CN102010742A - 一种利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置，属于生物质再生利用及其能源化设备技术领域。本装置包括流化床热解反应器、固定床热裂解反应器、两套多路采样阀、两套气相色谱仪、三级冷凝器和三个储油罐等部件。本发明装置具有快速热解、催化裂解、在线分析与调控、分级可控冷凝等试验功能，而且结构紧凑、工作稳定，可进行裂解气的全组分分析与催化剂评价，定量分析可靠，可有效开展生物质快速热裂解制备生物油的调控试验。

Description

一种利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置

技术领域

本发明涉及一种利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置，属于生物质再生利用及其能源化设备技术领域。

背景技术

近年来，石化能源资源短缺，生态环境恶化等问题受到了广泛的关注，可再生能源的开发受到了普遍的重视。在众多的可再生能源中，生物质能具有唯一性、安全性、兼容性等特点，因而具有广阔的开发利用前景。在众多的生物质能利用技术中，生物质快速热解技术可以将低能量密度的固态生物质直接转化为高品位的能源产品及材料——生物油、清洁燃气和活性炭粉，是目前国内外研究的热点，被认为是极具发展潜力的生物质能转化技术。

生物质快速热解的主要目标是得到生物油。生物油的品质是影响其产业化应用的重要因素。目前生物油品质差(热值低，稳定性差，酸性强，易被氧化等)，因此其利用比较困难，以至于该技术的产业化应用情况不够理想。为了改良生物油品质，目前一般的做法是对生物油进行精制提炼，包括催化裂解、催化加氢、添加助剂、与柴油乳化等手段，但这些方法都需要增加额外工序，因此成本高、工艺复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置，用以在生物油形成以前就进行调控，对生物油的生产工艺进行干预和控制，从而实现对目标生物油质量的调控。

