CN110396422A - 一种生物质化学链热解制油气的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质热解技术领域，具体涉及一种生物质化学链热解制油气的装置及方法，将多功能复合载氧体通过射流管预装在空气反应器和气化反应器内，生物质颗粒在射流介质的夹带作用与多功能复合载氧体通过射流管在快速热解反应器内进行撞击混合、反应、调质，生成的生物油向上经过旋风分离器的分离和急冷得到快速热解油和热解气，多功能复合载氧体和热解生物质焦向下通过下行管进入气化反应器进行气化反应；反应后的多功能复合载氧体进入空气反应器进行氧化反应，循环上述过程，实现生物质的连续热解和气化反应；化学链热解利用载氧体的化学链循环，既保证生物质的连续热解、气化的热量需求，又能得到高品质的生物油、热解气和化学品。
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化学链热解制油气的装置及方法，适用于木材、秸秆等陆生生物质、微藻等海洋生物质的热解制油气过程。
背景技术：
生物质能被誉为继煤炭、石油、天然气之外的“第四大”能源，是重要的绿色可再生能源，为解决化石燃料日益枯竭带来的资源问题和温室气体CO2排放带来的环境问题提供了有效途径。生物质燃料包括粮食作物、非粮食作物为原料的第一、二代生物燃料和以微藻生物质为原料的第三代生物燃料，生物质的利用途径包括发酵等生物化学转化方法和热解、气化和燃烧等热化学转化方法，生物质热解不仅可以得到生物油，而且还可以被催化精制成多种高附加值化学品，被认为是生物质最廉价、最具开发潜力的利用形式。
生物质热解包括慢速热解、快速热解、催化热解和微波热解等方式，其中快速热解具有加热速率快、停留时间短、生物油收率高等特点，但是生物油的品质较难定向控制；催化热解可以有效降低生物油的含氧量，提高生物油的稳定性，但是由于催化剂与生物质的直接接触不仅会使催化剂与生物分离较难，而且会使催化剂失活，循环利用困难，而且生物质热解的热源也是实现生物质热解面临的重要问题。
化学链转化(Chemical Looping Conversion)是利用载氧体的晶格氧代替分子氧，将传统燃烧或气化反应解耦为两步反应，即燃料反应器内煤对载氧体的还原反应和空气反应器内空气对载氧体的氧化反应，是一种新型的含碳原料热转化方式，具有能量梯级利用、反应产物内分离等优势，载氧体同时具有载氧、载热和催化作用，为生物质热解提供了一种新的思路，如果将化学链转化用于生物质热解，将会使生物质热解同时具有快速热解、催化热解等方式的优势，又能克服快速热解、催化热解等方式的缺点。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，采用多功能复合载氧体，为木材、秸秆等陆生生物质、微藻等海洋生物质的热解设计提供一种生物质化学链热解制油气的装置及方法，以提高热解油气的产率和品质。
为了实现上述目的，本发明所述生物质化学链热解制油气装置的主体结构包括空气反应器、快速热解反应器、返料管、射流管I、下行管、气化反应器、流动控制阀、气体分布板I、气体分布室I、旋风分离器I、旋风分离器II、储料器、射流管II、旋风分离器III、气体分布板II、气体分布室II和固体排渣口；空气反应器的顶部连接旋风分离器I，旋风分离器I的底部连接返料管，快速热解反应器的左右两侧对称设置射流管I和射流管II，射流管I与返料管的底部连接，射流管II上连接储料器；快速热解反应器与下行管上下连接组成反应器，快速热解反应器的顶部与旋风分离器II相连，下行管与气化反应器相连，伸入气化反应器内物料以下；气化反应器的下部通过流动控制阀与空气反应器相连，气化反应器的顶部与旋风分离器III相连；空气反应器底部自上而下依次设有气体分布板I和气体分布室I，为空气反应器提供空气；气化反应器底部自上而下依次设有气体分布板II和气体分布室II，为气化反应器提供气化介质；生物质物料通过储料器、射流管II进入快速热解反应器与来自射流管I的多功能复合载氧体进行射流混合；固体排渣口竖直穿过气体分布室II和气体分布板II，将气化反应器内的部分失活载氧体和生物质灰排出。
本发明所述空气反应器为提升管式的快速反应器，快速热解反应器为气固向上快速反应器，气化反应器为鼓泡流化床或湍动流化床反应器；快速热解反应器与下行管同径，与气化反应器的直径之比小于1/2；射流管I和射流管II与快速热解反应器成60～120°角度；流动控制阀为环路密封阀、U型阀、V阀、L阀中的一种，气体分布板I和气体分布板II为多孔板、风帽板、微孔板中的一种。
本发明所述生物质化学链热解制油气时，多功能复合载氧体的氧化反应为生物质热解反应和气化反应分别提高热量和晶格氧，并为生物质热解反应和气化反应提供催化作用，具体过程为：
(1)将多功能复合载氧体通过射流管I和射流管II分别预装在空气反应器和气化反应器内，调节气体分布室I、射流管I、流动控制阀和气体分布室II的气体流量，使多功能复合载氧体循环稳定流动；
(2)空气反应器、快速热解反应器和气化反应器达到指定温度后，粒径为0.01～5mm生物质颗粒在射流介质的夹带作用下，与从空气反应器来的高温多功能复合载氧体通过射流管II，在快速热解反应器内进行撞击混合、反应、调质，生成的生物油向上经过旋风分离器II的分离和急冷得到快速热解油和热解气，多功能复合载氧体和热解生物质焦向下通过下行管进入气化反应器；
(3)多功能复合载氧体和热解生物质焦与气化剂在气化反应器内进行气化反应；
(4)反应后的多功能复合载氧体进入空气反应器进行氧化反应，循环步骤(2)，实现生物质的连续热解和气化反应。
本发明所述空气反应器内的表观气速为0.5～5m/s，射流管I和射流管II内的表观气速0.1～5m/s，气化反应器内操作气速为0.01～1m/s，空气反应器、快速热解反应器和气化反应器的操作温度为600～950℃，操作压力为0.1-1Mpa.
