CN101525545A

CN101525545A - 工业化连续的农林生物质快速热解炼油方法及其装置

Info

Publication number: CN101525545A
Application number: CN200910081839A
Authority: CN
Inventors: 常建民; 张立塔; 穆放; 李�瑞; 王鹏起; 苟进胜; 任学勇
Original assignee: Beijing Hairunchuan Investment Consultation Co Ltd
Current assignee: Beijing Hairunchuan Investment Consultation Co Ltd
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2009-09-09

Abstract

本发明涉及一种工业化连续的农林生物质快速热解炼油方法及其装置，属于生物质再生利用及其能源化技术领域。将粉碎、干燥后的农林生物质物料从底部进入热解反应器中反应，产生炭和热解气，进入气固分离器，其中热解气随循环气体进入冷凝器，热解气经冷凝后得到的生物油，不凝气体进入反应系统经混燃炉加热继续循环使用。本发明的快速热解炼油方法和装置，利用体系中产生的不凝结气体作为循环流化介质气体和供热燃气，高效进行农林生物质的快速热解、气固分离、冷凝油化，而且实现了体系内部的良好循环。反应器结构合理、机构紧凑，装置整体运行稳定、可工业化连续生产应用。

Description

工业化连续的农林生物质快速热解炼油方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种工业化连续的农林生物质快速热解炼油方法及其装置，属于生物质再生利用及其能源化技术领域。

背景技术

生物质快速热解炼油是高效利用农林生物质能资源的现代化高新技术。相对于传统热解，它采用超高加热速率(10²-10⁴K/s)，超短产物停留时间(0.2-3s)及适中的热解温度，使生物质中的有机高聚物分子在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子，使焦炭和不凝结气体降到最低限度，从而最大限度获得液体产品——生物油。生物油为棕黑色黏性液体，热值达20-22MJ/kg，可直接作为燃料使用，也可经精制成为化石燃料的替代物。焦炭可作为活性炭或燃料使用，不凝结气体也是优质气体燃料。因此，随着化石燃料资源的逐渐减少，生物质快速热解炼油的研究在国际上引起了广泛的兴趣。

已有的对生物质快速热解炼油的技术有流化床和循环流化床快速热解技术，流化床反应器的床料是沙子，流化介质为惰性载气，如氮气、氦气等，流化介质在可控的加热器中加热后吹入流化床内。除了流化介质提供热量以外，反应器外部的加热套也可以为床中的沙子和床内自由空间提供所需热量。通过调节沙子、生物质粒径、反应床的流化速度和反应器的尺寸等参数，可以实现流化介质从反应器中吹走反应产生的炭而保留沙子，吹走的热解气和炭在经过气固分离后通过冷凝得到生物油，实现对生物质的快速热解炼油循环流化床也需要惰性的循环流化介质，与流化床不同的是，床料在反应器中是经过气固分离后循环使用的。

上述传统的流化床快速热解技术在热解过程中易出现内分层和节涌的问题，而且需要昂贵的惰性保护及流化气体；循环流化床快速热解技术在处理生物质时，反应器内的沙子需循环流动，不仅运行能耗高，而且设备体积较大、不紧凑。

发明内容

本发明的目的是提出工业化连续的农林生物质快速热解炼油方法及其装置，以克服现有快速热解技术存在的结构复杂、运行成本高、工业化放大困难、运行不稳等问题，达到运行稳定、工业化连续生产应用的目的。

本发明提出的工业化连续的农林生物质快速热解炼油方法，包括以下步骤：

(1)将农林生物质物料粉碎，粉碎后的颗粒度为0.25-2mm，经干燥使农林生物质物料的含水率低于10％；

(2)使上述干燥后的物料从底部进入热解反应器中反应，产生炭和热解气，炭和热解气随热解反应器中的循环气体从反应器的顶部排出，反应温度为425℃-575℃，反应时间为0.5秒-3秒；

