CN102010729A - 一种多功能流化床式生物质热解转化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能流化床式生物质热解转化装置，属于生物质再生利用及其能源化设备技术领域。包括：用于使干燥粉碎后的原料进行热解炭化、液化或气化反应的热解反应器；用于将热解反应器中热解得到的炭和热解气分离的气固分离器；用于使灰分返回的灰分返料器；用于收集气固分离器分离得到的炭的集炭箱；用于使热解气过滤去除杂质的过滤器；用于使热解气冷凝的冷凝器；用于储存冷凝液体的储油罐；用于对不可冷凝气体进行除焦、除尘和降温的水洗除焦器；用于储存不可冷凝气体的储气罐。本发明装置对流化床反应器进行分段控温，实现生物质热解炭化、液化和气化，并提高了热解产物的质量，解决了生物质转化对环境的污染。

Description

一种多功能流化床式生物质热解转化装置

技术领域

本发明涉及一种多功能流化床式生物质热解转化装置，属于生物质再生利用及其能源化设备技术领域。

背景技术

生物质是一种可再生、环境友好型资源，其利用过程中可实现二氧化碳的零排放。生物质热解炭化、液化和气化是生物质能利用的主要技术，所以研究一种能够集生物质热解炭化、液化和气化多功能为一体的试验装置意义重大。

生物质热解炭化、液化和气化技术均属于生物质热化学转换技术。生物质热解炭化的主要目的是在较低温度与较慢升温速率下得到热解炭和副产品木醋液、木煤气；热解炭经活化可制得性能优良的活性炭，可广泛用于气体净化、污水处理等领域。生物质热解液化的主要目的是在中等反应温度和较高升温速率下得到生物油和副产品热解炭、不可冷凝气体；生物油可直接作为燃料供电供热，也可用于生产化学品，如部分替代苯酚制备酚醛树脂胶粘剂。生物质热解气化的主要目的是在高反应温度和较高升温速率下得到可燃气体和副产品焦油、炭粉；可燃气体利用效率高，而且用途广泛，如可以用做生活煤气，也可以用于烧锅炉或直接发电。

目前，生物质热解炭化、液化和气化技术发展很快，研究较多，国内外现已开发出多种类型的生物质热解反应器，但现有热解反应器的通用性能均不好，并且都存在各自的不足，尤其缺乏能够综合研究热解炭化、液化和气化多功能一体化的设备。

发明内容

本发明的目的是提出一种多功能流化床式生物质热解转化装置，综合流化床热解炭化、液化和气化反应条件及反应器特征，以便在同一装置中实现生物质的热解炭化、液化和气化。

本发明提出的多功能流化床式生物质热解转化装置，包括：

热解反应器，用于使干燥粉碎后的原料进行热解炭化、液化或气化反应，热解反应器的左侧下部设有进料口，热解反应器的右侧下部与灰分返料器相连，热解反应器的下部设有流化气进气口，热解反应器的上部与气固分离器的入口相连；

气固分离器，用于将热解反应器中热解得到的炭和热解气分离，气固分离器的进口与所述的热解反应器的上部出口相连，气固分离器的下部出口与灰分返料器相连，气固分离器的上部出口与过滤器相连；

灰分返料器，用于使所述的气固分离器中分离得到的灰分返回到所述的热解反应器中，或收集到集炭箱中，灰分返料器的进口与所述的气固分离器的下部出口相连，灰分返料器的左侧出口与所述的热解反应器的右侧下部进口相连，灰分返料器的右侧出口与集炭箱相连；

集炭箱，用于收集气固分离器分离得到的炭，集炭箱的入口与所述的灰分返料器的右侧出口相连；

过滤器，用于使所述的气固分离器得到的热解气过滤去除杂质，过滤器的右侧出口与冷凝器相连；

冷凝器，用于使经过过滤的热解气冷凝，得到冷凝液体和不可冷凝气体，冷凝器的出口与储油罐相连；水洗除焦器的气体入口相连；

储油罐，用于储存由所述的冷凝器得到的冷凝液体，储油罐的出口与水洗除焦器相连；

水洗除焦器，用于对所述的储油罐中的不可冷凝气体进行除焦、除尘和降温，水洗除焦器的左侧下部为气体进口，左侧上部为气体出口，右侧下部为循环水进口，右侧上部为循环水出口，左侧上部的气体出口与储气罐相连；

