CN109022050A - 用于分离生物质气化热解气的复合式分级冷凝装置、及生物质气化热解气分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分离生物质气化热解气的复合式分级冷凝装置，其包括冷凝器和电捕焦油器，所述冷凝器和电捕焦油器中的一者经配置以接收生物质气化热解气进行冷凝，并将未凝结气体排入另一者。本发明提供的复合式分级冷凝装置，将生物质热气化热解气在线精制分离，同时实现了重质组分与轻质组分的分离与收集。增设电捕焦油器，不仅可以去除固定炭以及气溶胶颗粒来提高焦油品质，也可以回收产率可观的电捕油。

Description

用于分离生物质气化热解气的复合式分级冷凝装置、及生物 质气化热解气分离方法

技术领域

本发明涉及生物质气化热解气分离技术，具体涉及一种用于分离生物质气化热解气的复合式分级冷凝装置、及生物质气化热解气分离方法。

背景技术

随着经济社会的发展，化石能源日益枯竭。在国家大力倡导节能减排的形势下，生物质能作为一种低硫、低氮以及其CO2近“零”排放的清洁可再生能源，被公认为未来社会经济发展的主要能源基础之一，其目前主要的利用方式是热化学转换，包括热解、气化以及直接燃烧等。

生物质气化热解气化是生物质能源化利用的有效方法之一，气化技术以连续的工艺和工厂化生产方式将生物质转化为气态可燃物、少量液态生物焦油以及含碳无机灰分。生物质气化焦油是生物质气化热解气化过程中不可避免的副产物，其产量可观，所含能量高，收集后可作为重要的化工原料，具有广阔的工业用途。生物质气化焦油可以通过在线收集加工进行资源化利用，既可以避免生物质气化焦油所造成的设备管路堵塞与损坏，还可以通过提取焦油中的苯、苯酚等有用成分进行经济与资源的循环利用。

通常，生物质气化焦油在温度低于200℃时呈液态，温度在350℃以上呈气态，因此可通过对生物质气化热解气化气的冷凝来获得生物质气化焦油。生物质气化热解气化气的冷凝技术影响着生物质气化气净化效果、生物质气化焦油的得率、品质以及利用效率。目前常规的分离方法均建立在单一冷凝获得的初油基础上再进行分离精制，既增加了后续处理技术的难度，也增加了工艺的复杂程度。长期以来，通过对生物质气化热解气化气体进行冷凝从而得到生物质热解油的方法至今尚未良好解决，有待进一步研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于分离生物质气化热解气的复合式分级冷凝装置。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于分离生物质气化热解气的复合式分级冷凝装置，包括冷凝器和电捕焦油器，所述冷凝器和电捕焦油器中的一者经配置以接收生物质气化热解气进行冷凝，并将未凝结气体排入另一者。

优选地是，所述冷凝器的数量为三个，分别为第一级冷凝器、第二级冷凝器和第三级冷凝器；所述电捕焦油器的数量为一个；所述第一级冷凝器经配置以接收生物质气化热解气进行冷凝，并将未凝结气体排入所述电捕焦油器进行冷凝，所述电捕焦油器经配置以将未凝结气体依次排入所述第二级冷凝器和所述第三级冷凝器。

优选地是，所述冷凝器为间接冷凝器，所述间接冷凝器的冷凝介质为空气、水、冰水混合物中的一种。

优选地是，所述间接冷凝器的外装置的直径为0.5m-1m，高为1m-1.5m；所述间接冷凝器的内装置的直径为0.2-0.7m，高为0.5m-1m。间接冷凝器的内装置和外装置的尺寸设计是根据与第一级冷凝器连接的流化床的相关尺寸制定的，为达到轻便，连接快捷，处理效率高等目的。

优选地是，所述第一级冷凝器的冷凝温度为110℃-200℃。

优选地是，所述第一级冷凝器的冷凝介质为空气。

优选地是，所述第一级冷凝器的冷凝介质的流速为5.41m/s-21.22m/s。

优选地是，所述第一级冷凝器包括第一外装置和第一内装置；所述第一内装置经配置以通入生物质气化热解气；所述第一外装置设置在所述第一内装置的外侧，并设有第一冷凝介质入口和第一冷凝介质出口；所述第一级冷凝器的冷凝介质经配置由所述第一冷凝介质入口进入所述第一外装置，然后由所述第一冷凝介质出口排出，以对所述第一内装置内的生物质气化热解气进行冷凝。

