本實用新型涉及生物質熱解，具體涉及一種快速熱解生物質的系統。
背景技術：
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。慢速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，低溫熱解的加熱溫度為500℃-580℃，中溫熱解溫度為660℃-750℃，高溫熱解的溫度為900℃-1100℃。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10-200℃/s)和反應溫度(控制在500℃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，其比例一般可達到原料質量的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，再迅速冷卻，最大限度地增加了液態產物油。
現有的生物質熱解工藝較復雜，且熱解爐熱解效率低，導致熱解生物質的成本高。
技術實現要素：
本實用新型的目的是為了提供一種工藝簡單、成本低廉的快速熱解生物質的新工藝。
本實用新型提供了一種快速熱解生物質的系統，該系統包括：
下行床快速熱解反應器，具有熱解原料入口、熱解油氣出口和半焦出口；
兩級旋風分離器，具有熱解油氣入口和凈油氣出口，所述熱解油氣入口與所述下行床快速熱解反應器的熱解油氣出口相連；
冷凝器，具有凈油氣入口、生物油出口和熱解氣出口，所述凈油氣入口與所述兩級旋風分離器的凈油氣出口相連；
凈化塔，具有熱解氣入口、凈化氣出口，熱解氣入口與所述冷凝器的熱解氣出口相連；
所述下行床快速熱解反應器包括反應器本體、輻射管和多層擋板；所述輻射管為多個，水平同方向間隔排布在所述反應器本體內的不同高度，相鄰高度層的所述輻射管錯列布置；所述擋板傾斜設置在所述反應器本體內，最上層擋板位于所述反應器本體高度的1/2-2/3處。
在本實用新型的一個實施方案中，所述系統還包括破碎裝置，所述破碎裝置具有生物質入口和破碎生物質出口，所述破碎生物質出口與所述下行床快速熱解反應器的熱解原料入口相連。
在本實用新型的一個實施方案中，所述系統還包括烘干裝置，所述烘干裝置具有破碎生物質入口和烘干生物質出口，所述破碎生物質入口與所述破碎裝置的破碎生物質出口相連，所述烘干生物質出口與所述下行床快速熱解反應器的熱解原料入口相連。
在本實用新型的一個實施方案中，所述輻射管的上側安裝有頂蓋，所述頂蓋的頂角為60°-90°，所述頂蓋的垂直截面的寬度為所述輻射管直徑的1.1-1.5倍。
在本實用新型的一個實施方案中，所述擋板的長度為所述輻射管直徑的1-2倍。
本實用新型提供的熱解生物質的系統結構簡單、操作方便，熱解效果好、經濟效益高。
本實用新型采用了下行床快速熱解反應器熱解生物質，無熱載體，反應工藝簡單，且溫度分布均勻，系統熱效率高。其內部溫度場由輻射管提供，同時根據通過控制不同的溫度區域來精確的調節干燥脫水區、熱解反應區、半焦生成區的溫度，可操作性強，燃燒效率高，節能效果好。
熱解產物中的熱態半焦由熱解爐底部排出，經排渣冷卻螺旋冷卻得到冷態半焦直接進入半焦收集裝置，對熱態焦油和熱解氣分別冷卻凈化處理，對熱解產品進行了綜合利用。
附圖說明
圖1為本實用新型一實施例提供的一種快速熱解生物質的結構示意圖。
圖中：1、進料料斗；2、下行床快速熱解反應器；3、一級旋風除塵器；4、二級旋風除塵器；5、半焦收集裝置；6、冷凝器；7、冷凝水管路；8、儲油罐；9、凈化塔；10、集氣罐；11、料斗；12、提升管。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本實用新型的方案及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本實用新型的限制。
