本實用新型屬于生物質能源技術領域，具體涉及一種生物質微波熱裂解煉制定量分析的實驗裝置。
背景技術：
隨著石化資源的日益枯竭及其過渡使用所帶來的生態(tài)環(huán)境惡化問題，農(nóng)業(yè)秸稈、林木剩余物等生物質廢棄物資源的高效加工利用已經(jīng)成為當前社會發(fā)展的熱點和焦點之一。生物質轉化手段多種多樣，包括機械成型、生物轉化、化學轉化以及熱化學轉化等。以熱裂解煉制為核心的熱化學轉化技術，在高溫作用下可以快速地將能量密度較低的固態(tài)生物質轉化為液體燃料、可燃氣以及活性炭等高附加值產(chǎn)品，具有原料適應性強、轉化效率高等特點。
微波熱裂解是一種從原料內(nèi)部進行加熱的裂解轉化方法。在微波熱解過程中，不需要外部熱源，是向被加熱物料內(nèi)部輻射微波電磁場，推動偶極子運動，使物料內(nèi)部組分相互碰撞、摩擦而生熱，可以在不同深度同時產(chǎn)生熱量，即“體加熱效果”，不僅使加熱更快速，而且更均勻，相對于傳統(tǒng)熱解技術可以大大改善加熱的均勻性和質量。
鑒于微波熱解技術在生物質轉化領域的技術優(yōu)點和應用潛力，有研究者在嘗試采用開發(fā)相應的生物質微波裂解技術與裝置。例如，專利CN200610068782.8公開的一種利用微波熱解生物質的裝置，主要由截止門、螺旋壓料裝置、漏氣引風機、微波熱解室、炭燃燒室和出灰絞龍構成。然而這個裝置并不具備液相產(chǎn)物收集系統(tǒng)，同時也沒有對原料熱裂解特性分析功能。專利CN201310496029.9公開的一種微波熱解制生物油和活性炭的系統(tǒng)，包括微波熱解反應器、旋風分離器、冷凝器、焦炭儲料倉、微波活化反應器、氣體燃燒器、活性炭冷卻塔和氮氣發(fā)生器。該裝備雖然具有產(chǎn)物收集系統(tǒng)，但是也不具有對生物質進行在線微波熱裂解特性研究的功能，而且也不能對氣相產(chǎn)物進行在線分析。
技術實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的是，提供一種新的生物質微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置，通過動態(tài)測量試樣在特定微波作用下的質量—時間變化關系及溫度—時間變化關系實現(xiàn)對生物質微波裂解特性的在線分析，同時還可以進行生物質熱裂解后液相、固相和氣體產(chǎn)物的收集，以及對氣相產(chǎn)物進行在線化學分析。
本實用新型的技術方案為：
一種生物質微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置，主要由載氣系統(tǒng)、微波裂解反應系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)五部分組成；所述的載氣系統(tǒng)包括氣瓶，氣瓶中裝載惰性氣體，氣瓶中氣體通過載氣管路輸出；所述的微波裂解反應系統(tǒng)包括微波發(fā)生器和微波反應器；微波反應器安置在微波裂解反應室中，所述的微波發(fā)生器安在微波裂解反應室上；所述的保溫系統(tǒng)包括微波裂解反應系統(tǒng)的外殼體、微波裂解反應系統(tǒng)的快開門以及外殼體的外保溫層；快開門為帶加厚隔熱材料的保溫門；微波發(fā)生器和微波發(fā)生器的電源部分均采用全包圍保溫設計；所述的裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)包括冷凝管、靜電捕集器和儲氣罐；所述的監(jiān)控系統(tǒng)包括控制臺和微波反應系統(tǒng)控制盤。
所述的氣瓶中裝載的惰性氣體是氮氣。
所述的載氣系統(tǒng)還包括數(shù)字流量計，數(shù)字流量計設置在所述的載氣管路上。
所述的微波反應器中放置高溫氣煉石英材料；所述的微波發(fā)生器主要由磁控管、變壓器、電子電路以及散熱保護裝置組成；磁控管設有4支，安在微波裂解反應室上。
所述的裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)還包括過濾器和洗氣瓶；所述的冷凝管為蛇形冷凝管，由第一級蛇形冷凝管和第二級蛇形冷凝管組成；在第一級蛇形冷凝管、第二級蛇形冷凝管和靜電捕集器下分別設置冷凝液收集瓶。
所述的載氣系統(tǒng)中氣瓶的出口通過載氣管路與微波裂解反應系統(tǒng)的微波反應器相連；所述的微波裂解反應系統(tǒng)的微波發(fā)生器設置在微波裂解反應室上，微波反應器設置在微波裂解反應室內(nèi)；所述的微波裂解反應系統(tǒng)出口與所述的裂解產(chǎn)物收集及分析系統(tǒng)中的過濾器、第一級蛇形冷凝管、第二級蛇形冷凝管、靜電捕集器、洗氣瓶和儲氣罐依次相連。