优选地是，所述第一冷凝介质入口和第一冷凝介质出口的内直径为0.1m-0.2m。

优选地是，所述第二级冷凝器的冷凝温度为40℃-80℃。

优选地是，所述第二级冷凝器的冷凝介质为水。

优选地是，所述第二级冷凝器包括第二外装置和第二内装置；所述第二内装置经配置以通入来自所述电捕焦油器的未凝结气体；所述第二外装置设置在所述第二内装置的外侧；所述第二级冷凝器的冷凝介质容纳在所述第二外装置内包裹所述第二内装置，以对所述第二内装置通入的未凝结气体进行冷凝。

优选地是，所述第三级冷凝器的冷凝温度为0℃-10℃。

优选地是，所述第三级冷凝器的冷凝介质为冰水混合物。

优选地是，所述第三级冷凝器包括第三外装置和第三内装置；所述第三内装置经配置以通入来自所述第二级冷凝器的未凝结气体；所述第三外装置设置在所述第三内装置的外侧；所述第三级冷凝器的冷凝介质容纳在所述第三外装置内包裹所述第三内装置，以对所述第三内装置通入的未凝结气体进行冷凝。

优选地是，所述冷凝器接有排油管，用于将所述冷凝器的冷凝液体排出；所述排油管的内径为0.02m，具体可根据焦油产量情况来调整，壁厚为1mm-2mm。

优选地是，还包括储油罐，所述储油罐所述冷凝器的排油管连接，用于存储所述冷凝器冷凝排出的液体。

优选地是，所述冷凝器的进气口和出气口的内径为6mm-10mm。

优选地是，还包括温度测量仪，用于测量所述冷凝器的冷凝介质的温度、所述冷凝器或电捕焦油器排出的未凝结气体的温度。

优选地是，所述电捕焦油器选用小型静电捕捉器，操作温度为110℃-120℃,高为1m-1.5m，内径为0.5m-1m。

本发明的另一目的在于提供一种生物质气化热解气分离方法。

生物质气化热解气分离方法，包括如下步骤：

将生物质气化热解气通入第一级冷凝器中进行冷凝，冷凝温度控制在110℃-200℃，收集重质组分焦油；

将第一级冷凝器未凝结气体通入电捕焦油器，电捕焦油器的操作温度为110℃-120℃，去除炭粒以及气溶胶颗粒，收集电捕油；

将电捕焦油器未凝结气体通入第二级冷凝器中进行冷凝，冷凝温度控制在40℃-80℃，收集轻质组分焦油；

将第二级冷凝器未凝结气体通入第三级冷凝器中进行冷凝，冷凝温度控制在0℃-10℃，收集水分及有机酸类物质。

优选地是，未凝结气体在第一级冷凝器、电捕焦油器、第二级冷凝器和第三级冷凝器内的停留时间大于2秒。

本发明提供的复合式分级冷凝装置，将生物质气化热解气在线精制分离，同时实现了重质组分与轻质组分的分离与收集。增设电捕焦油器，不仅可以去除固定炭以及气溶胶颗粒来提高焦油品质，也可以回收产率可观的电捕油。采用空气，水以及冰水作为冷凝介质，既达到了迅速降温充分冷凝的目的，又避免了冷凝介质的二次污染以及对装置的腐蚀损害。

附图说明

图1为本发明中的复合式分级冷凝装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述：

如图1所示，本发明一实施例提供一种用于分离生物质气化热解气的复合式分级冷凝装置，其包括三个冷凝器和一个电捕焦油器II。三个冷凝器分别为第一级冷凝器I、第二级冷凝器III和第三级冷凝器IV，三个冷凝器均为间接冷凝器，间接冷凝器的冷凝介质为空气、水、冰水混合物中的一种，间接冷凝器的外装置的直径为0.5m-1m，高为1m-1.5m，间接冷凝器的内装置的直径为0.2-0.7m，高为0.5m-1m，间接冷凝器的进气口和出气口的内径为6mm-10mm，间接冷凝器进气口与出气口尺寸按照中试流化床气化热解气出气口流速以及排气管管径而定，为使气化热解气处理效率以及焦油回收效率达到最大化，从而使未凝结气体在第一级冷凝器I、电捕焦油器II、第二级冷凝器III和第三级冷凝器IV内的停留时间大于2秒。间接冷凝器和电捕焦油器的数量可以适量增加，但成本也会随之增加。

