CN104017597A - 一种生物质催化热解系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质循环流化床催化热解系统及方法。系统包括循环流化床反应器、旋风分离器、冷凝器、空气燃烧器；循环流化床反应器顶部连接旋风分离器，旋风分离器下出口连接空气燃烧器，空气燃烧器底部设置空气进口，空气燃烧器下部连接循环流化床反应器的催化剂进口；旋风分离器上出口连接冷凝器；冷凝器底部出口分为三支，一支连接循环流化床反应器下部，一支连接空气燃烧器，一支连接后续单元。本发明通过将气相产物和固相产物循环利用实现了生物质的自热式低能耗制油过程；通过将冷凝器底部的液相一部分作为循环油返回至循环流化床反应器底部的循环油入口，提高了催化剂的利用率和生物油产率。

Description

一种生物质催化热解系统及方法

技术领域

本发明涉及生物质资源能源化利用技术领域，进一步地说，是涉及一种生物质催化热解系统及方法。

背景技术

目前我国的能源供应结构以煤炭、石油和天然气等不可再生能源为主，新能源和可再生能源开发不足，不仅造成环境污染等一系列问题，也严重制约能源的可持续发展。可再生能源是重要的战略替代能源，对增加能源供应、改善能源结构、保障能源安全、保护环境有重要作用，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要战略措施。作为可再生能源重要组成部分的生物质能的开发和利用是近年来替代能源的研究热点。

农林废弃物类生物质资源以秸秆、稻壳、棉花杆等为主，其组分以纤维素、半纤维素和木质素为主，在催化剂的作用下生物质原料通过高温热解过程可得到有机物蒸汽，将其经快速换热装置降温可收集到生物油，生产过程中伴有气体、炭颗粒等副产品生成。生物油不仅可直接用于锅炉燃料或精细化工业原料，经升级改质还可精制成为发动机用燃料、润滑油等高附加值能源产品。

目前生物油生产装置的主反应器主要包括旋转锥反应器、固定床反应器、流化床反应器、等，这些反应器都能完成生物质的产油过程，也都具备了三个基本特点：加热速率快，反应温度适中和气相停留时间短。由于各反应器结构、传热方式以及需要控制的反应参数不同，其产油性能、自身能耗以及对原料粒径的适应性不同。旋转堆反应器对生物质原料的热解过程依靠反应器自身产生的动能转化为热能的形式完成，而反应器自身的动能需要消耗大量化石燃料完成，造成反应过程的能量不平衡，直接提高了生物油的生产成本。固定床反应器用于处理生物质原料时无法完成连续进料过程，故其不具有工业化前景；流化床反应器包括上行式流化床、下行式流化床、鼓泡式流化床，目前这三种反应器均处于工业化开发阶段，这些技术都存在传热介质的积碳失活问题以及工业化放大后反应器热能耗过高的问题，生物质的热解过程需要大量吸热，实验室采用的电加热方法由于成本问题无法应用于大规模生产，通常采用的补充燃料油或燃料气的方法在成本投入上与生物油产品的附加值相比不划算，且需要增加燃油锅炉或燃气锅炉提供热量，设备构成复杂，不利于检修和维护。

发明内容

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种生物质催化热解系统及方法。本发明的工艺流程简单，操作简便，可适用于各种生物质原料。

本发明的目的之一是提供一种生物质催化热解系统，所述系统包括:

循环流化床反应器、旋风分离器、冷凝器、空气燃烧器；

循环流化床反应器下部设有原料进口、流化气进口、循环油进口和催化剂进口；循环流化床反应器顶部连接旋风分离器，旋风分离器下出口连接空气燃烧器，空气燃烧器底部设置空气进口，空气燃烧器下部连接循环流化床反应器的催化剂进口；旋风分离器上出口连接冷凝器；冷凝器出口分为三支，一支连接循环流化床反应器下部，一支连接空气燃烧器，一支连接后续单元。

其中，

所述的循环流化床反应器为上行式流化床反应器；

所述的旋风分离器采用立式圆筒结构，上部进气；

所述的空气燃烧器为分体式燃烧器，包括燃烧系统、给风系统和控制系统；

所述的冷凝器为列管式换热器，冷却介质为循环水。

优选：

冷凝器底部为锥形，锥度为20～50度。可增加液体流速，防止液体在器壁处结焦。

本发明的目的之二是提供一种生物质催化热解方法。

包括:

