CN101691495B - 生物质分级热解制备生物油和化学品的方法及装置 - Google Patents

Abstract

生物质分级热解制备生物油和化学品的方法及装置，本发明基于生物质的各主要化学组分(纤维素、半纤维素和木质素)具有不同的热分解特性，结合快速热解的技术要求，提出一种通过螺旋热解反应器、浅床流化床和深床流化床三级系统在不同温度下对生物质进行分级热解的技术方案，可分级制备出不同的产品。其中，第一级制得一定量有机酸(主要是乙酸)和醛类产品；第二级制得一定量酚类产品；由第三级制得热解气经两级旋风分离器净化和喷淋器喷淋冷凝后的得到本系统的主要产品高品质的生物油。由于分级热解最终制得的生物油具有水分及酸性物质含量低，储运稳定性好的特点。

Description

生物质分级热解制备生物油和化学品的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用生物质原料热解制备生物油的装置及方法。

背景技术

目前，发达国家以生物能源和化工产品生产为主的生物质产业正在蓬勃兴起，其中，用生物质快速热解技术制取生物油，大力发展生物能源以替代化石燃料，是当前的研究主流和发展前沿。由于生物质快速热解条件非常苛刻，目前用生物质热解制备的生物油，还存在氧含量高，腐蚀性和粘度较大，化学成分复杂和不稳定等问题，要替代石油燃料尚有一定距离。

CN02112008.8t和CN02218043.5公开了一种生物质整合式热裂解分级制取液体燃料的技术和装置，采用变截面流化床反应器，高、中、低冷凝器组成的分级冷凝系统，通过分级冷凝获取不同馏分的生物油。该技术仍存在热解综合利用率低和生物油品质不高等问题。

发明内容

本发明的目的是基于生物质的各主要化学组分(纤维素、半纤维素和木质素)具有不同的热分解特性，结合快速热解的技术要求，提出一种生物质分级热解制备生物油及化学品的新方法及装置。

本发明所提出的生物质分级热解制备生物油及化学品的方法，包括以下工艺步骤：

(一)、一级低温热解步骤：将破碎成碎粒块的生物质原料输入螺旋热解反应器中于200～280℃(优选240～260℃)的热解温度下进行低温热解，产生生物质的热解气和热解残焦，收集所产生的热解气进行冷凝脱水获得醛类及有机酸化学品；

(二)、二级低温热解步骤：将上一步骤产生的热解残焦输入浅床流化床中于300～350℃(优选310～330℃)的热解温度下进一步进行低温快速热解，浅床流化床的气流速度控制在0.1～0.5m/s，产生含小分子酚类化合物的热解气和富含纤维素及部分木质素的热解固体产物，所产生的含小分子酚类化合物的热解气通过设在浅床流化床中的内置旋风分离器进行气固分离后引入冷凝塔，热解气中的可凝气经冷凝后，获得小分子酚类化学品；

(三)、三级热解步骤：将步骤(二)产生的热解固体产物由设在浅床流化床密相区中上部的固体产物出口引入深床流化床，于450～600℃(优选480～550℃)温度下进行快速热解，深床流化床的气流速度控制在0.5～1.0m/s，物料在流化床中高温烟气作用下充分热解，产生的热解气由设在深床流化床顶部的气体出口输出；

(四)、生物油的收集步骤：将由深床流化床顶部气体出口流出的热解气，通过旋风分离器进行脱灰净化，然后输入喷淋塔喷淋冷凝得到生物油，并收集于生物油收集罐，喷淋塔的喷淋液由油泵抽取收集于生物油收集罐中的生物油经换热器冷却后产生，循环作用；在喷淋塔中未被收集的小油滴和未被冷凝的热解气再由喷淋塔顶部的气体出口输出到热解气过滤器继续过滤收集并将收集到的生物油输入生物油收集罐；

(五)、高温烟气产生步骤：将经热解气过滤器过滤后由其气体出口流出的热解气和由冷凝塔气体出口流出的未冷凝热解气以及由旋风分离器的灰斗收集的固体物料引入燃烧室充分燃烧产生的高温烟气，经燃烧室旋风分离器净化后一部分输送到螺旋热解反应器的外加热气入口作为热解热源，一部分输送到浅床流化床和深床流化床烟气进口，作为热解热源和流化气。

