CN116376578B - 利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种本发明提供了一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法及设备，其方法包括预处理、工艺控制与投料、炭化、炭气分离、能量自供给、气体自循环；其中，工艺参数的确定方法，包括获取秸秆的物理特性、获取炭化设备的性能参数、建立“动力学方程式”、建立“热力学方程式”、求解生产过程的工艺参数、校核工艺参数的有效性；其设备包括文丘里管、鼓风机、进料控制器、料斗、多层塔式炭化炉、冷却出料机构、气体分配器、燃烧器、气体混合器。该方法及其设备具有炭化连续且实时处置、炭化效率高、产量大、设备结构紧凑，可移动等优点。

Description

利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法及设备

技术领域

本发明涉及生物质废弃物领域，特别是指一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法及设备。

背景技术

农业生产过程中会产生大量的秸秆。传统的农业秸秆处置方式主要采用田间焚烧，转换为草目灰进行还田，但这种田间焚烧方式会导致环境的污染和资源的浪费。现有的秸秆粉碎直接还田技术，有利于增加土壤有机质，改善土壤物理与生物性状。但是，也会增加土壤微生物（即秸秆转化的微生物）与作物幼苗争夺养分的矛盾，甚至出现黄苗、死苗、减产等现象。特别是秸秆中的虫卵、带菌体等一些病虫害，还田后留在土壤里，病虫害直接发生或者越冬来年发生。

秸秆炭化还田技术可有效地弥补秸秆直接还田中存在的病菌、虫卵、虫害等问题。秸秆炭化还田是以生物质秸秆炭为主要发展方向，可实现秸秆综合利用、改善土壤结构，以及增加“农业碳汇”、减少温室气体排放等多重目标的技术路线。

农业秸秆炭化技术是实现秸秆炭化还田的重要保证。但是，传统的生物质炭化设备，如土窑、固定床炭化炉、回转窑炭化炉等，都因秸秆运输、储存成本过高而受到限制。而且，现有炭化设备的炭化周期长、运行成本高、生产效率低等问题也难以实际应用于农业秸秆的热解炭化领域。

秸秆炭化技术在农村的普及发展和推广，有以下几个关键技术问题需要解决。第一，农业秸秆炭化需要有连续实时性，应该能持续生产并在很短时间内即可完成秸秆的热解炭化工艺，只有这样才能满足农业秸秆在线处置需要。第二，农业秸秆炭化需要有高效性，需要达到十吨、几十吨/天的制炭产能，只有这样才能满足大量农田秸秆的处置需求。第三，农业秸秆炭化需要有低成本，发展可移动式炭化设备实现田间现场炭化还田，从而有效降低秸秆的收集、运输成本。因此发展连续、高效、低成本的新型农业秸秆炭化技术及其设备是实现秸秆炭化还田的关键。

发明内容

本发明提出一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法及设备，特别是秸秆，解决了现有技术中秸秆炭化周期长、无法满足实时现场处置秸秆的问题。

本发明提供的工艺及其设备不仅可用于农业秸秆（小麦秆、稻草、麻杆、烟草秸秆、玉米秆、棉花秆等），也可用于与秸秆类似物理特性的其它生物质废弃物（如竹木屑、笋皮、枝叶、纸张、碎布、塑料片、有机膜等）的处置与炭化。

为便于投料和炭化，本发明的工艺中先将农业秸秆破碎为长度50mm以内的短径。再引入气体动力学理论及方法，利用高速高温气体（气相）携带秸秆短径（固相）进行投料。独立固相的秸秆短径在高速高温气相环境中，短径前后形成一定的动压力差。该动压力差使得秸秆短径始终处于悬浮状态，并与气相形成相对运动的速度差和动压差。在速度差和动压力差的作用下，高速的气体分子猛烈撞击秸秆短径表面，气相与固相之间产生剧烈的气相-固相的悬浮热交换。

悬浮状态下的秸秆短径，其悬浮姿态呈高速且随机地变化，从而有效保证了气相-固相热交换的均匀性。为进一步提高本发明中气相与固相之间的热交换效率，本发明中设计封闭的弧形热解管道构成热解炭化空间。这样，在离心力的作用下，秸秆短径集中在弧形热解管道的外侧，并与高温的弧形管道外壁产生一定程度的接触和摩擦。固相与固相之间产生直接接触的传导热交换来提供秸秆短径热解的能量。因此，本发明提供了一种连续、高效、实时的秸秆连续炭化技术。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法，包括：

