CN110628445A - 一种生物质气炭联产反应器及其反应方法 - Google Patents

一种生物质气炭联产反应器及其反应方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种生物质气炭联产反应器及其反应方法，包括内部若干个对称排布的下行床热解区以及从上到下依次排列且一体成型的气固分离区、活性炭活化区和二次热解反应区，所述活性炭活化区分别与气固分离区和二次热解反应区连通，所述下行床热解区的顶部穿出气固分离区设置且左右两侧对称设置有热载体进料口和原料进料口，所述下行床热解区的底部位于二次热解反应区内且与二次热解反应区内部连通，所述二次热解反应区底部设置有流化风入口，所述二次热解反应区的上部设置有活化气体入口，所述气固分离区上设置有活性炭出口，所述气固分离区内设置有旋风分离器，借此，本发明在一体化设备内部实现气炭联产，生产中热值燃气和高品质活性炭。

Description

一种生物质气炭联产反应器及其反应方法
技术领域
本发明属于生物质利用技术领域，特别涉及一种生物质气炭联产反应器。
背景技术
目前，生物质能是可再生能源组成部分，秸秆、稻壳、果壳等均属于生物质，生物质能的开发利用为能源和生态问题的解决提供了一条新的思路，现有技术在中，对生物质原料多采取直燃发电和热解等方式进行处理，然而生物质原料的热值较低，水分含量高，大范围原料收储运成本较高，直燃发电项目受制于原料收集成本而规模较小，导致直燃发电项目效率较低，而且秸秆内含有的碱金属会随烟气腐蚀锅炉，也会造成烟气处理系统中的SCR催化剂中毒，从而使生物质电厂大气污染物的超低排放成本过高，针对此问题出现了生物质气炭联产技术，相较于直燃方式而言，不仅更为环保高效，而且还能产出生物质活性炭、燃气或蒸汽等可利用资源，一举多得，项目经济效益显著。
但是，现有技术方案中虽然对对生物质热解气化制燃气或者合成气、生物质制活性炭均有大量的研究，但是大多都是通过多个设备组合实现的，因此通过设备一体化实现气炭联产，产生具有较高热值的燃气和高品质活性炭，特再提供了一种新型气炭联产反应器及其反应方法，用于在一体化设备内部实现气炭联产，生产中热值燃气和高品质活性炭。
发明内容
本发明提出一种新型气炭联产反应器及其反应方法，用于在一体化设备内部实现气炭联产，生产处热值燃气和高品质活性炭。
本发明的技术方案是这样实现的：一种生物质气炭联产反应器，其特征在于，包括内部若干个对称排布的下行床热解区以及从上到下依次排列且一体成型的气固分离区、活性炭活化区和二次热解反应区，所述活性炭活化区分别与气固分离区和二次热解反应区连通，所述下行床热解区的顶部穿出气固分离区的顶部设置且左右两侧对称设置有热载体进料口和原料进料口，所述下行床热解区的底部位于二次热解反应区内且与二次热解反应区内部连通，所述二次热解反应区底部设置有流化风入口，所述二次热解反应区的上部设置有活化气体入口，所述气固分离区上设置有活性炭出口，所述气固分离区内设置有旋风分离器，所述旋风分离器顶部穿出气固分离区的顶部设置，所述旋风分离器的底部位于二次热解反应区内。
热载体和生物质原料颗粒分别从热载体进料口和原料进料口进入到下行床热解区内部并逐渐下落；生物质颗粒与热载体在下行床热解区内下落的过程中充分接触并发生快速热解反应生成气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物；气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物通过下行床热解区底部落入二次热解反应区内的鼓泡床热解区内，高温油气在鼓泡床热解区内发生二次热解生成燃气，生物质热解半焦与热载体的混合物在二次热解反应区内发生分离；活化气体从流化风入口输送到风室内，风室将活化气体输送到鼓泡床热解区内并与产生的燃气进行混合；燃气与活化气体混合后逐步从二次热解反应区流动到活性炭活化区,再从活性炭活化区流动到气固分离区；流动到气固分离区内的燃气与活化气体的混合气体经过旋风分离器的分离，产生细粉颗粒和中热值燃气，其中，中热值燃气通过中热值燃气出口排出，细粉颗粒逐步落入到二次热解反应区内；分离后热载体留在鼓泡床热解区内以鼓泡床的形式存在，生物质热解半焦从二次热解反应区流动到活性炭活化区；活化气体从活化气体入口流入到活性炭活化区，与流入到活性炭活化区内的生物质热解半焦接触活化生成活性炭；生成的活性炭从活性炭出口排出，在一个设备内即可产生活性炭又可以产生燃气，使得生物质气炭联产的实现更加方便迅速。
