CN103649280A - 用于燃料颗粒生产的材料的焙烧和部分热解 - Google Patents

用于燃料颗粒生产的材料的焙烧和部分热解 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于制备燃料颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：a)在250℃到500℃范围内的温度下对原料(如生物质材料)进行焙烧和部分热解步骤，藉此获得固体炭和挥发性馏分，所述挥发性馏分包含焦油馏分；b)至少部分地冷凝挥发性馏分以获得富含焦油的馏分，其中富含焦油的馏分被冷凝到固体炭上；以及对结合后的固体炭/富含焦油的馏分进行造粒，从而获得所述燃料颗粒。还公开了新型的燃料颗粒。

Description

用于燃料颗粒生产的材料的焙烧和部分热解
技术领域
本发明涉及基于各种原料源(如生物质或废弃物)的燃料颗粒(fuel pellets)生产领域。
发明背景
Bergman和Kiel在“Torrefaction for Biomass Upgrading”(第14届欧洲生物质能会议和展览会，2005年10月17日至21日)中公开了生物质焙烧、挥发物分离以及焙烧生物质冷却的方法。其表明可以对焙烧生物质可以进行破碎(size reduction)和造粒。
Bergman等人在“Torrefaction for biomass co-firing in existing coal-firedpower stations–“Biocoal””(ECN-C—05-013，荷兰能源研究中心(ECN)，2005)中公开了在约280℃的温度下进行生物质焙烧的方法，其中将焙烧生物质冷却，使焙烧气体燃烧并用于干燥生物质以及用作焙烧过程中的热量补充。
Bergman在“Combined torrefaction and pelletisation–The TOP process”(ECN-C—05-073，荷兰能源研究中心(ECN)，2005)中公开了在250-300℃的温度下进行生物质焙烧随后进行造粒的方法。
在Gilbert等人的“Effect of process parameters on pelletisation of herbaceouscrops”(Fuel88(2009)，1491-1497)中报道了关于在各种条件下造粒的研究。得出的结论是草的焙烧不是一个有吸引力的预处理，因为颗粒很脆，具有极小的机械强度和降低的堆积密度。文献中提到，重质热解油具有用作可以显著提高颗粒的强度和耐用度的粘合材料的可能性。
WO2010/129988A1公开了用于制备燃料颗粒的方法，其中，在250-500℃范围内的温度下对原料进行焙烧和/或部分热解，从而获得固体炭和挥发性馏分。挥发性馏分用于加热混合容器。冷凝焦油随后可以与固体炭相结合。
EP2,287,278A2公开了生物质的焙烧，藉此将固体馏分引导至冷却器。旋转阀确保使得挥发物不进入冷却器，而是被供给到燃烧单元。
US2009/007484A1公开了用于将生物质进料转化为可重复使用的碳质和烃产物的装置和方法。可以将生物质焙烧并使挥发性馏分在一个或一系列冷凝器中发生冷凝。可以对固体材料进行造粒。
发明内容
本文中，炭被定义为已暴露于最低200℃的温度且具有高有机馏分的生物质或废弃物。
本发明提供了一种用于提供基于生物质或废弃物的燃料颗粒的方法(过程)，所述燃料颗粒可以被优化用于电厂锅炉(炉排、流化床或悬浮燃烧)、区域供热锅炉、小颗粒炉灶、工业过程加热炉、窑炉和锅炉、小型加热装置以及烧烤架。该颗粒可以用作全球交易产品。可以包括用于控制颗粒热值密度、颗粒研磨性质、颗粒粒径和颗粒灰分性质的工艺步骤。从终端用户的角度来看，下列颗粒性质是有吸引力的，即i)热值密度高，用以减少运输成本；ii)颗粒的颗粒稳定性和疏水性高，这些性质使处理简单，减少灰尘问题，从而减少自燃的风险并提供户外储存甚至在潮湿气候条件下储存的选择；iii)易于在研磨机(如磨煤机)中研磨颗粒以获得小粒径的选择；以及iv)可接受的颗粒灰分性质，使灰分沉积、腐蚀和烟道气净化设备干扰最小化并使残余产物的利用成为可能。
