CN102899094A

CN102899094A - 生物质热裂解制取可燃气的方法及专用装置

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Publication number: CN102899094A
Application number: CN2011102140277A
Authority: CN
Inventors: 楼龙春
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明涉及一种生物质热裂解制取可燃气的方法及其专用装置，其特征在于：将生物质粉碎制粒后加入到裂解炉中，采取电弧点火与纯氧同时进行氧化还原反应与热裂解反应生产可燃气体；所述专用装置包括炉体、设置在炉体上的进料口、废料出口和可燃气体出口，其特征在于所述炉体内设有螺旋式可旋转炉栅，在炉体的顶部设有相应的螺旋式可旋转炉栅控制电机，炉体的下部设有氧气进气口，所述进料口、可燃气体出口设于炉体的上部，所述进料口通过管道与加料机相连通，所述可燃气体出口通过管道依次连接有焦油吸收塔及冷凝器。以纯氧助燃加热技术的特点，免除由空气助燃加热所带进的大量氮气而提高了所产可燃气热值，结构合理，连续装料与出渣，提高了生产能力。

Description

生物质热裂解制取可燃气的方法及专用装置

技术领域

本发明涉及一种可燃气的制取方法及专用装置技术领域，尤其是一种生物质热裂解制取可燃气的方法及专用装置。

背景技术

生物质能是一种唯一可固定碳的可再生能源，它来自于生物质，生物质的说法较多，如美国可再生能源实验室的解释为：″我们星球上丰富的植物是太阳能和化学能的天然仓库，不管其是人为栽培，还是野生繁殖，我们将这种数量巨大的可再生资源称为生物质″。

生物质是一种清洁的低碳燃料，其含硫和含氮量均较低，同时灰分份额也很小，所以燃烧后SO2、NOx和灰尘排放量比化石燃料要小得多，是一种清洁燃料，同时，生物质对生态环境的最大贡献还在于其具有CO₂零排放的特点，大气中的CO₂和地面上的水经光合作用产生用来形成生物质的碳水化合物，如将生物质燃烧利用，则大气中的氧和生物质的碳相互作用生成CO₂和水，这个过程是循环的，所以生物质同时是一种可再生资源，可视为取之不尽的永久能源，其利用过程中没有增加大气中CO₂的含量，这对于缓解日益严重的“温室效应”有着特殊的意义。

而在我国，收割后的土地上，留下的秸秆是几千年来农民的生活燃料、牲畜的饲料。目前，我国每年秸秆资源的可获得量为7亿吨，折合成标煤约为3.5亿吨，再加以往不可利用的树木的枝、叶与果实的皮、芯、壳核、各种蒿草以及木屑、糖渣等(统称为农林废弃物)，总量可达近20亿吨，相当于10亿吨标准煤。长期以来，秸秆一直是我国农民生活的基本燃料和农业生产的物质资料。在一些粮食主产区，秸秆被大量焚烧，不仅浪费了宝贵的资源，还污染大气环境，威胁交通运输安全、成为一个不好根治的严重社会问题。

随着经济的发展和人民生活水平的提高，垃圾问题日益突出。我国近七百座城市，大部分城市仍以简单填坑、挖坑掩埋、投入江河湖海、露天焚烧等处理方式为主。目前大部分城市采用的是填埋法，因为填埋处理费用省，操作方便。我国城市垃圾成份在变，有机成份达60％-90％，垃圾热值范围很大(1850KJ/kg-6413KJ/kg)，所调查城市一般热值为4000KJ/kg，这说明垃圾资源化利用的潜力较大。据专家估计，到2010年，我国城市垃圾产量将达2.9亿吨。据粗略统计，垃圾中有机含量93.92％，含水率为45.12％。现有的大部分填埋场设计建造标准低、缺乏污染控制措施，远不能保证填埋垃圾的安全，使集中填埋的垃圾成为即时和潜在的长期污染源。我国2/3的城市被垃圾环带包围。这些垃圾埋不胜埋，烧不胜烧，造成了一系列严重危害。历年全国无序堆放的垃圾总量近80亿吨，占用土地6亿平方米，严重污染大气和地下水资源，更有引发气体爆炸事故的发生。