用于实施本发明方法的装置，其系统结构包括：螺旋热解反应器、浅床流化床、深床流化床、燃烧室、冷凝塔、一级旋风分离器、二级旋风分离器、喷淋塔、生物油收集罐和热解气过滤器，所述的螺旋热解反应器用于对生物质原料进行低温热解，该反应器的前端设有进料斗，后端设有热解气出口和热解残焦出口，反应器内有螺旋推进轴，外设加热套，所述的螺旋推进轴为渐扩式结构，即螺旋推进轴的直径沿物料推进方向逐渐扩大；所述的浅床流化床用于对螺旋热解反应器产生的热解残焦进行进一步的低温快速热解，螺旋热解反应器的热解残焦出口通过第一星型卸料阀和第一螺旋进料器连接到浅床流化床的进料口，浅床流化床的下方设有高温烟气进口，中下部设有固体产物出口，中上部设有内置旋风分离器，内置旋风分离器的出口从浅床流化床的上部引出，与冷凝塔连接，冷凝塔下部设有冷凝液输出口和未冷凝气体出口；所述的深床流化床用于对浅床流化床产生的热解固体产物再次进行快速热解，浅床流化床的固体产物出口通过第二星型卸料阀和第二螺旋进料器连接到深床流化床的进料口，在深床流化床的下部设有布风板和高温烟气进口，上部设有气体出口；所述的气体出口经一级旋风分离器、再经二级旋风分离器连接到喷淋塔，喷淋塔的下部与生物油收集罐连接，在喷淋塔和生物油收集罐之间连接有由油泵和换热器构成的油液喷淋装置；所述的热解气过滤器与喷淋塔上部的气体出口连接；所述的燃烧室用于产生供给螺旋热解反应器、浅床流化床和深床流化床热解反应所需的高温烟气，该燃烧室具有热解物料输入口、空气输入口和高温烟气输出口，其热解物料输入口分别与热解气过滤器的气体出口、冷凝塔气体出口以及一级旋风分离器和二级旋风分离器的灰斗物料出口连接，向燃烧室引入热解气和热解残碳，这些可燃物与由空气输入口鼓入的空气相互作用而燃烧产生的高温烟气，从高温烟气输出口，经燃烧室旋风分离器净化后输出。

在本发明的螺旋热解反应器，其螺旋推进轴采用渐扩式结构，该结构的特点是螺旋推进轴的直径由前至后逐渐增大，因而在反应器的前段螺旋轴与反应器壳体内壁间的间隙较大，可保证物料的顺利推进，在螺旋轴和后段，螺旋轴与反应器壳体内壁间的间隙越来越小，使生物质原料在反应器一边热解一边被螺旋推进轴的叶片向前推动过程中，螺旋推进轴不断加强对反应物料的挤压，最终使形成的热解残焦被破碎成小颗粒而推入下一工艺步骤。所述的螺旋热解反应器的螺旋推进轴的最小直径与最大直径的比值可设计为1∶3～1∶1.5。

以下为本发明装置各部分结构的适宜的设计方案：

所述的浅床流化床的进料口位于浅床流化床下部1/6～1/4流化床高的位置；

所述的浅床流化床的固体产物出口位于浅床流化床中下部1/5～1/3流化床高的位置；

所述的浅床流化床的高径比为1∶1～1∶4；

所述的深床流化床的高径比为1∶5～1∶15；

所述的深床流化床的进料口位于深床流化床下部1/6～1/3流化床高的位置；

所述的的深床流化床的布风板采用倒锥形结构和变开孔率设计，所述的布风板的锥形顶角为120°～160°，布风板开孔率中间大两边小；

所述的内置旋风分离器的料腿伸入浅床流化床的密相区内；

本发明根据生物质的各主要化学组分(纤维素、半纤维素和木质素)具有不同的热分解特性，通过3级系统在不同温度下对生物质进行分级快速热解，可分级制备出不同的产品，第一级制得少量有机酸(主要是乙酸)和醛类产品；第二级制得少量酚类产品；第三级制得的热解气经净化冷凝后获得本系统的主要产品生物油。由于分级制取，最终制得的生物油具有低含水量、低酸度、性质稳定的特点，所制得的生物油可达到以下技术指标：生物油水分降低15％以下(常规快速热解20～30％)，提高pH值(3.0～4.5)以降低生物腐蚀性(常规快速热解pH值＝2)。同时获得一定量醛类和有机酸、小分子酚类化合物等化学品产物。

