CN104673340B - 联合水洗‑烘焙预处理生物质微波热解多联产的系统装置与方法 - Google Patents

联合水洗‑烘焙预处理生物质微波热解多联产的系统装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种联合水洗‑烘焙预处理生物质微波热解多联产的系统装置与方法，包括生物质水洗‑烘焙‑热解系统和水洗液循环系统。生物质原料首先经过水洗除去部分碱金属和杂质后进行预干燥，随后烘焙预处理分解了大量半纤维素成分，并且改善了生物质物理微观结构，预处理后生物质微波热解产物的品质得到提高，得到的生物质半焦热值高，灰熔点高，生物油含水量低，酸度低，化学成分稳定，合成气热值高，后续利用潜力大。本发明回收了烘焙挥发分的能量，作为预干燥热源；同时，水洗液循环系统回收了热解半焦的显热和干燥后烟气乏气中的水分和潜热，系统能效高，运行过程无乏气排放，操作参数均可根据生物质原料调节，系统运行安全性高、成本低。

Description

联合水洗-烘焙预处理生物质微波热解多联产的系统装置与 方法
技术领域
本发明涉及一种生物质微波热解多联产的方法，特别是涉及一种联合水洗-烘焙预处理的生物质微波热解多联产的方法。
背景技术
生物质热解是开发利用生物质的重要途径之一，热解可产生生物质半焦、合成气和生物油三种产物。传统加热方式下的生物质热解中，热量通过导热或对流方式由物料表面向内部传递，而微波加热则是以耗散的形式将微波能转化为热能，能够产生整体均匀性加热，且加热速率快，将导致一些不同于传统热解的热解条件，最终形成不同热解特性。
生物质通常碱金属和碱土金属含量高，不经预处理直接热解会产生诸多不利影响，如热解半焦中碱金属和碱土金属会降低半焦的灰熔点，在后续的半焦燃烧和气化等设备中引起结渣等问题；碱金属和碱土金属在热解过程中改变生物质热解的反应路径并催化生物油的二次裂解，减少生物油的产率并增加生物油中小分子成分如酸、酮、醛等成分，使生物油稳定性变差且成分复杂；碱金属和碱土金属在热解过程中促进H2O和CO2的生成，热解合成气热值减少，影响其利用效率。
为提高热解产物的品质特别是热解生物油的品质，生物质原料烘焙预处理是一种简单有效的方法。生物质主要由半纤维素、纤维素和木质素三组分组成，半纤维素热解易产生水分和酸类化合物，烘焙预处理通过控制温度低温热解有效的减少生物质中半纤维素含量，增加了纤维素和木质素的含量，减少生物油的含水率和PH值，增量了生物油的品质。但单独的烘焙预处理减少了生物油的产率，有效的组合预处理技术提高生物质微波热解的产品特性具有很广阔的前景。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提供一种新型的低成本、系统化的生物质微波热解制取高品质生物质半焦、生物油和合成气的技术方法，提高了热解三相产物的品质。
技术方案：一种联合水洗-烘焙预处理生物质微波热解多联产的方法，将生物质原料经过简单破碎后送入水洗装置进行水洗1～6小时；水洗后的生物质进入预干燥装置进行预干燥，将水洗后的生物质干燥至含水率为10％～30％；预干燥后的生物质进入微波烘焙反应器进行烘焙预处理，烘焙温度200～300℃；烘焙预处理后的固体产物进入微波热解反应器进行热解，热解温度500～550℃，热解中产生的挥发分气体通过喷淋式冷凝器收集生物油，收集到的生物油流入储油罐，热解中产生的不可冷凝气体从喷淋式冷凝器的上口排入储气瓶，热解中产生的生物质半焦进入液-固换热器进行降温后进入半焦收集箱；
其中，生物质在所述微波烘焙反应器中进行烘焙预处理时生成的挥发分物质进入多孔介质燃烧器燃烧，燃烧后产生的高温烟气作为所述预干燥装置的热源，所述高温烟气经过所述预干燥装置后生成的乏汽通入储水罐，乏汽中的水分和潜热被储水罐中的水回收，所述储水罐中的低温水进入所述液-固换热器并吸收热解中产生的生物半焦的显热后再通入所述水洗装置，所述水洗装置中的水洗液排入所述储水罐。
