CN106811226A - 生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置和方法，包括低温热解系统和高温催化热解系统，对生物质低温热解预处理，减少生物质中的含氧官能团，提高生物质的催化热解特性。在鼓泡流化床中高温下对预处理生物质进行催化热解，经分离冷凝获取高品质液体燃料，不冷凝气体返回流化床中充当流化气。流化床中焦炭和床料所结焦炭进入燃烧室烧焦，产生的高温气体作为系统的热源，烧焦后的催化剂返回鼓泡床循环使用。通过生物质低温热解与循环流化床高温催化热解的结合，解决了传统生物质催化热解过程中催化剂结焦失活、液体产物品质不高等技术问题，实现了生物质烘焙预处理的“热源自给”。

Description

生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置和方法
技术领域
本发明公开了一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置和方法，涉及生物质资源利用领域。
背景技术
生物质能是唯一一种可以转化为气体、固体以及液体燃料的、实现化石能源全替代的“多功能型”可再生能源，重点发展可替代石油基液体燃料与化学品的生物质基高端产品(含氧液体燃料与高价值化学品)，有助于从根本上缓解我国石油短缺的局势，保障国家能源安全，符合我国国家发展重大战略需求。目前，国内外将生物质转化为液体燃料的主流技术包括了生物化学转化法与热化学转化法，其中，生物质热解液化技术是热化学转化法中最具有发展潜力的生物质利用技术之一。
相比生物质原料而言，生物质热解液化产物—生物油具有能量密度高、易储存和运输方便等显著优点。生物油可以直接应用于工业锅炉、燃气轮机等设备，对生物油进行精制后可以用来代替汽车燃油。但是，生物油中氧含量高达30-40wt％(一般重油的含氧量在1wt％左右)，高位热值为16-19MJ/kg，不到石油的一半，此外，由于大量含氧不稳定化合物的存在，油加热到80℃就会发生聚合分解反应，因此油的应用范围受到很大的限制。所以，要想提高生物油的利用价值，必须对生物油进行精制处理。
生物油品质提升工艺主要有物理方法和热化学(催化)法。物理方法有乳化法和分馏精制法，可以实现对生物油有机组分的有效分离与应用，但是并没有根本改变生物油含氧量高、热值低以及热稳定性差的缺点。热化学(催化)方法主要有生物油催化裂化法以及生物油催化加氢法，催化裂化可以实现生物油的脱氧，提高生物油热值而获得较高品质的液体燃料与化学品，但是，热化学(催化)方法要对冷却后的生物油再次加热，这样不但会改变生物油的性质、破坏生物油稳定性，还大大增加了热量损耗，相比之下，一种可以一步实现生物质“热解+提质”的方法——“催化热解”，成了最理想的生物油制取方式。然而，生物质中的含氧官能团如羧基、甲氧基等会增加催化热解中催化剂结焦积炭，增加催化热解反应难度；并且，这样制取的生物油由于成分复杂，性能依然不够稳定。
因此，从生物质不同成分(氧含量不同)的理化特性出发，通过低温热解与高温催化热解相结合的方法，对生物质进行“分级热解”，降低催化剂结焦，增强工艺的连续性与稳定性；分离液体产物中不同品质的成分，使各种品质的液体燃料产物物尽其用，是实现生物油走向高值化与规模化利用的必经之路，需求十分迫切。
发明内容
技术问题：本发明旨在解决针对生物质催化热解制备生物油过程中，催化剂易结焦而丧失催化性能，带来工艺的稳定性与连续性降低问题，以及针对生物油中高含氧组分与低含氧组分分不开，没有实现液体燃料产物物尽其用的问题，提出了一种将低温热解与高温催化热解相结合的方法和装置，即一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置和方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置，包括生物质低温热解系统和高温催化热解系统；
所述生物质低温热解系统包括：料仓、第一螺旋进料器、套管、重力分离器、第一冷凝器和第二螺旋进料器；所述套管套接于第一螺旋进料器上与第一螺旋进料器同轴设置；所述第一螺旋进料器一端的进料口与料仓相连，另一端的出料口与重力分离器的进料口相连；所述重力分离器上端气体出口与第一冷凝器的进气口相连，下端生物质出口与第二螺旋进料器的进料口相连，第二螺旋进料器的出料口与高温催化热解系统中的鼓泡流化床下端进料口相连；
