本发明提供了一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置与方法，该装置包括燃烧系统、热解与焦炭分离系统、配风与卷吸系统。导向管位于中心位置，燃烧区位于导向管上方，热解区位于导向管外侧。热载体通过锥形的第二料腿被卷吸进入导向管后在导向管和燃烧区被加热，经转向器改变方向，形成喷泉状态，之后滑入第一料腿，进入热解区加热生物质。该装置与方法的特点在于：燃烧不凝结气而收集焦炭，并且实现焦炭的自动分离，获得高性能的焦炭；在单床内实现整套工艺，装置结构紧凑，适合于移动式的平台，能够拖到田间地头就地处理生物质；锥形的第二料腿能够有效地防止窜气现象的发生。
1.一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置，其特征在于：包括壳体、燃烧系统、热解与焦炭分离系统、配风与卷吸系统；
所述壳体为筒状，底部呈锥形收缩状，壳体自上而下分别为燃烧区、热解区、配风区和卷吸区，燃烧区顶部设置有燃烧烟气出口，热解区顶部设置有热解气出口；
所述燃烧系统包括导向管、第一料腿、分隔板；所述导向管与壳体同轴设置，导向管顶部延伸至燃烧区，底部穿过壳体底面、且布置有空气入口和热解不凝结气入口；所述第一料腿布置在导向管的外环，与导向管同轴安装，其顶端连接分隔板，底端延伸至热解区；所述分隔板呈锥形收缩状，底端为收缩口，顶端为扩张口，收缩口与第一料腿上端连接，扩张口固定连接在壳体的内壁面上，将燃烧区和热解区隔开；
所述热解与焦炭分离系统包括螺旋进料器、焦炭分离器；所述焦炭分离器为环状，与壳体同轴安装在热解区的外环，且与热解区通过若干个对称布置的焦炭分离孔相通，焦炭分离器的底端对称安装若干个焦炭收集口；所述螺旋进料器与热解区的外壁连接，且连接处所在的平面低于焦炭分离孔所在的平面，而高于第一料腿的底端所在的平面；
所述配风与卷吸系统包括外环气室、内环气室；所述外环气室的外侧壁为锥形收缩状，设置于壳体底部的锥形收缩状内，外环气室与壳体底部内壁之间存在间隙，所述间隙形成第二料腿，第二料腿底端连接松动风入口，且位于第二料腿内的导向管管壁上布置有若干个卷吸孔，形成卷吸区；
所述外环气室布置在内环气室的外侧，内环气室布置在导向管下部外侧，外环气室和内环气室的顶部与第一料腿底端间隔；外环气室和内环气室分别连接流化风入口和下料风入口；外环气室和内环气室的顶端均安装有若干个风帽，风帽的位置以导向管的中心轴为中心呈环形布置，形成配风区；通过控制外环气室及其顶端的风帽的载气流量来维持热解区内床料的流化状态和调节热解反应，通过控制内环气室及其顶端的风帽的载气流量来调节第一料腿的下料速度。
2.根据权利要求1所述的一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置，其特征在于：
所述导向管的底部为一段小直径的副管，空气入口和热解不凝结气入口设置在该副管上。
3.根据权利要求1所述的一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置，其特征在于：
所述导向管的正上方设置转向器，所述转向器为锥形结构，锥形结构的尖端固定连接在壳体顶部内壁的中心处。
4.根据权利要求1所述的一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置，其特征在于：
所述壳体内盛装热载体，热载体填充在第二料腿中将热解区与导向管底部相隔绝和密封。
6.一种利用权利要求1-5任一所述带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置实现的带焦炭分离的单床自热式生物质制油方法，其特征在于：通过空气入口和热解不凝结气入口通入的空气和热解不凝结气的混合气体将热载体自卷吸孔卷吸进入导向管，混合气体上升过程中燃烧放热将热载体加热至高温状态，高温热载体的热量由内向外经导向管的管壁传递至热解区，同时高温的热载体经过转向器改变流动方向，堆积在分隔板上和第一料腿中，通过第一料腿下料再进入热解区，从而通过内循环将导向管和燃烧区的热量带到热解区。
7.一种利用权利要求1-5任一所述带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置实现的带焦炭分离的单床自热式生物质制油系统，其特征在于：包括带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置、旋风分离器、换热器、冷凝塔、引风机、送风机和若干个流量计；
