一种可调式生物质与废塑料催化共热解系统及方法 专利技术说明

石油,煤气及炼焦工业设备的制造及其应用技术1.本发明涉及生物质能热转化利用技术领域，特别是一种可调式生物质与废塑料催化共热解系统及方法。背景技术：2.目前，有机固体废弃物(农林废弃物、塑料废弃物等)的资源化利用技术已成为可部分替代化石燃料资源使用的有效手段。富氧农林废弃物与富氢塑料废弃物共热解技术因其可定向转化为高品质的生物油(烃类、糖类、醛类、呋喃类等)而受到了广泛关注。生物质与废塑料产生协同作用的关键为混合后不同组分的热失重温度区间重叠，热解产生的初级产物能够相互接触，而分子筛催化剂能够不同程度的降低生物质与塑料废弃物的反应活化能，进而使废塑料在生物质主要的热解阶段内热解并发生化学反应，最终获得高附加值的产品。热解反应器的不同会影响生物质颗粒间的传热方式，从而影响热解产物的分布，且原料种类和热解条件的差异也会显著影响生物质热解过程中炭、油、气的含量和产物分布。旋转床反应器因其原料适应性广、操作简单、控制方便、物料混合和加热均匀、可兼顾三种形态产物生产等特点经常被用于热解反应中。3.而目前的旋转床反应器多基于固定床反应器的原理配备旋转装置组成，炉膛反应空间固定，不适合于混合物料的充分接触反应，在旋转过程中混合物料会向反应器两侧分散开来，造成了生物质与废塑料的单独热解反应，不利于定向制备高品质的液体燃料。此外，热解时的转速、温度、原料与催化剂的质量比和保温时间不同，也会对热解反应的产物产率等有显著差异。4.因而，需要设计制备一种反应区域可调，避免原料旋转过程中向两侧外溢的热解反应系统，并通过合适的转速、温度、原料与催化剂的质量比和保温时间调节，可有效实现生物质与废塑料的定向热解。技术实现要素：5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。6.鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。7.因此，本发明所要解决的一个技术问题是如何保证避免原料旋转过程中向两侧外溢并可以调节反应区域。8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种可调式生物质与废塑料催化共热解系统，其包括热解单元，包括管式炉，所述管式炉两端设置有密封法兰，所述密封法兰上设置有伸缩组件；供气单元，包括氮气瓶，所述氮气瓶通过供气管路与管式炉输入端相连通；冷凝单元，包括挥发管路，所述挥发管路一端与管式炉输出端相连通，另一端与冷凝器相连通，所述冷凝器的输出端通过湿气清除器与贮气袋相连。9.作为本发明所述可调式生物质与废塑料催化共热解系统的一种优选方案，其中：所述管式炉沿径向由内外设置有炉膛、电阻层、绝缘层和温度控制器。10.作为本发明所述可调式生物质与废塑料催化共热解系统的一种优选方案，其中：所述密封法兰上均匀开设有通孔。11.作为本发明所述可调式生物质与废塑料催化共热解系统的一种优选方案，其中：所述伸缩组件包括旋转件、伸缩轴和封堵板，所述伸缩轴一端与封堵板固定相连，另一端位于旋转件内。12.作为本发明所述可调式生物质与废塑料催化共热解系统的一种优选方案，其中：所述旋转件位于通孔内，其为中空贯通结构，其侧壁开设有贯穿的螺旋槽，其朝向供气管路和挥发管路的一端分别设置有操作手柄。13.作为本发明所述可调式生物质与废塑料催化共热解系统的一种优选方案，其中：所述伸缩轴为中空贯通结构，且其位于旋转件内的一端侧壁设置有导向棒，所述导向棒位于螺旋槽内，所述伸缩轴内腔与供气管路相连通。14.作为本发明所述可调式生物质与废塑料催化共热解系统的一种优选方案，其中：封堵板直径与炉膛内径相同，其设置有筛孔，所述筛孔与伸缩轴内腔对应连通。15.作为本发明所述可调式生物质与废塑料催化共热解系统的一种优选方案，其中：所述供气管路上设置有减压阀和转子流量计。16.本发明的一个有益效果：17.通过伸缩组件带动两侧的封堵板紧贴混合物料，使得混合物料旋转热解时也不会向两侧外溢，而且针对不同质量的混合物料，可以调节反应区域，以保证热解反应的充分进行。18.本发明所要解决的另一个技术问题是如何最大程度保证生物质与废塑料催化共热解的反应产率。19.