CN111944547B - 用于制取生物质热裂解液体的加压固定床反应装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制取生物质热裂解液体的加压固定床反应装置及方法，其包括一级料仓、二级料仓、反应床、催化床、冷凝器和储液器，一级料仓通过进料螺旋与二级料仓相连通，二级料仓通过进料管路与反应床相连通；进料管路的外部设有冷却装置；反应床与催化床相连通，催化床的进口端处设有第一筛网；第一筛网用于隔绝反应床中的进料生物质和热裂解产物生物炭，仅使通过反应床热裂解后得到的热裂解气体进入催化床中进行催化反应；催化床的出口端与冷凝器的进口端相连通；冷凝器与储液器相连通，储液器置于称重台上。本发明的装置结构简单、操控方便，批次进料和连续进料可切换，能够进行加压催化试验，对裂解和催化的温度能够独立进行控制。

Description

用于制取生物质热裂解液体的加压固定床反应装置及方法

技术领域

本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及一种用于制取生物质热裂解液体的加压固定床反应装置及方法。

背景技术

生物质是一种有机固体废弃物，常用的处理方式如焚烧和填埋，不仅浪费了宝贵的资源而且有可能造成二次的环境污染。热裂解技术可以利用废弃的生物质资源，生成液态燃料或者化工产业的原材料。固定床反应器由于结构简单操控方便，广泛应用于热裂解生物质研究领域。但是常用的固定床反应器为常压下反应的批次进料反应，因此反应效率较低，适用于实验室阶段的初步研究。

经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：CN201310628406.X，名称为：一种耦合式生物质加压热解工艺及系统。该专利的自述为：本发明涉及一种耦合式生物质加压热解工艺及系统，其能高效地将生物质可燃成分全部转化为合成气。由于采用微波与等离子耦合技术，其加热过程无热惯性，并且基于高温离子体反应，热解完全即可燃成分全部转化为合成气，效率高，碳转化率高，合成气品质好，有效气体积含量达90％以上。同时，热解炉采用加压操作，单炉处理能力大且后续利用过程中无需增设压缩机，大量节省压缩功，降低系统能耗。生成合成气中无焦油，后续净化工艺简单，无环境污染。该项技术的不足之处在于：采用微波和等离子耦合技术产生的温度较高，反应条件较难控制，产物的品质差异性较大。

经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：CN201420820596.5，名称为：一种双原料通道生物质固定床气化热解炉装置。该专利的自述为：本实用新型涉及双原料通道生物质固定床气化热解炉装置，包括炉体，所述炉体内设有分隔的气化通道和热解通道，所述气化通道的出口连通热解通道的入口，所述气化通道与热解通道中分别加入生物质，所述热解通道的末端设有连通炉体外部的燃气出口。本实用新型在炉体内设置了相互分隔的气化通道和热解通道，并在两通道内分别通入生物质，生物质先在气化通道中生产高温生物质燃气，其后高温生物质燃气使热解通道中生物质原料部分热解，同时通过热解通道中生物质料层的阻挡，在一套装置内一体化除去生物质燃气中的尘灰和焦油，实现低含尘量生物质燃气的稳定生产，为后续生物质燃气的处理和使用提供了有利的条件。本实用新型可应用于生物质燃气的净化。该项技术的不足之处在于：设计了两个进料的通道，结构复杂，无法进行加压操作；利用生物质原料过滤除去生物质燃气中的尘灰和焦油，过滤效果难以保证。

经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：CN201610690742.0，名称为：智能立式固定床生物质连续热解炉及燃烧方法。该专利的自述为：智能立式固定床生物质连续热解炉及燃烧方法。本产品其组成包括：燃烧机，其特征是:所述的燃烧机连接绝热燃烧室，所述的绝热燃烧室连接烟气排除管，所述的烟气排除管连接烟气进管，所述的烟气排除管连接气化炉，所述的烟气进管连接生物质干燥机，所述的气化炉连接生物质气进管，所述的生物质气进管连接旋风分离器，所述的旋风分离器连接-空冷塔，所述的-空冷塔连接木醋液循环冷却塔。本发明用于生物质连续热解炉。该项技术的不足之处在于：装置组成复杂，操作较难和维护成本较高。