本實驗裝置的用途：能夠動態(tài)測量生物質試樣在特定微波功率、溫度下的質量—時間變化關系及溫度—時間變化關系；使用過濾器、冷凝器、靜電捕集器等，可以實現(xiàn)熱解液相、固相和氣體產(chǎn)物的收集；通過外接的氣體分析儀器可以實現(xiàn)對經(jīng)過洗氣瓶后的不可冷凝氣體進行化學成分分析；通過生物質物料微波熱解過程中的升溫和失重特性研究，結合熱解產(chǎn)物的測試分析結果，研究和分析微波熱解產(chǎn)物的形成途徑和熱解機理。
本實用新型的有益效果是：
1.本實用新型的微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置可以對生物質裂解過程的物料質量變化進行實時、準確監(jiān)控，并生成分析試驗數(shù)據(jù)和裂解特性曲線進行顯示、存儲和輸出，通過還可以通過外接氣體分析儀器對熱解產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物進行實時分析，可以對微波裂解過程進行全自動控制和實時顯示，裝置精密度高，便于對生物質微波裂解全過程進行在線研究。
2.本實用新型的微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置，具有液相、固相和氣相產(chǎn)物分離和收集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全產(chǎn)物的100％轉化和收集，便于開展后續(xù)的深入研究分析和產(chǎn)物利用工作。
3.本實用新型的微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置，沒有機械進料裝置，因此對樹葉、工業(yè)木質素、樹皮等熔融溫度較低的特殊原料也可以進行處理，而且原料無需干燥處理，原料適用范圍廣。
附圖說明
圖1是本實用新型的生物質微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置的結構示意圖。
圖中標記：
1-氣瓶；2-數(shù)字流量計；3-控制臺；4-微波反應系統(tǒng)控制盤；5-快開門；6-電子天平；7-微波裂解反應室；8-測溫熱電偶；9-微波反應器；10-微波發(fā)生器；11-外殼體；12-過濾器；13-第一級蛇形冷凝管；14-冷凝液收集瓶；15-第二級蛇形冷凝管；16-靜電捕集器；17-洗氣瓶；18-儲氣罐；19-氣體分析儀。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型生物質微波熱裂解液化實驗裝置主要由載氣系統(tǒng)、微波裂解反應系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)五部分組成。
所述的載氣系統(tǒng)，包括氣瓶1和帶傳感器的數(shù)字流量計2。氣瓶1中裝載惰性氣體氮氣，作為裂解過程保護氣體。氣瓶1中氣體通過載氣管路輸出。
所述的微波裂解反應系統(tǒng)，主要包括微波發(fā)生器10和微波反應器9。微波反應器9安置在微波裂解反應室7中。微波裂解反應系統(tǒng)工作條件包括，微波發(fā)生器10的微波輸出功率≤4KW，可調，總輸入功率約≤5KVA，工作電壓：三相五線380V±6％，工作頻率：2450MHZ±50HZ，最高加熱溫度約1000度，溫度控制可調。微波反應器9的最大放料容積量為1-3L，材質為高溫氣煉石英材料。所述的微波發(fā)生器10主要由磁控管、變壓器、高精密電子電路以及散熱保護裝置組成(均為現(xiàn)有技術)。磁控管(額定功率1050W)帶風冷散熱保護，共設有4支，安在微波裂解反應室7上。為保證磁控管的高穩(wěn)定性及使用壽命，特采用離心風機冷卻方式，連續(xù)使用壽命達到12000小時。磁控管使用高鋁陶瓷密封管口，其耐高溫、效率高、抗載能力強、壽命長、運行可靠穩(wěn)定。采用帶過熱保護特制變壓器WBL-1050W(耐高壓100KV高品質變壓器，全銅芯制造，每只重約8公斤)，采用雙重散熱保護裝置。配置耐高壓硅堆(CL04-12)及高可靠高精密電子電路設計系統(tǒng)確保微波輸出功率為4KW(可調)。所有電子電氣配件及機械工藝調試穩(wěn)定可靠，確保該設備24小時連續(xù)不停機生產(chǎn)。微波饋能采用雙面饋能方式，微波輻射更均勻，相位互補形開饋口，保證磁控管完全正常運行，輸出匹配性能優(yōu)越，延長使用壽命。微波功率設計，根據(jù)生物質原料處理量和反應溫度等情況，微波處理功率可快速精確調節(jié)。微波功率設計為交叉互補方式，可有效保證物料高溫燒結的均勻性。
