CN101602953A - 秸秆快速热裂解产物的净化系统 - Google Patents
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Abstract
一种秸秆快速热裂解产物的净化系统。包括粉碎装置、地槽、料仓、裂解炉、裂解系统除尘器。空气预热器连接裂解炉底部。裂解系统除尘器的底部出口与炭粉冷却器连接，顶部出口与精馏洗涤塔入口连接。炭粉冷却器的顶部连接炭粉除尘器，底部出口连接炭粉贮槽，顶部燃气出口连回裂解炉的燃气进口。精馏洗涤塔底部出口经塔底冷却器和回流泵排出秸秆重油，精馏洗涤塔顶部经塔顶冷凝器连接油水分离器。油水分离器分别排出秸秆轻质油和水。它能够提高秸秆快速热裂解后的生物炭和生物质油的热稳定性、热值和产出率，去除油品中的固体悬浮物，提高油品质量，提供质量稳定的产品，充分利用国内秸秆资源。
Description
技术领域
本发明属于秸秆热裂解技术领域，更明确地说涉及秸秆快速热裂解产物的净化系统的设计、创新。
背景技术
生物质热裂解是指生物质在完全缺氧或有限氧供应条件下的热降解，最终生成炭、可冷凝气体(生物燃油)和可燃气体(不可冷凝)的过程。生物质热裂解是复杂的热化学反应过程，包含分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。半纤维素和纤维素主要产生挥发性物质，而木质素主要分解成炭。
热裂解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热时，迅速裂解成木炭和挥发分。一次裂解反应生成生物质炭、一次生物质油和不可冷凝气体。在多孔隙生物质颗粒内部和高温气相中的挥发分还会进一步裂解，形成不可冷凝气体和二次生物质油，称为二次裂解反应。生物质热解过程最终形成生物质油、不可冷凝气体和木炭。为了得到高产率的生物质油，需快速除去一次热解产生的气态产物，以抑制二次裂解反应的发生。
我国是生物质资源丰富的大国，仅农作物秸秆的产量就达到了7亿吨/年。然而，目前的利用率仅为7％，多数秸秆就地焚烧，既造成了大气污染又浪费了资源。
开发利用秸秆的途径很多，诸如热化学转化技术、生物化学转化技术等。其中热裂解制油技术被认为是热化学转化技术的前沿课题，可将秸秆转化成生物质油，所产生的气体可作燃料，固体物为高质量木炭。
生物质油是一种液体含氧含碳氢化合物的混合物，也包括酸、碱和醛酮等含氢化合物，性能不稳定性，尤其是它的热不稳定性，限制了其应用范围。生物质油具有高含氧量、有一定腐蚀性、黏度大、化学成分复杂、相对不稳定等弱点。其含水率为25％时热值为17MJ/Kg，相当于汽油/柴油燃料值的40％。
生物质快速裂解的研究始于20世纪70年代。目前存在的主要问题是快速裂解的条件较难控制，条件控制不好，对产率影响较大；生成的生物质油在高温下是气体，并夹带一定量的超细炭粉，当气体冷却时，超细炭粉会在设备和管道内产生污垢或堵塞，并导致冷却得到的油品中含固体悬浮物。
目前，国内在快速热裂解技术开发中，尚未突破规模化生产和成套设备的大关。还没见到形成一定生产规模的企业报道。生物质快速热裂解的产品(生物质油和木炭)在国内市场中尚属空白。由于燃料的短缺，需求这些产品的潜在客户则很多，尤其是热电厂，供热、供暖锅炉站房等。
目前，以生物质快速热裂解生产生物质液体燃料的技术还不成熟。各国的努力目标都在于：降低原材料的成本、提高生物质燃料的产出率；开发更经济高效的转化设备和技术；改善生物质的使用性能、开发有价值的生物质油副产品。
也正因如此，不同于原油精馏及煤液化组分的精制，热裂解后生物质油气的净化处理比较困难。故生物燃料油精制方法的研究仍然是亟待解决的难题之一。
发明内容