储气罐，用于储存经过所述的水洗除焦器水洗除焦后的不可冷凝气体，储气罐的进口与所述的水洗除焦器气体出口相连。

本发明提出的多功能流化床式生物质热解转化装置，通过对流化床反应器进行分段控温，很好地实现生物质热解炭化、液化和气化，有利于系统研究三者之间的关系及影响机制。本发明的生物质热解反应装置，与现有的同样技术相比具有以下优点及技术效果：

1、本发明的热解转化装置中的流化床反应器，采用三段控温的模式，在流化床式热解反应器的各控温段配备相应的温度、压力、流量等各类监控仪表，实现各控温段反应过程中温度、升温速率、压力等因素的精确调控，因此当用于热解反应时，热解过程便于调节，有利于提高热解产物的质量。

2、本发明的热解转化装置的运行过程中，炭化过程产生的烟气经冷却、除尘提取焦油后作为载气重新通入流化床反应器，液化过程中产生的气体经冷凝提取生物油后作为载气重新通入流化床反应器，气化过程中产生的灰分经过灰分返料器重新通入流化床反应器中，解决了生物质转化对环境的污染。

3、本发明的热解转化装置中产生的气体，经冷凝后采取吹泡法水洗技术，能够同时实现除焦、除尘和降温三方面的效果。

附图说明

图1是本发明热解转化装置的结构示意图。

图1中，1是热解反应器，2是流化床下段控温区，3是流化床中段控温区，4是流化床上段控温区，5是气固分离器，6是过滤器，7是冷凝器，8是水洗除焦器，9是储气罐，10是储油罐，11是集炭箱，12是灰分返料器。

具体实施方式

本发明提出的多功能流化床式生物质热解转化装置，其结构如图1所示，包括：

热解反应器1，用于使干燥粉碎后的原料进行热解炭化、液化或气化反应，热解反应器的左侧下部设有进料口，热解反应器的右侧下部与灰分返料器相连，热解反应器的下部设有流化气进气口，热解反应器的上部与气固分离器的入口相连；

气固分离器5，用于将热解反应器中热解得到的炭和热解气分离，气固分离器的进口与所述的热解反应器的上部出口相连，气固分离器的下部出口与灰分返料器相连，气固分离器的上部出口与过滤器相连；

灰分返料器12，用于使所述的气固分离器中分离得到的灰分返回到所述的热解反应器中，或收集到集炭箱中，灰分返料器的进口与所述的气固分离器的下部出口相连，灰分返料器的左侧出口与所述的热解反应器的右侧下部进口相连，灰分返料器的右侧出口与集炭箱相连；

集炭箱11，用于收集气固分离器分离得到的炭，集炭箱的入口与所述的灰分返料器的右侧出口相连；

过滤器6，用于使所述的气固分离器得到的热解气过滤去除杂质，过滤器的右侧出口与冷凝器相连；

冷凝器7，用于使经过过滤的热解气冷凝，得到冷凝液体和不可冷凝气体，冷凝器的出口与储油罐相连；水洗除焦器的气体入口相连；

储油罐10，用于储存由所述的冷凝器得到的冷凝液体，储油罐的出口与水洗除焦器相连；

水洗除焦器8，用于对所述的储油罐中的不可冷凝气体进行除焦、除尘和降温，水洗除焦器的左侧下部为气体进口，左侧上部为气体出口，右侧下部为循环水进口，右侧上部为循环水出口，左侧上部的气体出口与储气罐相连；

储气罐9，用于储存经过所述的水洗除焦器水洗除焦后的不可冷凝气体，储气罐的进口与所述的水洗除焦器气体出口相连。

本发明热解转化装置，可以实现热解、液化和气化等功能，因此，对于流化床反应器的温度及升温速率控制非常关键，本反应器采用三段控温的方法，如图1中所示，其中2是流化床下段控温区，3是流化床中段控温区，4是流化床上段控温区。用于精确测定和实时监控装置中各部分的流量、温度、升温速率、压力等。通过对三段温度范围的调节，以便很好地实现生物质热解炭化、液化和气化。

当本发明装置用于生物质热解炭化时，其工艺过程如下：

(1)将生物质物料粉碎，粉碎后的颗粒度为0.3～1.2mm，并使其干燥到含水率为6％～12％；

(2)使上述物料进行热解反应，产生炭和热解气，反应温度分为三段，反应器的下段控温区为150～200℃(预炭化阶段)，中段控温区为200～350℃(炭化阶段)，上段控温区为350～450℃(煅烧阶段)，流化载气为N₂，反应时间为3～5秒；

