CN108587671A - 一种生物质快速催化热解的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物质能利用技术领域，具体涉及一种生物质快速催化热解的装置与方法。该装置包括料斗、进料系统、旋转床热解反应器、气固分离系统、热解气冷凝系统、可燃气储罐、液体收集箱、固体焦炭收集箱、燃烧系统和载气换热系统。其中，旋转床热解反应器由旋转床体、密闭外壳、换热烟道、驱动系统和球形载体等组成。预处理后的生物质颗粒进入旋转床体内部，在催化剂作用下发生快速催化热解，产生的热解气经快速冷凝获得特定的生物油；同时收集不可冷凝的可燃气与焦炭用于燃烧供热，实现自热式热解。该装置能通过调整反应工况和催化剂类型，制备高品位的液体燃料或富含高附加值化学品的生物油。

Description

一种生物质快速催化热解的装置与方法
技术领域
本发明属于生物质能利用技术领域，具体涉及一种生物质快速催化热解的装置与方法。
背景技术
热解是一种重要的生物质利用技术。生物质在无氧条件下进行热解时，所形成的固液气三相热解产物，具有较高的品位以及应用价值。但是生物质常规热解过程中对反应途径的选择性很差，生成的生物油化学组成极为复杂，会形成超过400种有机物，且具有氧含量高、热值低、腐蚀性强、稳定性差等缺点，一般只能作为低品位的液体燃料，用于窑炉等要求不高的热力设备中。而且常规生物油中绝大部分物质的含量都很低，导致分离提纯较为困难。如果通过适当的手段对生物质的热解实现定向控制，促进某些特定的反应途径，并抑制其他反应途径，则能够实现生物质选择性的热解液化，从而控制热解产物的分布。针对目前的研究，通过引入催化剂并调整热解条件，可提高热解效率，并控制热解产物的分布，获得高品质的生物油。
在生物质热解反应体系中引入催化剂，是目前获得高品质生物油的最有效手段，同时也能制备通过常规手段难以合成的高附加值化学品，其关键技术在于：催化剂的选择。而催化热解反应目前主要有两种实施方式：(1)将生物质原料和催化剂混合后进行快速热解；(2)对生物质进行快速热解后，再利用催化剂对热解气进行催化转化。但是这两种实施方式要么催化剂回收困难，要么初级产物已经生成，对于催化转化的要求较为严格。因此如何实现既能直接调控生物质快速热解反应途径，又能方便回收利用催化剂是工业推广应用必须解决的技术难题。
催化热解反应器的开发是另外一个技术难题。根据现有的主流热解反应装置：对于流化床式的反应器，虽然无运动部件、结构简单、工作可靠、碰撞均匀充分，但是存在需要大量载气、气体滞留时间长、热量损失大、热解气冷凝困难、反应器磨损严重、结构庞大等问题；对于运动机械式的反应器，虽然结构紧凑、能耗低、可以不使用载气，但是也存在温度分布不均、运动部件材料要求高、机构磨损严重、密封性差等问题。所以催化热解反应器既保证能均匀迅速地使生物质达到热解所需温度，又能保证结构紧凑、减轻磨损，是工业推广应用必须解决的另一个技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种生物质快速催化热解的装置与方法。
根据本发明的一方面，提供了一种生物质快速催化热解的装置，该装置包括：
料斗、进料系统、旋转床热解反应器、气固分离系统、热解气冷凝系统、可燃气储罐、液体收集箱、固体焦炭收集箱、燃烧系统和载气换热系统；其中，所述的旋转床热解反应器包括旋转床体、进料口、气体出口、密闭外壳、气体入口、出料口、换热烟道、驱动系统和球形载体。
料斗的出口与进料系统的入口相连；进料系统的出口与旋转床热解反应器上方的进料口相连；旋转床热解反应器下方的出料口与固体焦炭收集箱的入口相连，侧上方的气体出口与气固分离系统的入口相连；气固分离系统下方的固体出口与固体焦炭收集箱的入口相连，上方的气体出口与热解气冷凝系统的入口相连；热解气冷凝系统的液相出口与液体收集箱的入口相连，气相出口分为三路，第一路与可燃气储罐的入口相连，第二路与燃烧系统的燃烧器相连，第三路与载气换热系统的载气入口相连；固体焦炭收集箱的出口与燃烧系统的燃烧器相连；燃烧系统的热烟气出口与旋转床热解反应器的换热烟道入口相连；换热烟道的出口与载气换热系统的烟气入口相连；载气换热系统的载气出口与旋转床热解反应器侧下方的气体入口相连。