因此，本发明可实现以下的技术效果：

(1)高效率，对生物质中各主要化学组分进行分级快速热解，可以实现其资源和能量的综合利用，具有较高的转化效率，生物油得率高。

(2)低成本，由于本项目可以同时获得生物质燃油和高附加值的化学品，降低了后处理成本，提高了整个系统的经济性。

(3)实用性，分级快速热解技术适用于分布式的生物质燃油制备，对于拥有农林废弃物资源较为丰富的农村或林场用户，具有较好的实用性。

附图说明

图1是本发明的生物质分级热解制备生物油及化学品的装置的系统结构图。

图中标识：1、螺旋热解反应器；1-1、螺旋热解反应器的热解气出口；1-2、螺旋热解反应器的热解固体出口；2、浅层流化床；3、深床流化床；4、燃烧室；4-1、燃烧室旋风分离器；5、冷凝塔；5-1、冷凝液输出口；5-2、冷凝塔气体出口；6-1、一级旋风分离器；6-2、二级旋风分离器；6-3、旋风分离器灰斗；6-4、喷淋器；6-5、生物油收集罐；6-7、油泵；6-8、换热器；8、流化床床料回送管；9、螺旋推进轴；10、螺旋推进轴叶片；11、进料斗；12、外加热套；13、外加热气入口；14、外加热气出口；16、第一星型卸料阀；17、第一螺旋进料器；18、内置旋风分离器；19、内置旋风分离器料腿；20、浅层流化床进气口；22、浅层流化床固体产物出口；23、第二星型卸料阀；24、第二螺旋进料器；25、深床流化床气体进口；26、深床流化床顶部气体出口；27、燃烧室空气进口；28、燃烧室烟气出口；29、洁净烟气出口；30、深床流化床的布风板。

具体实施方式

以下是对本发明具体实施方式的进一步详细说明，不应作为对本发明的限制。

设计如图1所示的生物质分级热解制备生物油及化学品的装置，并应用该装置以下方法和流程对生物质进行分级快速热解制燃油和化学品：

经干燥破碎到指定粒径的生物质储存在进料斗11内，在螺旋热解反应器1的旋转推进轴9作用下连续进入螺旋热解反应器1内。在外加热套12加热下，生物质在螺旋热解反应器内于250℃温度下进行低温热解(一级低温热解步骤)，热解气从热解气出口1-1流出，该热解气经冷凝脱水后可以得到高附加值醛类及有机酸等化学品，外加热套12加热热源为从外加热气入口13流入，从外加热气出口14流出的高温烟气。高温烟气与生物质呈顺流布置，以保证在整个螺旋热解反应器1内形成较均匀的温度场(温度控制在250℃)。螺旋推进轴2采用渐扩式设计，螺旋推进轴9的最小直径与最大直径的比值为1∶2，由螺旋热解反应器的热解固体产物出口1-2输出的热解残焦在第一星型卸料阀16控制下连续进入第一螺旋进料器17，并在其推动下连续进入浅层流化床2的进料口，该进料口位于浅床流化床下部1/5流化床高的位置，通过控制第一星型卸料阀16的运动，可以控制物料在螺旋热解反应器1内地停留时间，同时在螺旋热解反应器1和第一螺旋进料器17之间形成气密防止窜气；浅床流化床的高径比为1∶2，进入浅层流化床2的热解残焦，在浅层流化床进气口20供入的高温烟气作用下进一步热解(二级低温热解步骤)，其热解温度控制在320℃，浅层流化床2产生的热解气体产物在流出浅层流化床2之前先经过内置旋风分离器18分离气体产物中的固体颗粒，然后进入冷凝塔5，其中的可冷凝气被冷凝后，可得到高附加值酚类化学品，由冷凝塔5的底部冷凝液输出口5-1输出，热解气体产物中的未冷凝气则从冷凝塔气体出口5-2流出冷凝塔5，冷凝塔气体出口5-2通过管道与燃烧室4相连，内置旋风分离器18的料腿19放置在浅层流化床2的密相区内，从内置旋风分离器18分离出来的固体颗粒直接被返回到密相区内，浅层流化床2的固体产物出口设置的密相区的中上部，流化床内的物料反应一定时间后形成的热解固体产物可以直接从浅层流化床固体产物出口22流出，经第二星型卸料阀23和第二螺旋进料器24输入深床流化床3的进料口，该进料口位于深床流化床下部1/5流化床高的位置，流化床的高径比为1∶10，物料在浅层流化床内地停留时间可以通过第二星型卸料阀23的转动速度来控制，第二星型卸料阀23同时也用于保持浅层流化床固体产物出口22和第二螺旋进料器24之间的气密，防止窜气。从第二星型卸料阀23排出的热解固体产物在第二螺旋进料器24的作用下被推入深床流化床3内；进入深床流化床3的物料在深床流化床气体进口25供入的高温烟气和空气混合物作用下进一步热解(三级热解步骤)，热解温度控制在500℃，部分物料与空气中的氧气反应放热，为将深床流化床3维持在需要的温度提供部分热量。深床流化床3布风板30为150°倒锥形结构，采用变开孔率设计，可以强化不均匀布风，加强炉内物料的内循环流动，可以有效的实现物料的快速热解。物料在深床流化床中经充分热解产生的热解气体产物及热解产生的少量固体灰渣随气流一起从深床流化床顶部气体出口26输出，经过一级旋风分离器6-1和二级旋风分离器进行脱灰净化，其固体产物被分离出来收集在灰斗6-3内，经过脱灰净化后的热解气体产物输入喷淋塔6-4内，在喷淋塔内经喷淋液喷淋冷却后热解气中的可凝部分被冷凝并聚集成大油滴收集下来，收集得到的生物油储存到生物油收集罐6-5之中，喷淋塔6-4的喷淋液由油泵6-7抽取收集于生物油收集罐6-5中的生物油经换热器6-8冷却后形成，循环作用。喷淋塔中的小油滴和未冷凝的热解气则从喷淋塔顶部的出口流出输入到热解气过滤器6-6，继续收集其中的小油滴，处理后的热解气则通过管道输入燃烧室4，同时，从冷凝塔5的气体出口5-2流出的热解气和一、二级旋风分离器的灰斗6-3内储存的热解残碳也通过管道输入燃烧室4，这些可燃物料在从燃烧室空气进口27鼓入的空气作用下充分燃烧而产生的高温烟气，从燃烧室的烟气出口28流出，经燃烧室的旋风分离器4-1分离出其中的残碳，形成干净高温烟气从洁净烟气出口29输出，，分别被供入螺旋热解反应器的外加热气入口13、浅层流化床气体进口20、深床流化床气体进口25，为各设备提供热解需要的热源，在燃烧室旋风分离器4-1分离出来的残碳则被送循环会回燃烧室继续燃烧，燃烧室中被热解气带来的流化床床料还可通过流化床床料回送管8回输入深床流化床3。

