CN109161393B - 一种畜禽粪便分级炭化的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于废弃生物质资源化及生物炭技术领域，本发明公开了一种畜禽粪便分级炭化的系统及方法，利用烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉对畜禽粪便进行干燥和热解炭化处理，烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉均采用夹套式炉。高温炭化炉产生的热解气经燃烧器燃烧后对高温炭化炉进行供热，低温炭化炉和烘干炉利用高温碳化炉夹套排出气体余热进行供热。高温炭化炉产出的畜禽粪便炭经换热冷却器冷却后，输送到畜禽粪便炭储罐中储存，经过换热冷却器的热空气由引风机输送到燃烧器中与热解气混合燃烧。该系统通过分级炭化提高解热气热值，利用热解气燃烧产生的热能为炭化设备加热，实现废弃生物质资源循环利用，经济效益明显。
Description
技术领域
本发明涉及废弃生物质资源化及生物炭技术领域，具体涉及一种畜禽粪便分级炭化的系统及方法。
背景技术
生物炭热解技术是将生物质材料在无氧或缺氧和温度低于700℃条件下热处理，生成高附加值的生物炭产品。目前以畜禽粪便为原料制备生物炭的研究正引起人们的广泛关注。热解技术将畜禽粪便转化为生物炭，具有高温杀菌，减少粪便体积，生产生物质能，制备生物质炭肥的优点，是一条具有环境和经济双重效益的畜禽粪便处置利用的有效途径。在农业生产上，施用畜禽粪便炭可以减少土壤养分淋失，提升土壤肥力和提高酸性土壤的pH，同时畜禽粪便炭对有机污染物和无机污染物具有较强的吸附性能，可以作为土壤改良剂，降低土壤中有机或无机污染物的生物有效性。
生物质炭化炉设备包含窑式热解炭化炉和固定床式炭化炉，其中窑式炭化炉由于需要燃烧煤炭等燃料进行加热，温度不易控制，炭化过程中产生的热解气只能排放，运行成本高，造成了能源的浪费。固定床式炭化炉具有控温精度高、操作方便、得炭率高的优点，具有广阔的应用前景。固定床式炭化炉利用热解过程中产生的可燃气体燃烧给固定床式炭化炉加热，既能解决热解气对环境的污染问题，又能解决炭化设备所需加热问题。
然而，目前缺乏专门针对畜禽粪便炭化的装置和设备，畜禽养殖场的粪污处理已成为一大难题。畜禽粪便中含有较多水分，热解过程中除产生甲烷、一氧化碳等可燃气体外，还会产生不燃气体二氧化碳和水蒸气，造成热解气热值低，导致对炭化炉的加热效率低。因此，特别需要畜禽粪便分级炭化系统和方法，已解决现有技术的不足。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺陷，提供一种畜禽粪便分级炭化的系统及方法，以解决热解气热值低、畜禽养殖场粪便处理处置困难的难题。
一种畜禽粪便分级炭化的系统，包括：沿畜禽粪便的输送方向依次设置的烘干炉、低温炭化炉、高温炭化炉、换热冷却器和生物炭储罐；
所述的烘干炉设有畜禽粪便进口，所述的烘干炉还设有水蒸气出口，该水蒸气出口连接有第一气液分离装置，所述的第一气液分离装置设有冷凝水出口(用于输出冷凝水和废液)和废气出口，该冷凝水出口连接有生物滤池，该废气出口连接有生物滴滤塔；
所述的低温炭化炉设有热解气出口，所述的低温炭化炉的热解气出口连接有第二气液分离装置，所述的第二气液分离装置设有热解油出口和燃气出口，所述的第二气液分离装置的热解油出口连接到生物质油储罐，所述的第二气液分离装置的燃气出口连接有二氧化碳吸收装置，所述的二氧化碳吸收装置的出气口连接有燃烧器；