进一步的，所述通过喷淋式冷凝器收集生物油时的喷淋液体为储油罐中降温后的生物油。
一种用于所述联合水洗-烘焙预处理生物质微波热解多联产的方法的装置，包括水洗塔、烟气对流干燥床、低功率微波烘焙炉、高功率微波热解炉、喷淋式冷凝器、储气罐、储油罐、油泵、液-固换热器、低热值气体多孔介质燃烧器、储水罐、循环泵、水泵；水洗塔的出料口连接烟气对流干燥床的入料口，烟气对流干燥床的出料口连接低功率微波烘焙炉的入料口，低功率微波烘焙炉的出料口连接高功率微波热解炉的入料口，低功率微波烘焙炉的顶端烟气出口连接低热值气体多孔介质燃烧器的入口，低热值气体多孔介质燃烧器烟气通过管道连接烟气对流干燥床的烟气入口，烟气对流干燥床的乏汽出口连接储水罐，高功率微波热解炉的挥发气体出料口连接喷淋式冷凝器的入料口，高功率微波热解炉的半焦出料口连接液-固换热器的入料口，喷淋式冷凝器的挥发分气体出料口连接储气罐，喷淋式冷凝器的生物油出口连接储油罐，储油罐的底部出口通过油泵连接到喷淋式冷凝器的喷淋液体入口，水洗塔的水洗液排出口通过水泵连接到储水罐，储水罐的出水口通过循环泵连接到液-固换热器的入水口，液-固换热器的出水口连接到水洗塔的入水口。
有益效果：本发明公开的一种新型的低成本、系统化的生物质微波热解制取高品质生物质半焦、生物油和合成气的装置和方法，提高了热解三相产物的品质，为生物质特别是高碱金属和碱土金属含量的农林类生物质的利用提供了一种新的途径。本发明与现有技术相比，本发明显著优点有：(1)对简单破碎后的生物质进行水洗处理过程有效移除生物质中杂质和部分碱金属和碱土金属，提高热解生物质半焦的热值和灰熔点，同时增加了热解生物油的产率并提高其稳定性；(2)微波烘焙预处理过程热分解了生物质中的半纤维素，减少了热解生物油中的水分和酸、酮等不稳定成分，进一步提升微波热解生物油的品质；(3)微波烘焙预处理过程产生的低热值挥发分气体得到有效利用，为生物质的预干燥过程提供热源，整个系统能效高；(4)水循环系统有效回收干燥过程乏汽中的水分和潜热，并且热解生物质半焦的显热也得到有效回收，整个系统处理过程中乏气排放量少；(5)水洗温度、水洗时间、烘焙温度、烘焙时间、热解温度、热解时间等重要操作参数均可根据具体生物质原料特性调节，系统运行安全性高、成本低。
附图说明
附图1为本发明联合水洗-烘焙预处理生物质微波热解多联产的系统组成图；
图中：1-水洗塔，2-烟气干燥床，3-微波烘焙炉，4-微波热解炉，5-喷淋式冷凝装置，6-储气罐，7-储油罐，8-油泵，9-液-固换热器，10-低热值气体多孔介质燃烧器，11-储水罐，12-排气口，13-进水管口，14-排水管口，15-循环泵，16-水泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种联合水洗-烘焙预处理生物质微波热解多联产的装置，包括水洗塔1、烟气对流干燥床2、低功率微波烘焙炉3、高功率微波热解炉4、喷淋式冷凝器5、储气罐6、储油罐7、油泵8、液-固换热器9、低热值气体多孔介质燃烧器10、储水罐11、循环泵15、水泵16。水洗塔1的出料口连接烟气对流干燥床2的入料口，烟气对流干燥床2的出料口连接低功率微波烘焙炉3的入料口，低功率微波烘焙炉3的出料口连接高功率微波热解炉4的入料口，低功率微波烘焙炉3的顶端烟气出口连接低热值气体多孔介质燃烧器10的入口，低热值气体多孔介质燃烧器10烟气通过管道连接烟气对流干燥床2的烟气入口，烟气对流干燥床2的乏汽出口连接储水罐11，高功率微波热解炉4的挥发气体出料口连接喷淋式冷凝器5的入料口，高功率微波热解炉4的半焦出料口连接液-固换热器9的入料口，喷淋式冷凝器5的挥发分气体出料口连接储气罐6，喷淋式冷凝器5的生物油出口连接储油罐7，储油罐7的底部出口通过油泵8连接到喷淋式冷凝器5的喷淋液体入口，水洗塔1的水洗液排出口通过水泵16连接到储水罐11，储水罐11的出水口通过循环泵15连接到液-固换热器9的入水口，液-固换热器9的出水口连接到水洗塔1的入水口。
