CN107033937A - 新型双旋转式生物质热解液化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及再生能源利用技术领域，具体涉及一种新型双旋转式生物质热解液化系统，包括反向同心旋转式热解反应器、生物质热解汽高效冷凝收集装置，反向同心旋转式热解反应器包括壳体，壳体内设置锥形的反应筒，反应筒上部开口连接生物质喂料器及载体储仓，反应筒底部开口连接固体分离器，反应筒内同心设置螺旋绞龙，螺旋绞龙从上至下螺距逐渐减小，反应筒和螺旋绞龙分别连接电机，反应筒与螺旋绞龙旋转方向相反，螺旋绞龙转速大于反应筒转速。本发明对高温烟气的热量充分利用，具有很好的环保效果。

Description

新型双旋转式生物质热解液化系统

技术领域

本发明涉及再生能源利用技术领域，具体涉及一种新型双旋转式生物质热解液化系统。

背景技术

生物质热解液化技术是一种非常有前景的热化学转化技术，可将松散型农林废弃物转化为高能量密度生物油，为后续集中精炼提质和高值化转化制备生物基液体燃料和化学品提供基础，从而与现有的相关应用无缝接轨。就生物质裂解液化技术而言，生物质裂解制取生物油系统形式多样，但是主流设备必须具备如下特点：(1)生产稳定、成本低廉、能够长时间稳定运转；(2)生物油成分稳定，能够保障下游处理系统稳定工艺；(3)生物油成分可以调整，以适应不同用户的需要。上述基本要求正是未来生物质裂解液化技术发展的基石，可以保障生物质裂解液化技术作为集中生物质资源的手段，是分散液化、集中处理、实现产业化大规模利用生物质能的一条路线的起点。

目前，国内外已相继开发了多种不同类型的生物质热解液化系统，并且建立了示范装置，例如加拿大Ensyn和Dynamotive公司分别建立了日处理量为75吨和200吨的流化床热解示范工厂。荷兰BTG公司建立了处理能力为2吨/小时的旋转锥热解装置；德国Pytec公司目前正建立一台处理量为2吨/小时的烧蚀反应器。国内中国科学技术大学研发的流化床热解液化系统由易能公司进行产业化运行，共建设了2套万吨级/年产能的装置；山东理工大学建成了300千克/小时加工能力的下降管热解液化中试装置。

上述热解系统所需能量大都通过煤、生物质等燃烧以及直接利用电能来获得，大大增加了生物燃油的生产成本，同时造成了新的污染。燃煤电站锅炉和炼铁炼钢高炉所产生的高温废烟气余热，恰好能满足生物质热裂解液化所需热量要求，为生物燃油的生产提供“免费”能源，有效解决生物质能源生产过程中耗能过大、生产成本高等难题。

现有技术中的热解反应器主要以流化床为主，对物料的种类和粒度要求较高，适应性差，并且需要通入载气，载气用来搅动生物质物料，加快热解反应，通入的载气流入后续冷凝液化工序，增加了冷却负荷，降低了生物油收集效率。山东理工大学研制的下降管反应器不需要载气，但为了保证足够的反应时间，反应管必须有足够的长度，造成结构尺寸偏大；由于反应时间由反应管的长度及角度决定，反应时间难以调整。

另外，热解反应器的内壁会有生物质原料或炭灰附着，影响传热传质效果，需要定期对热解反应器的内壁进行清理，为设备维护增加难度及生产成本。

上述生物质热解液化过程中存在的缺陷，在很大程度上影响了生物质热解液化制油成本，制约了现有技术的工业化应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种结构简单耐用，环保节能、热效率高的新型双旋转式生物质热解液化系统，以高温废烟气余热替代煤炭、石油、电能等常规能源热裂解生物质制取生物油。

