CN110079350A - 一种以多仓室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺 - Google Patents
一种以多仓室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种以多仓室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，包括依次通过管道连接的供料装置、热裂解反应器、旋风分离器，热裂解反应器采用多仓室流化床反应器，旋风分离器分别通过管道连接炭收集装置、生物油收集装置，旋风分离器分离出的气体通过引风机经由管道送至反应器燃烧室。本发明利用流程中生成的不凝气作为加热热源，不需要任何化石燃料，属于自发热式，能够节约生产成本；可以通过调节不凝气与空气的混合气量控制反应器温度，有效地调节生物质热裂解产物分布和目的产物产率；具备连续化生产能力，设备运行稳定，整个工艺流程不排放任何污染物，环保经济。
Description
技术领域
本发明属于能源化工技术领域，涉及一种以多仓室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺。
背景技术
面对能源危机，生物质作为唯一能转化成可替代常规液态石油燃料和其他化学品的可再生资源，其开发利用是当前国内外广泛关注的重大课题。目前对生物质转化利用方式的研究主要集中在热化学转化方面，其中生物质热解液化技术是其利用的重要方式之一，该技术很大程度上能缓解当今社会的能源危机以及环境污染，是人类开发可再生资源的有效途径。
生物质热裂解是指生物质在完全缺氧或有限氧供给的条件下发生热解，最终生成液体生物油、可燃气体和固体生物质炭三个组成部分的过程。生物质快速热解是开发利用生物质能的有效途径，在中温(约500℃)、高加热传热速率和极短气体停留时间(通常小于2s)的条件下，将生物质直接加热使其裂解，在产生的挥发物二次裂解前进行快速冷却，从而得到高产率液态生物油。
生物质快速热裂解的研究始于20世纪70年代，国内的相关研发机构虽然在木质纤维素水解、可发酵糖生物利用以及代谢产物分离与纯化等方法和关键技术上取得了重大突破，但在快速热解技术开发中，尚未突破规模化生产和成套设备的难关，大多停留在中试和中试之前的研发阶段。因采用的热裂解工艺不同，生物质原料不同，尚不存在最好的热裂解工艺。目前工艺存在的主要问题是处理量低，生产能力小，快速裂解的条件不易控制，热能利用率不高，对产率影响较大。因此要进一步开发高效清洁的生物质能实际利用技术，使生物质热解制生物油技术走向较大规模的工业化生产，必须研究开发出一套新工艺。
发明内容
为了克服现有工艺的缺点和不足，实现连续化制取生物油，本发明提供一种以多仓室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺。
一种以多仓室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，包括依次通过管道连接的供料装置、热裂解反应器、旋风分离器，热裂解反应器采用多仓室流化床反应器，旋风分离器分别通过管道连接炭收集装置、生物油收集装置，旋风分离器分离出的气体通过引风机经由管道送至反应器燃烧室。反应器主体为扁长状箱体，上部为扩大段，下部分为N个相同的仓室，前N-1个仓室下方设有气体分布室及分布板，气体分布室左侧设流化气入口。反应器主体左下方设物料入口，反应器主体右上方设气体出口。反应器主体周围设燃烧室，燃烧室外壁设置隔热和阻气层。前N-1个仓室为流化室以及加热反应段，第N仓室为卸料室且底部设物料出口。各室之间由隔板分开，隔板中部留有开口使得各室连通，开口大小与仓室高度的比例关系为1/6，开口处设有导流板，与水平方向的夹角为45°。与传统的流化床反应器相比，具有以下优点：1)具备连续化生产能力，并能通过改变进料速率来调节物料在反应器内的停留时间，故该反应器适用于不同粒径以及不同物性的生物质颗粒的裂解，使得不同颗粒均能裂解充分；2)该反应器的多仓室设计使生物质裂解过程被人为地分为若干阶段，颗粒大致分为若干不同的年龄段，改善颗粒的返混现象和停留时间分布，提高卸料口处物料的平均裂解深度，有效提高生物油的产率；3)各仓室隔板开口处设置导流板，有利于物料在相邻流化室之间依序单向流动，进一步避免了颗粒在反应器内输送时发生串室和返混现象；4)利用生物质热裂解产生的不凝气作为热源对反应器内的生物质颗粒进行加热，充分利用了可燃不凝气的热值，属于自发热式，能够节约成本。
优选的是：供料装置包括电机、料斗和螺旋送料器，电机设置在螺旋送料器一侧，料斗设置在螺旋送料器入料端，螺旋送料器出料端通过管道连接至反应器物料入口。
