[发明专利]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

说明书

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。

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：