第一级冷凝器I接收从流化床或管式炉等燃烧设备排出的生物质气化热解气以进行冷凝，重质组分焦油(一般为沸点较高的大分子含氧化合物)冷凝并通过排油管排入第一储油罐5内。具体的，第一级冷凝器I包括第一外装置a和第一内装置b，生物质气化热解气通过第一级冷凝器I的进气口1通入第一内装置b，第一外装置a设置在第一内装置b的外侧，第一外装置a设有第一冷凝介质入口2和第一冷凝介质出口3。第一级冷凝器I的冷凝介质，即空气，由所述第一冷凝介质入口2进入第一外装置a，然后由第一冷凝介质出口3排出，流速控制在5.41m/s-21.22m/s，温度控制在110℃-200℃，在第一冷凝介质入口2与出气口6处分别设置有温度计4、温度计6便于观察操作温度。第一内装置b内的生物质气化热解气部分冷凝，未凝结气体排入电捕焦油器II。其中，第一冷凝介质入口2和第一冷凝介质出口3的内直径为0.05m-0.2m。冷凝介质的流速与室温、气化热解气温度有关。

第一级冷凝器I的未凝结气体进入电捕焦油器II，电捕焦油器II在50kv静电条件下运行，操作温度为110℃-120℃，去除气体中的炭粒以及气溶胶颗粒，并回收电捕油。电捕焦油器内部设有阴阳电极板以及储集罐，产生的电捕油富集在电极板上，可定期拆卸并回收。

电捕焦油器II处理后的未凝结气体进一步通入第二级冷凝器III进行冷凝，轻质组分焦油(主要为沸点较低的小分子量有机物)冷凝并通过排油管排入第二储油罐10内。具体的，第二级冷凝器III包括第二外装置c和第二内装置d，电捕焦油器II处理后的未凝结气体通过第二级冷凝器III的进气口通入第二内装置d，第二外装置c设置在第二内装置d的外侧，第二级冷凝器III的冷凝介质，即水，容纳在第二外装置c内包裹第二内装置d，通过电机8加热冷凝水，将温度控制在40℃-80℃，以对第二内装置d通入的未凝结气体进行冷凝。使用温度计9实时测量冷却水温度，温度计11观察第二级冷凝器III的出气口温度。

第二级冷凝器III未凝结的气体最后进入第三级冷凝器Ⅳ进行冷凝，水分及有机酸类物质冷凝并通过排油管排入第三储油罐13内。具体的，第三级冷凝器Ⅳ包括第三外装置e和第三内装置f，第二级冷凝器III处理后的未凝结气体通过第三级冷凝器Ⅳ的进气口通入第三内装置f，第三外装置e设置在第三内装置f的外侧，第三级冷凝器Ⅳ的冷凝介质，即冰水，容纳在第三外装置e内包裹第三内装置f，温度控制在0℃-10℃，以对第三内装置f通入的未凝结气体进行冷凝。使用温度计12实时测量冰水的温度。最终由第三级冷凝器IV的出气口14排出未凝结的尾气。

上述储油罐以及排油管均可拆卸便于后期取样与清洗，且排油管的内径为0.02m，壁厚为1mm-2mm。

分级冷凝法，是在生物质气化热解气化气冷凝过程中，根据焦油各组分沸点不同，利用不同冷凝机理将焦油逐级冷凝从而获得几类理化性质不同、用途不同、性质较稳定的产物，在提高生物质焦油回收率的同时也降低了后续精致成本，具有广阔的应用前景。对于生物质气化焦油的分级冷凝法，通常需要两级及以上多种冷凝方式复合的分级冷凝装置。目前，已有的生物质气化热解气分级冷凝装置有直接冷凝与间接冷凝复合的分级冷凝装置，例如专利CN101851520B设计了一种直接与间接冷凝方式复合的两级污泥气化热解气分级冷凝回收生物油的装置，在第一级采用壁式换热器并以水为冷却介质，在第二级采用喷淋式冷却塔进行轻质油的冷却与回收，此种装置可能导致喷淋装置与管式冷凝器匹配不当，从而导致生物油回收率降低，冷凝过程产生大量的冷凝废液，造成二次无污染，同时由于生物油的腐蚀性较高，运动粘度较大，对设备的抗腐蚀性要求较高。目前，多级间接冷凝装置已越来越趋于成为主要的冷凝装置，本发明针对生物质气化产气组分特性，通过优化冷凝介质、控制冷凝温度，对生物质气化热解气化气进行精制分离，从而获取不同组分的生物质气化焦油。

相比之下，本发明提供的一种基于静电捕集与间接冷凝耦合的复合式分级冷凝装置，能够有效的回收电捕油，去除产气中气溶胶颗粒，从而提高生物质气化气品质、焦油品质以及增加焦油回收效率，降低后续精炼成本；采用空气，水以及冰水作为冷凝介质，既达到了迅速降温充分冷凝的目的，又避免了冷凝介质的二次污染以及对装置的腐蚀损害。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于分离生物质气化热解气的复合式分级冷凝装置，其特征在于，包括冷凝器和电捕焦油器，所述冷凝器和电捕焦油器中的一者经配置以接收生物质气化热解气进行冷凝，并将未凝结气体排入另一者。