因此，本发明提供了一种用于制备燃料颗粒的方法，所述方法包括下述步骤：
a)在250℃到500℃范围内的温度下对原料(如生物质材料)进行焙烧和部分热解步骤，藉此获得固体炭和挥发性馏分，所述挥发性馏分包含焦油馏分；
b)同时或按顺序i)至少部分地冷凝挥发性馏分以获得富含焦油的馏分，其中富含焦油的馏分被冷凝到固体炭上，藉此使固体炭与至少一部分的富含焦油的馏分相结合；和
c)对结合后的固体炭/富含焦油的馏分进行造粒，从而获得所述燃料颗粒。
附图简述
图1示出了用于制备燃料颗粒的总体方法。所示方法可以提供具有最佳性质的焙烧颗粒用于不同用途。该方法可以包括如图1所示的几个步骤，且该方法可以通过使用不同数量的处理步骤来实现。全过程可包括焙烧、焙烧材料的破碎、焦油的冷却和冷凝和气体分离、可能的添加添加剂和造粒。所需要的加热(用于图1的过程A)很可能可以通过燃烧逸出气体或由另一能量源来提供。可以通过热金属表面、过热蒸汽、床料(如沙子)、贫氧烟道气或例如陶瓷或金属球或者具有不规则形状的元件的材料将热量传递到原料上。
图2示出了一种可能的用于实施本发明的装置。螺旋单元与造粒机组合起来。原料通过螺旋加料器运送到造粒单元中。在螺旋加料器的第一部分中，原料被加热到预设温度以释放焦油和气体，并获得更具脆性的固体炭。停留时间由螺旋加料器的旋转速度和螺旋单元的尺寸限定。在螺旋的较远的下游，固体炭被冷却且焦油冷凝在(即结合于)固体炭上，同时剩余气体继续前进。最终对焦油和固体炭的组合进行造粒。
图3示出了另一种可能的用于实施本发明的装置。在该情况下，将湿原料在旋转蒸汽干燥器中进行干燥，随后进入回转窑式蒸汽热解单元。将逸出产物冷却至110℃，藉此使焦油冷凝在炭上并将气体和蒸汽引导到冷凝器单元。使离开冷凝单元的气体燃烧，用于为干燥器和热解器提供蒸汽。最后对冷却的炭和焦油进行造粒。
发明详述
如上所述，本发明提供了一种用于制备燃料颗粒的方法，其中对原料进行焙烧和部分热解，并且其中所产生的焦油被冷凝到固体炭上，之后进行造粒。
原料
本发明的方法可以使用多种原料来实施，所述原料如生物质材料或废弃物，包括草本生物质，例如秸秆和谷物；木质生物质，包括硬木和软木；以及基本上所有的具有较大量(>10wt%)的有机馏分的废弃物类型；或者这些原料的任意混合物。优选地，原料具有至少15wt%(例如至少20wt%，如至少40wt%或至少60wt%)的有机物含量。
在本发明的一个优选实施方式中，原料是生物质材料。许多优选的生物质材料具有至少80wt%(例如至少90wt%)的有机物含量。
优选类型的原料包括秸秆、谷物、硬木、软木和干污水污泥。在一些实施方式中，原料是木材(通常灰分含量为0.3-3wt%)、一年生生物质(通常灰分含量为4至10wt%)或者有机废弃物材料，例如废木材或干污水污泥。
优选地，在进行下文步骤a)焙烧和部分热解过程之前，将原料的水含量减少到2-15wt%。可以在第一处理步骤中通过蒸汽干燥、加热、压缩或离心减少水含量。
因此，在方法的一个实施方式中，在步骤a)(见下文)之前进行干燥步骤，在干燥步骤中将原料的水含量减少到小于10wt%。
步骤a)
在可能的干燥之后，方法的第一步骤包括焙烧和部分热解相结合的过程(还参见图1的过程A)。
通过在适当的反应器中在惰性气氛或含小于0.5体积%的O2的气氛下加热原料直至200℃至300℃的温度来实施焙烧过程。气氛通常由逸出的挥发物、N2、CO2、蒸汽或贫氧烟道气组成。原料在反应器中在焙烧温度下的停留时间通常为0.5秒至2小时之间。
通常情况下，焙烧后获得的固体炭产物的收率为50-90wt%，含70-90%的原料热值。残余产物是富含CO、CO2和水并伴有少量H2和一些轻质烃以及可能的少量焦油的挥发性馏分(气体)。
在较高温度(即300℃至500℃)下，过程被定义为部分热解过程。原料在反应器中在部分热解温度下的停留时间通常为0.5秒至1小时。
