專利名稱：生物質整合式熱裂解分級制取液體燃料裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物質整合式熱裂解分級制取液體燃料裝置。
背景技術：
隨著我國國民經濟的持續發展導致對能源需求的高速增長，大量化石燃料燃燒利用過程中所排放的SO2、NOx等污染物使生態環境受到嚴重污染，同時，作為世界上第二大CO2排放國，CO2大量排放所加劇的“溫室效應”影響在我國也得到了重視，另外，由于石油危機的數次爆發以及石油價格的不穩定，也促使代用液體燃料的開發應用提上了日程。相比于煤炭等化石燃料，生物質是一種可再生清潔能源資源，同時因為生物質利用過程中具有CO2零排放特點，從而對于緩解日益嚴重的“溫室效應”有著特殊的意義。在生物質的能源化利用領域中，生物質熱裂解液化技術是目前世界上生物質能研究開發的前沿技術。該技術能以連續的工藝和工廠化的生產方式將以木屑等廢棄物為主的生物質轉化為高品位的易儲存、易運輸、能量密度高且使用方便的代用液體燃料(生物油)，其不僅可以直接用于現有鍋爐和燃氣透平等設備的燃燒，而且可通過進一步改性加工使液體燃料的品質接近柴油或汽油等常規動力燃料的品質，此外還可以從中提取具有商業價值的化工產品。相比于常規的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分極其微小，可視為二十一世紀的綠色燃料。
在生物質熱裂解液化的各種工藝中，國外采用了多種不同的試驗裝置和技術路線，以達到增加生物油產率和提高能源利用水平的目的。如快速裂解、加氫裂解、真空裂解、低溫裂解、部分燃燒裂解等，但一般認為在常壓下的快速裂解仍是生產液體燃料最為經濟的方法，其一般可分為如下幾類(a)機械接觸式反應器，其主要通過一灼熱的反應器表面直接或間接與生物質接觸，將熱量傳遞到生物質使其快速升溫從而達到快速熱裂解，典型的有英國Aston大學的燒蝕熱裂解反應器、NREL提出的渦流反應器及荷蘭Twente大學設計的旋轉錐生物質熱裂解制油反應器等；(b)間接式反應器，這類反應器的主要特征是由一高溫的表面或熱源提供生物質熱裂解所需的熱量，其主要通過熱輻射進行熱量傳遞，如美國Washington大學的熱輻射反應器；(c)混合式反應器，其主要是借助熱氣流或氣固多相流對生物質進行快速加熱，其能提供高的加熱速率以及相對均勻的反應溫度，同時快速流動的載氣便于熱裂解一次產物及時析出，如加拿大Waterloo大學的流化床熱裂解系統、加拿大Ensyn提出的循環流化床反應器和GTRI的快速引射流反應器等。機械接觸式反應器的設備規模較為龐大，同時機械接觸磨損厲害而使得運行維護成本也較高，因此在規模化應用中將受到限制。而間接式反應器由于熱源的局限性限制了其應用，此類反應器一般主要提供機理性試驗所需。相比于前兩種類型，國外已開發并且試圖規模化的生物質熱裂解液化反應裝置側重于第三類，尤其是應用流化床技術的生物質熱裂解反應器，流化床工藝因能實現高的加熱速率、較短的氣相停留時間、簡捷的溫度控制、方便的炭回收、較低的投資以及成熟的設計方法而使得其成為目前最有發展潛力的熱裂解制取液體燃料的工藝。
發明內容
本發明的目的針對已有的生物質熱裂解液化工藝中能源利用率不高以及液體產物不分級等缺點，研發了一種生物質整合式熱裂解分級制取液體燃料裝置。
本發明采用的技術方案是生物質整合式熱裂解分級制取液體燃料裝置包括預備料斗下接組合式給料裝置，組合式給料裝置分別接變截面流化床反應器、備用氣源、儲氣罐，變截面流化床反應器，分別接旋風分離器、備用氣源、儲氣罐、和經反應器外的換熱器，分別接炭燃燒爐、原料干燥室，原料干燥室分別接料倉、引風機，旋風分離器和炭過濾器的一端連接，旋風分離器和炭過濾器的另一端連接后接炭燃燒爐，炭過濾器經高溫冷凝器、高溫導熱油加熱器、第一導熱油泵接高溫空冷器，高溫冷凝器還分別與高溫空冷器、中溫冷凝器連接，中溫冷凝器經中溫導熱油加熱器、第二導熱油泵接中溫空冷器、低溫冷凝器連接，低溫冷凝器分別開有熱水出口、冷水進口、并經氣體濾清裝置、煤氣泵接儲氣罐，高溫空冷器和中溫空冷器的一端連接后、高溫空冷器和中溫空冷器的另一端連接后分別接鼓風機、炭燃燒爐。