带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置的热解气出口管道连接至冷凝塔，通过冷凝塔处理后得到生物油和热解不凝结气体，生物油收集并储存，热解不凝结气体通过管道输送至换热器；
带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置的燃烧烟气出口管道连接至旋风分离器，通过旋风分离器除尘后的气体通过管道输送至换热器，用来加热热解不凝结气；
通过换热器处理后排出的烟气用来干燥生物质，排出的热解不凝结气通过引风机分别打向四个流量计后再分别进入带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置的热解不凝结气入口、松动风入口、下料风入口、流化风入口；
空气通过送风机进入流量计后再进入带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置的空气入口。
一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置与方法
技术领域
[0001] 本发明涉及生物质资源利用领域，具体涉及一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置与方法。
背景技术
[0002] 能源是人类生存和发展的动力。目前，世界上主要的能源为煤炭、石油、天然气等不可再生的化石燃料，由此造成的结果是，一方面化石燃料的大量使用产生了严重的环境污染问题，比如温室效应、酸雨、雾霾等；另一方面，日益枯竭的化石燃料严重威胁到人类的能源安全和可持续发展。因此，寻求可再生能源成为世界各国十分关心的问题。
[0003] 生物质能是一种可再生能源，生物质能具有可再生性，清洁、低碳，有害物质含量很低，原料丰富等诸多优点。生物质快速热裂解来制备生物质燃料的技术发展迅速，该方法能够将生物质高效转化为易储存、易运输、能量密度高的燃料。我国农林作物种植广泛，每年产生的大量农林废弃物可作为生物质热解的原料，但是将农林废弃物通过运输再集中处理的方法成本较大、操作困难，因此，最适宜的方式为将一种移动式的反应装置拖到田间地头就地处理农林废弃物。然而目前诸多技术并不能满足这一需求，比如：多数生物质热解反应器为双床结构，其颗粒的循环不易控制，并且体积较大，投资大，难以满足移动式的要求；东南大学的发明专利“单床自热式热解气化燃烧反应器及热解气化燃烧方法”，授权公告号CN101245264B，公开了一种单床式的将热解与燃烧相隔开的方法，该发明的底部卷吸孔开孔较简单，反应过程中过于灵敏，存在一定的窜气现象，并且反应产生的焦炭被烧掉，而收集了热解不凝结气。实际上在田间地头，气体燃料不易储存和运输，而固体焦炭的储存和运输十分方便，并且焦炭还具有很高的利用价值。
[0004] 因此，需要开发出一种满足移动式的、结构简单的单床式的、燃烧不凝结气而收集焦炭的生物质制油装置与方法。
发明内容
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提出一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置与方法，能够满足移动式的、结构简单的单床式的、燃烧不凝结气而收集焦炭的目的。
[0006] 为解决上述问题，本发明提出一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置，包括壳体、燃烧系统、热解与焦炭分离系统、配风与卷吸系统；
[0007] 所述壳体为筒状，底部呈锥形收缩状，壳体自上而下分别为燃烧区、热解区、配风区和卷吸区，燃烧区顶部设置有燃烧烟气出口，热解区顶部设置有热解气出口；
[0008] 所述燃烧系统包括导向管、第一料腿、分隔板；所述导向管与壳体同轴设置，导向管顶部延伸至燃烧区，底部穿过壳体底面、且布置有空气入口和热解不凝结气入口；所述第一料腿布置在导向管的外环，与导向管同轴安装，其顶端连接分隔板，底端延伸至热解区；所述分隔板呈锥形收缩状，底端为收缩口，顶端为扩张口，收缩口与第一料腿上端连接，扩张口固定连接在壳体的内壁面上，将燃烧区和热解区隔开；