因此，亟需提供一种结构简单、操控方便的加压固定床反应装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种用于制取生物质热裂解液体的加压固定床反应装置及方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种用于制取生物质热裂解液体的加压固定床反应装置，其包括一级料仓、二级料仓、反应床、催化床、冷凝器和储液器，所述一级料仓的出口端通过进料螺旋与二级料仓的进口端相连通；所述一级料仓和二级料仓均通过气体管路与气瓶相连通，用于向一级料仓和二级料仓中供气；所述二级料仓的出口端通过进料管路与所述反应床的进口端相连通，用于向反应床中进料；所述进料管路的外部设有冷却装置，在进料管路上靠近二级料仓处设有第一电磁阀门，在进料管路上靠近反应床处设有第二电磁阀门；所述反应床的出口端与催化床的进口端相连通，催化床的进口端处设有第一筛网；所述第一筛网用于隔绝反应床中的进料生物质和热裂解产物生物炭，仅使通过反应床热裂解后得到的热裂解液进入催化床中进行催化反应；所述催化床的出口端与冷凝器的进口端相连通，连接处设有第三电磁阀门，用于控制通道开闭；所述冷凝器用于冷凝通过催化床制得的催化热解气体；冷凝器的出液口通过管路与储液器的进口端相连通，用于储存经过冷凝器冷凝后得到的液体产物；储液器置于称重台上，用于测量储液器中液体产物的重量变化；一级料仓、二级料仓、反应床、催化床、冷凝器和储液器组成的反应体系具有气密性。

作为优选，所述一级料仓和冷凝器分别置于可升降平台的上下两端，均可通过可升降平台调节所处位置。

作为优选，所述加压固定床反应装置置于可移动平台上，使该装置能随可移动平台进行移动。

作为优选，所述冷却装置为水冷套。

作为优选，所述一级料仓和二级料仓的气体管路连接有气体混合配比器和气阀，用于控制进入一级料仓和二级料仓中气体的组分和压力。

作为优选，所述催化床的出口端设有第二筛网，用于放置催化床中的催化剂，和并过滤催化热解气体热裂解气体中夹带的较大颗粒物。

作为优选，所述储液器上设有阀门，用于从储液器中收集所述液体产物。

作为优选，所述储液器上端开设出气口，通过管路与气相色谱相连通，实时监测所述反应体系内的气体组成和浓度。

作为优选，所述反应床上设有压力计，用于测量反应床中的压力。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一所述装置制取生物质热裂解液体的方法，具体如下：

S1：检查所述反应体系的气密性，使反应体系在加压运行时不漏气；将储液器外接气相色谱，实时监测反应体系内的气体组成和浓度；

S2：通过调节设于气体管路上的气体混合配比器和气阀，使通入一级料仓和二级料仓的气体满足预设值，开启第一电磁阀门、第二电磁阀门和第三电磁阀门，使生物质经过一级料仓、二级料仓和进料管路后依次进入反应床和催化床，此时，反应床和催化床中的加热设备均不开启，使进料顺畅、密封良好、压力稳定，通过气相色谱实时监测反应体系内的气体组成和浓度，从而完成冷态试验；

S3：清除所述冷态试验中残留在反应体系内的物料，通过调节设于气体管路上的气体混合配比器和气阀，使通入一级料仓和二级料仓的气体满足预设值；分别开启反应床和催化床中的加热设备，待温度达到预设温度时，记录所述称重台的重量G₁；同时开始进料，并开启第一电磁阀门、第二电磁阀门和第三电磁阀门，使生物质经过一级料仓、二级料仓和进料管路后进入反应床；生物质在反应床中经过热裂解生成生物炭和热裂解气体，由于设在催化床进口端第一筛网的阻隔作用，生物炭停留在反应床中，用于作为除氧剂、除水剂和催化剂；所述热裂解气体通过气流传送进入催化床中进行催化反应，得到催化热解气体；所述催化热解气体通过冷凝器的冷凝作用得到液体产物，并储存于储液器中；

在S3的过程中，通过观测称重台(12)的重量G_n实时监测液体产物的重量；通过气相色谱实时监测反应体系内的气体组成和浓度。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明的装置能够把固态有机废弃物生物质转变为液态燃料或固态燃料，实现废弃物的资源化利用；

2)本发明的装置可以利用的原料包括并不限于农业有机废弃物(如生物质)、工业有机废弃物，市政有机垃圾等；

3)本发明的装置结构简单、操控方便，批次进料和连续进料可切换进行，可以进行加压催化试验，对裂解和催化的温度能够独立进行控制；装置放置在一个可称重可移动的平台上，方便测量和控制产物质量的实时变化，通过气相色谱也可以进行实时监测反应体系内的气体组成和浓度，从而实现质量检测和控制。

