CN101486918A - 新型喷动循环流化床木材快速热解装置及工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了新型喷动循环流化床木材快速热解装置及工艺方法。本装置由喷动流化床反应器、流化介质循环系统、监控系统、加热系统、进料系统、气固分离系统、生物炭收集系统、冷凝系统、流化介质除湿系统、稳压系统、不可冷凝气体收集系统等部分组成。其工艺方法包括将预处理过的物料加入到进料系统，控制装置的反应温度、流量等工艺参数，收集产物——生物油、生物炭以及生物气等工艺过程。本发明的木材快速热解装置结构简单、紧凑，工作稳定，物料适用范围大，易于自动控制；其工艺方法操作简单，运行成本低，生产效率高，产品质量好。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型喷动循环流化床木材快速热解装置及工艺方法，属于生物质再生利用及其能源化技术领域。
背景技术
寻求并开发包括木材资源在内的可再生清洁能源是21世纪世界各国面临的最重要课题之一。木材作为生物质的主要存在形式之一，是自然界可再生资源的重要组成部分，在生物质资源中占有十分重要的地位。将木材合理地转化为能源或化工原料对于减少常规化石资源消耗、弥补化工原料不足、减少环境污染，实现资源、环境与社会的可持续发展，具有重要现实意义和广阔前景。
快速热解技术将可以将低品位的木材资源转化为高品质的生物油，是目前国内外研究的热点，被认为是最具发展潜力的生物质能转换技术。快速热解是指在中温(500～650℃)、高加热速率(104～105℃/s)和极短气体停留时间(小于2s)的条件下，将生物质直接热裂解，然后使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前快速冷凝，从而得到高产量的生物油。生物油是一种棕褐色的液体，其含氧量极高，由醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等多种化合物组成。
快速热解装置的开发是快速热解技术发展的基础和关键。热解装置的类型和传热传质方式直接影响生物油的质量和产率。生物质在反应器内合适的流动方式、较高的热值传递速率、床层温度的均匀分布、准确的温度控制以及快速热解气相产物的快速冷凝，都是提高生物油产率的有效措施。为了提高生物油的产率，则以传热效率高、气相滞留期短、物料受热均匀的反应器为首选。目前，快速热解装置的类型很多，依据其有无气体载气可分为流态化快速热解装置和非流态化快速热解装置。
对于流态化快速热解装置而言，流化床、喷动床、循环流化床是其中最为典型的三种形式。这几种类型的快速热解装置各具特点，但至今还没有普遍公认为比较理想的快速热解装置，几乎在不同程度上都存在传热传质效率不高、结构复杂、运行成本高等问题。如传统的流化床在热解过程中易出现内分层和节涌的问题；喷动床存在环形隙区内气固接触不良和高床层时喷动不稳定的缺点；循环流化床的沙子需循环流动，不仅运行能耗高，而且设备体积较大、不紧凑。相应地，由于装置本身的不足，各种快速热解装置对生物质的处理工艺也存在一些问题，如操作繁琐、控温不精准等。我单位前期开发了第一代喷动循环流化床木质生物质快速热解设备(已申请专利并得到授权，授权号为：zl 2007201519336)从一定程度上解决了上述问题，但仍存在着进料不甚畅通、气固分离及冷凝效率不理想等不足。
发明内容
为了克服现有的几种流态化快速热解装置传热传质效率不高、结构不紧凑、控温不精准、运行成本高等不足，本发明提供了一种新型的喷动循环流化床快速热解装置及工艺方法，该发明有效地解决了上述技术问题。
本发明实现其目的的技术方案由新型喷动循环流化床快速热解装置及工艺方法组成。该新型喷动循环流化床快速热解装置由喷动流化床反应器、流化介质循环系统、监控系统、加热系统、进料系统、气固分离系统、生物炭收集系统、冷凝系统、流化介质除湿系统、稳压系统、不可冷凝气体收集系统等部分组成。
1.喷动流化床反应器
喷动流化床反应器集成了喷动床和流化床的良好结构，将流化气和系统循环气体合为一股气体。通过设置特殊结构的布风板可以实现反应器内的良好流化状态，该布风板的结构是中间设置通过喷动气体的大孔、外围设置通过流化气体的小孔，总开孔率为37％。反应器中装有惰性流化介质——陶瓷球，在布风板上设置了金属丝网。
2.流化介质除湿系统
流化介质除湿系统的设置可以有效地降低循环流化介质气体中的含水率，从而促进快速热解效率的提高。其包括有机玻璃箱以及其中的吸附剂。
3.监控系统
监控系统由计算机、数显仪表、传感器、数据采集系统、执行机构等几部分构成。数据采集系统包括温度、流量、湿度和压力。控制系统主要是控温部分及阀门调节，控温是利用可控硅整流器实现的。