所述高温催化热解系统包括：鼓泡流化床、旋风分离器、第二冷凝器、风机和燃烧室；所述鼓泡流化床下端进料口与第二螺旋进料器相连，下端出料口与燃烧室相连；所述燃烧室底部设有空气进气口，上端设有与鼓泡流化床上端进料口相连的出料口；所述鼓泡流化床上端出气口与旋风分离器的入口相连，旋风分离器气体出口与第二冷凝器进口相连，旋风分离器的固体出口与燃烧室顶端相连；所述第二冷凝器的不冷凝气体出口与风机进口相连，风机出口与鼓泡流化床底部进气口相连，燃烧室顶部高温气体出口与套管的进气口相连。
进一步的，所述重力分离器以及螺旋进料器外部均包覆有保温材料。
进一步的，所述第二冷凝器为三级冷凝器。
进一步的，所述鼓泡流化床、旋风分离器、燃烧室及三者出口线路均包覆有保温材料。
进一步的，所述第一螺旋进料器和第二螺旋进料器由电机和进料装置组成。
本发明还提供一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的方法，具体步骤如下：
将生物质原料从料仓顶部加入，第一螺旋进料器将料仓底部的原料带出料仓，在推进的过程中与同轴套管中的高温气体进行热交换，当原料被加热至200-300℃后原料析出挥发物，在重力分离器中挥发物与固体分离，挥发物通过第一冷凝器，经快速冷凝而获得液体燃料；
固体产物落入重力分离器底部，经第二螺旋进料器送入鼓泡流化床，采用高温催化热解制备高品质液体燃料：固体产物进入鼓泡流化床即与其中的高温床料混合并被迅速加热到400-650℃进行催化热解；催化热解产生的热解蒸汽进入螺旋分离器，使热解蒸汽中携带的固体颗粒物经燃烧室上部返回鼓泡流化床，尔后热解蒸汽进入第二冷凝器进行三级冷凝，将低温热解蒸汽冷凝至0-30℃，获得高品质液体燃料产物，不冷凝气体经风机返回鼓泡流化床充当流化气循环使用；催化热解过程中，床料一旦结焦积碳，就会颗粒变大、质量变大，将进入燃烧室进行烧焦，烧焦后床料由燃烧室上部返回鼓泡流化床循环使用；焦炭在烧焦过程产生高温气体流向套管，为低温热解提供热源。
进一步的，所述螺旋进料器既充当进料装置又充当低温热解装置，其热解温度和热解时间由电机转速控制，工作温度为200-300℃，热解时间为15-60min，热源由套管中流过的高温气体提供。
进一步的，所述重力分离器既充当气固分离装置又充当高温热解的给料仓，分离出的低温热解蒸汽经第一冷凝器进一步分离为液体产物和不冷凝气体，第一冷凝器将低温热解蒸汽冷凝至0-30℃；
进一步的，所述旋风分离器工作温度为350-600℃，将高温热解蒸汽中的固体颗粒物分离出。
有益效果：
本发明的装置和方法具有如下的特色及优点：
1、从生物质不同成分(氧含量不同)的理化特性出发，通过低温热解与高温催化热解相结合的方法，实现了生物质的“分级热解”。
2、生物质低温热解在进料的过程中直接进行，热解产物在下一步热解进料过程中直接进行，使整体步骤变得紧凑高效。
3、与主流的生物质(循环)流化床快速热裂解制备生物油技术不同，本装置中的快速热裂解装置采用尾气循环利用，由于热解过程没有使用外来流化气，因此工艺成本低。
4、整个装置对结焦和积炭的催化剂即时烧焦，保证了催化剂的活性，使催化热解过程更稳定可靠；烧焦产生的高温气体作为低温热解的热源，实现整个装置的热源自给。
5、分级热解使得生物质中含氧较高的分子预先被脱出，改善下一步催化热解的反应特性，也将不同品质的液体燃料产物分开，使各种品质的液体燃料产物物尽其用。
附图说明
图1是本发明的生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的方法和装置示意图，其中有：
其中：生物质低温热解系统Ⅰ、生物质高温催化热解系统Ⅱ；第一螺旋进料器1、料仓2、套管3、第一冷凝器4、重力分离器5、鼓泡流化床6、旋风分离器7、第二冷凝器8，9，10、风机11、燃烧室12、第二螺旋进料器13。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
