CN106147818B - 一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置及使用方法，包括进料系统、热载体加热系统、反应器系统、旋风分离系统、排炭系统和冷凝系统；进料系统和热载体加热系统及反应器系统相连，热载体加热系统和反应器系统相连，反应器系统和旋风分离系统相连，旋风分离系统和排碳系统及冷凝系统相连，冷凝系统和热载体加热系统相连，冷凝系统用于将热裂解蒸汽降温，使可以在常温下冷凝的物质冷凝为液态燃料，使不可冷凝的可燃气体输送到热载体加热系统作为燃料。本发明的装置在进料时同时完成烘干，除尘工序，合适粒径的原料可以直接进料，不需要单独的预处理步骤。

Description

一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置及使用方法

技术领域

本发明涉及可再生能源领域，尤其涉及一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置及使用方法。

背景技术

木质纤维素类生物质废弃物指的是在农业、林业、牧业生产中，产生的富含纤维素，半纤维素和木质素的有机废弃物，如稻壳，木屑，秸秆等。一方面由于这些废弃物种类多，特性各异，长期以来没有找到有效的处理和利用的方法，产生了很多问题，比如秸秆的直接燃烧，造成的大气污染和安全隐患等。另一方面这些废弃物可以进一步的资源化利用，变废为宝，生产高品质的化工行业的原材料。

快速热裂解液化技术是一种行之有效的木质纤维素类生物质废弃物资源化利用方法，主要原理是在无氧或者微氧的状态下，迅速把生物质升高到500-600℃，生物质中的挥发性物质变成热裂解蒸汽，然后热裂解蒸汽被快速降温，可以冷凝的部分变为液体燃料，通常称为生物油。生物油可以进一步的提质，成为石化行业的替代能源。快速热裂解装置由于设计理念不同，有很大的差异。

经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：CN201010577455.1，名称为：一种利用生物质快速热裂解制备生物油的调控试验装置。该专利的自述为：本装置包括流化床热解反应器、固定床热裂解反应器、两套多路采样阀、两套气相色谱仪、三级冷凝器和三个储油罐等部件。本发明装置具有快速热解、催化裂解、在线分析与调控、分级可控冷凝等试验功能，而且结构紧凑、工作稳定，可进行裂解气的全组分分析与催化剂评价，定量分析可靠，可有效开展生物质快速热裂解制备生物油的调控试验。该项技术的不足之处在于：使用流化床热裂解工艺，需要流化风，工艺比较复杂；生物质的处理量较小，在实施例中仅为1kg/h只是适合在实验室的初步研究。

经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：CN201110308862.7，名称为：生物质快速热裂解的方法及其装置。该专利的自述为：装置设有加料仓、自动给料装置、质量流量仪、气体预热器、热裂解反应器、分离器、生物炭收集器、冷却器、循环泵、激冷塔、塔底暂储罐、第1生物质油收集罐、水冷冷凝器、第2生物质油收集罐、冰水冷凝器、第3生物质油收集罐。通过给料机构把生物质物料送入热裂解反应器内的步骤；在热裂解反应器内对生物质物料进行热裂解和在分离器中将热裂解蒸汽与生物炭和灰份进行气固分离的步骤；在激冷塔中对热裂解蒸汽进行喷淋获得一级生物油的步骤；在水冷冷凝器中将热裂解蒸汽冷凝获得二级生物油和在冰冷冷凝器中将热裂解蒸汽进一步冷凝获得三级生物油的步骤。生物质油产率高，应用范围广。该项技术的不足之处在于：使用流化床工艺，工艺比较复杂，需要流化风的加热和供给装置，是适合在实验室级别的研究，工艺不易实现工业化生产。

本发明设计的下行式循环流化床反应器木质纤维素类生物质废弃物生产液体燃料装置有以下优点：采用下行式循环流化床工艺，不使用流化风，工艺易于工业化的商业应用；热载体循环利用；采用液态生物作为喷淋冷凝的介质，节约成本，减少后续的分离纯化的花费；不可冷凝气体燃烧供热，没有尾气排放，节约能源不污染环境。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置，包括进料系统、热载体加热系统、反应器系统、旋风分离系统、排炭系统和冷凝系统；进料系统和热载体加热系统及反应器系统相连，进料系统用于将原料输送至反应器系统中，并在输送过程中对原料进行烘干和除尘；热载体加热系统和反应器系统相连，热载体加热系统用于将热载体运输至反应器系统，并在热裂解反应结束后，回收反应器系统的热载体再次加热，实现热载体的循环使用；反应器系统和旋风分离系统相连，反应器系统用于将原料进行热裂解反应，产生热裂解蒸汽及生物炭；旋风分离系统和排碳系统及冷凝系统相连，旋风分离系统用于将热裂解的蒸汽和生物炭分离；排碳系统用于将生物炭排出装置外；冷凝系统和热载体加热系统相连，冷凝系统用于将热裂解蒸汽降温，使可以在常温下冷凝的物质冷凝为液态燃料，使不可冷凝的可燃气体输送到热载体加热系统作为燃料。

