CN101899315A - 一种生物质热裂解制取生物油的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质热化学利用技术领域，涉及一种生物质热裂解制取生物油的装置，包括热解炉、碳粉室、控制箱和循环水系统组合成一体式结构，通过热解将农作物秸秆、畜禽粪便、城市垃圾等可再生资源转化为液体燃料，并为降低后期油品精制工艺的能耗提供保证，有益于能源和材料行业的可持续供应，其技术原理是将秸秆等农业废弃物进行粉碎、干燥，送入沉降辅以机械流化的热解炉进行快速热解，经过气固分离出焦炭颗粒，热解气进入冷凝器快速冷却并经过两级油份收集而制得生物质油、热解碳粉和低热值气体，其生物质油经过精制可用于机动车等发动机的燃料油，其整体结构简单，原理可靠，实用性强，节能性好，生产环境友好，产油率高。

Description

一种生物质热裂解制取生物油的装置

技术领域：

本发明属于生物质热化学利用技术领域，涉及一种生物质热裂解制取生物油的装置，将农作物秸秆、锯末、杂草、畜禽粪便、城市垃圾等可再生资源转化为液体燃料，并为降低后期油品精制工艺的能耗提供保证，有益于能源和材料行业的可持续供应。

背景技术：

生物质热解液化技术可将低品质、低热值的生物质能转化为高品质、高热值、易于运输储存的液体燃料，并将生物油精制改性后可作为石油产品的替代物，对保障能源安全和保护环境具有重要意义。目前，生物质热解液化技术的一般工艺流程包括物料的干燥、粉碎、热裂解、气固分离、气态生物油的冷凝和生物油的收集。其中热裂解反应器是热解液化技术中的关键环节。国内外已有的热裂解反应器类型有旋转锥反应器、流化床式裂解器、循环流化床裂解器、漩涡烧蚀裂解器、真空裂解器、喷动床裂解器等。但目前最广泛应用的可连续生产的是流化床反应装置。传统流化床热解反应器利用载气(例如氮气或者烟气)为流化介质，对生物质物料粉末流化完成快速热解，既增加动力消耗也增加运行成本；氮气载气先被加热再随热解气一同被冷却，提高了加热和冷却负荷，增加了系统运行能耗；氮气的存在增加了热解产物的体积流量，增加了流动阻力，影响到气固分离效率；气体携带碳粒进入冷凝器，降低换热系数，降低冷凝效率，影响了得油率。因此，降低系统能耗，降低运行成本，强化油气分离，提高得油率，成为目前生物质热解液化研究的主要内容。

克服常规流化床热解装置必须利用载气的问题，无需气力输送而辅以机械流化，实现热解物料均匀分布，炉内空间均匀的温度场和流场，使得热解更为充分；省却了流化介质和保护气体，简化了系统，降低运行成本，适用于生物质粉末的热裂解液化系统的连续生产，其经济价值和社会效益明显。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有流化床热解技术装置存在的缺点，设计一种结构简单、自动化程度高、热效率高、经济性优越、热解充分和油份收集率高、能对生物油分级并对大中小型产量均适合的生物质油制取装置；该装置克服常规流化床热解装置必须利用载气的问题，无需气力输送而辅以机械流化，实现热解物料均匀分布，炉内空间温度场和流场均匀，热解更为充分；适用于生物质粉末的热裂解液化系统的连续生产，其经济价值和社会效益明显。

