CN104910937A - 多功能分段式生物质热解装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能分段式生物质热解装置，其特征在于，有一个能实现气、油、炭多功能生产模式的生物质热解气化反应系统，该系统由生物质原料仓、物料控制阀、螺旋干燥器、螺旋热解反应器、螺旋气化反应器、沉降室、缓冲仓、集炭箱、燃烧室以及净化冷凝单元等组成，工作单元之间通过管线、泵和阀门连接构成整个反应系统。本发明采用独立的燃烧供热系统，能灵活而精确地控制生物质炭化、液化、气化反应所需温度；用于燃烧的燃料为不同生产模式下的副产物，不足部分再引入生物质原料、中间产物或终端产品来补充，实现了反应装置热量自维持，且极大地提高了生物质原料的利用效率。

Description

多功能分段式生物质热解装置

技术领域

本发明属于生物质再生利用及能源化设备技术领域，具体涉及一种多功能分段式生物质热解装置。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人类面临的能源和环境问题日趋严重，迫切需要大力发展可再生能源。开发利用生物质能源被公认是同时解决能源和环境问题的有效途径之一。我国是一个农业大国，具有非常丰富的生物质能资源，开发潜力可达10亿吨标准煤/年，因此大力开发利用生物质能，对于优化我国能源结构、缓解化石能源供应压力、解决化石能源消耗带来的环境问题、以及实现经济和社会的可持续发展等具有极其重要的意义。

生物质能源化利用主要包括生物化学转化和热化学转化等途径。生物化学转化是通过酶分解、细菌发酵等手段制取气体燃料或液体燃料，其主要不足在于酶成本高、生产周期长、不能实现生物质全组分利用。而热化学转化具有成本低、生产周期短、原料适应性强等优点，主要包括低温炭化、中温液化和高温气化。低温炭化的主要目的是在较低温度下得到主产品生物炭和副产物木醋液、木煤气；中温液化的主要目的是在中等反应温度下得到主产品生物油和副产物热解炭、不可冷凝气体；高温气化的主要目的是在高反应温度下得到主产品可燃气体和副产物焦油、炭粉。不同工艺模式下得到的主产品生物炭、生物油和可燃气可作为清洁二次能源用于供电供热，或进一步加工用于生产活性炭、化学品、液体燃料等，具有广泛的应用途径。

目前，生物质热解炭化、液化、气化技术发展很快，国内外现已开发研制出多种类型的生物质热解气化装置，但都存在各自的不足，主要缺陷是：

1、反应装置的通用性和灵活性较差，难以根据生物质原料的特性及目标产物的需求不同，定向产炭、产油、产气或气、液、固多目标联产。

2、以空气为气化剂，获得的可燃气热值较低，应用范围小。

3、气化前对生物质原料干燥预处理需消耗大量能量，且后期为获得高品位可燃气，又需消耗大量能量制备氧气或水蒸气作气化剂，重复耗能，导致系统整体效率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有生物质热解气化装置的缺陷，提出一种灵活方便、结构简单、高效节能的多功能分段式生物质热解气化装置。

本发明通过下述技术方案来实现：

申请人提供了一种多功能分段式生物质热解装置，它有一个能实现气、油、炭多功能生产模式的生物质热解气化反应系统，该生物质热解气化反应系统包括：由生物质原料仓1、第一物料控制阀2，第二物料控制阀5，第三物料控制阀7，第四物料控制阀10，第五物料控制阀12，第六物料控制阀16、螺旋干燥器3、螺旋热解反应器8、螺旋气化反应器14、第一级沉降室4，第二级沉降室9，第三级沉降室15、第一级缓冲仓6，第二级缓冲仓11、第一集炭箱13，第二集炭箱17、燃烧室18以及净化冷凝单元组成，所述螺旋干燥器3的进料口通过第一物料控制阀2与生物质原料仓1相连；螺旋干燥器3的出料口与第一级沉降室4相连；第一级沉降室4的下部经第二物料控制阀5与第一级缓冲仓6的进料口相连；第一级缓冲仓6的出料口通过第三物料控制阀7与螺旋热解反应器8的进料口连接；螺旋热解反应器8的出料口与第二级沉降室9相连，第二级沉降室9的下部通过第四物料控制阀10与第二级缓冲仓11的进料口相连，第二级缓冲仓11的下出料口经第五物料控制阀12与螺旋气化反应器14的进料口相连，第二级缓冲仓11有一侧出料口与第一集炭箱13相连；螺旋气化反应器14的出料口与第三级沉降室15相连，第三级沉降室15的下部通过第六物料控制阀16与第二集炭箱17相连；所述过滤器19的入口通过管线和调节阀与第二级沉降室9和第三级沉降室15的上部出口相连，过滤器19的出口与冷凝器20的入口相连，冷凝器20的出口与储液罐21的入口相连，储液罐21的出口与水洗塔22的入口相连，水洗塔22的出口与储气柜23入口相连；所述燃烧室18中的高温烟气通过管线其中一路通过管线、调节阀26与螺旋气化反应器14连接，所述燃烧室18中的高温烟气另一路通过管线、调节阀27与螺旋热解反应器8相连。