（1）生物质废弃物预处理：将生物质废弃物中夹带的泥土筛分，将筛分后的所述生物质废弃物破碎至短径或颗粒；

（2）工艺控制与投料：

将所述短径或颗粒投入到热解炭化空间中；之后进行工艺控制：

所述工艺控制，具体为，控制鼓风机转速，使所述热解炭化空间中的高温气体速度恒定为气体工艺速度V；控制进料器转速，使料斗中的原料以所述短径或颗粒投料量M进行投料；控制热气与高温气体的混合比例，使混合后高温气体温度达到气体工艺温度T；

（3）炭化：

投料后所述短径或颗粒径处于剧烈的悬浮、摩擦交替运动状态，所述短径或颗粒在所述热解炭化空间中悬浮前进，又在离心力的作用下被甩至所述热解炭化空间外壁并与之接触并摩擦；在运动过程中，所述短径或颗粒被炭化；

上述炭化同时存在热交换，在热交换的作用下所述短径或颗粒的表面及内部形成高速升温率并迅速达到为炭化温度t，实现生物质废弃物的高速炭化；高温气体的温度也由气体工艺温度T迅速下降至炭化温度t；

炭气分离：将悬浮在高温气体中的生物质废弃物炭粉分离出来，并经出炭口排出并冷却；不含炭粉的高温气体再利用；

所述高温气体由分配器分成二部分：一部分作为气态燃料送入气体燃烧器中进行燃烧，释放高温气体的化学能量；另一部分作为高温气体送入混合器，提供高温气体的物理潜热；

（5）能量自供给：所述高温气体在所述气体燃烧器中燃烧，释放化学能产生700℃以上的热气；所述热气分成二部分：一部分送入烘干系统，为短径脱水处理提供热源；另一部分送入所述混合器中，用于能量自供给，在所述混合器中，高温气体的温度由炭化温度t重新回升至气体工艺温度T；

（6）气体自循环：

所述自循环为两个循环，第一为将步骤（5）中的高温气体重新引入炭化系统中，实现气体自循环；第二为高温气体的温度在炭化温度t和气体工艺温度T之间周期性往复。

在一些实施例中，将所述生物质废弃物破碎至50mm以下的短径或颗粒。

在一些实施例中，将所述短径或颗粒进行干燥脱水，使得所述短径或颗粒的含水率在20%以下。若生物质废弃物已经暴晒，含水率在20%以下，则该步骤可省略。干燥后的生物质废弃物短径暂存至进料斗（或原料仓）内。

在一些实施例中，所述生物质废弃物为秸秆、竹木屑、笋皮、枝叶、纸张、碎布、塑料片或有机膜。

在一些实施例中，所述两个循环过程中，高温气体的总流量和截面流量恒定。

上述炭化同时存在三个热交换过程：第一个是高温气体与秸秆短径的气相-固相悬浮热交换；第二个是高温气体与管壁的气相-固相辐射热交换；第三个是管道外壁与秸秆短径接触摩擦的固相-固相传导热交换。在上述三个热交换共同作用下，秸秆短径的表面及内部形成高速升温率并迅速达到为炭化温度t，实现秸秆的高速炭化。高温气体的温度也由气体工艺温度T迅速下降至炭化温度t。

一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化的工艺参数的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）获取秸秆的物理特性：

取样待处理的干燥短径，获取以下4个特性参数：自由下落速度v、比热C _b 、燃烧烟气的比热C _a 、含水率w；

（2）获取炭化设备的性能参数：

通过对炭化设备的现场测量及物理测试，获取以下3个设备性能参数：热解管道等效直径D、烟气在管道的沿程阻力系数λ _a 、秸秆在管道的沿程阻力系数λ _b ；

（3）建立“动力学方程式”：根据气体动力学理论，建立对短径运动状态的描述，该方程式满足高温气体（气体工艺速度V）能使短径始终处于悬浮状态的约束条件；其特征在于，该方程式具有如下形式：

其中，λ _a 为高温气体的沿程阻力系数，无量纲；λ _b 为短径的沿程阻力系数，无量纲；T为气体工艺温度，单位℃；D为热解管道面积的等效直径，单位m；g为重力加速度，单位N/kg；v为短径的高温气体环境中的自由下落速度，单位m/s；V为气体工艺速度，单位m/s；M为生物质废弃物投料量，单位kg/s；

（4）建立“热力学方程式”：根据热力学原理，建立对高温气体与短径之间热交换的描述，该方程式满足高温气体（气体工艺速度V、气体工艺温度T）可将投料量M的短径从常温加热到炭化温度t的约束条件；该程式具有如下形式：

其中，C _a 为高温气体比热（可使用秸秆燃烧烟气比热等效），单位Kcal/kg℃；C _p 为水蒸气比热，可查表获得，单位Kcal/kg℃；C _b 为秸秆比热，单位Kcal/kg℃；t为炭化温度，单位℃；w为秸秆含水率，无量纲；