本发明采用如下技术方案：

一种新型双旋转式生物质热解液化系统，包括反向同心旋转式热解反应器、生物质热解汽高效冷凝收集装置及生物油过滤器。

反向同心旋转式热解反应器包括壳体，壳体内设置锥形的反应筒，锥形结构为上端直径大于下端直径的结构。反应筒上部开口连接生物质喂料器及载体储仓，生物质物料及载体按一定比例混合进入反应筒内。反应筒底部开口连接固体分离器，固体分离器将热解气与固体分离，固体包括载体、炭灰。反应筒内同心设置螺旋绞龙，螺旋绞龙从上至下螺距逐渐减小。反应筒和螺旋绞龙分别连接电机，电机带动旋转，反应筒与螺旋绞龙旋转方向相反，螺旋绞龙转速大于反应筒转速。所述壳体与反应筒之间的空腔内设有多层烟气折流板，上部开口的折流板与下部开口的折流板依次交替设置，即形成一条曲折的烟气通道。壳体下部设有烟气进口，壳体上部设有烟气出口，高温烟气由烟气进口进入，在折流板组成的通道空腔内流通，之后由烟气出口送出，高温烟气为反应筒内的热解反应提供热量，其中烟气来源于燃煤电站锅炉和炼铁炼钢高炉所产生的高温废烟气。

所述固体分离器上部设有热解蒸汽出口，热解蒸汽出口连接生物质热解汽高效冷凝收集装置。生物质热解汽高效冷凝收集装置内设有冷的轻质生物油，生物质热解汽高效冷凝收集装置下部设有热解气进气管，生物质热解汽高效冷凝收集装置采用汽液直接接触的方式进行蒸汽冷却。热解气进气管连接多个扩散式旋风管，扩散式旋风管设置在生物质热解汽高效冷凝收集装置底部，扩散式旋风管可使热解蒸汽以旋转流的方式进入冷凝收集装置内部。扩散式旋风管上部设有丝网，丝网可将较大的热解蒸汽气泡，破裂为小气泡，有效增大汽液接触面积，强化冷却液化效果，提高生物油收集效率。生物质热解汽高效冷凝收集装置上部设置冷生物油进口，循环轻质生物油由冷生物油进口进入。生物质热解汽高效冷凝收集装置顶部设有不凝气出口，不凝气出口处设置过滤网，用来将不凝性热解气夹带的细小液体雾滴粘附或吸附下来。生物质热解汽高效冷凝收集装置底部设有生物油出口。

所述生物质热解汽高效冷凝收集装置的生物油出口连接生物油过滤器，所述生物油过滤器包括外壳，外壳内设有旋转锥筒，旋转锥筒连接电机，旋转锥筒进口连接生物油出口，热解蒸汽经过冷凝后产生的生物油由生物油出口进入生物油过滤器的旋转锥筒内。旋转锥筒的圆周面上设有多个出油孔，轻质的生物油由出油孔甩出。旋转锥筒底部出口连接重油储罐，外壳底部出口连接轻质油储罐，所述旋转锥筒内部设有清理装置。所述清理装置包括横杆、立杆及工作杆，横杆水平设置，立杆与横杆垂直，横杆两端分别连接工作杆，横杆及立杆用来支撑工作杆。工作杆与旋转锥筒圆周表面平行，工作杆上设有清理刷，用来清理旋转锥筒内壁上粘附的重油。

所述轻质油储罐依次连接油泵及换热器后，与生物质热解汽高效冷凝收集装置的冷生物油进口连接，生物质油经过换热器交换热量后，成为温度较低的生物油，进入生物质热解汽高效冷凝收集装置，用来快速冷却热解蒸汽。

固体分离器底部设有载体螺旋输送器以及载体出口，将循环热载体及炭灰送出。载体出口以及生物质热解汽高效冷凝收集装置的不凝气出口均与提升管燃烧器连接，提升管燃烧器连接载体储仓。热载体、炭灰及不凝气的可燃成分在提升管燃烧器内充分燃烧，同时加热载体，加热后的载体送回载体储仓，载体储仓通过流量控制阀连接反应筒上部开口，载体重新进入反应筒内循环使用。

所述固体分离器的热解蒸汽出口连接旋风分离器，旋风分离器底部设有卸灰阀，旋风分离器底部连接炭灰收集箱，旋风分离器用来分离热解蒸汽中的炭灰等杂质，杂质经过卸灰阀进入炭灰收集箱。旋风分离器顶部依次连接不锈钢烧结过滤器及引风机后，与生物质热解汽高效冷凝收集装置的热解气进气管连接，热解蒸汽经过不锈钢烧结过滤器进一步的过滤后，在引风机的动力下，进入生物质热解汽高效冷凝收集装置进行冷凝。

所述新型双旋转式生物质热解液化系统包括刮板输送机，用来输送生物质物料。刮板输送机连接物料干燥机，物料干燥机连接储料箱，储料箱连接生物质喂料器。另外，反向同心旋转式热解反应器壳体上部的烟气出口连接物料干燥机，充分利用烟气余热来干燥生物质物料。

