CN101693841B - 含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法涉及生物质的热化学技术领域。含碳固体燃料进入热解炉并输入外加燃料及氧化剂，热解得到输出炭与输出热解气；含碳固体燃料为生物质，外加燃料只在热解炉启动时输入、相继由氧化剂与热解气反应提供热解所需热能；条件是：热解炉温度450℃～550℃、输出热解气出口温度450℃以上，实现中温热解；生物质在炉内周向翻动并平均停留600S以上、热解气平均停留120S以上，实现生物质快速热解及热解气多次裂解；热解炉压力由输出热解气的用途在0.1MPa～5.0MPa范围调节。用于生物质气化所需的热解处理。用中温快速热解、多次裂解技术满足生物质气流床气化的原料处理要求。
Description
技术领域
本发明含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法为能源化工技术领域；特别涉及生物质的热化学技术领域；尤其涉及为了实现生物质的高温气流床气化方法而对生物质进行热解处理的技术领域；具体涉及含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法技术领域。
背景技术
生物质是通过光合作用吸收空气中二氧化碳生成的有机物质，其分布广泛、可利用量大、并且是唯一可再生的含有碳氢组分和热能的、可储存的自然原料；利用生物质进行能源利用和化工生产，具有CO2零排放的特征。随着传统化石能源储量的日益减少，以及由于使用化石能源带来的环境污染问题，重视和发展可再生、环保能源已成为各国政府的共识。通过热化学、生物化学等方法，能够将生物质转变为清洁的气体或液体燃料，生产合成柴油/汽油、化工产品以及满足电力需求等等，具有全面替代化石能源的潜力，成为世界各国优先发展的新能源。
将生物质转变为清洁气体或液体燃料的方法很多，在这其中，生物质气化技术与其它技术相比能够适应所有的生物质种类，且具有工业化大型生产的能力。生物质的气化过程是一种热化学过程，是生物质原料与气化剂(空气、氧气、水蒸气、二氧化碳等)在高温下发生化学反应，将固态的生物质原料转变为由碳、氢、氧等元素组成的气体组分的混合气体的过程，该混合气体通常被称为合成气。
本发明是生物质、垃圾等可再生的固体燃料制造精制合成气工艺中必须优先解决的关键技术。所述精制合成气指的是：气化直接得到的合成气中，CO和H2为主要组分，无焦油，CH4含量＜0.5％。精制合成气主要用于生产合成柴油/汽油、烯烃、烷烃、石脑油、润滑油，以及作为燃料电池原料等等，适用于生产各种化工产品、以及各种超清洁油品的新能源利用，特别在可再生的生物质能源利用领域，它是生物质化工产业、生物质合成油新能源产业的关键技术。如将生物质气化而获得精制合成气，必须优先解决的就是生物质的热解技术。因为，以生物质制取精制合成气主要采用气流床气化技术(其气化温度较高，炉内温度比较均匀，焦油在气流床中全部裂解，CH4含量较少，同时气流床具有很好的放大特性，特别适用于大型工业化的应用)。但是，气流床气化对原料的粒径有着严格的限制，进入气流床的原料需要磨成超细的微米级的颗粒，然而按照现有的破碎或制粉技术，无法将含纤维较多的生物质原料磨制成满足气流床运行所需的粒径，这就导致了无法将生物质原料直接用于气流床气化；而最好的方法就是对生物质进行热解处理、将生物质分解成热解气和固态炭后再送入气流床中进行气化，这就是本专利申请的技术真谛与目的。
生物质热解是指生物质在没有氧化剂(空气、氧气、水蒸气等)存在或只提供有限氧的条件下，以一定的升温速率，加热到一定的温度，通过热化学反应将生物质中的木质素、纤维素和半纤维素分解成固态炭和热解气的热化学转化技术方法。
影响生物质热解的因素很多，主要有生物质的热解温度、热解压力、升温速率、原料特性、停留时间。
目前对生物质热解工艺主要分为两类，一是生物质的慢速热解，另一是生物质快速热解和/或闪速热解。热解温度有低温热解(250～400℃)、中温热解(400～600℃)、高温热解(600～800℃)，热解产物按其物理特性分为三大类：固态炭、热解气的不凝结组分、热解气的可凝结组分。
慢速热解(又称干馏工艺、传统热解)工艺具有几千年的历史，他将木材放在窑内，在隔绝空气的情况下加热，通常采用低温热解的方法，热解时间从几个小时到两周左右，可以得到占原料质量50％的木炭产量，而热解气排空；它是一种以生成木炭为目的的生物质热解炭化过程。