所述的高温炭化炉设有热解气出口，所述的高温炭化炉的热解气出口连接有第三气液分离装置，所述的第三气液分离装置设有热解油出口和燃气出口，所述的第三气液分离装置的热解油出口连接到生物质油储罐，所述的第三气液分离装置的燃气出口连接到所述燃烧器，所述的燃烧器与所述高温炭化炉连接；
所述的换热冷却器与所述高温炭化炉连接；
所述的生物炭储罐与所述换热冷却器连接。
本发明中，通过禽粪便进口将禽粪便输送进烘干炉，利用烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉对畜禽粪便进行干燥和热解炭化处理，烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉均采用夹套式炉。低温炭化炉和高温炭化炉产生的热解气经燃烧器燃烧后对高温炭化炉进行供热，烘干炉由低温炭化炉夹套导出的烟气进行加热，低温炭化炉由高温炭化炉导出的烟气进行加热。高温炭化炉产出的畜禽粪便炭经换热冷却器冷却后，输送到畜禽粪便炭储罐中储存，经过换热冷却器的热空气由引风机输送到燃烧器中与热解气混合燃烧。该系统通过分级炭化提高解热气热值，利用热解气燃烧产生的热能为炭化设备加热，实现废弃生物质资源循环利用，经济效益明显。
所述的烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉沿禽粪便输送方向依次连通，所述的烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉均包括旋转输送禽粪便的管道炉(即在管道炉内设置螺旋输送器)和设置在所述管道炉外周的加热夹套，所述的高温炭化炉的加热夹套导出的烟气导入到所述的低温炭化炉的加热夹套中，对低温炭化炉加热，所述的低温炭化炉的加热夹套导出的烟气导入到所述的烘干炉的加热夹套中，对烘干炉进行加热，实现能源的循环利用，从而提高加热效率，提高能源利用率。
所述烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉均由可旋转的管道炉和加热夹套构成，炉膛由具有保温功能的自动进料螺旋输送器连接，烘干炉由低温炭化炉夹套导出的烟气进行加热，低温炭化炉由高温炭化炉导出的烟气进行加热。
所述的换热冷却器为夹套列管式冷却器，所述的夹套列管式冷却器的畜禽粪便输送方向与水平方向的夹角为30～45°，所述的夹套列管式冷却器内的夹套设有进风口和出风口，夹套内可供空气流动，所述的燃烧器设有引风机，该引风机的进风口与所述夹套的出风口相连，所述的引风机出风口与所述燃烧器相连。所述的夹套列管式冷却器内畜禽粪便输送方向与热交换的空气流动方向相反。高温炭化炉产出的畜禽粪便炭经换热冷却器冷却后，输送到畜禽粪便炭储罐中储存，经过换热冷却器的热空气由引风机输送到燃烧器中与热解气混合燃烧。
所述的低温炭化炉和高温炭化炉均有独立的温控单元和温度补偿单元。
所述的燃烧器设置有流量控制单元，根据低温炭化炉和高温炭化炉的测温反馈，调节燃气流量实现精确控温。
一种畜禽粪便分级炭化的方法，该方法包括：将畜禽粪便通过螺旋输送器依次输送至烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉中，以便分离水蒸气、不燃气体和可燃气体，获取畜禽粪便炭和高热值的可燃气体，提高对炭化炉的加热效率。
一种畜禽粪便分级炭化的方法，采用畜禽粪便分级炭化的系统，具体包括：
1)将畜禽粪便通过螺旋输送器采用连续进料方式依次输入到烘干炉、低温炭化炉、高温炭化炉、换热冷却器和生物炭储罐；