(3)炭和热解气随循环气体进入气固分离器，其中炭从气固分离器底部的固相出口排出，热解气随循环气体从气固分离器顶部的气相出口排出；

(4)随循环气体进入冷凝器，热解气经冷凝后得到的生物油进入储油罐，不凝气体从冷凝器顶部排出；

(5)从冷凝器顶部排出的不凝气体进入储气罐，储气罐中不凝气体的5-20％进入反应系统经混燃炉加热继续循环使用，80-95％直接进入混燃炉燃烧；

(6)将上述储油罐中的生物油泵入换热器中，经冷凝水降温后进入上述冷凝器的顶部循环用作冷凝介质。

本发明提出的工业化连续的农林生物质快速热解炼油装置，包括：

混燃炉，用于使燃料及不凝气体燃烧，为上述快速热解反应器提供热量，混燃炉的进气口与储气罐相连，混燃炉的烟气出口与升温换热器相连；

升温换热器，用于使循环气体加热，升温换热器的烟气进口与上述混燃炉相连，升温换热器的烟气出口排空，升温换热器的循环气体进口通过风机与冷凝器的顶部相连，升温换热器的循环气体出口与快速热解反应器底部进气口相连；

快速热解反应器，用于使干燥粉碎后的物料进行热解反应，得到热解气和炭，快速热解反应器的下部设有进料口，底部进气口与升温换热器相连，快速热解反应器的上部与气固分离器的入口相连；

气固分离器，用于使上述热解反应得到的炭和热解气分离，气固分离器的进口与上述热解反应器顶部的出口相连；

冷凝器，用于使上述气固分离得到的热解气冷凝，得到生物油，冷凝器的进口与气固分离器顶部的气相出口相连；

冷凝换热器，用于使冷凝器中的生物油降温，冷凝换热器的进口通过泵与冷凝器底部的出口相连，冷凝换热器的出口与冷凝器顶部相连。

上述快速热解炼油装置中，快速热解反应器的下部设有布风板，布风板由上板、下板和上下板之间的钢丝网组成，上板和下板上分别设有喷动孔和流化孔，上、下喷动孔同轴，上、下流化孔同轴，喷动孔的直径与热解反应器的直径之比为0.25-0.45∶1，喷动孔及流化孔的总开孔率为30％-50％。

本发明提出的工业化连续的农林生物质快速热解炼油方法及其装置，利用体系中产生的不凝结气体作为循环流化介质气体和供热燃气，不仅可以高效进行农林生物质的快速热解、气固分离、冷凝油化，而且实现了体系内部的良好循环。反应器结构合理、机构紧凑，装置整体运行稳定、可工业化连续生产应用。本发明的快速热解炼油方法及其装置，与现有的同类技术相比具有以下优点及技术效果：

1、本发明所公开的快速热解方法及装置不仅适用于棉花秸秆、玉米芯、麦壳等农业生物质，而且适用于落叶松、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，还可以尝试着用于废旧轮胎、污泥、油页岩等物料的快速热解炼油处理，物料适用范围大。

2、本快速热解反应器主体采用采用流态化的技术原理，为分段式设计(包括热解反应区和平衡区)。设计的布风板设有喷动孔及流化孔，可将流化气和喷动气分开，避免设置辅助流化气体通道，使得结构简洁、机构紧凑，生物质处理量大，可连续生产运行。

3、本快速热解方法及装置将不可冷凝气体部分用作循环流化介质，其余为快速热解反应供热，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；加热系统采用煤、炭和燃气的混燃炉，不仅实现了快速热解副产物的高效循环利用，而且避免了使用微波、电能等昂贵加热源，生产成本低，易于实现工业化应用。