本发明的目的，就在于克服上述缺点和不足，提供一种秸秆快速热裂解产物的净化系统。它能够提高秸秆快速热裂解后的生物炭和生物质油的热稳定性、热值和产出率，去除油品中的固体悬浮物，提高油品质量，向市场提供规模化生产、质量稳定的生物炭和生物质油产品，改善其使用性能，充分利用国内丰富的秸秆资源。
为了达到上述目的，本发明包括盛放粉碎秸秆物料的地槽、将地槽中的物料经布料器输运到其中的料仓、与料仓连通的裂解炉、连通在裂解炉物料出口上的裂解系统除尘器。空气预热器的热空气出口连接至裂解炉底部。裂解系统除尘器的底部出口与炭粉冷却器连接，裂解系统除尘器的顶部出口与精馏洗涤塔的入口连接。炭粉冷却器的顶部出口连接炭粉除尘器，炭粉除尘器的底部出口连接炭粉贮槽，炭粉除尘器的顶部燃气出口连回裂解炉的燃气进口。精馏洗涤塔的底部出口依次经塔底冷却器和回流泵连回洗涤塔，回流泵出来的流体部分进精馏洗涤塔循环洗涤气体，部分排出作为秸秆重油产品，精馏洗涤塔的顶部出口经塔顶冷凝器连接油水分离器。油水分离器的两下出口分别排出秸秆轻质油产品和水，部分轻质油从塔顶回流口回流至塔内。
精馏洗涤塔的作用是精馏洗涤，一可去除固体悬浮物，二可使生物质油中不含或少含重组分，从而提高油品质量。
热裂解工艺是直接液化技术的关键，要求非常高的加热速率和热传递速率、严格的温度控制。最高反应温度为500～650℃，气相停留时间＜3s，升温速率＞300℃/s。利用装置自身产生的不可冷凝气体作为燃料，采用远程控制，由中心控制室控制进料和温度，由计算机控制燃烧器和热裂解反应器。本发明热裂解采用的是真空移动床。
裂解炉物料出口和裂解系统除尘器的入口之间还连接着激冷器。激冷器以水或本系统出口中的秸秆轻质油激冷，在1～2秒内使自裂解炉排出的油气温度快速降至450℃以下。本发明采用激冷器使自裂解炉排出的油气快速降至450℃以下，可以很好地抑制油气的二次热裂解。
精馏洗涤塔的结构为：气体入口设于塔底部，入口上部设有2～3层角钢制每层均布的人字条板，人字条板上部设3层穿流塔盘，穿流塔盘上部设3～8块筛板，人字条板之间的中心距是角钢底边宽度的1.5～2倍，所有人字条板均同向排列，上下两层人字条板的间距H为100～300毫米，但上下两层人字条板的间隙H则相互交错。
炭粉冷却器为内冷式沸腾床冷却器，内装冷却水和导热油两组冷凝装置。固体副产物炭，会在二次裂解中起催化作用，所以应将其从生物质油中快速分离。热裂解液化的物料粒径一般很小，故该工艺中采用两组环流式旋风分离器，并结合两组冷凝装置(冷却介质分别为冷却水和导热油)快速从气态生物质油里分离回收固体碳粉。
热裂解挥发组分的停留时间越长，二次裂解生成不可冷凝气体的可能性越大。因此，需快速冷却挥发产物。生物质热裂解反应器的设计除需对温度进行严格控制外，还应在生物质油收集过程中避免由于生物质油的多种重组分的冷凝而导致反应器堵塞。
油水分离器的上出口将不凝气经不凝气引风机引入炭粉冷却器的底部入口。不凝气引风机引入炭粉冷却器后，使炭粉冷却器中的炭粉沸腾，有利于快速热交换。
出油水分离器的轻质油产品另有一路引入精馏洗涤塔的塔板上部参与洗涤。回流泵泵出的秸秆重油另有一路引入精馏洗涤塔下部参与精馏。
精馏洗涤的功能是，冷凝下来的生物质油部分回流，用液体对气体进一步洗涤净化，以除去裂解气中的固体物；塔底排出的少量含固油品中不含轻质油；冷凝下来的塔顶生物质油作为产品，所得产品不含固体悬浮物，透明度好，质量高。本发明整个装置不排放任何污染物，精馏洗涤后流出的含渣高沸点物量少，且可作为锅炉燃料油使用。操作方便可靠，安全性强。
本系统以装置自产的热裂解燃气作燃料，由过程热集成技术优化过程用能，以激冷、除尘和精馏洗涤方式处理裂解后油气，装置产生物质油的产率高、质量好。
本裂解高温气体洗涤净化处理系统可去除高温裂解气中的固体微粒，气体中所含生物质油成份被冷凝成液时，不含固体悬浮物，质量高。生产时的操作控制点采用自动检测、在线计算机控制，整套装置无污染物排放，可安全稳定连续运行。