本发明所述多功能复合载氧体由催化和脱氧功能组分、载氧体功能组分和惰性载体组分三部分组成，催化和脱氧功能组分为Mg、Ca、Ba、Sr等碱金属氧化物的一种或几种，含量为5～50％，载氧体功能组分为Fe、Ni、Cu、Mn、Co等过渡金属氧化物的一种或几种，含量为5～50％，其他含量由惰性载体补足，惰性载体组分为SiO2、Al2O3等。
本发明所述生物质物料包括植物秸秆、木材等陆生生物质、微藻等海洋生物以及餐厨垃圾、城市垃圾、工业废弃物等固体含碳废弃物，所述气化剂包括CO2、水蒸气、含碳原料热解气或气化气中的一种或几种。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是多功能复合载氧体既可作为生物质热解的催化剂和热量传递的载热体，亦可作为脱氧剂对生物油进行脱氧调质；二是多功能复合载氧体能够改善生物质颗粒的流化品质，调控热载体的传热、传质方向；三是化学链热解利用载氧体的化学链循环，既保证了生物质的连续热解、气化的热量需求，又能得到高品质的生物油、热解气和化学品。
附图说明：
图1是本发明所述生物质化学链热解制油气的装置主体结构示意图。
图2是本发明实施例所述的生物质化学链热解油组成图。
图3是本发明实施例所述的生物质热解焦的气化组成图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例所述生物质化学链热解制油气装置的主体结构包括空气反应器1、快速热解反应器2、返料管3、射流管I 4、下行管5、气化反应器6、流动控制阀7、气体分布板I 8、气体分布室I 9、旋风分离器I 10、旋风分离器II 11、储料器12、射流管II 13、旋风分离器III 14、气体分布板II 15、气体分布室II 16和固体排渣口17；空气反应器1的顶部连接旋风分离器I 10，旋风分离器I 10的底部连接返料管，快速热解反应器2的左右两侧对称设置射流管I 4和射流管II 13，射流管I 4与返料管3的底部连接，射流管II 13上连接储料器12；快速热解反应器2与下行管5上下连接组成反应器，快速热解反应器2的顶部与旋风分离器II 11相连，下行管5与气化反应器6相连，伸入气化反应器6内物料以下；气化反应器6的下部通过流动控制阀7与空气反应器1相连，气化反应器6的顶部与旋风分离器III 14相连；空气反应器1底部自上而下依次设有气体分布板I 8和气体分布室I 9，为空气反应器1提供空气；气化反应器6底部自上而下依次设有气体分布板II 15和气体分布室II 16，为气化反应器6提供气化介质；生物质物料通过储料器12、射流管II 13进入快速热解反应器2与来自射流管I 4的多功能复合载氧体进行射流混合；固体排渣口17竖直穿过气体分布室II 15和气体分布板II 16，将气化反应器6内的部分失活载氧体和生物质灰排出。
本实施例实现物质化学链热解制油气的具体过程为：
(1)将多功能复合载氧体通过射流管I 4和射流管II 13分别预装在空气反应器1和气化反应器6内，调节气体分布室I 8、射流管I 4、流动控制阀7和气体分布室II 17的气体流量，使多功能复合载氧体循环稳定流动；
(2)空气反应器1、快速热解反应器2和气化反应器6达到指定温度后，粒径为0.01～5mm生物质颗粒在射流介质的夹带作用下，与从空气反应器1来的高温多功能复合载氧体通过射流管II 13，在快速热解反应器2内进行撞击混合、反应、调质，生成的生物油向上经过旋风分离器II 11的分离和急冷得到快速热解油和热解气，载氧体颗粒和热解生物质焦向下通过下行管5进入气化反应器6；
(3)多功能复合载氧体颗粒和热解生物质焦与气化剂在气化反应器6内进行气化反应；
(4)反应后的多功能复合载氧体进入空气反应器1进行氧化反应，循环步骤(2)，实现生物质的连续热解和气化反应。
本实施例所述空气反应器1内的表观气速为3m/s，射流管I 4、射流管II 13内的表观气速2m/s，气化反应器内操作气速为0.1m/s，空气反应器1、快速热解反应器2和气化反应器6的操作温度分别为900℃、600℃和850℃，操作压力为常压；载氧体采用CaO-Fe2O3，采用微藻生物质，载氧体与微藻的质量比为1:1，微藻的工业分析和元素分析见表1，
,表1：微拟球藻的工业分析和元素分析(空气干燥基)
