專利名稱：一種生物質快速熱解制取生物油的裝置與方法
—種生物質快速熱解制取生物油的裝置與方法技術領域
本發明屬于生物質能利用技術領域，具體涉及一種生物質快速熱解制取生物油的裝置與方法。
背景技術：
生物質快速熱解液化是在無氧條件下，使生物質快速受熱分解，而后對熱解氣迅速冷凝而主要獲得液體產物生物油(產率可達70-80%)，同時獲得少量固體焦炭和可燃氣兩種副產物的過程。獲得高產率生物油所需的反應條件一般包括極快的加熱速率、500°C左右的反應溫度、不超過2 s的氣相滯留時間、以及熱解氣的快速冷凝與收集等。生物油作為一種新型的液體產物，可望部分替代石油作為液體燃料應用于工業鍋爐、窯爐和內燃機等熱力設備，也可作為化工原料用于提取或制備各種化學品。
針對生物質快速熱解液化所需的反應條件，國內外各科研單位研發了多種不同類型生物質快速熱解核心反應器以及相應的輔助設備，其中以流化床反應器的研究最多。生物質快速熱解是一個吸熱過程，需要源源不斷地向反應器內提供熱量；為了降低生物油的生產成本，一般采用熱解固體或氣體產物燃燒供熱，從而實現自熱式的快速熱解液化過程; 因此如何實現副產物的燃燒并向反應器內供熱，是生物質快速熱解制取生物油裝置研制的一個核心問題。
一般而言，通過熱解副產物燃燒向熱解反應器供熱，主要有三種可行的方案(I) 副產物燃燒后加熱熱解反應器，通過固壁傳熱的方式供熱；(2)副產物燃燒后加熱載氣，由載氣將熱量帶入反應器；(3)副產物燃燒后加熱熱載體(砂子)，由砂子將熱量帶入反應器。 由于砂子具有很大的熱容，依靠砂子很容易將大量的熱量帶入熱解反應器，因此第(3)種方案是最有效的供熱方案；但如何實現這一過程是亟待解決的一個技術難題。發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種生物質快速熱解制取生物油的裝置與方法。
本發明所述的生物質快速熱解制取生物油的裝置采用的技術方案為
該裝置包括料斗、進料系統、流化床快速熱解反應器、氣固分離系統、熱焦炭燃燒換熱系統、冷砂子加熱系統、熱解氣快速冷凝系統和不可冷凝氣循環系統；
料斗的出口與進料系統的入口相連，進料系統的出口與流化床快速熱解反應器的側壁下端入口相連；流化床快速熱解反應器底部入口與不可冷凝氣循環系統的出口相連， 上端出口與氣固分離系統的進口相連；氣固分離系統的出風口與熱解氣快速冷凝系統的進口相連；熱解氣快速冷凝系統的出口分為兩路，一路直接收集作為燃氣使用，另一路與不可冷凝氣循環系統的入口相連；
所述熱焦炭燃燒 換熱系統包括多個旋風燃燒換熱器；所述的多個旋風燃燒換熱器自上而下串聯，該系統最上面為旋風燃燒換熱器第一單元，向下依次為旋風燃燒換熱器第二單元，……，旋風燃燒換熱器最末單元；旋風燃燒換熱器第一單元的排料口與旋風燃燒換熱器第二單元的進口相連，旋風燃燒換熱器第二單元的出風口與旋風燃燒換熱器第一單元的進口相連；旋風燃燒換熱器第二單元的排料口與旋風燃燒換熱器第三單元的進口相連， 旋風燃燒換熱器第三單元的出風口與旋風燃燒換熱器第二單元的進口相連，依次類推至旋風燃燒換熱器最末單元；旋風燃燒換熱器第一單元的進口還與氣固分離系統的排料口相連，旋風燃燒換熱器第一單元的出風口與冷砂子加熱系統中的旋風換熱器第一單元的進口相連；旋風燃燒換熱器最末單元的排料口與收集箱相連，直接收集冷砂子和灰，旋風燃燒換熱器最末單元的進口還與鼓風機相連，直接供入空氣；
