CN104099118A - 一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，包括绞龙预热解反应器和回转式扰流热解反应器，其中，绞龙预热解反应器包括预热解反应筒、绞龙和进料管，生物质通过进料管进入预热解反应筒并在绞龙推动下利用通入的粉状外源氮进行预热解并可从预热解反应筒另一端的出料口输出；回转式扰流热解反应器包括热解反应筒、可相对转动的扰流转子以及气态外源氮导入管和高温无氧载热气导入管，在气态外源氮和高温无氧载热气的气氛下，利用扰流转子与热解反应筒的相对旋转，使得预热解生物质原料与含氮气体发生充分热解反应，实现两级热解生成多相产物。本发明利用外源氮两段式引入，制得富氮油和富氮焦，可分别用于合成高品质化学品和制备高性能超级电容器。

Description

一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置
技术领域
本发明属于生物质热解技术领域，具体涉及一种生物质富氮热解的反应的装置。
背景技术
生物质热解技术是在无氧或者缺氧的条件下，将生物质加热到一定的温度，使生物质大分子分解成为较小分子，得到焦炭、生物油和气体三态产物的热化学转化技术。根据升温速率的不同，可以将热解分为慢速、快速和闪速热解。慢速热解的主要目标产物是焦炭(产率可达30～40％)，快速热解的主要产物是生物油(产率达40～60％)，闪速热解的生物油产率可达80％。通过调节反应温度、压力、反应气氛、停留时间、升温速率和物料种类等参数，可以有效的改变产物的产量和品质。
目前的生物质热解技术大多数是为了实现单一产品的产量和品质最大化，热解过程中产生的另外两相产物往往得不到充分利用。为了使得各相产物能够得到充分利用，目前广泛采用热解多联产工艺，即生物质热解多联产通过调节热解反应过程中的各种参数，以实现固、液和气三态产物效益的最大化，使生物质资源得到合理利用。
但是，目前的生物质热解多联产装置中，得到的产品品质品位往往偏低。例如，获得的生物油含水量偏大，热值偏低，溶液酸性偏高，高品质化合物较少，不能直接作为液体燃料或合成其他化学品；同时得到的焦炭孔隙度不够发达，焦炭表面的特殊官能团含量较小，很难直接作为吸附剂、活性剂等应用，通常情况是作为燃料直接燃烧。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，通过两段式引入外源氮，并合理的调控反应参数，利用两级热解反应装置，可以实现连续的对生物质进行两级富氮热解，可解决目前多联产工艺中产品品味过低及转化效率不高的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，用于实现生物质两级富氮热解反应以产生多相热解产物，其特征在于，该装置包括顺次相连接的绞龙预热解反应器和回转式扰流热解反应器，以分别实现两级热解反应，其中，
所述绞龙预热解反应器包括呈筒体状的预热解反应筒、设置在该预热解反应筒内的绞龙和设置在该预热解反应筒一端的进料管，该预热解反应筒筒体上还开设有用于通入外源氮的粉状外源氮进口管和热解气输出管，生物质通过所述进料管进入预热解反应筒并在所述绞龙推动下利用通入的粉状外源氮进行预热解并可从预热解反应筒另一端的出料口输出，热解产生的热解气从所述热解气输出管输出；
所述回转式扰流热解反应器包括呈筒体状并可旋转的热解反应筒、设置在该热解反应筒内并可相对转动的扰流转子、以及设置在该热解反应筒一端端部的气态外源氮导入管和高温无氧载热气导入管，其中，所述热解反应筒一端与所述预热解反应筒另一端的出料口通过预热解原料输送管连通，预热解的生物质通过该预热解原料输送管进入所述热解反应筒，在通过所述气态外源氮导入管和高温无氧载热气导入管导入的气态外源氮和高温无氧载热气的气氛下，利用所述扰流转子与热解反应筒的相对旋转，可使所述高温无氧载热气与预热解生物质原料进行强烈换热，并从而使得所述预热解生物质原料与含氮气体发生充分热解反应，实现两级热解生成多相产物。