本发明提出的利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置，包括：

流化床热解反应器，用于使干燥后的物料进行热解反应，产生炭和热解气，反应器下部设有进料口，底部设有进气口，快速热裂解反应器的上部与旋风分离器的入口相连；

旋风分离器，用于使热解反应得到的炭和热解气进行分离，所述的旋风分离器的出口与粗过滤器的进口相连；

粗过滤器，用于对旋风分离得到的热解气进行过滤，粗过滤器的出口分别与固定床热裂解反应器和第一多路采样阀进口相连；

固定床热裂解反应器，用于使热解气进行催化反应，固定床热裂解反应器的上部设有加氢口，固定床热裂解反应器的下部与一级冷凝器的进口相连；

第一多路采样阀，用于采集冷凝前待进入气相色谱分析的热解气，第一多路采样阀的进口和出口分别通过精密过滤器并联在所述的固定床热裂解反应器的进口和出口上；

第一气相色谱仪，用于对所述的固定床热裂解反应器中的热裂解气进行实时在线检测和分析，为生物油的调控试验提供基础数据，第一气相色谱仪与所述的第一多路采样阀相连；

一级冷凝器，用于对来自固定床热裂解反应器的热解气进行一级冷凝，得到生物油和未冷凝气体，一级冷凝器的下部出口与第一储油罐的进口相连；

第一储油罐，用于储存来自一级冷凝器的生物油，第一储油罐的出口与二级冷凝器的上部入口相连；

高温油循环浴槽，用于控制一级冷凝器中冷凝介质的温度，高温油循环浴槽并联在所述的一级冷凝器的上部和下部；

二级冷凝器，用于对来自一级冷凝器的热解气进行二级冷凝，得到生物油和未冷凝气体，二级冷凝器的下部出口与第二储油罐的进口相连；

第二储油罐，用于储存来自二级冷凝器的生物油，第二储油罐的出口与三级冷凝器的上部入口相连；

第二低温循环浴槽，用于控制二级冷凝器中冷凝介质的温度，第二低温循环浴槽并联在所述的二级冷凝器的上部和下部；

三级冷凝器，用于对来自二级冷凝器的热解气进行三级冷凝，得到生物油和未冷凝气体，三级冷凝器的下部出口与第三储油罐的进口相连；

第三储油罐，用于储存来自三级冷凝器的生物油，第三储油罐的出口与储气罐相连；

第一低温循环浴槽，用于控制三级冷凝器中冷凝介质的温度，第一低温循环浴槽并联在所述的三级冷凝器的上部和下部；

第二多路采样阀，用于采集冷凝前待进入气相色谱分析的热解气，第二多路采样阀的进口分别通过精密过滤器与所述的第一储油罐、第二储油罐和第三储油罐相连；

第二气相色谱仪，用于分别对所述的第一储油罐、第二储油罐和第三储油罐中的热裂解气进行实时在线检测和分析，为生物油的调控试验提供基础数据，第二气相色谱仪与所述的第二多路采样阀相连；

一套尾气循环利用装置，包括一个吸附罐、两个缓冲罐和空压机，用于将不可冷凝气体去除杂质后通过空压机增压，用于流化床热解反应器的循环载气；

储气罐，用于储存不可冷凝气体，作为流化床热解反应器的循环载气，储气罐进口与三级冷凝器出口相连。

本发明提出的利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置，其优点是：

1、本发明装置采用流化床与固定床相联合的方式，实现了热解气的二次催化转化和调控。其特点为：第一，两者的组合是灵活的，热解气可以在进入固定床之前和之后(二次转化之后)进入气相色谱分析，使得对生物质快速热裂解过程中热解气的在线检测和分析成为可能，有助于寻找合适的制备高产率高油品的生物油的调控手段。第二，固定床提供了进行催化剂催化效果试验的理想平台，可以对催化剂的影响效果进行系统性研究。

2、本发明装置中布置有前后两套气相色谱分析系统，有效克服了当前同类研究装置检测点少的问题，可真正实现对反应的适时在线检测。具体来说，色谱共设置五个取样点，分别为：流化床热裂解析出气体管路口、固定床催化裂解析出气体管路口、一级冷凝气体出口、二级冷凝气体出口、三级冷凝气体出口。同时，多个检测点的开关可以灵活控制，有效实现对不同反应条件下，不同反应阶段，不同冷凝阶段的产物的在线分析，为生物油的调控试验提供多角度的数据。

3、本发明装置在冷凝系统方面采用了三级可控冷凝，分别对应不同的冷凝温度范围，这就克服了单级冷凝冷凝不充分、冷凝产物收集不完全等问题。并且各级冷凝出口均与气相色谱相连，能更全面地在线检测和分析热解气成分。

4、本发明装置节能环保，将不可冷凝气体用作循环流化介质，这既利用了尾气，又节约了常规使用其它惰性气体作为保护气的额外费用，节能环保，运行成本低。并且加入了储气罐的设计，可将尾气储存于储气罐中以备后续实验使用，使得尾气的利用更加灵活而可控。

附图说明

图1是本发明提出的利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置的示意图。

图1中，1为流化床热解反应器，2为旋风分离器，3为粗过滤器，4为固定床热裂解反应器，5为第一气相色谱仪，6为一级冷凝器，7为第二多路采样阀，8为第二气相色谱仪，9为二级冷凝器，10为三级冷凝器，11为吸附罐，12为储气罐，13为第三储油罐，14为第一低温循环浴槽，15为第二储油罐，16为第二低温循环浴槽，17为第一储油罐，18为高温油循环浴槽，19为第一多路采样阀，20为精密过滤器，21为前缓冲罐，22为空压机，23为后缓冲罐。