所述冷砂子加熱系統包括多個旋風換熱器；所述的多個旋風換熱器自下而上串聯，該系統最下面為旋風換熱器第一單元，向上依次為旋風換熱器第二單元，……，旋風換熱器最末單元；旋風換熱器第一單元的出風口與旋風換熱器第二單元的進口相連，旋風換熱器第二單元的出料口與旋風換熱器第一單元的進口相連；旋風換熱器第二單元的出風口與旋風換熱器第三單元的進口相連，旋風換熱器第三單元的出料口與旋風換熱器第二單元的進口相連，依次類推至旋風換熱器最末單元；旋風換熱器第一單元的出料口還與流化床快速熱解反應器側壁下端開口相連；旋風換熱器最末單元的進口還與供砂箱相連，直接供入冷砂子，旋風換熱器最末單元的出風口直接與大氣相通，將冷煙氣排入大氣。
所述熱焦炭燃燒換熱系統至少包括兩個旋風燃燒/換熱器。
所述冷砂子加熱系統至少包括兩個旋風換熱器。
所述進料系統為兩級螺旋進料器。
所述流化床快速熱解反應器為快速流化床反應器。
所述氣固分離系統為旋風分離器。
所述熱解氣快速冷凝系統為噴霧與降膜復合冷凝系統。
本發明提供的基于所述裝置的生物質快速熱解制取生物油的方法，包括以下步驟
將生物質原料送入流化床快速熱解反應器，以來自不可冷凝氣循環系統的不可冷凝氣為流化載氣，以來自冷砂子加熱系統的熱砂子為熱載體，生物質在熱砂子與流化載氣的作用下，迅速受熱分解；
高溫熱解產物首先進入氣固分離系統實現氣固分離；
氣固分離得到的固體進入熱焦炭燃燒換熱系統，在多級旋風燃燒換熱器中，氣固分離得到的固體自上而下流動，冷空氣自下而上流動，氣固分離得到的固體通過燃燒和換熱后，成為冷灰和砂子從旋風燃燒換熱器最末單元排出，冷空氣則首先預熱而后燃燒形成高溫煙氣；高溫煙氣進入冷砂子加熱系統中，在多級旋風換熱器中，高溫煙氣自下而上流動將熱量傳遞給冷砂子，冷砂子自上而下 流動吸收熱量而升溫，成為熱砂子，從旋風換熱器最末單元排出后進入流化床快速熱解反應器中；
氣固分離得到高溫氣體產物，進入熱解氣快速熱解冷凝系統，經噴霧與降膜的復合冷凝后得到液體生物油，不可冷凝氣從出口流出后分為兩路，其中一路收集后作為燃氣使用，另一路則經不可冷凝氣循環系統循環后送入流化床快速熱解反應器的底部入口，作為流化載氣使用。
所述生物質原料為木質纖維素類生物質。
所述流化床快速熱解反應器中的反應溫度為450-550°C，氣相滯留時間為 O.1 5s。
所述熱焦炭燃燒換熱系統中的焦炭與空氣燃燒的過量空氣系數為1. (Tl. 3。
所述冷砂子加熱系統中熱砂子的出口溫度為55(T800°C。
本發明的有益效果為
本發明所述的生物質快速熱解制取生物油的裝置，基于熱焦炭燃燒換熱系統中的多個旋風燃燒/換熱器，實現焦炭的完全燃燒，并將燃燒所釋放的熱量以及熱焦炭和熱砂子自身的顯熱，全部轉移至高溫煙氣中；另外，基于冷砂子加熱系統，又將高溫煙氣的全部顯熱，全部轉移至砂子，而后通過砂子將熱量帶入流化床快速熱解反應器中，實現生物質原料的快速熱解反應。由此，利用熱焦炭燃燒換熱與冷砂子加熱兩個系統，可極大地實現能量的有效利用，而且通過對砂子的控制，可保證生物質快速熱解反應器的穩定運行。
圖1為本發明所述的生物質快速熱解制取生物油的裝置結構示意圖中標號
1-料斗；2_進料系統；3_流化床快速熱解反應器；4_氣固分離系統；5_熱焦炭燃燒換熱系統；6_冷砂子加熱系統；7_熱解氣快速冷凝系統；8_不可冷凝氣循環系統。
具體實施方式
本發明提供了一種生物質快速熱解制取生物油的裝置與方法，下面結合具體實施方式
對本發明做進一步說明。
各實施例中的裝置結構相同，如圖1所示。
料斗1的出口與進料系統2的入口相連，進料系統2的出口與流化床快速熱解反應器3的側壁下端入口相連；流化床快速熱解反應器3底部入口與不可冷凝氣循環系統8 的出口相連，上端出口與氣固分離系統4的進口相連；氣固分離系統4的出風口與熱解氣快速冷凝系統7的進口相連；熱解氣快速冷凝系統7的出口分為兩路，一路直接收集作為燃氣使用，另一路與不可冷凝氣循環系統8的入口相連。