4)本发明装置中由于设在催化床进口端第一筛网的阻隔作用，使反应床产生的生物炭停留在反应床中，该生物炭不仅能够作为除氧剂与氧气反应，保证反应床热裂解所需的无氧环境，还能够作为除水剂与生物质和热裂解过程中生成的水反应，减少热裂解液中的水分含量，提高热裂解液的品质，同时，生物炭还能够作为催化剂，催化生物质的热裂解反应。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图中：可升降平台1，一级料仓2，进料螺旋3，二级料仓4，第一电磁阀门5，冷却装置6，第二电磁阀门7，反应床8，催化床9，第一筛网91，第二筛网92，第三电磁阀门10，冷凝器11，称重台12，储液器13，阀门14，气体混合配比器15，气瓶16，可移动平台17。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本发明的一种用于制取生物质热裂解液体的加压固定床反应装置，图中，CW_in和CW_out分别指冷凝水进水和冷凝水出水，GC指的是气相色谱。该装置由配气系统、进料系统、反应系统、冷却收集系统、控制系统等部分构成。其中，配气系统主要包括气瓶16、气体混合配比器15和气体管路，通过调节混合气体的组分和压力，用于保证反应过程所需的气体组成、含量和压力。进料系统主要包括一级料仓2、二级料仓4、进料螺旋3、进料管路和冷却装置6，用于输送原料进入后续反应床和催化床中，进行反应。反应系统主要包括反应床8、压力计、催化床9、第一筛网91、第二筛网92，用于保证反应所需的温度和压力等，是原料发生化学反应的场所。冷却收集系统主要包括冷凝器11、称重台12和储液器13，用于收集反应后的终产物。控制系统主要包括一系列的电动机，反应床8和催化床9中设有的热电偶、加热带、压力表，第一电磁阀门5、第二电磁阀门7、第三电磁阀门，阀门14等，用于调节和控制反应所需的进料速度、气氛、温度、压力等条件。

下面将对本发明装置的各部件结构及功能进行具体说明：

在本发明的装置中，一级料仓2上开设第一进料口和第一出料口，第一进料口用于进料，进料包括但不限于农业有机废弃物(如生物质)、工业有机废弃物，市政有机垃圾等，第一出料口外接进料螺旋3。进料螺旋3的一端与第一出料口相连通，另一端与设于二级料仓4上的第二进料口相连通。在一级料仓2和二级料仓4上均设有进气口，并通过气体管路与设于外部的气瓶16相连通，用于向一级料仓2和二级料仓4中供气和供压。一级料仓2和二级料仓4的气体管路上均设有气体混合配比器15和气阀，通过控制气体混合配比器15和气阀来调节进入一级料仓2和二级料仓4中气体的组分和压力。二级料仓4上开设第二出料口，第二出料口通过进料管路与反应床8的进口端相连通，用于向反应床8中进料。进料管路的外部设有冷却装置6，该冷却装置6可以为水冷套。水冷套为上下封闭的中空筒状结构，其同轴套设于进料管路的外部。水冷套的侧壁下部开设进水口，与进水口相对的水冷套另一侧壁上部开设出水口，通入水冷套中的冷却水可以从进水口中进入并从出水口中流出，以实现与进料管路的热交换。在进料管路上靠近二级料仓4处设有第一电磁阀门5，通过控制第一电磁阀门5可以实现该通道的开闭。在进料管路上靠近反应床8处设有第二电磁阀门7，通过控制第二电磁阀门7可以实现该通道的开闭。

反应床8的出口端与催化床9的进口端相连通，使反应床8和催化床9之间呈串联关系。在反应床8上设有压力计，用于测量反应床8中的气体压力，以使反应床8中的热裂解反应顺利进行。反应床8在反应过程中产生的挥发性气体能够通过进料管路外部设有的冷却装置6的冷凝作用，形成液滴回落至反应床8中，防止反应床8的燃料产物流失。

在催化床9的进口端处设有第一筛网91，第一筛网91用于隔绝反应床8中的进料生物质和热裂解产物生物炭，仅使通过反应床8热裂解后得到的热裂解气体进入催化床9中，以进行催化反应。该种设置的目的是由于，停留在反应床8中的热裂解产物生物炭，不仅能够作为除氧剂与氧气反应，保证反应床8热裂解所需的无氧环境，还能够作为除水剂与生物质和热裂解过程中生成的水反应，减少热裂解液中的水分含量，提高热裂解液的品质，同时，生物炭还能够作为催化剂，催化生物质的热裂解反应。