需要說明的是，本實用新型中的“輻射管”指得是蓄熱式無熱載體輻射管。其次，術語“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型，而不是要求本實用新型必須以特定的方位構造和操作，因此，不能理解為對本實用新型的限制。
如圖1所示，本實用新型提供的熱解生物質的系統包括：進料料斗1、下行床快速熱解反應器2(本申請中也簡稱反應器)、一級旋風除塵器3、二級旋風除塵器4、半焦收集裝置5、冷凝器6、冷凝水管路7、儲油罐8、凈化塔9、集氣罐10、料斗11和提升管12。
進料料斗1具有生物質入口和生物質出口。
參考圖1，本實用新型使用的下行床快速熱解反應器2包括反應器本體、輻射管和擋板。反應器本體上設有熱解原料入口、半焦出口、燃料氣進口、空氣入口、煙氣出口和熱解油氣出口，其中，熱解原料入口與進料料斗1的生物質出口相連。輻射管為多個，水平同方向間隔排布在反應器本體的不同高度，相鄰高度層的輻射管錯列布置。擋板為多個，擋板傾斜設置于兩層輻射管之間。輻射管的上方安裝有頂蓋。
本實用新型提供的下行床快速熱解反應器采用了蓄熱式無熱載體輻射管加熱技術，無需氣、固熱載體，提高了熱解氣的熱值，該反應器結構簡單、占地面積小，易于工業化。
輻射管的上側的頂蓋能有效地起到保護輻射管不受受到物料沖刷，延長輻射管的使用壽命。頂蓋的形狀并不需要限定，其形狀優選為開口向下且具有一個頂角，這樣設置可避免生物質滯留在頂蓋上，也可以對生物質起到引流作用。頂角的角度主要影響生物質在頂蓋上停留的時間。頂角太大，生物質容易堆積到頂蓋上；太小，生物質在頂蓋上的停留時間短，熱解效果不好。頂蓋的垂直截面的寬度過長會影響輻射管熱量的有效利用，過短對分散物料的作用不大。頂角的角度優選為60°-90°，頂蓋的垂直截面的寬度優選為輻射管直徑的1.1-1.5倍。
生物質從入口進入爐內中，從上到下經過輻射管后會被分散，分散的物料如果不經過減速或改變方向則大部分會從兩根輻射管中間的空隙落下，既減少了壁面傳熱效率又縮短了物料在反應器內的停留時間，如果想增加物料在爐內的熱解時間則必然要加高反應器的高度，增加占地面積及投資，效益降低。通過模擬發現，兩層輻射管之間加入擋板能有效地的改善對物料在反應器2中的分布，使其充分打散，最大面積的讓生物質參與爐內傳熱。
生物質從進料口進入后，開始下落，碰到擋板和頂蓋后，被彈起，然后再下落；生物質每碰到一次擋板和頂蓋，即被彈到一定高度，其下落速度被減緩，因此，增加了生物質在熱解反應器內的停留時間。而且，擋板和頂蓋還起到對生物質的引流作用，增加了生物質在反應器本體內移動的距離，這也能增加生物質在熱解反應器內的停留時間。
因此，添加擋板和頂蓋后，反應器的高度可降低。若不改變反應器本體的高度，添加擋板和頂蓋后，可將輻射管的垂直間距加大，從而可減少反應器內輻射管的數量。此外，擋板還可以起到打散物料的作用，提高生物質的熱解效果。
擋板和頂蓋的材質，優選為金屬，金屬的熱傳導性好，能提高生物質熱解的效果。
擋板的具體位置、形狀并不需要特別限定。為了更好的起到引流的作用，上下相鄰兩層的擋板最好錯列布置。擋板可以根據需要設置在某層輻射管的上方或下方，擋板的最佳位置為兩層輻射管的正中間，即與上下兩層輻射管之間的垂直距離相等。同一層的擋板可以都往左傾斜，也可都往右傾斜，但為了更好的起到引流作用，可一左一右傾斜設置，配套使用。
如圖1所示，擋板最好設置在反應器本體的中下部，最上層擋板位于反應器本體高度的1/2-2/3處。
可將兩個擋板組成開口向下的擋板組件，該開口的角度優選為60°-90°；也可將擋板的一端連在反應器本體的內側壁上，擋板與反應器本體內側壁形成15°-60°的夾角。圖1所示的反應器2包括這兩種設置方式，需要說明的是，反應器2可只包括其中一種設置方式。
如圖1所示，上述擋板組件優選設置在兩個輻射管之間的空隙的上方，其最佳位置為兩個輻射管之間的空隙的正上方，即擋板組件與該兩個輻射管之間的水平距離相等，能保證停留在擋板上的生物質受熱均勻。