优选的是：不凝气送至反应器燃烧室前先经由管道经过气体混合装置。
优选的是：旋风分离器为一级或二级串联旋风分离器。
优选的是：旋风分离器底部通过管道连接炭收集装置。
优选的是：旋风分离器顶部连接换热器，换热器分别经由管道连接生物油收集装置和气体输送管道。
优选的是：换热器为一级或二级串联换热器。
优选的是：管道设有阀门。
设备运行步骤为：生物质颗粒在螺旋加料器(3)的作用下进入多仓室流化床反应器(6)，在整套工艺流程中，绝大多数裂解完成的颗粒由多仓室流化床反应器(6)物料出口处连接的星型卸料器(26)连续排出。裂解气和少数细小颗粒被流化气携带从多仓室流化床反应器(6)引出进入旋风分离器(12)，经过气固分离后的固体颗粒与气体分别进入集炭器(14)和换热器(16)，气体经过换热器(16)的冷却冷凝为生物油和不凝气，生物油进入生物油收集器(18)，不凝气经由引风机(22)送入气体混合器(20)与空气混合后返回多仓室流化床反应器(6)为生物质热裂解反应提供热量。
本发明与现有生物质热裂解生产工艺相比，具有以下优点：1)该工艺流程中核心装置生物质热裂解反应器采用多仓室流化床反应器，物料在相邻流化室之间依序单向流动，减弱了反应器内的大范围返混现象，改善颗粒的停留时间分布，提高卸料口处物料的平均裂解深度，提高生物油的产量；2)该工艺流程通过利用流程中生成的不凝气作为加热热源，不需要任何化石燃料，属于自发热式，能够节约生产成本；3)该工艺流程中通过调节不凝气与空气的混合气量控制反应器温度，可以有效地调节生物质热裂解产物分布和目的产物产率；4)具备连续化生产能力，设备运行稳定，能通过改变进料速率来调节物料在反应器内的停留时间，适用于不同粒径和物性的生物质的裂解，整个工艺流程不排放任何污染物，环保经济。
附图说明
图1是生物质热裂解制取生物油的连续化生产工艺示意图
图中：1-电机，2-料斗，3-螺旋加料器，4-管道，5-废气出口，6-多仓室流化床反应器，7-燃气与空气入口，8-管道，9-管道，10-引风机，11-管道，12-旋风分离器，13-管道，14-集炭器，15-管道，16-换热器，17-管道，18-生物油收集器，19-管道，20-气体混合器，21-管道，22-引风机，23-管道，24-引风机，25-管道，26-星型卸料器，27-管道，28-引风机，29管道，30-管道，31-引风机，32-管道，33-换热器。
图2是多仓室流化床反应器结构示意图
图中：601-物料入口，602-流化气入口，603-气体分布室，604-多仓室流化床反应器，605-仓室一，606-开口一，607-仓室二，608-开口二，609-仓室三，610-开口三，611-卸料室，612-物料出口，613-扩大段，614-气体出口，615-废气出口，616-燃烧室，617-燃气与空气入口，618-隔热层与阻气层。
图3是多仓室流化床反应器结构左视图
图中：601-物料入口，602-流化气入口，603-气体分布室，604-多仓室流化床反应器，613-扩大段，614-气体出口，615-废气出口，616-燃烧室，618-隔热层与阻气层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的描述说明：
图1为本发明提供的生物质热裂解制取生物油的连续化生产工艺示意图，主要包括：1-电机；2-料斗；3-螺旋加料器；6-多仓室流化床反应器；10-引风机；12-旋风分离器；14-集炭器；16-换热器；18-生物油收集器；20-气体混合器；22-引风机；24-引风机；26-星型卸料器；28-引风机。多仓室流化床反应器(6)与螺旋加料器(3)通过管道(4)连接；多仓室流化床反应器(6)与旋风分离器(12)通过管道(8)连接；多仓室流化床反应器(6)与引风机(10)通过管道(9)连接；多仓室流化床反应器(6)与星型卸料器(26)通过法兰连接；多仓室流化床反应器(6)与引风机(28)通过管道(27)连接；多仓室流化床反应器(6)与引风机(31)通过管道(30)连接；旋风分离器(12)与集炭器(14)通过管道(13)连接；旋风分离器(12)与换热器(16)通过管道(11)连接；换热器(16)与生物油收集器(18)通过管道(17)连接；换热器(16)与引风机(22)通过管道(19)连接；换热器(16)与引风机(31)通过管道(32)连接；引风机(22)与气体混合器(20)通过管道(21)连接；气体混合器(20)与引风机(24)通过管道(23)连接；气体混合器(20)与引风机(10)通过管道(15)连接。