快速热解是将研磨的很细的生物质原料放在快速热解装置中，采用较高的升温速率(一般200℃/s)和较高的热解温度(一般在600℃左右)，生物质原料在缺氧的情况下，被快速加热到较高温度，从而引发生物质的热分解，经热解所产生热解气中的可凝结组分较多、不凝结组分较少、以及少量固态炭产物。可凝性组分被快速冷却成可流动的液体——称为生物原油，其比例一般可达原料质量的40％～60％。快速热解中，当升温速率很高，完成反应时间极端(＜0.5s)时，又称为闪速热解，闪速热解通常都是将生物质原料磨制的很细，主要用来增加生物原油的产量。
针对满足生物质气流床精制气化的要求，工程上提出了生物质热解处理的的几大要求：需热解的生物质粒径范围广——简单破碎即可、中等热解温度、热解快速、热解完全、热解气较多且所有组分都在较低的温度下不凝结、所有热解产物都可方便地进入气化炉中、热解所需的的外耗能量少、系统效率高等。
从上述介绍可看出，慢速热解并不适合生物质气化需要的热解处理要求；而快速热解得到的热解气中的大分子组分较多，并且目前国内外的快速热解/闪速热解都以获得更多的热解气可凝结组分为目的，其技术也并不适合生物质精制气化的热解要求。
为了提高生物质的整个气化系统效率，首先要求热解过程尽量减少外界能量的输入，同时要求热解时间短、热解温度不能过高以尽量减少热解装置的投入；第三，热解产物要求热解气中的可凝结组分少，并且热解气所有组分都在相对较低温度下不会冷凝，并可以充当输送炭粉的气体，以避免堵塞并腐蚀管道，以及避免采用外来的惰性气体输送炭粉而降低气化效率。归纳起来，对生物质热解的技术要求是：生物质的中温、快速热解及热解气的多次裂解；目前所有已知热解技术因存在着所述不足、缺陷与弊端而都不能满足上述要求。
基于发明人的专业知识底蕴与多年丰富的实践经验及对事业精益求精的不懈追求，在认真而充分的调查、了解、分析、总结上述已有公知技术和现状基础上，根据生物质原料的共有特点，以实施生物质的高效气流床气化为目的——将生物质的热解处理采用“中温、快速热解、多次裂解”的关键技术，研制成功了“含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法”，可高效、低投资地满足生物质的精制合成气的原料预处理要求，具有非常重要的现实意义与深远的战略意义。
发明内容
本发明采用“中温、快速热解、多次裂解”的关键技术，含碳固体燃料进入热解炉并输入外加燃料及氧化剂进行热解，最终获得输出炭与输出热解气；所述含碳固体燃料为生物质，所述输入外加燃料为只在启动热解炉的初始阶段输入，相继由所述氧化剂与经热解产生的热解气反应提供热解所需的热能；在热解过程中同时具备的技术条件是：(1)、热解炉内的平均温度为450℃～550℃、热解炉的所述输出热解气出口温度为450℃以上，以此实现中温热解；(2)、所述生物质进入热解炉后始终在搅拌状态下沿热解炉周向翻动，并在热解炉内的平均停留时间为600S以上、热解过程中产生的所述热解气在热解炉内的平均停留时间为120S以上，以此实现所述生物质的快速热解以及所述热解气的多次裂解；(3)、热解炉的压力根据所述输出热解气的用途而在0.1MPa～5.0MPa范围内调节。
通过本发明达到的目的是：①、为应用气流床对生物质气化创造前提技术条件；②、使自然生成、数量大、分布广、可再生的“生物质”新原料得到充分利用，变废为宝并有效地保护环境；③、采用“中温、快速热解、多次裂解”关键技术、提供“含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法”；④、为生物质化工产业及合成油新能源产业的开拓奠定坚实的技术依托；⑤、有效保护环境、提高综合经济效益。本发明可达到预期目的。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，含碳固体燃料进入热解炉并输入外加燃料及氧化剂进行热解，最终获得输出炭与输出热解气；所述含碳固体燃料为生物质，所述输入外加燃料为只在启动热解炉的初始阶段输入，相继由所述氧化剂与经热解产生的热解气反应提供热解所需的热能；在热解过程中同时具备的技术条件是：
(1)、热解炉内的平均温度为450℃～550℃、热解炉的所述输出热解气出口温度为450℃以上，以此实现中温热解；
(2)、所述生物质进入热解炉后始终在搅拌状态下沿热解炉周向翻动，并在热解炉内的平均停留时间为600S以上、热解过程中产生的所述热解气在热解炉内的平均停留时间为120S以上，以此实现所述生物质的快速热解以及所述热解气的多次裂解；
