CN102031131A

CN102031131A - 一种将秸秆直接转化为汽、柴油的热解工艺与装置

Info

Publication number: CN102031131A
Application number: CN2010105944105A
Authority: CN
Inventors: 孔永平; 郑冀鲁; 李永亮; 王小亮; 徐鹏君
Original assignee: HENAN ZHONGBU NEW ENERGY CO Ltd
Current assignee: HENAN ZHONGBU NEW ENERGY CO Ltd
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2011-04-27

Abstract

本发明建立了一种将秸秆直接转化为汽、柴油的热解工艺与装置。本发明的核心工艺是采用一定比例的废塑料作为添加剂辅助农作物秸秆热解，有效的降低了热解温度，提高了热解油的品质(达到了与汽、柴油相同的品质)。本发明涉及的新型热解系统采用自热、高效气固分离和直接冷凝技术，能够将生物质原料完全转化为高品质生物质汽、柴油(产率约50％)。生物质汽油、柴油可直接在内燃机上燃烧使用，并且可有效降低汽车尾气排放。热解过程后获得的生物炭(产率约30％)和可燃气体(产率约20％)可用作热解的热源，多余部分可用于燃烧发电，并入商业电网获得额外的经济效益。

Description

一种将秸秆直接转化为汽、柴油的热解工艺与装置

技术领域

本发明属于可再生能源领域。

背景技术

随着我国经济和社会的快速发展，我国的能源消耗平均以6.9％的年增长率快速增长。2000年我国一次能源消耗量为7.5亿吨石油当量，成为世界第二大能源消费国，而我国已探明的化石燃料人均资源量却不到世界平均水平的30％，资源不足与用能增长之间的矛盾今后将更加突出。自从1993年我国成为石油净进口国以来，石油进口连年攀升，2004年已达1.2亿吨，石油对外依存度超过了30％，预计到2020年我国石油供应缺口将达到2.5亿吨，届时石油对外依存度将达到54％。按照国际通行的说法，当石油对外依存度达到30％以上的时候，这个国家必须拥有足够的经济实力和外交手段方可确保石油进口；而当石油对外依存度达到50％以上的时候，除了足够的经济实力和外交手段外，国家还必须拥有足够的军事威慑力方可确保石油进口。由此可见，石油安全已经成为我国国家战略安全的重要构成之一。从世界范围来看，石油资源将在未来50～80年之间消耗殆尽。中东石油危机和伊拉克战争表明，人类已经进入为了获得石油资源而不惜进行战争的时代。

一方面我国每年消耗大量化石燃料(煤，石油，天然气)，另一方面大量使用化石燃料导致了严重环境污染和其他生态问题。我国每年燃煤和使用石油等化石燃料产生的二氧化碳约10亿吨；我国每年仅燃煤排放的二氧化硫液化后就足以填满十余个西湖，产生约3亿吨烟尘。我国采煤沉陷面积已达40万公顷，每年产生煤矸石1.3亿吨，占用土地已经超过15万亩，部分煤矸石自燃和淋溶水还造成了严重的大气污染和水污染。因此使用包括石油、煤在内的化石燃料排放的大量二氧化碳、二氧化硫等温室气体和其他污染物对我国环境和气候的危害已经越来越严重，产生了严重的大气污染和固体废弃物污染，造成暴雨、干旱和反常的高温天气等自然灾害频发。

开发包括生物质能在内各种可再生能源，是克服我国乃至全世界能源紧缺和环境生态危机的重要途径之一。

热解技术能够将农林废弃物转化为生物油。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)能够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。

但生物油具有热值低、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，无法直接用于内燃机和各种交通车辆。

本发明建立了一种利用农作物秸秆直接制取汽、柴油的新型热解工艺和系统。本发明的核心工艺是采用一定比例的废塑料作为添加剂辅助农作物秸秆热解，有效的降低了热解温度，提高了热解油的品质(达到了与汽、柴油相同的品质)。本发明涉及的新型热解系统采用自热、高效气固分离和直接冷凝技术，能够将生物质原料完全转化为高品质生物质汽、柴油(产率约50％)。生物质汽油、柴油，可直接在内燃机上燃烧使用，并且可有效降低汽车尾气排放。热解过程后获得的生物炭(产率约30％)和可燃气体(产率约20％)可用作热解的热源，多余部分可用于燃烧发电，并入商业电网获得额外的经济效益。

