CN102031133B - 生物质快速裂解生产生物燃油的装置 - Google Patents

Abstract

生物质快速裂解生产生物燃油的装置及方法，它涉及一种生产生物燃油的装置及方法。针对目前生物质热裂解工艺中能源利用率低、运行成本高、实际生产连续性差及现有的生物质热裂解工艺装置中，热载体加热温度大多没有温度精确调控功能的问题。装置方案：热载体加热装置的底部通过热载体温度精控装置与裂解反应器的热载体进口端连通，裂解反应器与分离器连通、分离器与冷凝器连通，冷凝器与热能供给装置连通，热能供给装置与热载体加热装置连通；方法方案：生物质粉热裂解反应后的产物为热裂解气和炭；热载体进入热载体收集箱；未被冷凝的热裂解气进入不凝气燃烧机中燃烧，产生烟气，烟气进入热载体加热装置。本发明用于生产生物燃油。

Description

生物质快速裂解生产生物燃油的装置

技术领域

本发明涉及一种生产生物燃油的装置及方法。 

背景技术

以生物质为原料生产的生物燃油(bio-oil)，是一种用途极为广泛的且可在一定程度上替代石油的新型液体能源，而且具有可再生性。可在一定程度和层面上替代石油直接用做燃料，还可将其与汽油、柴油按一定比例混合乳化，制成清洁环保型“生物燃油+柴油”混合乳化燃料，实验表明，这种燃料可在普通柴油机上使用，既节约石油，又可减少因大量燃烧石油产生的温室气体排放。 

生物质热裂解是指生物质在完全没有氧或缺氧的条件下快速加热生物质使其热裂解，产生热裂解气和炭，并快速冷却热裂解气使其中可凝成分转变成液体生物燃油的过程。热裂解工艺是生物质热裂解技术的关键，直接决定生物油的成本和品质。目前已有的对生物质快速热裂解技术主要有：流化床、循环流化床、旋转锥等。其中以流化床热解技术为多，在流化床热解工艺中，生物质在热解炉内被快速加热、裂解，流化床热解工艺要求生物质在炉内的停留时间较短，这样会导致生物质热解不完全，焦炭挥发分仍较高，并且流化床热解炉要求生物质原料的粒径小于2mm，这就增加了原料预处理的成本。另外，热解过程中载气先被加热再被冷却，并且流化床热解炉的载气量较大，因此系统运行的能耗较高。同时流化床内强烈的气固作用导致气体产物中含有较多难以被常规分离器完全除去的微小颗粒，这些固体杂质最终进入到生物油中，不利于生物油的性质及其应用。可见流化床热解技术对原料预处理和热裂解气体产物气固分离过程要求较高，在能耗、运行稳定性、放大难易和经济性等方面还存在着许多问题等，因此限制了它的规模放大，难以实现产业化。另外现有的大部分装置多没有温度精确调控功能，不能满足国家在未来发展生物燃油产业化、规模化生产及应用的需要。 

发明内容

本发明为了解决现有的生物质热裂解工艺中能源利用率低、运行成本高、实际生产连续性差；另外现有的生物质热裂解工艺大装置中，热载体加热温度大多没有温度精确调控功能的问题，提供了一种生物质快速裂解生产生物燃油的装置及方法。 