[0009] 所述热解与焦炭分离系统包括螺旋进料器、焦炭分离器；所述焦炭分离器为环状，与壳体同轴安装在热解区的外环，且与热解区通过若干个对称布置的焦炭分离孔相通，焦炭分离器的底端对称安装若干个焦炭收集口；所述螺旋进料器与热解区的外壁连接，且连接处所在的平面低于焦炭分离孔所在的平面，而高于第一料腿的底端所在的平面；
[0010] 所述配风与卷吸系统包括外环气室、内环气室；所述外环气室的外侧壁为锥形收缩状，设置于壳体底部的锥形收缩状内，外环气室与壳体底部内壁之间存在间隙，所述间隙形成第二料腿，第二料腿底端连接松动风入口，且位于第二料腿内的导向管管壁上布置有若干个卷吸孔，形成卷吸区；
[0011] 所述外环气室布置在内环气室的外侧，内环气室布置在导向管下部外侧，外环气室和内环气室的顶部与第一料腿底端间隔；外环气室和内环气室分别连接流化风入口和下料风入口；外环气室和内环气室的顶端均安装有若干个风帽，风帽的位置以导向管的中心轴为中心呈环形布置，形成配风区；通过控制外环气室及其顶端的风帽的载气流量来维持热解区内床料的流化状态和调节热解反应，通过控制内环气室及其顶端的风帽的载气流量来调节第一料腿的下料速度。
[0012] 进一步的，所述导向管的底部为一段小直径的副管，空气入口和热解不凝结气入口设置在该副管上。空气和热解不凝结气首先进入副管，之后再进入直径较大的导向管的主管，在这个过程中气流产生扩散、卷吸、回流和漩涡等，有利于从卷吸孔将石英砂和催化剂卷吸进入导向管。
[0013] 进一步的，所述导向管的正上方设置转向器，所述转向器为锥形结构，锥形结构的尖端固定连接在壳体顶部内壁的中心处。从导向管出来的燃烧产物及高温的石英砂和催化剂经过转向器改变流动方向，形成喷泉状态，烟气等燃烧产物通过燃烧烟气出口排出，高温的石英砂和催化剂堆积在第一料腿和分隔板上方，之后进入热解区。
[0014] 进一步的，所述热解区内设置有两级内置式旋风分离器。能够有效防止油蒸汽的冷凝，堵塞外置式旋风分离器，第一级内置式旋风分离器可以实现初步脱尘，第二级内置式旋风分离器可以实现深度除尘。
[0015] 进一步的，所述壳体内盛装热载体，热载体填充在第二料腿中将热解区与导向管底部相隔绝和密封，能够有效地防止载气通过卷吸孔直接进入热解区的窜气现象的发生。
[0016] 进一步的，所述热载体为石英砂和催化剂。
[0017] 本发明还提供一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油方法，通过空气入口和热解不凝结气入口通入的空气和热解不凝结气的混合气体将热载体自卷吸孔卷吸进入导向管，混合气体上升过程中燃烧放热将热载体加热至高温状态，高温热载体的热量由内向外经导向管的管壁传递至热解区，同时高温的热载体经过转向器改变流动方向，堆积在分隔板上和第一料腿中，通过第一料腿下料再进入热解区，从而通过内循环将导向管和燃烧区的热量带到热解区。通过内部燃烧外部热解，热量利用充分。
[0018] 本发明还提供一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油系统，包括内部燃烧外部热解单床生物质制油装置、旋风分离器、换热器、冷凝塔、引风机、送风机和若干个流量计；
[0019] 一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油系统，包括带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置、旋风分离器、换热器、冷凝塔、引风机、送风机和若干个流量计；
[0020] 带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置的热解气出口管道连接至冷凝塔，通过冷凝塔处理后得到生物油和热解不凝结气体，生物油收集并储存，热解不凝结气体通过管道输送至换热器；
[0021] 带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置的燃烧烟气出口管道连接至旋风分离器，通过旋风分离器除尘后的气体通过管道输送至换热器，用来加热热解不凝结气；
[0022] 通过换热器处理后排出的烟气用来干燥生物质，排出的热解不凝结气通过引风机分别打向四个流量计后再分别进入带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置的热解不凝结气入口、松动风入口、下料风入口、流化风入口；