組合式給料裝置包括與預備料斗連接的給料料斗，在給料料斗的出料口下裝有給料螺旋，一端與備用氣源和儲氣罐連接、另一端與變截面流化床反應器連接的播料風管裝在給料螺旋的下料風管下，下料風管接備用氣源和儲氣罐，在播料風管外裝有水冷套。
變截面流化床反應器的上端面出口與旋風分離器連接，下端面的布風板經風室與備用氣源和儲氣罐連接，變截面流化床反應器內腔從上而下為漸縮型稀相區、密相區，密相區外裝有反應器的換熱器，給料口位于密相區的底部。
本發明具有的有益的效果
1)將成熟的流化床技術應用到生物質熱裂解技術上，充分利用流化床氣固相傳熱強烈和熱流強度大等優點實現生物質的閃速升溫和揮發份的快速析出以及固體炭的回收利用，實現變截面流化床反應器的自供熱，同時獨特的變截面設計保證了生物油的產率。
2)采用旋風分離器和炭過濾器組合而成二級氣炭分離系統，達到有效回收固體產物炭和高效過濾揮發份中固體物質的目的。
3)由高溫冷凝器、高溫導熱油加熱器、高溫空冷器，中溫冷凝器、中溫導熱油加熱器、中溫空冷器和低溫冷凝器組成分級冷凝系統，在盡可能直接得到高品質燃料油同時，適合于對重質油和含有較多水分的液體進行分別處理，從而降低后續處理費用和最大化高品質燃料油的產量。
4)采用尾氣再循環方式，將不可凝裂解氣通過煤氣泵返回用作流化氣體從而降低了額外氣源的成本。
5)高溫空冷器、中溫空冷器、炭燃燒爐和反應器換熱器組成了高效的反應器自供熱系統，其將由二級氣炭分離系統分離下來的炭燃燒利用，使得生物質熱裂解所需的熱量能得到自行供給。而原料干燥室則有效地利用了反應器自供熱系統所產生的余熱。
6)組合式給料裝置保證了變截面流化床反應器正壓給料處的順利給料。
圖1是本發明的結構示意圖；圖2是組合式給料裝置的結構示意圖；圖3是變截面流化床反應器的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括預備料斗1下接組合式給料裝置2，組合式給料裝置2分別接變截面流化床反應器3、備用氣源19、儲氣罐20，變截面流化床反應器3分別接旋風分離器5、備用氣源19、儲氣罐20、和經反應器外的換熱器4分別接炭燃燒爐15、原料干燥室17，原料干燥室17分別接料倉16、引風機21，旋風分離器5和炭過濾器6的一端連接，旋風分離器5和炭過濾器6的另一端連接后接炭燃燒爐15，炭過濾器6經高溫冷凝器7、高溫導熱油加熱器8、第一導熱油泵C1接高溫空冷器9，高溫冷凝器7還分別與高溫空冷器9、中溫冷凝器12連接，中溫冷凝器12經中溫導熱油加熱器11、第二導熱油泵C2接中溫空冷器10、低溫冷凝器13連接，低溫冷凝器13分別開有熱水出口a、冷水進口b、并經氣體濾清裝置14、煤氣泵C接儲氣罐20，高溫空冷器9和中溫空冷器10的一端連接后、高溫空冷器9和中溫空冷器10的另一端連接后分別接鼓風機22、炭燃燒爐15。
如圖1所示，借助升降機或皮帶輸送等傳統給料方式，生物質原料首先被給入預備料斗1，待預備料斗1充滿原料后，關閉預備料斗1的頂蓋，并打開原先關閉的預備料斗1和組合式給料裝置2之間的閥門，將預備料斗的原料緩緩加入組合式給料裝置2中，組合式給料裝置2負責將生物質原料送入與之相連的變截面流化床反應器3內。進入變截面流化床反應器3的原料在密相床內被閃速加熱達到約500℃的較佳的反應溫度，原料迅速受熱分解釋放出揮發份，并在小于1秒的時間內被流化風快速帶離變截面流化床反應器3，熱解固體產物炭同時也被氣力夾帶出變截面流化床反應器3。從反應器出來的炭和揮發份混合物進入二級氣炭分離系統，氣炭混合物首先進入旋風分離器5進行一級分離，其中約95％左右的炭被旋風分離器5分離下來，剩余的炭和揮發份一起再進入后續的炭過濾器6，由氣固分離器將其中剩余的炭過濾出來，干凈的揮發份進入后續的分級冷凝系統。