为解决上述技术问题，本发明还提供如下技术方案：一种生物质与废塑料催化共热解方法，其通过上述的可调式生物质与废塑料催化共热解系统实现，包括以下步骤，将生物质和废塑料粉碎至粒径大于0.105m且小于0.425mm，共同形成原料；将生物质、废塑料和催化剂机械搅拌10分钟以上，至颜色均匀的混合物料后，放入管式炉中部位置；调节伸缩轴使得封堵板靠近密封法兰；通入氮气20分钟以上排出管式炉内的空气；反向调节伸缩轴使得封堵板靠近混合物料；调节管式炉的转速、温度、原料与催化剂的质量比和保温时间，混合物料热解反应并保温；反应结束后，通入氮气至管式炉内并降至25℃以下。20.作为本发明所述生物质与废塑料催化共热解方法的一种优选方案，其中：所述管式炉转速为0～20r/min，温度为500～900℃，催化剂与原料的质量比在0：1到15：1，保温时间30分钟以上。21.本发明的另一个有益效果：22.通过本方法，调节伸缩轴和封堵板，使得反应区域大小适配不同质量的原料，提高生物质与废塑料共热解目标产物芳烃类化合物的产率；调节反应产率的转速、反应温度和原料/催化剂质量比，有效提高生物质与废塑料共热解目标产物芳烃类化合物的产率。附图说明23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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例，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它的附图。其中：24.图1为本发明所述的可调式生物质与废塑料催化共热解系统的整体示意图；25.图2为本发明所述的可调式生物质与废塑料催化共热解系统的密封法兰和旋转件连接示意图；26.图3为本发明所述的可调式生物质与废塑料催化共热解系统的伸缩组件示意图；27.图4为图1中a处的放大示意图；28.图5为图3中b处的放大示意图；29.图6为本发明所述的生物质与废塑料催化共热解方法的流程示意图。具体实施方式30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。31.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。32.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。33.实施例134.参照图1～5，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种可调式生物质与废塑料催化共热解系统，包括热解单元100，包括管式炉101，管式炉101两端设置有密封法兰102，密封法兰102上设置有伸缩组件103；供气单元200，包括氮气瓶201，氮气瓶201通过供气管路202与管式炉101输入端相连通；冷凝单元300，包括挥发管路301，挥发管路301一端与管式炉101输出端相连通，另一端与冷凝器302相连通，冷凝器302的输出端通过湿气清除器303与贮气袋304相连。35.管式炉101沿径向由内外设置有炉膛101a、电阻层101b、绝缘层101c和温度控制器101d。36.密封法兰102上均匀开设有通孔102a。37.伸缩组件103包括旋转件103a、伸缩轴103b和封堵板103c，伸缩轴103b一端与封堵板103c固定相连，另一端位于旋转件103a内。38.旋转件103a位于通孔102a内，其为中空贯通结构，其侧壁开设有贯穿的螺旋槽103a-1，其朝向供气管路202和挥发管路301的一端设置有操作手柄103a-2。39.伸缩轴103b为中空贯通结构，且其位于旋转件103a内的一端侧壁设置有导向棒103b-1，导向棒103b-1位于螺旋槽103a-1内，伸缩轴103b内腔与供气管路202相连通。40.封堵板103c直径与炉膛101a内径相同，其设置有筛孔103c-1，筛孔103c-1与伸缩轴103b内腔对应连通。41.供气管路202上设置有减压阀202a和转子流量计202b。42.旋转件103a位于通孔102a内，而操作手柄103a-2由于最大直径大于通孔102a，所以紧贴密封法兰102表面，这样使得旋转件103a只能轴向旋转，而不能轴向向内移动，不过可以向外抽出方便拆卸。43.筛孔103c-1孔径小于0.105mm，这种设计既保证了大于0.105mm的混合物料不会在旋转时甩出103c-1，或者说避免原料进入伸缩轴103b内腔，造成伸缩轴103b堵塞，又可以保证来自供气管路202和伸缩轴103b的氮气进入封堵板103c围成的区域内，同理热解反应挥发的气体也可以沿着另一侧的伸缩轴103b进入挥发管路301。