所述旋转床体为空心圆筒状结构，中心设有一转轴，内部填充一定量的球形载体，转轴与置于密闭外壳之外的驱动系统相连；换热烟道从密闭外壳外，于气体出口和入口之间的位置穿过，该段密闭外壳的外表面设置有若干肋片。
优选的，进料系统为螺旋进料器或带式输送机。
优选的，旋转床体的底面直径为0.5-5m，根据生物质的处理速率适宜地选择床体高度，，旋转床体的高与其底面直径比为0.2-5；旋转床体表面由筛网组成，且由支架固定；同时，筛网与支架均由耐腐蚀且高强度的材料制造而成，筛孔直径为1-3cm。
优选的，旋转床体与密闭外壳之间的空隙为2-5cm。
优选的，驱动系统的动力源为电动机。
优选的，气固分离系统为旋风分离器或重力沉降室中的一种。
优选的，热解气冷凝系统为喷雾冷凝系统、降膜冷凝系统或喷雾与降膜复合冷凝系统。
优选的，燃烧系统为小型的室燃炉、旋风炉或沸腾炉。
优选的，载气换热系统为管式换热器或板式换热器。
优选的，球形载体的球径为1-10cm。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述装置实现生物质快速催化热解的方法，包括以下步骤：
预处理后的生物质原料经由料斗与进料系统从旋转床热解反应器上方的进料口透过筛网进入旋转床体，由球形载体搅匀迅速升温，发生催化热解反应，反应温度为200-700℃，固相滞留时间为6-60s，气相滞留时间为0.2-3s。其中生成的大部分固体焦炭通过下方的出料口进入固体焦炭收集箱，少部分随着热解气体从气体出口进入气固分离系统；分离出的固体焦炭颗粒进入固体焦炭收集箱，而气体进入热解气冷凝系统；经过冷凝后得到的液体产物进入液体收集箱，而不可冷凝的可燃气从出口流出后分为三路，根据需要，一部分作为载气通过载气换热系统吸收热量后进入旋转床热解反应器，另一部分作为燃料进入燃烧系统，剩余部分进入可燃气储罐；收集的固体焦炭颗粒，如果其中参杂的催化剂不会对燃烧造成显著影响，则可作为燃料，通过风机气力输送进入燃烧系统；根据所采用催化剂的种类，燃烧系统可选择热解产生的焦炭、可燃气或其他外加的辅助燃料，如煤粉、石油燃料或天然气，进行燃烧产生热烟气，通过换热烟道让密闭外壳吸热升温进而使球形载体蓄热，用于热解所需；球形载体作为热载体的同时还可负载催化剂，如果针对目标产物是采用催化剂溶液喷淋物料，则球形载体仅作为惰性的热载体；经过换热烟道换热后的次热烟气流出后分为两路，一路入载气换热系统用于加热载气，另一路可在生物质原料预处理时用于干燥。
优选的，上述生物质快速催化热解反应所用的催化剂的类型为金属盐类催化剂、金属氧化物类催化剂、微孔和介孔分子筛类催化剂、贵金属基催化剂、类贵金属催化剂或强酸。
优选的，上述生物质快速催化热解反应所用的催化剂的引入形式为在生物质预处理时使用催化剂溶液喷淋浸渍原料或负载在球形载体上形成球形催化剂。
更优选的，上述生物质快速催化热解反应所用的球形催化剂的制备方式为浸渍法、成型法或喷涂法,负载在比热容较大材料上。
优选的，旋转床热解反应器中旋转床体的转动速度为0.1-10r/min，内部填充堆积体积为床体容积1/4-3/4的球形载体。
本发明的有益效果为：
本发明所述的生物质快速催化热解装置，是为了将理论研究及实验中筛选出的催化剂用于实际的工业生产，同时避免当前主流热解装置出现的一些问题。其核心是旋转床热解反应器，预处理后的生物质颗粒进入旋转床体内，由球形热载体充分搅匀、吸热升温并在催化剂的作用下迅速发生热解，产生的热解气经快速冷凝，获得特定的生物油。其优点主要包括：
(1)加热更为均匀、快速：与其他热解装置相比，能够采用直径更大的热载体，增大加热表面积的同时增大了蓄热量，使生物质的升温更为均匀、快速；
(2)减轻了装置的碰撞磨损：根据(1)中所述，采用更大的热载体，提高了生物质的吸热效率，意味着与其他热解装置相比，本装置能采用更小的转速就可达到相同的吸热效果，所以减轻了反应器内物料、催化剂以及筛网面的碰撞磨损程度，从而减小了负载在热载体上催化剂的损失和金属构件的磨损；