Claims (12)

1.一种生物质分级热解制备生物油和化学品的方法，包括以下工艺步骤：

(一)、一级低温热解步骤：将破碎成细颗粒的生物质原料输入螺旋热解反应器中于200～280℃的热解温度下进行低温热解，产生生物质热解气和热解残焦，收集所产生的热解气进行冷凝脱水获得醛类及有机酸化学品；

(二)、二级低温热解步骤：将上一步骤产生的热解残焦输入浅床流化床中于300～350℃的热解温度下进一步进行低温快速热解，浅床流化床的气流速度控制在0.1～0.5m/s，产生含小分子酚类化合物的热解气和富含纤维素及部分木质素的热解固体产物，所产生的含小分子酚类化合物的热解气通过设在浅床流化床中的内置旋风分离器进行气固分离后引入冷凝塔，热解气中的可凝气经冷凝后，获得小分子酚类化学品；

(三)、三级热解步骤：将步骤(二)产生的热解固体产物由设在浅床流化床密相区中上部的固体产物出口引入深床流化床，于450～600℃温度下进行快速热解，深床流化床的气流速度控制在0.5～1.0m/s，物料在流化床中高温作用下充分热解，产生的热解气由设在深床流化床顶部的气体出口输出；

(四)、高品质生物油的收集步骤：将由深床流化床顶部气体出口流出的热解气，通过旋风分离器进行脱灰净化，然后输入喷淋塔经喷淋冷凝得到高品质生物油，并储存在生物油收集罐，喷淋塔的喷淋液由油泵抽取收集于生物油收集罐中的生物油经换热器冷却后产生，循环使用；在喷淋塔中未被收集的小油滴和未被冷凝的热解气再由喷淋塔顶部的气体出口输出到热解气过滤器继续过滤收集并将收集到的生物油输入生物油收集罐；

(五)、高温烟气产生步骤：将经热解气过滤器过滤后由其气体出口流出的热解气和由冷凝塔气体出口流出的未冷凝热解气以及旋风分离器的灰斗收集的热解残碳引入燃烧室充分燃烧产生的高温烟气，经脱灰净化后一部分输送到螺旋热解反应器的外加热气入口作为热解热源，一部分输送到浅床流化床和深床流化床烟气进口，作为热解热源和流化气。

