CN106281397A - 基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置，其包括粉碎机、太阳能光热/光伏设备、高温烘培室、预热沙箱、旋转锥式生物质热裂解设备和冷凝系统等。主要工艺流程为：原料经粉碎处理后进入高温烘培室，在太阳能光热/光伏设备供能的条件下进行烘焙处理并收集副产物‑生物醋液；烘焙处理过的生物质颗粒进入旋转锥反应器发生热裂解反应并进行冷凝收集，生成生物油、生物质炭粉和不可冷凝气体，其中生物质炭粉和不可冷凝气体作为燃料燃烧供热。本发明利用太阳能和副产物用于烘焙预处理和裂解反应供热，节约能源和生产成本，满足野外自供能的运行需求，经烘焙预处理所提炼出的生物油产品能量密度高、稳定性好，炼油过程清洁、高效。

Description

基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置

技术领域

本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及一种基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置。

背景技术

生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物体内部的能量。生物质资源储量丰富、可再生、资源量非常庞大，如以能量换算，相当于目前石油产量的15～20倍。如果这部分资源能得到充分利用，人类相当于拥有了一个取之不竭、用之不尽的资源宝库。

生物质是人类最早用来获取能源的物质，通过直接燃烧，可获得经光合作用储存在内部的能量。考虑到直接燃烧对环境的影响，也可通过一种“无氧燃烧”的手段来获得这部分能量，这便是热裂解技术。如果将生物质在没有氧气参与的条件下迅速加热，然后再迅速冷却，便会获得粉末状的炭、部分液态物质及部分气体。液态物质称为生物油，不仅能作为燃料使用，还可以直接提炼成化工原料；炭是冶金工业、活性炭产业等的优质原料，也是良好的供热原料；不凝结气体可作为清洁燃气或作为裂解过程热源。热裂解是一种“变废为宝”的良方，将人们生产、生活和工作中随处可见的生物质废弃物变为易于使用的清洁能源。

生物质资源较为分散，能量密度低，对于生物质热裂解这种消耗热量的过程，通常需要投入大量较昂贵的燃料以维持设备运转，因此其运输、储存很不方便，且成本较高。当前亟须发明一种可就地处理的移动式热裂解炼制装置，省去对原料收集、运输、储存等耗时耗力的处理环节。对于移动式热裂解装置而言，一个重要的挑战性问题是在野外的供能供热问题。专利CN2005101371137公开了一种移动式生物质液化系统，主要有气化炉、燃气净化装置、燃气发电机组、热解炉、冷却塔以及生物质预处理设备等，该系统工艺较为复杂、造价较高，而且没有合理利用外部太阳能以及副产物。专利CN200910170228.4公开了一种小型移动式农林生物质快速热裂解装置，由行进机构、燃烧炉、进料器、快速热裂解反应器、气固分离器、气体冷凝器6等组成，但该装置处理规模有限、不易放大，没有对生物质原料进行预处理，而且没有对副产物热解炭进行利用。

此外，生物油产品存在着高含水率、热值较低以及稳定性差等问题，阻碍了其大规模的商业化应用。生物油的这些劣质主要源于其高含氧量(约55％)，这是由于生物质原料本身含氧量较高所决定的。为了提高生物油的品质，人们通常采用加氢脱氧或者催化加氢裂解的方式来对生物油进行后处理，以降低生物油的含氧量。然而，这些处理方式通常都会消耗昂贵的氢气资源，使用价值不菲的催化剂，还面临着催化剂结焦等技术难题，而且高值生物油的产率较低。因此，迫切需要一种温和、廉价、易于大规模工业化应用的制备高值生物油的方法。提高生物油品质的一个创新的方法是从生物质原料入手，通过无氧条件下的热预处理(即“烘焙”处理)降低生物质的含氧量、提高生物质的热化学品质，进而用于快速热解制备较低含氧量的高值生物油，同时将烘焙及快速热解处理过程的能量流动结合起来，降低综合热解过程能耗。

发明内容

本发明的目的是，弥补现有技术的缺陷，发明一种多级利用太阳能，在室外就地对生物质原料进行热裂解炼制处理的生物质热裂解炼油装置，以获得能量密度较高的热解油、热解炭产品以及高生物活性的生物醋液产品。

