CN108003902B - 一种生物质快速热解系统及热解方法 - Google Patents

Abstract

一种生物质快速热解系统，以生物质热解产生的热解气作为热载体，在热解炉内与生物质直接接触加热，使生物质热解，其中，一部分所述热解气用于燃烧加热所述热载体。热载体与热解气成分相同，不需要增加分离工艺，而热载体对生物质进行直接加热能大大增加反应速率，提高了热效率，真正实现了生物质的高效利用。本发明的热解系统结构简单，方便易用，改变了传统热解工艺间接加热的方式，热解炉体积也能大大缩小，热解效率大大提高，既节约了投资成本又增加了产出率。

Description

一种生物质快速热解系统及热解方法

技术领域

本发明涉及生物质热解技术领域，尤其是一种利用生物质自身产生的热解气作为热载体和燃气进行快速热解的系统及热解方法。

背景技术

随着我国经济快速发展，能源消耗日益增加，资源不足与能源消耗增长之间的矛盾将变得更为突出，而生物质能是地球上储量最大的可再生能源，我国生物质资源十分丰富，将生物质高效转化为高品位的洁净能源是解决能源短缺和环境污染的有效途径。生物质能快速热解是指在无氧或限氧的条件下，将生物质快速升温至550℃左右，生成生物油、生物炭和热解气的过程。热解技术是唯一一种能将生物质能源直接转化为液体燃料和气体燃料的技术。目前的生物质快速热解主要都是在加热设备外部加热，或者通入惰性气体进行直接加热。前者属于间接加热，热源无法与物料直接接触，热解效率低；而间接热解炉内腔为生物质物料，外层为热载体，热解炉体积相应增大；如果内腔直径过大，则需要更多的反应时间和更高温度的热载体，因此也限制了热解炉大型化。后者由于热解气中混入了惰性气体，其缺点在于热解完成后的得到热解气热值低，提高热解气热值需要进行再次分离的工艺，增加分离成本和惰性气体成本。

发明内容

鉴于以上分析，针对现有方案中的不足，本发明旨在提供一种利用生物质自身产生的热解气作为热载体和燃气进行快速热解的系统及热解方法。生物质分解产生的热解气分为两部分，一部分作为热载体加热炉的燃料，燃烧后用来加热热载体，另一部分热解气直接作为热载体使用，直接通入热解炉中加热生物质物料。本发明中热解气与相同成分的热载体气体混合在一起，不需要再进行分离工艺，节省成本，同时增加热解过程的反应速率，使热解效率大大提高，实现了生物质的高效利用。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种生物质快速热解系统，以生物质热解产生的热解气作为热载体，在热解炉内与生物质直接接触加热，使生物质热解，其中，一部分所述热解气用于燃烧加热所述热载体。

生物质分解产生的热解气，一部分作为热载体加热炉的燃料，另一部分热解气直接作为热载体使用，当热解过程进行到一定程度时，不需外部再提供能源就可以完成热解过程，能够实现生物质的高效利用。热载体与热解气成分相同，不需要额外增加热解气分离工艺和设备，而热载体与物料直接接触，大大增加反应速率。

进一步地，所述系统包括热解炉，间冷器，过滤器，储气罐和热载体加热炉，其中：所述热解炉的热解气出口，间冷器，过滤器，热载体加热炉和热解炉的热载体进口顺次连接形成热载体循环管道；所述间冷器和热载体加热炉之间设置储气罐，所述储气罐通过三通管与所述热载体循环管道连接；所述储气罐与热载体加热炉的燃气管道连接。

进一步地，所述热解炉包括热解罐，进料斗，半焦出料斗，热载体进口和热解气出口，其中，所述进料斗和半焦出料斗分别设置在热解罐的上部和下部；所述热解气出口和热载体进口分别设置在热解罐侧壁的上部和下部；所述进料斗和半焦出料斗为半封闭式料斗；所述热解罐为单层热解罐。