(3)热解反应条件调控方便：通过控制进料装置的速度、烟气的燃烧温度和流量、旋转床体的转速、球形载体上负载了催化剂的面积与惰性面积的比例或者负载了催化剂的球形载体与惰性球形载体的比例，即可调整热解反应温度、反应时间、催化剂的用量等参数，从而根据不同的物料及所需的目标产物，调控热解反应，实现高效热解转化；
(4)装置的适应性广：该装置能通过将催化剂负载在球形载体上，使得催化剂既能直接调控生物质的快速热解反应途径，又不会因为与原料混匀而使催化剂与生成的焦炭参杂在一起，易于回收催化剂，且焦炭也能直接燃烧供热。而如果催化剂无法直接负载在球形载体上，也能以溶液的形式直接喷淋浸渍生物质原料，而这时球形载体仅作为惰性蓄热体；
(5)传动稳定：与烧蚀式或旋转锥反应器的悬臂轴相比，采用简支轴，传动稳定性高。根据(2)采用热载体传热，而不是依靠物料与壁面的热量交换，转速无需过大，相对稳定性也更高；
(6)装置的密封性好：反应器与进、出料口是分离的，易于装置的密封；
(7)自热式热解：将生物质热解生成的可燃气与焦炭作为热源，实现自热式热解过程。同时燃烧系统也能跟据焦炭是否受到催化剂的影响，选择燃料的种类。
附图说明
图1为本发明所述的生物质快速催化热解装置的示意图；
图2为本发明所述的旋转床热解反应器的示意图；
图中标号：
1-料斗；2-进料系统；3-旋转床热解反应器、4-气固分离系统；5-热解气冷凝系统；6-可燃气储罐；7-液体收集箱；8-固体焦炭收集箱；9-燃烧系统；10-载气换热系统；
3.1-旋转床体；3.2-进料口；3.3-气体出口；3.4-密闭壳体；3.5-气体入口；3.6-出料口；3.7-换热烟道；3.8-驱动系统；3.9-球形载体。
具体实施方式
本发明提供了一种生物质快速催化热解的装置与方法，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
各实施例中的装置结构大致相同，如图1和图2所示。
料斗1的出口与螺旋进料系统2的入口相连；螺旋进料系统2的出口与旋转床热解反应器3上方的进料口3.2相连；旋转床热解反应器3下方的出料口3.6与固体焦炭收集箱8的入口相连，侧上方的气体出口3.3与旋风分离系统4的入口相连；旋风分离系统4下方的固体出口与固体焦炭收集箱8的入口相连，上方的气体出口与喷雾与降膜式冷凝系统5的入口相连；喷雾与降膜式冷凝系统5的液相出口与液体收集箱7的入口相连，气相出口分为三路，第一路与可燃气储罐6的入口相连，第二路与小型室燃炉9的燃烧器相连，第三路与管式载气换热器10的载气入口相连；固体焦炭收集箱8的出口与小型室燃炉9的燃烧器相连；小型室燃炉9的热烟气出口与旋转床热解反应器3的换热烟道3.7入口相连；换热烟道3.7的出口与管式载气换热器10的烟气入口相连；管式载气换热器10的载气出口与旋转床热解反应器3侧下方的气体入口3.5相连；旋转床体3.1内部填充一定量的球形载体3.9；旋转床体3.1的上下箍圈稍大于床体侧面的直径，用于防止物料滑落，同时密闭壳体3.4上设置有刮板，用于将筛网上的残余物料拨入床体内；旋转床体3.1中心的转轴与置于密闭壳体3.4的外壳之外的电机3.8相连；换热烟道3.7从密闭壳体3.4的外壳外，于气体出口3.3和入口3.5之间的位置穿过；过量空气通过鼓风机送入小型气固混燃炉9中，辅助燃料使用天然气，外部各种燃料管道均设有阀门，用于选择燃料的种类；管式载气换热器10的烟气出口与净化装置相连。
实施例1
将水分含量为5％、平均粒径为1mm的纤维素颗粒，经料斗1和螺旋进料系统2送入旋转床热解反应器3，进料量为150kg/h；旋转床热解反应器3中旋转床体的底面直径为1000mm，高为250mm，旋转速度为5.21r/min；换热烟道内的烟气温度为560℃，热解反应温度为300℃，采用固体磷酸挤出成型的球径为40mm的催化剂，填充量为旋转床体的三分之二；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物，各自的产率为39％、49％和12％。其中目标产物左旋葡萄糖酮的产率为13.8wt％。