进一步地，进料系统包括风机、进料旋风、生物质料箱、除灰旋风、灰斗、排灰口7和料斗；风机的第一端和进料旋风相连，用于在进料旋风的生物质进料口2形成负压，进料旋风的出口接生物质料箱的进口；风机的第二端和热载体加热系统、生物质料箱出口及除灰旋风相连，风机用于将原料和来自热载体加热系统的热风混合并输送至除灰旋风；除灰旋风连接灰斗和料斗，除灰旋风用于分离原料中的细小粉尘，并输送至灰斗，灰斗的出口连接排灰口7，料斗的出口连接反应器系统。

进一步地，热载体加热系统包括上球室、下球室、横床和竖床，上球室的出口及下球室的入口和反应器系统相连，下球室的底部出口和竖床下部相连，竖床的底部入口和横床的出口相连，竖床的上部出口和上球室的入口相连，横床用于产生热风并输送至竖床，下球室的顶部出口和旋风分离系统相连。

进一步地，反应器系统包括反应器，反应器包括下行式循环流化床反应器。

进一步地，旋风分离系统包括两组串联的旋风分离器。

进一步地，冷凝系统包括喷淋冷凝器、储油罐、过滤器、管式换热器、水池、冷却塔和不可冷凝器出口，喷淋冷凝器的上部入口和旋风分离系统相连，喷淋冷凝器的下部出口分别和储油罐和过滤器相连，喷淋器的不可冷凝出口和热载体加热系统相连，管式换热器分别和过滤器、水池、冷却塔和喷淋冷凝器相连。

本发明还公开了使用装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：启动热加载系统，将热载体加热到560℃；

步骤二：启动进料系统，选择适当粒径的原料，对原料进行除尘及加热烘干；

步骤三：启动反应器系统，使热载体和原料在反应器系统中接触换热，加热原料至500℃以上，生成热裂解蒸汽和生物炭；

步骤四：启动旋风分离系统，使热裂解蒸汽和生物炭分离，得到分离后热裂解蒸汽和分离后生物炭；

步骤五：启动除碳系统，将分离后生物炭通过管道传送并集中收集；

步骤六：启动冷凝系统，对分离后热裂解蒸汽降温，生成可冷凝液态燃料和不可冷凝可燃气体，存储可冷凝液态燃料，将不可冷凝可燃气体输送至热加载系统作为加热燃料。

进一步地，在步骤二中，通过风机对来自热加载系统的热风进行引风和配风，从而对原料进行烘干。

进一步地，在步骤一中，通过热风对热载体进行加热和传送。

进一步地，在步骤六中，通过喷淋冷凝器对分离后热裂解蒸汽降温；将部分可冷凝液态燃料过滤，经管式换热器冷却后作为喷淋冷凝器的冷却介质。

本发明具有如下有益效果：

1、在进料时同时完成烘干，除尘工序，合适粒径的原料可以直接进料，不需要单独的预处理步骤。

2、热载体的循环利用。

3、喷淋冷凝的方式实现热裂解蒸汽的冷凝；不可冷凝的可燃气体燃烧供热，补充整个装置所需的能量，减少废气排放；副产物生物炭收集后可以进行进一步的资源化处理。

附图说明

图1为本发明的一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置的连接示意图；

图2为本发明的进料系统的连接示意图；

图3为本发明点的热载体加热系统和反应器系统连接示意图；

图4为旋风分离系统和排炭系统连接示意图；

图5冷凝系统的连接示意图。

图中：风机1，生物质进料口2，进料旋风3，生物质料箱4，除灰旋风5，灰斗6，排灰口7，料斗8，上球室9，反应器10，下球室11，横床12，竖床13，旋风分离器Ⅰ14，旋风分离器Ⅱ15，排炭口16，喷淋冷凝器17，储油罐18，过滤器19，管式换热器20，水池21，冷却塔22，不可冷凝气出口23。