[0023] 空气通过送风机进入流量计后再进入带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置的空气入口。
[0024] 本发明的工作原理为：空气和热解不凝结气分别从空气入口和热解不凝结气入口进入导向管的副管进行混合，混合气体再进入直径较大的导向管的主管，从而自卷吸孔将热载体(石英砂和催化剂)卷吸进入导向管；混合气体在上升过程中燃烧放热将热载体(石英砂和催化剂)加热至高温状态，燃烧的烟气产物从燃烧烟气出口排出，高温的热载体(石英砂和催化剂)经过转向器改变流动方向，形成喷泉状态，并堆积在第一料腿和分隔板上方，之后通过第一料腿进入热解区。热解不凝结气通过流化风入口和下料风入口分别进入外环气室和内环气室，之后再经过风帽进入热解区；通过控制外环气室及其顶端的风帽的载气流量来维持床料的流化状态和调节热解反应，通过控制内环气室及其顶端的风帽的载气流量来调节下料速度；生物质通过螺旋进料器进入热解区，之后与高温的石英砂和催化剂混合而发生催化热解反应，生成焦炭和热解气；热解区内的气相产物热解气通过两级内置式旋风分离器后再经热解气出口排出并收集，浮在床料上方的焦炭经过焦炭分离孔落入焦炭分离器内，再通过焦炭收集口可以实现焦炭的收集。部分石英砂和催化剂从热解区落入第二料腿，热解不凝结气从松动风入口进入第二料腿以维持其内的流态化的状态，使颗粒更好的被卷吸。
[0025] 本发明的积极效果为：
[0026] 1.本发明内部燃烧外部热解，通过导向管的管壁传递热量，同时利用热载体的内循环传递热量，热量传递和利用的效果明显优于传统方式。
[0027] 2.本发明锥形的第二料腿中的热载体将热解区与导向管底部相隔绝和密封，能够有效地防止窜气现象的发生。
[0028] 3.本发明燃烧不凝结气而收集焦炭，并且实现焦炭的自动分离，获得高性能的焦炭。
[0029] 4.本发明的转向器使得燃烧产物和热载体改变流动方向，形成喷泉状态。
[0030] 5.本发明的装置结构紧凑，适合于移动式的平台，能够拖到田间地头就地处理生物质。
[0031] 6.本发明采用两级内置式旋风分离器，有效地防止油蒸汽的冷凝和堵塞外置式旋风分离器。
附图说明
[0032] 图1是本发明一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置的结构示意图。
[0033] 图2是本发明一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油系统的工艺流程图。
[0034] 其中，1-空气入口、2-热解不凝结气入口、3-松动风入口、4-下料风入口、5-流化风入口、6-螺旋进料器、7-热解区、8-导向管、9-料腿Ⅰ、10第一级内置式旋风分离器、11-第二级内置式旋风分离器、12-热解气出口、13-燃烧烟气出口、14-转向器、15-燃烧区、16-分隔板、17-焦炭分离孔、18-焦炭分离器、19-焦炭收集口、20-风帽、21-外环气室、22-内环气室、23-料腿Ⅱ、24-卷吸孔、25-旋风分离器、26-换热器、27-一级冷凝塔、28-二级冷凝塔、29三级冷凝塔、30-引风机、31-送风机。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图及实施方式对本发明做进一步说明：
[0036] 如图1所示，本发明的一种带焦炭分离的单床自热式生物质制油装置，包括三个系统：燃烧系统、热解与焦炭分离系统、配风与卷吸系统。燃烧系统的空气入口1和热解不凝结气入口2布置在导向管8底部；第一料腿9布置在导向管8的外环，同轴安装，其上端连接分隔板16，下方伸入床料中，且与内环气室22的顶部存在间隙；导向管8的顶部与燃烧区15相通；分隔板16将燃烧区15和热解区7隔开，分隔板16的顶端固定连接在燃烧区15的内壁面上，分隔板16的底端与第一料腿9连接；导向管8的正上方为转向器14，转向器14的顶端固定在壳体顶部内壁的中心处。热解与焦炭分离系统的热解区7的外壁分别连接有螺旋进料器6和焦炭分离器18；焦炭分离器18为环状，安装在热解区7的外环，与热解区7通过若干个对称布置的焦炭分离孔17相通，且同轴安装；螺旋进料器6与热解区7的外壁的连接处所在的平面低于焦炭分离孔所在的平面，而高于第一料腿9的底端所在的平面；焦炭分离器18的底端对称安装若干个焦炭收集口19。配风与卷吸系统的外形为锥形收缩状，内壁与外环气室21之间的间隙形成第二料腿23，第二料腿23底端连接松动风入口3；卷吸孔24布置在导向管8下部；
