CN103788971A

CN103788971A - 一种辊压式生物质热解多联产的装置与方法

Info

Publication number: CN103788971A
Application number: CN201410019206.9A
Authority: CN
Inventors: 董长青; 冉泽朋; 陆强; 叶小宁
Original assignee: SUZHOU RESEARCH INSTITUTE NORTH CHINA ELECTRIC POWER UNIVERSITY; North China Electric Power University
Current assignee: SUZHOU RESEARCH INSTITUTE NORTH CHINA ELECTRIC POWER UNIVERSITY; North China Electric Power University
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: CN103788971B

Abstract

本发明属于生物质能利用技术领域，具体涉及一种辊压式生物质热解多联产的装置与方法。该装置包括料斗、进料系统、干燥系统、辊压式热解反应器、气固分离系统、热解气冷凝系统、可燃气燃烧系统、固体焦炭收集箱、液体收集箱和可燃气储罐；其中辊压式热解反应器由承托带、传动辊、驱动系统、密封反应室、高温烟气换热盘管和多级传热压辊组成。生物质原料经干燥后进入辊压式热解反应器，物料在承托带上运行，经历多级传热压辊的强制辊压，迅速热解；而热解产物之一的部分可燃气经燃烧得到高温烟气，用于加热辊表面，提供生物质热解所需的热量。本装置采用多级传热压辊，实现对生物质原料的强制辊压与传热，使生物质迅速热解，实现自热式的热解过程。

Description

一种辊压式生物质热解多联产的装置与方法

技术领域

本发明属于生物质能利用技术领域，具体涉及一种辊压式生物质热解多联产的装置与方法。

背景技术

热解是一种重要的生物质利用技术。生物质在无氧条件下进行热解时，所形成的固液气三相热解产物，具有较高的品位以及应用价值，因此该研究获得了国内外众多科研单位的广泛关注，而其中的核心技术在于反应器的研制。

生物质在无氧条件下热解是一个吸热过程，需要源源不断向反应内提供热量；然而，生物质又是一种热的不良导体，难以迅速受热升温。因此，适用于无氧条件下生物质热解的反应器，其研制关键在于：（1）能够使生物质热解所需的热量进入反应器内部；（2）能够使生物质吸收足够的热量并完成热解反应。常规的生物质热解反应器，考虑到生物质极差的导热性，为使生物质原料能够充分热解，一般采用以下两种设计方法之一：（1）延长生物质在热解反应器内的停留时间，使热量能够充分传递到生物质颗粒的内部，从而实现生物质的充分热解；（2）采用极细的生物质颗粒，使生物质颗粒在短时间内就能够充分受热分解。总的来说，上述两项设计原则，要么会降低反应器的处理效率（延长热解反应时间），要么会增加原料的预处理成本（采用极细的生物质颗粒）。如果要同时解决上述两项技术问题，必须对反应器的结构进行大幅改进，可谓是一项革命性的工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种辊压式生物质热解多联产的装置与方法。

根据本发明的一方面，提供了一种辊压式生物质热解多联产的装置，该装置包括：

料斗、进料系统、干燥系统、辊压式热解反应器、气固分离系统、热解气冷凝系统、可燃气燃烧系统、固体焦炭收集箱、液体收集箱、可燃气储罐；所述辊压式热解反应器包括承托带、传动辊、驱动系统、密封反应室、高温烟气换热盘管和多级传热压辊，所述的多级传热压辊沿承托带方向成对布置，压辊运转水平切向与原料传输方向相同，最前面为一级传热压辊I，向后依次为二级传热压辊II，······，末级传热压辊N，其中，N为大于等于1的整数；例如，传热压辊N为I级、II级、III级或者X级甚至XX级。

其中，料斗的出口与进料系统的入口相连，进料系统的出口与干燥系统入口相连，干燥系统的出口与辊压式热解反应器的上方进料口相连；辊压式热解反应器侧上方出口与气固分离系统的进口相连，下方出料口与固体焦炭收集箱入口相连；气固分离系统的出风口与热解气冷凝系统的进口相连；热解气冷凝系统的液相出口与液体收集箱的入口相连，气相出口分为两路，一路与可燃气燃烧系统的入口相连，另一路与可燃气储罐入口相连。可燃气燃烧系统的出口与辊压式热解反应器的多级传热压辊中的高温烟气换热盘管的入口相连；多级传热压辊的高温烟气换热盘管的出口与干燥系统的烟气入口相连；多级传热压辊与置于密封反应室之外的驱动系统相连；每级传热压辊结构相同，均为中空装置，内部布置高温烟气换热盘管；所述承托带呈环形布置，两端设置防护栏；承托带的两端各有一个传动轴，其中一个为主动轴，另一个为从动轴；从动轴完全置于密封反应室内，主动轴则与置于密封反应室之外的驱动系统相连。