4.加热系统
加热系统是由位于喷动流化床反应器外壁上的主加热系统和位于反应器进气管路壁上的预加热系统组成，采用电加热。
5.流化气体循环系统
流化介质循化系统由罗茨风机和连接管路组成。连接管路包括各种硬不锈钢钢管、软管以及波纹不锈钢管等。
6.进料系统
进料系统包括料仓、无级调频电机、螺旋进料器、振动器等部件。该无机调频电机，其设置频率范围为0～90Hz。振动器的作用是用来消除物料之间的搭桥、堵塞等不良进料现象，其在物料进入困难时开启使用。
7.气固分离系统
气固分离系统由二级旋风分离器构成。
8.生物炭收集系统
生物炭收集系统是位于二级旋风分离器下的炭箱，中间由阀门连接。装置工作时，须开启阀门；当装装置工作一段时间后，关闭阀门，打开炭箱，除去炭。
9.冷凝系统
冷凝系统为鼓泡式二次喷淋冷凝器(已申请专利且初步审查合格，申请号为2008101348064)。外壳为为圆筒状有机玻璃，冷凝器内部装有环形铜管换热器和一金属进气管；进气管顶部设有喷淋头，在垂直环形铜管换热器的正上方有一环形雾化喷淋管；冷凝器下部为热解油冷凝液；还包括循环泵和外置冷凝水循环管路等。
10.稳压系统
稳压系统指装置中的缓冲罐，其包括金属罐以及其中的金属丝网。
11.不可冷凝气体收集系统
不可冷凝收集系统包括排空连接管路以及储气罐。反应过程中会产生不可冷凝气体，其中一部分用作循环流化介质，另一部分须排除装置，进入储气罐，以保证装置中流量及压力较为恒定。
使用新型喷动循环流化床进行木材的快速热解可由如下的工艺方法实现。
1.打开计算机、监控仪表等，运行监控系统。
2.打开可控硅调压器以及电压调频器，运行加热系统，设置加热温度为500～600℃。
3.打开罗茨风机，开启连接管路中的阀门，运行流化气体循环系统，设置系统内流化气体流量为6～12m3/h。
4.打开除湿罐和缓冲罐上的阀门，运行流化介质除湿系统和稳压系统。
5.打开冷凝器的循环泵以及外置冷凝水循环管路，运行冷凝系统。
6.待喷动流化床反应器内部加热到所需的设定温度后，运行进料系统，设置无机调频电机频率为10～30Hz，将适当含水率和粒径的物料加入到料仓中。反应开始进行，调节排空气体连接管路中的阀门，将部分不可冷凝器收集到储气罐中。观察监控系统中显示的温度、流量、压力、湿度等工作参数，保证装置的良好运行。
7.工作一段时间后，关闭分离器下的阀门，打开炭箱，除去生物炭。
8.待物料全部进入并反应结束后，关闭加热系统。当反应器温度降到150℃后，关闭罗茨风机及冷凝器的循环泵。工作结束。
本发明所提出的新型喷动循环流化床及工艺方法，综合了喷动床和流化床的技术优点，并将快速热解产生的不可冷凝气体循环利用作为喷动、流化和反应保护气，与现有的同类技术相比具有以下突出的优点及积极效果。
1.本发明所公开的喷动流化床反应器综合了“喷动”、“流化”二者的优点，利用合理的布风板设计，将流化气和喷动气分开，避免设置辅助流化气体通道，使得新型喷东循环流化床结构简单，设备紧凑。
2.本发明所公开的带振动器的螺旋进料器可连续稳定进料，振动器可有效防止生物质物料“搭桥”现象的发生，生产效率高。稳压系统和流化介质除湿系统的设置保证了装置内工作状态的稳定。将不可冷凝气体用作循环流化介质，这既利用了尾气，又节约了常规使用其它惰性气体作为保护气的额外费用，环保节能，运行成本低。
3.本发明所公开的新型喷动循环流化床快速热解设备工作时只需调节温度、流量等参数即可，易于实现自动控制。
4.本发明所公开的新型喷动循环流化床快速热解设备不仅适用于落叶松、樟子松、杨木、桦木等实木的快速热解，也可以进行废旧刨花板、枝丫材、间伐材等废弃木质材料的快速热解处理，物料适用范围大。二级旋风分离器气固分离效率高，除炭彻底；研发的鼓泡式二次喷淋冷凝装置将水浴冷凝和二次喷淋冷凝进行了有机的结合，对一次喷淋、进而水浴之后的热解气体进行二次喷淋，冷凝效果好。这些系统的设置使得主产物——生物油的质量好、产率高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图一是本发明新型喷动循环流化床的组成原理图。
图一中1.监控系统，2.主加热系统，3.预加热系统，4.循环管路，5.无级调频电机，6.螺旋进料器，7.振动器，8.喷动流化床反应器，9.一级旋风分离器，10.二级旋风分离器，11.一级生物炭收集箱，12.二级生物炭收集箱，13.冷凝水进水管，14.冷凝水回水管，15.循环泵，16.流化介质除湿系统，17.罗茨风机，18.稳压系统、19.不可冷凝气体收集系统。
具体实施方式
通过以下两个实施例说明新型喷东循环流化床木材快速热解装置及其工艺方法的具体实施方式。
