CN109082288B - 一种生物质焦油燃烧系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物质焦油燃烧系统及方法，属于生物质热解技术领域，以解决热解炭气油联产工程的热解焦油难处理的问题。一种生物质焦油燃烧系统，包括热解反应炉、气液分离器、热解反应炉与气液分离器相连，还包括油水分离器、热解气缓存罐、燃烧器，气液分离器的下端与油水分离器相连，气液分离器的上端与热解气缓存罐相连，油水分离器与燃烧器相连，燃烧器的输出端与热解反应炉相连。本发明一种实施方式集中式生物质热解焦油燃烧系统工艺流程简单，操作方便。本发明另一种实施方式连续式热解油气混燃系统以热解气为主燃烧，焦油只作为助燃喷入，燃烧火焰稳定，燃烧充分，不会出现断火现象，烟气排放也更容易达标。
Description
技术领域
本发明属于生物质热解技术领域，具体涉及一种生物质焦油燃烧系统及方法。
背景技术
以生物质为原料的热解技术能够实现能源清洁高效的转化，生物质热解产生的高温气体称为生物质热解气，经除尘、冷凝、除焦等工艺过程分别得到不可冷凝气即生物质燃气和可冷凝气。可冷凝气主要为生物质焦油、木醋液和水蒸汽，生物质燃气的主要成分是CO、CO2、H2、N2、CH4等，因还含有一定量的C2H6、C3H8、C2H4和C3H6等大分子高热值气体，较生物质热解气化气具有较高的热值，为15-18MJ/m3，可以直接燃烧供于用热设备。生物质焦油作为热解副产物，成分十分复杂，多为苯的衍生物和多环芳烃，具有粘度高、流动性差、含有一定杂质、含有一定水分、成酸性等特点，在80℃具有较好的流动性，其热值在32MJ/kg左右，具有较好的燃烧性。
因此，现在大多研究聚焦于焦油的燃料化利用，即将热解产生的焦油燃烧，产生的高温烟气为前端的热解设备提供热量。由于焦油中含有一定杂质，单独燃烧可能会短暂性堵塞喷头，导致熄火。同时焦油含水率过高，单独燃烧效果稳定性差，采用热解气和焦油混燃的方式进行，即热解气提供稳定火焰，将焦油雾化喷入混合燃烧，具有较好的燃烧效果。
然而，针对生物质热解工程的不同规模，导致了热解气和热解焦油的不同产量。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质焦油燃烧系统，以解决热解炭气油联产工程的热解焦油难处理的问题。
本发明的另一个目的是提供一种生物质焦油燃烧方法。
一种生物质焦油燃烧系统，包括热解反应炉、气液分离器、热解反应炉与气液分离器相连，还包括油水分离器、热解气缓存罐、燃烧器，气液分离器的下端与油水分离器相连，气液分离器的上端与热解气缓存罐相连，油水分离器与燃烧器相连，燃烧器的输出端与热解反应炉相连。
作为本发明的第一种实施方式，采用集中式生物质热解焦油燃烧，它还包括焦油储存罐、加热罐，油水分离器与焦油储存罐相连，焦油储存罐与加热罐相连，加热罐通过油泵与燃烧器相连。
一种生物质焦油燃烧方法，采用集中式生物质热解焦油燃烧，适用于处理量小于1t/h的热解炭气油联产工程，包括如下步骤：
一是产油阶段，即生物质原料进入热解反应炉，热解产生的高温热解气经气液分离器分离为热解气、热解油和水，其中热解油和水进入油水分离器进行分离，产生的焦油存储于储油罐，产生的热解气经过缓存罐后，直接回用燃烧为热解设备提供热源；
二是燃油阶段，当储油罐中的焦油储满后，利用少量热解气作为助燃剂，启动燃烧器，产生的高温烟气为热解设备提供热源，剩余的热解气通入至储气柜，用于居民炊事；直至储油罐中的焦油燃尽，再返回第一阶段，如此循环使用。
