專利名稱：一種生物質螺旋熱解裝置及熱解工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物質的熱解裝置及熱解工藝。
背景技術：
目前，世界各國尤其是發達國家，為實現國家經濟的可持續發展提供根本保障，都 在致力于開發高效、無污染的生物質能利用技術，以保護本國的礦物能源資源。生物質熱解 是指生物質在沒有氧化劑(空氣、氧氣、水蒸氣等)存在或只提供有限氧的條件下，加熱到 逾50(TC，通過熱化學反應將生物質大分子物質(木質素、纖維素和半纖維素)分解成較小
分子的燃料物質(固態炭、可燃氣、生物油)的熱化學轉化技術方法。生物質熱解的燃料能 源轉化率可達95. 5 % ，最大限度的將生物質能量轉化為能源產品，物盡其用，而熱解也是燃 燒和氣化必不可少的初始階段 從化學反應的角度對其進行分析，生物質在熱解過程中發生了復雜的熱化學反 應，包括分子鍵斷裂、異構化和小分子聚合等反應。木材、林業廢棄物和農作物廢棄物等的
主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。熱重分析結果表明，纖維素在52t:時開始熱解，隨 著溫度的升高，熱解反應速度加快，到350 37(TC時，分解為低分子產物。根據熱解過程 的溫度變化和生成產物的情況等，可以分為干燥階段、預熱解階段、固體分解階段和煅燒階 段。干燥階段(溫度為120 150°C )，生物質中的水分進行蒸發，物料的化學組成幾乎不 變。預熱解階段(溫度為150 275°C )，物料的熱反應比較明顯，化學組成開始變化，生物 質中的不穩定成分如半纖維素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物質。上述兩個階 段均為吸熱反應階段。固體分解階段(溫度為275 475tO，熱解的主要階段，物料發生 了各種復雜的物理、化學反應，產生大量的分解產物。生成的液體產物中含有醋酸、木焦油 和甲醇(冷卻時析出來)；氣體產物中有C02、C0、CH4、H2等，可燃成分含量增加。這個階段 要放出大量的熱。煅燒階段(溫度為450 50(TC)，生物質依靠外部供給的熱量進行木炭 的燃燒，使木炭中的揮發物質減少，固定碳含量增加，為放熱階段。實際上，上述四個階段的 界限難以明確劃分，各階段的反應過程會相互交叉進行。 從對生物質的加熱速率和完成反應所用時間的角度來看，生物質熱解工藝基本上 可以分為兩種類型一種是慢速熱解，一種是快速熱解。在快速熱解中，當完成反應時間甚 短(<0.5s)時，又稱為閃速熱解。根據工藝操作條件，生物質熱解工藝又可分為慢速、快 速和反應性熱解三種。在慢速熱解工藝中又可以分為炭化和常規熱解。
慢速熱解(又稱干餾工藝、傳統熱解)工藝具有幾千年的歷史，是一種以生成木炭 為目的的炭化過程，低溫干餾的加熱溫度為500 580°C ，中溫干餾溫度為660 750°C ，高 溫干餾的溫度為900 1 IO(TC 。將木材放在窯內，在隔絕空氣的情況下加熱，可以得到占原 料質量30% 35%的木炭產量。 快速熱解是將磨細的生物質原料放在快速熱解裝置中，嚴格控制加熱速率( 一般 大致為10 20(TC/s)和反應溫度(控制在50(TC左右)，生物質原料在缺氧的情況下，被 快速加熱到較高溫度，從而引發大分子的分解，產生了小分子氣體和可凝性揮發分以及少
3量焦炭產物。可凝性揮發分被快速冷卻成可流動的液體，成為生物油或焦油，其比例一般可 達原料質量的40 % 60 % 。 與慢速熱解相比，快速熱解的傳熱反應過程發生在極短的時間內，強烈的熱效應 直接產生熱解產物，再迅速淬冷，通常在0. 5s內急冷至35(TC以下，最大限度地增加了液態 產物(油)。 總的來講，影響熱解的主要因素包括化學和物理兩大方面。化學因素包括一系列 復雜的一次反應和二次反應；物理因素主要是反應過程中的傳熱、傳質以及原料的物理特 性等。具體的操作條件表現為溫度、物料特性、催化劑、滯留時間、壓力和升溫速率。
