CN108342211A - 一种新型生物质热解综合利用工艺以及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种新型生物质热解综合利用工艺以及系统，以粉碎后的生物质粒料等为原料，以轻型氧化铝陶瓷球及添加部分沸石、蛇纹岩、石英石为热载体通过高压气体使其混合均匀，控制温度和压力，使其在热解提升反应器中进行裂解，再经过多级分离和分馏，得到生物质硅钾肥、生物炭、生物质木醋液液、生物质焦油和不可冷凝的可燃气体，从各而实现对所有产品进行综合利用。
Description
技术领域
本发明涉及生物质能源领域，具体是一种新型生物质热解综合利用工艺。
背景技术
21世纪世界上面临着经济增长和环境保护的双重压力，因此开发利用可在再生的新型清洁能源对建立可持续的能源系统，促进经济发展和环境保护具有重大意义。生物质能作为唯一一种以固态形式存在，且可储存的新型能源，其对于经济社会的可持续发展具有非常重要的意义。
生物质能的利用方式包括气化、固化和液化三种。其中又以生物质液化为最主要的利用方式。生物质热解液化技术是生物质在隔绝氧气的条件下迅速受热裂解，并且快速冷凝的化学过程，传统的热解技术获得的产物主要为生物质焦油(山东泰然新能源有限公司中国专利：一种高效生物质热解制燃料油生产工艺)，热值一般在20MJ/kg左右，可作为燃料在锅炉中使用，也可以经过精炼后应用于内燃机、燃气轮机等动力装置。但随着研究的进一步深入，学者们发现生物油具有含水量大、含氧量高、热值低、粘性大等特点，这些特点使其在应用的过程中面临重重阻碍。此外，目前国内外主流的反应器有流化床、鼓泡床、下降管等，无一例外的都面临生产过程中反应器结焦堵塞等问题，使得难以规模化连续运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型生物质热解综合利用工艺。
本发明的原理是：生物质热解技术是充分利用生物质能的一项关键性技术，通过一系列的反应过程将固态的生物质转化成气、液、固三种产物。其中气体产物主要是以H2、CO、CH4等为主的可燃性气体，可用来进行热电联产，提高能源利用效率；固体产物主要以生物质炭和硅钾肥为主，这两种物质均可以在农业生产中得到充分利用，同时生物质炭也是工业生产和生活所用的必备原料；液体产物是热解的主要产物，传统的生物质热解技术得到的液体产物主要是轻质和重质生物油，然而热解得到的生物油存在水分含量大，含氧量高，热值低，粘性大等特点，使其在利用的过程中层层受阻，而本发明提出的一种新型生物质热解综合利用工艺，通过改变反应条件，控制反应过程，使之进行生物质气体热电联产并得到木醋液、精制木醋液以及分子量较大的重质生物油，再通过后续的处理工艺，从中提取各类化学品以及制备更高价值产品进行利用。
本发明之一是提供一种新型生物质热解综合利用工艺，其包括以下步骤：
（1）生物质原料干燥后，之后生物质原料和热载体一起通过提升气由底部热解进口带入热解反应器进行热解，由热解反应器上部出口得到热解生物质气、热载体以及生物质炭的混合物；所述提升气为步骤（4）得到高压不可凝生物质气
（2）混合物依次进入多级旋风分离器进行气固分离，分离后的热载体及及部分生物质炭进入热载体再生器进行再生加热，分离后的部分生物质炭进入肥料制备单元作为原料；分离后的热解生物质气进入热解气分离系统，
（3）热解生物质气经过热解气分离系统，分别得到不可冷凝的可燃气体以及多种冷凝液体；
（4）不可冷凝的可燃气体分为两路，一路去热电联产装置发电，另一路经加压后得到高压不可凝生物质气；