所述螺旋干燥器3、螺旋热解反应器8和螺旋气化反应器14均采用逆流换热形式，且在高温烟气管道内铺设有折流板，其作用是强化换热效果和提高温度的均匀性。

本发明与现有生物质热解气化装置相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明结合生物质的干燥特性、热解脱挥发特性、热解炭的气化特性、热解气的二次裂解及重整特性，提出分段式(螺旋干燥器、螺旋热解反应器、螺旋气化反应器)梯级结构，能灵活实现生物质炭化、液化、气化以及气、液、固多联产等生产模式，提升了生物质热解气化装置的灵活性。

2、本发明用于生物质气化生产模式时，生物质原料先后经历低温干燥、中温热解后再进入气化反应器发生高温气化反应，极大地使气化反应器小型化，减少了耐高温不锈钢的使用量，降低了装置成本，且有利于反应器密封，提高装置的安全性；参加气化反应的气化剂为干燥阶段产生的水蒸气，即有利于提升生物燃气的品质，又集生物质原料干燥与气化剂制备于一体，避免了重复耗能，有利于提高系统效率。

3、本发明采用独立的燃烧供热系统，能灵活而精确地控制生物质炭化、液化、气化反应所需温度；用于燃烧的燃料为不同生产模式下的副产物，不足部分再引入生物质原料、部分中间产物或终端产品来补充，实现了反应装置热量自维持，且极大地提高了生物质原料的利用效率。

4、本发明装置具有控温方便、运行连续、结构简单、节能环保等优点，适用于秸秆、木屑、稻壳、畜禽粪便等多种生物质原料的热化学转化利用。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

附图标记说明：1、生物质原料仓，2、第一物料控制阀，3、螺旋干燥器，4、第一级沉降室，5、第二物料控制阀，6、第一级缓冲仓，7、第三物料控制阀，8、螺旋热解反应器，9、第二级沉降室，10、第四物料控制阀，11、第二级缓冲仓，12、第五物料控制阀，13、第一集炭箱，14、螺旋气化反应器，15、第三级沉降室，16、第六物料控制阀，17、第二集炭箱，18、燃烧室，19、过滤器，20、冷凝器，21、储液罐，22、水洗塔，23、储气柜，24-34、调节阀。

具体实施方式

实施例1 本发明的系统构成及其连接方式

由图1所示，本发明提出的新型多功能分段式生物质热解装置，主体为螺旋干燥器3、螺旋热解反应器8和螺旋气化反应器14，三者依次采用梯级连接(如采用折叠往返式连接，其他实施方式也可以根据实际需要灵活布置)。螺旋干燥器3用于生物质原料的预热干燥，螺旋干燥器3的进料口经第一物料控制阀2与生物质原料仓1相连，螺旋干燥器3的出料口与第一级沉降室4相连通。第一级沉降室4用于将螺旋干燥器3干燥得到的干生物质和水蒸气分离，水蒸气从第一级沉降室4的上部排出，干生物质经物料第二控制阀5进入第一级物料缓冲仓6。第一级物料缓冲仓6经第三物料控制阀7与螺旋热解反应器8相连。螺旋热解反应器8用于使干生物质进行热解炭化或液化反应，螺旋热解反应器8的出料口与第二级沉降室9相连。第二级沉降室9用于将螺旋热解反应器8热解得到的热解炭和热解气分离，热解气从第二级沉降室9的上部排出进入下游处理环节，热解炭经第四物料控制阀10进入第二级物料缓冲仓11。第二级物料缓冲仓11中热解炭经由第五物料控制阀12进入螺旋气化反应器14进行气化反应，或以终端产品进入第一集炭箱13。螺旋气化反应器14中的气体产物进入第三级沉降室15，气化气从第三级沉降室15的上部排出进入下游净化冷凝处理单元，副产物生物炭经由第六物料控制阀16进入第二集炭箱17。燃烧室18用于产生高温烟气提供生物质热解炭化、液化、气化以及干燥所需的热量，燃烧室18所燃烧的燃料为各功能模式下的副产物以及部分中间产物或生物质原料。过滤器19用于对螺旋热解反应器8和螺旋气化反应器14得到的气态产物进行过滤，去除杂质，过滤器19的出口与冷凝器20相连。冷凝器20用于使经过过滤的气态产物冷凝，得到冷凝液体和不可冷凝气体，冷凝器20的出口与储液罐21相连。储液罐21用于储存冷凝器20得到的冷凝液体，储液罐21的出口与水洗塔22相连。水洗塔22用于对从储液罐21中流出的不可冷凝气体进行脱尘、除焦和降温，净化所得的不可冷凝气体最终储存于储气柜23。调节阀24、25、26、27、28、29、30、31、32、33和34用于调节各管道内气体流量大小来配合实现本发明装置的不同功能模式。