所述熱焦炭燃燒換熱系統5包括多個旋風燃燒換熱器；所述的多個旋風燃燒換熱器自上而下串聯，該系統最上面為旋風燃燒換熱器第一單元I，向下依次為旋風燃燒換熱器第二單元II，……，旋風燃燒換熱器最末單元N，其中，N為不小于2的整數；旋風燃燒換熱器第一單元I的排料口與旋風燃燒換熱器第二單元II的進口相連，旋風燃燒換熱器第二單元II的出風口與旋風燃燒換熱器第一單元I的進口相連；旋風燃燒換熱器第二單元II的排料口與旋風燃燒換熱器第三單元III的進口相連，旋風燃燒換熱器第三單元III的出風口與旋風燃燒換熱器第二單元II的進口相連，依次類推至旋風燃燒換熱器最末單元N ;旋風燃燒換熱器第一單元I的進口還與氣固分離系統4的排料口相連，旋風燃燒換熱器第一單元I的出風口與冷砂子加熱系統6中的旋風換熱器第一單元i的進口相連；旋風燃燒換熱器最末單元N的排料口與收集箱相連，直接收集冷砂子和灰，旋風燃燒換熱器最末單元N 的進口還與鼓風機相連，直接供入空氣。
所述冷砂子加熱系統6包括多個旋風換熱器；所述的多個旋風換熱器自下而上串聯，該系統最下面為旋風換熱器第一單元i，向上依次為旋風換熱器第二單元ii，……，旋風換熱器最末單元n，其中，η為不小于2的整數；旋風換熱器第一單元i的出風口與旋風換熱器第二單元ii的進口相連，旋風換熱器第二單元ii的出料口與旋風換熱器第一單元 i的進口相連；旋風換熱器第二單元ii的出風口與旋風換熱器第三單元iii的進口相連， 旋風換熱器第三單元iii的出料口與旋風換熱器第二單元ii的進口相連，依次類推至旋風換熱器最末單元η ;旋風換熱器第一單元i的出料口還與流化床快速熱解反應器3側壁下端開口相連；旋風換熱器最末單元η的進口還與供砂箱相連，直接供入冷砂子，旋風換熱器最末單元η的出風口直接與大氣相通，將冷煙氣排入大氣。
進料系統2為兩級螺旋進料器，流化床快速熱解反應器3為快速流化床反應器，氣固分離系統4為旋風分離器，熱解氣快速冷凝系統7為噴霧與降膜復合冷凝系統。
下述實施例中的百分含量，如無特殊說明均為質量百分含量，s表示秒。
實施例1
采用上述裝置制取生物油。將自然風干、平均粒徑為3mm的楊木原料(水分含量為 8%)經由料斗和兩級螺旋進料器送入一內徑為700_、高度為3m的流化床快速熱解反應器中，進料量為150kg/h ;該流化床反應器以快速熱解生成的不可冷凝氣為流化載氣，流量為 150Nm3/h,以溫度為600°C的砂子為熱載體，流量為500kg/h ;楊木熱解反應溫度為500°C， 熱解氣的氣相滯留時間約為3s ;熱解產物經氣固分離后，氣體產物進入噴霧與降膜復合冷凝系統中，經冷凝獲得生物油，同時獲得不可冷凝氣體，兩者的產率分別為60%和20% ;不可冷凝氣體總量為180Nm3/h，將其中150Nm3/h作為載氣循環使用。
將氣固分離得到的熱砂子和焦炭送入含有4個旋風燃燒換熱器的熱焦炭燃燒換熱系統，在過量空氣系數為1. 2的工況下進行燃燒與換熱，最后排出70°C的砂子和灰的混合物，同時得到高溫煙氣；將該高溫煙氣送入含有3個旋風換熱器的冷砂子加熱系統，將進料量為500kg/h的砂子從室溫加熱至600°C，同時排出130°C的煙氣。
實施例2
本事實例采用的裝置結構與實施例1相同，以此裝置制備生物油。以自然風干、平均粒徑為3mm的松木為原料(水分含量為9%)，進料量為150kg/h，流化載氣流量為150Nm3/ h，砂子溫度為620°C、流量為500kg/h ;松木在流化床中的熱解溫度為510°C，熱解氣的氣相滯留時間約為3s，生物油的產率為59%，不可冷凝氣的產率為20%。熱砂子和焦炭在過量空氣系數為1. 2的工況下進行燃燒換熱，最后排出75°C的砂子和灰的混合物；同時高溫煙氣將500kg/h的砂子從室溫加熱至620°C，同時排出135°C的煙氣。