生物质热裂解生产工艺流程中生物质储存在料斗(2)内，螺旋加料器(3)在电机(1)的带动下，将生物质通过管道(4)送入多仓室流化床反应器(6)，发生生物质热裂解反应(生物质颗粒通过物料入口(601)连续进入多仓室流化床反应器(604)，该反应器下部有四个相同的并列仓室。流化气经由流化气入口(602)进入气体分布室(603)中预分布，随后进入多仓室流化床反应器(604)内部使颗粒流化。物料首先在仓室一(605)内流化，随着连续进料，反应器内物料逐渐增多，床层逐渐膨胀至开口一(606)处，物料开始输送至仓室二(607)并在其中流化。随着不断运行，生物质颗粒在流化状态下依序单向经由开口二(608)、仓室三(609)和开口三(610)，最终落入卸料室(611)。裂解完成的颗粒经由物料出口(612)实现连续卸料。整个裂解过程中，生成的裂解气均由流化气携带上升至扩大段(613)，经气体出口(614)引出反应器，其中的不凝气在后续经过收集之后与空气混合由燃气与空气入口(617)进入燃烧室(616)，混合气在燃烧室(616)中燃烧为反应器内的裂解过程提供热量，废气由废气出口(615)排入大气)。裂解完成的颗粒大多由多仓室流化床反应器(6)物料出口处连接的星型卸料器(26)连续排出。在引风机(22)和引风机(28)的带动下，少数细小颗粒和裂解气被流化气携带从多仓室流化床反应器(6)引出，并通过管道(8)进入旋风分离器(12)进行气固分离，分离出的残炭固体颗粒经过管道(13)进入集炭器(14)，而分离出的气体经过管道(11)进入换热器(16)进行冷却冷凝，冷却冷凝的生物油经过管道(17)进入生物油收集器(18)。反应器启动和运行初期，氮气经过管道(29)被引风机(28)通过管道(27)引入多仓室流化床反应器(6)作为流化气，稳定运行后由换热器(16)分离出的不凝气一部分经过管道(32)通过引风机(31)经过管道(30)引入多仓室流化床反应器(6)用作流化气，另一部分作为燃烧气经过管道(19)通过引风机(22)经管道(21)进入气体混合器(20)，空气经过管道(25)被引风机(24)引入通过管道(23)进入气体混合器(20)，不凝气和空气的混合气经过管道(15)被引风机(10)通过管道(9)引入多仓室流化床反应器(6)的燃气与空气入口(7)进入反应器的燃烧室，燃烧后的气体废气通过废气出口(5)移出。流化气通过管道(27)和管道(30)进入多仓室流化床反应器(6)前均先经过换热器(33)进行预热处理。
实施例：
使用多仓室流化床反应器对木屑颗粒进行连续化快速热解。木屑颗粒由螺旋进料器不断送入多仓室流化床反应器，在前三个仓室中流态化并发生快速热裂解。裂解完成后剩余的固体残渣由卸料室底部的星形卸料器连续引出反应器。生成的裂解气由流化气携带快速移出反应器，进入后续的气固分离系统和冷凝系统，有效避免了发生二次裂解。开口处的导流板有利于木屑颗粒在相邻仓室之间依序单向流动，有效抑制颗粒在反应器内的返混现象。多仓室结构使木屑的裂解过程被人为地分为三个阶段，改善颗粒的停留时间分布，提高卸料口处木屑颗粒的平均裂解深度，提高生物油的产量。利用木屑颗粒裂解产生的不凝气作为热源对反应器内的木屑颗粒进行加热，属于自发热式，能够节约生产成本。通过调节进料速率来控制不同粒径和物性的物料在反应器内的停留时间，可广泛应用于木屑快速热解制取生物油的连续化生产中。
使用以多仓室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺对木屑颗粒进行工业化生产。通过该工艺流程中生成不凝气作为加热反应器的热源，属于自加热式，有效的防止因使用电加热造成成本过高。通过调节不凝气与空气的混合比例控制反应器温度，从而调节热裂解产物分布和目的产物产率。通过调节进料速率来控制物料在反应器内的停留时间，保证不同粒径和物性的颗粒均能充分裂解。传热速率快，满足木屑颗粒发生热裂解反应所需的升温速率要求。反应器内木屑颗粒在相邻流化室之间依序单向流动，改善颗粒的返混现象和停留时间分布，使得颗粒裂解更加充分，有效提高生物油的产率，可广泛应用于木屑快速热解制取生物油的工业化生产中。
Claims (9)
1.一种以多室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，其特征在于：包括依次通过管道连接的供料装置、热裂解反应器、旋风分离器，热裂解反应器采用多室流化床反应器，旋风分离器分别通过管道连接炭收集装置、生物油收集装置，旋风分离器分离出的气体通过引风机经由管道送至反应器燃烧室；反应器主体为扁长状箱体，上部为扩大段，下部分为N个相同的仓室，第N-1个仓室下方设有气体分布室及分布板，气体分布室左侧设流化气入口；反应器主体左下方设物料入口，反应器主体右上方设气体出口；反应器主体周围设燃烧室，燃烧室外壁设置隔热和阻气层；第N-1个仓室为流化室以及加热反应段，第N个仓室为卸料室且底部设物料出口；各仓室之间由隔板分开，隔板中部留有开口使得各仓室连通，开口大小与仓室高度的比例关系为1/6；开口处设有导流板，与水平方向的夹角为45°；反应器主体下部分为但不限于4个相同的仓室。