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：装置方案：装置包括干燥机、制粉机、储料斗、送料机构、裂解反应器、热载体收集箱、热载体提升斗、热载体加热装置、热载 体温度精控装置、热能供给装置、一级分离器、二级分离器、炭收集箱、一级冷凝器、二级冷凝器、第一冷凝液储桶、第二冷凝液储桶、第一泵、第一换热器、第二泵、第二换热器、生物燃油产品收集箱和引风机，干燥机与制粉机连通，制粉机与储料斗连通，储料斗通过送料机构与裂解反应器的进料口连通，热载体加热装置的底部通过热载体温度精控装置与裂解反应器的热载体进口端连通，裂解反应器的热载体出口端与热载体收集箱的顶部连通，热载体收集箱的底部经热载体提升斗与热载体加热装置的热载体进口端连通，裂解反应器的热裂解产物出口端与一级分离器的热裂解产物进口端连通、一级分离器的热裂解产物出口端与二级分离器的热裂解产物进口端连通、二级分离器的热裂解产物出口端与一级冷凝器的热裂解产物进口端连通，一级分离器和二级分离器的碳出口端均与碳收集箱的进口端连通，碳收集箱的出口端与热能供给装置的碳进口端连通，一级冷凝器的不凝气出口端与二级冷凝器的不凝气进口端连通，二级冷凝器的不凝气出口端与热能供给装置的不凝气进口端连通，热能供给装置的烟气出口端与热载体加热装置的烟气进口端连通，热载体加热装置的烟气出口端与干燥机的进口端连通； 

方法方案：所述方法包括以下步骤： 

步骤一：将生物质原料粗粉碎，粉碎后原料长度为10-20mm，将粗粉碎料送至干燥机1进行干燥至含水量低于10％，送入制粉机进行细粉碎成生物质粉料，生物质粉料中的颗粒长度为2～3mm，将生物质粉料输送至储料斗中； 

步骤二：启动热能供给装置，热能供给装置中产生的烟气进入热载体加热装置中将热载体加热，加热后的热载体流入热载体温度精控装置，再进入裂解反应器的上部，启动送料机构，生物质粉料流出储料斗后经过送料机构从裂解反应器的上部进入，其中热载体温度精控装置使热载体温度控制在600℃，裂解反应器中的反应温度为425℃-550℃，生物质粉料热裂解反应后的产物为热裂解气和炭； 

步骤三：热载体从裂解反应器的底部流出进入热载体收集箱，然后经热载体提升斗将热载体送回热载体加热装置中，进行循环使用； 

热裂解气和炭共同从裂解反应器的上部引出，依次进入一级分离器和二次分离器，炭分别从一级分离器和二级分离器的底部流出后进入炭收集箱，炭收集箱将碳送回热能供给装置； 

步骤四：热裂解气从二次分离器流出后进入一级冷凝器，在一级冷凝器的底部得到冷凝液A，不凝结气进入二级冷凝器进行冷凝，从二级冷凝器的底部得到冷凝液B，未被冷凝的热裂解气从二级冷凝器的下部引出进入热能供给装置中的不凝气燃烧机中燃烧，产生的热量将燃烧室中的炭点燃，产生烟气，烟气由热载体加热装置的下段进入，换热后烟气进 入干燥机中，最终经引风机引出，其中一级冷凝器14的控制温度从450℃降到80℃，二级冷凝器15的控制温度从80℃降到50℃； 

步骤五：一级冷凝器中产生的冷凝液A一部分流入生物燃油产品收集箱即得到生物燃油，另一部分流入第一冷凝液储桶后经第一泵打入第一换热器，降温后的低温冷凝液A送回一级冷凝器14的顶部进行喷淋； 

在一级冷凝器中，向下喷淋的低温冷凝液与从二次分离器中进入的热裂解气直接接触，将一部分热裂解气冷凝，得到冷凝液A； 

二级冷凝器中产生的冷凝液B一部分流入生物燃油产品收集箱即得到生物燃油，另一部分流入第二冷凝液储桶经第二泵打入换热器，降温后的低温冷凝液B送回二级冷凝器的顶部进行喷淋； 

在二级冷凝器中向下喷淋的低温冷凝液与来自一级冷凝器的未冷凝的热裂解气直接接触混合、顺流向下流动，将其可冷凝部分全部冷凝下来，得到冷凝液B和不凝结气，不凝结气送入热能供给装置中的不凝气燃烧机中燃烧，产生的烟气与步骤四中炭燃烧产生的烟气混合后由热载体加热装置的下段进入，换热后烟气进入干燥机中，最终经引风机引出。 