在生物質熱解過程中，溫度是一個很重要的影響因素，它對熱解產物分布、組分、 產率和熱解氣熱值都有很大的影響。生物質熱解最終產物中氣、油、炭各占比例的多少，隨 反應溫度的高低和加熱速度的快慢有很大差異。 一般地說，低溫、長期滯留的慢速熱解主 要用于最大限度地增加炭的產量，其質量產率和能量產率分別達到30%和50% (質量分 數)。溫度小于600°C的常規熱解時，采用中等反應速率，生物油、不可凝氣體和炭的產率基 本相等；閃速熱解溫度在500 65(TC范圍內，主要用來增加生物油的產量，生物油產率可 達80% (質量分數)；同樣的閃速熱解，若溫度高于70(TC，在非常高的反應速率和極短的 氣相滯留期下，主要用于生產氣體產物，其產率可達80% (質量分數)。當升溫速率極快時， 半纖維素和纖維素幾乎不生成炭。 滯留時間在生物質熱解反應中有固相滯留時間和氣相滯留時間之分。固相滯留時 間越短，熱解的固態產物所占的比例就越小，總的產物量越大，熱解越完全。在給定的溫度 和升溫速率的條件下，固相滯留時間越短，反應的轉化產物中的固相產物就越少，氣相產物 的量就越大。氣相滯留期時間一般并不影響生物質的一次裂解反應過程，而只影響到液態 產物中的生物油發生的二次裂解反應的進程。當生物質熱解產物中的一次產物進入圍繞生 物質顆粒的氣相中，生物油就會發生進一步的裂化反應，在熾熱的反應器中，氣相滯留時間 越長，生物油的二次裂解發生的就越嚴重，二次裂解反應增多，放出H2、 CH4、 CO等，導致液 態產物迅速減少，氣體產物增加。所以，為獲得最大生物油產量，應縮短氣相滯留期，使揮發 產物迅速離開反應器，減少焦油二次裂解的時間。 現有技術中常規熱解方法是將生物質原料放在現有的熱解裝置中，例如流化床熱 解。這種熱解通常是在低于60(TC的中等溫度及中等反應速率(0. 1 rc /s)條件下，經過 幾個小時的熱解，得到占原料質量的20% 25%的生物質炭及30% 40%的生物油。在 流化床反應器中，生物質顆粒加熱到合適溫度后其固體顆粒在氮氣的帶動下呈流化狀態， 生物質在1-3秒的停留時間內完成熱解過程，然后被裂解的各種有機物和焦碳進入旋風分 離器，焦碳分離后收集回用，氣體則進入冷凝器，冷凝后即得到成分復雜的生物油。由于熱 解過程中生物質顆粒在流化床反應器內的停留時間無法準確控制，熱解溫度也難以控制， 因此得到的熱解產品成分復雜，無法實現熱解產品即生物油成分的可控，不容易精煉提取 化學品。也就是說現有熱解技術得到的生物油成分和濃度是隨機的。因此其得到的生物油 只能作為低品位的燃料，附加值比較低，這限制了熱解技術的推廣。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種能準確控制生物質顆粒熱解時間和熱解溫度的螺旋熱解裝置及其熱解工藝，從而有效控制生物油成分和濃度，使生物質熱解技術能進一步得 到推廣。 本發明的生物質螺旋熱解裝置，由加料系統、熱解反應器以及熱解產品收集系統
構成，該熱解反應器帶有外加熱系統和保溫系統，其特征在于，所述熱解反應器是螺旋熱解
反應器，它包括一個兩端由蓋體密封的園形筒體，通過兩蓋體的中孔支撐安裝有一能相對
于園形筒體轉動的轉動軸，在筒體腔內的轉動軸上設有作為螺旋推進器的螺旋葉片，該螺
旋葉片頂端與園形筒體內壁面間隙配合，轉動軸在園形筒體外的伸出端連接有變頻電機；