具体实施方式

下面结合附图并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，实施方式只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制发明的范围。

如图1所示，本发明的一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置，包括进料系统100、热载体加热系统、反应器系统、旋风分离系统200、排炭系统和冷凝系统300；进料系统100和热载体加热系统及反应器系统相连，进料系统用于将原料输送至反应器系统中，并在输送过程中对原料进行烘干和除尘；热载体加热系统和反应器系统相连，热载体加热系统用于将适宜温度的热载体运输至反应器系统，并在热裂解反应结束后，回收反应器系统的热载体再次加热，实现热载体的循环使用；反应器系统和旋风分离系统相连，反应器系统用于将原料进行热裂解反应，产生热裂解蒸汽及生物炭；旋风分离系统200和排碳系统及冷凝系统相连，旋风分离系统200用于将热裂解的蒸汽和生物炭分离；排碳系统用于将生物炭排出装置外；冷凝系统300和热载体加热系统相连，冷凝系统300用于将热裂解蒸汽降温，使可以在常温下冷凝的物质冷凝为液态燃料，使不可冷凝的可燃气体输送到热载体加热系统作为燃料。

如图2所示，进料系统包括风机1、进料旋风3、生物质料箱4、除灰旋风5、灰斗6、排灰口7和料斗8；风机1的第一端和进料旋风3相连，用于在进料旋风3的生物质进料口2形成负压，使生物质原料在大气压力下进入反应系统，进料旋风3的出口接生物质料箱4的进口；风机1的第二端和热载体加热系统、生物质料箱4出口及除灰旋风5相连，风机1用于将原料和来自热载体加热系统竖床13输出的热风混合并输送至除灰旋风5；除灰旋风5连接灰斗6和料斗8，除灰旋风5用于分离原料中的细小粉尘、灰尘，泥土等杂质，并输送至灰斗6，灰斗6的出口连接排灰口7，料斗8的出口通过螺旋输送器和反应器系统的下行式循环流化床反应器相连。风机1有两个作用：一是在生物质进料口2形成负压，方便进料；二是引风和配风，使从竖床13排出的热风降温，防止热风在输送并烘干原料过程中，原料过热燃烧。进料系统可以采用螺杆上料和负压上料两种方式。

如图3所示，进入料斗8的原料，通过螺旋输送到反应器10中。上球室9，通过螺旋与反应器10相连。上球室9中高温状态的热载体，通过螺旋输送到反应器10中。反应器10中原料与高温状态的热载体直接接触，生物质原料发生热裂解反应，形成热裂解蒸汽和生物炭。反应器10的下端与下球室11的下端相连，下球室11的上端连接旋风分离器Ⅰ14。热载体和部分生物炭落入下球室11的底部。热裂解蒸汽携带着大部分生物炭进入旋风分离器Ⅰ14中。下球室11的底部通过螺旋输送器与竖床13相连，竖床13的底部与横床12相连。横床12中不可冷凝的可燃气体燃烧形成的高温气体，携带着热载体上升到竖床13顶部，最后热载体落入上球室9中。热载体竖床13的输送过程中，生物炭在高温下燃烧，与热载体分离，同时热载体被高温气体加热，最后储存在上球室9中，参与下一次循环反应。热裂解蒸汽携带着生物炭进入后续的旋风分离系统。热载体和部分生物炭，经螺旋输送进入竖床13。从横床12输送来的热风携带着热载体提升到上球室9中，在此过程中实现热载体的加热和碳粉的燃烧供热。热载体储存在上球室9中参与下一个循环的热裂解反应。

在一个实施例中，反应器10包括下行式循环流化床反应器。生物质热裂解反应在反应器10中进行时。反应器10温度550℃左右。反应器10上端一侧连接上球室9，在螺旋作用下经过预热的热载体从此口进入反应器10中；反应器10在另一侧接料斗8，烘干后的原料在螺旋输送器的作用下，进入反应器10中。在反应器10中，热载体和原料在重力作用下下落，并在下落过程中充分混合，直接接触换热，原料发生热裂解反应，形成热裂解蒸汽和生物炭。热裂解蒸汽及生物炭和热载体，进入下球室11。热裂解蒸汽携带着生物炭进入后续的旋风分离系统。

如图4所示，为了使炭的分离更加充分，旋风分离系统使用两级串联旋风分离器。旋风分离器Ⅰ14连接旋风分离器Ⅱ15。在旋风分离器Ⅰ14和旋风分离器Ⅱ15的底部设置有排炭口16，连接排炭系统，把碳粉排出整个系统。