作为一种优选的实施方式，气固分离区、活性炭活化区和二次热解反应区中部的横截面均为圆形，气固分离区中部横截面的直径大于活性炭活化区中部横截面的直径，活性炭活化区中部横截面的直径大于二次热解反应区中部横截面的直径，气固分离区、活性炭活化区和二次热解反应区中部的横截面直径比例为(1.4-3)：1：(0.4-0.9)，气固分离区、活性炭活化区和二次热解反应区的直径逐级减小，使得进入到二次热解反应区内的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物能与鼓泡床热解区进行更充分的接触，便于活性炭和燃气的产生，同时，通过不同区间直径和气体组成的变化，改变区间内气体流速，进而利用热载体、热解活性炭密度差，实现各区间物料的分布和分离。
作为一种优选的实施方式，二次热解反应区内固定设置有布风板，布风板将二次热解反应区分隔成上部的鼓泡床热解区和下部的风室，流化风入口与风室连通，活化气体入口与鼓泡床热解区上部连通，下行床热解区的底部位于布风板上方，下行床热解区截面为矩形、方形和圆形的一种，活化气体从流化风入口流入到风室内，风室内的活化气体通过布风板均匀的流入到鼓泡床热解区内并与落入到鼓泡床热解区内的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物进行更加充分的接触，使得高温油气与活化气体之间的二次热解反应更加充分。
作为一种优选的实施方式，二次热解反应区内固定设置有若干与下行床热解区相对应的导向板，导向板的横截面积大于下行床热解区的横截面积，导向板的顶部位于下行床热解区正下方，导向板顶部窄底部宽，从下行床热解区内流出的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物先与导向板的顶部接触，再通过导向板的底部落入到鼓泡床热解区内，导向板的设置可以防止流化风影响下行床反应区物料的流出，使得落入到鼓泡床热解区内部的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物分布的更加均匀。
作为一种优选的实施方式，下行床热解区底部一体设置有一圈圆台形的折板，折板底部的直径小于顶部的直径，导向板位于折板底部的正下方，从下行床热解区底部流出的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物先经过折板顶部，逐渐在折板内部聚集再从折板的底部流出，避免高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物直接掉入到鼓泡床热解区造成的鼓泡床热解区内高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物分布的不均匀的问题。
作为一种优选的实施方式，旋风分离器顶部一体设置有中热值燃气出口，中热值燃气出口穿出气固分离区顶部设置，便于中热值燃气的排出。
作为一种优选的实施方式，活性炭出口倾斜设置，活性炭出口的顶部与第二壳体侧壁之间的夹角小于活性炭出口底部与第二壳体侧壁之间的夹角，使得活性炭的收集能更加方便。
一种生物质气炭联产反应方法，包括以下步骤：
S1：热载体和生物质原料颗粒分别从热载体进料口和原料进料口进入到下行床热解区内部并逐渐下落；
S2：生物质颗粒与热载体在下行床热解区内下落的过程中充分接触并发生快速热解反应生成气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物；
S3：气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物通过下行床热解区底部落入二次热解反应区内的鼓泡床热解区内，高温油气在鼓泡床热解区内发生二次热解生成燃气，生物质热解半焦与热载体的混合物在二次热解反应区内发生分离；
S4：活化气体从流化风入口输送到风室内，风室将活化气体输送到鼓泡床热解区内并与S3中产生的燃气进行混合；
S5：燃气与活化气体混合后逐步从二次热解反应区流动到活性炭活化区,再从活性炭活化区流动到气固分离区；
S6：流动到气固分离区内的燃气与活化气体的混合气体经过旋风分离器的分离，产生细粉颗粒和中热值燃气，其中，中热值燃气通过中热值燃气出口排出，细粉颗粒逐步落入到二次热解反应区内；
S7:S3中分离后热载体留在鼓泡床热解区内以鼓泡床的形式存在，生物质热解半焦从二次热解反应区流动到活性炭活化区；
S8:活化气体从活化气体入口流入到活性炭活化区，与S7中流入到活性炭活化区内的生物质热解半焦接触活化生成活性炭；
S9:S8中生成的活性炭从活性炭出口排出。