为了保证系统中不会混入空气，避免出现爆炸危险，把进料斗和半焦出料斗设置为半封闭式料斗，投料时，先将物料投进进料斗，进料斗与外界隔绝开后，物料再进入热解罐；出料时，半焦料先进入出料斗，出料斗与热解罐隔绝后，半焦料再进入接料装置，使热解系统与外界完全隔绝。本发明的热解系统为直接接触热解，因此单层热解罐就能够实现，而无需再设置双层热解罐了。

进一步地，所述热载体加热炉为蓄热式加热炉，其中，空气管道与鼓风机相连，烟气管道与外界空气相连；燃气管道通过三通管与所述储气罐和外部燃气接口连接；热载体管道输入端通过三通管与所述热载体循环管道和外部热载气接口连接。

热载体加热炉采用蓄热式加热方式，能有效回收余热，尽最大可能不浪费能源。

进一步地，所述间冷器内设置多排冷凝管，下部设置冷凝液出口，侧壁设置冷凝气出口；所述间冷器的数量为1-3组。

间冷器中热解气与多排水冷管道充分接触，使热解气得到快速冷却，得到的焦油冷凝液从冷凝液出口排出，此处间冷器不限于一组，也可以设置多组，对热解气进行多级冷却，使得冷却后的热解气含有尽量少的焦油。

进一步地，所述热载体循环管道上还设有瓦斯排送机，所述瓦斯排送机位于过滤器和储气罐之间。

瓦斯排送机能够将间冷器出口处的热解气抽到过滤器中，也可将热解气送至热载体加热炉中，增加热载体循环管道中热解气的流量。尤其在反应的最初阶段，热载体循环管道中的热解气很少，气体压力不足，增加瓦斯排送机能够增加气体流量，使热解气的流动速度增加，热解过程更加顺畅。

进一步地，靠近所述热解气出口处设置多级过滤网。

热解气出口处设置的多级过滤网，能够把热解气中大部分的粉尘过滤掉，净化热解气，避免管道发生堵塞。

进一步地，所述过滤器内设置多级过滤网。

过滤器内设置多级过滤网，能够继续过滤掉气体中的粉尘和焦油，使得冷却后的热解气含有尽量少的焦油，避免管道堵塞。此处设置的过滤网与热解气出口处的多级过滤网配合，就能够使热解气得到净化，后续无需再设置过滤装置对进行热解气的净化，使整个系统对热解气的净化处理更加简单，降低成本。

进一步地，所述系统内设置氧含量浓度实时监测装置。

半封闭式料斗的设置能够保证系统内不混入空气，在系统内设置氧含量浓度实时监测装置，能够实时监测管道内的氧气含量，避免产生爆炸危险，使系统的运行更加安全。

本发明还提供一种生物质快速热解方法，包括以下步骤：

步骤一、热载体加热炉将热载体加热到设定温度及以上，加热后的热载体进入热解炉中；当储气罐内没有热解气时，热载体及燃气均由外部供给；当储气罐内储存的热解气达到设置压力时，热载体及燃气均由储气罐内的热解气供给；

步骤二、物料进入进料斗后，所述进料斗上端关闭，下端打开，进料斗与热解罐连通，所述物料进入热解罐中，进料斗下端关闭，所述物料在热解罐中与热载体直接接触进行热解；

步骤三、热解产生的热解气进入间冷器冷却，冷却得到的焦油冷凝液从冷凝液出口排出，冷却后的热解气进入过滤器过滤；

步骤四、过滤后的热解气进入热载体加热炉加热后，作为热载体进入热解罐中继续参与热解；

步骤五、随着热解过程的继续，热载体循环管道内的热解气逐渐增加，当间冷器出口处的气体流量达到设定供气流量时，停止外部供给热载体；

步骤六、多余的热解气进入储气罐，当储气罐内储存的热解气达到设置压力时，停止外部燃气供给，储气罐与热载体加热炉的燃气管道连通，热载体加热炉的燃气由储气罐中的热解气供给，直至全部物料热解完成，此时储气罐中的热解气可为下一次热解过程提供燃气及热载气；

