CN102807884B - 一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，属于竹材资源加工利用领域。所述方法包括原料预处理、气力输送进料、流化床热裂解液化、旋风分离出炭、过滤除炭、热解气冷凝、热解尾气循环利用的步骤。本发明还提供了用于所述方法的装置，所述装置包括气力输送进料器、流化床反应器、旋风分离器、过滤器、冷凝器、储油罐、储气罐和集炭箱。所述方法的工艺体系能耗低、操作工序简单、技术可操作性强且清洁无污染，可实现竹资源的全竹利用，大大提高了竹资源利用率；易于产业化，具有十分广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，属于竹材资源加工利用领域。
背景技术
随着近年来石化资源的短缺和环境问题的日益突出，利用生物质资源生产高附加值能源产品和化工材料成为了重要的发展领域和科学研究的热点。作为一种绿色、可再生、可降解的生物质资源，竹子开发利用前景广阔。我国竹资源丰富，种植竹面积居世界第一。从总体上来说，竹材是一种天然高分子化合物，主要是由纤维素、半纤维素、木质素、果胶和淀粉组成，其中前三种占绝大部分。因竹子繁殖能力强，成材周期短，产量高，原料易得，加之竹子本身纤维素和木质素含量高，使其成为生物质热解和清洁能源利用的理想原料之一。
目前，我国竹子利用方式主要以竹纤维的利用为主，产品附加值有限，技术含量有待提升，并且大量的竹材剩余物没有得到有效地充分利用。也有部分采用热解的方式进行竹材的加工利用，但一般采用土窑的传统技术生产，效率较低，竹资源有效利用率不高，且以生产竹炭和竹醋液为主，热解气体不回收，造成大量的有价值的挥发性有机物的浪费和环境污染。另外，竹材资源中含有一定量的灰分（平均约为2.5%），会影响热解反应的发生和热解产物的分布，在竹材资源利用过程中具有不可忽视的作用。因此，有必要从竹材原料的特点出发，建立适合竹资源能源化利用技术体系，既可以实现竹资源的全竹利用，同时降低竹产品的生产成本，提高竹基产品的附加值。
热裂解液化技术是目前生物质能源转化利用最具发展潜力的技术之一，可将生物质高效转化为液态产物生物油、固态产物生物炭及气态产物清洁燃气。然而，目前生物质热裂解液化研究的对象主要集中在木材、稻壳、秸秆等农林生物质资源，而利用热裂解液化技术进行竹材热解的专利技术未见报道。热裂解液化技术能够有效拓展竹材利用的新途径，提高竹资源的综合利用率，对能源工业和化学工业的可持续发展和发展生态经济均有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，旨在对竹资源进行绿色环保、高值化综合利用，实现联产生物油、生物炭等生物基能源产品和化工材料，以提高竹材的综合利用率和产品附加值。
本发明由下述技术方案来实现。
一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，所述方法步骤如下：
步骤一、原料预处理
将原料进行粉碎干燥，得到原料颗粒；所述原料为竹秆、竹青、竹黄、竹节或竹材加工下脚料；
优选将原料进行粉碎，得到粒径小于2mm的竹材颗粒后，再经过脱灰处理，脱灰处理工艺步骤为：水洗①-酸洗-水洗②；其中，水洗①过程是将竹材颗粒浸没于水中，竹材颗粒与水重量比为1:20，处理温度50℃，处理时间15min；酸洗过程中是将水洗后的竹材颗粒浸没于盐酸溶液中，盐酸溶液浓度为3.5mol/L，处理温度50℃~65℃，处理时间20min，竹材颗粒与盐酸溶液重量比为1:10；水洗②过程是将酸洗后的竹材颗粒浸没于水中，竹材颗粒与水重量比为1:20，处理温度50℃，处理时间5min，得到脱灰处理后的竹材颗粒；将脱灰处理后的竹材颗粒进行干燥，得到含水率为5%~12%的原料颗粒。
步骤二、气力输送进料
将原料颗粒加入到料仓中，原料颗粒在关风器的作用下落入到气力输送管中，经气力输送进入到流化床反应器中；
