CN110003927B - 一种磨带式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领域，涉及一种磨带式生物质快速催化热解装置与方法。该装置包括料斗、进料系统、磨带式热解反应器、气固分离系统、热解气冷凝系统、燃烧系统、生物油收集箱、集炭箱、空气预热系统和烟气净化系统。其中，磨带式热解反应器由磨带、加热管、传动滚筒、张紧装置、密封外壳、进出料口和气体出口组成。预处理后的物料颗粒，受到带有速度差的两侧磨带不断剪切摩擦，并由多层加热管加热升温，连续在表面发生热解同时剥离残炭，使催化剂与热量能充分送入颗粒内部；热解气经气固分离后快速冷凝，以获得高品位生物油燃料或富含特定高附加值产物的生物油；燃烧生成的可燃气与焦炭，产生高温烟气用于加热管升温，实现自热式热解过程。

Description

一种磨带式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，具体涉及一种磨带式生物质快速催化热解的装置与方法。
背景技术
随着当今社会能源短缺与环境污染问题日益严重，相比于其他可再生能源，生物质凭借其具有能量载体的特性，正逐步朝着替代传统化石能源的方向发展；而热解技术正是将生物质原料变为气、液燃料等高效能源物质的有效方法之一。除此之外，通过使用催化剂对生物质热解过程进行定向调控，有选择性地制备富含特定化学品的生物油，也预示着其代替石油化工用于生产化工原料的无限潜力。而实现生物质热解技术能大规模、工业化应用的关键，就是设计出高效的热解反应器。
生物质热解面临的主要难题是反应器的设计，而反应器设计的核心是反应器的传热效率是否能够满足生物质热解所需的升温速率需要。然而生物质的导热性偏差，热量难以迅速传递到生物质颗粒内部。常规的做法要么通过延长生物质的固相停留时间，保证有足够的时间使热量传到颗粒内部，但是这样又会降低热解反应器的处理能力，增加处理成本；要么通过使用更细小的颗粒，使热量能够在短时间内传递到内部，但是这样又会增加粉碎机功耗，同样增大处理成本。因此，如何保证热解所需热量能够高效地传入反应器内部，并且使生物质颗粒能够迅速升温热解，是目前热解反应器研制所必须解决的最主要的技术难题。
而对于生物质的催化热解技术，分析目前主流的热解反应器：对于运动机械式的反应器，例如旋转锥、烧蚀式等，虽然能耗低、结构紧凑，能通过旋转离心强化固壁换热，但是仅靠离心力难以保证催化剂对颗粒内部的催化效果；对于压辊式的反应器，虽然通过强制辊压能够使得原料颗粒迅速升温，但是原料颗粒也在辊压过程中变得紧实，同样难以催化颗粒内部反应；而对于流化床式反应器，通过原料颗粒以及热载体的碰撞，能够在保证高效传热的同时不断剥离原料表面热解剩余的炭，使得催化效果持续渗入原料内部，但是相应的，载气使用量大所导致的热解气冷凝困难、冷凝热量损失大以及反应器磨损严重、设备庞大等问题也限制了流化床反应器的发展。所以除了保证高效传热外，如何在保证装置紧凑、减轻设备磨损的同时，还能使得催化剂高效催化热解过程，是目前必须考虑的另一个技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种磨带式生物质快速催化热解的装置与方法。
根据本发明的一方面，提供了一种磨带式生物质快速催化热解的装置，该装置包括：
料斗、进料系统、磨带式热解反应器、气固分离系统、热解气冷凝系统、燃烧系统、生物油收集箱、集炭箱、空气预热系统和烟气净化系统；所述的磨带式热解反应器包括气体出口、进料口、传动滚筒、加热管、磨带、密封外壳、保温层、张紧装置和出料口。
料斗与进料系统的入口相连；进料系统的出口与磨带式热解反应器上方的进料口相连；磨带式热解反应器下方的出料口与集炭箱相连，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集炭箱的入口相连，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生物油收集箱的入口相连，气相出口经由压缩机与燃烧系统的燃烧器相连；集炭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加热管的烟气入口相连；加热管的烟气出口与空气预热系统的热流入口相连；空气预热系统的热流出口与烟气净化系统相连；空气预热系统的冷流出口与燃烧系统的空气入口相连。