2.如权利要求1所述一种以多室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，其特征在于：供料装置包括电机、料斗和螺旋送料器，电机设置在螺旋送料器一侧，料斗设置在螺旋送料器入料端，螺旋送料器出料端通过管道连接至反应器物料入口。
3.如权利要求1所述一种以多室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，其特征在于：不凝气送至反应器夹层前先经由管道经过气体混合装置。
4.如权利要求1所述一种以多室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，其特征在于：旋风分离器为一级或二级串联旋风分离器。
5.如权利要求1所述一种以多室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，其特征在于：旋风分离器底部通过管道连接炭收集装置。
6.如权利要求1所述一种以多室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，其特征在于：旋风分离器顶部连接换热器，换热器分别经由管道连接生物油收集装置和气体输送管道。
7.如权利要求1所述一种以多室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，其特征在于：换热器为一级或二级串联换热器。
8.如权利要求1-7任一所述一种以多室流化床反应器为核心的生物质热裂解生产工艺，其特征在于：管道设有阀门。
9.采用如权利要求1-8任一所述工艺对木屑颗粒进行连续化快速热解的方法，其特征在于：木屑颗粒由螺旋进料器不断送入多仓室流化床反应器，在前三个仓室中流态化并发生快速热裂解；裂解完成后剩余的固体残渣由卸料室底部的星形卸料器连续引出反应器；生成的裂解气由流化气携带快速移出反应器，进入后续的气固分离系统和冷凝系统；利用木屑颗粒裂解产生的不凝气作为热源对反应器内的木屑颗粒进行加热；优选的是，生物质热裂解生产工艺流程中生物质储存在料斗(2)内，螺旋加料器(3)在电机(1)的带动下，将生物质通过管道(4)送入多仓室流化床反应器(6)，发生生物质热裂解反应(生物质颗粒通过物料入口(601)连续进入多仓室流化床反应器(604)，该反应器下部有四个相同的并列仓室。流化气经由流化气入口(602)进入气体分布室(603)中预分布，随后进入多仓室流化床反应器(604)内部使颗粒流化。物料首先在仓室一(605)内流化，随着连续进料，反应器内物料逐渐增多，床层逐渐膨胀至开口一(606)处，物料开始输送至仓室二(607)并在其中流化。随着不断运行，生物质颗粒在流化状态下依序单向经由开口二(608)、仓室三(609)和开口三(610)，最终落入卸料室(611)。裂解完成的颗粒经由物料出口(612)实现连续卸料。整个裂解过程中，生成的裂解气均由流化气携带上升至扩大段(613)，经气体出口(614)引出反应器，其中的不凝气在后续经过收集之后与空气混合由燃气与空气入口(617)进入燃烧室(616)，混合气在燃烧室(616)中燃烧为反应器内的裂解过程提供热量，废气由废气出口(615)排入大气)。裂解完成的颗粒大多由多仓室流化床反应器(6)物料出口处连接的星型卸料器(26)连续排出。在引风机(22)和引风机(28)的带动下，少数细小颗粒和裂解气被流化气携带从多仓室流化床反应器(6)引出，并通过管道(8)进入旋风分离器(12)进行气固分离，分离出的残炭固体颗粒经过管道(13)进入集炭器(14)，而分离出的气体经过管道(11)进入换热器(16)进行冷却冷凝，冷却冷凝的生物油经过管道(17)进入生物油收集器(18)。反应器启动和运行初期，氮气经过管道(29)被引风机(28)通过管道(27)引入多仓室流化床反应器(6)作为流化气，稳定运行后由换热器(16)分离出的不凝气一部分经过管道(32)通过引风机(31)经过管道(30)引入多仓室流化床反应器(6)用作流化气，另一部分作为燃烧气经过管道(19)通过引风机(22)经管道(21)进入气体混合器(20)，空气经过管道(25)被引风机(24)引入通过管道(23)进入气体混合器(20)，不凝气和空气的混合气经过管道(15)被引风机(10)通过管道(9)引入多仓室流化床反应器(6)的燃气与空气入口(7)进入反应器的燃烧室，燃烧后的气体废气通过废气出口(5)移出。流化气通过管道(27)和管道(30)进入多仓室流化床反应器(6)前均先经过换热器(33)进行预热处理。
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