（5）求解生产过程的工艺参数：先根据待处置生物质废弃物量来预设生物质废弃物投料量M，再以向量(V，T)为应变量求解，联立步骤（3）中的“动力学方程式”和步骤（4）中的“热力学方程式”构成方程组进行求解；

（6）校核工艺参数的有效性：对联立求解得到的工艺参数（投料量M、气体工艺速度V和气体工艺温度T）进行校核；对于符合失效条件的工艺参数，减小预设秸秆投料量M并返回上述步骤（5），设立的第一失效条件为：气体工艺速度V与热解管道截面积的乘积大于鼓风机的最大流量；设立的第二失效条件为：气体工艺温度T大于弧形热解管道所用材料耐热温度。例如，炭钢的耐热温度600℃，304不锈钢的耐热温度800℃，310S不锈钢的耐热温度1100℃。

一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化设备，包括：

文丘里管、鼓风机、进料控制器、料斗、多层塔式炭化炉、冷却出料机构、气体分配器、燃烧器以及气体混合器；

所述文丘里管、鼓风机、多层塔式炭化炉、气体分配器、气体混合器依次串联，并形成一个高温气体循环通道；所述料斗置于所述进料控制器上方，所述进料控制器置于文丘里管投料口的上方，使所述料斗中的原料可通过所述进料控制器调整进入所述文丘里管中的进料量；

所述多层塔式炭化炉由从外至内相互嵌套的多层螺旋管道和塔芯5-9两部分构成；所述的螺旋管道由弧形热解管道依次以圆柱管状外形同向盘旋构成，外层螺旋管道的内壁即为内层螺旋管道的外壁；所述弧形热解管道横截面为矩形；所述多层塔式炭化炉仅在最外层螺旋管道的外侧设有保温层，其内部各层之间进行传导换热，无需保温；

所述多层塔式炭化炉的最外层螺旋管道由下向上或由上向下同向盘旋；次外层螺旋管道再由上向下或由下向上同向盘旋，以此类推；从外至内各层的螺旋管道之间依次串联联通；

所述多层塔式炭化炉内部，外层热解管道的内壁设有与气流方向同向的导热翅片，以提高气体对内壁导热面的气相-固相换热量；在内层热解管道的外壁也设有与气流方向同向的导热翅片，提高外壁导热面与秸秆短径接触摩擦的固相-固相热传导效率；

所述塔芯是多层塔式炭化炉的最内层螺旋管道；所述塔芯的弧形热解管道由上向下同向盘旋，而且在由上向下盘旋过程中，弧形热解管道的下壁向外缩短直至消失；所述塔芯的底部装配有锥形的收料斗；所述收料斗的底部设有出炭口，且与冷却出料机构连接，使秸秆炭粉冷却后出料；所述塔芯的弧形热解管道的内壁形成中心管，高温气体通过中心管引出多层塔式炭化炉。

在一些实施例中，所述燃烧后生成热气的温度在700℃以上。

在一些实施例中，所述气体分配器为三通结构，一个入口、第一出口和第二出口；所述入口与所述多层塔式炭化炉连接，将所述多层塔式炭化炉排出的高温气体引入；所述第二出口与燃烧器连接；所述第一出口与所述气体混合器连接；所述气体分配器的内部设有调节阀或调节机构，可以调整所述第一出口和第二出口分配气体的比例。

在一些实施例中，所述燃烧器为可燃气燃烧装置，燃烧后生成热气；所述燃烧器设有两个高温出口：第一高温出口和第二高温出口；所述第一高温出口连接所述气体混合器，用于合成高温气体；所述第二高温出口连接烘干系统或净化系统喷淋塔的进气口。

在一些实施例中，所述气体混合器为甬道形的高温混合腔室，高温混合腔室一端为第一入口，另一端为出口；在所述高温混合腔室的中部或靠入口侧再设置第二入口；所述第一入口与与所述燃烧器的第一高温出口连接，引入热气；所述第二入口与所述气体分配器的第一出口连接，引入高温气体；所述出口连接回所述文丘里管及鼓风机；所述气体混合器设有阀门或调节机构，可以根据所述出口处气体的温度来调整热气与高温气体的混合比例。

本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

（1）炭化连续且实时处置。在秸秆短径表面及内部形成高10℃/s以上的高速升温率，使秸秆在几十秒之内就达到热解温度并完成炭化，从而保证了对农业秸秆进行连续实时炭化的需求。

（2）炭化效率高、产量大。秸秆在设备内的滞留时间短，秸秆处置具有“快进快出”的特点。因此该工艺可达到几十吨/天的秸秆处置能力。

（3）设备结构紧凑，可移动。该设备采用一体化结构设计，体积小，可安装在车辆的移动平台上，根据秸秆处置要求随时移动。该设备是一种农用机械设备，可实现农林废弃物的就地处置，将秸秆的运输转变为设备的移动，运行成本显著降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方案或现有技术中的技术方案，下面将对实施方案或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为本发明的工艺流程图。