取决于工艺条件(温度、加热速率、停留时间)，经部分热解之后的固体炭产物的收率通常为15至85wt%。逸出的挥发物(即挥发性馏分)含有气体和富含含氧烃的可冷凝焦油馏分。取决于操作条件，焦油收率可以在原料的2-65wt%范围内。
应当理解，焙烧和部分热解之间的界线有点理论化，因为发现，从约250℃起的焙烧过程的挥发物馏分已可以包含焦油。
本发明将焙烧和部分热解结合起来以获得适当量的焦油。因此，最佳焙烧/热解反应器的操作温度是这两个目标的折衷。温度应足够高以获得足够的焦油收率从而获得足够高品质的颗粒。而且炭收率应尽可能高，以将最大化的原料能含量转移到燃料颗粒。一般地说，随着反应器温度的增加，炭收率降低而焦油收率增加。但限定对于所有类型的原料都广泛适用的最佳反应温度是不可能的。然而，以前进行的研究表明，最佳温度可以在250至500℃的范围内。实际的最佳反应器温度则取决于所应用的原料和反应器类型。
然而，在一些优选的实施方式中，焙烧和部分热解涉及原料所经受的最高温度在250℃至500℃，例如260℃至490℃，如270℃至480℃，或280℃至475℃，或290℃至470℃，或300℃至460℃，优选310℃至450℃，或320℃至450℃，或330℃至450℃，或340℃至450℃，或350℃至450℃的范围内。在其它实施方式中，原料所经受的温度在250℃至400℃，例如260℃至390℃，如270℃至380℃，或280℃至360℃，或290℃至350℃的范围内。
相结合的焙烧和部分热解进行的总时间通常为2秒至2小时，例如10秒至90分钟，例如4分钟至90分钟或6分钟至70分钟，如8分钟至50分钟。
用于控制所得颗粒的质量的一种可能方法可以是使用测定挥发性馏分中可冷凝产物的量的仪器。该仪器可通过将挥发性馏分冷却到如110℃来测定冷凝材料的量。
焙烧过程和部分热解过程可以作为独立的过程在相同或不同的反应器中运行。然而，优选地，依次(例如通过使用温度梯度)运行这些过程。可以采用并流流动条件(如图1所示)来实施这些过程。
因此，在一些实施方式中，原料加热最长至2小时。在该实施方式中，在焙烧和部分热解完成时出口温度通常是在300℃至450℃的范围内。
需要热源来促进焙烧和部分热解过程。可以通过经由金属壁的热传递；通过中间热载体，例如沙子、陶瓷、混凝土或金属球、蒸汽、CO2；或通过几近无氧的烟道气来提供热量。可以通过使用处理步骤a)中形成的气体、通过使用来自其他过程的热量或通过使用独立的燃料供给来产生热量。
为了获得更均匀的具有减小粒径的炭馏分，可以对炭进行可能的破碎(见图1中的过程B)。这可以作为一个单独的处理步骤或与焙烧和/或部分热解过程合为一体。
来自步骤a)的输出流(见图1的过程A(和过程B))是固体炭和挥发性馏分(出口温度下的挥发性组分)。挥发性馏分包含气体、水和焦油。本文中，“气体”被定义为在25℃和1atm下仍处于气相的挥发物馏分。
挥发性馏分中的一种受关注的馏分是焦油馏分，这将结合下文步骤b)进行进一步讨论。
焙烧/热解过程(可能还包括之后的冷凝步骤，参见步骤b))可以通过使用各种不同的反应器来实施，提供一些实例：
-单个或多个螺旋反应器。在图2中示出一个实例。过程热量可通过外部加热螺旋通道壁、通过加热螺旋件或通过注入过热蒸汽来提供。
-球磨机或回转窑式反应器。可以同时研磨和加热原料。用于该过程的热量可以通过外部加热、蒸汽、金属或陶瓷球的加热；通过其它载热材料或通过注入亚化学计量的热烟道气来提供。图3示出了一个可能的用于生产焙烧颗粒的工厂的实例。原料干燥和焙烧/热解两种单元都基于回转窑技术。
-流化床反应器、鼓泡床或循环流化反应器。可以通过在单独的次级床中燃烧来提供热量，随后将热固体与原料在主床中混合。
-固定或移动床反应器。燃料暴露于对向流动的热烟道气。出口气体被冷却，藉此提供焦油。将炭从反应器的底部取出。在造粒前将炭和焦油混合。热烟道气通过燃烧一部分逸出气体和炭来提供。
步骤b)