4、本快速热解炼油方法中的冷凝器和冷凝换热器采用直接接触换热和间接接触换热相结合的方法，，可将热解气快速冷却，以减少二次热解的发生，提高生物油油产率和品质。

附图说明

图1是本发明的工业化连续的农林生物质快速热解炼油装置的示意图。

图2是本发明装置中布风板的结构示意图。

图3是布风板中上板的结构示意图。

图1-图3中，1为布凤板，2为快速热解反应器，3为1级旋风分离器，4为2级旋风分离器，5为冷凝器，6为冷凝换热器，7为油泵，8为罗茨风机，9为储气罐，10为混燃炉，11为升温换热器，12是流化孔，13是喷动孔，14是钢丝网。

具体实施方式

本发明提出的工业化连续的农林生物质快速热解炼油装置，如图1所示，包括：

混燃炉10，用于使燃料及不凝气体燃烧，为上述快速热解反应器提供热量，混燃炉的进气口与储气罐9相连，混燃炉10的烟气出口与升温换热器11相连；

升温换热器11，用于使循环气体加热，升温换热器的烟气进口与上述混燃炉相连，升温换热器的烟气出口排空，升温换热器的循环气体进口通过风机8与冷凝器的顶部相连，升温换热器的循环气体出口与快速热解反应器底部进气口相连；

快速热解反应器2，用于使干燥粉碎后的物料进行热解反应，得到热解气和炭，快速热解反应器的下部设有进料口，底部进气口与升温换热器相连，快速热解反应器的上部与气固分离器的入口相连；

气固分离器3，用于使上述热解反应得到的炭和热解气分离，气固分离器的进口与上述热解反应器顶部的出口相连；

冷凝器5，用于使上述气固分离得到的热解气冷凝，得到生物油，冷凝器的进口与气固分离器顶部的气相出口相连；

冷凝换热器6，用于使冷凝器中的生物油降温，冷凝换热器的进口通过泵7与冷凝器底部的出口相连，冷凝换热器的出口与冷凝器顶部相连。

上述快速热解炼油装置中，快速热解反应器的下部设有布风板，其结构如图2所示，布风板由上板、下板和上下板之间的钢丝网14组成，上板和下板上分别设有喷动孔13和流化孔12，上、下喷动孔同轴，上、下流化孔同轴，喷动孔的直径与热解反应器的直径之比为0.25-0.45∶1，喷动孔及流化孔的总开孔率为30％-50％。

布风板中间的大孔为喷动孔，供喷动气穿过，其余的小孔为流化孔，供流化气穿过；本设计的布凤板上喷动孔及流化孔的总开孔率为0.3-0.5，布风板上面放有一层120目的不锈钢丝网。

本发明装置的工作过程如下：

经过粉碎、干燥后的农林生物质物料颗粒，由螺旋加料装置输入到快速热解反应器2中，在快速热解反应器内的流化惰性粒子的撞击下，生物质在高温的反应器内快速裂解为炭(固相)和热解气(包括不可冷凝气体和可冷凝气体——气相生物油)，并在循环气体的携带下迅速离开反应器，进入到气固分离器中。在气固分离器中，固相产品-炭被捕集下来，热解气则随着循环气体进入到冷凝器5中，循环气体的流速可以为15-30m³/h，可凝结气体经过冷凝会形成生物油排除到储油罐中，而不可凝结气体会被冷却到较低的温度。不凝结气体随着循环气体继续前进，在经过动力设备，如风机等增压后，一部分作为循环气体经升温换热器11加热后重新进入到快速热解反应器2中，另一部分通过储气罐后进入到混燃炉10中燃烧，产生的高温烟气进入升温换热器11中，为快速热解反应提供所需的热量，降温后的乏烟气可作为快速热解装置体系的预加热价值或者用于原料干燥等。

本发明的快速热解装置中，通过对布风板结构的特殊设计，使得反应器集合了“喷动”“流化”的双重特性，结构紧凑，生物质处理量大，可连续生产运行。利用体系中产生的不凝结气体部分作为循环流化介质气体，避免使用价格昂贵的惰性保护载气，使得生产运行成本较低。剩余的不凝结气体用作体系的供热燃料，不仅可以高效进行农林生物质的快速热解、气固分离、油化冷凝，而且实现了体系内部的良好循环。采用煤、生物质、燃气的混燃炉为反应器提供热量，避免使用微波、电能等昂贵的其它热源，经济性较好。设计的冷凝器采用直接接触换热和间接接触换热相结合的方式进行快速冷却，油化冷凝效果良好、生物油得率高。