實施例3
與實施例1采 用的裝置相比，冷砂子加熱系統中旋風換熱器個數改為4個，其余結構相同，以此裝置制備生物油。以自然風干、平均粒徑為3mm的稻殼為原料(水分含量為7. 5%)，進料量為150kg/h，流化載氣流量為150Nm3/h，砂子溫度為610°C、流量為500kg/ h ;稻殼在流化床中的熱解溫度為505°C，熱解氣的氣相滯留時間約為3s，生物油的產率為 50%，不可冷凝氣的產率為21%。熱砂子和焦炭在過量空氣系數為1. 3的工況下進行燃燒換熱，最后排出70°C的砂子和灰的混合物；同時高溫煙氣將500kg/h的砂子從室溫加熱至 610°C，同時排出80°C的煙氣。
實施例4
利用實施例3中所述的裝置制取生物油。以自然風干、平均粒徑為3mm的玉米桿為原料(水分含量為10. 5%)，進料量為150kg/h，流化載氣流量為150Nm3/h，砂子溫度為 580°C、流量為500kg/h ;玉米桿在流化床中的熱解溫度為475°C，熱解氣的氣相滯留時間約為3s，生物油的產率為55%，不可冷凝氣的產率為22%。熱砂子和焦炭在過量空氣系數為1. 3 的工況下進行燃燒換熱，最后排出75°C的砂子和灰的混合物；同時高溫煙氣將500kg/h的砂子從室溫加熱至580°C，同時排出75°C的煙氣。`
權利要求
1.ー種生物質快速熱解制取生物油的裝置，包括料斗(I)、進料系統(2)、流化床快速熱解反應器(3)、氣固分離系統(4)、熱焦炭燃燒換熱系統(5)、冷砂子加熱系統(6)、熱解氣快速冷凝系統(7)和不可冷凝氣循環系統(8)，其特征在于 料斗(I)的出口與進料系統(2 )的入口相連，進料系統(2 )的出口與流化床快速熱解反應器(3)的側壁下端入口相連；流化床快速熱解反應器(3)底部入口與不可冷凝氣循環系統(8)的出口相連，上端出口與氣固分離系統(4)的進ロ相連；氣固分離系統(4)的出風ロ與熱解氣快速冷凝系統(7)的進ロ相連；熱解氣快速冷凝系統(7)的出ロ分為兩路，一路直接收集作為燃氣使用，另一路與不可冷凝氣循環系統(8)的入口相連； 所述熱焦炭燃燒換熱系統(5)包括多個旋風燃燒換熱器；所述的多個旋風燃燒換熱器自上而下串聯，該系統最上面為旋風燃燒換熱器第一単元(I)，向下依次為旋風燃燒換熱器第二単元(II)，……，旋風燃燒換熱器最末單元(N)，其中，N為不小于2的整數；旋風燃燒換熱器第一単元(I)的排料ロ與旋風燃燒換熱器第二単元(II)的進ロ相連，旋風燃燒換熱器第二単元(II)的出風ロ與旋風燃燒換熱器第一単元(I)的進ロ相連；旋風燃燒換熱器第ニ單元(II)的排料ロ與旋風燃燒換熱器第三單元(III)的進ロ相連，旋風燃燒換熱器第三単元(III)的出風ロ與旋風燃燒換熱器第二単元(II)的進ロ相連，依次類推至旋風燃燒換熱器最末単元(N);旋風燃燒換熱器第一単元(I)的進ロ還與氣固分離系統(4)的排料ロ相連，旋風燃燒換熱器第一単元(I)的出風ロ與冷砂子加熱系統(6)中的旋風換熱器第一單元(i)的進ロ相連；旋風燃燒換熱器最末單元(N)的排料ロ與收集箱相連，直接收集冷砂子和灰，旋風燃燒換熱器最末單元(N)的進ロ還與鼓風機相連，直接供入空氣； 所述冷砂子加熱系統(6)包括多個旋風換熱器；所述的多個旋風換熱器自下而上串聯，該系統最下面為旋風換熱器第一単元(i)，向上依次為旋風換熱器第二単元(ii)，……，旋風換熱器最末単元(n)，其中，n為不小于2的整數；旋風換熱器第一単元(i)的出風ロ與旋風換熱器第二単元(ii)的進ロ相連，旋風換熱器第二単元(ii)的出料ロ與旋風換熱器第一単元(i)的進ロ相連；旋風換熱器第二単元(ii)的出風ロ與旋風換熱器第三単元(iii)的進ロ相連，旋風換熱器第三單元(iii)的出料ロ與旋風換熱器第二單元(ii)的進ロ相連，依次類推至旋風換熱器最末単元(n);旋風換熱器第一単元(i)的出料ロ還與流化床快速熱解反應器(3)側壁下端開ロ相連；旋風換熱器最末單元(n)的進ロ還與供砂箱相連，直接供入冷砂子，旋風換熱器最末単元(n)的出風ロ直接與大氣相通，將冷煙氣排入大氣。