作为本发明的第二种实施方式，采用连续式热解油气混燃，它还包括焦油缓存罐,油水分离器与焦油缓存罐相连，焦油缓存罐通过油泵与燃烧器相连。
作为本发明的进一步改进，所述燃烧器上设热解油雾化喷头，包括最外层的雾化空气外腔、中间层油腔和内层的雾化空气内腔，雾化空气外腔的前端设有雾化空气通孔，中间层油腔和雾化空气内腔的缩口端斜面四周呈环形均匀布置有多个旋流喷头，每个喷头两侧均设置旋流槽。
作为本发明的进一步改进，所述旋流喷头为12个，雾化空气压力为0.6MPa，热解油压力为0.2~0.4MPa，燃气压力为0.3~0.5kPa。
本发明燃烧器上设热解油雾化喷头，采用内混式雾化原理，内混式高压介质雾化喷嘴的燃油与雾化介质在混合室内充分混合后，油气混合物再喷射出去，克服了外混式喷嘴的缺点，较外混喷嘴更适合热解燃油的雾化。
作为本发明的第二种实施方式，一种生物质焦油燃烧方法，采用连续式热解油气混燃方式，包括如下步骤：
（1）生物质原料进入热解反应炉，热解产生的高温热解气经气液分离器分离为热解气、热解油和水，其中热解油和水进入油水分离器进行分离，产生的焦油暂存于焦油缓存罐，再经油泵输送至燃烧器进行燃烧；
（2）同时，气液分离器产生的热解气经过热解气缓存罐后，部分回用至燃烧器，与热解油共同燃烧，另一部分用于居民炊事。
作为本发明的进一步改进，此方法适用于处理量至少在1t/h以上的热解炭气油联产工程，热解焦油产量在30kg/h以上，热解燃气产量在200m3/h以上，热解焦油与热解气的配比为1kg热解焦油配3m3热解气，可以保证较好的燃烧效果。
作为本发明的进一步改进，所述油水分离器为带保温的油水分离罐或者离心分离机。
作为本发明的进一步改进，所述焦油缓存罐(33)的容积为200L,用于热解焦油连续生产过程中的缓存，并满足后端燃烧的一个缓存用量。
本发明针对不同的热解工程分析其运行模式及产物规律，一种实施方式为集中式生物质热解焦油燃烧系统，适用于规模较小的热解工程，解决处理量小于1t/h的热解炭气油联产工程的热解焦油难处理的问题。采用在燃烧过程中以热解油燃烧为主，热解气仅作为引燃或助燃使用，也可理解为焦油的集中式回用燃烧，即将之前热解过程产生的焦油收集到一定量后集中燃烧。其优点是：不需要焦油和木醋液的连续分离，也不需要焦油的实时燃烧，工艺流程比较简单，操作方便；另外是焦油的集中燃烧，焦油燃烧量较大，即雾化过程或者燃烧过程不易堵塞燃烧器喷头，燃烧效果也比较好。
本发明另一种实施方式为连续式热解油气混燃方法，基于处理量大于1t/h的热解炭气油联产工程，以热解气为主、热解焦油为辅的一种连续式热解油气混燃系统。可理解为焦油的实时回用燃烧，即将前端热解产生的焦油通过高压泵和雾化喷头喷入至热解气燃烧的火焰，在燃烧腔内充分燃烧。优点有两个，一是产生的焦油在热态下经过油水分离，保温缓存后直接燃烧，不需要二次加热，可以做到焦油的时产时用，节省焦油收集和再加热的中间环节，只需订制安装一套燃烧器即可；二是以热解气为主燃烧，焦油只作为助燃喷入，燃烧火焰稳定，燃烧充分，不会出现断火现象，烟气排放也更容易达标。该方式适合于处理量在1t/h以上的生物质热解工程中油气混燃方式，本发明最大限度的利用了焦油的能量，减少了二次污染的产生。将热解过程产生的焦油直接伴热解气燃烧，产生的高温烟气为炭化设备供热，保证热解工程清洁高效运行。
附图说明
图1是本发明第一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明第二种实施方式的结构示意图；
图3是本发明中燃烧器的热解油雾化喷头的结构示意图；
图4是图3中A-A视图；
图5是秸秆热解油GC-MS图谱。
