑、燃气炉、裂解循环风机构成；所述调温环模块包括蒸汽发生器/锅炉、调温烟道、调温循环风机构成；所述烘干环模块包括烘干炉、烘干烟道、烘干循环风机构成；本发明中，所述模块为构成环所需设备的集合；

54、所述料仓/料斗为缓存生物质原料的设备，料仓/料斗的下部与所述原料输运机相连，将生物质原料传送至所述烘干炉；所述烘干炉为生物质原料进行干噪脱水的设备，设有进气口、出气口、进料口、出料口；生物质原料由进料口进入烘干炉，干燥后由出料口排出；所述干料输送机设置在所述烘干炉的出料口，将干燥后的生物质原料传送至裂解转窑；所述裂解转窑为回转裂解的设备，气态产物为裂解气，固态产物为生物质炭；所述裂解转窑的出炭口连接所述冷却机构，将生物质炭排入冷却机构；所述冷却机构将生物质炭降至常温后，再排出；

55、所述裂解环模块的所述燃气炉为气态燃料与助燃气进行燃烧的设备，燃烧产物为高温烟气，设有燃气口、出风口、回风口、出口；所述燃气口连接燃气风机，将裂解气作为气态燃料从所述裂解转窑引入；所述出口连接所述调温烟道的入口，将高温烟气引入所述调温环模块；

56、所述调温环模块的所述调温烟道设有入口、出风口、回风口、出口；所述入口连接所述燃气炉的出口；所述出口直接或通过调温循环风机连接所述烘干烟道的入口，将调温烟气引入所述烘干环模块；

57、所述烘干环模块的所述烘干烟道设有入口、出风口、回风口、出口；所述入口连接所述调温烟道的出口；优选的，所述出口直接或通过调温循环风机连接环保设备，对潮湿烟气进行环保处置；环保达标后由烟囱排放；

58、本发明提供的供热系统中，所述裂解转窑包括进料器、进料柜、出炭柜、窑体、加热炉体、高温烟道、燃气管道、回风管道构成；所述进料器连接所述进料柜，接收所述干料输送机传送的生物质原料，并将生物质原料送入所述窑体内；所述进料柜连接所述窑体的进料端，内部空间相通；所述出炭柜连接所述窑体的出料端，内部空间相通；所述出炭柜下部设有出炭口；所述进料柜或所述出料柜上设有出气口，通过所述燃气管道连接所述燃气风机，将裂解气引入所述燃气炉进行燃烧；所述加热炉体为中空结构，设置有烟气入口和烟气出口；所述加热炉体包裹在所述窑体的外部；所述烟气入口连接所述高温烟道，引入高温烟气对窑体加热；所述加热炉体与所述窑体之间存在缝隙；通过所述缝隙，冷空气进入所述加热炉体，升温为热空气后再与烟气进行混合生成所述高氧烟气；所述烟气出口连接所述回风管道，将所述高氧烟气引出；

59、在一些实施例中，所述裂解转窑的窑体上可以安装翅片、抄板或增加内热管，以加大窑体的导热面积，增大裂解转窑的加热能力、提高外热回转裂解的效率。

60、优选的，所述燃气管道需要进行伴热，提高燃气管道内的温度，以避免裂解气中的焦油冷凝，堵塞燃气管道；所述伴热为通过外界对所述燃气管道提供热量，以保持所述燃气管道的温度不下降。本发明中，实现所述伴热优选的方案是：所述燃气管道与所述回风管道并排置于保温材料中；或所述燃气管道嵌入所述回风管道内部；这样，可以通过所述回风管道中的高氧烟气对所述燃气管道提供热量；进一步优选的方案：在所述回风管道与所述高温烟道之间设置有阀门或调节机构，调节进入回风管道中高温烟气的混合比例，从而控制高氧烟气的温度，进一步保证实现所述伴热的效果。