图2 本发明提供设备的结构示意图。

其中：（1）文丘里管，（1-1）文丘里管入口，（1-2）文丘里管喉口，（1-3）文丘里管出口，（1-4）文丘里管投料口1-4，（2）鼓风机，（3）进料控制器，（4）料斗，（5）多层塔式炭化炉，（5-3）多层塔式炭化炉入口，（5-4）保温层，（5-14）多层塔式炭化炉出口，（6）冷却出料机构，（7）气体分配器，（7-1）气体分配器入口7-1，（7-2）气体分配器第一出口，（7-3）气体分配器第二出口，（7-4）气体分配器阀板，（8）燃烧器，（8-1）燃烧腔，（8-2）耐火炉体，（8-3）隔层，（8-4）气体燃烧喷枪、（8-5）配空风机、（8-6）第一高温出口、（8-7）第二高温出口，（9）混合腔室，（9-1）混合腔室第一入口，（9-2）混合腔室第二入口；（9-3）混合腔室出口；（9-4）高温闸板阀，（9-5）蝶阀。

图3 最外层螺旋管道的结构示意图。

其中，（5-1）最外层螺旋管道，（5-2）弧形热解管道，（5-3）多层塔式炭化炉入口入口5-3；（5-4）保温层。

图4 最外层与第2层螺旋管道结构的剖视图。

其中，（5-1）最外层螺旋管道，（5-2）弧形热解管道，（5-3）多层塔式炭化炉入口；（5-4）保温层，（5-5）第2层螺旋管道。

图5 秸秆短径在热解管道中的位置示意图。

其中，（5-2）弧形热解管道，（5-7）导热翅片，（5-8）秸秆短径。

图6 塔芯结构的剖视图。

其中，（5-3）多层塔式炭化炉入口，（5-9）塔芯，（5-10）管道下壁，（5-11）收料斗，（5-12）出炭口，（5-13）中心管，（5-14）多层塔式炭化炉出口。

图7A 耐火炉体的剖面图。

其中，（8-1）燃烧腔室，（8-2）耐火炉体，（8-3）隔层，（9）混合腔室。

图7B 混合腔室结构的斜视图。

其中，（8-2）耐火炉体，（8-3）隔层，（9-1）混合腔室第一入口，（9-2）混合腔室第二入口，（9-3）混合腔室出口。

实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种利用气体动力学方法的秸秆连续炭化方法及其设备，可使用农业秸秆作为原料制备秸秆炭；但该方法及设备不限于秸秆，也可用于其它类型的生物质废弃物的炭化。该设备可独立运行，也可与外置烘干系统、储料仓、传送带、螺旋输料器、尾气环保处置等设备配合使用。

本实施例中以处置玉米秸秆为例，结合附图1对本发明中一种利用气体动力学方法的秸秆连续炭化方法的具体实施方式做进一步详述：

一种利用气体动力学方法的秸秆连续炭化工艺，包括如下步骤：

（1）玉米秸秆预处理：利用滚动筛机将玉米秸秆中夹带的泥土筛分出来，再用秸秆破碎机将玉米秸秆破碎至粒度50mm以下的短径；

（2）干燥脱水：由于玉米秸秆在秋收后已经暴晒，含水率在10%~18%，无需再烘干。直接将干噪的玉米秸秆短径存放在原料仓中。

（3）参数获取：取玉米秸秆短径试样并进行物理测试，以得到秸秆短径的相关物理特性参数：自由下落速度v、秸秆烟气比热C _a 、秸秆比热C _b 、秸秆含水率w ；再对炭化设备进行测量和查表获取设备的性能参数：热解管道面积的等效直径D、秸秆在管道中的沿程阻力系数λ _b 、高温烟气的沿程阻力系数λ _a ；水蒸气平均比热C _p 由查手册获得，玉米秸秆的炭化温度t通过马沸炉实验得到，为350℃。

（4）工艺参数的确定：利用上述参数，并根据气体动力学理论，针对高速高温气体的气体工艺速度V需要使秸秆短径始终处于悬浮状态的要求，建立对应的“动力学方程式”。再根据热力学换热原理，针对气相与固相的热交换满足热力学平衡的要求，建立对应的“热力学方程式”。本实施例中，玉米秸秆处置需求约为1吨/小时，则可得秸秆投料量M为0.3kg/s，联立上述两个方程式组，可求解气体工艺速度V为7.2m/s，气体工艺温度T为460℃。