催化床9的出口端还设有第二筛网92，用于放置催化床9中的催化剂，并过滤催化热解气体中夹带的较大颗粒物，防止堵塞后续设备。催化床9的出口端与冷凝器11的进口端相连通，连接处设有第三电磁阀门10，用于控制该通道的开闭。冷凝器11用于冷凝通过催化床9制得的催化热解气体。冷凝器11上开设出液口，该出液口通过管路与储液器13的进口端相连通，用于储存经过冷凝器11冷凝后得到的液体产物。储液器13上设有阀门14，可以通过控制阀门14的开闭从储液器13中收集液体产物。储液器13上端开设出气口，通过管路与外部的气相色谱相连通，将储液器13内的气体实时送入气相色谱，以实时反映反应体系内的气体组成和浓度。储液器13置于称重台12上，以便实时测量储液器13中液体产物的重量变化，当制备得到的液体产物的重量达到所需值时，即可停止进料，关闭装置。为了保证热裂解催化反应的顺利进行、减少生成的燃料损失，在实际应用时，应使一级料仓2、二级料仓4、反应床8、催化床9、冷凝器11和储液器13组成的反应体系具有气密性。

为了提高本装置的应用灵活性，可以将一级料仓2和冷凝器11分别置于可升降平台1的上下两端，从而使一级料仓2和冷凝器11均可通过可升降平台1调节所处位置。这样在实际应用时，可以随时组装本发明的装置，而且各部件的尺寸大小也可以根据实际情况进行调整，而不受支撑装置的限制。同时，本发明的装置还可以置于可移动平台17上，使该装置能随可移动平台17进行移动，以增加本发明装置的便捷性。

利用上述装置制取生物质热裂解液体的方法，具体如下：

S1：首选检查反应体系的气密性情况，使反应体系能保证加压运行时不漏气。将储液器13外接气相色谱，以便将储液器13内的气体实时送入气相色谱，以实时反映反应体系内的气体组成和浓度。

S2：通过调节设于气体管路上的气体混合配比器15和气阀，使通入一级料仓2和二级料仓4的气体满足预设值。之后开启第一电磁阀门5、第二电磁阀门7和第三电磁阀门10，使原料生物质经过一级料仓2、二级料仓4和进料管路后依次进入反应床8和催化床9。此时，反应床8和催化床9中的加热设备均不开启，使进料顺畅、密封良好、压力稳定。通过气相色谱实时监测反应体系内的气体组成和浓度，同时，还可以根据气相色谱得到的数据反过来调整气体混合配比器15和气阀，以使进入一级料仓2和二级料仓4的气体更加符合预设值。

通过该步骤的操作以完成冷态试验。冷态试验指的是在常温下开展的，在冷态实验的基础上开展后续的热态实验，更有理论依据。

S3：清除冷态试验中残留在反应体系内的物料，通过调节设于气体管路上的气体混合配比器15和气阀，使通入一级料仓2和二级料仓4的气体满足预设值。分别开启反应床8和催化床9中的加热设备，待应床8和催化床9中的温度均达到预设温度时，记录此时称重台12的初始重量G₁。

同时开始进料，并开启第一电磁阀门5、第二电磁阀门7和第三电磁阀门10，使原料生物质经过一级料仓2、二级料仓4和进料管路后进入反应床8。生物质在反应床8中经过热裂解生成生物炭和热裂解气体，由于设在催化床9进口端第一筛网91的阻隔作用，生物炭停留在反应床8中。停留在反应床8中的生物炭不仅能够作为除氧剂与氧气反应，保证反应床8热裂解所需的无氧环境，还能够作为除水剂与生物质和热裂解过程中生成的水反应，减少热裂解液中的水分含量，提高热裂解液的品质，同时，生物炭还能够作为催化剂，催化生物质的热裂解反应。

反应床8中产生的热裂解液则会通过重力作用流入催化床9，并在催化床9中进行催化反应，从而得到催化热解气体；催化热解气体通过冷凝器(11)的冷凝作用得到液体产物。该液体产物会在管路的引导作用下流入并储存于储液器13中。

