生物質分級控溫慢速熱解工藝及其系統的制作方法

專利名稱：生物質分級控溫慢速熱解工藝及其系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于生物質能源技術領域，涉及生物質熱解產品的制備，具體地指一種生物質分級控溫慢速熱解工藝及其系統。
背景技術：
生物質能源的開發利用是世界各國競相研究應用的熱點，以生產各種合成氣為目標的生物質氣化技術也得到了廣泛的應用。根據生物質氣化工藝的特點可知，氣化原料的特性不同、氣化原料的粒度不同，都將直接影響到氣化爐的運行負荷、合成氣和焦油的產率、以及原料氣化時的各項指標。通常，不同的原料在不同的氣化爐里進行反應時，對其粒度的要求也不一樣。一般按照固定床、流化床、氣流床的順序，要求氣化原料的粒度逐漸變小。但顆粒太小的原料有可能被氣流帶出氣化爐，從而使氣化效率下降，故顆粒的粒徑分布也是一個重要的控制指標，例如對于shell公司的氣流床氣化技術而言，要求氣化原料中粒度小于0.15mm的顆粒要達到90％以上。因此，原料的粉碎預處理對氣化系統的性能有重要影響。
對于生物質原料而言，鑒于生物質原料的纖維結構特點，表現出很強的韌性，采用傳統的切割或擠壓粉碎工藝所獲得的顆粒原料很難滿足氣化爐反應器進料的要求，且這種機械加工方式的費用非常高，這已成為制約生物質原料進行氣化的一個重要影響因素。
為了解決生物質原料難以粉碎的問題，科研人員對生物質原料采用了預先熱解的處理工藝，以期獲得滿足氣化爐反應器進料的要求。這種熱解技術作為氣化系統原料進料的預處理方案，是通過熱解將生物質分解成揮發份和木炭，從而將生物質中難以粉碎的纖維素轉變成易粉碎的木炭，再根據需要進行簡單常規的加工處理，便可以滿足生物質氣化系統對進口原料的粒度要求。
目前，在氣化系統中對生物質原料先熱解再氣化的組合方案已顯示出了強大的優越性，但現有的生物質熱解預處理工藝仍然存在著熱解產物很不容易控制的缺陷。熱解產物對后續的氣化進程有重要影響，而熱解工藝尤其是熱解溫度和熱解時間又對熱解產物有直接影響，不同的加熱溫度和終極溫度，不同的熱解時間，所得到的熱解產物都不一樣。對于高溫快速熱解階段而言，熱解產物主要是生物原油，對于低溫慢速熱解階段而言，熱解產物主要是木炭和熱解氣。當熱解作為生物質原料氣化過程的一個預處理工藝時，需要獲得的產品是木炭和熱解氣。另外，為了避免對最終產品合成氣成份的影響，需要降低熱解氣中CO2、生物原油等組份的含量，增大熱解氣中CO和H2的含量，提高熱解產物中木炭的質量和數量，這都要求對熱解溫度和熱解時間進行嚴格的控制。
然而，在已有的生物質熱解預處理工藝中，不管是自熱方式還是外熱方式，都只在一個熱解反應器中完成上述各個階段的熱解過程，很難保證整個熱解器內加熱速度的均勻性。因此，不同位置的生物質原料可能處于不同的熱解階段，這樣很難滿足適當的熱解條件，無法保證熱解產品的質量。特別是對于自熱方式的熱解工藝，更容易產生以下問題首先，其燃燒區域局部溫度過高、升溫速度過快，使整個熱解反應器內的溫度分布極不均勻，升溫速度無法嚴格控制，勢必造成熱解過程中操作溫度難以滿足要求，進而使熱解產品不符合要求，影響后續的氣化過程；其次，采用部分燃燒生物質的自熱方式，將使熱解氣中的CO2含量顯著增加，從而明顯降低了氣化系統的氣化效率。

發明內容
本發明的目的就是要提供一種原料適應范圍廣、熱解過程便于調節、且對熱解產物便于控制的生物質分級控溫慢速熱解工藝及其系統。