生物质原料由进料载气输送从循环流化床反应器底部进入，在催化剂的作用下发生快速热解反应，反应产物由流化气输送从顶部排出，进入旋风分离器；

反应产物在旋风分离器中进行气固相分离，固相为催化剂和炭颗粒，从旋风分离器底部排出，进入空气燃烧器；催化剂和炭颗粒在燃烧器中的停留时间为0.9～1.4min，经燃烧后再进入流化床反应器；

旋风分离器的气相产物从旋风分离器侧部排出进入冷凝器，液体产物分为三路，一路作为循环油进入循环流化床反应器，一路连接空气燃烧器提供辅助燃料，一路进入后续单元。

所述的生物质原料为秸秆、稻壳、木屑等农林废弃物中的一种或其混合物；

所述的流化气和进料载气来自于所述冷凝器侧部出口的不可冷凝气体。

所述的循环流化床催化热解反应器的操作压力为0.5～0.8MPa，操作温度500～590℃，操作气速为15～20m/s，反应时间为2～4s；

生物质原料与催化剂质量流量比为1:7～1:10；

循环油与反应进料的质量流量比为0.1:1～0.5:1；

进料载气与流化气的流量比为1:10～1:15。

本发明具体可采用以下技术方案：

系统包括：循环流化床反应器、旋风分离器、冷凝器、空气燃烧器、循环油泵和燃料油泵。循环流化床反应器下部设有原料进口、流化气进口、循环油进口和催化剂进口；循环流化床反应器顶部连接旋风分离器，旋风分离器下出口连接空气燃烧器，上出口连接冷凝器。冷凝器底部出口分为三支，一支连接循环流化床反应器下部，一支连接空气燃烧器，一支与生物油收集设备或分离精制单元连接。

包括：

生物质原料由进料载气输送从所述的循环流化床反应器底部的反应进料口进入，在催化剂的作用下发生快速热解反应，反应产物由流化气输送从顶部反应产物出口排出，进入旋风分离器；反应产物在旋风分离器中进行气固相分离；固相为催化剂和炭颗粒，从旋风分离器底部排出，进入空气燃烧器；燃烧器的作用是除炭，催化剂颗粒经燃烧可以使表面积碳率小于0.1wt％后再进入流化床反应器；气相产物从旋风分离器侧部排出进入冷凝器，在冷凝器中与冷却水换热，得到的液体产物从冷凝器下部排出，分为三路，一路连接循环流化床反应器的循环油入口，一路连接空气燃烧器提供辅助燃料，一路进入生物油收集设备或分离精制单元。不可冷凝气体经冷凝器侧部出口排出作为进料载气和流化气。

本发明和现有技术相比具有明显的技术特点和有益效果。本发明具有以下技术优点：

1、本发明生物质循环流化床催化热解系统和方法可用于处理所有农林废弃物类生物质，如秸秆、稻壳、棉花杆、玉米芯、木屑等，也可处理此类生物质原料的混合物，对原料的适应性强。

2、气相产物经回收可作为反应进料载气和流化气，不需要外供气体。

3、固相产物经燃烧为反应器提高热量，使得本发明在工况稳定的状态下不消耗外供化石燃料提供热量，实现了生物质的自热式制油过程。

4、本发明冷凝器底部的液相一部分作为循环油返回至循环流化床反应器底部的循环油入口，提高了催化剂的利用率和生物油产率。

5、本发明冷凝器底部的液相一部分作为空气燃烧器辅助燃料，使得燃烧器在生产过程稳定后不需消耗外供燃油或燃气。

6、本发明的冷凝器底部设计为锥形，锥度为20～50度，可增加液体流速，防止液体在器壁处结焦。

附图说明

图1为本发明的生物质催化热解系统示意图

附图标记说明：

1—原料，2—进料载气，3—反应进料，4—流化床催化反应器，5—反应产物，6—旋风分离器，7—固相产物，8—空气燃烧器，9—催化剂，10—中间产物，11—冷凝器，12—液体产物，13—气相产物，14—生物油，15—循环油泵，16—循环油，17—空气，18—辅助燃油，19—燃烧放空气，20—流化气，21—燃料油泵。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例

如图1所示，一种生物质循环流化床催化热解系统。

包括：包括循环流化床反应器4、旋风分离器6、冷凝器11、空气燃烧器8和循环油泵15。循环流化床反应器4下部设有原料进口、流化气进口、循环油进口和催化剂进口；循环流化床反应器4顶部连接旋风分离器6，旋风分离器下出口连接空气燃烧器8，空气燃烧器8下部连接循环流化床反应器4的催化剂进口；旋风分离器6上出口连接冷凝器11。冷凝器出口分为三路，一路连接循环流化床反应器4下部，一路连接空气燃烧器8，一路与生物油收集设备连接。