传统的垃圾消纳倾倒方式是一种不负责任的“服务于当代，遗害于子孙”的“污染物转移”方式。而现有的垃圾处理场的数量和规模远远不能适应城市垃圾增长的需求，大部分垃圾仍呈露天集中堆放状态，对环境即时和潜在的危害很大，问题日趋严重。主要表现为：一是传染疾病，危害人体健康。尤其是霍乱菌、结核菌，以及蛔虫卵等。二是恶化环境，危害环境质量。一个优美的城市，一旦出现垃圾乱堆乱放，二次污染，蚊蝇孳生，社会经济效益都受到极大影响。三是破坏资源，危害生态平衡。垃圾污染对水资源、地下资源、环境资源和植物生长都有着十分重要的危害性。四是垃圾爆炸事故不断发生。由于城市生活垃圾中有机质含量的提高和由露天分散堆放变为集中堆放，只采用简单覆盖易造成甲烷气体的厌氧环境，使垃圾产生沼气量增加，危害日益突出，事故不断，造成重大损失。

世界各国的城市生活垃圾正以快于其经济增速3倍以上的平均速度增长，全球每年排放各类垃圾超100亿吨。许多国家已经开始对各种生物质用于发电进行研究，生活垃圾、动物粪便、植物枯枝等生物质都被尝试用于发电。但是在过去30年的时间内，科学家们的研究和生物质发电厂积累的经验证明，城市生活垃圾等经电厂焚烧后排向大气的烟气含有致癌物质二恶英等，自然界的微生物和水解作用对二恶英的分子结构影响较小，因此，环境中的二恶英很难自然降解消除。它包括210种化合物，这类物质非常稳定，熔点较高，极难溶于水，可以溶于大部分有机溶剂，是无色无味的脂溶性物质，所以非常容易在生物体内积累。它的毒性十分大，是砒霜的900倍，有“世纪之毒”之称，万分之一甚至亿分之一克的二恶英就会给健康带来严重的危害。二恶英除了具有致癌毒性以外，还具有生殖毒性和遗传毒性，直接危害子孙后代的健康和生活。由此公众对建垃圾焚烧电厂有抗拒心理。

与发达国家生物质能利用技术相比，我国目前在这方面相对落后。上世纪八十年代以来，全国多家高校及科研机构在研制生物质气化技术和装置方面相继取得了一系列重要成果，如中国农机院开发的下吸式DN系列生物质气化炉和家用小型气化炉，广州能源所研制的上吸式气化炉，浙江大学热能工程研究所研制的生物质中热值集中供气装置，山东能源所研制出燃用农作物秸秆(以玉米秆为主)的固定床气化炉，经热解产气，成功地向50多个试点村的村民送上管道煤气，上述几种形式气化炉均利用空气气化生产5MJ/Nm3左右的低热值燃气。为了提高热值，浙江大学、广州能源所、中科院化冶所、大连科学院等均开展了利用生物质能的循环流化床或干馏气化技术研究，并已完成实验室阶段研究。然而我国生物质能热化学转换技术的应用远不理想，因为到目前为止，技术的瓶颈并未突破。

现有专利号为CN200910148027.4的中国专利《生物质直接热裂解发生器及其热裂解方法》，所述发生器包括用以进行热裂解反应的热裂解反应室，在该热裂解反应室下方设置有燃烧加热室；所述发生器还包括：燃气输送泵，设置在该燃烧加热室下方；燃气回烧管，与位于该热裂解反应室上部的燃气出口连通，该燃气回烧管经由该燃气输送泵连接至该燃烧加热室；配风和点火装置，与该燃烧加热室连通。它是将原料与催化剂混合后直接发生裂解反应，所产生的可燃气体作为生物质热裂解的加热源，但是这种方法对装置的要求比较高，制造成本高，而且制得的可燃气体含有焦油，纯度不够。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种生物质热裂解制取可燃气的方法，对农林或城市生活废弃物进行综合利用来生产可燃气体，变废为宝，降低成本，并且可燃气体的产率高、纯度高，制备方法更加合理。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种结构合理、并容易实施的生物质热裂解制取可燃气的专用装置。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种生物质热裂解制取可燃气的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将生物质经粉碎后加工成颗粒状；

2)将颗粒状物料加入到裂解炉中，采取电弧点火与纯氧同时进行氧化还原反应与热裂解反应，炉体内自下而上的农林废弃物或城市废弃物处于四个层段：氧化、还原、热裂解、干燥；由氧化层段维持炉体所需要的温度；还原、热裂解层段生成混合可燃气体。

3)将生成的混合可燃气体通过焦油吸收塔和冷凝器进行净化冷却，分离出来的可燃气体经过洗涤处理后得到清洁高热值可燃气，输送至贮气罐中储存；分离出来的混合液体经撇油器处理后除去水分再重新注入裂解炉中进行裂解。