(3)、热解炉的压力根据所述输出热解气的用途而在0.1MPa～5.0MPa范围内调节。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述生物质为植物的根/茎/叶/花/果、动物尸体、粪便、碳水化合物的垃圾。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述生物质的最大粒径为50毫米以下。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述外加燃料为可燃气体、燃油中的一种、任意两种的组合。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述氧化剂为空气、氧气、氧气与二氧化碳气的混合气、氧气与氮气的混合气中的一种。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述输出热解气的温度在300℃以上而该所述输出热解气的大分子组分不会冷凝。
由于采用了本发明所提供的技术方案。由于本发明采用“中温、快速热解、多次裂解”的关键技术。由于本发明的含碳固体燃料进入热解炉并输入外加燃料及氧化剂进行热解，最终获得输出炭与输出热解气；其含碳固体燃料为生物质，只在启动热解炉初始阶段输入外加燃料、相继由氧化剂与经热解产生的热解气反应提供热解所需的热能；热解中同时具备的技术条件是：热解炉内平均温度450℃～550℃、输出热解气出口温度450℃以上，实现中温热解；生物质进入热解炉后始终在搅拌状态下沿热解炉周向翻动，并在热解炉内平均停留时间600S以上、热解气在热解炉内的平均停留时间120S以上，实现生物质快速热解及热解气多次裂解；热解炉压力以输出热解气用途在0.1MPa～5.0MPa范围调节。与已有公知技术相比，获得了如下有益效果：
1、由于本发明的生物质为植物的根/茎/叶/花/果、动物尸体、粪便、碳水化合物的垃圾，从而获得了自然生成原料数量大、分布广、可再生、取材方便、选择余地大等有益效果。
2、由于本发明生物质的最大粒径为50毫米以下，从而获得了：生物质原料的破碎处理简单，并在本发明所述的技术条件下保证了热解完全、裂解充分的有益效果。
3、由于本发明的外加燃料为可燃气体、燃油中的一种、任意两种的组合，氧化剂为空气、氧气、氧气与二氧化碳气的混合气、氧气与氮气的混合气中的一种，从而获得了对外加燃料及氧化剂的选择余地均大、燃烧稳定、便于实施的有益效果。
4、由于本发明的外加燃料为只在启动热解炉的初始阶段输入，相继由所述氧化剂与经热解产生的热解气反应提供热解所需的热能，从而满足了热解过程尽量减少外界能量输入的工程应用要求，并同时满足了燃烧稳定、便于工程实施应用的有益效果。
5、由于本发明热解炉内平均温度450℃～550℃、输出热解气出口温度450℃以上，从而获得了中温热解的有益效果。
6、由于本发明的生物质始终在炉内被搅拌周向翻动，并保证了平均停留600S以上、热解气在炉内平均停留120S以上，并在450℃以上的反应条件下，获得了生物质快速热解及热解气多次裂解的有益效果。
7、由于本发明热解炉压力可以根据输出热解气的用途在0.1MPa～5.0MPa范围内确定，都可以保证输出热解气对炭粉的输送、避免了采用别的惰性气体输送炭粉，从而提高了后续气流床气化的效率。
8、由于本发明获得的输出热解气，在保证温度300℃以上时不会有液体冷凝出现，由此获得了所述热解气输送时不会堵塞输送管道、并保证了所述热解气对炭粉输送顺畅的有益效果。
9、由本发明以上的各条所述，从而获得了以“中温、快速热解、多次裂解”的关键技术提供含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，为生物质的气流床气化技术应用解决了困难、创造了前提技术条件，使自然生成、数量大、分布广、可再生的“生物质”新原料变废为宝而得到充分利用，并有效地保护环境，为生物质化工产业及合成油新能源产业的开拓奠定技术依托、提供技术储备及技术实施方案、摆脱对传统化石能源依赖等有益效果。
10、由于本发明的以上各条所述及本发明设定的方法科学合理，从而获得了对生物质的热解完全、对热解气的裂解充分、效果稳定可靠、综合经济效益佳的有益效果。
附图说明
说明书附图为本发明具体实施方式的工艺技术流程窗框示意图。图中的虚线框表示热解炉，图中“外加燃料”的虚线箭头表示只在启动热解炉初始阶段才输入外加燃料。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作详细描述。正如说明书附图所示：