所述的保溫系統(tǒng)，包括微波裂解反應系統(tǒng)的外殼體11、微波裂解反應系統(tǒng)的快開門5以及外殼體11的外保溫層。外殼體11的每段內(nèi)膽采用310S耐高溫不銹鋼材料制造；每段均采用內(nèi)多面體加熱腔體結構設計?？扉_門5為帶加厚隔熱材料、并帶扼流裝置的保溫門，確保微波設備長期使用不泄漏，確保使用安全?？扉_門5采用手動控制方式。微波發(fā)生器10和微波發(fā)生器的電源部分均采用150㎜厚的全包圍保溫設計，可有效防止熱量損失。
所述的裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)，包括過濾器12、第一級蛇形冷凝管13、第二級蛇形冷凝管15、靜電捕集器16、冷凝液收集瓶14、洗氣瓶17、儲氣罐18等。
所述的監(jiān)控系統(tǒng)，包括控制臺3、微波反應系統(tǒng)控制盤4。控制臺3和微波反應系統(tǒng)控制盤4的核心是一電腦。監(jiān)控系統(tǒng)中設有溫度監(jiān)控、氣體流量監(jiān)控、物料質量顯示以及時間監(jiān)控等模塊，形成溫度監(jiān)控系統(tǒng)、氣體流量監(jiān)控系統(tǒng)、物料質量顯示系統(tǒng)、時間控制系統(tǒng)。其中控制臺3設計有單獨總控制系統(tǒng)(PLC控制系統(tǒng))。所述的溫度監(jiān)控系統(tǒng)是由一設置在微波反應器9中的測溫熱電偶實時監(jiān)測微波反應器9內(nèi)物料、熱解氣和冷凝系統(tǒng)溫度。所述的氣體流量監(jiān)控系統(tǒng)通過安在載氣管路上數(shù)字流量計2，實時調節(jié)、精確控制載氣流量。所述的物料質量顯示系統(tǒng)，設有承載微波反應器9并含質量傳感器的電子天平6，電子天平6用于稱量和記錄物料熱解失重情況，能動態(tài)測量試樣在特定微波功率溫度下的質量-時間變化關系及溫度時間變化關系。電子天平6量程1kg，精度0.01g，可與控制臺3中電腦及物料質量顯示模塊連接，直接顯示、存儲和輸出數(shù)據(jù)。所述的時間控制系統(tǒng)是在電腦中設計有總時間控制系統(tǒng)，可控制整套設備的工作時間,同時設計每段均配有時間控制系統(tǒng)一套，可單獨控制工作時間,可保證整套設備穩(wěn)定運行。其它控制顯示系統(tǒng)設計，如可顯示微波功率的電流表裝置等。
本實用新型的具體結構組成以及之間的連接關系為：
載氣系統(tǒng)的氣瓶1的出口通過載氣管路連接到微波裂解反應系統(tǒng)的微波反應器9，在載氣管路中設置有檢測氣體流量的數(shù)字流量計2。微波反應器9設置在微波裂解反應室7內(nèi)。在微波反應器9中放置生物質物料——高溫氣煉石英材料。微波反應器9上設有測溫熱電偶8，底部設有電子天平6。微波裂解反應室7帶有快開門5，微波裂解反應系統(tǒng)的微波發(fā)生器10通過設置在微波裂解反應室7上的磁控管發(fā)射微波。微波裂解反應室7整體被容置在外殼體11內(nèi)。微波反應器9的出口管路通入裂解產(chǎn)物收集系統(tǒng)中的過濾器12，過濾器12的出口依次連接第一級蛇形冷凝管13、第二級蛇形冷凝管15、靜電捕集器16、洗氣瓶17和儲氣罐18。所述的第一級蛇形冷凝管13、第二級蛇形冷凝管15、靜電捕集器16底部均設有冷凝液收集瓶14。洗氣瓶17和儲氣罐18之間的管路上旁路出一分析管通到氣體分析儀19。
本實用新型生物質微波熱裂解煉制在線分析實驗裝置的裂解液化工藝流程為：
首先將待處理分析的生物質原料放置在微波反應器9中，氣瓶1中的惰性氣體通入微波反應器9，經(jīng)微波發(fā)生器10發(fā)射的微波快速加熱至設定溫度后，開始進行裂解反應，固相的熱解炭保留在微波反應器9中，而生成的揮發(fā)性熱解氣先經(jīng)過過濾器12濾去氣體中夾帶的固相產(chǎn)物，然后依次通過兩級串聯(lián)的蛇形冷凝管13、15冷卻，并通過靜電捕集器16，分別將水分和生物質熱解產(chǎn)生的可凝結氣體冷凝分離下來，進入各自的冷凝液收集瓶14中，得到熱解油。通過靜電捕集器16后的氣體利用洗氣瓶17將未冷凝的焦油成分等徹底脫除；最后經(jīng)過干燥裝置(圖中未顯示)除水后使用儲氣罐18收集。并可由外接的氣體分析儀19(如氣相色譜儀、紅外煙氣分析儀等)進行成分在線或離線GC、IR分析。