本发明能够提高秸秆快速热裂解后的生物炭和生物质油的热稳定性、热值和产出率，去除油品中的固体悬浮物，提高油品质量，向市场提供规模化生产、质量稳定的生物炭和生物质油产品，改善其使用性能，充分利用国内丰富的秸秆资源。可广泛推广应用。
附图说明
图1为描述本发明系统的框图，
图2为精馏洗涤塔的结构示意图。
具体实施方式
实施例1。一种秸秆快速热裂解产物的净化系统，如图1、图2所示。它包括盛放粉碎秸秆物料的地槽2、将地槽2中的物料经布料器21输运到其中的料仓10、与料仓10连通的裂解炉3、连通在裂解炉3物料出口上的裂解系统除尘器4。空气预热器11的热空气出口连接至裂解炉3底部。裂解系统除尘器4的底部出口与炭粉冷却器7连接，裂解系统除尘器4的顶部出口与精馏洗涤塔9的入口连接。炭粉冷却器7的顶部出口连接炭粉除尘器8，炭粉除尘器8的底部出口连接炭粉贮槽14，炭粉除尘器8的顶部燃气出口连回裂解炉3的燃气进口。精馏洗涤塔9的底部出口依次经塔底冷却器19和回流泵17连回精馏洗涤塔9，回流泵17出来的流体部分进精馏洗涤塔9循环洗涤气体，部分排出作为秸秆重油产品18，精馏洗涤塔9的顶部出口经塔顶冷凝器5连接油水分离器15。油水分离器15的两下出口分别排出秸秆轻质油产品6和水，部分轻质油从塔顶回流口回流至塔9内。
裂解炉3的物料出口和裂解系统除尘器4的入口之间还连接着激冷器。激冷器1以水或本系统出口中的秸秆轻质油激冷，在1～2秒内使自裂解炉3排出的物料温度快速降至450℃以下。
精馏洗涤塔9的结构为：气体入口24设于塔底部，入口24上部设有2层角钢制每层均布的人字条板25，人字条板25上部设3层穿流塔盘26，穿流塔盘26上部设3～8块筛板27。人字条板25之间的中心距是角钢底边宽度的2倍，所有人字条板25均同向排列，上下两层人字条板25的间距H为100～300毫米，但上下两层人字条板25的间隙H则相互交错。28、29分别为上、下回流口。
工作时，每条人字条板25均被重质油所覆盖，气体穿过两层人字条板25时，其中夹带的较大颗粒及部分细颗粒被人字条板25所阻挡并进入液膜，随液体滴落至塔底，以防止大量固体颗粒在塔盘26上聚集并堵塞塔盘26。气体经穿流塔盘26被进一步洗涤后进入筛板27，经多层筛板27与塔顶回流液传质，使轻质油与重质油分离，重质油进入穿流塔盘26。穿流塔盘26既有洗涤气体的功能，也有分离作用，同时不易产生固体颗粒的聚集并堵塞。
炭粉冷却器7为内冷式沸腾床冷却器，内装冷却水和导热油为冷却介质的两组冷凝装置。油水分离器15的上出口将不凝气经不凝气引风机16引入炭粉冷却器7的底部入口。
油水分离器15的秸秆轻质油产品6出口另有一路引入精馏洗涤塔9的塔板上部参与洗涤。回流泵17泵出的秸秆重油18另有一路引入精馏洗涤塔9下部参与精馏洗涤。
炭粉冷却器7和塔底冷却器19的冷凝用导热油经导热油冷却器20冷却。
图中其余分别为布料器21、送料系统除尘器22和送料系统引风机23。空气预热器11、烟气冷却器12、烟气引风机13。
本实施例的规模已达到了1000Kg/h。由于采用了冷凝精馏洗涤系列技术，所产生物轻油的热值达到了26～27MJ/Kg，比国外类似产品提高了35％，而且油中基本不含固体悬浮物，质量高。所产木炭含碳量达到了79～96％，炭的假比重可通过炭化过程的温度调整。炭的含碳量高，用途广泛。
本系统产品生物质油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，其化合物种类有数百种之多，从属于多个化学类别，几乎包含了所有种类的含氧有机物，诸如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。不同生物质的生物质油在主要成分的相对含量上大都表现出相同的趋势，在每种生物质油中，苯酚、蒽、萘和一些酸的含量相对较大。
它可以代替常规燃料，应用于锅炉、内燃机和涡轮机。