本发明装置中的反应器最高耐热温度为1500℃，在500-800℃范围内可以长时间使用，并且具有耐酸耐腐蚀。布风板对流态化质量有较大影响，气流分布不均匀将导致床层内出现环流，甚至沟流、死床。因此，良好的布风板设计能有效增进流化质量，提高反应器效率，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30-50％，为防止床料滑落，在分布板上面放有一层120目的不锈钢丝网。

本发明装置中的气固分离器，可选择两级旋风分离器，如图1中的3和4。其工作原理为，热解气进入旋风分离器后，在高速离心力的作用下，炭粉紧压在气固分离器壁内侧向气固分离器底部旋转滑动，最后炭粉进入集炭箱。

本发明装置中的冷凝器5和冷凝换热器6采用直接接触换热和间接接触换热相结合的方式进行快速冷却，热解气由气固分离器4出口进入到冷凝器5中与冷凝介质进行直接混合冷却。在冷凝器5中，进行了气液混合与降温，其原理在于喷入冷凝器的生物油液体经过雾化后造成极多液滴，从而增加液体表面积，进行强混合后与热气流相遇，热量由气体传递到液滴，致使高温气体急剧冷却下来。对热解气进行高效的降温冷凝。

本发明装置中的混燃炉10，采用煤、炭和燃气的混燃，为快速热解反应提供热量。该混燃炉主要是采用煤作为燃料，可为快速热解反应提供80％以上的热量，不可冷凝气体和固体副产物——炭为体系提供20％的热量。通过调节炉内鼓风量及燃料加入量可实现对混燃炉发热量的控制，从而调控快速热解反应器的温度。

以下介绍本发明的实施例：

实施例1：

将处理量为100Kg/h的快速热解炼油装置用于处理棉花秸秆以炼制生物油。装置中采用两级旋风分离器，以提高固体和热解气的分类效果。

其具体工艺操作方法如下：

开启混燃炉，运行加热系统，设置加热温度为550℃。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，设置系统内循环气体流量为20m³/h。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。待快速热解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25Hz，将含水率为8％和粒径为0.45～0.9mm的棉花秸秆颗粒物料逐渐加入到料仓中。反应开始进行，调节不凝结气体循环控制管路中的阀门，其余部分不可冷凝器收集起来加入到混燃炉中。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。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油泵。工作结束。

实施例2：

将处理量为150Kg/h的快速热解炼油装置用于处理落叶松木屑以炼制生物油。装置中采用两级旋风分离器，以提高固体和热解气的分类效果。

其具体工艺操作方法如下：

开启混燃炉，运行加热系统，设置加热温度为560℃。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，设置系统内循环气体流量为25m₃/h。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30Hz，将含水率为10％和粒径为0.45～0.9mm的棉花秸秆颗粒物料逐渐加入到料仓中。反应开始进行，调节不凝结气体循环控制管路中的阀门，其余部分不可冷凝器加入到混燃炉中。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。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油泵。工作结束。

Claims

1、一种工业化连续的农林生物质快速热解炼油方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

2、一种工业化连续的农林生物质快速热解炼油装置，其特征在于该装置包括：

3、如权利要求2所述的快速热解炼油装置，其特征在于其中所述的快速热解反应器的下部设有布风板，布风板由上板、下板和上下板之间的钢丝网组成，上板和下板上分别设有喷动孔和流化孔，上、下喷动孔同轴，上、下流化孔同轴，喷动孔的直径与热解反应器的直径之比为0.25-0.45∶1，喷动孔及流化孔的总开孔率为30％-50％。