2.根据权利要求1所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的方法，其特征在于浅床流化床的热解温度为310～330℃。

3.根据权利要求1所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的方法，其特征在于深床流化床的热解温度为480～550℃。

4.一种生物质分级热解制备生物油和化学品的装置，其特征在于包括：螺旋热解反应器(1)、浅床流化床(2)、深床流化床(3)、燃烧室(4)、冷凝塔(5)、一级旋风分离器(6-1)、二级旋风分离器(6-2)、喷淋塔(6-4)、生物油收集罐(6-5)和热解气过滤器(6-6)，所述的螺旋热解反应器(1)用于对生物质原料进行低温热解，该反应器的前端设有进料斗(11)，后端设有热解气出口(1-1)和热解残焦出口(1-2)，反应器内有螺旋推进轴(9)，外设加热套(10)，所述的螺旋推进轴(9)为渐扩式结构，即螺旋推进轴(9)的直径沿物料推进方向逐渐扩大；所述的浅床流化床(2)用于对螺旋热解反应器(1)产生的热解残焦进行进一步的低温快速热解，螺旋热解反应器(1)的热解残焦出口(1-2)通过第一星型卸料阀(16) 和第一螺旋进料器(17)连接到浅床流化床(2)的进料口，浅床流化床(2)的下方设有高温烟气进口(20)，中下部设有固体产物出口(22)，中上部设有内置旋风分离器(18)，内置旋风分离器(18)的出口从浅床流化床(2)的上部引出，与冷凝塔(5)连接，冷凝塔下部设有冷凝液输出口(5-1)和未冷凝气体出口(5-2)；所述的深床流化床用于对浅床流化床产生的热解固体产物再次进行快速热解，浅床流化床(2)的固体产物出口(22)通过第二星型卸料阀(23)和第二螺旋进料器(24)连接到深床流化床(3)的进料口，在深床流化床(3)的下部设有布风板和高温烟气进口(25)，上部设有气体出口(26)，该气体出口经一级旋风分离器(6-1)、再经二级旋风分离器(6-2)连接到喷淋塔(6-4)，喷淋塔(6-4)的下部与生物油收集罐(6-5)连接，在喷淋塔(6-4)和生物油收集罐(6-5)之间连接有由油泵(6-7)和换热器(6-8)构成的油液喷淋装置，所述的热解气过滤器(6-6)与喷淋塔(6-4)上部的气体出口连接；所述的燃烧室(4)用于产生供给螺旋热解反应器(1)、浅床流化床(2)和深床流化床(3)热解反应所需的高温烟气热源，该燃烧室具有热解物料输入口、空气输入口和高温烟气输出口，其热解物料输入口分别与热解气过滤器(6-6)的气体出口、冷凝塔(5)气体出口以及一级旋风分离器(6-1)和二级旋风分离器(6-2)的灰斗物料出口连接，向燃烧室引入热解气和热解残碳，与由空气输入口鼓入的空气相互作用而燃烧产生的高温烟气，从高温烟气输出口(28)，经燃烧室旋风分离器(7)净化后输出。

5.根据权利要求4所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的装置，其特征在于所述的螺旋热解反应器(1)的螺旋推进轴(9)的最小直径与最大直径的比值为1∶3～1∶1.5。

6.根据权利要求4所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的装置，其特征在于所述的浅床流化床(2)的进料口位于浅床流化床下部1/6～1/4流化床高的位置。

7.根据权利要求4所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的装置，其特征在于所述的浅床流化床(2)的固体产物出口(22)位于浅床流化床中下部1/5～1/3流化床高的位置。

8.根据权利要求4所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的装置，其特征在于所述的浅床流化床的高径比为1∶1～1∶4。

9.根据权利要求4所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的装置，其特征在于所述的深床流化床的高径比为1∶5～1∶15。

10.根据权利要求4所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的装置，其特征在于所述的深床流化床(3)的布风板(30)为倒锥形结构，锥形顶角为120°～160°。

11.根据权利要求4所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的装置，其特征在于所述的深床流化床(2)的进料口位于深床流化床下部1/6～1/3流化床高的位置。

12.根据权利要求4所述的生物质分级热解制备生物油和化学品的装置，其特征在于所述的内置旋风分离器(18)的料腿(19)伸入浅床流化床(2)的密相区内。 

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