生物炭因离心力的作用下被分离出来，实现固态物质生物炭和热裂解蒸汽的分离。未分离完全的气固混合物，进入旋风分离器Ⅱ15实现气固的分离。固态物质生物炭进入后续的排炭系统，排出整个装置。热裂解蒸汽进入后续的冷凝系统。

如图5所示，旋风分离器Ⅱ15连接喷淋冷凝器17的上部。喷淋冷凝器17的中部连接不可冷凝气出口23。喷淋冷凝器17的底部连接储油罐18，过滤器19。从旋风分离器Ⅱ15输送过来的热裂解蒸汽，在喷淋冷凝器17中接触低温的液态生物油，其中可冷凝的部分，形成液态燃料。不可冷凝的部分，从不可冷凝气出口23排出，通过管道传送到横床12加热燃烧，供给整个系统所需的能量。过滤器19连接管式换热器20，管式换热器20连接喷淋冷凝器17。冷凝的液体燃料，一部分进入储油罐18进行储存。另一部分通过过滤器19，滤除杂质后，在管式换热器20中冷却，重新流到喷淋冷凝器17中，作为冷却的介质。管式换热器20连接水池21，水池21连接冷却塔22，冷却塔22连接管式换热器20。通过管式换热器20流出的热水，流入到水池21中，在冷却塔22中冷却降温后，流入管式换热器20中冷却液体燃料。

冷凝系统是把热裂解蒸汽降温，使其中可以在常温下冷凝的物质，冷凝为液态燃料，使其中在常温下不可冷凝的可燃气体输送到燃烧供热装置，补充整个装置所需的能量。热裂解蒸汽通过旋风分离系统进入冷凝系统中，在喷淋式冷凝器17中，可冷凝的热裂解蒸汽凝结为液体生物油。不可冷凝的部分通过不可凝气入体出口23排出冷凝系统，进入横床12中，燃烧供热，实现不可冷凝气体的循环使用。一部分生物油进入储油罐18中储存；另一部分生物油作为喷淋冷却介质，通过生物油过滤器19，进入管式换热器20中，换热降温。冷却后的生物油作为冷却介质进入喷淋式冷凝器17中。从管式换热器20中流出的热水，进入水池21。通过冷却塔22降至室温后，进入管式换热器20中循环使用。其中喷淋冷凝器17作用是对生物质热裂解蒸汽进行喷淋冷凝，使可冷凝的热裂解蒸汽液化，形成生物油。热裂解蒸汽经过旋风分离系统除尘后，进入喷淋冷凝系统中。该套系统采用三级喷淋体系，采用冷却的生物油进行冷却。冷凝的生物油一部分进入储油罐18中，存储备用。另一部分进入换热器中。在管式换热器20中，生物油与冷却水换热后，作为喷淋冷却介质，冷凝热裂解蒸汽。不可冷凝气体从装置的中部被导出喷淋冷凝器17，经过进一步的旋风分离后，进入横床12燃烧炉中燃烧，提供加热热载体所需的能量。

本发明还公开了一种使用该装置的方法：包括如下步骤

步骤一：启动热加载系统，将热载体加热到560℃；在横床燃烧炉中利用液化石油气引燃生物油，燃烧供热，产生大量的热空气。热载体通过热空气的传送，通过竖床运送到上球室中，在运输过程中热载体被加热到560℃左右。

步骤二：启动进料系统，适当粒径的生物质原料，通过管道运输到料斗中，在运输过程中实现原料的烘干和除尘工艺。通过风机对来自热加载系统的热风进行引风和配风，从而对原料进行烘干。

步骤三：启动反应器系统，高温下热载体与生物质原料接触，在自由落体过程中，完成接触换热。生物质瞬时加热到500℃以上，发生热裂解反应，生成热裂解蒸汽和生物炭。

步骤四：启动旋风分离系统，使热裂解蒸汽和生物炭分离，得到分离后热裂解蒸汽和分离后生物炭；

步骤五：启动除碳系统，生物炭通过管道传送被集中收集，做进一步的资源化利用。

步骤六：启动冷凝系统，热裂解蒸汽在喷淋冷凝器中接触到低温下的生物油，其中可冷凝的部分冷凝为生物油，运输到油罐中储存。不可冷凝的部分，输送到热裂解系统的横床中燃烧供热。将部分可冷凝液态燃料过滤，经管式换热器冷却后作为喷淋冷凝器的冷却介质。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置，其特征在于，包括进料系统、热载体加热系统、反应器系统、旋风分离系统、排碳 系统和冷凝系统；