图中：1-热解反应炉,2-气液分离器,3-油水分离器,4-燃烧器,21-热解气缓存罐,31-焦油储存罐,32-加热罐,33-焦油缓存罐,41-雾化空气外腔，42-中间层油腔，43-雾化空气通孔，44-雾化空气内腔，45-旋流喷头,46-总喷头，47-外壳，48-旋流槽。
具体实施方式
下面的实施例可以进一步说明本发明，但不以任何方式限制本发明。
一种生物质焦油燃烧系统，包括热解反应炉1、气液分离器2、热解反应炉1与气液分离器2相连，还包括油水分离器3、热解气缓存罐21、燃烧器4，气液分离器2的下端与油水分离器3相连，气液分离器2的上端与热解气缓存罐21相连，油水分离器3与燃烧器4相连，燃烧器4的输出端与热解反应炉1相连。
如图1所示，作为本发明的第一种实施方式，采用集中式生物质热解焦油燃烧，它还包括焦油储存罐31、加热罐32，油水分离器3与焦油储存罐31相连，焦油储存罐31与加热罐32相连，加热罐32通过油泵与燃烧器4相连。
一种生物质焦油燃烧方法，采用集中式生物质热解焦油燃烧，适用于处理量小于1t/h的热解炭气油联产工程，包括如下步骤：
一是产油阶段，即生物质原料进入热解反应炉1，热解产生的高温热解气经气液分离器2分离为热解气、热解油和水，其中热解油和水进入油水分离器3进行分离，产生的焦油存储于储油罐，产生的热解气经过缓存罐后，直接回用燃烧为热解设备提供热源；
二是燃油阶段，当储油罐中的焦油储满后，利用少量热解气作为助燃剂，启动燃烧器，产生的高温烟气为热解设备提供热源，剩余的热解气通入至储气柜，用于居民炊事；直至储油罐中的焦油燃尽，再返回第一阶段，如此循环使用。
实施例1
热解焦油的储存罐容积为3m3,用于产油阶段热解焦油的缓存，以用作热解焦油的集中燃烧。
以生物质原料处理量为350kg/h的热解工程为例，工程每天生产运行6h，焦油产量为10kg/h，热值为30MJ/kg，热解气产量为150m3/h，热值为15MJ/m3，采用以油为主的油气混燃模式，1kg焦油配比1m3热解气，即集中燃烧过程中，每小时需要30kg的焦油合30m3热解气即可满足设备需求。可以实现连续产油运行16天，再集中伴气烧油6天，总共22天的循环周期。
本发明方法的技术难点在于：需要焦油储存罐及管道的二次加热，以保证较好的流动性；另外涉及到焦油的收集存储再利用，过程中需要防止外部杂质的掺入以及焦油挥发气味的扩散。
在前期运行过程中产生的热解焦油储存到储油罐，达到一定量后，再集中伴气燃烧，因此需要一定容积的焦油储存罐，规模小于1t/h，尽量延缓热解工程产油阶段和燃油阶段的切换周期，提高工作效率。
如图2所示，作为本发明的第二种实施方式，采用连续式热解油气混燃，它还包括焦油缓存罐33,油水分离器3与焦油缓存罐33相连，焦油缓存罐33通过油泵与燃烧器4相连。
一种生物质焦油燃烧方法，采用连续式热解油气混燃方法，包括如下步骤：
（1）生物质原料进入热解反应炉1，热解产生的高温热解气经气液分离器2分离为热解气、热解油和水，其中热解油和水进入油水分离器3进行分离，产生的焦油暂存于焦油缓存罐，再经油泵输送至燃烧器进行燃烧；
（2）同时，气液分离器2产生的热解气经过热解气缓存罐21后，部分回用至燃烧器，与热解油共同燃烧，另一部分用于居民炊事。
此模式适用于处理量至少在1t/h以上的热解炭气油联产工程，热解焦油产量在30kg/h以上，热解燃气产量在200m3/h以上，热解焦油与热解气的配比为1kg热解焦油配3m3热解气。
油水分离器3为带保温的油水分离罐或者离心分离机。焦油缓存罐33的容积为200L。
实施例2
