CN101963349A - 生物质热解油燃烧装置与操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是生物质热解油燃烧装置与操作方法，属于可再生能源技术领域。生物质热解油通过本装置燃烧供热，火焰温度可达1400℃。整个装置由压缩机、油罐、预热罐、清洗罐、配风管、加热器、雾化器和燃烧室组成。生物质热解油燃烧装置的操作方法包括：生物质热解油过滤、燃烧室预热、生物质热解油稳定燃烧和管线清洗4个步骤。本燃烧装置可使得生物质热解油替代柴油和重油用于锅炉、工业窑炉和透平中进行燃烧供热和发电。

Description

生物质热解油燃烧装置与操作方法

技术领域

本发明属于可再生能源领域。

背景技术

自从20世纪70年代爆发石油危机以来，石油的供应越来越紧张，石油价格屡创新高，2007年末更是突破了100美元/桶的大关。据估计，到2030年，世界每天的石油需求将达到117.6百万桶。多出来的31.7百万桶/天的需求量相当于3个沙特阿拉伯的石油日产量。从我国的情况来看，近年来随着国民经济的快速发展，我国对石油资源的需求持续增长，即使按比较慢的消费增长速度预测，到2010和2020年的石油供应缺口将分别为1.5×10⁸t和2.5×10⁸t，届时我国石油对外依存度将分别达到45％和54％，石油安全将不可避免地成为国家安全的一个重要组成部分。70年代的中东石油危机和当代的伊拉克战争表明，人类已经进入为了获得石油资源而不惜进行战争的时代。此外，由于石油、煤和天然气的使用，大量温室气体(主要是二氧化碳)、氮氧化物(NO_x)和硫氧化物(SO_x)被排放。比如我国每年使用化石燃料产生的二氧化碳约10亿吨，排放的二氧化硫液化后就足以填满十余个西湖。不但严重污染环境，而且大量二氧化碳、二氧化硫等温室气体对气候的危害已经越来越严重，造成暴雨、干旱和反常的高温天气等自然灾害频发。

开发生物质热解油燃烧技术，不但能够有效缓解化石能源(煤、石油和天然气)供应紧张的状况，还可有效降低温室气体、硫氧化物和氮氧化物的排放，促进社会的可持续发展。

在无氧、适宜的反应温度(500℃左右)、快速加热速率(1000～10000℃/s)、短的气相停留时间(不超过2s)的条件下，各种林业采伐、林业加工废弃物(如落叶、枯树枝、木材加工业的下脚料和木屑等)和各种农作物秸杆(如稻壳、麦秸秆、玉米秸秆和水稻秸秆等)被热裂解为有机蒸汽、炭和不可冷凝气体，然后有机蒸汽被快速冷凝为液体燃料-生物质热解油(产率50wt％～70wt％)。生物质热解油是一种棕褐色液体，高位热值约18MJ/kg，相当于柴油热值的五分之二，黏度介于汽油与重油之间，它可以直接在锅炉和工业窑炉中燃烧供热，也可以用在涡轮机和透平中燃烧发电。因此，只要开发出性能良好的生物质热解油燃烧装置和适当的操作方法，就可用生物质热解油替代柴油和重油进行燃烧供热、发电。生物质热解油中的碳元素来自绿色植物的光合作用从大气中吸收的碳，生物质热解油燃烧时二氧化碳的净排放量为零。并且生物质热解油中硫元素和氮元素的含量极低(硫元素约为0.2wt％，氮元素约为0.3wt％)，生物质热解油燃烧时排放的硫氧化物和氮氧化物显著低于化石燃料燃烧排放的硫氧化物和氮氧化物。生物质热解油是一种绿色环保的液体燃料。此外生物质热解油呈液态，储存、运输、集中加工均十分方便，它的生产原料来自各种林业采伐、林业加工废弃物和各种农作物秸杆，不与人争粮，不与粮争地。

生物质热解油虽然具有可再生性和环境友好的特点，但生物质热解油具有热值低、粘度大、含有炭粉和其它固体颗粒、在高温下容易聚合结焦的缺点。它和普通的石化柴油和重油的性质具有显著不同。因此目前工业生产和社会生活中使用的柴油、重油燃烧装置无法用于生物质热解油的燃烧，因此，需要开发全新的、符合生物质热解油特点的燃烧装置。