优选地，进料系统为螺旋进料器或带式输送机。

优选地，气固分离系统为旋风分离器或布袋除尘器或重力沉降室中的至少一种。

优选地，热解气冷凝系统为喷雾冷凝系统、降膜冷凝系统或喷雾与降膜复合冷凝系统。

优选地，所述干燥系统为流化床干燥系统或蓄热式干燥系统。

优选地，多级传热压辊中每对压辊之间的间隙在0.1mm-5cm之间可调；例如每对压辊之间的间隙可以为0.5mm或者1cm。

根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述装置实现辊压式生物质热解多联产的方法，包括以下步骤：

生物质原料经由料斗和进料系统进入干燥系统，由来自高温烟气换热盘管出口的次热烟气进行干燥，而后进入辊压式热解反应器内的承托带表面，物料在承托带表面的运行过程中，依次经历多级传热压辊，在高温压辊的强制辊压下，迅速受热发生热解，生成的固体焦炭在承托带的末端，落入固体焦炭收集箱中；部分固体焦炭连同热解气相产物进入气固分离系统，去除其中的固体焦炭颗粒，气相产物进入热解气冷凝系统，经冷凝后得到液体产物进入液体收集箱，不可冷凝的可燃气从出口流出后分为两路，第一路进入可燃气燃烧系统，第二路进入可燃气储罐；经可燃气燃烧系统产生的高温烟气进入高温烟气换热盘管，用于加热辊表面，进而提供生物质热解所需的热量；从高温烟气换热盘管出口的次热烟气进入干燥系统，提供生物质干燥所需的热量。

优选地，生物质原料包括木质纤维素类生物质。

优选地，辊压式热解反应器中的反应温度为300-600℃，固相滞留时间为1-20min。

优选地，辊压式热解反应器中的承托带的运行速度为1-10m/min。

本发明的有益效果为：

本发明所述的辊压式生物质热解多联产装置，其核心为辊压式热解反应器，生物质原料在该反应器中通过承托带实现传动，并通过多级高温的传热压辊对物料进行强制辊压与传热，从而实现生物质原料的快速受热分解，其优点主要包括：（1）传热速率高、热解速度快，通过高温压辊对生物质原料的强制辊压，极大的增加了高温辊面与生物质原料之间的接触面积，从而实现高温辊面与生物质原料之间完全充分的接触，完成强制传热，使生物质迅速受热分解；（2）原料适应性广，由于强制辊压可大幅提高热解反应速率，所以对原料几何特性的适应性广，无论粉碎与否的生物质原料，均可直接送入热解反应器进行强制辊压热解；（3）热解反应条件调控方便，通过控制承托带的传动速度、高温烟气的燃烧温度和流量等条件，可以方便地调整热解反应温度、反应时间等参数，从而根据不同的物料，调控不同的热解反应，实现高效热解转化；（4）无需使用载气，生物质原料通过承托带进行传动，反应器内无需使用载气，从而可以使反应器结构更为紧凑，同时也避免了载气升温与冷凝过程所导致的能量损失；（5）自热式热解过程，以生物质热解生成的可燃气燃烧为热源，提供生物质热解所需的热量，从而实现自热式的热解多联产过程。

附图说明

图1——本发明的生物质热解多联产的装置示意图。

图2——本发明的辊压式热解反应器的结构示意图。

图中标号：

1-料斗；2-进料系统；3-干燥系统；4-辊压式热解反应器；5-气固分离系统；6-热解气冷凝系统；7可燃气燃烧供热系统；8-固体焦炭收集箱；9-液体收集箱；10-可燃气储罐。

41-承托带；42-传动辊；43-驱动系统；44-密封反应室；45-高温烟气换热盘管；46-多级传热压辊。

I-一级传热压辊；II-二级传热压辊；N-末级传热压辊。

具体实施方式

本发明提供了一种辊压式生物质热解多联产的装置与方法，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。各实施例中的装置结构大致相同，如图1和2所示。

实施例1

在实施例1中的辊压式生物质热解多联产装置中，N为III。

料斗1的出口与螺旋进料系统2的入口相连，螺旋进料系统2的出口与流化床干燥系统3入口相连，流化床干燥系统3的出口与辊压式热解反应器4的上方进料口相连；辊压式热解反应器4侧上方出口与旋风分离系统5的进口相连，下方出料口与固体焦炭收集箱8入口相连；旋风分离系统5的出风口与喷雾与降膜冷凝系统6的进口相连；喷雾与降膜冷凝系统6的液相出口与液体收集箱9的入口相连，气相出口分为两路，一路与可燃气燃烧系统7的入口相连，另一路与可燃气储罐10入口相连。可燃气燃烧系统7的出口与辊压式热解反应器4的多级传热压辊46中的高温烟气换热盘管45的入口相连；多级传热压辊46的高温烟气换热盘管45的出口与流化床干燥系统3的烟气入口相连。