為實現上述目的，本發明所設計的生物質分級控溫慢速熱解工藝，采用外熱源為分布在各級熱解器中的生物質提供熱量，根據生物質熱解操作條件對熱解產物的影響分析，按照氣化系統及合成氣產品對熱解產物的要求，逐級對生物質原料進行可控制的干燥和慢速熱解反應，控制熱解的最終溫度在350～500℃的范圍內，以促使熱解氣中CO2和氣態生物原油的含量較低，CO和H2的含量較高，同時保證木炭產品的質量和數量。其工藝過程包括如下步驟1)將自然風干的生物質，通過常規的切割設備，初步加工成粒徑為10～80mm的粗料；2)將上述粗料送入第一級熱解器中，進行預干燥階段的處理，保持其內溫度為50～120℃，使生物質中的一部分水份蒸發掉，含水量降低到10～20％；3)將預干燥后的物料送入第二級熱解器中，進行深度干燥階段的處理，保持其內溫度為100～150℃，使生物質中的大部分水份蒸發掉，含水量降低至5～10％；4)將深度干燥后的物料送入第三級熱解器中，進行預炭化階段的反應，保持其內溫度為150～250℃，此時生物質中的不穩定組份如半纖維素等開始發生明顯的化學變化，生物質中的碳氫組份和幾乎全部的氧和在低于燃點的情況下發生反應，得到CO、H2O、少量的CO2和醋酸，固態物質是該階段的主要產物；5)將預炭化反應后的所有物質送入第四級熱解器中，進行炭化階段的反應，該階段的反應主要是弱放熱反應，保持其溫度為250～350℃，使大部分生物質發生第一次分解反應，主要生成木炭、生物原油和少量氣態產物；6)將炭化反應后的所有物質送入第五級熱解器中，進行煅燒階段的反應，該階段為吸熱反應，保持其溫度為350～500℃，使其中的部分生物原油發生第二次分解反應、其中的少量木炭與水蒸汽發生反應，最終所獲得的熱解氣從第五級熱解器上部出口輸出，所獲得的木炭從第五級熱解器下部出口輸出。
上述生物質分級控溫慢速熱解工藝中，外熱源最好采用直接引至生物質氣化爐輸出端的高溫合成氣。生物質原料經過氣化爐反應氣化后，輸出的高溫合成氣的溫度范圍在500～900℃，滿負荷穩定運行時一般在900℃左右，高溫合成氣具有大量的顯熱，有效地利用該熱量，既可以為本發明的熱解工藝節省大量能源，又可以提高整個生物質氣化系統的氣化效率。
上述生物質分級控溫慢速熱解工藝中，第一級至第五級熱解器中的氣壓最好都控制在3.0～4.0MPa的范圍內。在這樣高的壓力下，可以有效抑制生物質熱解過程中生物原油的生成量，促使生物質熱解成更多的CO和H2，以進一步提高熱解產物的品質。
上述生物質分級控溫慢速熱解工藝中，第一級至第五級熱解器中物料的停留時間為120～400s。這樣，物料在各級熱解器中的總停留時間為600～2000s，使物料的升溫速度保持在10～60℃/min的范圍內，從而滿足慢速熱解的升溫要求。
為實現上述工藝而專門設計的生物質分級控溫慢速熱解系統，包括系統外殼，系統外殼的一端設置有外熱氣源進口，系統外殼的另一端設置有外熱氣源出口，系統外殼內位于外熱氣源進口處設置有主換熱器，系統外殼內在外熱氣源進口和外熱氣源出口之間并聯設置有外熱氣源主通道和外熱氣源旁通道，外熱氣源主通道和外熱氣源旁通道上分別設置有可調節開閉程度的主通道擋板門和旁通道擋板門，外熱氣源主通道內沿外熱氣源出口至外熱氣源進口方向依次串聯布置有帶螺旋輸送裝置的第一級至第五級熱解器，第一級至第五級熱解器之間分別由第一級至第四級次換熱器間隔開來，形成各級熱解器和各級次換熱器交錯布置的結構；其中第一級熱解器上設置有生物質進口和第一級水蒸汽排放口，第二級熱解器上設置有第二級水蒸汽排放口，第五級熱解器上分別設置有木炭出口和熱解氣出口。
進一步地，上述外熱氣源旁通道內還設置有旁通道換熱器。當外熱氣源主通道內的熱解溫度過高時，可以讓部分外熱氣源走旁通道排出，并在旁通道換熱器進行熱交換，該方式不僅實現了靈活控制各級熱解器中生物質的反應溫度，而且實現了熱量的充分利用。