荷兰BTG公司、北美dynamotive公司初步探讨了生物质热解油的燃烧性质，它们的研究表明，生物质热解油的燃烧行为与轻燃料油的燃烧行为相似，能够单独燃烧或者与天然气、丙烷共燃进行供热发电。中国科学技术大学研究了纯生物油的雾化燃烧性质，并研究了生物质热解油燃烧过程中污染物排放情况。实验结果表明，生物油不做任何品质提升即可实现稳定的燃烧，可以满足工业窑炉和燃油锅炉等热力设备的使用要求，生物质热解油燃烧过程排放的一氧化碳、氮氧化物和硫氧化物的远低于化石燃料燃烧过程的排放量。

但荷兰BTG公司、北美dynamotive公司和中国科学技术大学的研究均只是探讨了生物质热解油的燃烧性质，如燃烧温度随时间的变化、达到燃烧稳定后的最大火焰温度和燃烧过程的一氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和残余氧气排放情况，侧重于理论研究。因此上述研究并不是以开发生物质热解油燃烧装置和建立燃烧装置的操作方法为目的。为了使得生物质热解油真正能够替代柴油、重油等燃烧供热、发电，必须开发完善的生物质热解油燃烧装置及操作方法。

发明内容

专利发明了全新的生物质热解油燃烧装置，并且建立了完善生物质热解油燃烧装置的操作方法。该燃烧装置和相应操作方法，充分考虑了生物质热解油热值低、粘度较高、在高温下容易结焦聚合和存在残余炭粉和其它固体颗粒的特点，在装置上和操作方法上和通常的柴油或重油燃烧装置和操作方法具有显著不同。该燃烧装置和操作方法能够使得生物质热解油稳定、连续的燃烧，燃烧火焰温度可达1450℃，且不发生管线堵塞现象。本套生物质热解油燃烧装置和相应的操作方法实施后，可以使得生物质热解油广泛替代柴油、重油、煤和天然气等化石燃料进行燃烧供热、发电，不但能大大缓解当前的化石能源(煤、石油和天然气)紧张状况，还可有效降低各种污染气体的排放，实现循环经济和社会的可持续发展。

本发明专利涉及的生物质热解油燃烧装置如图1所示，主要由压缩机、油罐、预热罐、清洗罐、配风管、加热器、雾化器和燃烧室组成。

压缩机将空气压入配风管线，本燃烧装置采用三次配风，其中一次风进入雾化器，将生物质热解油雾化为细微的油滴，生物质热解油的油滴的平均直径在39μm至41μm之间。二次风同样进入雾化器，供给生物质热解油燃烧需要的空气。三次风进入燃烧室，保证生物质热解油充分燃烧，以达到额定的燃烧温度，同时降低一氧化碳的排放。

油罐中储存生物质热解油，油罐中的生物油由高压油泵送入雾化器中进行雾化。

预热罐中储存柴油或重油或汽油，用于生物质热解油燃烧装置的预热。由于生物质热解油的热值远低于柴油或重油，因此生物质热解油的点火性能较差，整个燃烧装置需要先燃烧柴油或重油，将生物质热解油燃烧装置的燃烧室预热至一定后，生物质热解油方可顺利燃烧。

清洗罐中存储乙醇或甲醇，用于生物质热解油燃烧装置的管线清洗。生物质热解油由于含有较多含氧化合物，因此在高温、不流动的情况下极容易发生聚合结焦反应，堵塞燃烧装置管线和雾化器，因此在生物质热解油燃烧结束后，需要使用本燃烧装置燃烧乙醇或甲醇，其实质就是利用乙醇或甲醇对生物质热解油的良好溶解性来清洗整个燃烧装置的管线和雾化器，防止燃烧装置的堵塞。

配风管共有三条，分别走一次风、二次风和三次风，一次风将生物质热解油雾化为微小的油滴，二次风和三次风供给生物质热解油燃烧需要的空气。其中一次风和二次风通入雾化器，三次风通入燃烧室。