实施例一：
如附图所示，实现本发明的具体实施例为：将进料量为5Kg/h的新型喷动循环流化床用于处理落叶松。其装置构成为：1.监控系统，2.主加热系统，3.预加热系统，4.循环管路，5.无级调频电机，6.螺旋进料器，7.振动器，8.喷动流化床反应器，9.一级旋风分离器，10.二级旋风分离器，11.一级生物炭收集箱，12.二级生物炭收集箱，13.冷凝水进水管，14.冷凝水回水管，15.循环泵，16.流化介质除湿系统，17.罗茨风机，18.稳压系统、19.不可冷凝气体收集系统。
其工艺方法为：首先打开计算机、监控仪表、可控硅调压器以及电压调频器，运行监控及加热系统。
设置喷动流化床反应器内的温度为550℃。打开罗茨风机，调节管路中的循环风量为6m3/h，开启连接管路中的阀门，运行流化介质循环系统。打开除湿罐和缓冲罐上的阀门，运行流化介质除湿系统和稳压系统。打开冷凝器的循环泵以及外置冷凝水循环管路，运行冷凝系统。待喷动循环流化床反应器内部加热到所需的设定温度后，运行进料系统，设置无机调频电机频率为10Hz，将适当含水率为8％、粒径为0.45～0.9mm的落叶松木粉加入到料仓中。反应开始进行，调节排空气体连接管路中的阀门，将部分不可冷凝器收集到储气罐中。观察监控系统中显示的温度、流量、压力、湿度等工作参数，保证装置的良好运行。工作一段时间后，关闭分离器下的阀门，打开炭箱，除去生物炭。待物料全部进入并反应结束后，关闭加热系统。当反应器温度降到150℃后，关闭罗茨风机及冷凝器的循环泵。工作结束。
实施例二：
如附图所示，实现本发明的具体实施例为：将进料量为15Kg/h的新型喷动循环流化床用于处理杨木。其装置构成为：1.监控系统，2.主加热系统，3.预加热系统，4.循环管路，5.无级调频电机，6.螺旋进料器，7.振动器，8.喷动流化床反应器，9.一级旋风分离器，10.二级旋风分离器，11.一级生物炭收集箱，12.二级生物炭收集箱，13.冷凝水进水管，14.冷凝水回水管，15.循环泵，16.流化介质除湿系统，17.罗茨风机，18.稳压系统、19.不可冷凝气体收集系统。
其工艺方法同实施例一。
设置喷动流化床反应器内的温度为650℃。打开罗茨风机，调节管路中的循环风量为8m3/h，开启连接管路中的阀门，运行流化介质循环系统。打开除湿罐和缓冲罐上的阀门，运行流化介质除湿系统和稳压系统。打开冷凝器的循环泵以及外置冷凝水循环管路，运行冷凝系统。待喷动循环流化床反应器内部加热到所需的设定温度后，运行进料系统，设置无机调频电机频率为15Hz，将适当含水率为8％、粒径为0.45～0.9mm的落叶松木粉加入到料仓中。反应开始进行，调节排空气体连接管路中的阀门，将部分不可冷凝器收集到储气罐中。观察监控系统中显示的温度、流量、压力、湿度等工作参数，保证装置的良好运行。工作一段时间后，关闭分离器下的阀门，打开炭箱，除去生物炭。待物料全部进入并反应结束后，关闭加热系统。当反应器温度降到150℃后，关闭罗茨风机及冷凝器的循环泵。工作结束。
Claims (13)
1.新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是由喷动流化床反应器、流化介质除湿系统、监控系统、加热系统、流化介质循环系统、进料系统、气固分离系统、生物炭收集系统、冷凝系统、稳压系统、不可冷凝气体收集系统等部分构成。
2.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其监控系统由计算机、数显仪表、传感器、数据采集系统、控制系统，执行机构等几部分构成。数据采集系统包括温度计、流量计、湿度计和压力表。
3.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其加热系统是由位于喷动流化床反应器外壁上的主加热系统和位于反应器进气管路壁上的预加热系统组成，采用电加热。
4.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其流化介质循化系统由罗茨风机和连接管路构成。连接管路包括各种硬钢管、软管以及波纹管。
5.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其进料系统包括料仓、无级调频电机、螺旋进料器、振动器等部件。
6.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其喷动流化床反应器设置了一定结构的布风板，装有惰性流化介质——陶瓷球，在布风板上设置了金属丝网。
7.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其气固分离系统采用二级旋风分离器。