61、本发明提供的供热系统中，所述裂解环模块包括裂解转窑、燃气炉、裂解循环风机构成；所述燃气炉的出风口连接所述高温烟道；所述高温烟道连接所述裂解转窑的加热炉体的烟气入口；所述加热炉体的烟气出口连接所述回风管道；所述回风管道连接所述裂解循环风机；所述裂解循环风机连接燃气炉的回风口；上述连接实现烟气的局部循环流动，形成环（这里称为裂解环）；所有构成裂解环所需设备的集合为裂解环模块；

62、本发明提供的供热系统中，所述调温环模块包括蒸汽发生器/锅炉、调温烟道、调温循环风机构成；上述设备有两种连接方式或它们的组合可以形成调温环：一种是支线连接方式；另一种是干线连接方式；所述支线连接方式，具体为，所述调温烟道的出风口连接所述蒸汽发生器/锅炉的入口；所述蒸汽发生器/锅炉的出口连接所述调温循环风机；所述调温循环风机再连接所述调温管道的回风口，把低温烟气引入所述调温管道；所述干线连接方式，具体为，在所述调温管道的出风口与回风口之间设置调温阀；所述调温管道的出风口连接所述蒸汽发生器/锅炉的进气口；所述蒸汽发生器/锅炉的出气口连接所述调温管道的回风口；所述调温烟道的出口连接所述调温循环风机；上述两种连接方式或它们的组合，都是可以实现烟气局部循环流动的连接方式，形成环（这里称为调温环）；

63、本发明提供的供热系统中，所述烘干环模块也存在两种连接方式或它们的组合：一种是支线连接方式；另一种是干线连接方式；所述支线连接方式，具体为，所述烘干烟道的出风口连接所述烘干炉的进气口；所述烘干炉的出气口连接所述调温循环风机；所述调温循环风机连接所述烘干管道的回风口，把潮湿烟气引入所述烘干管道；所述干线连接方式，具体为，在所述烘干管道的出风口与回风口之间设置烘干阀；所述烘干管道的出风口连接所述烘干炉的进气口；所述烘干炉的出气口连接所述烘干管道的回风口；所述烘干烟道的出口连接所述烘干循环风机；上述两种连接方式或它们的组合，都是可以实现烟气局部循环流动的连接方式，形成环（这里称为烘干环）；

64、本发明提供的供热系统中，所述裂解环模块将高温烟气引入所述调温环模块；所述调温环模块将调温烟气引入所述烘干环模块；所述烘干环模块将潮湿烟气进行环保处置后排放；上述模块实现了烟气的串行流动，构成了所述链式结构。

65、在一些实施例中，所述燃气炉还设置有二次配空口，所述二次配空口外部连接二次风机，有利于裂解气的充分燃烧。

66、外热裂解转窑是一种典型的外热裂解设备，本发明公开的技术方案也适用于应用其它类型的外热裂解设备（如：外热式固定床裂解炉等）的供热工艺与系统。

67、采取以上一种链式结构的生物质外热回转裂解供热工艺及系统后，本发明的有益效果为：

68、（1）提高了供热系统的热效率。常规外热裂解转窑是一种典型的外热裂解设备，加热炉体与旋转窑体之间的缝隙造成大量冷空气的渗入。本发明提供的方案，通过裂解环将渗入的冷空气进行预热，并循环回燃气炉用于燃烧。裂解环减小了供热系统的排烟量，提高了供热系统的热效率；

69、（2）提高了供热系统的安全性。本发明提供的方案中的裂解环，还可以减小烟气中的含氧量。利用烟气余热进行生物质烘干时，可以有效预防烘干过程的自燃或气爆，提高了供热系统的安全性；

70、（3）提高了对生物质原料的适应性。生物质原料的含水率的波动对裂解工艺的影响特别明显。本发明提供的方案中的调温环，可以方便的调整调温烟气的温度，适应不同生物质原料含水率的差异，原料干燥脱水后的一致性更好。

71、（4）提高了供热系统可操作性。本发明设计了“环”和“链”式结构。在“环”内，烟气流量只影响内部的循环，不会影响“环”与“环”之间烟气，也不会影响其它“环”内烟气的循环。这样的设计有利于每个系统功能模块的独立运行，提高了供热系统的可操作性。