作为本发明的改进，所述热解反应筒筒体内壁周向布置有多级错落有序的档板，用于预热解原料在回转式扰流热解反应器内均匀分布。
作为本发明的改进，所述扰流转子包括扰流转轴和设置在其外周上的多个扰流螺旋叶片，通过扰流转轴带动其上的扰流螺旋叶片使其产生与热解反应筒旋转方向相反的旋转，从而对热解反应筒内的预热解生物质原料进行充分搅动，以用于换热和热解反应。
作为本发明的改进，所述回转式扰流热解反应器筒体的进料端高于出料端，以保证回转式扰流热解反应器内预热解后的生物质原料快速稳定地流动性。
作为本发明的改进，所述预热解反应筒筒体上的气态外源氮导入管在筒体内的伸入点比高温无氧载热气导入管的伸入点靠近中心位置，以形成高温无氧载热气对外源氮气体吹扫的模式，以便于布置好高温无氧载热气和含氮气体的流场，使含氮气体在回转式扰流热解反应器内与高温无氧载热气和预热解生物质原料充分混合。
作为本发明的改进，所述进料管以及粉状外源氮进口管分别与预热解反应筒之间，以及热解气输出管与预热解反应筒之间，均采用敷设保温石英棉的旋转密封连接。
作为本发明的改进，所述气态外源氮导入管与热解反应筒之间，均采用旋转密封连接。
作为本发明的改进，所述预热解原料输送管与预热解反应筒、回转式扰流热解反应器之间，高温无氧载热气导入管与热解反应筒之间，均采用内嵌高温耐火棉的旋转密封连接。
本发明中，绞龙预热解反应器包括进料管、储料仓、粉状外源氮进口管、热解气输出管；进料管、粉状外源氮进口管和热解气输出管依次布置于绞龙预热解反应器上侧；回转式扰流热解反应器包括气态外源氮导入管、高温无氧载热气导入管、出料管；预热解原料输送管处于绞龙预热解反应器和回转式扰流热解反应器之间，连接两级热解反应装置。
本发明中，所述绞龙预热解反应器和回转式扰流热解反应器之间的预热解原料输送管也是热解气的输送管；绞龙预热解反应器和预热解原料输送管内，热解气与生物质原料直接接触，运动方向相反。
本发明中，所述回转式扰流热解反应器包括折流板、扰流转子，回转式扰流热解反应器筒体内侧布置多级错落有序的档板；扰流转子由扰流转轴和间断式扰流螺旋叶片组成；折流板和档板与回转式扰流热解反应器直接接触，扰流转轴、间断式扰流螺旋叶片与折流板旋转连接。
本发明中，所述两级富氮热解反应装置分别在绞龙预热解反应器和回转式扰流热解反应器上设置有粉状外源氮进口管和气态外源氮导入管两段式外源氮引入口，促进外源氮与生物质发生充分热解反应。
本发明中，所述回转式扰流热解反应器筒体内布置多级错落有序的档板可以使高温无氧载热气在回转式扰流热解反应器反复折返流动，增加气固接触时间，强化换热效果；扰流转轴和扰流螺旋叶片的旋转方向与回转式扰流热解反应器转动方向相反，使反应器内的高温无氧载热气产生剧烈的扰动，加快富氮热解反应；高温无氧载热气与预热解后的生物质原料直接接触，形成逆向对流运动。
使用本发明的连续式两级富氮热解反应装置对生物质进行热解，与现有技术相比，主要优点有：
1)本发明采用绞龙预热解反应器和回转式扰流热解反应器相结合的两级热解装置，通过协调两个热解装置的驱动设备转速，并合理调控热解反应参数，能够实现对生物质进行连续性富氮热解；
2)热解气与生物质原料形成逆向运动直接换热，高温无氧载热气与预热解后的生物质原料形成逆向对流运动直接换热，换热效果好，富氮反应充分；
3)两段引入外源氮，外源氮分别以粉末状态和气态形式在不同热解的阶段送入热解反应器内，有利于外源氮在生物质中的充分富集，增加生物油和生物焦含氮量，更好地改善生物油和生物焦的品质，有利于后续制备高品质化学品和高性能超级电容器；
4)采用绞龙预热解反应器和回转式扰流热解反应器进行两级热解反应。回转式扰流热解反应器内预热解生物质原料充分吸收高温无氧载热气热量，快速进行热解反应；同时热解过程中产物的高温热解气的热量进行预热解反应，能量得到梯级利用，更加合理高效；
5)筒体内布置多级错落有序的档板，保证预热解原料在回转式扰流热解反应器内均匀分布，防止堆积和堵塞通道，可以有效地增加与反应气体的接触面积，提高热解反应的速率；