作为一种优选的实施方式，S4中从流化风入口输送到风室内的活化气体为高温水蒸气，便于与高温油气进行二次热解反应，S8中从活化气体入口流入到活性炭活化区内的的活化气体为水蒸气和二氧化碳，使得生物质热解半焦活化更加充分全面。
作为一种优选的实施方式，二次热解反应区底部设有呈圆形的排渣口，排渣口位于二次热解区底部的圆心位置，能更好的将旋风分离器分离出来的固态物排出。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
1、在一个设备内，通过下行床热解区、鼓泡床二次热解和流化床活化有机结合，能够灵活调节热解与活化条件，保证热解与活化反应的完全进行，即既可联产产生高性能活性炭和中热值燃气，又能实现活性炭与燃气的分离，使得生物质气炭联产的实现更加方便迅速；；
2、在一体化设备中，热解过程在下行床热解区与鼓泡床热解区进行，热源来自于热载体，活化过程在下形床热解区进行，活化气即为流化风，全程无空气参与，能够确保热解与活化过程反应完全，保证了获得的燃气与活性炭的品质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流程示意图。
图中，1-气固分离区；2-活性炭活化区；3-二次热解反应区；4-下行床热解区；5-热载体进料口；6-原料进料口；7-流化风入口；8-活化气体入口；9-活性炭出口；10-旋风分离器；11-布风板；12-鼓泡床热解区；13-风室；14-导向板；15-折板；16-中热值燃气出口；17-排渣口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图2所示，一种生物质气炭联产反应器，包括内部若干个对称排布的下行床热解区4以及从上到下依次排列且一体成型的气固分离区1、活性炭活化区2和二次热解反应区3，活性炭活化区2分别与气固分离区1和二次热解反应区3连通，气固分离区1内设置有若干下行床热解区，下行床热解区的顶部穿出气固分离区1的顶部设置且左右两侧对称设置有热载体进料口和原料进料口6，下行床热解区的底部位于二次热解反应区3内且与二次热解反应区3内部连通，二次热解反应区3底部设置有流化风入口7，二次热解反应区3的上部设置有活化气体入口8，气固分离区1上设置有活性炭出口9，气固分离区1内设置有旋风分离器10，旋风分离器10顶部穿出气固分离区1的顶部设置，旋风分离器10的底部位于二次热解反应区3内，其中旋风分离器10可替换为过滤器。
热载体和生物质原料颗粒分别从热载体进料口和原料进料口6进入到下行床热解区内部并逐渐下落；生物质颗粒与热载体在下行床热解区内下落的过程中充分接触并发生快速热解反应生成气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物；气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物通过下行床热解区底部落入二次热解反应区3内的鼓泡床热解区12内，高温油气在鼓泡床热解区12内发生二次热解生成燃气，生物质热解半焦与热载体的混合物在二次热解反应区3内发生分离；活化气体从流化风入口7输送到风室13内，风室13将活化气体输送到鼓泡床热解区12内并与产生的燃气进行混合；燃气与活化气体混合后逐步从二次热解反应区3流动到活性炭活化区2,再从活性炭活化区2流动到气固分离区1；流动到气固分离区1内的燃气与活化气体的混合气体经过旋风分离器10的分离，产生细粉颗粒和中热值燃气，其中，中热值燃气通过中热值燃气出口16排出，细粉颗粒逐步落入到二次热解反应区3内；分离后热载体留在鼓泡床热解区12内以鼓泡床的形式存在，生物质热解半焦从二次热解反应区3流动到活性炭活化区2；活化气体从活化气体入口8流入到活性炭活化区2，与流入到活性炭活化区2内的生物质热解半焦接触活化生成活性炭；生成的活性炭从活性炭出口9排出，在一个设备内即可产生活性炭又可以产生燃气，使得生物质气炭联产的实现更加方便迅速。
气固分离区1、活性炭活化区2和二次热解反应区3中部的横截面均为圆形，气固分离区1中部横截面的直径大于活性炭活化区2中部横截面的直径，活性炭活化区2中部横截面的直径大于二次热解反应区3中部横截面的直径，气固分离区1、活性炭活化区2和二次热解反应区3的直径逐级减小，气固分离区1、活性炭活化区2和二次热解反应区3中部的横截面直径比例为(1.4-3)：1：(0.4-0.9)，使得进入到二次热解反应区3内的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物能与鼓泡床热解区12进行更充分的接触，便于活性炭和燃气的产生，同时，通过不同区间直径和气体组成的变化，改变区间内气体流速，进而利用热载体、热解活性炭密度差，实现各区间物料的分布和分离。