（5）工艺控制与投料：采用封闭的弧形热解管道作为热解炭化的空间，并将秸秆短径投入到弧形热解管道中。投料的同时，对生产过程中的3个工艺参数进行控制；本实施例中的具体工艺控制方法是：利用高温风速仪检测多层塔式炭化炉内弧形热解管道中高温气体的实际流速。利用变频器控制鼓风机电机的转速，使实际高温气体的流速为7.2m/s。在原料仓的底部安装星型落料器，再利用星型落料器电机的转速来调整玉米秸秆的投料量，使其稳定在0.3kg/s。最后，使用热电偶检测气体混合器出口处高温气体的实际温度；并利用气体混合器内部的调节机构来调整热气与高温气体的混合比例：若高温气体的实际温度低于460℃则增大热气的占比，若高温气体的实际温度高于460℃则增大高温气体的占比。

（6）玉米秸秆的高速炭化：控制玉米秸秆短径在弧形热解管道内处于悬浮状态。在本实施例中，玉米秸秆表面及内部的平均升温率约为10℃/s，玉米秸秆在40秒左右由常温升至热解温度350℃并完成连续实时炭化。高温气体的温度也由气体工艺温度460℃下降至炭化温度350℃。

（7）炭气分离：选用重力除尘分离器或多层塔式炭化炉塔芯作为分离机构，将玉米秸秆炭粉从350℃的高温气体中分离出来。炭粉通过设置在分离机构底部的水冷螺旋进行冷却出料、包装。不含炭粉的高温气体从分离机构中引出至分配器。分配器内部设置有调节阀门。通过分配器的调节阀门，将高温气体分成两部分：一部分作为气态燃料送入气体燃烧器中进行燃烧，释放高温气体的化学能量；另一部分作为高温气体送入混合器，提供高温气体的物理潜热。

（8）能量自供给：对进入气体燃烧器中的高温气体进行燃烧，释放高温气体的化学能并产生700℃以上的热气。在本实施例中，3/4左右的热气可送入烘干系统，为秸秆短径脱水处理提供热源。对于本实施例中玉米秸秆含水率在15%左右，无需烘干的情况，可将该热气直接引入净化喷淋塔排放。1/4左右的热气送入混合器中并利用调节阀门调整高温气体与热气的混合比例。使高温气体的温度由350℃重新升温至460℃。由此，本实施例中，玉米秸秆热解炭化所需要的能量来源于自身，无需额外能源，本发明工艺方案实现了秸秆炭化的能量自供给。

（9）气体自循环：本发明工艺中，高温气体的自循环包含而两个循环：第一个，高温气体自身的循环。高温气体引出混合器之后，经过文丘里管、鼓风机、弧形热解管道、炭分离机构、分配器，又重新回到混合器，如此反复利用、往复循环；第二，高温气体的温度在弧形热解管道内由T降温至t后，又在混合器内由t重新升温至T；在工艺循环过程中，高温气体进行物理升温、降温、再升温，…，其温度在炭化温度t和气体工艺温度T之间周期性往复循环。而在上述两个循环过程中，高温气体的总流量和截面流量恒定。

本实施例中高温气体在混合器内由350℃升温至460℃后，又重新进入文丘里管，再由鼓风机吹入弧形热解管道；高温气体与悬浮状态下的玉米秸秆换热后，其降温至350℃。再经气炭分离机构、分配器后，高温气体重新进入混合器，高温气体如此反复利用、往复循环；在这个循环过程中，高温气体进行物理升温、降温、再升温，…，如此往复。由此，本实施例中，高温气体始终处于气体自循环状态，高温气体总流量和流速恒定，而且随着工艺过程温度在350℃至460℃之间周期性往复循环。

实施例

一种利用气体动力学方法的秸秆连续炭化的工艺参数确定方法，包括如下步骤：

获取玉米秸秆的物理特性。取样干噪的玉米秸秆短径进行物理测试，利用向上气流测定测得50mm玉米秸秆短径的自由下落速度v为4.7m/s；利用比热测定仪测量玉米秸秆比热C _b 为0.45Kcal/kg℃；利用比热测定仪测量秸秆燃烧的高温烟气比热C _a 为0.255Kcal/kg℃；利用马沸炉和国标方法测定玉米秸秆含水率w为15%。

（2）获取炭化设备的性能参数。对炭化设备中的弧形热解管道进行实际测量，得到热解管道面积的等效直径D为0.25m；利用沿程阻力系数测定实验仪测量秸秆燃烧的高温烟气的沿程阻力系数λ _a 为0.0455；利用沿程阻力系数测定实验仪得到秸秆短径在管道中的沿程阻力系数λ _b 为0.004；查表获得水蒸气平均比热C _p 为0.51Kcal/kg℃；通过马沸炉实验得到玉米秸秆的炭化温度t为350℃；