分級冷凝系統由不同冷卻溫度的冷凝器和冷卻介質回路組成，其中第一級高溫冷凝器7的溫度設定在200℃，該溫度相當于汽油的終餾點，其作用是把那些沸點較高的液體產物先冷卻下來得到具有重油品質的燃料油，可直接燃燒利用或進行進一步裂化深加工成輕質燃料油；第二級中溫冷凝器12的溫度設定在101℃，其主要目的是收集在汽油餾程范圍內的輕質燃料油，但又同時因為高于水的沸點而能將生物質熱裂解生成的大量水分不被冷凝下來，該段的產物可通過提煉加工成高品質動力用油；最后一級低溫冷凝器13的溫度接近室溫，其作用是將生物質熱裂解過程中的揮發份中包括水在內的可冷凝成分冷凝下來，該段收集得到的液體產物因含有較多水分，需采用常規的分餾處理程序去除其中的水分，去除水分后的產物可以和中溫冷凝器12冷凝得到的液體產物一起成為輕質燃料油或用作化工原料。各級冷凝器的溫度分別由相對應的冷卻介質回路溫度控制來保證，其中高溫冷凝器7和中溫冷凝器12對應的冷卻回路所用的冷卻介質采用熱穩定性強的導熱油，導熱油分別由對應的冷凝回路里的高溫導熱油加熱器8和中溫導熱油加熱器11預熱到預定溫度，待本裝置投料運行后，高溫冷凝器7和中溫冷凝器12內吸收的熱量由各自冷凝回路里的導熱油介質通過高溫空冷器9和中溫空冷器10釋放。而低溫冷凝器13對應回路的冷卻介質為水，可依據實際應用情況采用一次性水冷或循環水冷方式。從高溫空冷器9和中溫空冷器10出來的熱風通入炭燃燒爐15內進行余熱利用，從二級氣固分離系統收集下來的炭給入炭燃燒爐15燃燒生成熱煙氣，生成的熱煙氣通入反應器的換熱器4將熱量傳給變截面流化床反應器3的密相床床層，提供生物質熱裂解所需的熱量。經過部分冷卻的熱煙氣同部分冷空氣一起通入原料干燥室17對原料進行干燥，干燥后的原料收集于料倉16。從分級冷凝系統出來的不可凝裂解氣泵入儲氣罐，其中的部分氣體經過脫二氧化碳工藝用作可燃氣，另外的部分氣體返回變截面流化床反應器3用于床料的流化。
如圖1所示，分級冷凝系統實現將產物分段冷凝的目的，其由不同介質溫度的冷凝器和介質回路組成，其中高溫冷凝器7內部流動的介質溫度最高，設計溫度為200℃，用來收集具有重油品質的液體產物，其初始溫度由相應的高溫導熱油加熱器8預熱到相應的溫度，待正常運行后，關閉高溫導熱油加熱器8的供熱電路，同時打開高溫空冷器9的介質流通回路，將生物質熱裂解產物冷凝過程中放出的熱量通過導熱油在高溫空冷器9釋放。第二級中溫冷凝器12內介質的溫度先由相應的中溫導熱油加熱器11預熱到101℃，其主要目的是收集在汽油餾程范圍內的輕質燃料油，但又同時因為高于水的沸點而能將生物質熱裂解生成的大量水分不被冷凝下來，該段產物冷凝放出的熱量通過中溫空冷器10排放，收集到的產物可通過提煉加工成高品質動力用油。最后一級低溫冷凝器13的溫度接近室溫，其作用是將生物質熱裂解過程中的揮發份中包括水分在內的可冷凝成分冷凝下來，該段收集得到的液體產物因含有較多水分，需采用常規的分餾處理程序去除其中的水分，去除水分后的產物可以和中溫冷凝器12冷凝得到的液體產物一起成為輕質燃料油或用作化工原料。分級冷凝系統中高溫空冷器9和中溫空冷器10的熱空氣通入炭燃燒爐15內進行余熱利用。
如圖2所示，組合式給料裝置2起著將木屑等生物質原料送入變截面流化床反應器3的作用，其采用螺旋給料和氣力輸送相結合的方式，成功地克服了傳統重力下料方式的不足，由給料螺旋2.1保證來自給料料斗2.5原料的定量供給，而氣力輸送則將由給料螺旋2.1給出的原料快速送入變截面流化床反應器3，其中氣力輸送中的下料風管2.4保證給料螺旋2.1出來的原料順利下落入播料風管2.2，而播料風管2.2則起著均勻和輸送原料的作用。氣力輸送采用變直徑設計，各個區域的氣流速度不一樣，在變截面流化床反應器3進口處的氣流速度可達到10m/s，從而能有效防止原料之間及與組合式給料裝置2管壁之間的粘附，并和播料風管2.2上水冷套2.3冷卻水的共同作用保證了變截面流化床反應器3進口處原料的停留時間短到可忽略其在組合式給料裝置2的升溫，避免了原料受熱粘結成團現象的發生。在優化變截面流化床反應器3流化風、播料風管2.2播料風和下料風管2.4下料風之間的配比后，組合式給料裝置2能保證生物質原料給料的順利進行。