8.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其生物炭收集系统是位于二级旋风分离器下的炭箱，中间由阀门连接。
9.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其冷凝系统为鼓泡式二次喷淋冷凝器。外壳为为圆筒状有机玻璃，冷凝器内部装有环形铜管换热器和一金属进气管；进气管顶部设有喷淋头，在垂直环形铜管换热器的正上方有一环形雾化喷淋管；冷凝器下部为热解油冷凝液；还包括循环泵和外置冷凝水循环管路等。
10.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其流化介质除湿系统包括有机玻璃箱以及其中的吸附剂。
11.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其稳压系统即装置中的缓冲罐，包括金属罐以及其中的缓冲介质。
12.根据权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置，其特征是：其不可冷凝气体收集系统包括排空连接管路以及储气罐。
13.采用权利要求1所述的新型喷动循环流化床快速热解装置进行木材快速热解的工艺方法，其特征是：包括将预处理过的物料加入到进料系统，控制装置的反应温度、流量等工艺参数，收集产物——生物油、生物炭以及生物气等工艺过程，具体而言其特征是包括以下步骤及条件。
a.打开计算机、监控仪表等，运行监控系统。
b.打开可控硅调压器以及电压调频器，运行加热系统，设置加热温度为500～650℃。
c.打开罗茨风机，开启连接管路中的阀门，运行流化气体循环系统，设置系统内流化气体流量为6～12m3/h。
d.打开除湿罐和缓冲罐上的阀门，运行流化介质除湿系统和稳压系统。
e.打开冷凝器的循环泵以及外置冷凝水循环管路，运行冷凝系统。
f.待喷动流化床反应器内部加热到所需的设定温度后，运行进料系统，设置无机调频电机频率为10～30Hz，将适当含水率和粒径的物料加入到料仓中。反应开始进行，调节排空气体连接管路中的阀门，将部分不可冷凝器收集到储气罐中。观察监控系统中显示的温度、流量、压力、湿度等工作参数，保证装置的良好运行。
g.工作一段时间后，关闭分离器下的阀门，打开炭箱，除去生物炭。
h.待物料全部进入并反应结束后，关闭加热系统。当反应器温度降到150℃后，关闭罗茨风机及冷凝器的循环泵。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C57 | Notification of unclear or unknown address | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Xu Beifeng Document name: Notification of Publication of the Application for Invention |
|
| C57 | Notification of unclear or unknown address | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Xu Beifeng Document name: Notification that Application Deemed not to be Proposed |
|
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Beijing Hairunchuan Investment Consultation Co., Ltd. Xu Beifeng Document name: Notification of before Expiration of Request of Examination as to Substance |
|
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Beijing Hairunchuan Investment Consultation Co., Ltd. Xu Beifeng Document name: Notification that Application Deemed to be Withdrawn |
|
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20090722 |