在園形筒體側壁上分別設有生物質進料管和熱解產品的出口管，其進料管與進料倉連通，
其出口管垂直通入到熱解產品收集系統的焦碳收集罐中，在焦碳收集罐側壁上設有一出氣
管道，該出氣管道依次和冷凝器、生物油收集罐、尾氣排放管連通。所述外加熱系統是可調
功率的電加熱板，并設有熱電偶測溫；所述安裝在轉動軸上的螺旋推進器的螺距1滿足公 _ 丄
式^ ='其中，L為螺旋推進器的軸向長度，t為設定的生物質在螺旋反應器內的停留時 60
間，通常為t = 1-3秒，n為轉動軸的轉動速度，通常為100-400轉/分。 上述裝置中，所述熱解反應器帶有的外加熱系統是整體的或者是分離的可調功率
的電加熱板，每塊電加熱板設有測溫的熱電偶。 上述裝置中，所述作為螺旋推進器的螺旋葉片、園形筒體內壁和轉動軸表面均由 耐腐蝕材料構成，以防止因腐蝕現象影響生物油的品質。 利用本發明的螺旋熱解裝置對生物質進行熱解的工藝過程，包括首先啟動外加熱
系統，使螺旋熱解反應器內的反應區溫度穩定在500-550°C ;再將生物質顆粒原料通過進口
管輸送進入螺旋熱解反應器，其特征在于，同時啟動變頻電機，并根據設定的生物質在螺旋
_ 丄
熱解反應器內的停留時間t，以及螺旋推進裝置的軸向長度L和螺距1，使用公式^ = J'
60
確定變頻電機的轉速n，通常轉動速度在100-400轉/分范圍內；然后啟動熱解產品收集系 統，即可得到液體生物油和其它熱解產物。所述生物質顆粒原料是被粉碎的生物質顆粒，其 粒徑為20-200目。 在實際操作中，可根據得到的生物油的品質分析，然后適當調整變頻電機轉速，即
調整生物質在螺旋反應器內的停留時間，以得到合適的生物油品質和產量。 所述"啟動外加熱系統，使螺旋熱解反應器內的反應區溫度穩定在500-550°C "，可
以是通過控制不同的電加熱板將螺旋反應器在長度方向上分成不同溫區，從50(TC沿著生
物質運動方向逐漸升溫至550°C ，更有利提高生物油的產率和油品。 本發明的螺旋熱解裝置對生物質進行熱解的工藝過程，與現有技術相比，有兩個 主要優點 (1)能精確的控制生物質在反應器器內的停留時間 生物質在流化床反應器中的停留時間一般與進料量及流化床反應器的有效容積 有關，它是一個平均停留時間，由于流化床內的混合物料運動狀態復雜，往往存在短路、返 混與死角現象，而且由于生物質顆粒在熱解過程中不斷失重等，生物質個體的停留時間差 異很大。因此平均停留時間無法準確反映個體停留時間。本螺旋熱解反應器則完全不同，
5只要設計合理的螺距，避免物料打滑和反噴現象，則生物質的個體停留時間也就是平均停 留時間。 從理論上講，生物質顆粒在反應器內停留時間不同，即發生反應的時間不同，其熱 解生成物的成分即會有區別，也即生物油成分和濃度會有變化。本發明的螺旋熱解裝置，由 于轉動軸的轉動速度可由變頻電機調節，使得生物質顆粒的行進速度，即生物質顆粒在反 應器內的停留時間能得到精確控制，(可精確到0. 1秒)，因此熱解得到的生物油成分和濃 度比較一致，這對于產品的進一步優化具有很大的優勢。
(2)能分區控制熱解過程的溫度 根據熱解原理，生物質在不同溫區熱解可以提高生物油的產率和油品。因為在生 物質熱解過程中，溫度是一個很重要的影響因素，它對熱解產物分布、組分、產率和熱解氣 熱值都有很大的影響。生物質熱解最終產物中氣、油、炭各占比例的多少，隨反應溫度的高 低和加熱速度的快慢有很大差異。 一般地說，低溫、長期滯留的慢速熱解主要用于最大限度 地增加炭的產量，其質量產率和能量產率分別達到30%和50% (質量分數)。如果溫度小 于60(TC的常規熱解時、并采用中等反應速率，則生物油、不可凝氣體和炭的產率基本相等； 如果采用閃速熱解溫度在500 65(TC范圍內，可以增加生物油的產量，生物油產率可高達 80% (質量分數)；同樣的閃速熱解，若溫度高于70(TC，在非常高的反應速率和極短的氣相 滯留期下，會增加氣體產物產出，其產率可達80% (質量分數)。 流化床熱解反應器盡管可以采用電加熱，也可以采用熱電偶分區控制，但由于流