适用于规模较大的热解工程，处理量至少在1t/h以上，热解焦油产量在30kg/h以上，热解燃气产量在200m3/h以上。在油气混合燃烧时保持1kg热解焦油配比3m3热解气进行混配燃烧，产生的能量供给前端的热解设备，多余的热解气进入储气柜供炊事使用。
本发明方法的技术难点在于一是必须有一定的焦油产量维持系统运转，产油量应在30kg/h以上，才能有一个较好的雾化效果；二是油水的连续分离较为困难，此处可以增加带保温的油水分离罐或者离心分离机，含有少量的水对燃烧效果不会有太大影响。
目前空气雾化主要分为外混式雾化和内混式雾化，外混式喷嘴的雾化介质从喷嘴喷出后，与燃油开始瞬间混合，雾化介质的效用迅速下降，使得雾化、混合、燃烧的过程很长，难以达到较好的雾化效果。
如图3-4所示，上述两种实施方式中，燃烧器4上设热解油雾化喷头，包括最外层的雾化空气外腔41、中间层油腔42和内层的雾化空气内腔44，雾化空气外腔41的前端设有雾化空气通孔43，中间层油腔42和雾化空气内腔44的缩口端斜面四周呈环形均匀布置有多个旋流喷头45，每个喷头两侧均设置旋流槽48。
图3中示出的旋流喷头45为12个，雾化空气压力为0.6MPa，热解油压力为0.2~0.4MPa，燃气压力为0.3~0.5kPa。
第一次雾化是发生在雾化空气外腔41与中间层油腔42之间，热解油经过油腔后由环形布置的旋转喷头45喷出，雾化空气外腔的高压空气经过旋流槽与旋转喷头喷出的热解油液滴相撞击，形成一次雾化；第二次雾化是发生在雾化空气内腔44与外壳47之间，高压空气经过雾化空气内腔后与一次雾化的液滴相混合，对液滴进行二次雾化，再经总喷头46喷出，该结构设计迫使热解油滴经历两次雾化过程，达到较好的雾化效果。
《生物质热解油特性分析》
不同于热解液化产生的生物油，生物质热解油具有较高的黏度和热值，如表1所示为生物质热解油的基本性质。通过热解油的元素分析，其主要元素为C，最高可达65%，H元素含量为10%，具有较高的能量密度；S元素含量极少，约为0.05%；热解油中水的含量也比较高，为10~20%。
生物质热解油的GC-MS图谱如图5所示，成分非常复杂，主要由有机酸类、酮类、酚类、醛类和稠环芳烃类物质组成，其中小分子组分主要是苯酚类，大分子物质为酰胺类和脂类。多为苯环结构，在燃烧过程中分子键难以断裂，因此在燃烧时需要较好的雾化效果和配风控制。
（1）燃油喷口参数计算
燃油喷口设计参数包括喷口直径和截面积，主要与流量和压差有关。按照内混式喷口设计经验公式计算。
式中 D1—燃油喷口直径，mm；
qmf—热解油的流量，kg/s；
μ1—油嘴出口流量系数，一般为0.2~0.4，取0.3；
p1—热解油在工作温度时的密度，取1100kg/m3；
∆p—燃油绝对压力与混合室临界压力之差，取0.1MPa；
S—喷油口总截面积，mm2；
S 1—旋流喷头截面积，mm2；
根据工程实际要求，设计热解油流量为20kg/h，带入上述公式可得燃油喷口直径为1.25mm，即喷油口总的截面积为1.22mm2，每个小的旋流喷头截面积为0.1mm2。
（2）压缩空气出口参数计算
压缩空气主要为压缩空气内腔出口和外腔出口，总的截面积根据下述公式计算，设计过程中将压缩空气内腔喷出口和外腔喷出口截面积取相同数值。
式中F—压缩空气喷口截面积；
qma—压缩空气的流量，kg/s；
μ2—雾化介质的流量系数，取0.67；
—临界截面流量计算系数，空气取0.48；
p2—喷嘴入口处压缩空气的绝对压力，取0.8MPa；
V—压缩空气比容，取1.2m3/kg。
根据空气配比，取压缩空气流量为3kg/h，将各参数代入上述公式可得压缩空气喷出口总截面积为2.24mm2，内腔和外腔截面积各为1.12mm2。