進一步地，上述外熱氣源進口最好直接與生物質氣化爐的高溫合成氣輸出端相連。同時，上述熱解氣出口直接與生物質氣化爐的熱解氣輸入端相連，上述木炭出口則通過木炭制粉裝置與生物質氣化爐的木炭粉輸入端相連，以形成生物質氣化工藝過程的良性循環。這樣，不僅可以充分利用高溫合成氣的廢熱，大幅節約生物質原料預熱解處理所需的能量，而且通過簡單的循環，可以極大地提高整個生物質氣化系統的氣化效率。
上述生物質分級控溫慢速熱解系統采用外熱氣源特別是高溫合成氣為各級熱解器提供能量，通過并聯設置的外熱氣源主通道和外熱氣源旁通道，以及交錯布置在外熱氣源主通道內的多級熱解器和換熱器，使外熱氣源和生物質原料進行逆流換熱。每一級熱解器中都帶有攪拌推進裝置，以保證各級熱解器內生物質原料被均勻加熱。生物質從第一級熱解器開始，在每一級熱解器內被逐漸加熱，各級熱解器的溫度依次為50～120℃、100～150℃、150～250℃、250～350℃、350～500℃，通過各級換熱器的換熱調節，保證外熱氣源以合適的溫度進入各級熱解器，嚴格控制各級熱解過程的加熱溫度和加熱速率，從而保證從最后一級熱解器中獲得的熱解產物為符合要求的熱解氣和木炭。
與現有技術相比，本發明具有如下幾方面的優點其一，本發明的工藝采用外熱源分級加熱處理含水量高達20％以上的自然風干生物質，可以排除過多水份對后續熱解過程的影響，確保熱解氣中不要出現過多的水蒸汽，從而保證熱解產物符合生物質氣化反應的要求。
其二，本發明的工藝采用外熱源分級熱解經過深度干燥的生物質，可以保證慢速熱解的操作條件和過程要求，使生物質在各個熱解階段進行可控制的反應，從而獲得需要的熱解產物。
其三，本發明的工藝可以采用從生物質氣化爐直接引出的高溫合成氣，充分利用高溫合成氣的顯熱為生物質熱解提供所需的能量，不僅達到了為熱解控制提供能量的目的，而且降低高溫合成氣的溫度，提高了高溫合成氣余熱的綜合利用率，同時提高了整個生物質氣化系統的工作效益。
其四，本發明的系統采用各級熱解器和各級換熱器交錯布置的方式，可以有效控制每級熱解器中外熱源的熱量交換，保證各級熱解過程的加熱溫度和加熱速度，有效控制最終熱解溫度，同時各級換熱器所交換的熱量可以輸送到其他需要的地方，保證外熱源具有較高的綜合利用效率。
其五，本發明的系統采用外熱氣源旁通道的結構，進一步提高了外熱氣源主通道中各級熱解器溫度控制的有效性和靈活性，可以進一步保障終極熱解產物的組份要求。
由此可見，本發明的熱解工藝及系統具有熱解過程便于調節、熱解產物便于控制的優越性，特別是將該熱解工藝作為整個生物質氣化系統的一個原料前期處理程序時，所獲得的熱解產物可以直接輸入氣化爐進行氣化反應，氣化反應所產生的高溫合成氣又直接為生物質的前期熱解反應提供熱源，兩者協調配合，產生良性循環，從而確保了整個生物質氣化系統所生產的高溫合成氣的品質，同時也增強了生物質氣化系統對原料的適應能力。本發明不僅適用于一般木材、棉桿、稻草類等生物質原料的熱解處理，而且也適合于生活垃圾、工業垃圾等固態有機氣化原料。


附圖為一種生物質分級控溫慢速熱解系統的結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明的生物質分級控溫慢速熱解工藝及其系統作進一步的詳細描述圖中所示的生物質分級控溫慢速熱解系統，具有一個豎直布置的系統外殼4，系統外殼4的底部設計有外熱氣源進口3，外熱氣源進口3直接與生物質氣化爐1的高溫合成氣輸出端相連。系統外殼4的頂部設計有外熱氣源出口29，經過熱交換降溫的高溫合成氣從外熱氣源出口29送到后續處理設備。系統外殼4底部位于外熱氣源進口3處安裝有一臺主換熱器15，主換熱器15首先對進入的高溫合成氣進行一次換熱降溫。