2)烘干炉的温度控制在100～200℃，畜禽粪便在烘干炉中的停留时间为60～120min，产生的水蒸气排出后经第一气液分离装置分离，冷凝水废液进入生物滤池处理，废气进入生物滴滤塔处理，消除异味后的废气排空；
3)低温炭化炉的温度控制在200～400℃，畜禽粪便在低温炭化炉中的停留时间为60～120min，产生的热解气经第二气液分离装置分离后，热解油进入生物质油储罐，气体经过二氧化碳吸收装置净化后，净化后的气体进入燃烧器供热；
4)高温炭化炉的温度控制在400～700℃，畜禽粪便在高温炭化炉中的停留时间为60～120min，产生的热解气经第三气液分离装置分离后，热解油进入生物质油储罐，可燃气体输送到燃烧器供热；
5)燃烧器燃烧产生的热烟气输入高温炭化炉的加热夹套中对高温碳化炉进行加热，低温炭化炉由高温炭化炉的加热夹套导出的烟气进行加热，烘干炉由低温炭化炉的加热夹套导出的烟气进行加热，
6)高温炭化炉产出的畜禽粪便炭经换热冷却器冷却后，输送到畜禽粪便炭储罐中储存，经过换热冷却器的热空气由引风机输送到燃烧器中与热解气混合燃烧。
高温炭化炉产出的畜禽粪便炭经换热冷却器冷却时，换热冷却器内畜禽粪便输送方向与热交换的空气流动方向相反。
所述的燃烧器根据低温炭化炉和高温炭化炉的测温反馈，调节燃气流量实现精确控温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该装置采用分级炭化方法，将热解气中的水蒸气、不燃气体和可燃气体有效分离，显著提高了用于加热燃烧的热解气的热值，提高了对炭化炉的加热效率；充分利用烟气的余热，对畜禽粪便进行脱水和低温炭化，节约了能源；采用换热器充分利用畜禽粪便炭的余热，既实现了畜禽粪便炭快速冷却，又实现了热能循环利用。冷却后的畜禽粪便炭输送到密封储罐中进行储存，整个制备和出炭过程不与外界接触，有效保证了畜禽粪便炭的熟化程度和品质。
附图说明
图1为本发明畜禽粪便分级炭化的系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对畜禽粪便分级炭化系统做详细说明。
如图1所示，为本发明畜禽粪便分级炭化的系统，包括：沿畜禽粪便的输送方向依次设置的烘干炉、低温炭化炉、高温炭化炉、换热冷却器和生物炭储罐；
烘干炉设有畜禽粪便物料进口，烘干炉还设有水蒸气出口，该水蒸气出口连接有第一气液分离装置，第一气液分离装置设有冷凝水出口和废气出口，该冷凝水出口连接有生物滤池，该废气出口连接有生物滴滤塔；
低温炭化炉，所述的低温炭化炉设有热解气出口，低温炭化炉的热解气出口连接有第二气液分离装置，第二气液分离装置设有热解油出口和燃气出口，第二气液分离装置的热解油出口连接到生物质油储罐的进口，第二气液分离装置的燃气出口连接到二氧化碳吸收装置的进口，第二气液分离装置的燃气出口输出的燃气，经过二氧化碳吸收装置吸收二氧化碳后输送到燃烧器；
高温炭化炉设有热解气出口，高温炭化炉的热解气出口连接有第三气液分离装置，第三气液分离装置同样设有热解油出口和燃气出口，第三气液分离装置的热解油出口连接到生物质油储罐，第三气液分离装置的燃气出口连接有燃烧器，二氧化碳吸收装置的出气口也接入到燃烧器，燃烧器与高温炭化炉连接；
换热冷却器，与高温炭化炉连接；
生物炭储罐，与换热冷却器连接。
烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉沿禽粪便输送方向依次连通，烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉均包括旋转输送禽粪便的管道炉和设置在管道炉外周的加热夹套，高温炭化炉的加热夹套导出的烟气导入到低温炭化炉的加热夹套中，对低温炭化炉加热，低温炭化炉的加热夹套导出的烟气导入到烘干炉的加热夹套中，对烘干炉进行加热，从而保证提高加热效率，提高能源利用率。