具体实施方式

本发明提出的利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置，其结构如图1所示，包括：

流化床热解反应器1，用于使干燥后的物料进行热解反应，产生炭和热解气，反应器下部设有进料口，底部设有进气口，快速热裂解反应器的上部与旋风分离器2的入口相连；

旋风分离器2，用于使热解反应得到的炭和热解气进行分离，旋风分离器2的出口与粗过滤器3的进口相连；

粗过滤器3，用于对旋风分离得到的热解气进行过滤，粗过滤器的出口分别与固定床热裂解反应器和第一多路采样阀进口相连；

固定床热裂解反应器4，用于使热解气进行催化反应，固定床热裂解反应器的上部设有加氢口，固定床热裂解反应器的下部与一级冷凝器的进口相连；

第一多路采样阀19，用于采集冷凝前待进入气相色谱分析的热解气，第一多路采样阀的进口和出口分别通过精密过滤器并联在所述的固定床热裂解反应器的进口和出口上；

第一气相色谱仪5，用于对所述的固定床热裂解反应器4中的热裂解气进行实时在线检测和分析，为生物油的调控试验提供基础数据，第一气相色谱仪5与所述的第一多路采样阀19相连；

一级冷凝器6，用于对来自固定床热裂解反应器的热解气进行一级冷凝，得到生物油和未冷凝气体，一级冷凝器的下部出口与第一储油罐的进口相连；

第一储油罐17，用于储存来自一级冷凝器的生物油，第一储油罐的出口与二级冷凝器的上部入口相连；

高温油循环浴槽18，用于控制一级冷凝器中冷凝介质的温度，高温油循环浴槽并联在所述的一级冷凝器的上部和下部；

二级冷凝器9，用于对来自一级冷凝器的热解气进行二级冷凝，得到生物油和未冷凝气体，二级冷凝器的下部出口与第二储油罐的进口相连；

第二储油罐15，用于储存来自二级冷凝器的生物油，第二储油罐的出口与三级冷凝器的上部入口相连；

第二低温循环浴槽16，用于控制二级冷凝器中冷凝介质的温度，第二低温循环浴槽并联在所述的二级冷凝器的上部和下部；

三级冷凝器10，用于对来自二级冷凝器的热解气进行三级冷凝，得到生物油和未冷凝气体，三级冷凝器的下部出口与第三储油罐的进口相连；

第三储油罐13，用于储存来自三级冷凝器的生物油，第三储油罐的出口与储气罐相连；

第一低温循环浴槽14，用于控制三级冷凝器中冷凝介质的温度，第一低温循环浴槽并联在所述的三级冷凝器的上部和下部；

第二多路采样阀7，用于采集冷凝前待进入气相色谱分析的热解气，第二多路采样阀的进口分别通过精密过滤器与所述的第一储油罐、第二储油罐和第三储油罐相连；

第二气相色谱仪8，用于分别对所述的第一储油罐、第二储油罐和第三储油罐中的热裂解气进行实时在线检测和分析，为生物油的调控试验提供基础数据，第二气相色谱仪与所述的第二多路采样阀相连；

一套尾气循环利用装置，包括一个吸附罐11、两个缓冲罐21和23以及空压机22，用于将不可冷凝气体去除杂质后通过空压机增压，用于流化床热解反应器的循环载气；

储气罐12，用于储存不可冷凝气体，作为流化床热解反应器的循环载气，储气罐进口与三级冷凝器出口相连。

本发明装置综合喷动流化床快速热解技术、固定床催化裂解技术、气相色谱在线分析技术、分级可控冷凝技术；结合节能环保的思想，将产生的气体循环利用或储存，以克服现有技术不能实现在线分析与精确调控的动态对比研究的缺陷，有助于实现生物质快速热解生物油的调控。其突出优点是，整个生物油的产生和调控过程是一步式的，工艺简洁；同时，快速热解产生的焦油不易控制，易堵塞设备，而本发明的装置将流化床与固定床相联合，可以对焦油进行二次转化和调控。

本发明装置中的流化床热解反应器，用于使干燥后的物料进行热解反应，产生炭和热解气；采用变径设计，这样可以在小进料量的情况下获得良好的物料流化特性；其内部布置有布风板，布风板也是针对小进料量和微型反应器条件而设计的，使准确控制反应物的停留时间及后续调控成为可能。该反应器用于使粉碎干燥后的生物质物料快速热裂解，得到热解气和炭。反应器下部设有进料口，底部设有进气口，进气口既可以直接通入载气(如氮气)，又可以通入最后的尾气，由相应阀门调节。快速热裂解反应器的上部与旋风分离器的入口相连。