44.伸缩组件103的工作原理为：通过操作手柄103a-2转动旋转件103a，利用螺旋槽103a-1引导导向棒103b-1，继而带动伸缩轴103b螺旋伸缩，即轴向旋转的同时沿轴向伸缩，最终使两侧的封堵板103c紧贴混合物料，使得混合物料旋转热解时也不会向两侧外溢，而且针对不同质量的混合物料，可以调节反应区域，以保证热解反应的充分进行。45.供气管路202中的氮气先通过减压阀202a将氮气瓶201内的氮气降压至正常范围，而气流速率由转子流量计202b控制。46.热解反应解析出的挥发分在冷凝器302中冷凝，不可凝气体进入贮气袋304。47.实施例248.参照图6，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种生物质与废塑料催化共热解方法，通过实施例1的可调式生物质与废塑料催化共热解系统实现，包括以下步骤：49.s1：将生物质和废塑料粉碎至粒径大于0.105m且小于0.425mm，共同形成原料；50.s2：将生物质、废塑料和催化剂机械搅拌10分钟以上，至颜色均匀的混合物料后，放入管式炉101中部位置；51.s3：调节伸缩轴103b使得封堵板103c靠近密封法兰102；52.s4：通入氮气20分钟以上排出管式炉101内的空气；53.s5：反向调节伸缩轴103b使得封堵板103c靠近混合物料；54.s6：调节管式炉101的转速、温度、原料与催化剂的质量比和保温时间，混合物料热解反应并保温；55.s7：反应结束后，通入氮气至管式炉101内并降至25℃以下。56.管式炉101转速为0～20r/min，温度为500～900℃，催化剂与原料的质量比在0：1到15：1，保温时间30分钟以上。57.与筛孔103c-1孔径小于0.105mm相对应，原料粒径大于0.105mm且小于0.425mm，大于0.105mm是避免原料通过进入筛孔103c-1，小于0.425mm是需要保证不同物料之间可以充分接触进行反应。其实如果粒径过小(《0.105mm)，也会造成粉碎原料时的能耗过高。58.实验选取的生物质为玉米秸秆，选取的废塑料为聚丙烯。59.实验结束后，继续通入氮气直至反应器温度降至室温。生物炭的产率由反应前后生物质和废塑料的重量决定，生物油的产量由冷凝器反应前后的重量计算得到，气体产率的计算采用差值法。60.实施例361.为本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：将质量比为1:1的玉米秸秆和聚丙烯(原料粒径大于0.105mm，小于0.425mm)按上述机械混合的方法混合均匀后置于管式炉101中部位置，并保证在整个反应器长度方向上是均匀的。调节伸缩轴103b，使得伸缩轴103b连接的封堵板103c首先位于炉膛的两端。气流速率由转子流量计202b控制，密封系统后，通入氮气20min以排出管式炉101内的空气。之后调节伸缩轴103b，使得伸缩轴103b连接的两个封堵板103c紧贴混合物料的两端。设置样品与催化剂的质量比为1:3，热解炉的转速为10r/min，反应温度为500、600、700、800℃，则随着温度的升高，生物油(从60.10％降低到38.23％)和生物炭(从32.32％下降为25.62％)的产率逐渐下降，而生物质气(从7.58％升高到36.15％)的产率直线上升。生物质热解会产生三种形态的产物，气、油、炭，实验人员会根据各自需要，进行温度的调节，一般来说温度越高，生物炭产量越少，生物质气产量越多，生物油先增加后减小，一般来说温度越高，生物炭产量越少，生物质气产量越多，生物油先增加后减小，而本技术采用生物质与塑料共热解更偏向于考察生物油中的富含芳香烃成分，但是矛盾之处在于温度越高，生物油的产率会降低，但是生物油中芳烃的占比会增加。生物质炭、油、气的各自产率高低多和生物质定向使用的方面有关，所以常有分析生物质产物分布规律的研究，给出炭、油、气随温度的变化规律，以为后期具体使用哪类产品做参考。这里注意，温度越高，生物油的产率会降低，但是生物油中芳烃的占比会增加。62.500～800℃时，生物油中芳香烃的占比分别为10.21％、18.63％、46.36％和68.23％，当温度继续升高至900℃时，生物油中芳香烃的占比为72.03％，比800℃略有增加，但增幅明显缩小，且900℃时生物油产率显著下降，并对能耗、设备要求比800℃更多，因此，对于本装置芳烃制备的优选温度为800℃，具体产物数据如表1所示。