本发明采用以下技术方案：

基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置，包括粉碎机、太阳能光热/光伏设备、高温烘培室、预热沙箱、旋转锥式生物质热裂解设备、静电捕集器和套管式换热器。

所述的太阳能光热/光伏设备上设有冷空气入口，在冷空气入口处安有空气进风机；太阳能光热/光伏设备的热空气出口通过管道通入高温烘培室；高温烘培室设有入料口和出料口，其入料口连接到粉碎机的输出口，出料口通过重力沉降料仓下端的出料管连接到旋转锥式生物质热裂解设备的螺旋进料器，螺旋进料器的出料管通到旋转锥反应器；所述的高温烘培室顶部的出气口通过预热沙箱也通入到旋转锥反应器中；旋转锥反应器的出料管通入到旋风分离器，旋风分离器的下端设有热解炭粉出口，上端设有热解气出口；所述的热解炭粉出口通过集炭箱与燃烧室连接，所述的热解气出口依次与静电捕集器和套管式换热器连接，静电捕集器和套管式换热器的底端管道分别通入储油罐。

本发明工艺流程为：原料经粉碎处理后在太阳能光热/光伏设备供能的条件下进行烘焙处理；进入旋转锥反应器与沙子进行换热，发生热裂解反应；经过热裂解反应后，生成生物质炭粉和热解气。固体炭粉收集冷却后进入燃烧室燃烧供热，也可以作为肥料或土壤改良剂就地施用，或收集后作为活性碳等工业产品原料。气体则进入冷凝系统，经冷凝后，不可冷凝气体进入燃烧室燃烧提供热量，可冷凝气体冷凝为热解生物油产品。

本发明的有益效果是：

1.移动式处理方法很好地解决了农林生物质废弃物资源分散、收集困难的利用瓶颈，可就地处理，也可以在道路上行走，进行热裂解炼制，省去了很多对原料收集、运输等耗时耗力的环节，使生物质加工处理更廉价。

2.高效利用太阳能用于烘焙预处理和裂解反应供热，减少使用外部能源，不仅不消耗现有能源，而且可以将生物质废弃物高效转化，生产出有使用价值的商品、实现变废为宝，节约生产成本，减少了能源损耗。

3.对生物质原料进行烘焙预处理后再进行热裂解炼制，不仅保证热裂解炼制过程效率，而且有效降低生物油中的含氧量、提高其热值、能量密度和产品价值。

4.本发明装置所提出的技术方法，生物质炼油过程清洁、简洁、高效，无需使用对环境有害的溶剂，生产过程没有废物排放，是环境友好型的生物质处理技术。

附图说明

图1，基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置结构示意图；

图2，太阳能光热/光伏设备烘焙原理图；

图3，基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置工艺流程图。

图中：1-粉碎机；2-太阳能光热/光伏设备；3-空气进风机；4-内循环风机；5-高温烘培室；6-冷凝器；7-生物醋液储存罐；8-重力沉降料仓；9-螺旋进料器；10-预热沙箱；11-旋转锥反应器；12-旋风分离器；13-集炭箱；14-静电捕集器；15-套管式换热器；16-储油罐；17-储气罐；18-驱动器；19-燃烧室。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置，包括粉碎机1、太阳能光热/光伏设备2、高温烘培室5、预热沙箱10、旋转锥式生物质热裂解设备、静电捕集器14和套管式换热器15。所述的旋转锥式生物质热裂解设备包括螺旋进料器9、旋转锥反应器11、燃烧室19、旋风分离器12、静电捕集器14、套管式换热器15、储油罐16和储气罐17；其中，所述的燃烧室19安置在旋转锥反应器11的下端，与旋转锥反应器11组合为一体。