所述的磨带通过传动滚筒驱动，由张紧装置拉紧，两侧以一定的速度差相向或同向转动；将上下两传动滚筒倾斜一微小角度布置，使两侧磨带中部位置成V型，其间距逐渐缩小，并在磨带内侧紧贴磨带的位置上并排设置多层加热管；加热管为空心轴，被焊接固定于密封外壳上，并配合磨带，向下逐渐缩小间距，同时其表面带有相应的润滑措施；并排的一对加热管在一侧相连，另一侧的一端为烟气入口，另一端为烟气出口；传动滚筒一端的轴承置于密封外壳上，另一端伸出密封外壳，与外部的驱动装置相连；在传动滚筒与密封外壳之间设置两层密封措施，第一层由耐高温填料密封，第二层在其外部布置迷宫密封，并往密封的腔体中通入少量氮气作为保护气，在密封结构处建立微正压；张紧装置全部置于密封外壳内部，张紧轮由张紧器拉紧；密封外壳内侧紧贴磨带，外侧布置保温层。
优选的，进料系统为螺旋进料器或带式输送机。
优选的，两侧磨带间，以0-5°的夹角逐渐缩小间距。
优选的，加热管的外径为10-50mm，每层间距10-30mm，表面涂置耐高温的润滑剂。
优选的，张紧装置使用弹簧式张紧器、扭簧式张紧器或定期调整式张紧器。
优选的，磨带表面沿横向设置凹层，每层宽度为5-20mm，用于作为催化层或摩擦层。
优选的，所述催化层为在皮带表面凹层负载坚硬的催化剂。
优选的，所述摩擦层为在皮带表面涂制高粗糙度的摩擦涂料或在皮带表面嵌套摩擦部件。
优选的，气固分离系统至少包括旋风分离器与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，空气预热系统为回转式空气预热器或管式空气预热器。
优选的，烟气净化系统为脱硝与除尘组合式净化装置。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述装置实现磨带式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，通过进料系统送入磨带式热解反应器；颗粒从磨带式热解反应器上方的进料口落入两侧磨带之间，持续受加热管加热升温，并由一定速度差的两侧磨带不断剪切摩擦，剥离表面热解生成的残炭，使得催化剂与热量能充分送入物料内部，保证有效的催化反应；同时，沿着两侧磨带间V型间隙下滑的物料颗粒，不断被磨小，进一步在颗粒内部发生催化热解；最终生成的大部分固体焦炭通过下方的出料口进入集炭箱，少部分随着热解气体经过气体出口进入气固分离系统；分离出的固体焦炭颗粒同样进入集炭箱，而气体进入热解气冷凝系统；经冷凝后得到的生物油进入生物油收集箱，而不可冷凝的可燃气，一部分作为载气送入磨带式热解反应器中，另一部分通过压缩机加压作为燃料送入燃烧系统；经燃烧系统燃烧产生的高温热烟气，分别送入每层的加热管中；经与磨带和生物质原料换热后，次热烟气排往空气预热系统，用于加热燃烧所需空气；随后排出的烟气降到烟气净化系统所需温度，经净化后排出。
优选的，磨带式热解反应器中反应温度为300-700℃，固相滞留时间为5-30s，气相滞留时间为0.2-2s。
优选的，磨带式热解反应器中磨带的运行速度为1-20m/min，两侧磨带速度比为1-5，方向相同或相反。
优选的，催化剂的引入形式为在生物质预处理阶段将生物质与催化剂混合或将坚硬的催化剂负载在磨带上形成催化剂层。
本发明的有益效果为：
本发明所述的磨带式生物质快速催化热解装置，其核心是磨带式热解反应器。预处理后的生物质颗粒不断受加热管加热升温，通过带有一定速度差的两侧磨带不断剪切破碎，持续剥离表面残炭，使得催化剂与热量能够充分送入物料内部，保证充分有效的催化热解反应，其产生的热解气经气固分离后快速冷凝，以获得高品位生物油或用于制备高附加值产品。其优点主要包括：
(1)催化效率高、催化效果好：能够不断剥离颗粒表面热解生成的炭，使得催化剂直接接触原料内部，而不是仅仅作用于热解产物，催化更为高效，有益于对热解产物形成路径的控制。