发明内容

本发明提供了一种利用农作物秸秆直接制取汽、柴油的新型热解工艺与系统，能够将农作物秸秆通过热解的方式直接转化高品质汽、柴油。

1.工艺流程、操作方法与工艺创新

1.烘干：原料农作物秸秆，在105±5℃条件下烘干，保证农作物秸秆的含水率小于0.1wt％；

2.粉碎与筛分：将烘干的秸秆粉碎为为6～20目的粉末；

3.加料：将粉碎后的秸秆粉末按照一定比例添加废塑料(质量比例5wt％-15wt％)和催化剂(Pt/SiO₂-Ni或SiO₂-Fe₂O₃或Fe/SiO₂-MgO，质量比例0.1wt％-0.5wt％)，然后投入到热解反应釜2中，搅拌均匀；

4.启动热解系统：在燃烧器8燃烧柴油或天然气，加热热解反应釜2至300～400℃，使得农作物秸秆发生热解；

5.切换至自热热解方式：当热解系统运行15-30分钟后，已有足量的热解副产品(生物炭粉和可燃气体)产生，关闭柴油或天然气输入管路，将热解副产品(生物炭粉和可燃气体)送入燃烧器8中燃烧，提供热解所需要的热量；

6.生物炭粉收集：农作物秸秆受热分解为热解蒸汽、生物炭粉和不可冷凝的可燃气体。生物炭粉在高温气流的作用下被带出热解反应釜2，生物炭粉被扩散式旋风分离器3(无外包水冷夹套)收集下来；

7.焦油液滴收集：热解蒸汽通过外包水冷夹套的扩散式旋风分离器4，高沸点的焦油成分首先被冷凝为焦油液滴，冷凝的焦油液滴通过管路流入生物油油箱6中；

8.热解蒸汽冷凝与生物油收集：脱除焦油液滴的热解蒸汽进入筛板塔5进行冷凝，冷凝获得的生物油通过管路流入生物油油箱6；

9.汽液分离：不可冷凝的可燃气体离开筛板塔5时，必然夹带一些液沫。将夹带液沫的不可冷凝的可燃气体通入汽液分离器7，收集液沫，液沫通过管道流入生物油油箱6；

10.多余电力并网：将热解副产品(生物炭粉和不能冷凝可燃气体)燃烧的多余热量引入汽轮机发电，电力并入商业电网，获得额外的经济效益。

传统的农作物秸秆热解工艺是将农作物秸秆直接热裂解，由于秸秆热解温度较高(一般在500℃)，因此需要消耗较多的能量用于加热。本工艺采用采用一定比例(5wt％-15wt％)的废塑料作为添加剂辅助农作物秸秆热解。由于塑料具有较低的热解温度(200℃以下)，因此在秸秆原料中添加废弃塑料，能够有效降低秸秆热解温度，节省能量。本工艺采用的热解能量主要来自于农作物秸秆的热解副产品(生物炭粉和可燃气体)，这些热解副产品燃烧提供热解需要的热量。由于添加废弃塑料后，大大降低了热解温度，从而能够大量节省热解副产品燃烧产生的热量，热解副产品燃烧产生的多余热量可以用于发电，产生的电力可以并入商业电网，获得额外的经济效益。

传统的固定床热解反应釜在热解农作物秸秆时，传热速率不高，热解速度较慢。本工艺在秸秆原料中添加含量为0.1wt％-0.5wt％催化剂Pt/SiO₂-Ni或SiO₂-Fe₂O₃或Fe/SiO₂-MgO，通过耦合作用，降低热解反应的活化能，提高热解反应速率，从而大大提高设备的生产能力。

传统通过热解秸秆获得的生物油，含水量较高、热值低、粘度较大，只能用于锅炉燃烧或窑炉燃烧，无法直接用于内燃机、柴油机和各种交通车辆。本发明专利在秸秆原料中添加废塑料和催化剂，不但能降低热解温度、节省热解能量、提高热解速度和生产能力，还能抑制热解过程中水的生成，增加烃类的含量，从而显著提高生物油的品质，使得本发明专利生产的生物油的品质与高品质汽、柴油相当，能够直接用于内燃机、柴油机和各种车辆，无需进一步品质提升或转化。