(3)对上述反应得到的炭和热解气进行分离，得到的主产品炭收集用于后续加工，副产品热解气随载气继续前进；

(4)使上述步骤(3)得到的热解气过滤，去除杂质；

(5)使上述经过过滤的热解气冷凝，冷凝后不可冷凝气温度为80～120℃，可冷凝气体变为液体收集；

(6)使上述步骤(5)得到的不可冷凝气体进行水洗除焦，水洗除焦温度为15～25℃，时间为1.5～3秒；

(7)使上述步骤(6)得到的不可冷凝气体中的75％～90％进入步骤(2)继续反应，循环使用，10％～25％收集备用。

当本发明装置用于生物质热解液化时，其工艺过程如下：

(1)将生物质物料粉碎，粉碎后的颗粒度为0.3～1.2mm，并使其干燥到含水率为6％～12％；

(2)使上述物料进行热解反应，产生炭和热解气，反应温度分为三段，反应器的下段控温区为525～575℃(主反应区)；中段控温区为475～525℃(副反应区)；上段控温区为400～450℃(缓冲区)；流化载气为N₂，反应时间为0.5～3秒；

(3)对上述反应得到的炭和热解气进行分离，得到的热解气随载气继续前进，副产品炭收集；

(4)使上述步骤(3)得到的热解气过滤，去除杂质；

(5)使上述经过过滤的热解气冷凝，冷凝后不可冷凝气温度为80～120℃，可冷凝气体变为主产品生物油收集；

(6)使上述步骤(5)得到的不可冷凝气体进行水洗除焦，水洗除焦温度为15～25℃，时间为1.5～3秒；

(7)使上述步骤(6)得到的不可冷凝气体中的55％～70％进入步骤(2)继续反应，循环使用，45％～30％收集备用。

当本发明装置用于生物质热解气化时，其工艺过程如下：

(1)将生物质物料粉碎，粉碎后的颗粒度为0.3～1.2mm，并使其干燥到含水率为6％～12％；

(2)使上述物料进行热解反应，产生热解气和灰分，反应温度分为三段，反应器的下段控温区为400～500℃(氧化放热阶段)；中段控温区为500～750℃(热解阶段)；上段控温区750～900℃(气化还原阶段)流化载气为空气，反应时间为0.5～2秒；

(3)对上述反应得到的热解气和灰分进行分离，得到的热解气随载气继续前进，灰分重新返回到热解反应器中继续反应；

(4)使上述步骤(3)得到的热解气过滤，去除杂质；

(5)使上述经过过滤的热解气冷凝，冷凝后不可冷凝气温度为80～120℃，可冷凝气体变为液体收集；

(6)使上述步骤(5)得到的不可冷凝气体进行水洗除焦，水洗除焦温度为15～25℃，时间为1.5～3秒；

(7)使上述步骤(6)得到的主产品不可冷凝气体进入储气罐收集。

本发明装置由于各控温段温度与升温速率可调，因此可进行生物质热解炭化、液化、气化等方面的研究。具体通过以下三个实施例说明本生物质热解试验装置的实施方式。

实施例一：

本装置可用于生物质热解炭化研究，具体流程如下：

设置流化床下段控温区温度为200℃，中段控温区温度为300℃，上段控温区温度为400℃，载气为氮气。调节管道中的循环风量为6m³/h，开启连接管路中的阀门，运行流化介质循环系统。打开冷凝器的循环泵以及外置冷凝水循环管路，运行冷凝系统。待快速热解反应器内部加热到所需的设定温度并稳定后，运行进料系统，设置无级调频电机为10Hz，将含水率为8％和粒径为0.5mm的麦秸粉加入到料仓中。反应开始进行，通过气固分离器进行分离，得到主产品热解炭；通过冷凝系统进行气液分离，提取焦油；通过水洗设备进行进一步除焦、除尘和降温；调节排空气体连接管路中的阀门，将80％不可冷凝气体作为载气重新通入流化床。20％收集到储气罐中。观察监控系统中显示的温度、流量、压力、湿度等工作参数，保证装置的良好运行。待物料全部进入并反应结束后，关闭加热系统。当反应器温度降到150℃后，关闭气体循环及冷凝器循环，工作结束，炭化效率为45％。