步骤七、热解完成后，出料斗上端打开，热解罐与出料斗连通，热解罐内的半焦料进入出料斗后，所述出料斗上端关闭，下端打开，出料斗内的半焦料进入接料装置后，出料斗下端关闭

本发明有益效果如下：

本发明旨在提供一种利用生物质自身产生的热解气作为热载体和燃气进行快速热解的系统及热解方法。用生物质自身分解产生的热解气燃烧来加热热载体，热载体本身就是热解气，加热后的热载体通入热解罐中，真正实现了生物质的高效利用。热载体与热解气成分相同，不需要额外增加热解气分离工艺和设备，减少了投资，而热载体与物料直接接触，大大增加反应速率。热载体对生物质进行直接加热，热载体的温度就是生物质完全热解的温度即可，而间接加热的热载体温度需要增加100-200℃，传导到内部的温度才能达到热解温度。传统热解工艺用间接加热，物料在热解罐的内腔，外壁通热载体气体，如果内腔直径过大，外壁的热载体气体很难加热到内腔中心，这也限制了间接热解炉的大型化，相同容积内腔的情况下，间接热解炉的体积比直接热解炉的体积最少大40％，本发明中的只需单层热解罐就能够进行热解过程，减小热解炉体积，热解罐的加工更加简单，进一步降低了成本。通过设置半封闭式进料斗及半焦出料斗，保证系统中不会混入空气，避免出现爆炸危险，使系统的运行更加安全稳定。热载体加热炉采用蓄热式加热方式，能有效回收余热，尽最大可能不浪费能源。本热解系统结构简单，方便易用，所述热解方法改变了传统热解工艺间接加热的方式，热解炉体积也能大大缩小，热解效率大大提高，减少了能源消耗，既节约了投资成本又增加了产出率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是生物质快速热解系统的结构示意图。

其中：1-进料斗，2-热解罐，3-半焦出料斗，4-间冷器，5-过滤器，6-瓦斯排送机，7-储气罐，8-鼓风机，9-热载体加热炉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

图1为本发明生物质热解系统的结构示意图。该系统包括：热解炉，间冷器4，过滤器5，瓦斯排送机6，储气罐7和热载体加热炉9。

热解炉包括热解罐2、设置在热解罐2上部的进料斗1和设置在热解罐2下部的半焦出料斗3，其中进料斗1和出料斗均为半封闭式的料斗，投料时，先将物料投进进料斗1，进料斗1与外界隔绝开后，物料再进入热解罐2；出料时，半焦料先进入出料斗，出料斗与热解罐2隔绝后，半焦料再进入接料装置，使热解系统与外界完全隔绝。本实施例中，通过在热解罐2与进料斗1、半焦出料斗3之间设置自动闸板，将热解罐2和两个料斗隔开，保证进出料过程中不会混入空气。热解炉的热载体进口设置在热解罐2侧壁靠近底部位置，热解气出口设置在热解罐2侧壁靠近上部位置，进出口具体位置根据厂区前后工艺布置来确定。热解炉通过热载体进口与热载体加热炉9相连，通过热解气出口与间冷器4相连。热载体循环关道靠近热解气出口处设置多级过滤网，防止热解粉尘进入间冷器4混入冷凝液中，净化热解气，避免管道发生堵塞。

间冷器4中设置多排冷凝管，冷凝管通循环冷却水，间冷器4下部设置热解气冷凝液出口，侧壁设置热解气出口，间冷器4分别与热解气出口和过滤器5相连。

过滤器5内设置多级过滤网，防止冷凝液和粉尘进入后面管道中，保证管道不会堵塞和气体的纯度。过滤器5入口与间冷器4的热解气出口连接，过滤器5出口依次与瓦斯排送机6、热载体加热炉9连接，瓦斯排送机6保证冷凝后的热解气能够有足够的压力克服后续管道阻力，使系统的运行更加顺畅。尤其在反应的最初阶段，热载体循环管道中的热解气很少，气体压力不足，增加瓦斯排送机6能够增加气体流量，使热解气的流动速度增加。