所述的太阳能光热/光伏设备2上设有冷空气入口，在冷空气入口处安有空气进风机3。太阳能光热/光伏设备2的热空气出口通过管道通入高温烘培室5。高温烘培室5设有入料口和出料口，其入料口连接到粉碎机1的输出口，出料口通过重力沉降料仓8下端的出料管连接到旋转锥式生物质热裂解设备的螺旋进料器9，螺旋进料器9的出料管通到旋转锥反应器11。重力沉降料仓8上还设有一管道，连接到一个冷凝器6，冷凝器6下端接到生物醋液储存罐7。生物醋液储存罐7的顶端有一连通管通入燃烧室19。所述的高温烘培室5顶部的出气口通过一预热沙箱10也通入到旋转锥反应器11中。旋转锥反应器11主要由外锥、内锥、主轴和绝热密闭的外壳组成，其中外锥、内锥部分是其核心组件。旋转锥反应器11的出料管通入到旋风分离器12，旋风分离器12的下端设有热解炭粉出口，上端设有热解气出口。热解炭粉出口通过集炭箱13与燃烧室19连接，热解气出口与冷凝系统连接，所述的冷凝系统由静电捕集器14和套管式换热器15组成，静电捕集器14和套管式换热器15的底端管道分别通入储油罐16，套管式换热器15上端的出气口与储气罐17连通。储气罐17有两个出气口，一个通到燃烧室19，另一个经过一内循环风机4通到太阳能光热/光伏设备2。

太阳能光热/光伏设备2还与一驱动器18电连接，驱动器18为旋转锥反应器11、空气进风机3、内循环风机4、粉碎机1等提供电能，以使热裂解反应顺利进行。

参见图1及图3，本发明工艺流程为：

原料经粉碎处理后进入高温烘培室，在太阳能光热/光伏设备供能的条件下，进行烘焙处理；进行了烘焙预处理的原料经螺旋进料器进入旋转锥反应器，与热载体(沙子)进行换热，发生热裂解反应；经过热裂解反应后，生成生物质炭粉和热解气，沙子循环受热后继续工作，固体炭粉收集冷却后进入燃烧室燃烧供热，也可以作为肥料或土壤改良剂就地施用，或收集后作为活性碳等工业产品原料。气体则进入冷凝系统，经冷凝后，不可冷凝气体进入燃烧室燃烧提供热量，可冷凝气体冷凝为热解生物油产品。

本发明所提出太阳能集热-旋转锥生物质热裂解炼制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、制取原料，采用的原料为经过初步晾晒干燥的生物质原料。所述的生物质原料包括农作物秸秆、玉米芯、稻壳、麦壳、木竹材、木材加工剩余物等；其中的大径级生物质原料为原木、圆竹、整株农作物秸秆等，将其放进粉碎机进行削片和粉碎处理，得到粒径小于1mm(<16目)的生物质颗粒；而接近或者小于上述尺寸的生物质原料，如玉米芯、稻壳、锯屑等，不需要处理。

步骤2、将步骤1制取的生物质原料通过传送带送入高温烘培室，在螺杆和高温气体的作用下受热烘焙，其中，空气经太阳能光热/光伏设备预热后作为传热介质为烘焙提供热能，在180℃-300℃条件下对生物质原料在无氧环境中烘培处理0.5-2小时，充分利用太阳能光热/光伏设备所产生的高温空气的热量，来提高烘培效率。烘焙处理后，部分生物质原料降解生产烘焙挥发物进行冷却收集得到生物生物醋液产品。

步骤3、经过步骤2烘焙预处理的生物质固体物质在高温烘培室内的螺旋推进装置的作用下，与产生的烘焙挥发物一同向前运输，达到高温烘培室后侧所接的具有重力沉降作用的重力沉降料仓，再分别进行下述步骤：