系統外殼4內部，在外熱氣源進口3和外熱氣源出口29之間并聯設置有呈垂直布置的外熱氣源主通道5和外熱氣源旁通道28。外熱氣源主通道5和外熱氣源旁通道28上，靠近外熱氣源出口29處的一端分別設置有可調節開閉程度的主通道擋板門6和旁通道擋板門27，外熱氣源旁通道28內還設計有旁通道換熱器25，可以通過調節高溫合成氣的流量以及熱交換量來控制外熱氣源主通道5內的溫度范圍。
外熱氣源主通道5內部，自上而下依次蛇形串聯、水平布置有帶螺旋輸送裝置的第一級至第五級熱解器7、9、10、12、13。其中第一級熱解器7上設置有生物質進口26和第一級水蒸汽排放口20，第一級熱解器7和第二級熱解器9之間通過第一級垂直通道8相連；第二級熱解器9上設置有第二級水蒸汽排放口19，第二級熱解器9和第三級熱解器10之間通過第二級垂直通道18相連；第三級熱解器10和第四級熱解器12之間通過第三級垂直通道11相連；第四級熱解器12和第五級熱解器13之間通過第四級垂直通道17相連，第五級熱解器16上分別設置有木炭出口14和熱解氣出口16。熱解氣出口16直接與生物質氣化爐1的熱解氣輸入端相連，木炭出口14則通過木炭制粉裝置2與生物質氣化爐1的木炭粉輸入端相連。
在第一級至第五級熱解器7、9、10、12、13之間，分別設置有第一級至第四級次換熱器21、22、23、24。第一級至第四級次換熱器21、22、23、24為排管結構的換熱器，呈水平布置狀態，將第一級至第五級熱解器7、9、10、12、13間隔開來，形成各級熱解器和各級次換熱器交錯布置的結構，有利于控制各級熱解器中的不同溫度要求。第一級至第四級次換熱器21、22、23、24可以分別獨立進行熱交換，也可以串聯后統一進行熱交換，只要能確保各級熱解器內的溫度范圍在設定區域即可。
本發明的生物質分級控溫慢速熱解系統的工作原理是這樣的從生物質氣化爐1輸出的500～900℃的高溫合成氣，通過外熱氣源進口3輸入系統外殼4內部，并通過主換熱器15進行適當的換熱降溫，其目的是使高溫合成氣以適當的溫度進入外熱氣源主通道5，為各級熱解過程提供相應的能量。進入外熱氣源主通道5的高溫合成氣，依次通過第五級至第一級熱解器13、12、10、9、7和第四級至第一級次換熱器24、23、22、21，由于各級換熱器和各級熱解器交錯布置，保證了各級熱解器中的溫度依次降低。根據各種具體生物質不同的特性，各級熱解器中的溫度范圍也不盡相同，研究人員可以通過實驗獲得最佳數據對于木本類生物質如木材而言，第一級熱解器7內的溫度為80～120℃、第二級熱解器9內的溫度為120～150℃、第三級熱解器10內的溫度為190～240℃、第四級熱解器12內的溫度為300～340℃、第五級熱解器13內的溫度為400～480℃。
對于草本類生物質如稻草而言，第一級熱解器7內的溫度為50～90℃、第二級熱解器9內的溫度為100～140℃、第三級熱解器10內的溫度為150～200℃、第四級熱解器12內的溫度為250～310℃、第五級熱解器13內的溫度為350～410℃。
第一級至第五級熱解器7、9、10、12、13可以在常壓狀態下工作，但最好給予3.0～4.0MPa氣壓，以有效抑制生物質熱解過程中生物原油的生成量，促使生物質熱解成更多的CO和H2，進一步提高熱解產物的品質。
當各級熱解器內溫度過高時，可以適當調節主通道擋板門6和旁通道擋板門27的開度，使部分高溫合成氣從外熱氣源旁通道28流過，從而保證各級熱解過程的溫度和加熱速率。外熱氣源旁通道28內所布置的旁通道換熱器25，可以保證外熱氣源出口29部位的高溫合成氣的降溫排出要求。