基于上述装置的联合水洗-烘焙预处理生物质微波热解多联产的方法，包括如下步骤：将生物质原料经过简单破碎后送入水洗塔1，水洗塔装有两排喷嘴，原生物质通过水洗洗去杂质和部分碱金属和碱土金属，喷洒水量和水温可通过调节循环泵15改变，水洗温度在常温到90℃之间，水洗时间根据原生物质中碱金属和碱土金属含量调整，一般在1～6h。采用水洗预处理可浸出生物质中的杂质、碱金属和部分碱土金属，降低了生物质的灰分，增加了挥发分和固定碳的含量，提高了热值，并且水洗可减少后续烘焙预处理过程中的能量损失，增加微波热解生物油的产率，提高热解半焦的灰熔点，提高其品质。
水洗后的生物质带有大量水分直接给入烟气对流干燥床2进行预干燥，将水洗后的生物质干燥至含水率为10％～30％。预干燥后的生物质进入低功率微波烘焙炉3进行烘焙预处理，烘焙温度200～300℃，烘焙时间可调节，烘焙预处理后产生的低热值挥发分气体进入低热值气体多孔介质燃烧器10燃烧，燃烧产生的中高温烟气通过管道送入烟气对流干燥床2，作为干燥床的干燥热源。微波烘焙预处理利用了微波均匀加热和选择性加热的特点，物料中含有的水分具有很好的吸波能力，水分快速的从物料内部蒸发出来，改善了生物质物料的微观空隙结构，便于后续热解挥发分的析出，同时烘焙预处理使大量的半纤维素发生热分解，从而增大了生物质中纤维素和木质素的含量，提高了后续热解生物油的品质。
多孔介质燃烧器10输出的中高温烟气经过烟气对流干燥床2后生成的乏汽通入储水罐11的乏汽口，乏汽中的水分和潜热被储水罐中的水回收后，乏气从排气口12排出。采用预干燥处理是为收集水洗后生物质中携带的水分，并且增加生物质的流动性，利于物料通过给料装置给入下一级装置。
烘焙预处理后的固体产物进入微波热解反应器进行热解，热解温度500～550℃，热解中产生的挥发分气体通过喷淋式冷凝器5收集生物油，收集到的生物油流入储油罐7，热解中产生的不可冷凝气体从喷淋式冷凝器5的上口排入储气瓶6，热解中产生的生物质半焦进入液-固换热器9进行降温后进入半焦收集箱。其中，储油罐7内的低温生物油为喷淋介质，通过油泵8送入冷凝装置5。
水循环系统由水洗塔1、储水罐11、水泵16和液-固换热器9组成，水泵16带有变频装置可改变水循环流速调整水洗塔1内水温。液-固换热器9对生物质半焦通过水循环来降温，来自储水罐11中的低温水通过循环泵15在换热器内吸收半焦显热，吸热后的循环水送入水洗塔1，水洗塔1内水洗液通过水泵16排入储水罐11内，形成水循环系统。本实施例中管道阀门和给料管等并未明确给出，可根据具体工艺条件，选择适当的辅件。
以稻壳为生物质原料，稻壳粒径小，无需破碎处理，水洗塔水洗温度为60℃，水洗时间4h；水洗后送入烟气对流干燥床，预干燥后的稻壳湿度为21％，随后送入低功率微波烘焙炉，微波烘焙功率设定为400W，烘焙温度280℃，烘焙时间20min，原稻壳、水洗预处理后稻壳、烘焙预处理后稻壳的工业分析与热值结果如表1所示：
表1 预处理后稻壳的工业分析和热值