如图2所示，所述辊压式热解反应器4包括承托带41、传动辊42、驱动系统43、密封反应室44、高温烟气换热盘管45和多级传热压辊46包括I、II、III级传热压辊，所述I、II、III级传热压辊沿承托带41方向成对布置，压辊运转水平切向与原料传输方向相同，与置于密封反应室44之外的驱动系统43相连。每级传热压辊结构相同，均为中空装置，内部布置高温烟气换热盘管45，用于加热辊表面，进而提供生物质热解所需的热量。

所述承托带41呈环形布置，两端设置有防护栏，用于防止物料滑落，且由耐热耐腐蚀材料制成；承托带41的两端各有一个传动轴，其中一个为主动轴，另一个为从动轴，以实现承托带41的传动；从动轴完全置于密封反应室44内，主动轴则与置于密封反应室44之外的驱动系统43相连。

将水分含量为15%的玉米秆，破碎至平均粒径为3mm，经料斗1和螺旋进料系统2送入流化床干燥系统3，进料量为400kg/h；经干燥后水分含量降至8%，而后进入辊压式热解反应器4；辊压式热解反应器4中承托带41的长度（传送长度）为5m、宽度为1.2m，运行速度为4m/min（固相滞留时间为1.25min），每级对辊之间的间隙为5mm；进入辊压式热解反应器4内的烟气温度为700℃，热解反应温度为460℃；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物，各自的产率为105kg/h、180kg/h和85kg/h。

实施例2

利用实施例1中所述的装置实现生物质热解多联产。

将水分含量为16%的稻秆，破碎至平均粒径为3mm，经料斗1和螺旋进料系统2送入流化床干燥系统3，进料量为300kg/h；经干燥后水分含量降至8%，而后进入辊压式热解反应器4；辊压式热解反应器4中承托带41的长度（传送长度）为5m、宽度为1.2m，运行速度为2.5m/min（固相滞留时间为2min），每级对辊之间的间隙为4mm；进入辊压式热解反应器4内的烟气温度为600℃，热解反应温度为400℃；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物，各自的产率为88kg/h、128kg/h和58kg/h。

实施例3

利用与实施例1中基本相同的装置实现生物质热解多联产，仅将螺旋进料系统改为带式输送机，流化床干燥系统改为蓄热式干燥系统。

将水分含量为15%的自然玉米秆，剪至平均长度为20cm，经料斗1和带式输送机2送入蓄热式干燥系统3，进料量为300kg/h；经干燥后水分含量降至9%，而后进入辊压式热解反应器4；辊压式热解反应器4中承托带41的长度（传送长度）为5m、宽度为1.2m，运行速度为3m/min（固相滞留时间为1.67min），每级对辊之间的间隙为5.5mm；进入辊压式热解反应器4内的烟气温度为650℃，热解反应温度为430℃；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物，各自的产率为84kg/h、135kg/h和61kg/h。

实施例4

利用与实施例1中基本相同的装置实现生物质热解多联产，仅将III级传热压辊改为II级传热压辊。

将水分含量为15%的玉米秆，破碎至平均粒径为3mm，经料斗1和螺旋进料系统2送入流化床干燥系统3，进料量为300kg/h；经干燥后水分含量降至7%，而后进入辊压式热解反应器4；辊压式热解反应器4中承托带41的长度（传送长度）为5m、宽度为1.2m，运行速度为3m/min（固相滞留时间为1.67min），每级对辊之间的间隙为4.5mm；进入辊压式热解反应器4内的烟气温度为700℃，热解反应温度为480℃；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物，各自的产率为74kg/h、134kg/h和66kg/h。

实施例5

利用与实施例3中基本相同的装置实现生物质热解多联产，仅将III级传热压辊改为II级传热压辊。

将水分含量为15%的自然玉米秆，剪至平均长度为20cm，经料斗1和带式输送机2送入蓄热式干燥系统3，进料量为300kg/h；经干燥后水分含量降至9%，而后进入辊压式热解反应器4；辊压式热解反应器4中承托带41的长度（传送长度）为5m、宽度为1.2m，运行速度为2m/min（固相滞留时间为2.50min），每级对辊之间的间隙为5mm；进入辊压式热解反应器4内的烟气温度为680℃，热解反应温度为460℃；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物，各自的产率为81kg/h、136kg/h和63kg/h。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims

1.一种辊压式生物质热解多联产装置，包括料斗（1）、进料系统（2）、干燥系统（3）、辊压式热解反应器（4）、气固分离系统（5）、热解气冷凝系统（6）、可燃气燃烧系统（7）、固体焦炭收集箱（8）、液体收集箱（9）、可燃气储罐（10）；所述辊压式热解反应器（4）包括承托带（41）、传动辊（42）、驱动系统（43）、密封反应室（44）、高温烟气换热盘管（45）和多级传热压辊（46），所述的多级传热压辊（46）沿承托带（41）方向成对布置，压辊运转水平切向与原料传输方向相同，最前面为一级传热压辊（I），向后依次为二级传热压辊（II），······，末级传热压辊（N），其中，N为大于等于1的整数；

其中料斗（1）的出口与进料系统（2）的入口相连，进料系统（2）的出口与干燥系统（3）入口相连，干燥系统（3）的出口与辊压式热解反应器（4）的上方进料口相连；辊压式热解反应器（4）侧上方出口与气固分离系统（5）的进口相连，下方出料口与固体焦炭收集箱（8）入口相连；气固分离系统（5）的出风口与热解气冷凝系统（6）的进口相连；热解气冷凝系统（6）的液相出口与液体收集箱（9）的入口相连，气相出口分为两路，一路与可燃气燃烧系统（7）的入口相连，另一路与可燃气储罐（10）入口相连。可燃气燃烧系统（7）的出口与辊压式热解反应器（4）的多级传热压辊（46）中的高温烟气换热盘管（45）的入口相连；多级传热压辊的高温烟气换热盘管（45）的出口与干燥系统（3）的烟气入口相连；多级传热压辊（46）与置于密封反应室（44）之外的驱动系统（43）相连；每级传热压辊结构相同，均为中空装置，内部布置高温烟气换热盘管（45）；所述承托带（41）呈环形布置，两端设置防护栏；承托带（41）的两端各有一个传动轴，其中一个为主动轴，另一个为从动轴；从动轴完全置于密封反应室（44）内，主动轴则与置于密封反应室（44）之外的驱动系统（43）相连。

2.根据权利要求1所述的辊压式生物质热解多联产装置，其特征在于：所述进料系统（2）为螺旋进料器或带式输送机。

3.根据权利要求1所述的辊压式生物质热解多联产装置，其特征在于：所述气固分离系统（5）为旋风分离器或布袋除尘器或重力沉降室中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的辊压式生物质热解多联产装置，其特征在于：所述热解气冷凝系统（6）为喷雾冷凝系统、降膜冷凝系统或喷雾与降膜复合冷凝系统。

5.根据权利要求1所述的辊压式生物质热解多联产装置，其特征在于：所述干燥系统（3）为流化床干燥系统或蓄热式干燥系统。

6.根据权利要求1所述的辊压式生物质热解多联产装置，其特征在于：所述多级传热压辊（46）中每对压辊之间的间隙在0.1mm-5cm之间可调。

7.一种基于权利要求1-6任一所述装置的生物质热解多联产方法，包括以下步骤：

生物质原料经由料斗（1）和进料系统（2）进入干燥系统（3），由来自高温烟气换热盘管（45）出口的次热烟气进行干燥，而后进入辊压式热解反应器（4）内的承托带（41）表面，物料在承托带（41）表面的运行过程中，依次经历多级传热压辊（46），在高温压辊的强制辊压下，迅速受热发生热解，生成的固体焦炭在承托带（41）的末端，落入固体焦炭收集箱（8）中；部分固体焦炭连同热解气相产物进入气固分离系统（5），去除其中的固体焦炭颗粒，气相产物进入热解气冷凝系统（6），经冷凝后得到液体产物进入液体收集箱（9），不可冷凝的可燃气从出口流出后分为两路，第一路进入可燃气燃烧系统（7），第二路进入可燃气储罐（10）；经可燃气燃烧系统（7）产生的高温烟气进入高温烟气换热盘管（45），用于加热辊表面，进而提供生物质热解所需的热量；从高温烟气换热盘管（45）出口的次热烟气进入干燥系统，提供生物质干燥所需的热量。

8.根据权利要求7所述的生物质热解多联产方法，其特征在于：所述生物质原料包括木质纤维素类生物质。

9.根据权利要求7所述的生物质热解多联产方法，其特征在于：所述辊压式热解反应器（4）中的反应温度为300-600℃，固相滞留时间为1-20min。

10.根据权利要求7所述的生物质热解多联产方法，其特征在于：所述辊压式热解反应器（4）中的承托带（41）的运行速度为1-10m/min。