（5）热载体再生器的高温烟气首先通过换热器给空气加热，被加热的空气进入热载体再生器助燃，降温后的高温烟气进入旋风分离器进行气固分离，气体进入干燥装置用于对步骤（1）中的生物质原料干燥，固体进入肥料制备单元作为原料。
进一步的，所述生物质原料干燥后水分控制在5-8%；所述生物质原料粒径为1～5毫米。
进一步的，所述热载体为轻型氧化铝陶瓷球添加沸石、蛇纹岩或石英石三者之一或者任意组合的混合物，所述沸石、蛇纹岩以及石英石粒径为5～20目；所述生物质原料（折干）、轻型氧化铝陶瓷球以及沸石、蛇纹岩或石英石的质量比为30～100: 50～150: 1。
进一步的，所述热解反应器的温度控制在600~700℃、内部压力0～-600Pa之间，绝干生物质物料进料量控制在0.2t～0.4t/min。
进一步的，所述加压后得到高压不可凝生物质气一部分作为步骤（1)的提升气、另一部分进入热载体再生器作为燃料。
进一步的，所述冷凝液体包括木醋液、精制木醋液以及重质生物油中的一种或者几种。
本发明之二是提供一种新型生物质热解综合利用系统，包括物料装置、热裂解反应装置以及热解气分离装置；
所述物料装置包括依次连接的备料料仓、物料干燥器以及物料缓冲罐，所述物料缓冲罐上设有物料出口；
所述热裂解反应装置包括热载体再生器、空气换热器、气体提升焦化流化热解反应器以及组合式多级旋风分离器，所述气体提升焦化流化热解反应器、组合式多级旋风分离器二者安装在所述热载体再生器内部，所述热载体再生器的下部设有热载体加热区，所述热载体加热区连接热载体出口；
所述气体提升焦化流化热解反应器为管状或者塔状，其底部设有热解进口、顶部设有热解出口，所述热解出口连接组合式多级旋风分离器，所述组合式多级旋风分离器包括依次连接的至少两个立式旋风分离器，其中第一个立式旋风分离器的底部固体出口位于热载体再生器内并与热载体加热区连通，中间以及最后一个立式旋风分离器的底部固体出口均引出热载体再生器，所述最后一个立式旋风分离器的顶部气体出口与热解气分离装置连接；所述热解气分离装置上设有不可凝生物质气管线，所述不可凝生物质气管线伸入热载体再生器内部与盘管换热器连接，所述盘管换热器的出口端引出热载体再生器作为提升气体出口；
所述热载体再生器的上部设有烟气出口，所述烟气出口上连接有空气换热器，所述空气换热器的被加热介质进口端连接空气管线、出口端与热载体加热区连接，所述空气换热器的加热介质进口端连接热载体再生器的烟气出口、出口端连接旋风分离器，所述旋风分离器的气体出口与物料干燥器连接；
所述热载体再生器的底部设有与气体提升焦化流化热解反应器热解进口连接的混合腔，所述物料出口、热载体出口以及提升气体出口分别与混合腔连接。
进一步的，所述提升气体出口设有分支与热载体再生器的生物质燃烧器连接。
进一步的，所述不可凝生物质气管线上设有分支管线连接热电联产设备。
进一步的，所述不可凝生物质气管线上设有增压鼓风机。
进一步的，所述不可凝生物质气管线上设有除焦脱水装置；所述除焦脱水装置为电捕焦油器及脱水分离器。
进一步的，所述热解气分离装置包括分馏塔以及油水分离器。
进一步的，所述分馏塔内部设有多级降温及分离塔盘，所述分馏塔顶部设有热解干气出口、中部以及下部设有多个液体物料出口；所述分馏塔液体物料出口与油水分离器相连；所述分馏塔内设有喷淋装置且喷淋介质为自产木醋液，分馏塔内操作压力保持在-800Pa～-1200Pa。