2.根據權利要求1所述的生物質快速熱解制取生物油的裝置，其特征在于所述進料系統(2)為兩級螺旋進料器。
3.根據權利要求1所述的生物質快速熱解制取生物油的裝置，其特征在于所述流化床快速熱解反應器(3)為快速流化床反應器。
4.根據權利要求1所述的生物質快速熱解制取生物油的裝置，其特征在于所述氣固分離系統(4)為旋風分離器。
5.根據權利要求1所述的生物質快速熱解制取生物油的裝置，其特征在于所述熱解氣快速冷凝系統(7)為噴霧與降膜復合冷凝系統。
6.ー種基于權利要求1-5任ー項裝置的生物質快速熱解制取生物油的方法，其特征在于，具有以下步驟將生物質原料送入流化床快速熱解反應器(3)，以來自不可冷凝氣循環系統(8)的不可冷凝氣為流化載氣，以來自冷砂子加熱系統(6)的熱砂子為熱載體，生物質在熱砂子與流化載氣的作用下，迅速受熱分解； 高溫熱解產物首先進入氣固分離系統(4)實現氣固分離； 氣固分離得到的固體進入熱焦炭燃燒換熱系統(5)，在多級旋風燃燒換熱器中，氣固分離得到的固體自上而下流動，冷空氣自下而上流動，氣固分離得到的固體通過燃燒和換熱后，成為冷灰和砂子從旋風燃燒換熱器最末單元(N)排出，冷空氣則首先預熱而后燃燒形成高溫煙氣；高溫煙氣進入冷砂子加熱系統(6)中，在多級旋風換熱器中，高溫煙氣自下而上流動將熱量傳遞給冷砂子，冷砂子自上而下流動吸收熱量而升溫，成為熱砂子，從旋風換熱器最末單元(n)排出后進入流化床快速熱解反應器(3)中； 氣固分離得到高溫氣體產物，進入熱解氣快速熱解冷凝系統(7)，經噴霧與降膜的復合冷凝后得到液體生物油，不可冷凝氣從出口流出后分為兩路，其中一路收集后作為燃氣使用，另一路則經不可冷凝氣循環系統(8)循環后送入流化床快速熱解反應器(3)的底部入ロ，作為流化載氣使用。
7.根據權利要求6所述的生物質快速熱解制取生物油的方法，其特征在于所述生物質原料為木質纖維素類生物質。
8.根據權利要求6所述的生物質快速熱解制取生物油的方法，其特征在于所述流化床快速熱解反應器(3)中的反應溫度為450-550°C，氣相滯留時間為0. l 5s。
9.根據權利要求6所述的生物質快速熱解制取生物油的方法，其特征在于所述熱焦炭燃燒換熱系統(5)中的焦炭與空氣燃燒的過量空氣系數為1. (Tl. 3。
10.根據權利要求6所述的生物質快速熱解制取生物油的方法，其特征在于所述冷砂子加熱系統(6)中熱砂子的出口溫度為55(T800°C。
全文摘要
本發明屬于生物質能利用技術領域，具體涉及一種生物質快速熱解制取生物油的裝置與方法。該裝置包括料斗、進料系統、流化床快速熱解反應器、氣固分離系統、熱焦炭燃燒換熱系統、冷砂子加熱系統、熱解氣快速冷凝系統、不可冷凝氣循環系統；其中熱焦炭燃燒換熱系統包含多個旋風燃燒/換熱器，用于實現焦炭的燃燒，并將燃燒釋放的熱量以及熱焦炭和砂子的顯熱全部轉移至燃燒高溫煙氣中；此外，冷砂子加熱系統包含多個旋風換熱器，將高溫煙氣的顯熱全部轉移至砂子，從而獲得高溫砂子，返回流化床快速熱解反應器中，提供熱解反應所需的熱量，從而實現自熱式的生物質快速熱解制取生物油。
文檔編號C10G1/00GK103031139SQ20121040432
公開日2013年4月10日 申請日期2012年10月22日 優先權日2012年10月22日
發明者董長青, 陸強, 張智博, 楊勇平 申請人:華北電力大學