其中，气力输送气体为氮气或反应产生的热解尾气，优选流量为1.5m3/h，关风器中叶片转速为400r/h~800r/h。
步骤三、流化床热裂解液化
在流化载气的作用下，使原料颗粒在流化床反应器中发生热裂解反应，产生生物炭和热解气；流化载气为氮气或热解尾气；
优选热裂解反应温度为400℃~500℃，生物炭和热解气在流化床反应器中停留时间为1s~2s；流化载气流量为35m3/h~45m3/h；
优选流化床反应器床料为陶瓷球和石英砂混合床料，陶瓷球粒径为0.2mm~0.6mm，石英砂粒径为0.6mm~1.2mm，混合体积比例为1:1；
步骤四、旋风分离出炭
在流化载气的作用下，使生物炭和热解气进入旋风分离器中，生物炭在旋风分离作用下进入到集炭箱中；
优选旋风分离入口的流化载气速度为5~8m/s，压降为0.75kPa~0.8kPa，分离效率为95%~98%；
步骤五、过滤除炭
对旋风分离得到的热解气进行过滤，除去热解气中的生物炭颗粒，优选过滤孔径为3~6μm；
步骤六、热解气冷凝
将过滤后的高温热解气通过冷凝器，冷凝得到生物油和热解尾气，其中热解尾气为不可冷凝气体，温度为400~500℃；得到的生物油流入储油罐中，可用作燃料或化工原料；
优选冷凝器的冷凝介质为水，温度为15℃~40℃。
步骤七、热解尾气循环利用
将热解尾气作为流化床的循环载气和气力输送的进料载气，多余的热解尾气进入储气罐中，用于燃烧供热或者物料干燥；
优选循环风压为45kPa-50kPa，循环气体流量为35m3/h-45m3/h。
一种用于本发明所述竹材热裂解液化制备生物油及生物炭方法的装置，所述装置包括：气力输送进料器、流化床反应器、旋风分离器、过滤器、冷凝器、储油罐、储气罐、集炭箱和气力输送进料器。
其中流化床反应器的下部设有进料口，流化床反应器的上部出口与旋风分离器的入口连接；旋风分离器的下部出口与集炭箱相连，旋风分离器的上部出口与过滤器进气口连接，过滤器出气口与冷凝器进气口连接，冷凝器出气口与储油罐进气口连接，储油罐出气口与储气罐进气口连接，储油罐出气口还与流化床反应器的下部进气口连接。各器件之间通过管路联通。
气力输送进料器包括关风器和料仓，其中料仓位于流化床反应器的下部进料口上，料仓通过关风器通入流化床反应器内部，关风器下部设有气力输送管；流化床反应器内部填有床料。
流化床反应器的作用为，将干燥粉碎后的原料进行热解液化反应；
旋风分离器的作用为，将流化床反应器中热解得到的生物炭和热解气分离；
过滤器的作用为，将旋风分离器得到的热解气过滤除去固体杂质；
集炭箱的作用为，收集旋风分离器分离得到的炭；
冷凝器的作用为，将过滤后的高温热解气冷凝得到生物油和热解尾气；
储油罐的作用为，收集热解气中的生物油；
储气罐的作用为，收集热解气，并将多余的热解气输入到流化床反应器中作为载气。
有益效果
1.本发明提供了一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，所述方法采用气力输送进料，可有效解决竹材原料粉碎后纤维长、粉末多等造成的原料搭桥、进料堵塞、进料不精确等问题；
2.所述方法采用混合床料可有效解决由于竹材原料颗粒的不规则造成的传热不均一，实现多层次传热，使得热裂解液化反应更充分；
3.所述方法将热解尾气用作循环流化载气和进料载气，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；
4.所述方法的分离得到的生物炭经活化后具有很强的吸附功能，能除去生物油中的大部分刺鼻烟熏味，而且能吸附生物油中的杂质，使生物油得到净化；
5.所述方法的工艺体系能耗低、操作工序简单、技术可操作性强且清洁无污染，可实现竹资源的全竹利用，大大提高了竹资源利用率；易于产业化，具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1是竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的装置示意图。