为了实现上述目的，本发明的技术原理方案是将秸秆等农业废弃物进行粉碎、干燥，送入沉降辅以机械流化的热解炉进行快速热解，经过气固分离出焦炭颗粒，热解气进入冷凝器快速冷却并经过两级油份收集而制得生物质油、热解碳粉和低热值气体；本发明的主体结构包括立式螺旋进料结构、夹套水冷管段、热解炉、热电偶、压力表、碳粉室(包括第一、第二两级沉降除尘的碳粉室)、三通阀、冷凝器底部储油管路、管式冷凝器、控制箱、保温材料、冷凝器气体出口管、旋风分离器、喷淋管嘴、喷淋剂循环泵、冷凝器循环水泵、补给水泵、引风机、低热值气体排放管、调速电机、搅拌丝杆、螺旋片和螺旋轴、螺旋轴尾部的螺旋丝、碳粉室内隔板、放碳管阀和滤油丝网；立式螺旋进料结构为组合式结构，包括调速电机、搅拌丝杆、螺旋片和螺旋轴及连接在螺旋轴尾部用于机械提升和流化粉末的螺旋丝；热解炉的法兰连接段处制有夹套水冷管段，防止温度升高时生物质粉末的结块堵管现象；循环用水与管式冷凝器的冷却水分别与冷凝器循环水泵水连通；热解炉外部制有保温材料，热解炉的底部延长段伸入碳粉室一侧的第一碳粉室，碳粉室的第二碳粉室底部为斜坡式结构便于碳粉收集，第一与第二碳粉室之间制有碳粉室内隔板，碳粉室内隔板至碳粉室的顶部的间距与热解气流量有关，碳粉室内隔板上端制为弧形结构，碳粉室底部和侧面留有放出碳粉的管段及放碳管阀；热解炉的直向管上等间距分别制有三个热电偶，热电偶的测温触点进入热解炉内；碳粉室和管式冷凝器之间的连接采用三通阀；冷凝器底部储油管段即管式冷凝器的下集箱与冷凝管束管内流体连通；管式冷凝器的管束外空间为水冷却，开式空间，冷却水由补给水泵掺入冷水维持水的低温和热水的排出；冷却后的气体经冷凝器气体出口管进入旋风分离器，随着负压度的提高，气体流速提高到满足离心式分离所要求的进口流速；切换使用的两个旋风分离器离心式分离气体中的重质液滴；周期性切换后，由喷淋剂循环泵将溶剂送到喷淋管嘴，以喷淋和冲刷的方式收集壁面油分；系统的流动阻力由引风机克服，并将低热值气体通过低热值气体排放管排放；整体装置管道式连通组合成一体式结构的生物油制备系统，实现低能耗低成本连续制备生物油；系统的送料速度调节和炉内温度场的显示及功率控制均通过控制箱实现。

本发明实现生产生物油的步骤包括两个阶段，一是生物质物料粉末的快速热裂解阶段；二是热解气的快速冷却和生物油的收集；第一阶段包括从入料到冷却之前，采用电热源加热，热解炉外电热丝的功率由热解炉规模决定，电热丝为上下两段输出，通过热电偶测得的温度场确定对各段电热丝发热功率进行如何调节，两段式电加热控制容易实现热解炉内的中温环境；料仓中生物质粉末的料位需高于料仓1/3高度，封住料层外空气随料进入热解炉，仅粉末层中少量空气的进入，热解炉内发生小部分氧化作用，主要发生的是缺氧气氛下的热裂解反应；螺旋下料速度的改变通过调节电机转速实现；螺旋下料与热解炉结合处设置一段夹套水循环冷却，因为热解炉内热量辐射引起物料和螺旋温度上升，生物质粉末受热粘度增加，物料容易粘结而形成堵塞，造成螺旋空转而物料不下；冷却水的降温保证物料在进入热解炉前不会粘结；螺旋轴尾部位于热解炉内，焊接的螺旋丝的一同旋转对入炉粉末起到提升和流化作用，粉末以悬浮状均匀沉降；生物质粉末入炉后的均匀分布保证生物质粉末的快速热解，稳定的温度场则使热解气中组分的稳定性好，中温(500℃左右)下的热解反应利于热解气中可凝性组分份额高；热解气携带碳粉快速落入碳粉室，进入第一碳粉室的热解炉延长管有提高气粉出口沉降速度的作用；在尾部引风机作用下，热解气上行越过碳粉室内隔板进入第二碳粉室，而碳粉颗粒在高速沉降惯性下大部分落到第一碳粉室底部；底部沉积的碳粉层起到蓄热保温作用；被热解气携带的细密碳粉流经碳粉室内隔板上端时，弧形段起到了扰流作用，气固间相对滑移速度进一步增大，进入第二碳粉室再次沉降除尘；两次沉降除尘后的热解气离开碳粉室，经由三通阀管路进入管式冷凝器；自物料入炉到热解气进入管式冷凝器过程耗时1～2s。

本发明制备生物油的第二阶段，热解气由管式冷凝器总管分流进入管束，被管外的循环冷却水以顺流传热方式快速冷却，易冷凝组分冷凝后沿壁面流下，进入底部储油管，有阀门控制定期排油或连续排油，油品含水量高，流动性好，属于第一级的生物油收集；不易冷凝的热解气在储油管内汇集，由引风机引出；热解气流经冷凝器被快速冷却至室温的过程耗时约0.5s；离开冷凝器的气体中携带有较高份额的油液滴，多为大分子碳氢化合物，粘度高，难以收集，进入旋风分离器，粘附于壁面缓慢下流；积蓄一定油层后会降低分离效率，为保证连续的高效分离，设置两个并列旋风子，通过阀门控制旋风子的切换；切换后的旋风分离器，启动喷淋系统，冷凝器循环水泵将第一级收集油掺加(10～20)％的无水乙醇的混合液(也称稳定体系)通过旋风分离器顶部出口管安装的喷淋管嘴进行喷淋，无水乙醇为重质生物油的良好溶剂和稳定剂，喷淋和冲刷将旋风子壁面上残留油分溶入并收集；经过丝网的进一步收集，不易凝性热解气含少量一氧化碳等可燃组分的低热值气体经过引风机排放，亦可收集用于进一步分离和合成。