（3）建立“动力学方程式”。根据气体动力学理论，本发明中使用高速高温气体的气体工艺速度V需要使秸秆短径始终处于悬浮状态的条件，可建立对应的“动力学方程式”：

其中，g为重力加速度，这里取9.8N/kg。

（4）建立“热力学方程式”。根据热力学换热原理，高速高温气体（气体工艺速度V、气体工艺温度T）需要将秸秆短径从常温加热到炭化温度t的条件，可建立对应的“热力学方程式”：

上述两个方程中，V为气体工艺速度、气体工艺温度T、秸秆投料量M为待确定的生产过程的工艺参数。

（5）求解生产过程的工艺参数。本实施例中，玉米秸秆处置需求约为1吨/小时，则可得秸秆投料量M为0.3kg/s；将M代入联立上述两方程组求解，可求解气体工艺速度V为7.2m/s、气体工艺温度T为460℃。

（6）校核工艺参数的有效性。第一，本实施例中，鼓风机的最大流量为2000m^3/小时（即0.55m^3/s）；热解管道截面积为0.04m^2，则气体工艺速度V与管道截面积的乘积为0.288m^3/s，小于鼓风机的最大流量；第二，本实施例中，弧形热解管道使用材料为炭钢，炭钢的耐热温度600℃，大于所求气体工艺温度460℃。因此，本实施例中求取的工艺参数：秸秆投料量M为0.3kg/s、气体工艺速度V为7.2m/s、气体工艺温度T为460℃有效。

实施例3

本发明中还提供一种利用气体动力学方法的秸秆连续炭化设备。下面，本实施例结合附图2对本发明中一种利用气体动力学方法的秸秆连续炭化设备的具体实施方式做进一步详述：

一种利用气体动力学方法的秸秆连续炭化设备，包括：文丘里管1、鼓风机2、进料控制器3、料斗4、多层塔式炭化炉5、冷却出料机构6、气体分配器7、燃烧器8以及气体混合器9。

文丘里管1的长度为1.5m，入口1-1的直径0.25mm，中间喉口1-2的直径0.15，出口1-3的直径0.25mm，在喉口上方设置有投料口1-4，投料口1-4的开口尺寸为200mm×200mm。

鼓风机2选用全压500Pa，流量2000m^3/h，最高温度600℃的离心鼓风机。

进料控制器3选用开口200mm×200mm，下料速度10m^3/h的星型落料器。

料斗4选用长1m、宽1m、深0.8m的倒锥形原料斗，原料斗的底部开口大小为200mm×200mm。

多层塔式炭化炉5使用4层塔式炭化炉结构，即从外至内由4层螺旋管道相互嵌套构成，外径1.8m，高度2.0m；最外层（第1层）螺旋管道5-1的结构示意如附图3所示；最外层螺旋管道5-1由弧形热解管道5-2依次以圆柱管状外形，并以逆时针方向从下向上盘旋构成；最外层螺旋管道5-1的下方设置有入口5-3；弧形热解管道5-2横截面为200mm×200mm正方形；最外层螺旋管道的外部还设有保温层5-4。多层塔式炭化炉5这样设计的优点在于：第一，在有限的空间范围内极大的沿长了弧形热解管道的长度；该设计有利于设备的小型化和可移动；第二，仅在最外层螺旋管道的外侧（即该层热解管道的外壁）设置保温层，而该层热解管道的上、下及内侧无需保温，还包括内部各层所有螺旋管道，均无需保温；该设计有利于减小设备的热辐射和热损失。

第2层螺旋管道5-5再使用弧形热解管道5-2，以逆时针方向从上向下盘旋；最外层螺旋管道5-1的内壁5-6即为第2层螺旋管道5-5的外壁；最外层螺旋管道5-1与第2层螺旋管道5-5结构的剖视图如附图4所示。

多层塔式炭化炉5的最外层螺旋管道5-1温度最高；热能以最外层螺旋管道5-1的内壁5-6作为导热面，向第2层螺旋管道5-5内部进行热传导。由于离心力的作用，秸秆总是集中在弧形热解管道5-2的外壁并与之摩擦。这样高温气体与秸秆在一定程度上是分离的，这种分布情况非常不利于气相-固相的热交换，会影响本发明的炭化效率。因此，本发明提供的设备中，在内层热解管道的外壁和外层热解管道的内壁，分别焊有与气流方向同向的导热翅片5-7。外层的导热翅片5-7可以吸收外层没有与秸秆短径相接触的高温气体的热能，而内层的导热翅片5-7则与玉米秸秆短径直接接触，直接发生固相-固相的传导热交换，非常有效地提高了设备的炭化效率。导热翅片的安装及与秸秆短径5-8的关系如附图5所示。