储气罐7通过三通管与瓦斯排送机6和热载体加热炉9的燃气管道相连，在热载体循环管路压力没有达到设定压力值时，热载体循环管路通向储气罐7的管路阀门关闭，当达到设定压力值时，阀门打开，一部分热解气流向储气罐7内。储气罐7另有一路出气管与气体加热炉的燃气管道相连，当储气罐7压力达到设定值时，储气罐7内充装的热解气能够作为热载体加热炉9的燃料。

热载体加热炉9为蓄热式加热炉，可以最有效利用烟气余热。热载体加热炉9燃气管道与储气罐7连接，空气管道与鼓风机8相连，烟气管道直接排出室外，热载体加热炉9冷风管道通过三通管与瓦斯排送机6和储气罐7相连，热载体管道与热解炉热载体进口连接。

本发明的生物质热解系统的工作方法包括以下步骤：

a.开始时热载体加热炉9的空气由鼓风机8鼓入，燃气由外部供入，如果开始储气罐7内储存有足够热解气，即热解气压力达到预设压力值时，热载体可以直接由储气罐7内热解气供给，燃气也可以直接由储气罐7内热解气供给。热载体由外部供入，本实施例中外部供入的热载体为氮气，也可为其它惰性气体。热载体加热炉9把氮气加热到预设温度值及以上，本实施例中设置的温度为800℃。生物质完全热解温度在500℃左右，因此需要保证热解罐2内的温度达到500℃，才能最快最有效反应完全。热解气从热载体加热炉9到热解炉出口，经过管道和生物质反应，温度会有所下降，如果热解炉出口处温度达不到500℃，可能会影响热解反应。因此，此处的预设温度值以热解炉热解气出口温度达到500℃，能够使生物质完全热解为准，以此标准来进行调整热载体加热炉9出口温度，不限于本实施例中的800℃。

b.经过热载体加热炉9加热到800℃以上的热载体进入热解炉中，开始投放生物质物料。将生物质粉料或块料通过进料口加入到热解罐2中，在热解罐2中完成热解过程；热解后的半焦由热解炉下部的半焦出料口排出，其中进料斗1和半焦出料斗3为半封闭式料斗，本实施例中进料斗1和半焦出料斗3与热解罐2、与外界均设置闸板进行封闭，形成相互独立的空间，同时在进料斗1和半焦出料斗3内通入热载体或者氮气，保证热解罐2内的无氧环境。进料时，打开进料斗1上部闸板，开始进料，进料完毕时，关闭进料斗1上部闸板阀，打开进料斗1下部闸板阀，物料就进入热解罐2；出料时，打开半焦出料斗3上部闸板阀，热解后的半焦落入半焦出料斗3，然后关闭半焦出料斗3上部闸板阀，再打开半焦出料斗3下部闸板阀，半焦就落入下部接料装置。除本实施例中设置的闸板进行封闭外，还可设置其它形式，形成半封闭式的进料斗1和半焦出料斗3，保证进料斗1、半焦出料斗3和热解罐2之间的相互独立密封。本发明中的生物质物料可以为粉料，也可以为压块物料，因为该热解系统为热载体直接与物料接触进行直接加热，反应速度快，即使压块内部物料也会完全热解，压块还能解决生物质特别是秸秆等物料存储运输等问题。

c.热解产生的油气通过热解气出口处的过滤网，把大部分粉尘过滤掉，然后进入间冷器4，在间冷器4中热解气与多排水冷管道充分接触，热解气快速冷却，得到的焦油冷凝液从间冷器4下部的冷凝液出口排入冷凝液储罐中，冷却后的热解气从侧壁的冷凝气出口进入热载体循环管道内。此处间冷器4的数量不限于一组，也可以设置多组，如2-3组，对热解气进行多级冷却过滤，使得冷却后的热解气含有尽量少的焦油。