实施例2 生物质热解炭化

采用实施例1构建的系统，本实施例的工艺过程如下：

将待反应的生物质起始原料由第一物料控制阀2将生物质原料仓1中的生物质加入螺旋干燥器3内进行预热干燥，产生的水蒸气经由第一级沉降室4的上部从调节阀24排空(此时关闭调节阀25)，被干燥后的生物质由第二物料控制阀5控制暂存至第一级物料缓冲仓6。螺旋热解反应器8为生物质热解炭化的主反应器：关闭调节阀26，控制调节阀27，从燃烧室18引入高温烟气维持生物质热解炭化所需的温度，其温度可根据热解炭化所需要的温度条件进行控制，从螺旋热解反应器8出来的烟气流入螺旋干燥器3进行余热利用并对生物质原料进行预热干燥，供热燃料主要为热解炭化所产生的副产物热解气，不足部分由生物质原料燃烧补充，其中副产物热解气进入燃烧室18的路径是从第二级沉降室9的上部流出后由调节阀28控制引入，此时调节阀29和30保持关闭状态；根据生物质炭化时间，调节螺旋热解反应器8的螺旋转速，配合控制第三物料控制阀7和物第四料控制阀10，实现进、出料连续作业，从物料控制阀10流出的终端产品生物炭经由第二级缓冲仓11收集于第一集炭箱13，此时第五物料控制阀12保持关闭。

实施例3 生物质热解液化

采用实施例1构建的系统，本实施例的工艺过程如下：

将待反应的生物质起始原料由第一物料控制阀2将生物质原料仓1中的生物质加入螺旋干燥器3内进行预热干燥，产生的水蒸气经由第一级沉降室4的上部从调节阀24排空(此时关闭调节阀25)，被干燥后的生物质由物料控制阀5控制暂存至第一级物料缓冲仓6。螺旋热解反应器8为生物质热解液化的主反应器：关闭调节阀26，控制调节阀27，从燃烧室18引入高温烟气维持生物质热解液化所需的温度，其温度可根据液化所需要的温度条件进行控制，从螺旋热解反应器8出来的烟气流入螺旋干燥器3进行余热利用并对生物质原料进行预热干燥；根据生物质液化时间，调节螺旋热解反应器8的螺旋转速，配合控制第三物料控制阀7和第四物料控制阀10，实现进、出料连续作业，从第四物料控制阀10流出的副产物热解炭经由第二级缓冲仓11收集于第一集炭箱13，并用于燃烧供热；从第二级沉降室9上部流出的热解气为生物质热解液化的中间产物，通过控制调节阀29，流经过滤器19和冷凝器20过滤和气液分离后，所得冷凝液体即为终端产品生物油和木醋液混合物，储存于储液罐21，并利用生物油和木醋液密度不同自动分层，从不同排出口排出收集。从储液罐21流出的副产物不可冷凝气体通过调节阀31导入燃烧室18燃烧供热(此时关闭调节阀32)；当副产物热解炭和不可冷凝气体燃烧供热不足时，可补充生物质原料燃烧供热。