a.生物质固体物质在重力作用下落在重力沉降料仓后继续通往螺旋进料器和旋转锥反应器，此时，太阳能光热/光伏设备为驱动器提供电能，使旋转锥反应器工作。太阳能光热/光伏设备加热的空气流经高温烘培室后，继续通往沙箱，沙箱内装有供旋转锥反应器反应的传热介质——沙子。热空气提供沙子预热所需热能，加热的沙子先行对旋转锥反应器加热，此外,初期烘焙产生的气体通入燃烧室燃烧,将为初期热裂解反应提供热能，进料后经旋转锥反应器内裂解反应产生热解气(不可冷凝气体)和热解炭作为燃烧室的燃料燃烧为旋转锥反应器补充供热；三者提供的热能供生物质固体物质在旋转锥反应器内反应。旋转锥反应器工作时外锥旋转，内锥静止，通过主轴带动外锥，将生物质颗粒和过量的惰性载热体颗粒一起运输到外锥的底部，由于旋转离心力作用，生物质固体物质与热载体(沙子)沿着炽热的旋转锥反应器的锥壁螺旋上升，在此过程中，生物质固体物质发生热裂解反应，生成生物质炭粉和热解气。此时，旋转锥反应器中的物质包括气体、热解炭、沙子，其中，比重相对较小的热解炭混合在气体中进入后级的旋风分离器，而沙子则落回反应器底部，形成内部沙循环。同时，在旋转锥反应器中经过换热后的余热气体可用于生物质粉末干燥或排空。其具体程序为：运行初期，裂解反应速度较为缓慢，随着反应的进行，裂解反应速度将逐渐提升，经过一段时间之后，将产生一定数量的热裂解产物，旋转锥反应器达到的额定工作温度(一般450～600℃)，在真空度0.06-0.1Mpa的条件下进行快速热裂解炼制反应。至此，即可关闭空气进风机，系统将实现稳定运行。

b.高温烘培室输出到重力沉降料仓中的烘焙挥发物则继续往前通往冷凝器；挥发物中生物质原料在高温烘培室中烘焙预处理时发生轻度裂解产生的热解气，经过冷凝器冷凝后得到生物醋液产品，存入生物醋液储存罐储存，而挥发物中的不可冷凝气体则进入燃烧室作为燃烧供热,以提供初期热裂解反应所需热能。

步骤4、经过步骤3a热裂解炼制得到生物质炭粉和热解气一同进入旋风分离器进行气固分离，而较重的沙子则连续不断地落回旋转锥底部,继续为裂解反应提供热量。生物质炭粉通过旋风分离器进行收集，得到热解炭，送入集炭箱，从集炭箱再导入燃烧室燃烧，为热裂解反应供热。去除了热解炭的热解气进入到冷凝系统，冷凝系统包括静电捕集器(工作电压范围15-60kV)和套管式换热器(冷凝工作温度0-4℃)，经换热冷凝后，可冷凝气体液化成为生物油送入储油罐作为产物，不可冷凝的气体即为生物可燃气，存入到储气罐。储气罐中的一部分气体送入燃烧室中燃烧，为旋转锥反应器供热。一部分气体经内循环风机导入太阳能光热/光伏设备进行加热，之后进入烘焙室与生物质粉末进行直接接触式的烘焙预处理，为高温烘培室提供热能。

实施例：

采用本发明装置在林场或者园林绿化废弃物处理中心以杨木枝丫材为原料进行热裂解炼油，得到杨木生物油产品性质为：碳含量58％，氧含量34％，高位热值29MJ/Kg，含水率19％，pH值3.6。

采用本发明装置在农场或田间以玉米秆为原料进行热裂解炼油，得到的玉米秸秆生物油产品性质为：碳含量57％，氧含量36％，高位热值26MJ/Kg，含水率23％，pH值3.4。

Claims (9)

1.基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置，其特征在于：包括粉碎机、太阳能光热/光伏设备、高温烘培室、预热沙箱、旋转锥式生物质热裂解设备和冷凝系统。

2.根据权利要求1所述的炼油装置，其特征在于：所述的旋转锥式生物质热裂解设备包括螺旋进料器、旋转锥反应器、燃烧室、旋风分离器、静电捕集器、套管式换热器、储油罐和储气罐；其中，所述的燃烧室安置在旋转锥反应器的下端，与旋转锥反应器组合为一体。

3.根据权利要求2所述的炼油装置，其特征在于：所述的太阳能光热/光伏设备上设有冷空气入口，在冷空气入口处安有空气进风机；太阳能光热/光伏设备的热空气出口通过管道通入高温烘培室；高温烘培室设有入料口和出料口，其入料口连接到粉碎机的输出口，出料口通过重力沉降料仓下端的出料管连接到旋转锥式生物质热裂解设备的螺旋进料器，螺旋进料器的出料管通到旋转锥反应器；所述的高温烘培室顶部的出气口通过预热沙箱也通入到旋转锥反应器中；旋转锥反应器的出料管通入到旋风分离器，旋风分离器的下端设有热解炭粉出口，上端设有热解气出口；热解炭粉出口通过集炭箱与燃烧室连接，热解气出口与冷凝系统连接，所述的冷凝系统由静电捕集器和套管式换热器组成，静电捕集器和套管式换热器的底端管道分别通入储油罐。