所述热裂炉内四个层段的反应温度为：氧化层1000℃以上；还原层700℃～1000℃；热裂解层250℃～700℃；干燥层100℃～250℃。

作为改进，所述生物质为农林废弃物或城市生活废弃物，包括树木的枝、叶、竹块、作物的秸、秆、种子与果实的皮、芯、壳、核、各种荒草、蒿草、种植草、木屑或者糖渣，加工成颗粒、块状或片状，颗粒直径在0.5～5.0cm。

再改进，所述纯氧是通过空气分离系统分离所得氧气经压缩后从裂解炉下部的氧气注入口输入裂解炉。

最后，所述洗涤处理是在洗涤塔中进行，所述洗涤塔的底部设有洗涤循环系统，洗涤循环系统中所采用的洗涤循环剂为5-40(wt)％的碳酸钠溶液，优选20％的碳酸钠溶液，从冷凝器出口出来的混合可燃气体中的二氧化碳通过洗涤循环剂吸收，最后通过曝气口排出。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种生物质热裂解制取可燃气的专用装置，包括裂解炉炉体、所述炉体上设有进料口、废料出口以及可燃气体出口，其特征在于所述炉体内设有螺旋式可旋转炉栅，在炉体的顶部设有相应的螺旋式可旋转炉栅控制电机，炉体的下部设有氧气进气口，所述进料口、可燃气体出口设于炉体的上部，所述进料口通过管道与加料机相连通，所述可燃气体出口通过管道依次连接有焦油吸收塔及冷凝器。

作为改进，所述裂解炉采用立式裂解炉，在炉体的中部还设有一点火兼观察窗，所述加料机采用螺旋输送加料机，所述废料出口设于炉体的底部，并横向地安装有螺旋排渣机。

作为改进，所述炉体的中部开设有一焦油或可燃气注入口，所述冷凝器的进口端与焦油吸收塔的出口相连接，所述冷凝器的出口端为二个，一个为混合可燃气出口，与洗涤塔相连通，另一个为油水混合物出口，与撇油器的进口相连接，油水混合物经撇油器处理后去除的水由出口排出，分离得到的轻质油与焦油吸收塔处理后得到的焦油从炉体的焦油或可燃气注入口重新进入炉体燃烧裂解。

再改进，所述洗涤塔的底部设有洗涤循环系统，混合可燃气中的二氧化碳经处理后由洗涤循环系统的曝气口排出，经洗涤得到的清洁高热量值的可燃气从洗涤塔的顶部出口排出，并经压缩后进入贮气罐。

最后，所述螺旋式可旋转炉栅采用耐高温抗氧化的镍基合金制造，所述炉体为双层结构，夹层填充保温材料，所述炉体内设置有若干温度测量传感器，温度测量传感器的输出连接到计算机的采样端，而计算机的控制输出端连接到螺旋式输送加料机与螺旋式可旋转炉栅控制电机。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明基于以纯氧助燃加热技术的特点，使农林废弃物或城市废弃物得到完全热裂解，免除由空气助燃加热所带进的大量氮气进而提高了所产可燃气热值；还通过焦油吸收塔、冷凝器处理，提高了可燃气的纯度，并将冷凝器分离出来的混合液体通过撇油器处理，将分离出的轻质油与焦油重新输入炉体内进行燃烧裂解，不仅提高热裂解效率，而且控制了影响环境的有害物质，达到洁净环保。本发明将农林生活废弃物变废为宝，大大降低了生产成本，同时减少了环境污染，所产的高热值可燃气可以补充日益枯竭的矿石能源。并且，本发明的生产装置结构合理，连续装料与出渣，提高了生产能力。