实施例二：

本装置可用于生物质快速热解液化研究，具体流程如下：

设置流化床反应器内下段控温区温度为550℃，中段控温区温度为450℃，上段控温区温度为425℃，载气为氮气。调节管道中的循环风量为8m³/h，开启连接管路中的阀门，运行流化介质循环系统。打开冷凝器的循环泵以及外置冷凝水循环管路，运行冷凝系统。待快速热解反应器内部加热到所需的设定温度后，运行进料系统，设置无级调频电机为10Hz，将含水率为8％和粒径为0.45-0.9mm的落叶松木粉加入到料仓中，反应开始进行，通过气固分离器进行分离；通过冷凝系统进行气液分离，得到产品生物油；通过水洗设备进行除焦、除尘和降温；调节排空气体连接管路中的阀门，将60％不可冷凝气体作为载气重新通入流化床，40％收集到储气罐中。观察监控系统中显示的温度、流量、压力、湿度等工作参数，保证装置的良好运行。待物料全部进入并反应结束后，关闭加热系统。当反应器温度降到150℃后，关闭气体循环及冷凝器循环，工作结束，液化效率为60％。

实施例三：

本装置可用于生物质热解气化研究，具体流程如下：

设置流化床反应器内下段控温区温度为450℃，中段控温区温度为600℃，上段控温区温度为800℃，载气为空气。调节管道中的循环风量为8m³/h，开启连接管路中的阀门，运行流化介质循环系统。打开冷凝器的循环泵以及外置冷凝水循环管路，运行冷凝系统。对气化炉进行预热，当气化炉各点温度达到450℃以上时，炉膛预热结束。进行气化实验，待热解反应器内部加热到所需的设定温度后，运行进料系统，设置供料电机转速为25r/min将含水率为10％和粒径为0.5mm的麦秸加入到料仓中，反应开始进行，通过气固分离器进行分离，分离得到的灰分通过灰分返料器重新进入反应器；通过冷凝系统进行气液分离，提取焦油；通过水洗设备进行进一步除焦、除尘和降温；调节排空气体连接管路中的阀门，将不可冷凝气体收集到储气罐中。观察监控系统中显示的温度、流量、压力、湿度等工作参数，保证装置的良好运行。待物料全部进入并反应结束后，关闭加热系统。当反应器温度降到150℃后，关闭气体循环及冷凝器循环，工作结束，气化效率为70％。

Claims (1)

1.一种多功能流化床式生物质热解转化装置，其特征在于该热解转化装置包括：

热解反应器，用于使干燥粉碎后的原料进行热解炭化、液化或气化反应，热解反应器的左侧下部设有进料口，热解反应器的右侧下部与灰分返料器相连，热解反应器的下部设有流化气进气口，热解反应器的上部与气固分离器的入口相连；

气固分离器，用于将热解反应器中热解得到的炭和热解气分离，气固分离器的进口与所述的热解反应器的上部出口相连，气固分离器的下部出口与灰分返料器相连，气固分离器的上部出口与过滤器相连；

灰分返料器，用于使所述的气固分离器中分离得到的灰分返回到所述的热解反应器中，或收集到集炭箱中，灰分返料器的进口与所述的气固分离器的下部出口相连，灰分返料器的左侧出口与所述的热解反应器的右侧下部进口相连，灰分返料器的右侧出口与集炭箱相连；

集炭箱，用于收集气固分离器分离得到的炭，集炭箱的入口与所述的灰分返料器的右侧出口相连；

过滤器，用于使所述的气固分离器得到的热解气过滤去除杂质，过滤器的右侧出口与冷凝器相连；

冷凝器，用于使经过过滤的热解气冷凝，得到冷凝液体和不可冷凝气体，冷凝器的出口与储油罐相连；水洗除焦器的气体入口相连；

储油罐，用于储存由所述的冷凝器得到的冷凝液体，储油罐的出口与水洗除焦器相连；

水洗除焦器，用于对所述的储油罐中的不可冷凝气体进行除焦、除尘和降温，水洗除焦器的左侧下部为气体进口，左侧上部为气体出口，右侧下部为循环水进口，右侧上部为循环水出口，左侧上部的气体出口与储气罐相连；

储气罐，用于储存经过所述的水洗除焦器水洗除焦后的不可冷凝气体，储气罐的进口与所述的水洗除焦器气体出口相连。

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