本发明具有以下有益效果：1.本发明装置采用热载体温度精控装置，使热载体温度控制稳定，为生产的连续性、稳定性提供保障；2.本发明装置中热裂解气的冷凝采用一级冷凝器和二级冷凝器串联使用，使热裂解气中的可冷凝成分得到充分、快速冷凝，以减少二次反应的发生，这样既提高了生物燃油的产率及品质，又保证了规模化连续应用时生产的稳定性、可靠性；3.本发明方法中利用热裂解产物中的不凝结气体和炭作为热裂解的能源，采用热载体循环技术，减少了热载体加热所需热量，并有效利用热载体加热装置排放的烟气作为生物质原料干燥的热源，从而大幅降低生产总成本，生物燃油的平均产油率可达60～70％，热值可达18～25MJ/kg；4.本发明技术工作中无载气、能耗低、结构简单、维修方便、工作可靠，产能大，有利于产业化生产。 

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的装置包括干燥机1、制粉机2、储料斗3、送料机构4、裂解反应器5、热载体收集箱6、热载体提升斗7、热载体加热装置8、热载体温度精控装置9、热能供给装置10、一级分离器11、二级分离器12、炭收集箱13、一级冷凝器14、二级冷凝器15、第一冷凝液储桶16、第二冷凝液储桶17、 第一泵18、第一换热器19、第二泵20、第二换热器21、生物燃油产品收集箱22和引风机25，干燥机1与制粉机2连通，制粉机2与储料斗3连通，储料斗3通过送料机构4与裂解反应器5的进料口连通，热载体加热装置8的底部通过热载体温度精控装置9与裂解反应器5的热载体进口端连通，裂解反应器5的热载体出口端与热载体收集箱6的顶部连通，热载体收集箱6的底部经热载体提升斗7与热载体加热装置8的热载体进口端连通，裂解反应器5的热裂解产物出口端与一级分离器11的热裂解产物进口端连通、一级分离器11的热裂解产物出口端与二级分离器12的热裂解产物进口端连通、二级分离器12的热裂解产物出口端与一级冷凝器14的热裂解产物进口端连通，一级分离器11和二级分离器12的碳出口端均与碳收集箱13的进口端连通，碳收集箱13的出口端与热能供给装置10的碳进口端连通，一级冷凝器14的不凝气出口端与二级冷凝器15的不凝气进口端连通，二级冷凝器15的不凝气出口端与热能供给装置10的不凝气进口端连通，热能供给装置10的烟气出口端与热载体加热装置8的烟气进口端连通，热载体加热装置8的烟气出口端与干燥机1的进口端连通。 

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一级冷凝器14的冷凝液出口端与第一冷凝液储桶16连通，第一冷凝液储桶16通过第一泵18与第一换热器19连通，第一换热器19与一级冷凝器14的冷凝液进口端连通，二级冷凝器15的冷凝液出口端与第二冷凝液储桶17连通，第二冷凝液储桶17通过第二泵20与第二换热器21连通，第二换热器21与二级冷凝器14的冷凝液进口端连通，一级冷凝器14和二级冷凝器15的生物燃油出口端均与生物燃油产品收集箱22连通，热能供给装置10中产生的烟气由热载体加热装置8的底部进入向上流动，与下降的热载体逆向流动进行直接接触式换热，然后烟气在热载体加热装置8中由下向上流动，与由上向下流动的热载体相遇进行间壁式换热；烟气的热量被多次、充分的利用，提高了热能的利用率。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的热能供给装置10由不凝气燃烧机10-1和燃烧室10-2构成，不凝气燃烧机10-1设在燃烧室10-2内，热能供给装置10设在热载体加热装置8的侧下方。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的热载体加热装置8由加热管8-1、热载体流量控制阀8-2和一组倾斜隔板8-3构成，加热管8-1设在热载体加热装置8的上方，一组倾斜隔板8-3装在热载体加热装置8的下方，加热管8-1通过热载体流量控制阀8-2与一组倾斜隔板8-3连通，此结构采用上、下两段串式加热，并且直接加热 与间接加热结合使用，高速、高效的加热热载体。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的装置还包括连续式乳化机23和乳化燃料产品收集箱24，生物燃油产品收集箱22与连续式乳化机23的生物燃油进口端连通，连续式乳化机23上设有柴油和乳化剂加入口23-1，连续式乳化机23的底部与乳化燃料产品收集箱24连通，通过此结构可生产高性能、高稳定性的乳化燃料产品，用于车用燃料。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的方法包括以下步骤： 