本系统产品木炭的相对密度随碳化原料种类、温度、碳的含量不同而不同。碳化原料的相对密度大，烧成的木炭相对密度也大；木炭含碳量则相对密度大；碳化温度越高，相对密度越大。木炭的发热量主要取决于木炭的含碳量。而炭化温度高，木炭的含碳量就大。另外，生物质炭与原料的类别有关。木炭空隙率大，反应能力就大。随着存放时间的增长，含水率逐渐增加。
炭的低位发热量大约在25MJ/kg左右，是一种中热值的燃料，燃后污染程度很低。可直接作民用燃料，烘烤食品、饮食燃用、采暖。用气化炉转化成气体燃料。还可：用于冶炼高质量的有色金属和铸铁；用作机械零件的渗碳剂，提高钢制零件表面的硬度和耐磨性；与硝酸钾、硫磺配制黑火药；制成石墨。作固体润滑剂，这对于无法使用润滑油的转动零件非常重要(用石墨作滑动轴承)；作石墨电极；制成活性炭后，应用就更加广泛，在化工、医药、环保等方面都有广泛应用。
不可冷凝气体是一种可燃气体，主要由CO、CH4、CO2、H2和水蒸气组成。不可冷凝气体含量主要受反应温度影响，极易燃烧，其燃烧火苗达1米以上，因此通过设计可成为热裂解装置的热源。
同时，本发明的产品还可用于开发生物炭+油+水的新型燃料，与水煤浆相比，热值高、含硫量低、燃烧中不堵塞管道和喷头，可灵活调节产品结构，以便于就近销售。低沸点生物质油可作农机用燃料油。
实施例1能够提高秸秆快速热裂解后的生物炭和生物质油的热稳定性、热值和产出率，去除油品中的固体悬浮物，提高油品质量，向市场提供规模化生产、质量稳定的生物炭和生物质油产品，改善其使用性能，充分利用国内丰富的秸秆资源。可广泛推广应用。
Claims (7)
1.一种秸秆快速热裂解产物的净化系统，包括盛放粉碎秸秆物料的地槽、将地槽中的物料经布料器输运到其中的料仓、与料仓连通的裂解炉、连通在裂解炉物料出口上的裂解系统除尘器，空气预热器的热空气出口连接至裂解炉底部，其特征在于裂解系统除尘器的底部出口与炭粉冷却器连接，裂解系统除尘器的顶部出口与精馏洗涤塔的入口连接，炭粉冷却器的顶部出口连接炭粉除尘器，炭粉除尘器的底部出口连接炭粉贮槽，炭粉除尘器的顶部燃气出口连回裂解炉的燃气进口，精馏洗涤塔的底部出口依次经塔底冷却器和回流泵连回洗涤塔，回流泵出来的流体部分进精馏洗涤塔循环洗涤气体，部分排出作为秸秆重油产品，精馏洗涤塔的顶部出口经塔顶冷凝器连接油水分离器，油水分离器的两下出口分别排出秸秆轻质油产品和水，部分轻质油从精馏洗涤塔塔顶回流口回流至塔内。
2.按照权利要求1所述的秸秆快速热裂解产物的净化系统，其特征在于所说的裂解炉物料出口和裂解系统除尘器的入口之间还连接着激冷器，激冷器以水或本系统出口中的秸秆轻质油激冷，在1～2秒内使自裂解炉排出的物料温度快速降至450℃以下。
3.按照权利要求1或2所述的秸秆快速热裂解产物的净化系统，其特征在于所说的精馏洗涤塔的结构为：气体入口设于塔底部，入口上部设有2～3层角钢制每层均布的人字条板，人字条板上部设3层穿流塔盘，穿流塔盘上部设3～8块筛板，人字条板之间的中心距是角钢底边宽度的1.5～2倍，所有人字条板均同向排列，上下两层人字条板的间距H为100～300毫米，上下两层人字条板的间隙H相互交错。
4.按照权利要求3所述的秸秆快速热裂解产物的净化系统，其特征在于所说的炭粉冷却器为内冷式沸腾床冷却器，内装冷却水和导热油为冷却介质的两组冷凝装置。
5.按照权利要求4所述的秸秆快速热裂解产物的净化系统，其特征在于所说的油水分离器的上出口将不凝气经不凝气引风机引入炭粉冷却器的底部入口。
6.按照权利要求5所述的秸秆快速热裂解产物的净化系统，其特征在于所说的油水分离器的秸秆轻质油产品出口另有一路引入精馏洗涤塔的塔板上部参与洗涤。
7.按照权利要求6所述的秸秆快速热裂解产物的净化系统，其特征在于所说的回流泵泵出的秸秆重油另有一路引入精馏洗涤塔下部参与精馏。
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