所述载体选用黄砂、煤矸石、石英砂、不锈钢球或陶瓷蓄热球中的一种，载体硬度大于生物质原料的硬度。

为了实现更优化的结构布置，所述电机通过链条、链轮结构连接反应筒，另外，生物油过滤器中的旋转锥筒同样由电机通过链条、链轮结构带动。

本发明生产生物质油的工作过程为：

生物质物料与载体颗粒分别在生物质喂料器和流量控制阀的作用下按一定体积比(可根据需要在1:1至100:1范围内变化)送入反向同心旋转式热解反应器的锥形反应筒内。燃煤电站锅炉和炼铁炼钢高炉所产生的高温废烟气(600℃以上)送入反向同心旋转式热解反应器内部，依次流过气体折流板组成的烟气通道，从上部烟气出口排出，高温废烟气为反应筒内的热解反应提供热量。锥形的反应筒和螺旋绞龙逆向旋转，中心螺旋绞龙以较高速度旋转，生物质物料和固体载体颗粒在离心力作用下甩至反应筒内壁上，期间生物质物料迅速热解，锥筒以相反方向慢速旋转，使炭灰及载体颗粒顺利从内壁上滑落。反应产生的热解蒸汽经过分离去杂质后，送入生物质热解汽高效冷凝收集装置进行冷凝液化，生物质热解汽高效冷凝收集装置内的轻质生物油与热解蒸汽直接接触，使热解蒸汽快速降温，冷凝为液体生物油。生产出的生物油经生物油过滤器将重油及轻油分离。

本发明的优点及有益效果为：

1)本发明反向同心旋转式热解反应器采用锥形反应筒，锥形反应筒和螺旋绞龙逆向旋转，生物质物料和固体载体颗粒在离心力作用下甩至反应筒内壁上，剧烈的碰撞可加速生物质物料的热解速度及程度，生物质物料反应迅速、彻底，反应过程无需载气来搅动，大大降低了热解蒸汽冷却与载气预热耗能。反应筒以相反方向慢速旋转，使炭灰、载体颗粒顺利从内壁上滑落。利用反向同心旋转式热解反应器的上述优势，可对粒状，甚至块状的生物质物料进行热解。通过改变螺旋绞龙的旋转速度，可有效调节生物质物料在反向同心旋转式热解反应器内的滞留时间，实现对热解产物分布的定向调控。

2)反向同心旋转式热解反应器内的折流板结构，可极大的保留高温废烟气的热量，并且，通过控制高温烟气流量和气体折流板数，实现反向同心旋转式热解反应器温度的精确可控。

3)反向同心旋转式热解反应器内的载体具有强化多相流动、传热、清洁反应筒内壁的作用，可有效避免炭灰粘附在反应器内壁上，提高热解转化效率。此外，载体还可作为热载体，通过热载体直接加热与高温烟气间接加热相结合方式实现生物质快速热解，高能量利用效率。作为热载体时，循环流动使用，落下后提升重复利用。其中，反应筒内设置载体时，清洁反应筒内壁的清洁效率为95％以上，传统的不加热载体的清洁效率不足70％，会影响传热效率。

4)生物质热解汽高效冷凝收集装置采用循环生物油作为冷却介质，采用气液直接接触的方式进行热解蒸汽液化，热解蒸汽直接进入冷的生物油中，有效进行汽液接触，冷凝迅速有效。扩散式旋风管及丝网结构均可增加汽、液的接触面积，使得热解蒸汽冷凝充分，生物油收集效率提高10％以上。

5)生物油过滤器结构新颖，采用旋转锥筒结合其表面的出油孔的结构形式，将轻质生物油采出，可根据出油孔大小调整轻质油的质量，并且使用清理装置，有效地将附着的重油清理。

6)本发明对高温烟气的热量充分利用，在对反向同心旋转式热解反应器加热完毕后，利用余热对物料进行干燥；另外，提升管燃烧器对载体进行加热，将可燃的物质充分利用，具有很好的环保效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为反向同心旋转式热解反应器及固体分离器的结构示意图；