换热冷却器为夹套列管式冷却器，夹套列管式冷却器的畜禽粪便输送方向与水平方向的夹角为30～45°，实施例中选40°，夹套列管式冷却器内的夹套设有进风口和出风口，夹套内可供空气流动，燃烧器设有引风机，该引风机的进风口与夹套的出风口相连，引风机出风口与燃烧器相连。夹套列管式冷却器内畜禽粪便输送方向与热交换的空气流动方向相反。高温炭化炉产出的畜禽粪便炭经换热冷却器冷却后，输送到畜禽粪便炭储罐中储存，经过换热冷却器的热空气由引风机输送到燃烧器中与热解气混合燃烧。
畜禽粪为猪粪、牛粪、羊粪或鸡粪。
低温炭化炉和高温炭化炉均有独立的温控单元和温度补偿单元。
燃烧器设置有流量控制单元，根据低温炭化炉和高温炭化炉的测温反馈，调节燃气流量实现精确控温。
畜禽粪便通过螺旋输送器在管道炉中进行输送，螺旋输送器采用连续进料方式，加料量能够自行设置。
畜禽粪便由螺旋输送器输送到烘干炉里面进行烘干，烘干炉的温度控制在100～200℃，实施例中选用150℃，畜禽粪便在烘干炉中的停留时间为60～120min，实施例中选用90min，产生的水蒸气排出后经第一气液分离装置分离，废液进入生物滤池处理，废气进入生物滴滤塔处理，消除异味后的废气排空。
烘干后的畜禽粪便由螺旋输送器输送到低温炭化炉中进行低温炭化，低温炭化炉的温度控制在200～400℃，实施例中选用300℃，畜禽粪便在低温炭化炉中的停留时间为60～120min，实施例中选用90min，产生的二氧化碳含量高的热解气经第二气液分离装置分离后，热解油进入生物质油储罐，气体经过二氧化碳吸收装置净化后，剩余的甲烷和一氧化碳等可燃气体进入燃烧器供热。
经过低温炭化的畜禽粪便由螺旋输送器输送到高温炭化炉中进行高温炭化，高温炭化炉的温度控制在400～700℃，实施例中选用500℃，畜禽粪便在高温炭化炉中的停留时间为60～120min，实施例中选用90min，产生的成分主要为一氧化碳、甲烷等可燃气体的热解气经第三气液分离装置分离后，热解油进入生物质油储罐，可燃气体输送到燃烧器供热。
燃烧器燃烧产生的热烟气输入高温炭化炉的加热夹套中对高温碳化炉进行加热，各炉膛的加热温度由温度单元控制，高温炭化炉夹套输出的烟气一次进入低温炭化炉和烘干炉进行余热利用，低温炭化炉的炉膛温度由燃烧器和温度补偿单元进行控制，烘干炉加热夹套出口烟气冷却后输送到生物滴滤塔去除异味排空，生物滴滤塔进口烟气温度因控制在50℃以下。
换热冷却器中设有可旋转的倾斜角度为30～45℃的畜禽粪便输送薄壁夹套列管，经换热冷却器冷却后的畜禽粪便炭输送到生物炭储罐中密闭储存。
在上述实施例中，对本发明的最佳实施方式做了描述，显然，在本发明的基础上，仍可以做出很多改变，应该说明，在本发明的构思下所做出的的任何改变都将在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种畜禽粪便分级炭化的方法，其特征在于，采用畜禽粪便分级炭化的系统，包括：沿畜禽粪便的输送方向依次设置的烘干炉、低温炭化炉、高温炭化炉、换热冷却器和生物炭储罐；
所述的烘干炉设有畜禽粪便进口，所述的烘干炉还设有水蒸气出口，该水蒸气出口连接有第一气液分离装置，所述的第一气液分离装置设有冷凝水出口和废气出口，该冷凝水出口连接有生物滤池，该废气出口连接有生物滴滤塔；