如图1所示，一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置，该装置包括生物质低温热解系统(Ⅰ)，用于预处理生物质，得到少量液体燃料，并将生物质输出给高温催化热解系统(Ⅱ)；高温催化热解系统(Ⅱ)，用于接收上述生物质，将该生物质高温催化热解，得到大量液体燃料，并为系统(Ⅰ)提供热源。具体的，所述生物质低温热解系统(Ⅰ)包括：料仓2、第一螺旋进料器1、套管3、重力分离器5、第一冷凝器4和第二螺旋进料器13；所述套管3套接于第一螺旋进料器1上与第一螺旋进料器1同轴设置；所述第一螺旋进料器1一端的进料口与料仓2相连，另一端的出料口与重力分离器5的进料口相连；所述重力分离器5上端气体出口与第一冷凝器4的进气口相连，下端生物质出口与第二螺旋进料器13的进料口相连，第二螺旋进料器13的出料口与高温催化热解系统(Ⅱ)中的鼓泡流化床6下端进料口相连；所述重力分离器5以及螺旋进料器13外部均包覆有保温材料。所述第一螺旋进料器1和第二螺旋进料器13由电机和进料装置组成。
所述高温催化热解系统(Ⅱ)包括：鼓泡流化床6、旋风分离器7、第二冷凝器8、9、10、风机11和燃烧室12；所述鼓泡流化床6下端进料口与第二螺旋进料器13相连，下端出料口与燃烧室12相连；所述燃烧室12底部设有空气进气口，上端设有与鼓泡流化床6上端进料口相连的出料口；所述鼓泡流化床6上端出气口与旋风分离器7的入口相连，旋风分离器7气体出口与第二冷凝器8、9、10进口相连，旋风分离器7的固体出口与燃烧室12顶端相连；所述第二冷凝器8、9、10的不冷凝气体出口与风机11进口相连，风机11出口与鼓泡流化床6底部进气口相连，燃烧室12顶部高温气体出口与套管3的进气口相连。所述鼓泡流化床6、旋风分离器7、燃烧室12及三者出口线路均包覆有保温材料。所述第二冷凝器8、9、10为三级冷凝器。
一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的方法，具体步骤如下：将生物质原料从料仓顶部加入，第一螺旋进料器将料仓底部的原料带出料仓，在推进的过程中与同轴套管中的高温气体进行热交换，当原料被加热至200-300℃后原料析出挥发物，在重力分离器中挥发物与固体分离，挥发物通过第一冷凝器，经快速冷凝而获得液体燃料；
固体产物落入重力分离器底部，经第二螺旋进料器送入鼓泡流化床，采用高温催化热解制备高品质液体燃料：固体产物进入鼓泡流化床即与其中的高温床料混合并被迅速加热到400-650℃进行催化热解；催化热解产生的热解蒸汽进入螺旋分离器，使热解蒸汽中携带的固体颗粒物经燃烧室上部返回鼓泡流化床，尔后热解蒸汽进入第二冷凝器进行三级冷凝，将低温热解蒸汽冷凝至0-30℃，获得高品质液体燃料产物，不冷凝气体经风机返回鼓泡流化床充当流化气循环使用；催化热解过程中，床料一旦结焦积碳，就会颗粒变大、质量变大，将进入燃烧室进行烧焦，烧焦后床料由燃烧室上部返回鼓泡流化床循环使用；焦炭在烧焦过程产生高温气体流向套管，为低温热解提供热源。
本发明所述螺旋进料器既充当进料装置又充当低温热解装置，其热解温度和热解时间由电机转速控制，工作温度为200-300℃，热解时间为15-60min，热源由套管中流过的高温气体提供。
本发明所述重力分离器既充当气固分离装置又充当高温热解的给料仓，分离出的低温热解蒸汽经第一冷凝器进一步分离为液体产物和不冷凝气体，第一冷凝器将低温热解蒸汽冷凝至0-30℃；
本发明所述旋风分离器工作温度为350-600℃，将高温热解蒸汽中的固体颗粒物分离出。
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 (9)

1.一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置，其特征在于：包括生物质低温热解系统(Ⅰ)和高温催化热解系统(Ⅱ)；
所述生物质低温热解系统(Ⅰ)包括：料仓(2)、第一螺旋进料器(1)、套管(3)、重力分离器(5)、第一冷凝器(4)和第二螺旋进料器(13)；所述套管(3)套接于第一螺旋进料器(1)上与第一螺旋进料器(1)同轴设置；所述第一螺旋进料器(1)一端的进料口与料仓(2)相连，另一端的出料口与重力分离器(5)的进料口相连；所述重力分离器(5)上端气体出口与第一冷凝器(4)的进气口相连，下端生物质出口与第二螺旋进料器(13)的进料口相连，第二螺旋进料器(13)的出料口与高温催化热解系统(Ⅱ)中的鼓泡流化床(6)下端进料口相连；