一种含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，含碳固体燃料进入热解炉并输入外加燃料及氧化剂进行热解，最终获得输出炭与输出热解气；所述含碳固体燃料为生物质，所述输入外加燃料为只在启动热解炉的初始阶段输入，相继由所述氧化剂与经热解产生的热解气反应提供热解所需的热能；在热解过程中同时具备的技术条件是：
(1)、热解炉内的平均温度为450℃～550℃、热解炉的所述输出热解气出口温度为450℃以上，以此实现中温热解；
(2)、所述生物质进入热解炉后始终在搅拌状态下沿热解炉周向翻动，并在热解炉内的平均停留时间为600S以上、热解过程中产生的所述热解气在热解炉内的平均停留时间为120S以上，以此实现所述生物质的快速热解以及所述热解气的多次裂解；
(3)、热解炉的压力根据所述输出热解气的用途而在0.1MPa～5.0MPa范围内调节。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述生物质为植物的根/茎/叶/花/果、动物尸体、粪便、碳水化合物的垃圾。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述生物质的最大粒径为50毫米以下。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述外加燃料为可燃气体、燃油中的一种、任意两种的组合。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述氧化剂为空气、氧气、氧气与二氧化碳气的混合气、氧气与氮气的混合气中的一种。
所述的含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，所述输出热解气的温度在300℃以上而该所述输出热解气的大分子组分不会冷凝。
在上述的具体实施过程中：对所述的外加燃料分别以可燃气体、燃油中的一种、任意两种的组合进行了实施；对所述的氧化剂分别以空气、氧气、氧气与二氧化碳气的混合气、氧气与氮气的混合气进行了实施；均收到了预期的良好效果。
通过以上的具体实施说明：①、根据原料的不同，对热解炉内的平均温度，可以在450℃～550℃范围内进行确定；②、对于热解炉的压力，根据输出热解气的用途不同，可在压力为0.1MPa～5.0MPa的范围内进行确定；③、当热解炉的压力确定在5.0MPa、输出热解气的温度在300℃以上时，所述的输出热解气也没有凝结的液体出现；④、对热解炉内的平均温度设定在550℃以下，可谓最经济的最佳选择，假如超过550℃、对热解炉的材料要求会大大提高、将大幅度提高热解炉的制作成本；⑤、通过上述实施，实现了对生物质的热解完全、对热解气的裂解充分，均收到了预期的良好效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员，均可按以上所述和说明书附图所示而顺畅地实施本发明；但凡在不脱离本发明技术方案而作出的更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (1)
1.一种含碳固体燃料的中温快速热解及多次裂解的方法，含碳固体燃料进入热解炉并输入外加燃料及氧化剂进行热解，最终获得输出炭与输出热解气；其特征在于：所述含碳固体燃料为生物质，所述输入外加燃料为只在启动热解炉的初始阶段输入，相继由所述氧化剂与经热解产生的热解气反应提供热解所需的热能；在热解过程中同时具备的技术条件是；
(1)、热解炉内的平均温度为450℃～550℃、热解炉的所述输出热解气出口温度为450℃以上，以此实现中温热解；
(2)、所述生物质进入热解炉后始终在搅拌状态下沿热解炉周向翻动，并在热解炉内的平均停留时间为600S以上、热解过程中产生的所述热解气在热解炉内的平均停留时间为120S以上，以此实现所述生物质的快速热解以及所述热解气的多次裂解；
(3)、热解炉的压力根据所述输出热解气的用途而在0.1MPa～5.0MPa范围内调节；
所述生物质为植物的根/茎/叶/花/果、动物尸体、粪便、碳水化合物的垃圾；
所述生物质的最大粒径为50毫米；
所述外加燃料为可燃气体、燃油中的一种或两者的混合物；
所述氧化剂为空气、氧气、氧气与二氧化碳气的混合气、氧气与氮气的混合气中的一种；
所述输出热解气的温度在300℃以上而该所述输出热解气的大分子组分不会冷凝。
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