步骤一：将生物质原料粗粉碎，粉碎后原料长度为10-20mm，将粗粉碎料送至干燥机1进行干燥至含水量低于10％，送入制粉机2进行细粉碎成生物质粉料，生物质粉料中的颗粒长度为2～3mm，将生物质粉料输送至储料斗3中； 

步骤二：启动热能供给装置10，热能供给装置10中产生的烟气进入热载体加热装置8中将热载体加热，加热后的热载体流入热载体温度精控装置9，再进入裂解反应器5的上部，启动送料机构4，生物质粉料流出储料斗3后经过送料机构4从裂解反应器5的上部进入，其中热载体温度精控装置9使热载体温度控制在600℃，裂解反应器5中的反应温度为425℃-550℃，生物质粉料热裂解反应后的产物为热裂解气和炭； 

生物质粉被加热到425℃-550℃发生快速裂解反应； 

步骤三：热载体从裂解反应器5的底部流出进入热载体收集箱6，然后经热载体提升斗7将热载体送回热载体加热装置8中，进行循环使用； 

热裂解气和炭共同从裂解反应器5的上部引出，依次进入一级分离器11和二次分离器12，炭分别从一级分离器11和二级分离器12的底部流出后进入炭收集箱13，炭收集箱13将碳送回热能供给装置10； 

步骤四：热裂解气从二次分离器12流出后进入一级冷凝器14，在一级冷凝器14的底部得到冷凝液A，不凝结气进入二级冷凝器15进行冷凝，从二级冷凝器15的底部得到冷凝液B，未被冷凝的热裂解气从二级冷凝器的下部引出进入热能供给装置10中的不凝气燃烧机10-1中燃烧，产生的热量将燃烧室10-2中的炭点燃，产生烟气，烟气由热载体加热装置8的下段进入，换热后烟气进入干燥机1中，最终经引风机25引出，其中一级冷凝器14的控制温度从450℃降到80℃，二级冷凝器15的控制温度从80℃降到50℃； 

热能供给装置10中产生的烟气由热载体加热装置8的底部进入向上流动，与下降的热载体逆向流动进行直接接触式换热，然后烟气在热载体加热装置8中由下向上流动，与由上向下流动的热载体相遇进行间壁式换热；烟气的热量被多次、充分的利用，提高了热能 的利用率。 

步骤五：一级冷凝器14中产生的冷凝液A一部分流入生物燃油产品收集箱22即得到生物燃油，另一部分流入第一冷凝液储桶16后经第一泵18打入第一换热器19，降温后的低温冷凝液A送回一级冷凝器14的顶部进行喷淋； 

在一级冷凝器14中，向下喷淋的低温冷凝液与从二次分离器12中进入的热裂解气直接接触，将一部分热裂解气冷凝，得到冷凝液A； 

二级冷凝器15中产生的冷凝液B一部分流入生物燃油产品收集箱22即得到生物燃油，另一部分流入第二冷凝液储桶17经第二泵20打入换热器21，降温后的低温冷凝液B送回二级冷凝器15的顶部进行喷淋； 