预烘焙后的稻壳送入高功率微波热解炉，微波热解功率700W，热解温度550℃，热解时间10min，热解后挥发分气体进入喷淋式冷凝器，冷凝液为冷却后的生物油，经雾化喷嘴雾化后与高温挥发分气体直接接触，不可冷凝气体从冷凝装置上口排入储气罐，联合水洗-烘焙与处理移除一定量碱金属和碱土金属，促使热解向糖类、苯酚类大分子产物转化，同时烘焙预处理过程改变了稻壳的内部结构，烘焙后稻壳中纤维素和木质素含量高，半纤维素含量降低，生物质半焦、生物油和合成气的品质均提高：半焦中碱金属和碱土金属含量下降，灰熔点提高，收集到稻壳半焦高位热值达到22.5MJ/kg，灰熔点大于1500℃；热解生物油中水分由42％降低至23％，PH值由2.5提高至3.1，酸类、酮类、呋喃类含量降低，苯酚类和糖类含量提高相对峰面积分别达到30.79％和21.47％；合成气中可燃气成分、H2和CO摩尔比率和气体产物低位热值均提高，具体见表2所示。
表2 联合水洗-烘焙预处理气体产物分析结果
本发明所描述的装置和方法可用于稻壳、稻杆、秸秆、木屑等农林生物质原料和高灰含量低质煤等物料的处理，为该类物料的工业化热解多联产提供了方便。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种联合水洗-烘焙预处理生物质微波热解多联产的方法，其特征在于：将生物质原料经过简单破碎后送入水洗装置进行水洗1～6小时；水洗后的生物质进入预干燥装置进行预干燥，将水洗后的生物质干燥至含水率为10％～30％；预干燥后的生物质进入微波烘焙反应器进行烘焙预处理，烘焙温度200～300℃；烘焙预处理后的固体产物进入微波热解反应器进行热解，热解温度500～550℃，热解中产生的挥发分气体通过喷淋式冷凝器收集生物油，收集到的生物油流入储油罐，热解中产生的不可冷凝气体从喷淋式冷凝器的上口排入储气瓶，热解中产生的生物质半焦进入液-固换热器进行降温后进入半焦收集箱；
其中，生物质在所述微波烘焙反应器中进行烘焙预处理时生成的挥发分物质进入多孔介质燃烧器燃烧，燃烧后产生的高温烟气作为所述预干燥装置的热源，所述高温烟气经过所述预干燥装置后生成的乏汽通入储水罐，乏汽中的水分和潜热被储水罐中的水回收，所述储水罐中的低温水进入所述液-固换热器并吸收热解中产生的生物半焦的显热后再通入所述水洗装置，所述水洗装置中的水洗液排入所述储水罐。
2.根据权利要求1所述的一种联合水洗-烘焙预处理生物质微波热解多联产的方法，其特征在于：所述通过喷淋式冷凝器收集生物油时的喷淋液体为储油罐中降温后的生物油。
3.一种用于实施权利要求1所述联合水洗-烘焙预处理生物质微波热解多联产的方法的装置，其特征在：包括水洗塔(1)、烟气对流干燥床(2)、低功率微波烘焙炉(3)、高功率微波热解炉(4)、喷淋式冷凝器(5)、储气罐(6)、储油罐(7)、油泵(8)、液-固换热器(9)、低热值气体多孔介质燃烧器(10)、储水罐(11)、循环泵(15)、水泵(16)；水洗塔(1)的出料口连接烟气对流干燥床(2)的入料口，水洗塔装有两排喷嘴，烟气对流干燥床(2)的出料口连接低功率微波烘焙炉(3)的入料口，低功率微波烘焙炉(3)的出料口连接高功率微波热解炉(4)的入料口，低功率微波烘焙炉(3)的顶端烟气出口连接低热值气体多孔介质燃烧器(10)的入口，低热值气体多孔介质燃烧器(10)烟气通过管道连接烟气对流干燥床(2)的烟气入口，烟气对流干燥床(2)的乏汽出口连接储水罐(11)，高功率微波热解炉(4)的挥发气体出料口连接喷淋式冷凝器(5)的入料口，高功率微波热解炉(4)的半焦出料口连接液-固换热器(9)的入料口，喷淋式冷凝器(5)的挥发分气体出料口连接储气罐(6)，喷淋式冷凝器(5)的生物油出口连接储油罐(7)，储油罐(7)的底部出口通过油泵(8)连接到喷淋式冷凝器(5)的喷淋液体入口，水洗塔(1)的水洗液排出口通过水泵(16)连接到储水罐(11)，储水罐(11)的出水口通过循环泵(15)连接到液-固换热器(9)的入水口，液-固换热器(9)的出水口连接到水洗塔(1)的入水口。
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