所述高温催化热解系统(Ⅱ)包括：鼓泡流化床(6)、旋风分离器(7)、第二冷凝器(8、9、10)、风机(11)和燃烧室(12)；所述鼓泡流化床(6)下端进料口与第二螺旋进料器(13)相连，下端出料口与燃烧室(12)相连；所述燃烧室(12)底部设有空气进气口，上端设有与鼓泡流化床(6)上端进料口相连的出料口；所述鼓泡流化床(6)上端出气口与旋风分离器(7)的入口相连，旋风分离器(7)气体出口与第二冷凝器(8、9、10)进口相连，旋风分离器(7)的固体出口与燃烧室(12)顶端相连；所述第二冷凝器(8、9、10)的不冷凝气体出口与风机(11)进口相连，风机(11)出口与鼓泡流化床(6)底部进气口相连，燃烧室(12)顶部高温气体出口与套管(3)的进气口相连。
2.根据权利要求1所述的一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置，其特征在于：所述重力分离器(5)以及螺旋进料器(13)外部均包覆有保温材料。
3.根据权利要求1所述的一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置，其特征在于：所述第二冷凝器(8、9、10)为三级冷凝器。
4.根据权利要求1所述的一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置，其特征在于：所述鼓泡流化床(6)、旋风分离器(7)、燃烧室(12)及三者出口线路均包覆有保温材料。
5.根据权利要求1所述的生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置，其特征在于：所述第一螺旋进料器(1)和第二螺旋进料器(13)由电机和进料装置组成。
6.利用权利要求1-5任一所述的生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的装置实现的一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的方法，其特征在于：具体步骤如下：
将生物质原料从料仓顶部加入，第一螺旋进料器将料仓底部的原料带出料仓，在推进的过程中与同轴套管中的高温气体进行热交换，当原料被加热至200-300℃后原料析出挥发物，在重力分离器中挥发物与固体分离，挥发物通过第一冷凝器，经快速冷凝而获得液体燃料；
固体产物落入重力分离器底部，经第二螺旋进料器送入鼓泡流化床，采用高温催化热解制备高品质液体燃料：固体产物进入鼓泡流化床即与其中的高温床料混合并被迅速加热到400-650℃进行催化热解；催化热解产生的热解蒸汽进入螺旋分离器，使热解蒸汽中携带的固体颗粒物经燃烧室上部返回鼓泡流化床，尔后热解蒸汽进入第二冷凝器进行三级冷凝，将低温热解蒸汽冷凝至0-30℃，获得高品质液体燃料产物，不冷凝气体经风机返回鼓泡流化床充当流化气循环使用；催化热解过程中，床料一旦结焦积碳，就会颗粒变大、质量变大，将进入燃烧室进行烧焦，烧焦后床料由燃烧室上部返回鼓泡流化床循环使用；焦炭在烧焦过程产生高温气体流向套管，为低温热解提供热源。
7.根据权利要求6所述的一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的方法，其特征在于：所述螺旋进料器既充当进料装置又充当低温热解装置，其热解温度和热解时间由电机转速控制，工作温度为200-300℃，热解时间为15-60min，热源由套管中流过的高温气体提供。
8.根据权利要求6所述的一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的方法，其特征在于：所述重力分离器既充当气固分离装置又充当高温热解的给料仓，分离出的低温热解蒸汽经第一冷凝器进一步分离为液体产物和不冷凝气体，第一冷凝器将低温热解蒸汽冷凝至0-30℃。
9.根据权利要求6所述的一种生物质双温段催化热解制备高品质液体燃料的方法，其特征在于：所述旋风分离器工作温度为350-600℃，将高温热解蒸汽中的固体颗粒物分离出。
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