擋板的長度優選為輻射管的直徑的1-2倍。擋板的長度主要影響生物質在擋板上的停留時間及生物質在反應器內的移動的軌跡。擋板的長度越長，生物質在擋板上的停留時間越長，但生物質無法均勻的分散到下層輻射管；擋板的長度越短，生物質在擋板上的停留時間越少。
參考圖1，根據本實用新型的實施例，反應器2和進料漏斗1之間還連接有螺旋進料器，反應器2的半焦出口與螺旋出料器相連。進料料斗1和螺旋進料器用于將生物質送入反應器2中，螺旋出料器用于將生物質熱解后產生的固體產物運送至下一工段。螺旋進料器和螺旋出料器并不是必要裝置，可視現場情況和具體的工藝決定是否要添加。
還可將螺旋出料器與一間冷裝置相連，用冷卻介質冷卻從螺旋出料器排出的高溫半焦，并回收熱量。
輻射管為公稱直徑為200-300mm的圓形管，左右相鄰的兩輻射管的水平間距為200-400mm，上下相鄰的兩輻射管的豎直間距為500-1200mm。
如圖1所示，輻射管錯列分布于反應器2內，輻射管為單向蓄熱式輻射管，輻射管按層單獨控溫。
反應器本體的高度為5-20m、寬度(其內壁的寬度)為2-6m、長度(其內壁的長度)為5-15m，反應器本體中輻射管的層數為10-25層。燃料氣進口和空氣入口分別與輻射管相連。
如圖1所示，熱解油氣從右上側部出來，并利用兩級旋風分離結構除去熱解油氣中的固體半焦，降低了焦油含塵量，以便后續能對熱解油氣進一步加工。圖1所示的除塵裝置包括兩個一級旋風除塵器3和兩個二級旋風除塵器4，旋風除塵器除塵效率高，兩級除塵能有效的將熱解油氣中的半焦清除。當然，也可選用其他除塵裝置。
如圖1所示，一級旋風除塵器3和二級旋風除塵器4具有熱解油氣入口、凈油氣出口和排灰口，其中，一級旋風除塵器3的進氣口與下行床快速熱解反應器2的熱解油氣出口相連。從二級旋風除塵器4排出的半焦進入半焦收集裝置5中儲存，另做他用。
冷凝器6具有凈化油氣入口、熱解油出口和熱解氣出口；凈化油氣入口和一級旋風除塵器3的凈化油氣出口相連。如圖1所示，冷凝器6連接有冷凝水管路7，用循環水與從高溫油氣換熱，冷卻高溫油氣，并回收熱量。當然，也可采用其他方式冷卻高溫油氣。
高溫油氣冷卻后，其中的熱解油變為液體，從熱解油出口排出，進入儲油罐8中儲存，剩下的熱解氣送入凈化塔9中再次凈化后，再送往集氣罐10中儲存。
如圖1所示，進料料斗1前還設有料斗11和提升管12。提升管12內通有熱空氣，在輸送的過程中干燥生物質。料斗11和提升管12之間用螺旋進料器連接。提升管12設有進料口、熱空氣入口、出料口和空氣出口。
生物質經料斗11由提升管12送入進料料斗1中進行熱解。提升管12中通入了200℃-250℃的熱空氣，在輸送的過程中一并對生物質進行干燥。
熱解后的半焦由螺旋出料器排出，冷卻后儲存。熱解油氣從反應器2的側部排出，經過一級旋風分離器3和二級旋風分離器4后收集下來的細半焦進入半焦收集裝置5，經過兩級旋風分離后較純凈的熱解油氣送入冷凝器6內快速冷卻，熱解油蒸汽被冷卻，形成熱解油進入儲油裝置8，從冷凝器6出來的熱解氣進入凈化塔9中再次凈化后，再送往集氣罐10中儲存備用。
下面參考具體實施例，對本實用新型進行說明。下述實施例中所取工藝條件數值均為示例性的，其可取數值范圍如前述實用新型內容中所示。下述實施例所用的檢測方法均為本行業常規的檢測方法。
實施例1
利用圖1所示的系統對玉米秸稈進行熱解處理。反應器2中，由兩個擋板組成開口向下的擋板組件的開口的角度為90°，擋板與反應器本體內側壁形成的夾角為50°，頂蓋的頂角為80°，頂蓋的垂直截面的寬度為300mm，擋板的長度均為400mm，輻射管均為是公稱直徑為200mm的圓形管，左右相鄰的兩輻射管的水平間距為400mm，上下相鄰的兩輻射管的豎直間距為1200mm。反應器本體的高度為20m、內壁的寬度為6m、內壁的長度為15m，有25層輻射管。
該玉米秸稈的成分分析如表1所示。熱解工藝具體如下：