本发明提出了一种新型生物质热解综合利用工艺以及系统，以粉碎后的生物质粒料等为原料，以轻型氧化铝陶瓷球及添加部分沸石、蛇纹岩、石英石为热载体通过高压气体使其混合均匀，控制温度和压力，使其在热解提升反应器（高压气体提升）中进行裂解，再经过多级分离和分馏，得到生物质硅钾肥、生物炭、生物质木酢液、生物质木烯液、生物质焦油和不可冷凝的可燃气体，从而实现对所有产品进行综合利用。
附图说明
图1为一种新型生物质热解综合利用系统的结构以及工艺流程示意图。
图中：1.备料料仓；2.物料干燥器；3.硅钾肥旋分器；4. 引风机；5.物料缓冲罐；6.空气换热器；7.热载体再生器；8.热解反应器；9. 粗旋风分离器；10. 二级旋风分离器；11.三级旋风分离器；12.吸收与分离装置；13.除焦除水装置；14.缓冲气柜；15. 增压鼓风机；16.生物炭收集螺旋；17.生物质燃烧器；18.盘管换热器。
具体实施方式
实施例1
参见图1，一种新型生物质热解综合利用系统，包括物料装置、热裂解反应装置以及热解气分离装置；
物料装置包括依次连接的备料料仓1、物料干燥器2以及物料缓冲罐5，物料干燥器2上设有引风机4，物料缓冲罐5上设有物料出口。
热裂解反应装置包括热载体再生器7、空气换热器6、热解反应器8以及组合式多级旋风分离器，热解反应器8、组合式多级旋风分离器二者安装在热载体再生器7内部，热载体再生器7的下部设有热载体加热区（布置有生物质燃烧器17），热载体加热区连接热载体出口。热解反应器8为气体提升焦化流化热解反应器，其为管状或者塔状，其底部设有热解进口、顶部设有热解出口，热解出口连接组合式多级旋风分离器，组合式多级旋风分离器包括依次连接的三个立式旋风分离器，其中第一个立式旋风分离器即粗旋风分离器9的底部固体出口位于热载体再生器7内并与热载体加热区连通，二级旋风分离器10以及三级旋风分离器11的底部固体出口均引出热载体再生器7，三级旋风分离器11的顶部气体出口与热解气分离装置即吸收与分离装置12连接；热解气分离装置上设有不可凝生物质气管线，不可凝生物质气管线依次连接除焦除水装置13以及缓冲气柜14，缓冲气柜14出口设有两个分支，其中那个一支连接增压鼓风机15后伸入热载体再生器7内部与盘管换热器18连接，盘管换热器18的出口端设有两个分支，其中一支引出热载体再生器7作为提升气体出口，另一支再次引入热载体再生器7的热载体加热区。
热载体再生器7的上部设有烟气出口，烟气出口上连接有空气换热器6，空气换热器6的被加热介质进口端连接空气管线、出口端与热载体加热区连接，空气换热器6的加热介质进口端连接热载体再生器7的烟气出口、出口端连接旋风分离器即硅钾肥旋分器6，硅钾肥旋分器6的气体出口与物料干燥器2的进口端连接。
热载体再生器7的底部设有与气体提升焦化流化热解反应器热解进口连接的混合腔，物料出口、热载体出口以及提升气体出口分别与混合腔连接。
热解气分离装置包括分馏塔以及油水分离器；分馏塔内部设有多级降温及分离塔盘，分馏塔顶部设有热解干气出口（连接不可凝生物质气管线）、中部以及下部设有多个液体物料出口；分馏塔液体物料出口与油水分离器相连；分馏塔内设有喷淋装置且喷淋介质为自产木醋液，分馏塔内操作压力保持在-800Pa～-1200Pa。
上述系统工作过程如下：生物质原料经干燥器干燥并经绞龙输送与热载体一起进入反应器下部，经高压生物质气体提升在热解反应器中进行反应，反应后物料进入组合式多级旋风分离器快分为热解生物质气、热载体、生物质炭。热载体及及部分生物质炭进入热载体再生器进行再生加热；部分生物质炭及部分高压生物质气进入热载体再生器燃烧，提供再生所需能量；再生后产生的高温烟气用于生物质原料干燥，干燥至相对含水率为5%～8%之间；生物质硅钾肥外排进入有机/无机复混肥制备装置。经分离后的热解气进入多级吸收与分离系统，经分馏塔、油水分离器分离分别得到木醋液、重质生物油以及不可冷凝的可燃气体。部分不可凝生物质气参与提升循环利用，多余部分不可冷凝的可燃气体进行热电联产，蒸汽用于生物质木醋液的精制提纯。