4.根据权利要求1所述的炼油装置，其特征在于：重力沉降料仓上还设有一管道，连接到一个冷凝器，冷凝器下端接到生物醋液储存罐；生物醋液储存罐的顶端有一连通管通入燃烧室。

5.根据权利要求3所述的炼油装置，其特征在于：套管式换热器上端的出气口与储气罐连通。储气罐有两个出气口，一个通到燃烧室，另一个经过一内循环风机通到太阳能光热/光伏设备。

6.基于太阳能集热和自供热的野外生物质热裂解炼油装置的工艺流程，其工艺流程包括以下步骤：

步骤1、制取原料，所述的生物质原料包括农作物秸秆、玉米芯、稻壳、麦壳、木竹材、木材加工剩余物等；将大径级生物质原料放进粉碎机进行削片和粉碎处理，得到粒径小于1mm的生物质颗粒；而接近或者小于上述尺寸的生物质原料玉米芯、稻壳、锯屑，不需要处理。

步骤2、将步骤1制取的生物质原料通过传送带送入高温烘培室，在螺杆和高温气体的作用下受热烘焙，在180℃-300℃条件下对生物质原料在无氧环境中烘培处理0.5-2小时；烘焙处理后，部分生物质原料降解生产烘焙挥发物进行冷却收集得到生物生物醋液产品。

步骤3、经过步骤2烘焙预处理的生物质固体物质与产生的烘焙挥发物一同向前运输，达到高温烘培室后侧所接的具有重力沉降作用的重力沉降料仓，再分别进行下述步骤：

a.生物质固体物质在重力作用下落在重力沉降料仓后继续通往螺旋进料器和旋转锥反应器，此时，太阳能光热/光伏设备加热的空气提供沙子预热所需热能，加热的沙子先行对旋转锥反应器加热，此外,初期烘焙产生的气体通入燃烧室燃烧,将为初期热裂解反应提供热能，进料后经旋转锥反应器内裂解反应后产生的热解气和热解炭作为燃烧室的燃料燃烧为旋转锥反应器补充供热；三者提供的热能供生物质固体物质在旋转锥反应器内反应产生热解气和热解炭；其具体过程为：运行初期，裂解反应速度较为缓慢，随着反应的进行，裂解反应速度将逐渐提升，经过一段时间之后，将产生少量的热裂解产物；待旋转锥反应器达到的额定工作温度450～600℃，在真空度0.06-0.1Mpa的条件下进行快速热裂解炼制反应；

b.高温烘培室输出到重力沉降料仓中的烘焙挥发物则继续往前通往冷凝器；挥发物中生物质原料在高温烘培室中烘焙预处理时发生轻度裂解产生的热解气，经过冷凝器冷凝后得到生物醋液产品，存入生物醋液储存罐储存，而挥发物中的不可冷凝气体则进入燃烧室作为燃烧供热,以提供初期热裂解反应所需热能。

步骤4、经过步骤3a热裂解炼制得到生物质炭粉和热解气一同进入旋风分离器进行气固分离，生物质炭粉通过旋风分离器进行收集，得到热解炭，送入集炭箱；去除了热解炭的热解气进入到冷凝系统，经换热冷凝后，可冷凝气体液化成为生物油送入储油罐作为产物，不可冷凝的气体即为生物可燃气，存入到储气罐。

7.根据权利要求6所述的工艺流程，其特征在于：在步骤3a中，当进行快速热裂解炼制反应时，即可关闭空气进风机。

8.根据权利要求6所述的工艺流程，其特征在于：在步骤4中，集炭箱中的热解炭再导入燃烧室燃烧，为热裂解反应供热。

9.根据权利要求6所述的工艺流程，其特征在于：在步骤4中，储气罐中的一部分气体送入燃烧室中燃烧，为旋转锥反应器供热。一部分气体经内循环风机导入太阳能光热/光伏设备进行加热，之后进入烘焙室与生物质粉末进行直接接触式的烘焙预处理，为高温烘培室提供热能。