图3为生物质热解汽高效冷凝收集装置及生物油过滤器的结构示意图；

图4为扩散式旋风管的俯视结构示意图。

其中，1-刮板输送机，2-物料干燥机，3-储料箱，4-生物质喂料器，5-反向同心旋转式热解反应器，501-烟气出口，502-壳体，503-烟气进口，504-折流板，505-反应筒开口，506-减速电机，507-链轮，508-螺旋绞龙，509-中心轴，510-窑炉轴承，511-密封环，512-调速电机，513-反应筒，6-固体分离器，7-调速电机，8-载体螺旋输送器，9-热解蒸汽出口，10-载体出口，11-旋风分离器，12-卸灰阀，13-炭灰收集箱，14-不锈钢烧结过滤器，15-生物油过滤器，151-调速电机，152-外壳，153-旋转锥筒，154-工作杆，155-清理刷，156-出油孔，157-横杆，158-立杆，16-提升管燃烧器，17-油泵，18-换热器，19-生物质热解汽高效冷凝收集装置，191-热解气进气管，192-扩散式旋风管，193-过滤网，194-冷生物油进口，195-丝网，196-生物油出口，197-不凝气出口，20-引风机，21-载体储仓，22-流量控制阀，23-重油储罐，24-轻质油储罐。

具体实施方式

具体实施例

如图1所示，一种新型双旋转式生物质热解液化系统，包括刮板输送机1及载体储仓21。刮板输送机1依次连接物料干燥机2、储料箱3及生物质喂料器4后，与反向同心旋转式热解反应器5的反应筒开口505连接。载体储仓21通过下部流量控制阀22与反应筒开口505连接。反向同心旋转式热解反应器5下部连接固体分离器6，固体分离器的热解蒸汽出口9依次连接旋风分离器11、不锈钢烧结过滤器14、引风机20后，与生物质热解汽高效冷凝收集装置19连接。生物质热解汽高效冷凝收集装置19底部连接生物油过滤器15，生物油过滤器15底部分别连接重油储罐23及轻质油储罐24。固体分离器的载体出口10连接提升管燃烧器16，提升管燃烧器16与载体储仓21连接，热载体循环使用。

所述载体选用石英砂。

其中，如图1、图2所示，所述反向同心旋转式热解反应器5包括壳体502，壳体502内设置锥形的反应筒513，锥形结构上端直径大于下端直径。反应筒开口505连接生物质喂料器4及载体储仓21，反应筒513底部开口连接固体分离器6，反应筒与固体反应器之间设有密封环511。反应筒513内同心设置螺旋绞龙508，螺旋绞龙包括中心轴509及螺旋体，螺旋绞龙508的螺距从上至下逐渐减小。反应筒513过链条、链轮507结构与减速电机506连接，反应筒513与壳体502之间设有窑炉轴承510。螺旋绞龙508的中心轴509连接调速电机512。反应筒513与螺旋绞龙508旋转方向相反，螺旋绞龙508转速大于反应筒513转速。

所述壳体502与反应筒513之间的空腔内设有多层烟气折流板504，上部开口的折流板与下部开口的折流板依次交替设置，即形成一条曲折的烟气通道。壳体下部设有烟气进口503，壳体上部设有烟气出口501，烟气出口501连接物料干燥机2，烟气来源于燃煤电站锅炉和炼铁炼钢高炉所产生的高温废烟气。

所述固体分离器6上部设有热解蒸汽出口9，底部设有载体螺旋输送器8以及载体出口10，载体螺旋输送器8连接调速电机7。

如图1、图3所示，生物质热解汽高效冷凝收集装置19内设有冷的轻质生物油，生物质热解汽高效冷凝收集装置19下部设有热解气进气管191，热解气进气管191连接引风机20。热解气进气管191连接四个扩散式旋风管192，扩散式旋风管192设置在生物质热解汽高效冷凝收集装置底部，如图4所示，扩散式旋风管依次排列设置。扩散式旋风管192上部设有丝网195。生物质热解汽高效冷凝收集装置上部设置冷生物油进口194，冷生物油进口194通过换热器18及油泵17与轻质油储罐24连接。生物质热解汽高效冷凝收集装置顶部设有不凝气出口197，不凝气出口197处设有过滤网193，不凝气出口197排出的不凝气体通入提升管燃烧器16中处理。生物质热解汽高效冷凝收集装置底部设有生物油出口196。