(2)传热效率高：由于物料在磨带间被剪切摩擦，不断剥离表面残炭，使得加热管的热量直接作用于颗粒内部，传热效果好。
(3)减少粉碎机功耗：由于两侧磨带间距不断缩小，成V型布置，在两磨带平均速度向下的条件下，能够在反应中将被推挤的物料颗粒不断磨小，因此可以处理较大颗粒的原料，减少粉碎机的功耗。
(4)结构紧凑，易扩大处理量：使用加热管换热，无需使用热载体，无需辅助设备；同时摩擦面积大，单位处理面积对应的装置体积小，结构相对紧凑，容易通过增加皮带的使用宽度以及反应器的宽度，来提高装置的处理量。
(5)有益于装置的密封，减轻装置的磨损：加热管固定，通过耐高温的润滑剂来减小摩擦，无需设置高温旋转密封措施；而传动滚筒虽然为旋转部件，但是由于不用于换热，仅需简易的旋转密封即可，有益于装置整体的密封性。
(6)热解反应条件调控方便：通过控制原料的粒径、进料速度、热烟气的温度和流量、磨带的运行速度，有无需要催化剂或更换负载有不同催化剂的磨带，即可方便地调整所需的热解反应温度、反应时间、传热面积以及催化情况，从而根据不同的物料，调控不同的热解反应，实现对生物质高效地选择性热解转化。
(7)无需使用载气，或仅需使用少量载气：由于在本装置中载气仅是为了加速热解气的快速排出，减少气相滞留时间，尽可能避免二次裂解，而不是作为流化介质或热载体。因此所需使用量少，或无需使用，避免了载气升温与冷凝过程导致的能量损失。
(8)自热式热解：将生物质热解生成的可燃气与焦炭用于燃烧，为热解提供热量，实现自热式热解过程。
附图说明
图1为本发明所述的磨带式生物质快速催化热解装置的示意图；
图2为本发明所述的磨带式热解反应器的示意图；
图3为本发明所述的磨带式热解反应器中催化型磨带的示意图；
图中标号：
1-料斗；2-进料系统；3-磨带式热解反应器；4-气固分离系统；5-热解气冷凝系统；6-燃烧系统；7-生物油收集箱；8-集炭箱；9-空气预热系统；10-烟气净化系统；
301-气体出口；302-进料口；303-传动滚筒；304-加热管；305-磨带；306-密封外壳；307-保温层；308-张紧装置；309-出料口。
具体实施方式
本发明提供了一种磨带式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基本相同，如图1、图2和图3所示。
如图1和图2所示，料斗1与螺旋进料系统2的入口相连；螺旋进料系统2的出口与磨带式热解反应器3上方的进料口302相连；磨带式热解反应器3下方的出料口309与集炭箱8的入口相连，侧上方的气体出口301与旋风分离器4的入口相连；旋风分离器4下方的固体出口与集炭箱8的入口相连，上方的气体出口和喷雾与降膜式复合冷凝系统5的入口相连；喷雾与降膜式复合冷凝系统5的液相出口与生物油收集箱7的入口相连，气相出口经由压缩机与小型室燃炉6的燃烧器相连；集炭箱8的出口与小型室燃炉6的燃烧器相连；小型室燃炉6的热烟气出口与加热管304的烟气入口相连；加热管304的烟气出口与回转式空气预热器9的热流入口相连；回转式空气预热器9的热流出口与脱硝除尘复合式烟气净化装置10相连；回转式空气预热器9的冷流出口与小型室燃炉6的空气入口相连。
两侧磨带305的宽度均为1000mm，中部以2°夹角成V型布置，最下端间距1mm，由传动滚筒303驱动；传动滚筒303外径100mm，上下两个滚筒之间总高为2000mm；两边各有一个传动滚筒303伸出密封外壳与电机相连，之间设置两层密封措施，通过耐高温密封填料与氮气保护的迷宫密封防止漏气；加热管304外径40mm，间隔10mm布置，采用氮化硼涂料作为耐高温润滑剂；张紧装置308的张紧滚筒直径为40mm，使用偏心轴套调整式张紧器；磨带的外侧与密封外壳306间距20mm，密封外壳306外包保温材料307；过量空气通过鼓风机送入小型室燃炉6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。
实施例1