在二级冷凝器15中向下喷淋的低温冷凝液与来自一级冷凝器14的未冷凝的热裂解气直接接触混合、顺流向下流动，将其可冷凝部分全部冷凝下来，得到冷凝液B和不凝结气，不凝结气送入热能供给装置10中的不凝气燃烧机10-1中燃烧，产生的烟气与步骤四中炭燃烧产生的烟气混合后由热载体加热装置8的下段进入，换热后烟气进入干燥机1中，最终经引风机25引出。 

降温后的烟气在干燥机1中作为生物质原料粗粉碎料干燥所需的热源。 

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的方法还包括步骤七，步骤七为生物燃油产品收集箱22中的生物燃油送入连续式乳化机23中，向连续式乳化机23中加入柴油和乳化剂，得到乳化燃料，乳化燃料送入乳化燃料产品收集箱24，此步骤得到另一个产品-乳化燃料。其它步骤与具体实施方式六相同。 

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的热载体为石英砂、陶瓷球和河砂，上述热载体可承受较高的温度。其它步骤与具体实施方式六相同。 

实施例：本实施例以玉米秸秆为原料，首先将玉米秸秆粗粉碎成10-20mm长，将粗粉碎料在干燥机中干燥至含水率低于10％，然后送至制粉机细粉碎成颗粒为2～3mm的生物质粉料，送至储料斗中备用； 

将石英砂加入热载体加热装置8，充满热载体加热装置8的上段，启动热能供给装置10(初次使用时用天然气或秸秆气化气做燃料，生产正常运转后采用热裂解产物炭和不凝结气体做燃料)，向热载体加热装置8供给烟气，打开并控制热载体加热装置上、下段之间的热载体流量控制阀8-2，使热载体靠重力流入热载体加热装置下段，与高温烟气(理论计算燃烧后高温烟气温度可达1700℃)接触换热后流过热载体温度精控装置9精确控制温度，温度达到600℃后流入裂解反应器5。 

启动送料机构4，将生物质粉料和石英砂同时加入裂解反应器5，生物质粉料在裂解反应器5中与热载体快速混合并被加热到425℃-550℃，发生快速热裂解反应(反应时间不超过1.0秒-1.5秒)，产生热裂解气和炭。 

热裂解气从裂解反应器5的中部引出进入一级分离器11和二级分离器12，快速将热裂解气与炭分离开，炭落入炭收集箱13送回热能供给装置10，在其中燃烧产生烟气；热裂解气引入一级冷凝器14和二级冷凝器15，与低温冷凝液A逆流接触、换热，其中可冷凝部分的70％被冷凝为冷凝液A，不凝结气引入二级冷凝器15中，与低温冷凝液B顺流接触、换热，将其中剩余的可冷凝部分全部冷凝为冷凝液B。 

冷凝液A和冷凝液B各自的一部分流入生物燃油产品收集箱22混合成生物燃油。另一部分冷凝液A流入第一冷凝液储桶16经第一泵18打入第一换热器19与冷水进行热交换、降温后成低温冷凝液A送回一级冷凝器14的上部循环使用；冷凝液B的另一部分流入第二冷凝液储桶17经第二泵20打入第二换热器21与冷水进行热交换、降温后的低温冷凝液B送回二级冷凝器15的顶部循环使用。 

从二级冷凝器15排出的不凝结气送入热能供给装置10由不凝气燃烧机10-1中燃烧，产生的烟气与炭燃烧产生的烟气混合后送入热载体加热装置8。降温后的烟气从热载体加热装置8的上部侧方引出送入干燥机1，作为生物质原料粗粉碎料干燥所需的热源；烟气在干燥机1中流过将生物质粗粉料干燥后经引风机引出排放。 