对来自步骤a)的挥发性馏分和炭进行的步骤b)的基本特征(见图1的过程C))为部分地冷凝挥发性馏分，从而获得焦油和固体炭的混合物。这可以作为全部产物流(即固体炭和挥发性馏分)的冷却而实现。这种方式下，焦油会冷凝在反应器中也存在固体炭的部分，藉此使焦油被有效地冷凝到固体炭上。
当从步骤a)的出口温度(即焙烧/部分热解温度(例如约350℃))冷却到20-150℃(例如50-150℃)的温度时，富含焦油的馏分通常会发生冷凝。
当冷却至低于100℃的温度(即低于水的露点(drew point)温度时)，水可发生冷凝。在一些实施方式中，期望使水与富含焦油的馏分一起变成冷凝的，这是因为水的存在有利于颗粒的形成(步骤c)。
因此，在一个实施方式中，通过将挥发性馏分从步骤a)的出口温度冷却到约100℃的温度(如，在50℃至150℃的范围内)来进行冷却。
步骤b)的另一特征是将富含焦油的馏分(可能包括水)与固体炭结合起来。已经发现，固体炭和富含焦油的馏分的组合为造粒以及最终的燃料颗粒性质带来益处。
通过控制来自步骤a)的全部产物流(即固体炭和挥发性馏分)的冷却温度，可以获得可控的固体炭和富含焦油的馏分(可能包括水)的混合物。因此，通过在一个步骤中冷却所有产物，焦油和水可有效地与炭混合。
因此，在一个优选的实施方式中，同时冷却固体炭和挥发性馏分，藉此使固体炭与至少一部分的富含焦油的馏分相结合。这如图2所示。
因此，在另一个实施方式中，通过将固体炭和挥发性馏分从步骤a)的出口温度冷却到约100℃的温度(如，在50℃至150℃的范围内)，同时使冷凝的富含焦油的馏分变成与固体炭混合来进行冷却。
在一些实施方式中，可以使任何来自其中富含焦油的馏分被冷凝的挥发性馏分的气体燃烧从而为原料的任何干燥或者为焙烧和部分热解过程提供能量。因此，逸出的气体可用于提供用于如处理步骤a)的热量。
冷却步骤可以根据温度用于功或热的产生，如通过与适当的水或蒸汽循环进行热交换。
对于某些类型的原料(通常为富含碱的原料)和对于燃料颗粒的某些应用，将添加剂(见图1的过程D)与固体炭(和焦油)结合起来可以是有利的，其在燃烧过程中可以结合碱金属或其他物质使它们的有害性减小。
因此，在一些实施方式中，出于为不同的燃烧和气化单元制备最佳颗粒的目的，在造粒之前，通过加入添加剂配制颗粒(见图1中的过程D)是有利的。所述添加剂可以是粘土材料、石灰石、漂白土、污水污泥或其它废弃产物。通常可以使用含有多于5wt%的一种或几种下述元素的材料：S、P、Al、Si和Ca。提供添加剂以改变颗粒的性质，如以使颗粒燃烧过程中的灰分沉积和腐蚀问题最小化。也可加入促进/催化焦油固化过程的添加剂。
颗粒配制的实例可以包括：
A.防止在小型颗粒炉灶底部结渣。在颗粒炉灶的底部常常会出现底部灰分熔融，从而干扰燃料供给。添加含钙物质可以增加所产生的底部灰分的熔融温度。添加石灰石以在燃料颗粒中获得大于2的Ca/K摩尔比，往往足以防止底部灰分结渣。
B.当在大型粉末燃烧电厂锅炉中使用基于生物质的颗粒时，可以观察到严重的沉积物在过热器上形成的问题。这会导致沉积物积累和过热器管腐蚀的问题。添加足够量的富含Si和Al的矿物质可以缓解这些问题。获得具有大于2.5的(Si+Al)/(K+Na)摩尔比的燃料颗粒可显著减少问题。
任何添加剂可以在固体炭与富含焦油的馏分结合之前、期间或之后与固体炭相结合。在一些实施方式中，添加剂甚至可以与原料一起供给。
步骤c)
在方法的步骤c)(见图1的过程E)中，对与富含焦油的馏分(可能包括水)相结合的固体炭(优选在研磨后以颗粒形式)以及任何添加剂(见步骤b)的组合进行造粒。
保持材料在造粒过程中处于50℃至100℃范围内的温度下可以增加颗粒的稳定性和硬度。
可以使用常规设备(如Andritz sprount制粒机)，使用常规条件进行造粒。
为了硬化颗粒，造粒后可以进行固化步骤，例如通过使焦油固化。
优选地，方法的步骤a)和步骤b)作为连续的过程运行。在一些受关注的实施方式中，方法的步骤a)、步骤b)和步骤c)作为连续的过程运行。
具体实施方式