将水分含量为6wt％的核桃壳破碎至平均粒径为10mm，以150kg/h的进料速率通过螺旋进料系统2后进入磨带式热解反应器3中；磨带305全为摩擦层，使用摩擦涂料制备；一边的磨带采用10m/min的向下运行速度，另一边磨带采用6m/min的向上运行速度；进入磨带式热解反应器3中的烟气温度为740℃，测得热解反应器内的温度为510℃；热解产物经气固分离与冷凝后，获得三相热解产物，其中焦炭产率为27.1wt％，生物油产率为52.1wt％，可燃气产率为20.8wt％。
实施例2
将水分含量为8wt％的杨木，破碎至平均粒径为10mm，以100kg/h的进料速率经螺旋进料系统2送入磨带式热解反应器3中；磨带305采用催化型，间隔10mm交错设置摩擦层和催化剂层；摩擦层采用摩擦涂料，而催化剂层使用固体磷酸负载在磨带上；一边磨带向下运行，速度为16m/min，另一边磨带向上运行，速度为12m/min；进入加热管304内的烟气温度为450℃，保证热解反应器内的温度维持在300℃；热解产物经气固分离与热解气冷凝后获得带有目标产物左旋葡萄糖酮的生物油，左旋葡萄糖酮的产率为8.1wt％。
实施例3
将水分含量为6wt％的玉米芯，破碎至平均粒径为10mm；随后通过螺旋进料系统2以进料量为120kg/h送入磨带式热解反应器3；通过调节电动机功率，保证一边的磨带向下运行速度为12m/min，另一边磨带以8m/min的速度向上运行；摩擦带仅使用摩擦涂层，而催化剂ZnCl2在原料预处理时以直接浸渍原料的方式引入，测得负载量为16.3wt％；进入磨带式热解反应器3内的烟气温度为510℃，热解反应器内的温度340℃；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，获得固、液、气三相热解产物，各自的产率分别为44.2％、46.5％与9.3％，其中目标产物糠醛的产率为8.5wt％。
实施例4
将含水量8wt％的玉米秆破碎至平均粒径为10mm，以进料量为100kg/h，通过螺旋进料系统2进入磨带式热解反应器3；采用两侧磨带的速度分别为向上6m/min和向下10m/min；不引入催化剂，磨带使用摩擦涂料全设置为摩擦层；进入加热管304内的烟气温度为750℃，热解反应器内的温度500℃；热解产物经气固分离与热解气冷凝后，测得焦炭产率为22.1wt％，生物油产率为54.3wt％，可燃气产率为23.6wt％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (10)

1.一种磨带式生物质快速催化热解装置，包括料斗(1)、进料系统(2)、磨带式热解反应器(3)、气固分离系统(4)、热解气冷凝系统(5)、燃烧系统(6)、生物油收集箱(7)、集炭箱(8)、空气预热系统(9)和烟气净化系统(10)；所述磨带式热解反应器(3)包括气体出口(301)、进料口(302)、传动滚筒(303)、加热管(304)、磨带(305)、密封外壳(306)、保温层(307)、张紧装置(308)和出料口(309)；
料斗(1)与进料系统(2)的入口相连；进料系统(2)的出口与磨带式热解反应器(3)上方的进料口(302)相连；磨带式热解反应器(3)下方的出料口(309)与集炭箱(8)相连，侧上方的气体出口(301)与气固分离系统(4)的入口相连；气固分离系统(4)下方的固体出口与集炭箱(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)的液相出口与生物油收集箱(7)的入口相连，气相出口经由压缩机与燃烧系统(6)的燃烧器相连；集炭箱(8)的出口与燃烧系统(6)的燃烧器相连；燃烧系统(6)的热烟气出口与加热管(304)的烟气入口相连；加热管(304)的烟气出口与空气预热系统(9)的热流入口相连；空气预热系统(9)的热流出口与烟气净化系统(10)相连；空气预热系统(9)的冷流出口与燃烧系统(6)的空气入口相连；