本发明装置中的固定床热裂解反应器，采用圆柱形床身，装填催化剂，其进、出口分别与前多路采样阀的进口相连，进而与气相色谱配合实现对热解气的在线检测和分析，对热解气的二次催化转化和调控。在固定床的上部一侧设有加氢口，可以进行进一步的加氢试验。

本发明装置中的第一和第二多路采样阀，其中，第二多路采样阀用于采集冷凝前待进入气相色谱分析的热解气，第一多路采样阀用于采集各级冷凝后待进入气相色谱分析的气体。第一和第二多路采样阀的入口处均连接着精密过滤器，使进入气相色谱的气体得到充分的过滤。前、后多路采样阀出口分别与前、后气相色谱分析仪相连。第一和第二两套气相色谱分析仪，型号均为GC9900(柱箱最高使用温度：室温以上20℃～400℃)，其中第一套气相色谱仪的柱箱内设有恒温装置使进入色谱分析柱的气体温度控制在260℃左右。本装置共设置了五个取样检测点，可实现对热裂解气在不同部位的适时在线检测和分析，为生物油的调控试验提供基础数据；

本发明装置中的三级冷凝系统，冷凝温度分别为150-220℃，80-150℃，10-80℃。热解气中的可冷凝成分经过三级冷凝后得到生物油。其中，一级冷凝器的冷凝介质通路进出口与高温油浴循环槽相连，二、三级冷凝器的冷凝介质通路进出口与低温循环浴槽相连。各级冷凝温度均可通过相应冷凝介质循环槽控制。各级冷凝器出口均与相应的储油罐相连。

本发明装置中的吸附罐11、两个缓冲罐和空压机22，组成一套尾气循环利用装置，用于将不可冷凝气体除杂以后增压用作流化床反应器中的循环载气，储气罐，用于储存最后的不可冷凝气体以备后续作为流化床中的载气使用。储气罐进口与最后一级冷凝器出口相连。

本发明提出的利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置具有快速热解、催化裂解、在线分析与调控、分级可控冷凝等试验功能，突破了以往生物质热解反应的静态研究模式，将实现在线分析与调控的动态对比研究效果。该平台工艺布置合理、结构紧凑、工作稳定，可进行裂解气的全组分分析与催化剂评价，定量分析可靠，可有效开展生物质快速热裂解制备生物油的调控试验。

本发明的装置通过如下工作过程实现：

经过粉碎、干燥、筛分后的生物质物料颗粒，由螺旋进料器和气力输送配合输入到流化床热解反应器1中，在流化床热解反应器内的惰性流化床料的撞击下，生物质颗粒在高温的反应器内快速热解为炭(固相)和热解气(包括不可冷凝气体和可冷凝气体)，并在惰性载气的携带下迅速离开快速热裂解反应器，进入到旋风分离器2中。在旋风分离器中，大部分固态炭被捕集下来，热解气随着载气在粗过滤器3中进一步过滤后，进入固定床热裂解反应器4中进行二次催化裂解转化；热解气进入固定床前、后均可通过第一多路采样阀19进入第一气相色谱仪5分析。制得的热裂解气在惰性载气的携带下依次进入三级冷凝器6、9、10(一级冷凝器由高温油循环浴槽18提供冷凝介质，二、三级冷凝分别由各自的低温循环浴槽16、14提供冷凝介质)，可冷凝气体经过冷凝后会形成生物油并排除到储油罐17、15、13中，而不可冷凝气体会继续随载气前进。各级冷凝后得到的气体可分别通过第二多路采样阀7而进入第二气相色谱仪8分析。通过三级冷凝后的不可冷凝气体可随惰性载气继续前进，一部分在经过动力设备，如空压机22等增压后，作为循环载气进入到流化床热解反应器1中循环使用，另一部分可进入储气罐12中以备后续使用。