图2是气力输送进料器和流化床反应器的示意图。
其中，1-流化床反应器、2-旋风分离器、3-过滤器、4-冷凝器、5-储气罐、6-储油罐、7-集炭箱、8-关风器、9-料仓、10-床料。
具体实施方式
以下通过具体实施方式，对本发明作进一步说明。
其中，实施例1、2中所用装置如图1、2所示，所述装置包括：流化床反应器1、旋风分离器2、过滤器3、冷凝器4、储油罐6、储气罐5、集炭箱7和气力输送进料器；
其中流化床反应器1的下部设有进料口，流化床反应器1的上部出口与旋风分离器2的入口连接；旋风分离器2的下部出口与集炭箱7相连，旋风分离器2的上部出口与过滤器3进气口连接，过滤器3出气口与冷凝器4进气口连接，冷凝器4出气口与储油罐6进气口连接，储油罐6出气口与储气罐5进气口连接，储油罐6出气口还与流化床反应器1的下部进气口连接。上述器件之间均通过管路连接。
气力输送进料器包括关风器8和料仓9，其中料仓9位于流化床反应器1的下部进料口上，料仓9通过关风器8通入流化床反应器1内部，关风器8下部设有气力输送管；流化床反应器1内部填有床料。
实施例1
一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，所述方法步骤如下：
步骤一、原料预处理
将毛竹加工剩余物进行粉碎，得到粒径小于2mm的竹材颗粒后，再经过脱灰处理，脱灰处理工艺步骤为：去离子水洗①-酸洗-去离子水洗②；其中，去离子水洗①过程是将竹材颗粒浸没于去离子水中，竹材颗粒与去离子水重量比为1:20，处理温度50℃，处理时间15min；酸洗过程中是将去离子水洗后的竹材颗粒浸没于盐酸溶液中，盐酸溶液浓度为3.5mol/L，处理温度50℃，处理时间20min，竹材颗粒与盐酸溶液重量比为1:10；去离子水洗②过程是将酸洗后的竹材颗粒浸没于去离子水中，竹材颗粒与去离子水重量比为1:20，处理温度50℃，处理时间5min，得到脱灰处理后的竹材颗粒；将脱灰处理后的竹材颗粒进行干燥，得到含水率为9.5%的原料颗粒。
步骤二、气力输送进料
将原料颗粒加入到料仓9中，原料颗粒在关风器8的作用下垂直落入到气力输送管中，经气力输送进入到流化床反应器1中；
其中，气力输送气体为氮气或反应产生的热解尾气，流量为1.5m3/h，关风器8中叶片转速为500r/h。
步骤三、流化床热裂解液化
在流化载气的作用下，使原料颗粒在流化床反应器1中发生热裂解反应，产生生物炭和热解气；
其中，反应温度为450±5℃，生物炭和热解气在流化床反应器1中停留时间为1s~2s；
流化载气为氮气或热解尾气，流量为35m3/h；
流化床反应器1床料为陶瓷球和石英砂混合床料，陶瓷球粒径为0.2mm~0.6mm，石英砂粒径为0.6mm~1.2mm，混合体积比例为1:1；
步骤四、旋风分离出炭
在流化载气的作用下，使生物炭和热解气进入旋风分离器2中，生物炭在旋风分离作用下进入到集炭箱中；
其中，旋风分离器2入口的流化载气速度为6.8m/s，压降为0.75kPa~0.8kPa，分离效率为95%~98%；
步骤五、过滤除炭
对旋风分离得到的热解气通过过滤器3进行过滤，除去热解气中2%~5%的生物炭颗粒，过滤孔径为3~6μm；
步骤六、热解气冷凝
将过滤后的高温热解气通过冷凝器4，冷凝得到生物油和热解尾气，其中热解尾气为不可冷凝气体，温度为400~500℃；得到的生物油流入储油罐6中，可用作燃料或化工原料；
其中，冷凝介质为水，冷凝水温度为25℃。
步骤七、热解尾气循环利用
将热解尾气作为流化床反应器1的循环载气和气力输送的进料载气，多余的热解尾气进入储气罐5中，用于燃烧供热或者物料干燥；
其中，循环风压为45kPa-50kPa，循环气体流量为35m3/h-45m3/h。
待原料颗粒全部进入流化床反应器1并反应结束后，关闭流化床反应器1上的加热设备；当流化床反应器1温度降到100℃后，关闭气体循环及冷凝器4。本次反应的毛竹生物油产率为62%，生物炭产率为21%。