热解油产物组成和气化产物组成分别见图2和图3，由图2可知，与常规微藻热解相比，载氧体的加入对调节热解油的组成具有重要作用，减少了含氮化合物的相对含量，增加了芳香烃、苯酚和烯烃的相对含量；由图3可知，热解半焦的气化可以生成富氢合成气。
Claims (6)
1.一种生物质化学链热解制油气的装置，其特征在于主体结构包括空气反应器、快速热解反应器、返料管、射流管I、下行管、气化反应器、流动控制阀、气体分布板I、气体分布室I、旋风分离器I、旋风分离器II、储料器、射流管II、旋风分离器III、气体分布板II、气体分布室II和固体排渣口；空气反应器的顶部连接旋风分离器I，旋风分离器I的底部连接返料管，快速热解反应器的左右两侧对称设置射流管I和射流管II，射流管I与返料管的底部连接，射流管II上连接储料器；快速热解反应器与下行管上下连接组成反应器，快速热解反应器的顶部与旋风分离器II相连，下行管与气化反应器相连，伸入气化反应器内物料以下；气化反应器的下部通过流动控制阀与空气反应器相连，气化反应器的顶部与旋风分离器III相连；空气反应器底部自上而下依次设有气体分布板I和气体分布室I，为空气反应器提供空气；气化反应器底部自上而下依次设有气体分布板II和气体分布室II，为气化反应器提供气化介质；生物质物料通过储料器、射流管II进入快速热解反应器与来自射流管I的多功能复合载氧体进行射流混合；固体排渣口竖直穿过气体分布室II和气体分布板II，将气化反应器内的部分失活载氧体和生物质灰排出。
2.根据权利要求1所述生物质化学链热解制油气的装置，其特征在于所述空气反应器为提升管式的快速反应器，快速热解反应器为气固向上快速反应器，气化反应器为鼓泡流化床或湍动流化床反应器；快速热解反应器与下行管同径，与气化反应器的直径之比小于1/2；射流管I和射流管II与快速热解反应器成60～120°角度；流动控制阀为环路密封阀、U型阀、V阀、L阀中的一种，气体分布板I和气体分布板II为多孔板、风帽板、微孔板中的一种。
3.一种如权利要求2所述装置实现生物质化学链热解制油气的方法，其特征在于热解制油气时，多功能复合载氧体的氧化反应为生物质热解反应和气化反应分别提高热量和晶格氧，并为生物质热解反应和气化反应提供催化作用，具体过程为：
(1)将多功能复合载氧体通过射流管I和射流管II分别预装在空气反应器和气化反应器内，调节气体分布室I、射流管I、流动控制阀和气体分布室II的气体流量，使多功能复合载氧体循环稳定流动；
(2)空气反应器、快速热解反应器和气化反应器达到指定温度后，粒径为0.01～5mm生物质颗粒在射流介质的夹带作用下，与从空气反应器来的高温多功能复合载氧体通过射流管II，在快速热解反应器内进行撞击混合、反应、调质，生成的生物油向上经过旋风分离器II的分离和急冷得到快速热解油和热解气，多功能复合载氧体和热解生物质焦向下通过下行管进入气化反应器；
(3)多功能复合载氧体和热解生物质焦与气化剂在气化反应器内进行气化反应；
(4)反应后的多功能复合载氧体进入空气反应器进行氧化反应，循环步骤(2)，实现生物质的连续热解和气化反应。
4.根据权利要求3所述生物质化学链热解制油气的方法，其特征在于所述空气反应器内的表观气速为0.5～5m/s，射流管I和射流管II内的表观气速0.1～5m/s，气化反应器内操作气速为0.01～1m/s，空气反应器、快速热解反应器和气化反应器的操作温度为600～950℃，操作压力为0.1-1Mpa。
5.根据权利要求3所述生物质化学链热解制油气的方法，其特征在于所述多功能复合载氧体由催化和脱氧功能组分、载氧体功能组分和惰性载体组分三部分组成，催化和脱氧功能组分为Mg、Ca、Ba、Sr碱金属氧化物的一种或几种，含量为5～50％，载氧体功能组分为Fe、Ni、Cu、Mn、Co过渡金属氧化物的一种或几种，含量为5～50％，其他含量由惰性载体补足，惰性载体组分为SiO2或Al2O3。
6.根据权利要求3所述生物质化学链热解制油气的方法，其特征在于所述生物质物料包括植物秸秆、木材、微藻、餐厨垃圾、城市垃圾、工业废弃物，所述气化剂包括CO2、水蒸气、含碳原料热解气或气化气中的一种或几种。
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