本发明的生物质快速热裂解生物油的在线调控装置中，流化床与固定床相连，实现了生物油二次转化和在线调控；布置了前后两套气相色谱分析仪，可对热解气进行多级多层次分析；采用了三级可控冷凝系统，使得冷凝条件可调控，对热解气的分析更全面；利用体系中产生的不可冷凝气体作为循环流化介质气体，节省了购买昂贵的惰性保护载气的费用，使得整套系统运行成本大大降低。

以下介绍本发明的实施例：

实施例1：

将处理量为1kg/h的生物质快速热裂解生物油的在线调控装置用于处理落叶松木屑，以研究生物油的定向、在线调控，固定床中装填SBA-15中孔分子筛。

其具体工艺操作如下：

调节加热炉，设置流化床热解反应器内温度为550℃，固定床热裂解反应器内温度为450℃，流化床中床料为石英砂，固定床中装填30ml的SBA-15中孔分子筛催化剂。打开循环风机，调节管道中的循环风量为6m³/h，开启连接管路中的阀门，运行流化气体循环系统。打开各级冷凝器的循环浴槽，设置各级冷凝温度，运行冷凝系统。待流化床热解反应器和固定床热裂解反应器内部加热到所需的设定温度后，开始进料，设置无级调频电机为10Hz，将含水率为10％，粒径为0.45-0.9mm的落叶松木屑加入到料仓中，再通过螺旋进料器和气力输送相结合将木屑加入到流化床热解反应器中，反应开始进行。在旋风分离器处收集到炭粉，在储油罐中收集到生物油。调节各路阀门，通过第一多路采样阀分别对进入固定床前和进入固定床后的热裂解气进行气相色谱在线分析；通过第二多路采样阀分别对各级冷凝后的气体进行气相色谱在线分析。将不可冷凝气体收集到储气罐中，待反应稳定后可取代循环流化气体作为流化载气使用。观察监控系统中显示的温度、流量、压力、湿度等工作参数，保证装置运行稳定和良好。工作一段时间后，关闭旋风分离器中的阀门，打开炭箱，除去生物炭。待物料全部进入反应器并反应完全后，关闭加热系统。当反应器温度降到150℃以下后，关闭循环风机及冷凝器循环浴槽，工作结束，整理分析数据。得到的热解产物中液相、气相及固相产率分别约为60％、25％、15％。液相产物生物油中，氧元素的相对百分含量约为28％；脂肪族成分相对百分含量约为5.2％，芳香族成分相对百分含量约为41.2％。

实施例2：

将处理量为1kg/h的生物质快速热裂解生物油的在线调控装置用于处理落叶松木屑，

以研究生物油的定向、在线调控，固定床中装填HZSM-5微孔分子筛。

其具体工艺操作如下：

调节加热炉，设置流化床热解反应器内温度为550℃，固定床热裂解反应器内温度为450℃，流化床中床料为石英砂，固定床中装填30ml的HZSM-5微孔分子筛催化剂。打开循环风机，调节管道中的循环风量为6m³/h，开启连接管路中的阀门，运行流化气体循环系统。打开各级冷凝器的循环浴槽，设置各级冷凝温度，运行冷凝系统。待流化床热解反应器和固定床热裂解反应器内部加热到所需的设定温度后，开始进料，设置无级调频电机为10Hz，将含水率为10％，粒径为0.45-0.9mm的落叶松木屑加入到料仓中，再通过螺旋进料器和气力输送相结合将木屑加入到流化床反应器中，反应开始进行。在旋风分离器处收集到炭粉，在储油罐中收集到生物油。调节各路阀门，通过第一多路采样阀分别对进入固定床前和进入固定床后的热裂解气进行气相色谱在线分析；通过第二多路采样阀分别对各级冷凝后的气体进行气相色谱在线分析。将不可冷凝气体收集到储气罐中，待反应稳定后可取代循环流化气体作为流化载气使用。观察监控系统中显示的温度、流量、压力、湿度等工作参数，保证装置运行稳定和良好。工作一段时间后，关闭旋风分离器中的阀门，打开炭箱，除去生物炭。待物料全部进入反应器并反应完全后，关闭加热系统。当反应器温度降到150℃以下后，关闭循环风机及冷凝器循环浴槽，工作结束，整理分析数据。得到的热解产物中液相、气相及固相产率分别约为55％、25％、20％。液相产物生物油中，氧元素的相对百分含量约为27.5％；脂肪族成分相对百分含量约为4.6％，芳香族成分的相对百分含量约为44.6％。