自然風干、質地疏松的生物質原料通過常規切割機械初步粉碎成粒度10～80mm的顆粒后，從生物質進口26進入第一級熱解器7內，以設定的溫度和時間進行預干燥處理；蒸發掉的水份從第一級水蒸汽排放口20排出，含水量為10～20％的生物質原料通過第一級垂直通道8進入第二級熱解器9內，在設定的溫度和時間下進行深度干燥處理；再次被蒸發掉的水份從第二級水蒸汽排放口19排放，含水量為5～10％的物料通過第二級垂直通道18進入第三級熱解器10內，在設定的溫度和時間下進行初炭化處理，控制此時的溫度在原料的燃點以下，使原料進行慢速反應，主要得到CO和固體物質；讓初炭化反應階段的所有產物通過第三級垂直通道11進入第四級熱解器12內，在設定的溫度和時間下發生第一次分解反應，得到少量生物原油和木炭；最后將所有產物通過第四級垂直通道17送入第五級熱解器13內，在設定的溫度和時間下發生生物原油的第二次分解反應，以及少量木炭和水蒸汽的反應，從而得到所要求的熱解產物。
由于各級熱解器中的溫度按50～120℃、100～150℃、150～250℃、250～350℃、350～500℃的梯度均勻增加，生物質原料在各級熱解器中的停留時間保持在120～400s的范圍內，使得生物質原料被逐漸加熱，低速反應，保證了熱解產物中較低的CO2和生物油含量、適當的水蒸汽含量、以及較多的H2和CO含量。各級熱解器內所設置的螺旋輸送裝置可以保證生物質原料在輸送和熱解的過程中不發生粘壁、團聚現象。最終的熱解產物主要為木炭和熱解氣，木炭通過木炭出口14輸出，經過管道送入木炭制粉裝置2中，破碎后送入生物質氣化爐1，而熱解氣則通過熱解氣出口16輸出，經過管道也送至生物質氣化爐1，在生物質氣化爐1內完成最終的氣化反應，得到所需要的合成氣。
權利要求
1.一種生物質分級控溫慢速熱解工藝，它采用外熱源為分布在各級熱解器中的生物質提供熱量，其工藝步驟如下1)將自然風干的生物質初步加工成粒徑為10～80mm的粗料；2)將上述粗料送入第一級熱解器中進行預干燥，保持其內溫度為50～120℃，使生物質中的一部分水份蒸發，含水量降低到10～20％；3)將預干燥后的物料送入第二級熱解器中進行深度干燥，保持其內溫度為100～150℃，使生物質中的大部分水份蒸發，含水量降低至5～10％；4)將深度干燥后的物料送入第三級熱解器中進行預炭化反應，保持其內溫度為150～250℃，使生物質中的碳氫組份和幾乎全部的氧在低于燃點的情況下發生反應，得到CO、H2O、少量的CO2和氣態醋酸；5)將預炭化反應后的所有物質送入第四級熱解器中進行炭化反應，保持其溫度為250～350℃，使大部分生物質發生第一次分解反應，主要生成木炭、氣態生物原油和少量氣體產物；6)將炭化反應后的所有物質送入第五級熱解器中進行煅燒反應，保持其溫度為350～500℃，使其中的部分生物原油發生第二次分解反應、其中的少量木炭與水蒸汽發生反應，最終所獲得的熱解氣從第五級熱解器上部出口輸出，所獲得的木炭從第五級熱解器下部出口輸出。
2.根據權利要求1所述的生物質分級控溫慢速熱解工藝，其特征在于所說的外熱源采用溫度為500～900℃的高溫合成氣。
3.根據權利要求1或2所述的生物質分級控溫慢速熱解工藝，其特征在于所說的第一級至第五級熱解器中的氣壓均控制在3.0～4.0MPa的范圍內。
4.根據權利要求1或2所述的生物質分級控溫慢速熱解工藝，其特征在于所說的第一級至第五級熱解器中物料的停留時間為120～400s。
5.根據權利要求1或2所述的生物質分級控溫慢速熱解工藝，其特征在于對于木本生物質如木材而言，所說的第一級熱解器內的溫度為80～120℃、第二級熱解器內的溫度為120～150℃、第三級熱解器內的溫度為190～240℃、第四級熱解器內的溫度為300～340℃、第五級熱解器內的溫度為400～480℃。