將玉米秸稈干燥、破碎，選取粒徑≤2mm的玉米秸稈送入反應器2中進行熱解。往提升管11中通入200℃的熱空氣。每根輻射管單獨控溫，反應器自上而下設有三個區：干燥脫水區、熱解反應區和半焦生成區。往輻射管中分別通入燃料氣和空氣，將干燥脫水區的溫度控制在600℃、熱解反應區的溫度在控制650℃，半焦成熟區的溫度控制在500℃。玉米秸稈自上而下依次通過干燥脫水區、熱解反應區和半焦生成區，完成熱解過程。調節熱解反應區的輻射管的數量，使得玉米秸稈通過熱解反應區的時間為2s。熱解產生的熱解油氣經過兩級旋風除塵后冷凝分離成熱解油和熱解氣，分別收集儲存。半焦冷卻后，也收集儲存。
熱解還會產生煙氣，煙氣從煙氣出口中排出反應器本體外，煙氣與空氣換熱后會降溫至200℃左右。將降溫后的煙氣用于干燥進入反應器2的玉米秸稈，這樣能進一步提高反應器效率和燃燒效率。
本實施例具體的工藝操作參數請見表2。表3為本實施例的物料平衡表。
實施例2
利用圖1所示的系統對木屑進行熱解處理。反應器2中，由兩個擋板組成開口向下的擋板組件的開口的角度為60°，擋板與反應器本體內側壁形成的夾角為30°，頂蓋的頂角為60°，頂蓋的垂直截面的寬度為400mm，擋板的長度均為300mm，輻射管均為是公稱直徑為300mm的圓形管，左右相鄰的兩輻射管的水平間距為300mm，上下相鄰的兩輻射管的豎直間距為1000mm。反應器本體的高度為20m、內壁的寬度為6m、內壁的長度為15m，有25層輻射管。
該木屑的成分分析如表4所示。熱解工藝具體如下：
將木屑干燥、破碎，選取粒徑≤1mm的木屑送入反應器2中進行熱解。往提升管11中通入250℃的熱空氣。每根輻射管單獨控溫，反應器自上而下設有三個區：干燥脫水區、熱解反應區和半焦生成區。往輻射管中分別通入燃料氣和空氣，將干燥脫水區的溫度控制在700℃、熱解反應區的溫度在控制550℃，半焦成熟區的溫度控制在600℃。木屑自上而下依次通過干燥脫水區、熱解反應區和半焦生成區，完成熱解過程。調節熱解反應區的輻射管的數量，使得木屑通過熱解反應區的時間為10s。熱解產生的熱解油氣經過兩級旋風除塵后冷凝分離成熱解油和熱解氣，分別收集儲存。半焦冷卻后，也收集儲存。
熱解還會產生煙氣，煙氣從煙氣出口中排出反應器本體外，煙氣與空氣換熱后會降溫至200℃左右。將降溫后的煙氣用于干燥進入反應器2的木屑，這樣能進一步提高反應器效率和燃燒效率。
本實施例具體的工藝操作參數請見表5。表6為本實施例的物料平衡表。
表1玉米秸稈的成分分析
表2工藝操作參數
表3物料平衡表
表4木屑的成分分析
表5工藝操作參數
表6物料平衡表
從表3和表6可知，本實用新型提供的系統能有效的熱解生物質。
綜上可知，本實用新型提供的熱解生物質的系統結構簡單、操作方便，熱解效果好、經濟效益高。
本實用新型采用了下行床快速熱解反應器熱解生物質，無熱載體，反應工藝簡單，且溫度分布均勻，系統熱效率高。其內部溫度場由輻射管提供，同時根據通過控制不同的溫度區域來精確的調節干燥脫水區、熱解反應區、半焦生成區的溫度，可操作性強，燃燒效率高，節能效果好。
熱解產物中的熱態半焦由熱解爐底部排出，經排渣冷卻螺旋冷卻得到冷態半焦直接進入半焦收集裝置，對熱態焦油和熱解氣分別冷卻凈化處理，對熱解產品進行了綜合利用。
其次，反應器內設置了擋板，擋板能增加生物質在熱解反應器內停留的時間。因此，添加擋板后，反應器的高度可降低。若不改變反應器本體的高度，添加擋板后，可將輻射管的垂直間距加大，從而可減少反應器內輻射管的數量。而且，擋板還可以起到打散物料的作用，提高生物質的熱解效果。此外，輻射管上方安裝有頂蓋，頂蓋能有效地起到保護輻射管不受受到物料沖刷，延長輻射管的使用壽命。
需要說明的是，以上參照附圖所描述的各個實施例僅用以說明本實用新型而非限制本實用新型的范圍，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本實用新型的精神和范圍的前提下對本實用新型進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本實用新型的范圍之內。此外，除非特別說明，那么任何實施例的全部或一部分可結合任何其它實施例的全部或一部分來使用。