本发明与现有技术相比具有如下优点：一是热解炉内无需流化介质即可实现生物质粉末在流化和悬浮状态热裂解，降低了运行成本和运行能耗，生物质转化效果好，生产成本低；二是两段控制式电加热使炉内温度场的均匀性和稳定性好，生物质粉末热解快，热解产物的组分和产率控制容易；三是碳粉室由两级沉降除尘，使热解气与碳粉高效分离，热解气高温下停留时间短；四是并列旋风子结合喷淋的系统促进了重质油分的收集(第二级收集生物油)；五是生物质热解产物的固体部分需在碳粉室内停留一定时间，既为碳粉室蓄热保温，也促进热解的完善度，为生物质的充分热解提供有利条件；充分热解得到的焦炭粉末卸料到碳粉桶内密封，冷却后的碳粉致密化成型为碳粒，既可作固体燃料，也可进一步活化作活性炭颗粒；其整体结构简单，原理可靠，实用性强，节能性好，生产环境友好，连续生产得油率高。

附图说明：

图1为发明的结构原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步说明。

本实施例的主体结构包括立式螺旋进料结构1、夹套水冷管段2、热解炉3、热电偶4、压力表5、碳粉室(两级沉降除尘室)6、三通阀7、冷凝器底部储油管路8、管式冷凝器9、控制箱10、保温材料11、冷凝器气体出口管12、旋风分离器13、喷淋管嘴14、喷淋剂循环泵15、冷凝器循环水泵16、补给水泵17、引风机18、低热值气体排放管19、调速电机20、搅拌丝杆21、螺旋片和螺旋轴22、螺旋轴尾部的螺旋丝23、碳粉室内隔板24、放碳管阀25～27和滤油丝网28；立式螺旋进料结构为组合式结构，包括调速电机20、搅拌丝杆21、螺旋片和螺旋轴22及连接在螺旋轴尾部用于机械提升和流化粉末的螺旋丝23；生物粉末进入热解炉3的法兰连接段处制有夹套水冷管段2，防止温度升高时生物质粉末的结块堵管现象；循环用水与管式冷凝器9的循环冷却水分别与循环水泵16水连通；热解炉3外部制有保温材料11，热解炉3的底部延长段伸入碳粉室6一侧的第一碳粉室，碳粉室6的第二碳粉室底部为斜坡式结构便于碳粉收集，第一与第二碳粉室之间制有碳粉室内隔板24，碳粉室内隔板24至碳粉室6的顶部的间距与热解气流量有关，碳粉室内隔板24的上端制为弧形结构，碳粉室6的底部和侧面留有放出碳粉的管段及放碳管阀25、26、27；热解炉3的直向管上等间距分别制有三个热电偶4，热电偶4的测温触点进入热解炉3内；碳粉室6和管式冷凝器9之间的连接采用三通阀7；冷凝器底部储油管路8即管式冷凝器9的下集箱与冷凝管束管内流体连通；管式冷凝器9的管束外空间为水冷却，开式空间，冷却水由补给水泵17掺入冷水维持水的低温和热水的排出；冷却后气体经冷凝器气体出口管12进入旋风分离器13，随着负压度的提高，气体流速提高到满足离心式分离所要求的进口流速；切换使用的两个旋风分离器13离心式分离气体中的重质液滴；周期性切换后，由喷淋剂循环泵15将溶剂送到喷淋管嘴14，以喷淋和冲刷的方式收集壁面油分；系统的流动阻力由引风机18克服，并将低热值气体通过低热值气体排放管19排放；整体装置管道式连通组合成一体式结构的生物油制备系统，实现低能耗低成本连续制备生物油，送料速度调节和炉内温度场的显示及功率控制均通过控制箱10实现。