63.表1[0064][0065]可以看出，随着实验范围内温度的升高，生物油和生物炭产率下降，生物质气产率增加。而本装置生物质与废塑料共热解目标产物芳烃类化合物制备的优选温度为800℃。[0066]实施例4[0067]为本发明第四个实施例，其不同于前三个实施例的是：将质量比为1：1的玉米秸秆和聚丙烯(原料粒径大于0.105mm，小于0.425mm)按上述机械混合的方法混合均匀后置于管式炉101中部位置，并保证在整个反应器长度方向上是均匀的。调节伸缩轴103b，使得伸缩轴103b连接的封堵板103c首先位于炉膛的两端。气流速率由转子流量计202b控制，密封系统后，通入氮气20min以排出管式炉101内的空气。之后调节伸缩轴103b，使得伸缩轴103b连接的两个封堵板103c紧贴混合物料的两端。设定热解温度为600℃，热解炉的转速为10r/min。随着催化剂添加量的增加(催化剂：原料质量比从0：1到10：1)，生物质气(从8.01％升高到25.17％)的产率单调增大，而生物炭的产率变化较小，最低为30.16％。生物油(从60.10％降低为42.19％)的产率随着催化剂添加量的增加而逐渐减少。当催化剂/原料比例为0：1、1：1、3：1、10：1、15：1时，生物油中芳烃占分别为0％、10.93％、17.72％、24.56％、24.85％。可以看出，随着催化剂添加量的增加，芳烃的占比逐渐增大，但当催化剂与原料质量比比例为10：1时，芳烃含量增幅很小，与10：1时差别不大，说明10：1的比例下原料与催化剂充分接触，反应较为完全，而在原料量不变的情况下，催化剂的继续增加已对芳烃含量的影响很小，因此，对于本装置芳烃制备的优选催化剂与原料质量比为10：1，具体产物数据如表2所示。[0068]表2[0069][0070]可以看出，随着催化剂添加量的增加，生物质气的产率单调增大，生物炭的产率变化较小，并呈现先减小后少量增加的趋势，生物油的产率随着催化剂添加量的增加而逐渐减少。本装置生物质与废塑料共热解目标产物芳烃类化合物制备的优选催化剂/原料比例为10：1。[0071]实施例5[0072]为本发明第五个实施例，其不同于前四个实施例的是：将质量比为1:1的玉米秸秆和聚丙烯(原料粒径大于0.105mm，小于0.425mm)按上述机械混合的方法混合均匀后置于管式炉101中部位置，并保证在整个反应器长度方向上是均匀的。调节伸缩轴103b，使得伸缩轴103b连接的封堵板103c首先位于炉膛的两端。气流速率由转子流量计202b控制，密封系统后，通入氮气20min以排出管式炉101内的空气。之后调节伸缩轴103b，使得伸缩轴103b连接的两个封堵板103c紧贴混合物料的两端。设定热解温度为600℃，原料/催化剂的比例为1:3。随着转速从0r/min增加到20r/min，生物炭和生物油的产率呈现先减小后增大的趋势，生物炭和生物油的产率在15r/min时最低，分别为27.21％和45.79％。而生物质气的产率随着转速的增加先逐渐增大，在15r/min时达到最高(27.00％)，之后随着转速的增加产率减小。芳香烃的含量则随着转速的增加先单调增大后减小，0、5、10、15、20r/min时，芳烃的含量分别为11.63％、14.17％、18.52％、24.12％、19.61％，产生这种现象的原因可能是当反应器旋转时，反应器与物料以及物料自身的相对流动加强，传热加快，促进了玉米秸秆与聚丙烯热解挥发分的接触，从而为烯烃和含氧化合物更多的转化为芳香烃提供了可能。而当转速过快时，物料会与反应器壁面的接触和滑动减弱，不利于获得热量，也不利于热解挥发分的充分接触，从而降低了芳香烃的含量。因此，对于本装置芳烃制备的优选转速为15r/min(24.12％)，具体产物数据如表3所示。[0073]表3[0074][0075]可以看出，生物油、生物炭的最小值，生物质气的最大值，生物质与废塑料共热解目标产物芳烃类化合物的最大值均在15r/min时获得。[0076]应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。









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