所述磨带(305)通过传动滚筒(303)驱动，由张紧装置(308)拉紧，两侧以一定的速度差相向或同向转动；将上下两传动滚筒倾斜一微小角度布置，使两侧磨带(305)中部位置成V型，其间距逐渐缩小，并在磨带(305)内侧紧贴磨带的位置上并排设置多层加热管(304)；加热管(304)为空心轴，被焊接固定于密封外壳(306)上，并配合磨带，向下逐渐缩小间距；并排的一对加热管(304)在一侧相连，另一侧的一端为烟气入口，另一端为烟气出口；传动滚筒(303)一端的轴承置于密封外壳(306)上，另一端伸出密封外壳，与外部的驱动装置相连；在传动滚筒(303)与密封外壳(306)之间设置两层密封措施，第一层由耐高温填料密封，第二层在其外部布置迷宫密封，并往密封的腔体中通入少量氮气作为保护气，在密封结构处建立微正压；张紧装置(308)全部置于密封外壳内部，张紧滚筒由张紧器拉紧；密封外壳(306)内侧紧贴磨带(305)，外侧布置保温层(307)。
2.根据权利要求1所述的一种磨带式生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述两侧磨带(305)间，以0-5°的夹角逐渐缩小间距。
3.根据权利要求1所述的一种磨带式生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述加热管(304)的外径为10-50mm，每层间距10-30mm，表面涂置耐高温的润滑剂。
4.根据权利要求1所述的一种磨带式生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述张紧装置(308)采用弹簧式张紧器、扭簧式张紧器或定期调整式张紧器。
5.根据权利要求1所述的一种磨带式生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述磨带(305)表面沿横向设置凹层，每层宽度为5-20mm，用于作为催化层或摩擦层。
6.根据权利要求5所述的一种磨带式生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述催化层为在皮带表面凹层负载坚硬的催化剂。
7.根据权利要求5所述的一种磨带式生物质快速催化热解装置，其特征在于：所述摩擦层为在皮带表面涂制高粗糙度的摩擦涂料或在皮带表面嵌套摩擦部件。
8.一种磨带式生物质快速催化热解方法，基于如权利要求1-7中任一项所述的一种磨带式生物质快速催化热解装置，包括以下步骤：
预处理后的生物质原料经由料斗(1)，通过进料系统(2)送入磨带式热解反应器(3)；颗粒从磨带式热解反应器(3)上方的进料口(302)落入两侧磨带(305)之间，持续受加热管(304)加热升温，并由一定速度差的两侧磨带(305)不断剪切摩擦，剥离表面热解生成的残炭，使得催化剂与热量能充分送入物料内部，保证有效的催化反应；其中，催化反应温度为300-700℃，固相滞留时间为5-30s，气相滞留时间为0.2-2s；同时，沿着两侧磨带间V型间隙下滑的物料颗粒，不断被磨小，进一步在颗粒内部发生催化热解；最终生成的大部分固体焦炭通过下方的出料口(309)进入集炭箱(8)，少部分随着热解气体经过气体出口(301)进入气固分离系统(4)；分离出的固体焦炭颗粒同样进入集炭箱(8)，而气体进入热解气冷凝系统(5)；经冷凝后得到的生物油进入生物油收集箱(7)，而不可冷凝的可燃气，一部分作为载气送入磨带式热解反应器(3)中，另一部分通过压缩机加压作为燃料送入燃烧系统(9)；经燃烧系统(9)燃烧产生的高温热烟气，分别送入每层的加热管(304)中；经与磨带(305)和生物质原料换热后，次热烟气排往空气预热系统(9)，用于加热燃烧所需空气；随后排出的烟气降到烟气净化系统(10)所需温度，经净化后排出。
9.根据权利要求8所述的一种磨带式生物质快速催化热解方法，其特征在于：所述磨带式热解反应器(3)中磨带(305)的运行速度为1-20m/min，两侧磨带速度比为1-5，方向相反或相同。
10.根据权利要求8所述的一种磨带式生物质快速催化热解方法，其特征在于：所述的催化剂可直接浸渍原料或负载在磨带(305)上。
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