多层塔式炭化炉5的最内层（第4层）螺旋管道为塔芯5-9，塔芯5-9的结构剖面图如附图6所示；塔芯5-9的弧形热解管道5-2以逆时针方向从上向下盘旋，且盘旋过程中管道的下壁5-10向外缩短直至消失；塔芯5-9的底部装配有锥形的收料斗5-11；在收料斗5-11的底部为设有出炭口5-12；塔芯5-9的内壁形成中心管5-13；弧形热解管道下壁5-10缩短后，不含炭粉的高温气体可以从上到下逐层从热解管道5-2中排出，并在塔芯中心管5-13汇合；高温气体通过出口5-14引出多层塔式炭化炉5。高温气体逐层从热解管道5-2中排出后，塔芯的热解管道5-2内的气体流速会明显下降，从而以使大颗粒的玉米秸秆短径反而能在塔芯中滞留的时间更久，保证了大颗粒的秸秆短径的炭化稳定性和一致性。

塔芯5-9的功能和设计优点有两个：第一个是其内部的弧形热解管道5-2仍可为秸秆短径提供热解炭化空间和提供热交换；第二个是弧形热解管道下壁5-10缩短后，不含炭粉的高温气体可以从上到下逐层由热解管道5-2中分别排出，并在塔芯中心管5-13汇合。塔芯作为分离机构的工作原理不同于现有旋风除尘器，高温气体由热解管道5-2排出一部分后，塔芯内的热解管道5-2的气流流速会降低，从而以使大颗粒的秸秆短径在塔芯中滞留的时间更久，而小颗粒的炭粉却几乎不受影响。如此，则可保证了大颗粒的秸秆短径在该设备中也能得到有效的炭化。该设计对于发明中使用的高速炭化工艺是一种重要的补充，保证了对不同颗粒度大小的秸秆短径炭化的一致性。因此，多层塔式炭化炉5的设计实现了热解与分离一体化结构的效果，实现了不同颗粒度炭化一致性的效果。

冷却出料机构6选用内外双水冷螺旋，螺旋长度3.5米，螺距300 mm，内径273mm，外径450mm。

气体分配器7设计为三通结构，一个入口7-1，第一出口7-2和第二出口7-3，内部设置有阀板7-4；阀板转角由电磁控制器驱动，以调整第一出口7-2和第二出口7-3出气量的比例。

燃烧器8选用气体燃烧装置，由燃烧腔室8-1，混合腔室9和耐火炉体8-2构成；耐火炉体8-2为由高温耐火砖砌成内长2.5m、内径1.5m的圆柱形炉体；耐火炉体8-2内部设置有隔层8-3，将耐火炉体8-2内的空间分隔成燃烧腔室8-1和混合腔室9。耐火炉体的剖面示意图如附图7A所示，混合腔室结构的斜视示意图如附图7B所示。

燃烧腔室8-1包括气体燃烧喷枪8-4、配空风机8-5、第一高温出口8-6、第二高温出口8-7。其中，气体燃烧喷枪8-4选用30万大卡功率；配空风机8-5选用全压500Pa，流量1000m^3/h的常温离心鼓风机；第一高温出口8-6开在隔层8-3上，开口大小为200mm×200mm，将燃烧腔室8-1与混合腔室9连通；第二高温出口8-7开在耐火炉体8-3的上方，烟道开口200mm×200mm。

混合腔室9为甬道形的高温混合腔室；甬道的一端为第一入口9-1与燃烧器8第一高温出口8-6连通；在甬道的中间回折位置处设置有第二入口9-2；甬道的另一端为出口9-3；第一入口9-1处设置有高温闸板阀9-4；第二入口9-2处设置有蝶阀9-5；在混合腔室9出口9-3处装有热电偶，检测混合后高温气体的温度；若混合后温度偏低，则增大高温闸板阀9-4的开度，同时减小蝶阀9-5的开度；反之亦然，直至高温气体的温度达到气体工艺温度T。

对于本实施例中使用的玉米秸秆物理特性使用负压进料。鼓风机2的入口连接文丘里管2的出口1-3，鼓风机2的出口连接多层塔式炭化炉5的入口5-3，多层塔式炭化炉5的出口5-14连接到气体分配器7的入口7-1，气体分配器7的第一出口7-2，经蝶阀9-5连接到混合腔室9的第二入口9-5，最后混合腔室9的出口9-3再连接回文丘里管1的入口1-1，从而形成一个闭环的气体循环通道。