实施例2
将水分含量为16％的松木，破碎至平均粒径为1mm，并干燥至水分含量为8％，经料斗1和螺旋进料系统2送入旋转床热解反应器3，进料量为150kg/h；旋转床热解反应器3中选旋床体的底面直径为1000mm，高为250mm，旋转速度为5.21r/min；换热烟道内的烟气温度为740℃，热解反应温度为500℃，采用固体磷酸钾挤出成型的球径为30mm的催化剂，填充量为旋转床体的三分之二；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物，各自的产率为30％、47％和23％。其中目标产物酚类混合物在热解液中的相对含量为62.8％(相对含量为扣除水含量后的相对含量，即在有机液体中的含量)。
实施例3
将甘蔗渣破碎至平均粒径为1mm，并干燥至水分含量为8％，经料斗1和螺旋进料系统2送入旋转床热解反应器3，进料量为150kg/h；旋转床热解反应器3中旋转床体的底面直径为1000mm，高为250mm，旋转速度为5.21r/min；换热烟道内的烟气温度为580℃，热解反应温度为310℃，采用水蒸汽活化活性炭挤压成型的球径为40mm的催化剂，填充量为旋转床体的三分之二；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物，各自的产率为51％、36％和13％。其中目标产物4-乙基苯酚的产率为3.4wt％。
实施例4
将水分含量为12％的玉米芯，破碎至平均粒径为1mm，随后浸渍负载ZnCl2后并干燥，ZnCl2的负载量为16％，干燥的物料经料斗1和螺旋进料系统2送入旋转床热解反应器3，进料量为150kg/h；旋转床热解反应器3中旋转床体的底面直径为1000mm，高为250mm，旋转速度为5.21r/min；换热烟道内的烟气温度为610℃，热解反应温度为340℃，采用球径为40mm的惰性球体为热载体，填充量为旋转床体的三分之二；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物，各自的产率为47％、43％和10％。其中目标产物糠醛的产率为7.8％。
以上所述仅为本发明针对某种单一高附加值目标产物的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种生物质快速催化热解装置，包括料斗(1)、进料系统(2)、旋转床热解反应器(3)、气固分离系统(4)、热解气冷凝系统(5)、可燃气储罐(6)、液体收集箱(7)、固体焦炭收集箱(8)、燃烧系统(9)和载气换热系统(10)；其中，所述旋转床热解反应器(3)包括旋转床体(3.1)、进料口(3.2)、气体出口(3.3)、密闭外壳(3.4)、气体入口(3.5)、出料口(3.6)、换热烟道(3.7)、驱动系统(3.8)和球形载体(3.9)；
料斗(1)的出口与进料系统(2)的入口相连；进料系统(2)的出口与旋转床热解反应器(3)上方的进料口(3.2)相连；旋转床热解反应器(3)下方的出料口(3.6)与固体焦炭收集箱(8)的入口相连，侧上方的气体出口(3.3)与气固分离系统(4)的入口相连；气固分离系统(4)下方的固体出口与固体焦炭收集箱(8)的入口相连，上方的气体出口与热解气冷凝系统(5)的入口相连；热解气冷凝系统(5)的液相出口与液体收集箱(7)的入口相连，气相出口分为三路：第一路与可燃气储罐(6)的入口相连，第二路与燃烧系统(9)的燃烧器相连，第三路与载气换热系统(10)的载气入口相连；固体焦炭收集箱(8)的出口与燃烧系统(9)的燃烧器相连；燃烧系统(9)的热烟气出口与旋转床热解反应器(3)的换热烟道(3.7)入口相连；换热烟道(3.7)的出口与载气换热系统(10)的烟气入口相连；载气换热系统(10)的载气出口与旋转床热解反应器(3)侧下方的气体入口(3.5)相连；其特征在于：