实施例2
一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，所述方法步骤如下：
步骤一、原料预处理
将毛竹加工剩余物进行粉碎，得到粒径小于2mm的竹材颗粒后，再经过脱灰处理，脱灰处理工艺步骤为：去离子水洗①-酸洗-去离子水洗②；其中，去离子水洗①过程是将竹材颗粒浸没于去离子水中，竹材颗粒与去离子水重量比为1:20，处理温度50℃，处理时间15min；酸洗过程中是将去离子水洗后的竹材颗粒浸没于盐酸溶液中，盐酸溶液浓度为3.5mol/L，处理温度60℃，处理时间20min，竹材颗粒与盐酸溶液重量比为1:10；去离子水洗②过程是将酸洗后的竹材颗粒浸没于去离子水中，竹材颗粒与去离子水重量比为1:20，处理温度50℃，处理时间5min，得到脱灰处理后的竹材颗粒；将脱灰处理后的竹材颗粒进行干燥，得到含水率为7.5%的原料颗粒。
步骤二、气力输送进料
将原料颗粒加入到料仓9中，原料颗粒在关风器8的作用下垂直落入到气力输送管中，经气力输送进入到流化床反应器1中；
其中，气力输送气体为氮气或反应产生的热解尾气，流量为1.5m3/h，关风器中叶片转速为700r/h。
步骤三、流化床热裂解液化
在流化载气的作用下，使原料颗粒在流化床反应器1中发生热裂解反应，产生生物炭和热解气；
其中，反应温度为500±5℃，生物炭和热解气在流化床反应器1中停留时间为1s~2s；
流化载气为氮气或热解尾气，流量为43m3/h；
流化床反应器1床料为陶瓷球和石英砂混合床料，陶瓷球粒径为0.2mm~0.6mm，石英砂粒径为0.6mm~1.2mm，混合体积比例为1:1；
步骤四、旋风分离出炭
将生物炭和热解气在流化载气的作用下进入到旋风分离器2中，生物炭在旋风分离作用下进入到集炭箱中；
其中，旋风分离器2入口的流化载气速度为8m/s，压降为0.75kPa~0.8kPa，分离效率为95%~98%；
步骤五、过滤除炭
对旋风分离得到的热解气通过过滤器3进行过滤，除去热解气中2%~5%的生物炭颗粒，过滤孔径为3~6μm；
步骤六、热解气冷凝
将过滤后的高温热解气通过冷凝器4，冷凝得到生物油和热解尾气，其中热解尾气为不可冷凝气体，温度为400~500℃；得到的生物油流入储油罐6中，可用作燃料或化工原料；
其中，冷凝介质为水，冷凝水温度为15℃。
步骤七、热解尾气循环利用
将热解尾气作为流化床反应器1的循环载气和气力输送的进料载气，多余的热解尾气进入储气罐5中，用于燃烧供热或者物料干燥；
其中，循环风压为45kPa-50kPa，循环气体流量为35m3/h-45m3/h。
待原料颗粒全部进入流化床反应器1并反应结束后，关闭流化床反应器1上的加热设备；当流化床反应器1温度降到100℃后，关闭气体循环及冷凝器4。本次反应的毛竹生物油产率为60%，生物炭产率为15%。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一、原料预处理
将原料进行粉碎干燥，得到原料颗粒；
所述原料为竹秆、竹青、竹黄、竹节或竹材加工下脚料；
步骤二、气力输送进料
将原料颗粒加入到料仓（9）中，原料颗粒在关风器（8）的作用下落入气力输送管中，经气力输送进入到流化床反应器（1）中；所述气力输送气体为氮气或反应产生的热解尾气；
步骤三、流化床热裂解液化
在流化载气的作用下，使原料颗粒在流化床反应器（1）中发生热裂解反应，产生生物炭和热解气；流化载气为氮气或热解尾气；其中流化床反应器（1）床料为陶瓷球和石英砂混合床料，陶瓷球粒径为0.2mm～0.6mm，石英砂粒径为0.6mm～1.2mm，混合体积比例为1:1；
步骤四、旋风分离出炭
在流化载气的作用下，使生物炭和热解气进入旋风分离器（2）中，生物炭在旋风分离作用下进入到集炭箱（7）中；
步骤五、过滤除炭
对旋风分离得到的热解气进行过滤，除去热解气中的生物炭颗粒；