2.热解系统与热解系统创新

本发明专利涉及的热解系统如图1所示，包括螺旋进料器1、带搅拌器的热解反应釜2、扩散式旋风分离器3、4(一共两台，其中一台[4]外包水冷夹套)、筛板塔5、生物油油箱6、汽液分离器7、燃烧器8和稳压器9。燃烧器8用于提供热解所需热量。稳压器9将热解反应釜2的真空度稳定在50kpa以上。此外，本热解系统还配套滚筒式干燥器和锤式粉碎机等辅助设备。

热解系统涉及的设备的详细说明如下：

滚筒式干燥器将原料农作物秸秆在105±5℃条件下烘干，保证农作物秸秆的含水率小于0.1wt％；锤式粉碎机将烘干的秸秆粉碎、筛分为为6～20目的粉末；螺旋进料器1将粉碎的秸秆粉末(含有废塑料(质量比例5wt％-15wt％)和催化剂(Pt/SiO₂-Ni或SiO₂-Fe₂O₃或Fe/SiO₂-MgO，质量比例0.1wt％-0.5wt％))送入热解反应釜2；热解反应釜2中的搅拌器将秸秆粉末、废塑料和催化剂搅拌均匀；热解反应釜2是农作物秸秆发生热解的场所；稳压器9保持热解反应釜处于低压状态，促进热解；无外包水冷夹套的扩散式旋风分离器3用于气固分离，收集生物炭粉；外包水冷夹套的扩散式旋风分离器4用于冷凝、收集热解蒸汽中的焦油液滴；筛板塔5是冷凝热解蒸汽，获得高品质生物油的主要装置。热解蒸汽从筛板塔下方进入，随着热解蒸汽在筛板塔的向上流动，热解蒸汽逐渐冷凝成生物油液体，生物油液体向下流动，在塔板上和下方上升的热解蒸汽接触换热，将上升的热解蒸汽冷凝；生物油油箱6用于存储获得的高品质生物油。汽液分离器7的作用是去除和收集包括冷凝可燃气体中夹带的液沫；燃烧器8中发生燃烧反应，供给热解系统需要的热量；

本发明涉及的热解系统的创新之处详细说明如下：

热解反应釜2配置叶轮搅拌器，搅拌器器转速2～4r/min。搅拌物料，能够使得农作物秸秆粉末、废塑料和催化剂均匀混合，既保证了废塑料和催化剂在整个反应釜混合均匀的作用，又保证了热量在整个热解反应釜的均匀传递和温度在整个反应器内均匀分布；采用前馈控制系统控制热解反应釜温度，使热解反应釜2的温度保持在稳定的水平，防止温度波动对生物油的品质造成不利影响。前馈控制系统属于自动化控制设备，可靠性高，能够最大程度得保持热解温度稳定；由于在减压条件下农作物秸秆更容易热解，因此在设备配置上，本发明专利专门配置了我公司自行开发的稳压器9，该稳压器9克服了单纯真空泵抽真空造成的真空度波动现象，能够将热解反应器的真空度保持在50kpa以上，从而保证了热解生产稳定、连续的进行；由于焦油粘度较大，如果在筛板塔5内收集焦油，有可能造成焦油堵塞筛板的筛孔，恶化筛板塔5的冷凝能力，因此本发明专利采用外包水冷夹套的扩散式分离器4提前冷凝、收集焦油，防止了焦油堵塞筛板塔5筛孔的情况；热解蒸汽冷凝问题，是热解系统的关键和技术难点，因此，我公司通过细致调研和精心设计，设计制造了专门的筛板塔5冷凝热解蒸汽。热解蒸汽从筛板塔下方进入，随着热解蒸汽在筛板塔的向上流动，热解蒸汽逐渐冷凝成生物油液体，生物油液体向下流动，在塔板上和下方上升的热解蒸汽接触换热，将上升的热解蒸汽冷凝。该筛板塔5冷凝效果好，不易堵塞，运行稳定；筛板塔5内采用串级控制系统控制温度，串级控制系统也属高度自动化的控制系统，能够将筛板塔5内的温度保持温度在20℃±5℃，从而保证冷凝效果。