《热解油燃烧试验》
燃烧试验平台加工完成后，在北京市双桥农业部重点实验室进行燃烧试验，试验所用的热解油和热解气均为600℃条件下的玉米秸秆热解产生，热解油的基本特性如表1所示，热解气热值为18MJ/m3。经过燃烧调试，发现当雾化空气压力为0.6MPa，热解油压力为0.2~0.4MPa，燃气压力为0.3~0.5kPa时，燃烧器燃烧稳定，火焰明亮，连续稳定燃烧时间达4h以上。
（1）参数标定测试
在稳定燃烧状态下，进行了设备的处理量标定，如表2所示，分别设定热解油压力为0.2MPa和0.4MPa，设定燃气压力为0.3kPa和0.5kPa，进行燃油处理量和燃气处理量的参数标定，试验结果如表2所示，由表可知该燃烧器的热解油处理量和热解气处理量与设计值基本吻合。
（2）燃料配比燃烧试验
同时，为了探索热解油稳定燃烧过程所需较少的热解气伴气量，进行了热解油与燃气配比的燃烧试验，在稳定燃烧情况下采用德国rbr益康烟气分析仪进行烟气组分检测，试验结果如表3所示。
燃烧过程中，炉膛外壁采用变频风机进行降温调控，所以四组试验过程中炉膛外壁的温度和排烟温度的变化不大。从燃料配比情况来看，随着油/气燃料配比的增大，CO排放量和NOX排放量均是一个增大的趋势，而且当油/气燃料配比大于10.9时，氮氧化物已经超过了国家标准，说明在该配比情况下由于热解油的燃烧量较大时火焰温度会急剧升高，造成NOX排放增高，并且热解油采用的预混式雾化原理，雾化空气的提前预热也会使NOX的排放升高。另外，从试验结果看，燃烧过程中即使保持充足的氧气，CO的排放浓度仍然过高，分析原因热解油中含有C元素约占60%，雾化后难以通过一次燃烧达到较好的燃烧效果。
总结：（1）针对焦油含水率较高，难以稳定燃烧的问题，设计了热解油二次雾化喷头，并搭建了生物质焦油燃烧试验平台。（2）燃烧试验表明，在雾化空气压力为0.6MPa，热解油压力为0.2~0.4MPa，燃气压力为0.3~0.5kPa时，燃烧器可以持续稳定燃烧。
Claims (10)
1.一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：采用集中式生物质热解焦油燃烧，适用于处理量小于1t/h的热解炭气油联产工程，包括如下步骤：
一是产油阶段，即生物质原料进入热解反应炉（1），热解产生的高温热解气经气液分离器（2）分离为热解气、热解油和水，其中热解油和水进入油水分离器（3）进行分离，产生的焦油存储于储油罐，产生的热解气经过缓存罐后，直接回用燃烧为热解设备提供热源；
二是燃油阶段，当储油罐中的焦油储满后，利用少量热解气作为助燃剂，启动燃烧器，产生的高温烟气为热解设备提供热源，剩余的热解气通入至储气柜，用于居民炊事；直至储油罐中的焦油燃尽，再返回第一阶段，如此循环使用。
2.根据权利要求1所述的一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：采用一种生物质焦油燃烧系统，该系统包括热解反应炉、气液分离器、热解反应炉与气液分离器相连，该系统还包括油水分离器（3）、热解气缓存罐（21）、燃烧器（4），气液分离器（2）的下端与油水分离器（3）相连，气液分离器（2）的上端与热解气缓存罐（21）相连，油水分离器（3）与燃烧器（4）相连，燃烧器（4）的输出端与热解反应炉（1）相连；该系统还包括焦油储存罐（31）、加热罐（32），油水分离器（3）与焦油储存罐（31）相连，焦油储存罐（31）与加热罐（32）相连，加热罐（32）通过油泵与燃烧器（4）相连。