生物油出口196连接生物油过滤器15，生物油过滤器包括外壳152，外壳152内设有旋转锥筒153，旋转锥筒153连接调速电机151，调速电机151通过链条链轮结构与旋转锥筒153连接，带动其转动，旋转锥筒与外壳之间设滚动轴承。旋转锥筒153进口连接生物油出口196，旋转锥筒153的圆周面上设有多个出油孔156，轻质的生物油由出油孔156甩出。旋转锥筒153底部出口连接重油储罐23，外壳152底部出口连接轻质油储罐24。所述旋转锥筒153内部设有清理装置，清理装置包括横杆157、立杆158及工作杆154，横杆157水平设置，立杆158与横杆157垂直，横杆157两端分别连接工作杆154，横杆及立杆用来支撑工作杆。工作杆154与旋转锥筒153圆周表面平行，工作杆154上设有清理刷155。

所述旋风分离器11底部设有卸灰阀12，旋风分离器11底部连接炭灰收集箱13。

Claims (10)

1.一种新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，包括反向同心旋转式热解反应器及生物质热解汽高效冷凝收集装置，反向同心旋转式热解反应器包括壳体，壳体内设置锥形反应筒，反应筒上部开口连接生物质喂料器及载体储仓，反应筒底部开口连接固体分离器，反应筒内同心设置螺旋绞龙，螺旋绞龙从上至下螺距逐渐减小，反应筒和螺旋绞龙分别连接电机，反应筒与螺旋绞龙旋转方向相反，螺旋绞龙转速大于反应筒转速，所述壳体与反应筒之间设有多层烟气折流板，上部开口的折流板与下部开口的折流板依次交替设置，壳体下部设有烟气进口，壳体上部设有烟气出口，高温烟气在折流板组成的空腔内流通。

2.根据权利要求1所述的新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，所述固体分离器上部设有热解蒸汽出口，热解蒸汽出口连接生物质热解汽高效冷凝收集装置，生物质热解汽高效冷凝收集装置内部设有生物油，下部设有热解气进气管，热解气进气管连接多个扩散式旋风管，扩散式旋风管设置在生物质热解汽高效冷凝收集装置底部，扩散式旋风管上部设有丝网，生物质热解汽高效冷凝收集装置上部设置冷生物油进口，生物质热解汽高效冷凝收集装置顶部设有不凝气出口，生物质热解汽高效冷凝收集装置底部设有生物油出口。

3.根据权利要求2所述的新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，所述生物质热解汽高效冷凝收集装置的生物油出口连接生物油过滤器，生物油过滤器包括外壳，外壳内设有旋转锥筒，旋转锥筒连接电机，旋转锥筒进口连接生物油出口，旋转锥筒的圆周面上设有多个出油孔，旋转锥筒底部出口连接重油储罐，外壳底部出口连接轻质油储罐，所述旋转锥筒内部设有清理装置。

4.根据权利要求3所述的新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，所述清理装置包括横杆、立杆及工作杆，横杆水平设置，立杆与横杆垂直，横杆两端分别连接工作杆，工作杆与旋转锥筒圆周表面平行，工作杆上设有清理刷。

5.根据权利要求3或4所述的新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，所述轻质油储罐依次连接油泵及换热器后，与生物质热解汽高效冷凝收集装置的冷生物油进口连接。

6.根据权利要求2所述的新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，固体分离器底部设有载体螺旋输送器以及载体出口，载体出口以及生物质热解汽高效冷凝收集装置的不凝气出口均与提升管燃烧器连接，提升管燃烧器连接载体储仓，载体储仓通过流量控制阀连接反向同心旋转式热解反应器上部进口。

7.根据权利要求2所述的新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，所述固体分离器的热解蒸汽出口连接旋风分离器，旋风分离器顶部依次连接不锈钢烧结过滤器及引风机后，与生物质热解汽高效冷凝收集装置的热解气进气管连接，旋风分离器底部设有卸灰阀，旋风分离器底部连接炭灰收集箱。

8.根据权利要求1、2或3所述的新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，所述新型双旋转式生物质热解液化系统包括刮板输送机，刮板输送机连接物料干燥机，物料干燥机连接储料箱，储料箱连接生物质喂料器，反向同心旋转式热解反应器壳体上部的烟气出口连接物料干燥机。

9.根据权利要求1所述的新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，所述载体选用黄砂、煤矸石、石英砂、不锈钢球或陶瓷蓄热球中的一种。

10.根据权利要求1所述的新型双旋转式生物质热解液化系统，其特征是，所述电机通过链条、链轮结构连接反应筒。