Claims (1)

1.一种利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置，其特征在于该装置包括：

流化床热解反应器，用于使干燥后的物料进行热解反应，产生炭和热解气，反应器下部设有进料口，底部设有进气口，快速热裂解反应器的上部与旋风分离器的入口相连；

旋风分离器，用于使热解反应得到的炭和热解气进行分离，所述的旋风分离器的出口与粗过滤器的进口相连；

粗过滤器，用于对旋风分离得到的热解气进行过滤，粗过滤器的出口分别与固定床热裂解反应器和第一多路采样阀进口相连；

固定床热裂解反应器，用于使热解气进行催化反应，固定床热裂解反应器的上部设有加氢口，固定床热裂解反应器的下部与一级冷凝器的进口相连；

第一多路采样阀，用于采集冷凝前待进入气相色谱分析的热解气，第一多路采样阀的进口和出口分别通过精密过滤器并联在所述的固定床热裂解反应器的进口和出口上；

第一气相色谱仪，用于对所述的固定床热裂解反应器中的热裂解气进行实时在线检测和分析，为生物油的调控试验提供基础数据，第一气相色谱仪与所述的第一多路采样阀相连；

一级冷凝器，用于对来自固定床热裂解反应器的热解气进行一级冷凝，得到生物油和未冷凝气体，一级冷凝器的下部出口与第一储油罐的进口相连；

第一储油罐，用于储存来自一级冷凝器的生物油，第一储油罐的出口与二级冷凝器的上部入口相连；

高温油循环浴槽，用于控制一级冷凝器中冷凝介质的温度，高温油循环浴槽并联在所述的一级冷凝器的上部和下部；

二级冷凝器，用于对来自一级冷凝器的热解气进行二级冷凝，得到生物油和未冷凝气体，二级冷凝器的下部出口与第二储油罐的进口相连；

第二储油罐，用于储存来自二级冷凝器的生物油，第二储油罐的出口与三级冷凝器的上部入口相连；

第二低温循环浴槽，用于控制二级冷凝器中冷凝介质的温度，第二低温循环浴槽并联在所述的二级冷凝器的上部和下部；

三级冷凝器，用于对来自二级冷凝器的热解气进行三级冷凝，得到生物油和未冷凝气体，三级冷凝器的下部出口与第三储油罐的进口相连；

第三储油罐，用于储存来自三级冷凝器的生物油，第三储油罐的出口与储气罐相连；

第一低温循环浴槽，用于控制三级冷凝器中冷凝介质的温度，第一低温循环浴槽并联在所述的三级冷凝器的上部和下部；

第二多路采样阀，用于采集冷凝前待进入气相色谱分析的热解气，第二多路采样阀的进口分别通过精密过滤器与所述的第一储油罐、第二储油罐和第三储油罐相连；

第二气相色谱仪，用于分别对所述的第一储油罐、第二储油罐和第三储油罐中的热裂解气进行实时在线检测和分析，为生物油的调控试验提供基础数据，第二气相色谱仪与所述的第二多路采样阀相连；

一套尾气循环利用装置，包括一个吸附罐、两个缓冲罐和空压机，用于将不可冷凝气体去除杂质后通过空压机增压，用于流化床热解反应器的循环载气；

储气罐，用于储存不可冷凝气体，作为流化床热解反应器的循环载气，储气罐进口与三级冷凝器出口相连。