实施例2
一种新型生物质热解综合利用工艺，其包括以下步骤：
（1）以生物质等为原料，将其粉碎至粒径为1～5毫米，经干燥至相对含水率为30%～35%之间，于备料料仓内储存备用。
（2）使用轻型氧化铝陶瓷球及添加部分沸石、蛇纹岩和石英石为热载体热解；沸石、蛇纹岩以及石英石粒径为5～20目，三者质量比为1：2：1；生物质原料（折干）、轻型氧化铝陶瓷球以及沸石、蛇纹岩和石英石的质量比为70: 100: 1。
（4）生物质原料经物料干燥器干燥至相对含水率为5%～8%之间，并经绞龙输送与热载体一起进入热解反应器下部，经高压生物质气体提升在热解反应器中进行反应，温度控制在600~700℃、内部压力0～-600Pa之间，绝干生物质物料进料量控制在0.2t～0.4t/min。
（5）反应后物料进入组合式多级旋风分离器快分为热解生物质气、热载体和生物质炭（1～2.5s内的快速分离）。热载体及及部分生物质炭进入热载体再生器进行再生加热；部分生物质炭及部分高压生物质气进入热载体再生器燃烧，提供再生所需能量；再生后产生的高温烟气用于生物质原料干燥；分离的生物质硅钾肥外排进入有机/无机复混肥制备装置。
（6）经分离后的热解生物气进入多级吸收与分离系统，经分馏塔、油水分离器分离分别得到木醋液、重质生物油以及不可冷凝的可燃气体。操作时分馏塔内压力保持在-800Pa～-1200Pa；分馏塔内喷淋介质为前几批采用上述工艺制得并冷却的木醋液。
（7）部分不可凝可燃气体参与提升循环利用，多余部分不可冷凝的可燃气体进行热电联产，蒸汽用于生物质木醋液的精制提纯。
选用轻型氧化铝小球作为热载体，并添加沸石、蛇纹岩以及石英石，粒径选择为5～20目。
为了控制所得产品主要成分的占比，所述的控制生物质原料：热载体：沸石、蛇纹岩、石英石比例（质量比）=30～:100: 50～150: 1范围内。
为了解决生物质与热载体及沸石、蛇纹岩、石英石混合不均匀，造成催化热解不充分，影响最终高附加产品收率的问题缺陷，所述的高压气体提升反应器能充分解决以上问题。
经过检测，热解后各产品的比例为：重质油：20%、生物炭：25%、木醋液：20%、生物质燃气：45% ；注：超出10%是原料带入水分。
Claims (10)
1.一种新型生物质热解综合利用工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）生物质原料干燥后，之后生物质原料和热载体一起通过提升气由底部热解进口带入热解反应器进行热解，由热解反应器上部出口得到热解生物质气、热载体以及生物质炭的混合物；所述提升气为步骤（4）得到高压不可凝生物质气
（2）混合物依次进入多级旋风分离器进行气固分离，分离后的热载体及及部分生物质炭进入热载体再生器进行再生加热，分离后的部分生物质炭进入肥料制备单元作为原料；分离后的热解生物质气进入热解气分离系统，
（3）热解生物质气经过热解气分离系统，分别得到不可冷凝的可燃气体以及多种冷凝液体；
（4）不可冷凝的可燃气体分为两路，一路去热电联产装置发电，另一路经加压后得到高压不可凝生物质气；
（5）热载体再生器的高温烟气首先通过换热器给空气加热，被加热的空气进入热载体再生器助燃，降温后的高温烟气进入旋风分离器进行气固分离，气体进入干燥装置用于对步骤（1）中的生物质原料干燥，固体进入肥料制备单元作为原料。