6)回转式扰流热解反应器内部设置扰流转轴和扰流螺旋叶片，扰流转轴和扰流螺旋叶片的旋转方向与回转式扰流热解反应器转动方向相反，使反应器内的高温无氧载热气产生剧烈的扰动，高温无氧载热气与预热解生物质原料进行强烈换热，加速热解生物质原料升温速率，促进生物质富氮热解反应进行，强化富氮热解反应的效果。
附图说明
图1是本发明实施例的一种连续式两级生物质富氮热解反应装置的结构示意图；
图2是扰流转子的结构示意图；
图3是图1中A-A剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本实施例的一种连续式两级生物质富氮热解反应装置，其包括相连接的绞龙预热解反应器1和回转式扰流热解反应器8两级热解反应装置。
其中，绞龙预热解反应器1包括进料管2、储料仓3、粉状外源氮进口管4、热解气输出管5。进料管2、粉状外源氮进口管4和热解气输出管5依次布置于绞龙预热解反应器1上侧。回转式扰流热解反应器8包括气态外源氮导入管10、高温无氧载热气导入管11、出料管12。预热解原料输送管19处于绞龙预热解反应器1和回转式扰流热解反应器8之间，用于连接两级热解反应装置。
采用绞龙预热解反应器1和回转式扰流热解反应器8相结合的两级热解装置，通过协调两个热解装置的驱动设备转速，并合理调控热解反应温度、压力、反应气氛、停留时间、升温速率等反应参数，即能够实现对生物质进行连续性富氮热解。
本实施例中，优选地，进料管2与绞龙预热解反应器1之间，热解气输出管5与绞龙预热解反应器1之间，均采用敷设保温石英棉的旋转密封连接。粉状外源氮进口管4与绞龙预热解反应器1之间，气态外源氮导入管10与回转式扰流热解反应器8之间，均采用旋转密封连接。预热解原料输送管19与绞龙预热解反应器1、回转式扰流热解反应器8之间，高温无氧载热气导入管11与回转式扰流热解反应器8之间，均采用内嵌高温耐火棉的旋转密封连接。绞龙预热解反应器1和回转式扰流热解反应器8外部均敷设保温材料，并保持密封。
本实施例中，回转式扰流热解反应器8两端分别布置有静态密封环6和压紧装置13，用于确保回转式扰流热解反应器8的良好密封性。传动装置18和止推轮7相互协调工作，控制筒体转速、预热解原料运动速率和送入回转式扰流热解反应器8的预热解原料量，保证预热解后的生物质原料通过快速稳定连续的热解。
回转式扰流热解反应器8中还设置有折流板9，折流板9控制高温无氧载热气和含氮气体流动方向，保证其在回转式扰流热解反应器8内有足够的停留时间，充分与预热解原料相接触，以强化换热和提高反应效果。
回转式扰流热解反应器8内部布置了扰流转子14，如图2所示，为扰流转子14的结构示意图。扰流转子14由扰流转轴15和间断式扰流螺旋叶片16两部分组成。扰流转轴15和扰流螺旋叶片16的旋转方向与回转式扰流热解反应器8转动方向相反，使反应器内的高温无氧载热气产生剧烈的扰动，高温无氧载热气与预热解生物质原料进行强烈换热，加速热解生物质原料升温速率。间断式扰流螺旋叶片16采用间断式排列方式，同时扰流转轴15、扰流螺旋叶片16与折流板9旋转连接，有利于同时发挥折流板9的导流作用和扰流螺旋叶片16的扰流作用，促进生物质富氮热解反应进行，强化富氮热解反应的效果。
如图3所示，为回转式扰流热解反应器8中位置A-A剖面图，筒体内布置多级错落有序的档板22，起到输导预热解原料的作用，保证预热解原料在回转式扰流热解反应器8内均匀分布，防止预热解原料堆积和堵塞通道。可以有效地增加与高温无氧载热气和含氮气体的接触面积，提高热解反应的速率。
回转式扰流热解反应器8筒体的进料端高于出料端，筒体与地面呈10°左右的倾斜角，以保证回转式扰流热解反应器8内预热解后的生物质原料快速稳定地流动性。