步骤六、热解气冷凝
将过滤后的高温热解气通过冷凝器（4），冷凝得到生物油和热解尾气，得到的生物油流入储油罐（6）中；
步骤七、热解尾气循环利用
将热解尾气作为流化床反应器（1）的循环载气和气力输送的进料载气，多余的热解尾气进入储气罐（5）中再利用。
2.根据权利要求1所述的一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，其特征在于：在步骤一中，将原料进行粉碎，得到粒径小于2mm的竹材颗粒后，再经过脱灰处理，脱灰处理工艺步骤为：水洗①-酸洗-水洗②；其中，水洗①过程是将竹材颗粒浸没于水中，竹材颗粒与水重量比为1:20，处理温度50℃，处理时间15min；酸洗过程中是将水洗后的竹材颗粒浸没于盐酸溶液中，盐酸溶液浓度为3.5mol/L，处理温度50℃～65℃，处理时间20min，竹材颗粒与盐酸溶液重量比为1:10；水洗②过程是将酸洗后的竹材颗粒浸没于水中，竹材颗粒与水重量比为1:20，处理温度50℃，处理时间5min，得到脱灰处理后的竹材颗粒；将脱灰处理后的竹材颗粒进行干燥，得到含水率为5%～12%的原料颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，其特征在于：在步骤二中，气力输送气体流量为1.5m3/h，关风器（8）中叶片转速为400r/h～800r/h。
4.根据权利要求1所述的一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，其特征在于：在步骤三中，热裂解反应温度为400℃～500℃，生物炭和热解气在流化床反应器（1）中停留时间为1s～2s；流化载气流量为35m3/h～45m3/h。
5.根据权利要求1所述的一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，其特征在于：在步骤四中，旋风分离器（2）入口的流化载气速度为5～8m/s，压降为0.75kPa～0.8kPa。
6.根据权利要求1所述的一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，其特征在于：在步骤五中，过滤孔径为3～6μm。
7.根据权利要求1所述的一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，其特征在于：在步骤六中，冷凝器（4）的冷凝介质为水，温度为15℃～40℃。
8.根据权利要求1所述的一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，其特征在于：在步骤七中，循环风压为45kPa-50kPa，循环气体流量为35m3/h-45m3/h。
9.一种竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的装置，用于权利要求1至8任一项所述的竹材热裂解液化制备生物油及生物炭的方法，其特征在于，所述装置包括：流化床反应器（1）、旋风分离器（2）、过滤器（3）、冷凝器（4）、储油罐（6）、储气罐（5）、集炭箱（7）和气力输送进料器；
其中流化床反应器（1）的下部设有进料口，流化床反应器（1）的上部出口与旋风分离器（2）的入口连接；旋风分离器（2）的下部出口与集炭箱（7）相连，旋风分离器（2）的上部出口与过滤器（3）、冷凝器（4）、储油罐（6）、储气罐（5）进气口顺序连接；储油罐（6）出气口还与流化床反应器（1）的下部进气口连接；各器件之间通过管路联通；
气力输送进料器包括关风器（8）和料仓（9），其中料仓（9）位于流化床反应器（1）的下部进料口上，料仓（9）通过关风器（8）通入流化床反应器（1）内部，关风器（8）下部设有气力输送管；流化床反应器（1）内部填有床料。
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