附图说明

图1为一种利用农作物秸秆直接制取汽、柴油的新型热解系统示意图。

包括螺旋进料器1、带搅拌器的热解反应釜2、扩散式旋风分离器3、4(一共两台，其中一台[4]外包水冷夹套)、筛板塔5、生物油油箱6、汽液分离器7、燃烧器8和稳压器9。

螺旋进料器1将粉碎的秸秆粉末(含有废塑料(质量比例5wt％-15wt％)和催化剂(Pt/SiO₂-Ni或SiO₂-Fe₂O₃或Fe/SiO₂-MgO，质量比例0.1wt％-0.5wt％))送入热解反应釜2；热解反应釜2中的搅拌器将秸秆粉末、废塑料和催化剂搅拌均匀；热解反应釜2是农作物秸秆发生热解的场所；稳压器9保持热解反应釜处于低压状态，促进热解；无外包水冷夹套的扩散式旋风分离器3用于气固分离，收集生物炭粉；外包水冷夹套的扩散式旋风分离器4用于冷凝、收集热解蒸汽中的焦油液滴；筛板塔5是冷凝热解蒸汽，获得高品质生物油的主要装置。热解蒸汽从筛板塔5下方进入，随着热解蒸汽在筛板塔5的向上流动，热解蒸汽逐渐冷凝成生物油液体，生物油液体向下流动，在塔板上和下方上升的热解蒸汽接触换热，将上升的热解蒸汽冷凝；汽液分离器7的作用是去除和收集包括冷凝可燃气体中夹带的液沫；生物油油箱6用于存储获得的高品质生物油。燃烧器8用于提供热解所需热量。稳压器9将热解反应釜2的真空度稳定在50kpa以上。

具体实施方式

实施例1：

将农作物秸秆通过滚筒干燥器干燥，使得农作物秸秆的含水率为0.05wt％，将农作物秸秆用锤式破碎机破碎为粒径10目的颗粒，然后和7wt％的废塑料、0.1wt％的Pt/SiO₂-Ni催化剂混合，输入热解反应釜2。开动搅拌器，转速2r/min。在燃烧器8中燃烧柴油，加热热解反应釜15min。停止向燃烧器8供应柴油，将农作物秸秆热解的副产品(生物质炭粉和不可冷凝可燃气体)引入燃烧器8燃烧供给热解热量。农作物秸秆在热解反应釜2内受热分解为热解蒸汽、生物炭粉和不可冷凝的可燃气体，调节稳压器9和前馈控制系统，将热解反应釜2的真空度控制在60kpa，温度控制350℃。生物炭粉在高温气流的作用下被带出热解反应釜2，生物炭粉被扩散式旋风分离器3(无外包水冷夹套)收集下来，引入燃烧器8。热解蒸汽通过外包水冷夹套的扩散式旋风分离器4，高沸点的焦油成分首先被冷凝为焦油液滴，冷凝的焦油液滴通过管路流入生物油油箱6中。脱除焦油液滴的热解蒸汽进入筛板塔5进行冷凝，调节串级控制系统，将筛板塔5内温度控制15℃，冷凝获得的生物油通过管路流入生物油油箱6。夹带液沫的不可冷凝的可燃气体通入汽液分离器7，去除、收集液沫，液沫通过管道流入生物油油箱6。将热解副产品(生物炭粉和不能冷凝可燃气体)燃烧的多余热量引入汽轮机发电，电力并入商业电网，获得额外的经济效益。