其中：

所述的循环流化床反应器4为上行式流化床反应器。

所述的旋风分离器6采用立式圆筒结构，上部进气。

所述的空气燃烧器8为分体式燃烧器，包括燃烧系统、给风系统和控制系统。

所述的冷凝器11底部设计为锥形，锥度为45度。

冷凝器11底部连接循环流化床反应器4下部循环油进口的管线上设置有循环油泵15。

冷凝器11底部连接空气燃烧器8燃料油进口的管线上设置有燃料油泵21。

将生物质原料如秸秆、稻壳、棉花杆类原料粉碎成颗粒，粒径小于0.8mm；在转筒烘干炉中以90℃烘焙3小时以上，使其含水量低于5wt％。

选用分子筛催化剂作为反应助剂及热载体，粒径要求需满足0.2mm。

经过粉碎烘干后的生物质原料1与进料载气2混合成为反应进料3，从循环流化床4下部进入，反应器的操作压力0.55MPa，操作温度540℃，操作气速18m/s，原料与催化剂质量流量比为1:8，循环油与反应进料的质量流量比为0.15:1，进料载气与流化气的流量比为1:12，反应时间是2.3秒。在以上操作条件下，原料在催化剂的作用下进行裂化、脱氧等反应。反应产物5从循环流化床反应器4顶部离开后进入旋风分离器6，固相产物7从旋风分离器6底部离开后进入空气燃烧器8，固相产物在燃烧器内停留时间为1.1秒。经燃烧除炭及加热后，催化剂颗粒的表面积碳率小于0.1wt％后再进入循环流化床反应器4下部的催化剂入口。中间产物10从旋风分离器6侧部离开后进入冷凝器11，液相产物12从冷凝器下部离开后分出三路，一路经循环油泵15升压作为循环油16，一路经燃料油泵21升压作为辅助燃料油18，一路作为目标产物生物油14进入后续生物哟收集设备或分离精制单元处理。冷凝器11侧部离开的气相产物13的成分为不可冷凝气体，作为进料载气2，流化气20循环使用。

Claims (6)

1.一种生物质催化热解系统，其特征在于所述系统包括:

循环流化床反应器、旋风分离器、冷凝器、空气燃烧器；

循环流化床反应器下部设有原料进口、流化气进口、循环油进口和催化剂进口；循环流化床反应器顶部连接旋风分离器，旋风分离器下出口连接空气燃烧器，空气燃烧器底部设置空气进口，空气燃烧器下部连接循环流化床反应器的催化剂进口；旋风分离器上出口连接冷凝器；冷凝器底部出口分为三支，一支连接循环流化床反应器下部，一支连接空气燃烧器，一支连接后续单元。

2.如权利要求1所述的生物质催化热解系统，其特征在于：

所述的循环流化床反应器为上行式流化床反应器；

所述的旋风分离器采用立式圆筒结构，上部进气；

所述的空气燃烧器为分体式燃烧器，包括燃烧系统、给风系统和控制系统；

所述的冷凝器为列管式换热器，冷却介质为循环水。

3.如权利要求2所述的生物质催化热解系统，其特征在于：

冷凝器底部为锥形，锥度为20～50度。

4.一种采用如权利要求1～3之一所述系统的生物质催化热解方法，其特征在于所述方法包括：

生物质原料由进料载气输送从循环流化床反应器底部进入，在催化剂的作用下发生快速热解反应，反应产物由流化气输送从顶部排出，进入旋风分离器；

反应产物在旋风分离器中进行气固相分离，固相为催化剂和炭颗粒，从旋风分离器底部排出，进入空气燃烧器；催化剂和炭颗粒在燃烧器中的停留时间为0.9～1.4min，经燃烧后再进入流化床反应器；

旋风分离器的气相产物从旋风分离器侧部排出进入冷凝器，冷凝器的液体产物分为三路，一路作为循环油进入循环流化床反应器，一路连接空气燃烧器提供辅助燃料，一路进入后续单元。

5.如权利要求4所述的生物质催化热解方法，其特征在于：

所述的生物质原料为秸秆、稻壳、木屑等农林废弃物中的一种或其混合物；

所述的流化气和进料载气来自于所述冷凝器侧部出口的不可冷凝气体。

6.如权利要求4所述的生物质催化热解方法，其特征在于：

所述的循环流化床催化热解反应器的操作压力为0.5～0.8MPa，操作温度500～590℃，操作气速为15～20m/s，反应时间为2～4s；

生物质原料与催化剂质量流量比为1:7～1:10；

循环油与反应进料的质量流量比为0.1:1～0.5:1；

进料载气与流化气的流量比为1:10～1:15。