6.根據權利要求1或2所述的生物質分級控溫慢速熱解工藝，其特征在于對于草本類生物質如稻草而言，所說的第一級熱解器內的溫度為50～90℃、第二級熱解器內的溫度為100～140℃、第三級熱解器內的溫度為150～200℃、第四級熱解器內的溫度為250～310℃、第五級熱解器內的溫度為350～410℃。
7.一種為權利要求1所述工藝而專門設計的生物質分級控溫慢速熱解系統，包括系統外殼(4)，其特征在于系統外殼(4)的一端設置有外熱氣源進口(3)，系統外殼(4)的另一端設置有外熱氣源出口(29)，系統外殼(4)內位于外熱氣源進口(3)處設置有主換熱器(15)，系統外殼(4)內在外熱氣源進口(3)和外熱氣源出口(29)之間并聯設置有外熱氣源主通道(5)和外熱氣源旁通道(28)，外熱氣源主通道(5)和外熱氣源旁通道(28)上分別設置有可調節開閉程度的主通道擋板門(6)和旁通道擋板門(27)，外熱氣源主通道(5)內沿外熱氣源出口(29)至外熱氣源進口(3)方向依次串聯布置有帶螺旋輸送裝置的第一級至第五級熱解器(7、9、10、12、13)，第一級至第五級熱解器(7、9、10、12、13)之間分別由第一級至第四級次換熱器(21、22、23、24)間隔開來，形成各級熱解器和各級次換熱器交錯布置的結構；其中第一級熱解器(7)上設置有生物質進口(26)和第一級水蒸汽排放口(20)，第二級熱解器(9)上設置有第二級水蒸汽排放口(19)，第五級熱解器(13)上分別設置有木炭出口(14)和熱解氣出口(16)。
8.根據權利要求7所述的生物質分級控溫慢速熱解系統，其特征在于所說的外熱氣源旁通道(28)內還設置有旁通道換熱器(25)。
9.根據權利要求7或8所述的生物質分級控溫慢速熱解系統，其特征在于所說的外熱氣源主通道(5)和外熱氣源旁通道(28)為垂直通道，所說的第一級至第五級熱解器(7、9、10、12、13)自上而下依次蛇形串聯、水平布置在上述垂直的外熱氣源主通道(5)內，所說的第一級至第四級次換熱(21、22、23、24)為排管狀結構，分別水平布置在各級熱解器之間。
10.根據權利要求7或8所述的生物質分級控溫慢速熱解系統，其特征在于所說的外熱氣源進口(3)直接與生物質氣化爐(1)的高溫合成氣輸出端相連，所說的熱解氣出口(16)直接與生物質氣化爐(1)的熱解氣輸入端相連，所說的木炭出口(14)通過木炭制粉裝置(2)與生物質氣化爐(1)的木炭粉輸入端相連。
全文摘要
一種生物質分級控溫慢速熱解工藝及其系統。該工藝將熱解過程分成幾個溫度逐漸升高的獨立階段，通過外熱源與生物質逆流換熱，逐級加熱生物質且使之熱解，原料經預干燥和深度干燥后，保證含水量為5～10％，再經預炭化和炭化，得到木炭、熱解氣和少量氣態生物原油，最后在煅燒階段使部分生物原油第二次分解，從而獲得需要的熱解產物。其系統主要由并聯設置的外熱氣源主通道和外熱氣源旁通道、布置在外熱氣源主通道和旁通道外側的主換熱器、交錯布置在外熱氣源主通道中的多級熱解器和多級次換熱器組成。其原料適應范圍廣，熱解過程便于調節，熱解產物便于控制，其外熱源采用高溫合成氣時可以綜合利用高溫合成氣的廢熱，大幅提高生物質氣化系統的氣化效率。
文檔編號C10B53/02GK1935941SQ20061012452
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月14日 優先權日2006年9月14日
發明者呂鋒杰, 張澤, 林沖, 金沙楊, 李宏, 宋侃, 楊占春, 張超 申請人:武漢凱迪科技發展研究院有限公司