加热器采用电加热，加热器包在生物质热解油输油管道外围，位于油罐和雾化器之间。由于生物质热解油含氧量高，其在化学成分上具有较多的含氧官能团(如羟基、羧基、碳氧双键和碳氧单键等)，生物质热解油粘度较大，达到了120mm²/s，所以生物质热解油的流动性不如柴油或重油好。所以需要加热器，用于加热生物质热解油，提高生物质热解油的温度，从而降低其粘度，增加生物质热解油的流动性，使得其易于雾化和不易发生堵塞。

雾化器将生物质热解油雾化为平均直径在39μm至41μm之间的油滴，使得生物质热解油能够与空气充分接触，充分燃烧。雾化器中采用的雾化喷头为高压内混式喷头。

燃烧室是一圆柱型的空腔，雾化为油滴的生物质热解油在燃烧室内进行燃烧。

本发明专利涉及的生物质热解油燃烧装置的操作方法如下：

1.在将生物质热解油装入油罐之前，需要使用200目的筛网过滤生物质热解油，除去生物质热解油中的炭粉颗粒和其它固体杂质，防止这些杂质堵塞燃烧装置的管线。

2.开动压缩机，输送一次风、二次风和三次风进入生物质热解油燃烧装置的管线。

3.预热：开动油泵1，将预热罐中的柴油或重油或汽油输送至雾化器，使得预热罐中的油品雾化在燃烧室内发生燃烧，加热燃烧室的温度至500℃以上。

4.生物质热解油燃烧：在燃烧室温度达到500℃以上后，关停油泵1，启动油泵2，将油罐中的生物质热解油输送至雾化器雾化，雾化后的生物质热解油油滴在燃烧室内燃烧。生物质热解油、一次风、二次风和三次风的质量流量(kg/h)配比为：10∶(1.3889～1.4)∶(3～3.2222)∶(3～3.2222)

5.清洗：关停油泵2，开启油泵3，将清洗罐中乙醇或甲醇输送至雾化器内雾化，使得清洗罐中燃料在燃烧室燃烧。清洗步骤的目的在于利用甲醇或乙醇对生物质热解油优良的溶解性，清洗整个生物质热解油燃烧装置的管线和雾化器，防止由于整个燃烧燃烧装置关停后，管线和雾化器中残留的生物质热解油发生聚合结块现象，堵塞管线和雾化器。整个清洗步骤需要进行半小时以上。

6.在清洗步骤完成后，进行关停油泵3，关停压缩机。

附图说明

图1生物质热解油燃烧装置

本图展示生物质热解油燃烧装置的组成部分，本发明专利涉及的生物质热解油燃烧装置如图1所示，主要由压缩机、油罐、预热罐、清洗罐、配风管、加热器、雾化器和燃烧室组成。

压缩机将空气压入配风管线，本燃烧装置采用三次配风，其中一次风、二次风进入雾化器，三次风进入燃烧室。一次风由于雾化生物质热解油，二次风和三次风供给生物质热解油充分燃烧所需的空气。

油罐中储存生物质热解油，油罐中的生物油由高压油泵送入雾化器中进行雾化。

预热罐中储存柴油或重油或汽油，用于生物质热解油燃烧装置中燃烧室的预热。

清洗罐中存储乙醇或甲醇，用于生物质热解油燃烧装置的管线清洗。

配风管共有三条，分别走一次风、二次风和三次风，一次风将生物质热解油雾化为微小的油滴，二次风和三次风供给生物质热解油燃烧需要的空气。其中一次风和二次风通入雾化器，三次风通入燃烧室。

加热器采用电加热，加热器包在生物质热解油输油管道外围，位于油罐和雾化器之间。用于加热生物质热解油，提高生物质热解油的温度，从而降低其粘度，增加生物质热解油的流动性，使得其易于雾化和不易发生堵塞。