外源氮通过两段式引入两级热解反应装置。第一段，氨基酸、蛋白质、三聚氰胺等外源氮从粉状外源氮进口管4以粉末状的形式引入绞龙预热解反应器1内，与生物质原料充分混合，共同吸收高温热解气放出的热量。在生物质原料预热解的过程中，部分外源氮富集于生物质原料中。第二段，氨气等外源氮从气态外源氮导入管10体的形式导入回转式扰流热解反应器8内，预热解后的生物质原料在含氮气体的氛围下，吸收高温无氧载热气的热量，进行快速充分热解。在预热解后的生物质原料热解的过程中，大量的外源氮富集于焦炭产品中，制得富氮生物焦，后续可用于制备高性能超级电容器。
气态外源氮导入管10在回转式扰流热解反应器8内的伸入点比高温无氧载热气导入管11的伸入点靠近中心位置，形成高温无氧载热气对外源氮气体吹扫的模式，以便于布置好高温无氧载热气和含氮气体的流场，使含氮气体在回转式扰流热解反应器8内与高温无氧载热气、预热解生物质原料充分混合，保证气固间充足的反应时间，从而实现生物质快速高效的富氮热解。
生物质原料通过绞龙预热解反应器1和回转式扰流热解反应器8进行两级热解反应，回转式扰流热解反应器8内预热解后的生物质原料吸收高温无氧载热气热量后，快速充分热解并产生的高温热解气体；高温的热解气体导入绞龙预热解反应器1内，作为加热生物质原料的热源，生物质原料吸收热量后开始预热解。整个热解过程中充分利用高温热解气体的热量，能源得到合理利用。
绞龙预热解反应器1和回转式扰流热解反应器8之间的预热解原料输送管19也是热解气的输送管；绞龙预热解反应器1和预热解原料输送管19内，热解气与生物质原料直接接触，运动方向相反。
两级富氮热解反应装置分别在绞龙预热解反应器1和回转式扰流热解反应器8上设置有粉状外源氮进口管4和气态外源氮导入管10两段式外源氮引入口，促进外源氮与生物质发生充分热解反应。
回转式扰流热解反应器8筒体内布置多级错落有序的档板22可以使高温无氧载热气在回转式扰流热解反应器8反复折返流动，增加气固接触时间，强化换热效果；扰流转轴15和扰流螺旋叶片16的旋转方向与回转式扰流热解反应器8转动方向相反，使反应器内的高温无氧载热气产生剧烈的扰动，加快富氮热解反应；高温无氧载热气与预热解后的生物质原料直接接触，形成逆向对流运动。
具体地，本发明装置的具体工作过程为：
粉碎后的生物质原料由进料管2进入绞龙预热解反应器1，粉末状外源氮由粉状外源氮进口管4和生物质原料同时进入绞龙预热解反应器1。生物质原料被导入的热解气加热，生物质原料在向前移动的现时，温度不断升高，完成第一级富氮预热解反应过程。预热解后的生物质原料从预热解原料输送管19进入回转式扰流热解反应器8，同时气态外源氮由气态外源氮导入管10进入回转式扰流热解反应器8。高温无氧载热气导入管11引入的高温无氧载热气在折流板9作用下，形成反复折返流动，与预热解后的原料逆向对流直接换热；同时扰流转轴15和间断式扰流螺旋叶片16的旋转方向与回转式扰流热解反应器8转动方向相反，使反应器内的高温无氧载热气产生剧烈的扰动，高温无氧载热气与预热解生物质原料进行强烈换热，反应温度快速升高，在含氮气体的气氛下，预热解生物质原料与含氮气体发生充分热解反应，进入全面的第二级富氮热解阶段。热解产生的高温热解气和放出热量后的高温无氧载热气相混合，一起从预热解原料输送管19导入绞龙预热解反应器1；热解后形成的高温富氮焦由出料管12排出，被冷却水冷却，收集后得到富氮焦，可用于制备高性能的超级电容器。由热解气输出管5输出的热解气体，经过多级冷凝后，就得到了富氮油和不可冷凝的燃气，不可冷凝的燃气进行储存可作为燃料使用，富氮油经过进一步后处理可用于合成高品质的化学品。
凡本领域的普通技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，其保护范围并不以上述实施方式为限，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，用于实现生物质两级富氮热解反应以产生多相热解产物，其特征在于，该装置包括顺次相连接的绞龙预热解反应器(1)和回转式扰流热解反应器(8)，以分别实现两级热解反应，其中，