外环气室21的外侧壁为锥形收缩状，外环气室21布置在内环气室22的外侧，内环气室22布置在导向管8下部外侧；外环气室21和内环气室22分别连接流化风入口5和下料风入口4；外环气室21和内环气室22的顶端安装有若干个风帽20，风帽20的位置以导向管8的中心轴为中心呈环形布置；通过控制外环气室21及其顶端的风帽20的载气流量来维持床料的流化状态和调节热解反应，通过控制内环气室22及其顶端的风帽20的载气流量来调节下料速度。
[0037] 内部燃烧外部热解，热量利用充分。热量可以由内向外经导向管8的管壁传递，也可以利用热载体(石英砂和催化剂)的内循环将导向管8和燃烧区15的热量带到热解区7。空气和热解不凝结气的混合气体将热载体自卷吸孔24卷吸进入导向管8，混合气体上升过程中燃烧放热将热载体加热至高温状态，高温的热载体经过转向器14改变流动方向，堆积在分隔板16上和第一料腿9之中，再进入热解区7，从而将热量带到热解区7。
[0038] 焦炭自动分离，实现连续生产。热解过程中焦炭上升至床料的上部，浮在床料上方的焦炭经过焦炭分离孔17落入焦炭分离器18内，再通过焦炭收集口19可以实现焦炭的收集。
[0039] 导向管8的下端为一段直径较小的副管，空气入口1和热解不凝结气入口2连接在该副管上，空气和热解不凝结气首先进入副管，之后再进入直径较大的导向管8的主管，在这个过程中气流产生扩散、卷吸、回流和漩涡等，有利于从卷吸孔24将石英砂和催化剂卷吸进入导向管。
[0040] 配风与卷吸系统的锥形的第二料腿23中的热载体将热解区7与导向管8底部相隔绝和密封，能够有效地防止载气通过卷吸孔24直接进入热解区7的窜气现象的发生。
[0041] 顶端内壁带有转向器14，从导向管8出来的燃烧产物及高温的石英砂和催化剂经过转向器14改变流动方向，形成喷泉状态，烟气等燃烧产物通过燃烧烟气出口13排出，高温的石英砂和催化剂堆积在第一料腿9和分隔板16上方，之后进入热解区7。
[0042] 为了防止油蒸汽的冷凝，堵塞外置式旋风分离器，本发明采用两级内置式旋风分离器，第一级内置式旋风分离器10实现初步脱尘，第二级内置式旋风分离器11实现深度除尘。
[0043] 本发明的工艺流程图如图2所示，主要由反应装置主体、旋风分离器25、换热器26、冷凝塔(27、28、29)、引风机30、送风机31和流量计组成。空气和热解不凝结气分别从空气入口1和热解不凝结气入口2进入导向管8的副管进行混合后再进入直径较大的主管，从而自卷吸孔24将石英砂和催化剂卷吸进入导向管8；混合气体在上升过程中燃烧放热将石英砂和催化剂加热至高温状态，燃烧的烟气产物从燃烧烟气出口13排出，高温的石英砂和催化剂经过转向器14改变流动方向，形成喷泉状态，并堆积在第一料腿9和分隔板16上方，之后通过第一料腿9进入热解区7。热解不凝结气通流化风入口5和下料风入口4分别进入外环气室21和内环气室22，之后再经过风帽20进入热解区7；通过控制外环气室21及其顶端的风帽20的载气流量来维持床料的流化状态和调节热解反应，通过控制内环气室22及其顶端的风帽20的载气流量来调节下料速度；生物质通过螺旋进料器6进入热解区7，之后与高温的石英砂和催化剂混合而发生催化热解反应，生成焦炭和热解气；热解区7内的气相产物热解气通过两级内置式旋风分离器后再经热解气出口12排出并收集，浮在床料上方的焦炭经过焦炭分离孔17落入焦炭分离器18内，再通过焦炭收集口19可以实现焦炭的收集。部分石英砂和催化剂从热解区7落入第二料腿23，热解不凝结气从松动风入口3进入第二料腿以维持其内的流态化的状态，使颗粒更好的被卷吸。
[0044] 烟气产物从燃烧烟气出口13排出后经过旋风分离器25进入换热器26用来加热热解不凝结气，换热器26排出的烟气用来干燥生物质。热解气从热解气出口12排出后依次通过一级冷凝塔27、二级冷凝塔28、三级冷凝塔29得到生物油和热解不凝结气体，其中生物油收集并储存，热解不凝结气体通过换热器26用以提高温度。引风机30将升温后的热解不凝结气分别打向四个流量计后再分别进入热解不凝结气入口2、松动风入口3、下料风入口4、流化风入口5。空气通过送风机31进入流量计后再进入空气入口1。
[0045] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