如圖3所示，變截面流化床反應器3是生物質熱裂解的主要裝置，其由給料口3.1、風室3.2、布風板3.3、密相區3.4、漸縮型稀相區3.5和反應器出口3.6組成。為了盡可能最大化液體燃料產物的產率和優化液體燃料產物的品質，反應器結構要能夠實現生物質在反應器內的快速且充分的受熱分解，另外也要盡可能將生物質熱裂解生成的一次揮發分快速析出而不致二次裂化。本專利提出的變截面流化床反應器3采用了獨特的設計，反應器的給料口3.1位于變截面流化床反應器3的密相區3.4的底部，從而充分利用了密相區3.4內傳熱傳質劇烈的優點，保證了生物質在密相區3.4內能得到快速完全的受熱分解，同時也能保證反應器換熱器4內的熱煙氣熱量傳遞給密相區3.4的床料。另外，本反應器采用了變截面設計，漸縮型稀相區3.5使得生物質熱裂解生成的一次揮發分能夠快速通過反應器出口3.6析出反應器而不被二次裂化。
權利要求
1.生物質整合式熱裂解分級制取液體燃料裝置，其特征在于它包括預備料斗(1)下接組合式給料裝置(2)，組合式給料裝置(2)分別接變截面流化床反應器(3)、備用氣源(19)、儲氣罐(20)，變截面流化床反應器(3)分別接旋風分離器(5)、備用氣源(19)、儲氣罐(20)、和經反應器外的換熱器(4)分別接炭燃燒爐(15)、原料干燥室(17)，原料干燥室(17)分別接料倉(16)、引風機(21)，旋風分離器(5)和炭過濾器(6)的一端連接，旋風分離器(5)和炭過濾器(6)的另一端連接后接炭燃燒爐(15)，炭過濾器(6)經高溫冷凝器(7)、高溫導熱油加熱器(8)、第一導熱油泵(C1)接高溫空冷器(9)，高溫冷凝器(7)還分別與高溫空冷器(9)、中溫冷凝器(12)連接，中溫冷凝器(12)經中溫導熱油加熱器(11)、第二導熱油泵(C2)接中溫空冷器(10)、低溫冷凝器(13)連接，低溫冷凝器(13)分別開有熱水出口(a)、冷水進口(b)、并經氣體濾清裝置(14)、煤氣泵(C)接儲氣罐(20)，高溫空冷器(9)和中溫空冷器(10)的一端連接后、高溫空冷器(9)和中溫空冷器(10)的另一端連接后分別接鼓風機(22)、炭燃燒爐(15)。
2.根據權利要求1所述的生物質整合式熱裂解分級制取液體燃料裝置，其特征在于所說的組合式給料裝置(2)包括與預備料斗(1)連接的給料料斗(2.5)，在給料料斗(2.5)的出料口下裝有給料螺旋(2.1)，一端與備用氣源(19)和儲氣罐(20)連接、另一端與變截面流化床反應器(3)連接的播料風管(2.2)裝在給料螺旋(2.1)的下料風管(2.4)下，下料風管(2.4)接備用氣源(9)和儲氣罐(20)，在播料風管(2.2)外裝有水冷套(2.3)。
3.根據權利要求1所述的生物質整合式熱裂解分級制取液體燃料裝置，其特征在于所說的變截面流化床反應器(3)的上端面出口(3.6)與旋風分離器(5)連接，下端面的布風板(3.3)經風室(3.2)與備用氣源(19)和儲氣罐(20)連接，變截面流化床反應器(3)內腔從上而下為漸縮型稀相區(3.5)、密相區(3.4)，密相區(3.4)外裝有反應器的換熱器(4)，給料口(3.1)位于密相區(3.4)的底部。
全文摘要
本發明公開了一種生物質整合式熱裂解分級制取液體燃料裝置。采用旋風分離器和炭過濾器組合而成，達到有效回收炭和清潔揮發份；由高、中溫空冷器，高、中溫導熱油加熱器，高、中、低溫冷凝器組成的分級冷凝系統，得高品質燃料油的同時，還對重質油和含水較多的液體分別處理，從而降低后續處理費用，優化高品質燃油的產量；由高、中溫空冷器，炭燃燒爐和反應器換熱器組成自供熱系統，有效利用自供熱系統所產生的余熱；組合式給料裝置保證順利給料；采用變截面流化床反應器，保證了生物油的產率。總之本發明利用流化床氣固相傳熱強烈和熱流強度大等優點實現生物質的閃速升溫和揮發份的快速析出及固體炭的回收利用。
文檔編號C10G1/00GK1390915SQ02112008
公開日2003年1月15日 申請日期2002年6月7日 優先權日2002年6月7日
發明者駱仲泱, 王樹榮, 岑可法, 倪明江, 方夢祥, 施正倫, 周勁松, 余春江 申請人:浙江大學