在一个实施方式中，本发明涉及一种用于制备燃料颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过在反应器中加热生物质材料，在250℃-400℃(如300-350℃)范围内的温度下对选自木材的生物质材料进行焙烧和部分热解步骤，藉此获得固体炭和挥发性馏分，所述挥发性馏分包含焦油馏分；
b)将固体炭和挥发性馏分从步骤a)的出口温度冷却至20℃-150℃(如50-150℃)范围内的温度，同时使冷凝的富含焦油的馏分和任何水与固体炭相结合；和
c)对结合后的固体炭/富含焦油的馏分进行造粒，从而获得所述燃料颗粒。
有利的是，产物在进行储存和运输时具有高稳定性，并且颗粒可作为燃料用于煤粉燃烧电厂锅炉。
颗粒
对于足够高颗粒质量的基本要求是颗粒是疏水性的并且在运输过程不能明显碎裂。因此，颗粒还应具有适当的机械强度，如被定义为其拉伸强度。可以使用张力计测量颗粒在径向方向上的压缩来测量拉伸强度，参考由da RochaSSHF在“Mechanical evaluation for the quality control of biomass pellets andbriquettes(在第二届世界颗粒大会的会议录中，
Figure BDA0000433774540000091
，瑞典；2006，183-187)中描述的方法。
可用的颗粒优选具有至少100kPa(例如至少200kPa，如至少300kPa)的拉伸强度。非常有吸引力的颗粒是那些具有至少400kPa(例如至少500kPa、或至少600kPa、或至少700kPa)的拉伸强度的颗粒。
因此，认为通过上述方法得到的颗粒就其本身而言是新颖的。因此，本发明还提供了一种燃料颗粒，其包含固体炭、焦油和任选的一种或多种添加剂，所述固体炭和所述焦油通过在250℃-500℃的温度下对原料进行焙烧和部分热解而获得。优选地，所述颗粒具有至少100kPa的拉伸强度。
根据本发明制备的颗粒可以采用低能耗进行研磨，从而在悬浮燃烧锅炉中使用最佳。此外，颗粒可以在世界上的潮湿地区(如在斯堪纳维亚国家)的户外条件下储存。
颗粒的用途
根据本发明制备的颗粒可以供应至国内或国际市场，其最终用于：电厂锅炉(炉排、流体或悬浮燃烧)、区域供热锅炉、小颗粒炉灶、工业过程加热炉、窑炉和锅炉、小规模加热装置以及烧烤架。

Claims (6)

1.一种用于制备燃料颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
a.在250℃至500℃范围内的温度下对原料进行焙烧和部分热解步骤，从而获得固体炭和挥发性馏分，所述挥发性馏分包含焦油馏分；
b.至少部分地冷凝挥发性馏分以获得富含焦油的馏分，其中富含焦油的馏分被冷凝到固体炭上，从而使固体炭与至少一部分的富含焦油的馏分相结合；和
c.对结合后的固体炭/富含焦油的馏分进行造粒，从而获得所述燃料颗粒。
2.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中步骤b)中的挥发性馏分的冷凝在50℃至150℃范围内的温度下进行。
3.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中方法进一步包括固体炭的破碎，其中破碎作为步骤a)的一部分和/或紧随步骤a)之后进行。
4.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中在步骤c)中将量至多为固体炭重量的0-15wt%的水与固体炭相结合。
5.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中在颗粒中提供添加剂以改变颗粒的性质。
6.一种燃料颗粒，其包含固体炭、焦油以及任选的一种或多种添加剂，所述固体炭和焦油通过在250℃至500℃的温度下对原料进行焙烧和部分热解而获得，其中所述颗粒具有至少100kPa的拉伸强度。
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