d.冷凝后的气体被瓦斯排送机6继续抽到过滤器5中，该过滤器5也会设置多级过滤网，继续过滤掉气体中的粉尘和焦油，再次对热解气进行净化，防止管道堵塞。

e.冷凝后的热解气经过瓦斯排送机6被送到热载体加热炉9中，经过加热到800℃后作为热载气进入热解罐2中。

f.经过上述步骤循环，管道内的热解气越来越多，当间冷器4出口处的气体流量达到设计供气流量时，代表管道内的热解气已经足够满足热解生物质的需求时，切断外部氮气。

g.热解过程继续，此时产生多余的热解气会经过储气罐7前的单向阀进入储气罐7，当储气罐7达到预设压力后，切断热载体加热炉9的外部燃料，储气罐7与热载体加热炉9的连接阀门开启，热载体加热炉9的加热燃料切换为储气罐7中的热解气。

h.上述过程循环进行，随着热解过程的进行，当产生的热解气在能够满足作为热载体及燃料需求的同时，还剩余热解气，即储气罐7中热解气再次达到预设压力时，储气罐7内与外部储气系统的连接管道开启，多余的热解气输送到相应管道或者外部储气系统中。

i.热解完成时，热解罐2内的半焦经过半焦出料斗3排入接料装置中，再次投放物料进行下一次热解，此时热解需要的燃气和热载气就由储气罐7内的热解气供给，热解过程中可以省略上面f、g两步骤，产生的多余热解气直接进储气罐7，其余热解气在管路中循环作为热载体气体。

本发明在系统管路中设置氧含量浓度实时监测装置，配合半封闭式的料斗，系统各处接口与外界完全隔绝，保证系统中不会混入空气，避免发生爆炸危险。

与非热载体直接加热方式相比，本发明的热解时间大大缩短，传统间接加热的热解方式不含装出料大约需要8小时，而本发明的热解时间只需要一个多小时，大大增加反应速率。间接加热的热载体温度需要增加100-200℃，传导到内部的温度才能达到热解温度，本发明只需将热解炉热解气出口温度控制在500℃以上即可。传统热解工艺用间接加热，物料在热解罐2的内腔，外壁通热载体气体，如果内腔直径过大，则外壁的热载体气体很难加热到内腔中心，这也限制了间接热解炉的大型化，相同容积内腔的情况下，本发明的热解罐2为单层热解罐，而间接热解炉的体积比直接热解炉的体积最少大40％。本发明的热解系统结构简单，方便易用，改变了传统热解工艺间接加热的方式，热解炉体积也能大大缩小，热解效率大大提高，既节约了投资成本又增加了产出率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种生物质快速热解系统，其特征在于，以生物质热解产生的热解气作为热载体，在热解炉内与生物质直接接触加热，使生物质热解，其中，一部分所述热解气用于燃烧加热所述热载体；

所述系统包括热解炉，间冷器，过滤器，储气罐和热载体加热炉，其中：所述热解炉的热解气出口，间冷器，过滤器，热载体加热炉和热解炉的热载体进口顺次连接形成热载体循环管道；所述间冷器和热载体加热炉之间设置储气罐，所述储气罐通过三通管与所述热载体循环管道连接；所述储气罐与热载体加热炉的燃气管道连接；

储气罐内与外部储气系统连接，多余的热解气输送到相应管道或者外部储气系统中；

所述热解炉包括热解罐，进料斗，半焦出料斗，热载体进口和热解气出口，其中，所述进料斗和半焦出料斗分别设置在热解罐的上部和下部；所述热解气出口和热载体进口分别设置在热解罐侧壁的上部和下部；所述进料斗和半焦出料斗为半封闭式料斗；所述热解罐为单层热解罐；