所述旋转床体(3.1)为空心圆筒状结构，中心设有一转轴，内部填充一定量的球形载体(3.9)，转轴与置于密闭外壳(3.4)之外的驱动系统(3.8)相连；换热烟道(3.7)从密闭外壳(3.4)外，于气体出口(3.3)和入口(3.5)之间的位置穿过，且该段密闭外壳(3.4)的外表面设置有若干肋片。
2.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述进料系统(2)为螺旋进料器或带式输送机。
3.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述旋转床体(3.1)的底面直径为0.5-5m，旋转床体(3.1)的高与其底面直径比为0.2-5。
4.根据权利要求3所述的生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述旋转床体侧面由筛网组成，且筛孔直径为1-3cm。
5.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述的旋转床体(3.1)与密闭外壳(3.4)之间的空隙为2-5cm。
6.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述气固分离系统(4)为旋风分离器或重力沉降室中的一种。
7.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述的热解气冷凝系统(5)为喷雾冷凝系统、降膜冷凝系统或喷雾与降膜复合冷凝系统。
8.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述的燃烧系统(9)为小型的室燃炉、旋风炉或沸腾炉。
9.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述的球形载体(3.9)的球径为1-10cm。
10.一种基于权利要求1-9任一所述装置的生物质快速催化热解方法，包括以下步骤：
预处理后的生物质原料经由料斗(1)与进料系统(2)从旋转床热解反应器(3)上方的进料口(3.2)透过筛网进入旋转床体(3.1)，由球形载体(3.9)搅匀迅速升温，发生催化热解，反应温度为200-700℃，固相滞留时间为6-60s，气相滞留时间为0.2-3s；其中生成的大部分固体焦炭通过下方的出料口(3.6)进入固体焦炭收集箱(8)，少部分随着热解气体从气体出口(3.3)进入气固分离系统(4)；分离出的固体焦炭颗粒进入固体焦炭收集箱(8)，而气体进入热解气冷凝系统(5)；经过冷凝后得到的液体产物进入液体收集箱(7)，而不可冷凝的可燃气从出口流出后分为三路：一部分作为载气通过载气换热系统(10)吸收热量后进入旋转床热解反应器(3)，另一部分作为燃料进入燃烧系统(9)，剩余部分进入可燃气储罐(6)；燃烧系统燃烧产生热烟气，通过换热烟道(3.7)让密闭外壳(3.4)吸热升温进而使球形载体(3.9)蓄热，用于热解所需；经过换热烟道(3.7)换热后的次热烟气流出后分为两路，一路入载气换热系统(10)用于加热载气，另一路可在生物质原料预处理时用于干燥。
11.根据权利要求10所述的一种生物质快速催化热解方法，其特征在于：所述催化热解反应所用的催化剂为金属盐类催化剂、金属氧化物类催化剂、微孔和介孔分子筛类催化剂、贵金属基催化剂、类贵金属催化剂或强酸。
12.根据权利要求10所述的一种生物质快速催化热解方法，其特征在于：所述催化剂的引入形式为在生物质预处理时使用催化剂溶液喷淋浸渍原料或负载在球形载体上作为球形催化剂。
13.根据权利要求12所述的一种生物质快速催化热解方法，其特征在于：所述的球形催化剂的制备方式为浸渍法、成型法或喷涂法。
14.根据权利要求10所述的一种生物质快速催化热解方法，其特征在于：所述旋转床热解反应器(3)中旋转床体(3.1)的转动速度为0.1-10r/min，内部填充堆积体积为床体容积1/4-3/4的球形载体(3.9)。
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