料斗4置于进料控制器3的上方，进料控制器3再置于文丘里管1的投料口1-4上方，使料斗4中的原料可通过进料控制器3调整进料量，并进入文丘里管1内。

冷却出料机构6置于多层塔式炭化炉5的出炭口5-12的下方，对高温的玉米秸秆炭粉进行冷却，并将冷却后的秸秆炭粉排出并包装。

气体分配器7的第二出口7-3连接燃烧器8的气体燃烧喷枪8-4；燃烧器8的第二高温出口8-7连接净化系统喷淋塔10的进气口。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法，其特征在于，包括：

（1）生物质废弃物预处理：将生物质废弃物中夹带的泥土筛分，将筛分后的所述生物质废弃物破碎至短径，所述生物质废弃物为秸秆；

（2）工艺控制与投料：

将所述短径投入到热解炭化空间中；之后进行工艺控制：

所述工艺控制，具体为，控制鼓风机转速，使所述热解炭化空间中的高温气体速度恒定为气体工艺速度V；控制进料器转速，使料斗中的原料以所述短径投料量M进行投料；控制热气与不含炭粉的高温气体的混合比例，使混合后高温气体温度达到气体工艺温度T；

（3）炭化：

投料后所述短径处于剧烈的悬浮、摩擦交替运动状态，所述短径在所述热解炭化空间中悬浮前进，又在离心力的作用下被甩至所述热解炭化空间外壁并与之接触并摩擦；在运动过程中，所述短径被炭化；

上述炭化同时存在热交换，在热交换的作用下所述短径的表面及内部高速升温并迅速达到为炭化温度t，实现生物质废弃物的高速炭化；高温气体的温度也由气体工艺温度T迅速下降至炭化温度t；

（4）炭气分离：将悬浮在高温气体中的生物质废弃物炭粉分离出来，并经出炭口排出并冷却；不含炭粉的高温气体再利用；

所述不含炭粉的高温气体由分配器分成二部分：一部分作为气态燃料送入气体燃烧器中进行燃烧，释放高温气体的化学能量；另一部分送入混合器，提供高温气体的物理潜热；

（5）能量自供给：所述不含炭粉的高温气体在所述气体燃烧器中燃烧，释放化学能产生700℃以上的热气；所述热气分成二部分：一部分送入烘干系统，为短径脱水处理提供热源；另一部分送入所述混合器中，用于能量自供给，在所述混合器中，高温气体的温度由炭化温度t重新回升至气体工艺温度T；

（6）气体自循环：

所述自循环为两个循环，第一为将步骤（5）混合器中的高温气体重新引入炭化系统中，实现气体自循环；第二为高温气体的温度在炭化温度t和气体工艺温度T之间周期性往复；

其中，生物质废弃物连续炭化的工艺参数的确定方法，包括如下步骤：

（1）获取秸秆的物理特性：

取样待处理的干燥短径，获取以下4个特性参数：自由下落速度v、比热C _b 、燃烧烟气的比热C _a 、含水率w；

（2）获取炭化设备的性能参数：

通过对炭化设备的现场测量及物理测试，获取以下3个设备性能参数：热解管道等效直径D、烟气在管道的沿程阻力系数λ _a 、秸秆在管道的沿程阻力系数λ _b ；

（3）建立“动力学方程式”：根据气体动力学理论，建立对短径运动状态的描述，该方程式满足短径始终处于悬浮状态的约束条件；该方程式具有如下形式：

；

其中，g为重力加速度；

（4）建立“热力学方程式”：根据热力学原理，建立对高温气体与短径之间热交换的描述，该方程式满足将投料量M的短径从常温加热到炭化温度t的约束条件；该方程式具有如下形式：

；

其中，C _p 为水蒸气比热；

（5）求解生产过程的工艺参数：先根据待处置生物质废弃物量来预设生物质废弃物投料量M，再以向量(V，T)为应变量求解，联立步骤（3）中的“动力学方程式”和步骤（4）中的“热力学方程式”构成方程组进行求解；

（6）校核工艺参数的有效性：对联立求解得到的生物质废弃物投料量M、气体工艺速度V和气体工艺温度T进行校核；对于符合失效条件的工艺参数，减小预设生物质废弃物投料量M并返回上述步骤（5），设立的第一失效条件为：气体工艺速度V与热解管道截面积的乘积大于鼓风机的最大流量；设立的第二失效条件为：气体工艺温度T大于弧形热解管道所用材料耐热温度。

2.根据权利要求1所述的一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法，其特征在于，将所述生物质废弃物破碎至50mm以下的短径。

3.根据权利要求1所述的一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法，其特征在于，将所述短径进行干燥脱水，使得所述短径的含水率在20%以下。

4.根据权利要求1所述的一种利用气体动力学方法的生物质废弃物连续炭化方法，其特征在于，所述气体自循环过程中，进入热解炭化空间的高温气体的总流量和截面流量恒定。