所述的低温炭化炉设有热解气出口，所述的低温炭化炉的热解气出口连接有第二气液分离装置，所述的第二气液分离装置设有热解油出口和燃气出口，所述的第二气液分离装置的热解油出口连接到生物质油储罐，所述的第二气液分离装置的燃气出口连接有二氧化碳吸收装置，所述的二氧化碳吸收装置的出气口连接有燃烧器；
所述的高温炭化炉设有热解气出口，所述的高温炭化炉的热解气出口连接有第三气液分离装置，所述的第三气液分离装置设有热解油出口和燃气出口，所述的第三气液分离装置的热解油出口连接到生物质油储罐，所述的第三气液分离装置的燃气出口连接到所述燃烧器，所述的燃烧器与所述高温炭化炉连接；
所述的换热冷却器与所述高温炭化炉连接；
所述的生物炭储罐与所述换热冷却器连接；
该方法具体包括：
1)将畜禽粪便通过螺旋输送器采用连续进料方式依次输入到烘干炉、低温炭化炉、高温炭化炉、换热冷却器和生物炭储罐；
2)烘干炉的温度控制在100～200℃，畜禽粪便在烘干炉中的停留时间为60～120min，产生的水蒸气排出后经第一气液分离装置分离，冷凝水废液进入生物滤池处理，废气进入生物滴滤塔处理，消除异味后的废气排空；
3)低温炭化炉的温度控制在200～400℃，畜禽粪便在低温炭化炉中的停留时间为60～120min，产生的热解气经第二气液分离装置分离后，热解油进入生物质油储罐，气体经过二氧化碳吸收装置净化后，净化后的气体进入燃烧器供热；
4)高温炭化炉的温度控制在400～700℃，畜禽粪便在高温炭化炉中的停留时间为60～120min，产生的热解气经第三气液分离装置分离后，热解油进入生物质油储罐，可燃气体输送到燃烧器供热；
5)燃烧器燃烧产生的热烟气输入高温炭化炉的加热夹套中对高温碳化炉进行加热，低温炭化炉由高温炭化炉的加热夹套导出的烟气进行加热，烘干炉由低温炭化炉的加热夹套导出的烟气进行加热；
6)高温炭化炉产出的畜禽粪便炭经换热冷却器冷却后，输送到畜禽粪便炭储罐中储存，经过换热冷却器的热空气由引风机输送到燃烧器中与热解气混合燃烧。
2.根据权利要求1所述的畜禽粪便分级炭化的方法，其特征在于，所述的烘干炉、低温炭化炉和高温炭化炉均包括旋转输送禽粪便的管道炉和设置在所述管道炉外周的加热夹套，所述的高温炭化炉的加热夹套导出的烟气导入到所述的低温炭化炉的加热夹套中，所述的低温炭化炉的加热夹套导出的烟气导入到所述的烘干炉的加热夹套中。
3.根据权利要求2所述的畜禽粪便分级炭化的方法，其特征在于，所述的旋转输送禽粪便的管道炉为设置有螺旋输送器的管道炉。
4.根据权利要求1所述的畜禽粪便分级炭化的方法，其特征在于，所述的换热冷却器为夹套列管式冷却器，所述的夹套列管式冷却器的畜禽粪便输送方向与水平方向的夹角为30～45°，所述的夹套列管式冷却器内的夹套设有进风口和出风口，所述的燃烧器设有引风机，该引风机的进风口与所述夹套的出风口相连，所述的引风机出风口与所述燃烧器相连。
5.根据权利要求1所述的畜禽粪便分级炭化的方法，其特征在于，所述的低温炭化炉和高温炭化炉均有独立的温控单元和温度补偿单元。
6.根据权利要求1所述的畜禽粪便分级炭化的方法，其特征在于，所述的燃烧器设置有流量控制单元。
7.根据权利要求1所述的畜禽粪便分级炭化的方法，其特征在于，高温炭化炉产出的畜禽粪便炭经换热冷却器冷却时，换热冷却器内畜禽粪便输送方向与热交换的空气流动方向相反。
8.根据权利要求1所述的畜禽粪便分级炭化的方法，其特征在于，所述的燃烧器根据低温炭化炉和高温炭化炉的测温反馈，调节燃气流量实现精确控温。
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