雾化器将生物质热解油雾化为平均直径在39μm至41μm之间的油滴，使得生物质热解油能够与空气充分接触，充分燃烧。雾化器中采用的雾化喷头为高压内混式喷头。

燃烧室是一圆柱型的空腔，雾化为油滴的生物质热解油在燃烧室内进行燃烧。

具体实施方式

实施例1：

1.在将生物质热解油装入油罐之前，使用230目的筛网过滤生物质热解油，除去生物质热解油中的炭粉颗粒和其它固体杂质。

2.开动压缩机，输送一次风、二次风和三次风进入生物质热解油燃烧装置的管线，它们的流量分别为7.8kg/h、17.6kg/h和17.9kg/h。

3.预热：开动油泵1，将预热罐中的柴油或重油或汽油输送至雾化器，使得预热罐中的油品雾化在燃烧室内发生燃烧，加热燃烧室的温度至550℃。

4.生物质热解油燃烧：在燃烧室温度达到550℃后，关停油泵1，启动油泵2，将油罐中的生物质热解油输送至雾化器雾化，生物质热解油的流量为56.7kg/h

5.清洗：关停油泵2，开启油泵3，将清洗罐中乙醇或甲醇输送至雾化器内雾化，使得清洗罐中燃料在燃烧室燃烧。清洗整个生物质热解油燃烧装置的管线和雾化器，整个清洗步骤需要进行40min。

6.在清洗步骤完成后，进行关停油泵3，关停压缩机。

实施例2：

1.在将生物质热解油装入油罐之前，使用270目的筛网过滤生物质热解油，除去生物质热解油中的炭粉颗粒和其它固体杂质。

2.开动压缩机，输送一次风、二次风和三次风进入生物质热解油燃烧装置的管线，它们的流量分别为23.6kg/h、53.1kg/h和53.1kg/h。

3.预热：开动油泵1，将预热罐中的柴油或重油或汽油输送至雾化器，使得预热罐中的油品雾化在燃烧室内发生燃烧，加热燃烧室的温度至540℃。

4.生物质热解油燃烧：在燃烧室温度达到540℃后，关停油泵1，启动油泵2，将油罐中的生物质热解油输送至雾化器雾化，生物质热解油的流量为170.1kg/h

5.清洗：关停油泵2，开启油泵3，将清洗罐中乙醇或甲醇输送至雾化器内雾化，使得清洗罐中燃料在燃烧室燃烧。清洗整个生物质热解油燃烧装置的管线和雾化器，整个清洗步骤需要进行35min。

6.在清洗步骤完成后，进行关停油泵3，关停压缩机。

实施例3：

1.在将生物质热解油装入油罐之前，使用300目的筛网过滤生物质热解油，除去生物质热解油中的炭粉颗粒和其它固体杂质。

2.开动压缩机，输送一次风、二次风和三次风进入生物质热解油燃烧装置的管线，它们的流量分别为39.2kg/h、89.9kg/h和89.9kg/h。

3.预热：开动油泵1，将预热罐中的柴油或重油或汽油输送至雾化器，使得预热罐中的油品雾化在燃烧室内发生燃烧，加热燃烧室的温度至600℃。

4.生物质热解油燃烧：在燃烧室温度达到600℃后，关停油泵1，启动油泵2，将油罐中的生物质热解油输送至雾化器雾化，生物质热解油的流量为280.9kg/h

5.清洗：关停油泵2，开启油泵3，将清洗罐中乙醇或甲醇输送至雾化器内雾化，使得清洗罐中燃料在燃烧室燃烧。清洗整个生物质热解油燃烧装置的管线和雾化器，整个清洗步骤需要进行60min。

6.在清洗步骤完成后，进行关停油泵3，关停压缩机。

Claims (10)

1.生物质热解油燃烧装置由压缩机、由油罐、预热罐、清洗罐、配风管、加热器、雾化器和燃烧室构成。

2.如权利要求1所述，油罐中盛放生物质热解油。

3.如权利要求1所述，预热罐中盛放柴油或重油或汽油。

4.如权利要求1所述，油罐中盛放生物质热解油。

5.如权利要求1所述，清洗罐中盛放乙醇或甲醇。

6.如权利要求1所述，雾化器所用的喷头采用高压内混式喷头。

7.生物质热解油燃烧装置使用的生物质热解油需要过滤除去炭粉，滤网目数在200目以上。

8.整个生物质热解油燃烧装置采用三次配风，生物质热解油、一次风、二次风和三次风的质量流量(kg/h)配比为：10∶(1.3889～1.4)∶(3～3.2222)∶(3～3.2222)。

9.燃烧生物质热解油之前，需要燃烧柴油或重油或汽油以预热燃烧室，使得燃烧室温度达到500℃以上。

10.燃烧生物质热解油之后，需要燃烧乙醇或甲醇，清洗整个生物油热解油燃烧装置的管线和雾化器。

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