实施例2：

将农作物秸秆通过滚筒干燥器干燥，使得农作物秸秆的含水率为0.02wt％，将农作物秸秆用锤式破碎机破碎为粒径8目的颗粒，然后和10wt％的废塑料、0.2wt％的SiO₂-Fe₂O₃催化剂混合，输入热解反应釜2。开动搅拌器，转速3r/min。在燃烧器8中燃烧柴油，加热热解反应釜220min。停止向燃烧器8供应柴油，将农作物秸秆热解的副产品(生物质炭粉和不可冷凝可燃气体)引入燃烧器8燃烧供给热解热量。农作物秸秆在热解反应釜2内受热分解为热解蒸汽、生物炭粉和不可冷凝的可燃气体，调节稳压器9和前馈控制系统，将热解反应釜2的真空度控制在70kpa，温度控制300℃。生物炭粉在高温气流的作用下被带出热解反应釜2，生物炭粉被扩散式旋风分离器3(无外包水冷夹套)收集下来，引入燃烧器8。热解蒸汽通过外包水冷夹套的扩散式旋风分离器4，高沸点的焦油成分首先被冷凝为焦油液滴，冷凝的焦油液滴通过管路流入生物油油箱6中。脱除焦油液滴的热解蒸汽进入筛板塔5进行冷凝，调节串级控制系统，将筛板塔5内温度控制10℃，冷凝获得的生物油通过管路流入生物油油箱6。夹带液沫的不可冷凝的可燃气体通入汽液分离器7，去除、收集液沫，液沫通过管道流入生物油油箱6。将热解副产品(生物炭粉和不能冷凝可燃气体)燃烧的多余热量引入汽轮机发电，电力并入商业电网，获得额外的经济效益。

实施例3：

将农作物秸秆通过滚筒干燥器干燥，使得农作物秸秆的含水率为0.03wt％，将农作物秸秆用锤式破碎机破碎为粒径15目的颗粒，然后和15wt％的废塑料、0.5wt％的Fe/SiO₂-MgO催化剂混合，输入热解反应釜2。开动搅拌器，转速4r/min。在燃烧器8中燃烧柴油，加热热解反应釜220min。停止向燃烧器8供应柴油，将农作物秸秆热解的副产品(生物质炭粉和不可冷凝可燃气体)引入燃烧器8燃烧供给热解热量。农作物秸秆在热解反应釜2内受热分解为热解蒸汽、生物炭粉和不可冷凝的可燃气体，调节稳压器9和前馈控制系统，将热解反应釜2的真空度控制在80kpa，温度控制400℃。生物炭粉在高温气流的作用下被带出热解反应釜2，生物炭粉被扩散式旋风分离器3(无外包水冷夹套)收集下来，引入燃烧器8。热解蒸汽通过外包水冷夹套的扩散式旋风分离器4，高沸点的焦油成分首先被冷凝为焦油液滴，冷凝的焦油液滴通过管路流入生物油油箱6中。脱除焦油液滴的热解蒸汽进入筛板塔5进行冷凝，调节串级控制系统，将筛板塔5内温度控制22℃，冷凝获得的生物油通过管路流入生物油油箱6。夹带液沫的不可冷凝的可燃气体通入汽液分离器7，去除、收集液沫，液沫通过管道流入生物油油箱6。将热解副产品(生物炭粉和不能冷凝可燃气体)燃烧的多余热量引入汽轮机发电，电力并入商业电网，获得额外的经济效益。

Claims

1.一种将秸秆直接转化为汽、柴油的热解装置，山螺旋进料器、带搅拌器的热解反应釜、扩散式旋风分离器(一共两台，其中一台外包水冷夹套)、筛板塔、生物油油箱、汽液分离器、燃烧器和稳压器组成，本热解系统还配套滚筒式干燥器和锤式粉碎机等辅助设备。

2.采用一定比例(5wt％-15wt％)的废塑料作为添加剂辅助农作物秸秆热解。

3.采用使用催化剂为Pt/SiO₂-Ni或SiO₂-Fe₂O₃或Fe/SiO₂-MgO作为热解反应的催化剂，其含量为0.1wt％-0.5wt％。

4.原料农作物秸秆在105±5℃烘干、粉碎制成6～20目的粉末。

5.热解温度在300～400℃，且采用前馈控制系统控制热解反应釜温度。

6.热解压力采用减压操作，真空度≥50kpa，且采用稳压器保持热解釜低压状态。

7.如权利要求1所述，热解反应釜中采用叶轮搅拌器，搅拌物料，搅拌速度2～4r/min。

8.如权利要求1所述，采用筛板塔作为冷凝器直接冷凝热解气体。

9.如权利要求1筛板塔内采用串级控制系统控制温度，保持温度在20℃±5℃。