附图说明

图1为本发明的生产装置的流程示意图；

图2为本发明的生产装置中裂解炉的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如附图1所示，一种生物质热裂解制取可燃气的专用装置，包括裂解炉炉体1，所述裂解炉采用立式裂解炉，在炉体1顶部的中间位置设有螺旋式可旋转炉栅控制电机1.6，在炉体的上部一侧设有进料口1.1，通过管道与螺旋式输送加料机1.9相连通，在炉体的上部另一侧设有可燃气出口1.5，并设有相应的可燃气体出口阀；在炉体1的中部、进料口1.1的下方位置设有一点火兼观察窗1.8，在炉体1的中部、可燃气出口1.5的下方位置设有焦油或可燃气体注入口1.4，在炉体1的下部设有氧气注入口1.2，在炉体1的底部设有废料出口1.3，废料出口1.3处横向地安装有螺旋排渣机1.7；在炉体1内设有螺旋式可旋转炉栅，与螺旋式可旋转炉栅控制电机1.6相连接，所述螺旋式可旋转炉栅采用耐高温抗氧化的镍基合金制造，有利于热量由炉体中部向上部传递，并且炉栅表面的镍氧化物可以催化生物质焦油的进一步裂解；在炉体1内设置有若干温度测量传感器，各个温度测量传感器的输出连接到计算机的采样端，而计算机的控制输出端连接到螺旋式输送加料机1.9与螺旋式可旋转炉栅控制电机1.6；所述可燃气体出口1.5通过管道依次连接焦油吸收塔2、冷凝器4，焦油吸收塔2设有吸收循环系统7，焦油吸收塔2的顶部出口2.2接冷凝器4的进口4.1，所述冷凝器4的出口端为二个，一个为混合可燃气出口4.3，与洗涤塔3相连通，另一个为油水混合物出口4.2，与撇油器5的进口5.1相连接，油水混合物经撇油器5处理后去除的水由出口5.2排出，处理后获得的轻质油从出口5.3排出，使分离得到的轻质油与焦油吸收塔2处理后得到的焦油从炉体1的焦油或可燃气注入口1.4重新进入炉体1燃烧裂解；洗涤塔3的底部设有洗涤剂循环系统8，洗涤剂为碳酸钠与碳酸氢钠水溶液，洗涤塔3顶部出口3.2接贮气罐6进口6.1，贮气罐6出口6.2接气体发电机组或供用户。

一种生物质热裂解制取可燃气的方法，具体步骤为：

先将木屑或粉碎后的秸秆等干燥易燃的农林废弃物或城市废弃物用螺旋输送加料机1.9经进料口1.1送入裂解炉1，同时启动螺旋式旋转炉栅将物料送至点火兼观察窗1.8然后经氧气注入口1.2输入氧气，打开电弧点火器，观察裂解炉开始燃烧，通过设置的温度传感器观察炉体1升温情况，控制加料与供氧速度使炉体1中部的温度达到1000℃以上、上部可燃气体出口1.5达到200℃，当加料为城市生活废弃物时，为了维持炉体1温度，再经焦油或可燃气体注入口1.4向裂解炉注入可燃气或焦油，使热裂解炉保持正常运转。此时裂解炉自下而上形成四个层段：氧化、还原、热裂解、干燥，由还原、热裂解反应生成混合可燃气体；热裂炉内四个层段的反应温度为：氧化层1000℃以上；还原层700℃～1000℃；热裂解层250℃～700℃；干燥层100℃～250℃。

热裂解炉炉体1的可燃气出口1.5出来的混合气温度为200℃左右，经焦油吸收塔2接入口2.1进入焦油吸收塔2，吸收循环系统7的吸收剂为馏程150～300℃的煤油，焦油吸收塔2上部为吸收剂进口2.3接吸收循环系统7出口7.3，底部为吸收剂出口2.4接吸收循环系统7进口7.1，吸收循环系统7的吸收剂与焦油的混合液经蒸馏分离出沸点300℃以上的焦油。

焦油吸收塔2顶部混合可燃气体出口2.2出来的混合气体温度约为120℃左右，经冷凝器进口4.1进入冷凝器4，冷凝器出口4.2出来的为50℃左右轻质油与水的混合物；冷凝器出口4.3出来的为50℃左右的混合可燃气。

冷凝器出口4.2出来的为50℃左右轻质油与水的混合物经撇油器进口5.1进入撇油器5，撇油器出口5.3得到轻质油，轻质油与焦油吸收塔2的吸收剂过程中分离得的焦油混合重新注入炉体1内，撇油器出口5.2为水，可以进入城市污水处理系统。

冷凝器出口4.3出来的为50℃左右的混合可燃气经洗涤塔进口3.1进入洗涤塔3，洗涤塔3的底部设有洗涤循环系统8，洗涤循环系统8的洗涤循环剂为碳酸钠溶液，洗涤循环剂由洗涤塔3进口3.3进入洗涤塔3，混合可燃气内浓度较高的二氧化碳被吸收，吸收了二氧化碳的吸收循环剂经吸收塔底部出口3.4进洗涤循环系统8，通过曝气口8.2释放所吸收的二氧化碳，洗涤循环系统8的吸收循环剂经曝气释放二氧化碳后再经洗涤循环系统8出口8.3经洗涤塔3进口3.3进入洗涤塔3。

洗涤塔3顶部的出口3.2出来的是清洁高热值可燃气，进压缩后进入贮气罐6，通过贮气罐6调节出口6.2供发电或用户。

如附图2所示，一种农林生活废弃物热裂解制取可燃气的专用装置的裂解炉结构示意图，炉体1为双层结构，夹层填充保温材料，炉体1从上到下不仅设有若干温度传感器，还设有若干物料观察窗。