所述绞龙预热解反应器(1)包括呈筒体状的预热解反应筒(20)、设置在该预热解反应筒(20)内的绞龙(21)和设置在该预热解反应筒(20)一端的进料管(2)，其中，该预热解反应筒(20)筒体上还开设有用于通入外源氮的粉状外源氮进口管(4)和热解气输出管(5)，生物质通过所述进料管(2)进入所述预热解反应筒(20)并在所述绞龙(21)推动下利用通入的粉状外源氮进行预热解并可从预热解反应筒(20)另一端的出料口输出，热解产生的热解气从所述热解气输出管(5)输出；
所述回转式扰流热解反应器(8)包括呈筒体状并可旋转的热解反应筒(17)、设置在该热解反应筒(17)内并可相对转动的扰流转子(14)、以及设置在该热解反应筒(17)一端端部的气态外源氮导入管(10)和高温无氧载热气导入管(11)，其中，所述热解反应筒(17)一端与所述预热解反应筒(20)的出料口通过预热解原料输送管(19)连通，预热解的生物质通过该预热解原料输送管(19)进入所述热解反应筒(17)，在通过所述气态外源氮导入管(10)和高温无氧载热气导入管(11)导入的气态外源氮和高温无氧载热气的气氛下，利用所述扰流转子(14)与热解反应筒(17)的相对旋转，可使所述高温无氧载热气与预热解生物质原料进行强烈换热，并从而使得所述预热解生物质原料与含氮气体发生充分热解反应，实现两级热解生成多相产物。
2.根据权利要求1所述的一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，其中，所述热解反应筒(17)筒体内壁周向布置有多级错落有序的档板(22)，用于预热解原料在回转式扰流热解反应器(8)内的均匀分布。
3.根据权利要求1或2所述的一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，其中，所述扰流转子(14)包括扰流转轴(15)和设置在其外周上的多个间断式布置的扰流螺旋叶片(16)，通过扰流转轴(15)带动其上的扰流螺旋叶片(16)使其产生与热解反应筒(17)旋转方向相反的旋转，从而对热解反应筒(17)内的预热解生物质原料进行充分搅动，以用于换热和热解反应。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，其中，所述回转式扰流热解反应器(8)中，热解反应筒(17)筒体的进料端高于出料端，以保证回转式扰流热解反应器(8)内预热解后的生物质原料快速稳定地流动性。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，其中，所述预热解反应筒(20)筒体上的气态外源氮导入管(10)在筒体内的伸入点比高温无氧载热气导入管(11)的伸入点靠近中心位置，以形成高温无氧载热气对外源氮气体吹扫的模式，从而便于布置高温无氧载热气和含氮气体的流场，使含氮气体在回转式扰流热解反应器(8)内与高温无氧载热气和预热解生物质原料充分混合。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，其中，所述进料管(2)以及粉状外源氮进口管(4)分别与预热解反应筒(20)之间，以及热解气输出管(5)与预热解反应筒(20)之间，均采用敷设保温石英棉的旋转密封连接。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，其中，所述气态外源氮导入管(10)与热解反应筒(17)之间采用旋转密封连接。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种连续式两级生物质富氮热解反应的装置，其中，所述预热解原料输送管(19)与预热解反应筒(20)、回转式扰流热解反应器(8)之间，以及高温无氧载热气导入管(11)与热解反应筒(17)之间，均采用内嵌高温耐火棉的旋转密封连接。
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