2.根据权利要求1所述的复合式分级冷凝装置，其特征在于，所述冷凝器的数量为三个，分别为第一级冷凝器、第二级冷凝器和第三级冷凝器；所述电捕焦油器的数量为一个；所述第一级冷凝器经配置以接收生物质气化热解气进行冷凝，并将未凝结气体排入所述电捕焦油器进行冷凝，所述电捕焦油器经配置以将未凝结气体依次排入所述第二级冷凝器和所述第三级冷凝器。

3.根据权利要求1或2所述的复合式分级冷凝装置，其特征在于，所述冷凝器为间接冷凝器，所述间接冷凝器的冷凝介质为空气、水、冰水混合物中的一种。

4.根据权利要求3所述的复合式分级冷凝装置，其特征在于，所述间接冷凝器的外装置的直径为0.5m-1m，高为1m-1.5m；所述间接冷凝器的内装置的直径为0.2-0.7m，高为0.5m-1m；所述冷凝器接有排油管，用于将所述冷凝器的冷凝液体排出；所述排油管的内径为0.02m-0.05m，壁厚为1mm-2mm；所述冷凝器的进气口和出气口的内径为6mm-10mm。

5.根据权利要求3所述的复合式分级冷凝装置，其特征在于，所述第一级冷凝器的冷凝温度为110℃-200℃，所述第一级冷凝器的冷凝介质为空气，所述第一级冷凝器的冷凝介质的流速为5.41m/s-21.22m/s。

6.根据权利要求3所述的复合式分级冷凝装置，其特征在于，所述第一级冷凝器包括第一外装置和第一内装置；所述第一内装置经配置以通入生物质气化热解气；所述第一外装置设置在所述第一内装置的外侧，并设有第一冷凝介质入口和第一冷凝介质出口；所述第一级冷凝器的冷凝介质经配置由所述第一冷凝介质入口进入所述第一外装置，然后由所述第一冷凝介质出口排出，以对所述第一内装置内的生物质气化热解气进行冷凝；所述第一冷凝介质入口和第一冷凝介质出口的内直径为0.1m-0.2m。

7.根据权利要求3所述的复合式分级冷凝装置，其特征在于，所述第二级冷凝器的冷凝温度为40℃-80℃；所述第二级冷凝器的冷凝介质为水；所述第二级冷凝器包括第二外装置和第二内装置；所述第二内装置经配置以通入来自所述电捕焦油器的未凝结气体；所述第二外装置设置在所述第二内装置的外侧；所述第二级冷凝器的冷凝介质容纳在所述第二外装置内包裹所述第二内装置，以对所述第二内装置通入的未凝结气体进行冷凝。

8.根据权利要求3所述的复合式分级冷凝装置，其特征在于，所述第三级冷凝器的冷凝温度为0℃-10℃；所述第三级冷凝器的冷凝介质为冰水混合物；所述第三级冷凝器包括第三外装置和第三内装置；所述第三内装置经配置以通入来自所述第二级冷凝器的未凝结气体；所述第三外装置设置在所述第三内装置的外侧；所述第三级冷凝器的冷凝介质容纳在所述第三外装置内包裹所述第三内装置，以对所述第三内装置通入的未凝结气体进行冷凝。

9.根据权利要求1所述的复合式分级冷凝装置，其特征在于，所述电捕焦油器的操作温度为110℃-120℃,高为1m-1.5m，内径为0.5m-1m。

10.一种生物质气化热解气分离方法，其特征在于，包括如下步骤：

将生物质气化热解气通入第一级冷凝器中进行冷凝，冷凝温度控制在110℃-200℃，收集重质组分焦油；

将第一级冷凝器未凝结气体通入电捕焦油器，电捕焦油器的操作温度为110℃-120℃，去除炭粒以及气溶胶颗粒，收集电捕油；

将电捕焦油器未凝结气体通入第二级冷凝器中进行冷凝，冷凝温度控制在40℃-80℃，收集轻质组分焦油；以及

将第二级冷凝器未凝结气体通入第三级冷凝器中进行冷凝，冷凝温度控制在0℃-10℃，收集水分及有机酸类物质；

其中，未凝结气体在第一级冷凝器、电捕焦油器、第二级冷凝器和第三级冷凝器内的停留时间大于2秒。