二次热解反应区3内固定设置有布风板11，布风板11将二次热解反应区3分隔成上部的鼓泡床热解区12和下部的风室13，流化风入口7与风室13连通，活化气体入口8与鼓泡床热解区12上部连通，下行床热解区的底部位于布风板11上方，下行床热解区4的横截面为矩形、方形和圆形的一种，活化气体从流化风入口7流入到风室13内，风室13内的活化气体通过布风板11均匀的流入到鼓泡床热解区12内并与落入到鼓泡床热解区12内的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物进行更加充分的接触，使得高温油气与活化气体之间的二次热解反应更加充分。
二次热解反应区3内固定设置有若干与下行床热解区相对应的导向板14，导向板14顶部的宽度小于导向板14底部的宽度，导向板14的顶部位于下行床热解区正下方，导向板14底部的横截面积大于下行床热解区的横截面积，从下行床热解区内流出的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物先与导向板14的顶部接触，再通过导向板14的底部落入到鼓泡床热解区12内，导向板14的设置可以防止流化风影响下行床反应区物料的流出，使得落入到鼓泡床热解区12内部的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物分布的更加均匀。
下行床热解区底部一体设置有一圈圆台形的折板15，折板15底部的直径小于顶部的直径，导向板14位于折板15底部的正下方，从下行床热解区底部流出的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物先经过折板15顶部，逐渐在折板15内部聚集再从折板15的底部流出，避免高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物直接掉入到鼓泡床热解区12造成的鼓泡床热解区12内高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物分布的不均匀的问题。
旋风分离器10顶部一体设置有中热值燃气出口16，中热值燃气出口16穿出气固分离区1顶部设置，便于中热值燃气的排出，活性炭出口9倾斜设置，活性炭出口9的顶部与第二壳体侧壁之间的夹角小于活性炭出口9底部与第二壳体侧壁之间的夹角，使得活性炭的收集改呢更加方便。
一种生物质气炭联产反应方法，包括以下步骤：
S1：热载体和生物质原料颗粒分别从热载体进料口和原料进料口6进入到下行床热解区内部并逐渐下落；
S2：生物质颗粒与热载体在下行床热解区内下落的过程中充分接触并发生快速热解反应生成气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物；
S3：气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物通过下行床热解区底部落入二次热解反应区3内的鼓泡床热解区12内，高温油气在鼓泡床热解区12内发生二次热解生成燃气，生物质热解半焦与热载体的混合物在二次热解反应区3内发生分离；
S4：活化气体从流化风入口7输送到风室13内，风室13将活化气体输送到鼓泡床热解区12内并与S3中产生的燃气进行混合；
S5：燃气与活化气体混合后逐步从二次热解反应区3流动到活性炭活化区2,再从活性炭活化区2流动到气固分离区1；
S6：流动到气固分离区1内的燃气与活化气体的混合气体经过旋风分离器10的分离，产生细粉颗粒和中热值燃气，其中，中热值燃气通过中热值燃气出口16排出，细粉颗粒逐步落入到二次热解反应区3内；
S7:S3中分离后热载体留在鼓泡床热解区12内以鼓泡床的形式存在，生物质热解半焦从二次热解反应区3流动到活性炭活化区2；
S8:活化气体从活化气体入口8流入到活性炭活化区2，与S7中流入到活性炭活化区2内的生物质热解半焦接触活化生成活性炭；
S9:S8中生成的活性炭从活性炭出口9排出。
S4中从流化风入口7输送到风室13内的活化气体为高温水蒸气，便于与高温油气进行二次热解反应，S8中从活化气体入口8流入到活性炭活化区2内的的活化气体为水蒸气和二氧化碳，使得生物质热解半焦活化更加充分全面。