化床內物料處于流化狀態，往往會出現返混現象，熱量對流傳遞，使得反應器內的溫度較均
勻分布，很難通過熱電偶控制溫度分區。本螺旋熱解反應器中不存在流化和返混現象，熱量
傳遞完全靠熱傳導方式，因此傳熱速率小，便于溫度控制，這有利于產品的優化。 本發明通過螺旋熱解裝置直接將生物質熱解生成生物油，不僅便于儲存運輸，而
且生物油成分可控，易精煉提取化學品。 下面通過實施例和附圖對本發明作進一步描述。
圖1是本發明的螺旋熱解裝置的實施例示意圖。
具體實施方式
實施例1 參見圖1，園筒形反應器的筒體5的一頭為法蘭盤狀，起保溫作用的外套筒6的兩 端也為法蘭盤狀，筒體5和外套筒6相互套在一起，加上左右兩端蓋4、 11和螺紋連接件構 成一個整體，外套筒6的內壁與筒體5的外壁間有足夠大的間隙，四塊電加熱板8設置在此 間隙中，并包圍在筒體5的外壁面上。該電加熱板為4X 1KW的可調功率的電加熱板，分別由 四個熱電偶9控制，達到設定溫度后，自動減小加熱功率，因此能有效控制反應器內的反應 溫度在一定的范圍內(500-550°C)。四個熱電偶獨立控制四個加熱板，可以實現螺旋反應 器內有四個不同溫區，以實現在園形筒體長度方向上不同溫度的需要。熱電偶9的一端與 筒體5的外壁面接觸，另一端穿過外套筒到達外部空間，接儀表以方便觀察。生物質進料管 7設置在靠近左端的上方，其軸線與筒體5垂直，出口管12設置在靠近右端的下方，其軸線也與筒體5垂直。在左右兩端蓋4、11的中軸孔中通過軸承支撐有轉動軸3，并有耐高溫密 封圈1密封。變頻電機2與轉動軸3左端連接，使轉動軸3能跟隨電機主軸一起轉動，該變 頻電機的轉速在100-400轉/分范圍內可調。在轉動軸的被包容在筒體內腔部分安裝有作 為螺旋推進裝置的螺旋葉片IO，螺旋葉片頂端與筒體內壁面間隙配合。本實施例選擇筒體 內徑為52毫米，葉片外徑50毫米，轉動軸直徑為30毫米；螺旋推進部分的長度240毫米， 設定生物質停留時間在l-3秒內，根據有關公式計算得到螺距為16-48毫米，本實施例選擇 螺距為30毫米，并選用了螺旋推進裝置常用的螺旋角15° 。出口管12通入到下方的焦碳 收集罐13中，然后由出氣管道14與冷凝器15、生物油收集罐16和尾氣排放管17連接成整 體。 本實施例中，所述作為螺旋推進裝置的螺旋葉片、園筒形反應器和轉動軸均由不 銹鋼材料制造。所述變頻電機由市場購得，型號為CHF100-1R5G-4(INVT ELECTRIC CO. LTD)
下面利用上述裝置進行實際應用并測試有關數據。 生物質原料是木屑，被粉碎后的粒徑約為40-80目。首先將電加熱板加熱到設定 的溫度四個熱電偶從左至右分別分別設定為500°C ， 520°C ， 530°C ， 550°C ，反應器內的實 際溫度會有少許變動。然后將生物質原料從進料器加入到螺旋熱解反應器的進料口中，同 時啟動變頻電機，并開通冷凝器和尾氣排放系統。調節轉動軸以300轉/分的轉速轉動，即 生物質原料在反應器內的停留時間1.6秒。生物質在反應器內迅速產生熱解，其產品為有 機物分子氣體和固體焦碳，螺旋推進裝置將焦碳推出經出口管到焦碳收集罐中，氣體經出 口管并從焦碳收集罐的出氣口進入冷凝器，冷凝后得到生物油進入生物油收集罐，其余尾 氣從尾氣排放管5排出。 具體的反應條件和有關檢測數據如下 生物質原料的進入流量為18公斤/小時，得到的生物油產量8. 6公斤/小時。