所述热载体加热炉为蓄热式加热炉，其中，空气管道与鼓风机相连，烟气管道与外界空气相连；燃气管道通过三通管与所述储气罐和外部燃气接口连接；热载体管道输入端通过三通管与所述热载体循环管道和外部热载气接口连接；

所述间冷器内设置多排冷凝管，下部设置冷凝液出口，侧壁设置冷凝气出口；所述间冷器的数量为1-3组；

所述热载体循环管道上还设有瓦斯排送机，所述瓦斯排送机位于过滤器和储气罐之间；

靠近所述热解气出口处设置多级过滤网；

所述过滤器内设置多级过滤网；

所述系统内设置氧含量浓度实时监测装置；

在热解罐与进料斗、半焦出料斗之间设置自动闸板，将热解罐和两个料斗隔开，保证进出料过程中不会混入空气；

开始时热载体加热炉的空气由鼓风机鼓入，燃气由外部供入；

经过热载体加热炉加热到800℃以上的热载体进入热解炉中，开始投放生物质物料；将生物质粉料或块料通过进料口加入到热解罐中，在热解罐中完成热解过程；热解后的半焦由热解炉下部的半焦出料口排出；

进料时，打开进料斗上部闸板，开始进料，进料完毕时，关闭进料斗上部闸板阀，打开进料斗下部闸板阀，物料就进入热解罐；出料时，打开半焦出料斗上部闸板阀，热解后的半焦落入半焦出料斗，然后关闭半焦出料斗上部闸板阀，再打开半焦出料斗下部闸板阀，半焦就落入下部接料装置；

热解产生的油气通过热解气出口处的过滤网，把大部分粉尘过滤掉，然后进入间冷器，在间冷器中热解气与多排水冷管道充分接触，热解气快速冷却，得到的焦油冷凝液从间冷器下部的冷凝液出口排入冷凝液储罐中，冷却后的热解气从侧壁的冷凝气出口进入热载体循环管道内。

2.一种生物质快速热解方法，其特征在于，采用权利要求1所述的生物质快速热解系统，包括以下步骤：

步骤一、热载体加热炉将热载体加热到设定温度及以上，加热后的热载体进入热解炉中；当储气罐内没有热解气时，热载体及燃气均由外部供给；当储气罐内储存的热解气达到设置压力时，热载体及燃气均由储气罐内的热解气供给；所述设定温度为800℃；

步骤二、物料进入进料斗后，所述进料斗上端关闭，下端打开，进料斗与热解罐连通，所述物料进入热解罐中，进料斗下端关闭，所述物料在热解罐中与热载体直接接触进行热解；

步骤三、热解产生的热解气进入间冷器冷却，冷却得到的焦油冷凝液从冷凝液出口排出，冷却后的热解气进入过滤器过滤；

步骤四、过滤后的热解气进入热载体加热炉加热后，作为热载体进入热解罐中继续参与热解；

步骤五、随着热解过程的继续，热载体循环管道内的热解气逐渐增加，当间冷器出口处的气体流量达到设定供气流量时，停止外部供给热载体；

步骤六、多余的热解气进入储气罐，当储气罐内储存的热解气达到设置压力时，停止外部燃气供给，储气罐与热载体加热炉的燃气管道连通，热载体加热炉的燃气由储气罐中的热解气供给，直至全部物料热解完成，此时储气罐中的热解气可为下一次热解过程提供燃气及热载气；

随着热解过程的进行，当产生的热解气在能够满足作为热载体及燃料需求的同时，还剩余热解气，即储气罐中热解气再次达到预设压力时，储气罐内与外部储气系统的连接管道开启，多余的热解气输送到相应管道或者外部储气系统中；

步骤七、热解完成后，出料斗上端打开，热解罐与出料斗连通，热解罐内的半焦料进入出料斗后，所述出料斗上端关闭，下端打开，出料斗内的半焦料进入接料装置后，出料斗下端关闭。

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