2. 根据权利要求1所述的新型生物质热解综合利用工艺，其特征在于，所述热载体为轻型氧化铝陶瓷球添加沸石、蛇纹岩或石英石三者之一或者任意组合的混合物，所述沸石、蛇纹岩以及石英石粒径为5～20目；所述生物质原料（折干）、轻型氧化铝陶瓷球以及沸石、蛇纹岩或石英石的质量比为30～100: 50～150: 1。
3.根据权利要求1所述的新型生物质热解综合利用工艺，其特征在于，所述热解反应器的温度控制在600~700℃、内部压力0～-600Pa之间，绝干生物质物料进料量控制在0.2t～0.4t/min。
4.根据权利要求1-3任一所述的新型生物质热解综合利用工艺，其特征在于，所述冷凝液体包括木醋液、精制木醋液以及重质生物油中的一种或者几种。
5.一种实现权利要求1-4任一所述新型生物质热解综合利用工艺的系统，其特征在于：包括物料装置、热裂解反应装置以及热解气分离装置；
所述物料装置包括依次连接的备料料仓、物料干燥器以及物料缓冲罐，所述物料缓冲罐上设有物料出口；
所述热裂解反应装置包括热载体再生器、空气换热器、气体提升焦化流化热解反应器以及组合式多级旋风分离器，所述气体提升焦化流化热解反应器、组合式多级旋风分离器二者安装在所述热载体再生器内部，所述热载体再生器的下部设有热载体加热区，所述热载体加热区连接热载体出口；
所述气体提升焦化流化热解反应器为管状或者塔状，其底部设有热解进口、顶部设有热解出口，所述热解出口连接组合式多级旋风分离器，所述组合式多级旋风分离器包括依次连接的至少两个立式旋风分离器，其中第一个立式旋风分离器的底部固体出口位于热载体再生器内并与热载体加热区连通，中间以及最后一个立式旋风分离器的底部固体出口均引出热载体再生器，所述最后一个立式旋风分离器的顶部气体出口与热解气分离装置连接；所述热解气分离装置上设有不可凝生物质气管线，所述不可凝生物质气管线伸入热载体再生器内部与盘管换热器连接，所述盘管换热器的出口端引出热载体再生器作为提升气体出口；
所述热载体再生器的上部设有烟气出口，所述烟气出口上连接有空气换热器，所述空气换热器的被加热介质进口端连接空气管线、出口端与热载体加热区连接，所述空气换热器的加热介质进口端连接热载体再生器的烟气出口、出口端连接旋风分离器，所述旋风分离器的气体出口与物料干燥器连接；
所述热载体再生器的底部设有与气体提升焦化流化热解反应器热解进口连接的混合腔，所述物料出口、热载体出口以及提升气体出口分别与混合腔连接。
6.根据权利要求5所述的新型生物质热解综合利用系统，其特征在于：所述提升气体出口设有分支与热载体再生器的生物质燃烧器连接。
7.根据权利要求5所述的新型生物质热解综合利用系统，其特征在于：所述不可凝生物质气管线上设有分支管线连接热电联产设备；所述不可凝生物质气管线上设有增压鼓风机。
8.根据权利要求5所述的新型生物质热解综合利用系统，其特征在于：所述不可凝生物质气管线上设有除焦脱水装置；所述除焦脱水装置为电捕焦油器及脱水分离器。
9.根据权利要求5所述的新型生物质热解综合利用系统，其特征在于：所述热解气分离装置包括分馏塔以及油水分离器。
10.根据权利要求9所述的新型生物质热解综合利用系统，其特征在于：所述分馏塔内部设有多级降温及分离塔盘，所述分馏塔顶部设有热解干气出口、中部以及下部设有多个液体物料出口；所述分馏塔液体物料出口与油水分离器相连；所述分馏塔内设有喷淋装置且喷淋介质为木醋液、精制木醋液以及重质生物油中的一种或者几种，分馏塔内操作压力保持在-800Pa～-1200Pa。
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