所述进料系统和热载体加热系统及反应器系统相连，所述进料系统用于将原料输送至所述反应器系统中，并在输送过程中对原料进行烘干和除尘；

所述热载体加热系统和所述反应器系统相连，所述热载体加热系统用于将热载体运输至所述反应器系统，并在热裂解反应结束后，回收所述反应器系统的热载体再次加热，实现热载体的循环使用；

所述反应器系统和所述旋风分离系统相连，所述反应器系统用于将原料进行热裂解反应，产生热裂解蒸汽及生物炭；

所述旋风分离系统和所述排碳系统及冷凝系统相连，所述旋风分离系统用于将热裂解的蒸汽和生物炭分离；

所述排碳系统用于将生物炭排出装置外；

所述冷凝系统和所述热载体加热系统相连，所述冷凝系统用于将热裂解蒸汽降温，使可以在常温下冷凝的物质冷凝为液态燃料，使不可冷凝的可燃气体输送到所述热载体加热系统作为燃料；

所述进料系统包括风机、进料旋风、生物质料箱、除灰旋风、灰斗、排灰口和料斗；所述热载体加热系统包括上球室、下球室、横床和竖床；所述风机的第一端和所述进料旋风相连，用于在进料旋风的生物质进料口形成负压，所述进料旋风的出口接生物质料箱的进口；所述风机的第二端和所述热载体加热系统、生物质料箱出口及除灰旋风相连，所述风机用于将原料和来自所述热载体加热系统竖床输出的热风混合并输送至所述除灰旋风；通过风机对来自热加载系统的热风进行引风和配风，从而对原料进行烘干，同时使从竖床排除的热风降温，防止热风在输送并烘干原料过程中，原料过热燃烧；所述除灰旋风连接所述灰斗和料斗，所述除灰旋风用于分离原料中的细小粉尘，并输送至所述灰斗，所述灰斗的出口连接所述排灰口，所述料斗的出口连接所述反应器系统。

2.如权利要求1所述的一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置，其特征在于，所述热载体加热系统的所述上球室的出口及所述下球室的入口和所述反应器系统相连，所述下球室的底部出口和所述竖床下部相连，所述竖床的底部入口和所述横床的出口相连，所述竖床的上部出口和所述上球室的入口相连，所述横床用于产生热风并输送至所述竖床，所述下球室的顶部出口和所述旋风分离系统相连。

3.如权利要求1所述的一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置，其特征在于，所述反应器系统包括反应器，所述反应器包括下行式循环流化床反应器。

4.如权利要求1所述的一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置，其特征在于，所述旋风分离系统包括两组串联的旋风分离器。

5.如权利要求1所述的一种利用生物质废弃物生产液体燃料装置，其特征在于，所述冷凝系统包括喷淋冷凝器、储油罐、过滤器、管式换热器、水池、冷却塔和不可冷凝器出口，所述喷淋冷凝器的上部入口和所述旋风分离系统相连，所述喷淋冷凝器的下部出口分别和所述储油罐和过滤器相连，所述喷淋器的不可冷凝出口和所述热载体加热系统相连，所述管式换热器分别和所述过滤器、水池、冷却塔和喷淋冷凝器相连。

6.一种使用如权利要求1所述的装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：启动热加载系统，将热载体加热到560℃；

步骤二：启动进料系统，选择适当粒径的原料，对原料进行除尘及加热烘干；

步骤三：启动反应器系统，使热载体和原料在反应器系统中接触换热，加热原料至500℃以上，生成热裂解蒸汽和生物炭；

步骤四：启动旋风分离系统，使热裂解蒸汽和生物炭分离，得到分离后热裂解蒸汽和分离后生物炭；

步骤五：启动除碳系统，将分离后生物炭通过管道传送并集中收集；

步骤六：启动冷凝系统，对分离后热裂解蒸汽降温，生成可冷凝液态燃料和不可冷凝可燃气体，存储可冷凝液态燃料，将不可冷凝可燃气体输送至热加载系统作为加热燃料。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤一中，通过热风对热载体进行加热和传送。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤六中，通过喷淋冷凝器对分离后热裂解蒸汽降温；将部分可冷凝液态燃料过滤，经管式换热器冷却后作为喷淋冷凝器的冷却介质。