3.根据权利要求2所述的一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：所述燃烧器（4）上设热解油雾化喷头，包括最外层的雾化空气外腔(41)、中间层油腔(42)和内层的雾化空气内腔（44），雾化空气外腔(41)的前端设有雾化空气通孔(43)，中间层油腔(42)和雾化空气内腔(44)的缩口端斜面四周呈环形均匀布置有多个旋流喷头(45)，每个喷头两侧均设置旋流槽（48）。
4.根据权利要求3所述的一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：所述旋流喷头(45)为12个，雾化空气压力为0.6MPa，热解油压力为0.2~0.4MPa，燃气压力为0.3~0.5kPa。
5.一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：采用连续式热解油气混燃方式，包括如下步骤：
A、生物质原料进入热解反应炉（1），热解产生的高温热解气经气液分离器（2）分离为热解气、热解油和水，其中热解油和水进入油水分离器（3）进行分离，产生的焦油暂存于焦油缓存罐，再经油泵输送至燃烧器进行燃烧；
B、同时，气液分离器（2）产生的热解气经过热解气缓存罐（21）后，部分回用至燃烧器，与热解油共同燃烧，另一部分用于居民炊事；
此方法适用于处理量在1t/h以上的热解炭气油联产工程，热解焦油产量在30kg/h以上，热解燃气产量在200m3/h以上，热解焦油与热解气的配比为1kg热解焦油配3m3热解气。
6.根据权利要求5所述的一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：所述油水分离器（3）为带保温的油水分离罐或者离心分离机。
7.根据权利要求6所述的一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：所述焦油缓存罐(33)的容积为200L。
8.根据权利要求5所述的一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：采用一种生物质焦油燃烧系统，该系统包括热解反应炉、气液分离器、热解反应炉与气液分离器相连，该系统还包括油水分离器（3）、热解气缓存罐（21）、燃烧器（4），气液分离器（2）的下端与油水分离器（3）相连，气液分离器（2）的上端与热解气缓存罐（21）相连，油水分离器（3）与燃烧器（4）相连，燃烧器（4）的输出端与热解反应炉（1）相连；该系统还包括焦油缓存罐(33), 油水分离器（3）与焦油缓存罐(33)相连，焦油缓存罐(33)通过油泵与燃烧器（4）相连。
9.根据权利要求8所述的一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：所述燃烧器（4）上设热解油雾化喷头，包括最外层的雾化空气外腔(41)、中间层油腔(42)和内层的雾化空气内腔（44），雾化空气外腔(41)的前端设有雾化空气通孔(43)，中间层油腔(42)和雾化空气内腔(44)的缩口端斜面四周呈环形均匀布置有多个旋流喷头(45)，每个喷头两侧均设置旋流槽（48）。
10.根据权利要求9所述的一种生物质焦油燃烧方法，其特征在于：所述旋流喷头(45)为12个，雾化空气压力为0.6MPa，热解油压力为0.2~0.4MPa，燃气压力为0.3~0.5kPa。
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