二次热解反应区3底部设有呈圆形的排渣口17，排渣口位于二次热解区3底部的圆心位置，能更好的将旋风分离器10分离出来的固态物排出。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
以上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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物质气炭联产反应器，其特征在于，包括内部若干个对称排布的下行床热解区以及从上到下依次排列且一体成型的气固分离区、活性炭活化区和二次热解反应区，所述活性炭活化区分别与气固分离区和二次热解反应区连通，所述下行床热解区的顶部穿出气固分离区的顶部设置且左右两侧对称设置有热载体进料口和原料进料口，所述下行床热解区的底部位于二次热解反应区内且与二次热解反应区内部连通，所述二次热解反应区底部设置有流化风入口，所述二次热解反应区的上部设置有活化气体入口，所述气固分离区上设置有活性炭出口，所述气固分离区内设置有旋风分离器，所述旋风分离器顶部穿出气固分离区的顶部设置，所述旋风分离器的底部位于二次热解反应区内。
2.根据权利要求1所述的一种生物质气炭联产反应器，其特征在于，所述气固分离区、活性炭活化区和二次热解反应区中部的横截面均为圆形，所述气固分离区、活性炭活化区和二次热解反应区中部的横截面直径比例为(1.4-3)：1：(0.4-0.9)。
3.根据权利要求1所述的一种生物质气炭联产反应器，其特征在于，所述二次热解反应区内固定设置有布风板，所述布风板将二次热解反应区分隔成上部的鼓泡床热解区和下部的风室，所述流化风入口与风室连通，所述活化气体入口与鼓泡床热解区上部连通，所述下行床热解区的底部位于布风板上方。
4.根据权利要求1所述的一种生物质气炭联产反应器，其特征在于，所述下行床热解区的横截面为矩形、方形和圆形中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种生物质气炭联产反应器，其特征在于，所述二次热解反应区内固定设置有若干与下行床热解区相对应的导向板，所述导向板底部的横截面积大于下行床热解区的横截面积，所述导向板位于下行床热解区正下方。
6.根据权利要求1所述的一种生物质气炭联产反应器，其特征在于，所述旋风分离器顶部一体设置有中热值燃气出口，所述中热值燃气出口穿出气固分离区顶部设置。
7.根据权利要求1所述的一种生物质气炭联产反应器，其特征在于，所述活性炭出口倾斜设置，所述活性炭出口的顶部与第二壳体侧壁之间的夹角小于活性炭出口底部与第二壳体侧壁之间的夹角。
8.一种生物质气炭联产反应方法，包括权利要求1～7中任一项所述的一种生物质气炭联产反应器，其特征在于，包括以下步骤：
S1：热载体和生物质原料颗粒分别从热载体进料口和原料进料口进入到下行床热解区内部并逐渐下落；
S2：生物质颗粒与热载体在下行床热解区内下落的过程中充分接触并发生快速热解反应生成气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物；
S3：气固混合的高温油气和生物质热解半焦及热载体的混合物通过下行床热解区底部落入二次热解反应区内的鼓泡床热解区内，高温油气在鼓泡床热解区内发生二次热解生成燃气，生物质热解半焦与热载体的混合物在二次热解反应区内发生分离；
S4：活化气体从流化风入口输送到风室内，然后被输送到鼓泡床热解区内并与S3中产生的燃气进行混合；
S5：燃气与活化气体混合后逐步从二次热解反应区流动到活性炭活化区,再从活性炭活化区流动到气固分离区；
S6：流动到气固分离区内的燃气与活化气体的混合气体经过旋风分离器的分离，产生细粉颗粒和中热值燃气，其中，中热值燃气通过中热值燃气出口排出，细粉颗粒逐步落入到二次热解反应区内；
S7:S3中分离后热载体留在鼓泡床热解区内以鼓泡床的形式存在，生物质热解半焦从二次热解反应区流动到活性炭活化区；
S8:活化气体从活化气体入口流入到活性炭活化区，与S7中流入到活性炭活化区内的生物质热解半焦接触活化生成活性炭；
S9:S8中生成的活性炭从活性炭出口排出。
9.根据权利要求8所述的一种生物质气炭联产反应方法，其特征在于，S4中从流化风入口输送到风室内的活化气体为高温水蒸气，S8中从活化气体入口流入到活性炭活化区内的的活化气体为水蒸气和二氧化碳。
10.根据权利要求2所述的一种生物质气炭联产反应方法，其特征在于，所述二次热解反应区底部设有呈圆形的排渣口，所述排渣口位于二次热解区底部的圆心位置。
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