加热热载体石英砂从裂解反应器5底部流出进入热载体收集箱6，然后进入热载体提升斗7将载热体送回热载体加热装置8中进行加热、循环使用。 

生物燃油产品收集箱22中的生物燃油送入乳化机23中与柴油及乳化剂连续混合乳化，得到另一个产品-乳化燃料。如按生物燃油10％-15％的比例与柴油混合制成的混合乳化燃料B10、B15，稳定期可达20天以上。 

Claims (1)

1.一种生物质快速裂解生产生物燃油的装置，其特征在于所述装置包括干燥机(1)、制粉机(2)、储料斗(3)、送料机构(4)、裂解反应器(5)、热载体收集箱(6)、热载体提升斗(7)、热载体加热装置(8)、热载体温度精控装置(9)、热能供给装置(10)、一级分离器(11)、二级分离器(12)、炭收集箱(13)、一级冷凝器(14)、二级冷凝器(15)、第一冷凝液储桶(16)、第二冷凝液储桶(17)、第一泵(18)、第一换热器(19)、第二泵(20)、第二换热器(21)、生物燃油产品收集箱(22)和引风机(25)，干燥机(1)与制粉机(2)连通，制粉机(2)与储料斗(3)连通，储料斗(3)通过送料机构(4)与裂解反应器(5)的进料口连通，热载体加热装置(8)的底部通过热载体温度精控装置(9)与裂解反应器(5)的热载体进口端连通，裂解反应器(5)的热载体出口端与热载体收集箱(6)的顶部连通，热载体收集箱(6)的底部经热载体提升斗(7)与热载体加热装置(8)的热载体进口端连通，裂解反应器(5)的热裂解产物出口端与一级分离器(11)的热裂解产物进口端连通、一级分离器(11)的热裂解产物出口端与二级分离器(12)的热裂解产物进口端连通、二级分离器(12)的热裂解产物出口端与一级冷凝器(14)的热裂解产物进口端连通，一级分离器(11)和二级分离器(12)的碳出口端均与 炭收集箱(13)的进口端连通， 炭收集箱(13)的出口端与热能供给装置(10)的碳进口端连通，一级冷凝器(14)的不凝气出口端与二级冷凝器(15)的不凝气进口端连通，二级冷凝器(15)的不凝气出口端与热能供给装置(10)的不凝气进口端连通，热能供给装置(10)的烟气出口端与热载体加热装置(8)的烟气进口端连通，热载体加热装置(8)的烟气出口端与干燥机(1)的进口端连通；一级冷凝器(14)的冷凝液出口端与第一冷凝液储桶(16)连通，第一冷凝液储桶(16)通过第一泵(18)与第一换热器(19)连通，第一换热器(19)与一级冷凝器(14)的冷凝液进口端连通，二级冷凝器(15)的冷凝液出口端与第二冷凝液储桶(17)连通，第二冷凝液储桶(17)通过第二泵(20)与第二换热器(21)连通，第二换热器(21)与二级冷凝器(15)的冷凝液进口端连通，一级冷凝器(14)和二级冷凝器(15)的生物燃油出口端均与生物燃油产品收集箱(22)连通；热能供给装置(10)由不凝气燃烧机(10-1)和燃烧室(10-2)构成，不凝气燃烧机(10-1)设在燃烧室(10-2)内，热能供给装置(10)设在热载体加热装置(8)的侧下方；热载体加热装置(8)由加热管(8-1)、热载体流量控制阀(8-2)和一组倾斜隔板(8-3)构成，加热管(8-1)设在热载体加热装置(8)的上方，一组倾斜隔板(8-3)装在热载体加热装置(8)的下方，加热管(8-1)通过热载体流量控制阀(8-2)与一组倾斜隔板(8-3)连通；所述装置还包括连续式乳化机(23)和乳化燃料产品收集箱(24)，生物燃油产品收集箱(22)与连续式乳 化机(23)的生物燃油进口端连通，连续式乳化机(23)上设有柴油和乳化剂加入口(23-1)，连续式乳化机(23)的底部与乳化燃料产品收集箱(24)连通。 

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