初步檢測分析顯示，得到的生物油含水率< 30%，高位熱值為21MJ/kg。
與現有技術中的流化床熱解得到的生物油相比，本螺旋熱解生物油中苯酚類含量 比流化床熱解提高40 %左右，含量大于1 %的有機物達到22種，使用通常流化床的只有 10-15種。
權利要求
一種生物質螺旋熱解裝置，由加料系統、熱解反應器以及熱解產品收集系統構成，該熱解反應器帶有外加熱系統和保溫系統，其特征在于，所述熱解反應器是螺旋熱解反應器，它包括一個兩端由蓋體密封的園形筒體，通過兩蓋體的中孔支撐安裝有一能相對于園形筒體轉動的轉動軸，在筒體腔內的轉動軸上設有作為螺旋推進器的螺旋葉片，該螺旋葉片頂端與園形筒體內壁面間隙配合，轉動軸在園形筒體外的伸出端連接有變頻電機；在園形筒體側壁上分別設有生物質進料管和熱解產品的出口管，其進料管與進料倉連通，其出口管垂直通入到熱解產品收集系統的焦碳收集罐中，在焦碳收集罐側壁上設有一出氣管道，該出氣管道依次和冷凝器、生物油收集罐、尾氣排放管連通。
2. 如權利要求1的生物質螺旋熱解裝置，其特征在于，所述外加熱系統是整體的或者 是分離的可調功率的電加熱板，每塊電加熱板設有測溫的熱電偶。
3. 如權利要求l的生物質螺旋熱解裝置，其特征在于，所述安裝在轉動軸上的螺旋推 進器的螺距1滿足公式^ = ^ '其中，L為螺旋推進器的軸向長度，t為設定的生物質在螺 旋反應器內的停留時間，n為轉動軸的轉動速度。
4. 如權利要求l的生物質螺旋熱解裝置，其特征在于所述作為螺旋推進器的螺旋葉 片、園形筒體內壁和轉動軸表面均由耐腐蝕材料構成。
5. 利用如權利要求1的螺旋熱解裝置對生物質進行熱解的工藝過程，包括首先啟動 外加熱系統，使螺旋熱解反應器內的反應區溫度穩定在500-550°C ;再將生物質顆粒原料 通過進口管輸送進入螺旋熱解反應器，其特征在于，同時啟動變頻電機，并根據設定的生物 質在螺旋熱解反應器內的停留時間t，以及螺旋推進器的軸向長度L和螺距l，使用公式<formula>formula see original document page 2</formula>^-y^—'確定變頻電機的轉速n;然后啟動熱解產品收集系統，即可得到液體生物油和其 它熱解產物。
6. 如權利要求4所述的工藝過程，其特征在于，所述生物質顆粒原料是被粉碎的生物 質顆粒，其粒徑為20-200目。
7. 如權利要求4所述的工藝過程，其特征在于，所述"啟動外加熱系統，使螺旋熱解反 應器內的反應區溫度穩定在500-55(TC"，是通過控制不同的電加熱板將螺旋反應器在長度 方向上分成不同溫區，從50(TC沿著生物質運動方向逐漸升溫至550°C。
全文摘要
本發明涉及生物質熱解裝置及其工藝。該裝置包括加料系統、螺旋熱解反應器及產品收集系統，在反應器園筒體兩端蓋的中孔內安裝有與變頻電機連通、并設置有螺旋推進器的轉動軸；筒體側壁上設有生物質進料管和熱解產品出口管，其出口管垂直通入焦碳收集罐中，該收集罐通過側壁上的出氣管依次和冷凝器、生物油收集罐、尾氣排放管連通。其工藝過程是先啟動外加熱系統，使反應器內溫度為500-550℃；將生物質顆粒原料通過進口管送進反應器，同時啟動變頻電機，并根據設定的停留時間t、螺旋推進裝置的軸向長度L和螺距l，確定變頻電機的轉速n；再啟動熱解產品收集系統。本發明能精確控制熱解時間，分區控制熱解溫度，使得到的生物油成分可控，易于提取化學品。
文檔編號C10G1/00GK101709224SQ200910185370
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月6日 優先權日2009年11月6日
發明者俞漢青, 江鴻, 郭慶祥 申請人:中國科學技術大學