本实施例通过调整送料调速电机20的转速控制物料入料量，同时调节机械流化螺旋轴尾部的螺旋丝23的转速，料仓中料位的高度至少为料仓深度的1/3，保证入炉密封性；螺旋片和螺旋轴22上制有两根交错搅拌丝杆21，并位于料仓底部出口之上，其安装高度低于料仓高度1/3处，以拨动生物质粉末层，减少结块，防止堵塞，促进顺畅入料；分别控制上下两段电热丝的功率保证热解炉3内轴向温度场的均匀性；热解炉3内维持500±10℃；碳粉室6内温度为450℃，既促进物料的充分热解，又减少热解气的慢速冷却而改变油性；定期开启碳粉室6底部管段的放碳管阀25～27，放出部分沉积的碳粉，留有部分碳粉对热解炉3的底部蓄热保温，保证三个管阀的密封性；进入碳粉室6的热解炉3的延长段使得由上而下的热解气携带碳粉落入碳粉室6的沉降速度更高，大的碳颗粒在惯性和重力作用下与气体分离，而跟随气体继续上行的小碳颗粒流经隔板时，被弧形的碳粉室内隔板24阻挡扰动，更多细碳粒与气体的相对滑移速度增加，在两侧碳粉室沉积下来；气体流经三通阀7时须保温良好，减少焦油的沉积；通过碳粉室6的压力表5显示，检测三通阀7处是否被焦油堵塞，及时进行焦油清理；两级油收集装置间连接管路长度要缩短，减少油分沉积；通过调节引风机18的开度来控制碳粉室6内负压度；管式冷凝器9下收集的油水分含量高，粘度小，流动性好，氧含量高，所以发热量低，需后期复杂的深度精制；而旋风分离器13下收集的油水分含量少，氧含量低，粘度大，经过后期简单的精制工艺即可具有液体燃料的特性。

本实施例的实验测量结果表明，考虑到滤油丝网28收集油后质量变化，生物质热裂解制油系统的秸秆热解得油率在45％，锯末热解得油率在55％左右；热解碳粉可用做燃料或进一步制取活性炭；低热值气体可回收分离后用于气体合成，本实施例的热裂解制油装置具有负荷调节范围广，能源转换效率高，污染排放少，低成本低能耗运行，经济性优越，制得的生物油易于分类精制为石油替代产品，具有广阔的经济效益和优越的社会效益。

Claims (2)

1.一种生物质热裂解制取生物油的装置，主体结构包括立式螺旋进料结构、夹套水冷管段、热解炉、热电偶、压力表、碳粉室、三通阀、冷凝器底部储油管路、管式冷凝器、控制箱、保温材料、冷凝器气体出口管、旋风分离器、喷淋管嘴、喷淋剂循环泵、冷凝器循环水泵、补给水泵、引风机、低热值气体排放管、调速电机、搅拌丝杆、螺旋片和螺旋轴、螺旋轴尾部的螺旋丝、碳粉室内隔板、放碳管阀和滤油丝网，其特征在于热解炉的法兰连接段处制有夹套水冷管段，防止温度升高时生物质粉末的结块堵管现象；循环用水与管式冷凝器的冷却水分别与冷凝器循环水泵水连通；热解炉外部制有保温材料，热解炉的底部延长段伸入碳粉室一侧的第一碳粉室，碳粉室的第二碳粉室底部为斜坡式结构便于碳粉收集，第一与第二碳粉室之间制有碳粉室内隔板，碳粉室内隔板至碳粉室的顶部的间距与热解气流量有关，碳粉室内隔板上端制为弧形结构，碳粉室底部和侧面留有放出碳粉的管段及放碳管阀；热解炉的直向管上等间距分别制有三个热电偶，热电偶的测温触点进入热解炉内；碳粉室和管式冷凝器之间的连接采用三通阀；冷凝器底部储油管段即管式冷凝器的下集箱与冷凝管束管内流体连通；管式冷凝器的管束外空间为水冷却，开式空间，冷却水由补给水泵掺入冷水维持水的低温和热水的排出；冷却后的气体经冷凝器气体出口管进入旋风分离器，随着负压度的提高，气体流速提高到满足离心式分离所要求的进口流速；切换使用的两个旋风分离器离心式分离气体中的重质液滴；周期性切换后，由喷淋剂循环泵将溶剂送到喷淋管嘴，以喷淋和冲刷的方式收集壁面油分；系统的流动阻力由引风机克服，并将低热值气体通过低热值气体排放管排放；整体装置管道式连通组合成一体式结构的生物油制备系统，实现低能耗低成本连续制备生物油；系统的送料速度调节和炉内温度场的显示及功率控制均通过控制箱实现。

2.根据权利要求1所述的生物质热裂解制取生物油的装置，其特征在于通过调整送料调速电机的转速控制物料入料量，同时调节机械流化螺旋轴尾部的螺旋丝的转速，料仓中料位的高度至少为料仓深度的1/3；螺旋片和螺旋轴上制有两根交错搅拌丝杆，并位于料仓底部出口之上，其安装高度低于料仓高度1/3处，以拨动生物质粉末层，减少结块，防止堵塞，促进顺畅入料；热解炉内维持500±10℃；碳粉室内温度为450℃。

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