生物质物料由螺旋输送加料机1.9经进料口1.1送入热裂解炉内再由螺旋式旋转炉栅电机1.6缓慢推送下炉体1下部，使物料充满炉体1中上部，下部为贮灰渣仓，当观察到灰渣积至氧气注入口1.2以上时，启动排渣机1.7，灰渣由出口1.3经排渣机1.7迅速排出。

通过调整螺旋输送加料机1.9与螺旋式可旋转炉栅电机1.6速度，可使物料不至于到达可燃气出口1.5。

经过测试，1公斤干燥的农林废弃物可以生产0.3立方的可燃气，1公斤城市生活废弃物，大约可生产0.1立方的可燃气，可燃气热值达到8000大卡/m³以上，高于当前正在市场上运转的气化装置1200大卡/m³左右热值，农林废弃物或城市废弃物得到完全转化，残渣为占进料质量3％～10％的无机物，不含碳等有机成分。不仅解决了城市生活废弃物经电厂焚烧所不能解决的污染大气难题，还使得可燃气用途更加广泛。

Claims

1.一种生物质热裂解制取可燃气的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将生物质经粉碎后加工成颗粒状；

2)将颗粒状物料加入到裂解炉中，采取电弧点火与纯氧同时进行氧化还原反应与热裂解反应，使裂解炉自下而上形成四个层段：氧化、还原、热裂解、干燥，由还原、热裂解反应生成混合可燃气体；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述热裂炉内四个层段的反应温度为：氧化层1000℃以上；还原层700℃～1000℃；热裂解层250℃～700℃；干燥层100℃～250℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述生物质为农林废弃物或城市生活废弃物，包括树木的枝、叶、竹块、作物的秸、秆、种子与果实的皮、芯、壳、核、各种荒草、蒿草、种植草、木屑或者糖渣，加工成颗粒、块状或片状，颗粒直径在0.5～5.0cm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述纯氧是通过空气分离系统分离所得氧气经压缩后从裂解炉下部的氧气注入口输入裂解炉。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述洗涤处理是在洗涤塔中进行，所述洗涤塔的底部设有洗涤循环系统，洗涤循环系统中所采用的洗涤循环剂为5-40(wt)％的碳酸钠溶液，从冷凝器出口出来的混合可燃气体中的二氧化碳通过洗涤循环剂吸收，最后通过曝气口排出。

6.一种生物质热裂解制取可燃气的专用装置，包括裂解炉炉体、所述炉体上设有进料口、废料出口以及可燃气体出口，其特征在于所述炉体内设有螺旋式可旋转炉栅，在炉体的顶部设有相应的螺旋式可旋转炉栅控制电机，炉体的下部设有氧气进气口，所述进料口、可燃气体出口设于炉体的上部，所述进料口通过管道与加料机相连通，所述可燃气体出口通过管道依次连接有焦油吸收塔及冷凝器。

7.根据权利要求6所述的专用装置，其特征在于所述裂解炉采用立式裂解炉，在炉体的中部还设有一点火兼观察窗，所述加料机采用螺旋式输送加料机，所述废料出口设于炉体的底部，并横向地安装有螺旋排渣机。

8.根据权利要求6所述的专用装置，其特征在于所述炉体的中部开设有一焦油或可燃气注入口，所述冷凝器的进口端与焦油吸收塔的出口相连接，所述冷凝器的出口端为二个，一个为混合可燃气出口，与洗涤塔相连通，另一个为油水混合物出口，与撇油器的进口相连接，油水混合物经撇油器处理后去除的水由出口排出，分离得到的轻质油与焦油吸收塔处理后得到的焦油从炉体的焦油或可燃气注入口重新进入炉体燃烧裂解。

9.根据权利要求8所述的专用装置，其特征在于所述洗涤塔的底部设有一洗涤循环系统，混合可燃气中的二氧化碳经处理后由洗涤循环系统的曝气口排出，经洗涤得到的清洁高热量值的可燃气从洗涤塔的顶部出口排出，并经压缩后进入贮气罐。

10.根据权利要求6所述的专用装置，其特征在于所述螺旋式可旋转炉栅采用耐高温抗氧化的镍基合金制造，所述炉体为双层结构，夹层填充保温材料，所述炉体内设置有若干温度测量传感器，温度测量传感器的输出连接到计算机的采样端，而计算机的控制输出端连接到螺旋式输送加料机与螺旋式可旋转炉栅控制电机。