实施例4 生物质热解气化

采用实施例1构建的系统，本实施例的工艺过程如下：

将待反应的生物质起始原料由第一物料控制阀2将生物质原料仓1中的生物质加入螺旋干燥器3内进行预热干燥，产生的水蒸气经由第一级沉降室4的上部从调节阀25引入螺旋气化反应器14作为氧化剂进行水蒸气气化与催化重整反应，被干燥后的生物质经由第一级物料缓冲仓6进入螺旋热解反应器8进行中温热解，热解所产生的热解气从第二级沉降室9上部流出后经由调节阀28和30所在管路引入螺旋气化反应器14在高温条件下进一步二次裂解和蒸汽催化重整(此时调节阀29关闭)，热解炭经由第二级物料缓冲11进入螺旋气化反应器14进一步气化重整。螺旋气化反应器14为生物质热解气化的主反应器：关闭调节阀27，控制调节阀26，从燃烧室18引入高温烟气维持生物质气化所需的温度，从螺旋气化反应器14出来的烟气依次通过螺旋热解反应器8和螺旋干燥器3进行余热利用并对生物质原料进行初步热解和干燥；根据生物质气化时间，调节螺旋气化反应器14的螺旋转速，配合控制第五物料控制阀12和第六物料控制阀16，实现进、出料连续作业，从第六物料控制阀16流出的副产物生物炭收集于第二集炭箱17，并用于燃烧供热；从第三级沉降室15上部流出的气化气为生物质气化的中间产物，通过控制调节阀33，流经过滤器19和冷凝器20过滤和气液分离后，所得冷凝液体为副产物生物油和木醋液混合物，储存于储液罐21，并利用生物油和木醋液密度不同自动分层，从不同排出口排出收集。从储液罐21流出的不可冷凝气体继续流入水洗塔22，完成脱尘、除焦和降温后，即得到终端产品生物合成气，储存于储气柜23；副产物生物炭燃烧供热不足部分由生物质原料燃烧补充，或通过调节阀34从第三级沉降室15引入一定量的中间产物气化气燃烧补充。

上述实施例1-3所用的生物质起始原料可以从秸秆、木屑、稻壳、畜禽粪便或可利用的生活垃圾中选取一种或多种的混合物作为实施本发明的起始原料。

根据生物质原料的特性及目标产物的需求不同，本发明装置可在以上所述三种基本功能模式的基础上实施气、油、炭联产的综合模式，实现可再生资源的能源化利用。

Claims (2)

1.一种多功能分段式生物质热解装置，其特征在于，有一个能实现气、油、炭多功能生产模式的生物质热解气化反应系统，该生物质热解气化反应系统包括：由生物质原料仓(1)、第一物料控制阀(2)，第二物料控制阀(5)，第三物料控制阀(7)，第四物料控制阀(10)，第五物料控制阀(12)，第六物料控制阀(16)、螺旋干燥器(3)、螺旋热解反应器(8)、螺旋气化反应器(14)、第一级沉降室(4)，第二级沉降室(9)，第三级沉降室(15)、第一级缓冲仓(6)，第二级缓冲仓(11)、第一集炭箱(13)，第二集炭箱(17)、燃烧室(18)以及净化冷凝单元组成，所述螺旋干燥器(3)的进料口通过第一物料控制阀(2)与生物质原料仓(1)相连；螺旋干燥器(3)的出料口与第一级沉降室(4)相连；第一级沉降室(4)的下部经第二物料控制阀(5)与第一级缓冲仓(6)的进料口相连；第一级缓冲仓(6)的出料口通过第三物料控制阀(7)与螺旋热解反应器(8)的进料口连接；螺旋热解反应器(8)的出料口与第二级沉降室(9)相连，第二级沉降室(9)的下部通过第四物料控制阀(10)与第二级缓冲仓(11)的进料口相连，第二级缓冲仓(11)的下出料口经第五物料控制阀(12)与螺旋气化反应器(14)的进料口相连，第二级缓冲仓(11)有一侧出料口与第一集炭箱(13)相连；螺旋气化反应器(14)的出料口与第三级沉降室(15)相连，第三级沉降室(15)的下部通过第六物料控制阀(16)与第二集炭箱(17)相连；所述过滤器(19)的入口通过管线和调节阀与第二级沉降室(9)和第三级沉降室(15)的上部出口相连，过滤器(19)的出口与冷凝器(20)的入口相连，冷凝器(20)的出口与储液罐(21)的入口相连，储液罐(21)的出口与水洗塔(22)的入口相连，水洗塔(22)的出口与储气柜(23)入口相连；所述燃烧室(18)的高温烟气其中一路通过管线、调节阀(26)与螺旋气化反应器(14)连接，另一路通过管线、调节阀(27)与螺旋热解反应器(8)相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋干燥器(3)、螺旋热解反应器(8)和螺旋气化反应器(14)采用逆流换热形式，且在高温烟气管道内铺设有折流板，其作用是强化换热效果和提高温度的均匀性。