S4：在S3的过程中，通过观测称重台12的实时重量G_n能够实时监测液体产物的重量。通过气相色谱能够实时监测反应体系内的气体组成和浓度。

S5：在S3的过程中，当(G_n-G₁)的值与预设值相等时，即通过本装置制取的生物质热裂解液体的总量达到所需值，就可停止进料，并关闭装置。同时打开设于储液器13上的阀门14，来收集储液器13中液体产物。收集后的液体产物可以用于后续进行各项测试或者进一步的提质。拆解装置，将装置清洗干燥后，以便用于下一次生物质热裂解实验。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种利用加压固定床反应装置制取生物质热裂解液体的方法，其特征在于，所述加压固定床反应装置包括一级料仓（2）、二级料仓（4）、反应床（8）、催化床（9）、冷凝器（11）和储液器（13），所述一级料仓（2）的出口端通过进料螺旋（3）与二级料仓（4）的进口端相连通；所述一级料仓（2）和二级料仓（4）均通过气体管路与气瓶（16）相连通，用于向一级料仓（2）和二级料仓（4）中供气和供压；所述二级料仓（4）的出口端通过进料管路与所述反应床（8）的进口端相连通，用于向反应床（8）中进料；所述进料管路的外部设有冷却装置（6），在进料管路上靠近二级料仓（4）处设有第一电磁阀门（5），在进料管路上靠近反应床（8）处设有第二电磁阀门（7）；所述反应床（8）的出口端与催化床（9）的进口端相连通，催化床（9）的进口端处设有第一筛网（91）；所述第一筛网（91）用于隔绝反应床（8）中的进料生物质和热裂解产物生物炭，仅使通过反应床（8）热裂解后得到的热裂解气体进入催化床（9）中进行催化反应；所述催化床（9）的出口端与冷凝器（11）的进口端相连通，连接处设有第三电磁阀门（10），用于控制通道开闭；所述冷凝器（11）用于冷凝通过催化床（9）制得的催化热解气体；冷凝器（11）的出液口通过管路与储液器（13）的进口端相连通，用于储存经过冷凝器（11）冷凝后得到的液体产物；储液器（13）置于称重台（12）上，用于测量储液器（13）中液体产物的重量变化；一级料仓（2）、二级料仓（4）、反应床（8）、催化床（9）、冷凝器（11）和储液器（13）组成的反应体系具有气密性；

所述方法具体如下：

S1：检查所述反应体系的气密性，使反应体系在加压运行时不漏气；将储液器（13）外接气相色谱，实时监测反应体系内的气体组成和浓度；

S2：通过调节设于气体管路上的气体混合配比器（15）和气阀，使通入一级料仓（2）和二级料仓（4）的气体满足预设值，开启第一电磁阀门（5）、第二电磁阀门（7）和第三电磁阀门（10），使生物质经过一级料仓（2）、二级料仓（4）和进料管路后依次进入反应床（8）和催化床（9），此时，反应床（8）和催化床（9）中的加热设备均不开启，使进料顺畅、密封良好、压力稳定，通过气相色谱实时监测反应体系内的气体组成和浓度，从而完成冷态试验；

S3：清除所述冷态试验中残留在反应体系内的物料，通过调节设于气体管路上的气体混合配比器（15）和气阀，使通入一级料仓（2）和二级料仓（4）的气体满足预设值；分别开启反应床（8）和催化床（9）中的加热设备，待温度达到预设温度时，记录所述称重台（12）的重量G₁；同时开始进料，并开启第一电磁阀门（5）、第二电磁阀门（7）和第三电磁阀门（10），使生物质经过一级料仓（2）、二级料仓（4）和进料管路后进入反应床（8）；生物质在反应床（8）中经过热裂解生成生物炭和热裂解气体，由于设在催化床（9）进口端第一筛网（91）的阻隔作用，生物炭停留在反应床（8）中，用于作为除氧剂、除水剂和催化剂；所述热裂解气体通过气流传送进入催化床（9）中进行催化反应，得到催化热解气体；所述催化热解气体通过冷凝器（11）的冷凝作用得到液体产物，并储存于储液器（13）中；

在S3的过程中，通过观测称重台（12）的重量G_n实时监测液体产物的重量；通过气相色谱实时监测反应体系内的气体组成和浓度。

2.根据权利要求1所述的一种利用加压固定床反应装置制取生物质热裂解液体的方法，其特征在于，所述一级料仓（2）和冷凝器（11）分别置于可升降平台（1）的上下两端，均可通过可升降平台（1）调节所处位置。

3.根据权利要求1所述的一种利用加压固定床反应装置制取生物质热裂解液体的方法，其特征在于，所述加压固定床反应装置置于可移动平台（17）上，使该装置能随可移动平台（17）进行移动。

4.根据权利要求1所述的一种利用加压固定床反应装置制取生物质热裂解液体的方法，其特征在于，所述冷却装置（6）为水冷套。

5.根据权利要求1所述的一种利用加压固定床反应装置制取生物质热裂解液体的方法，其特征在于，所述一级料仓（2）和二级料仓（4）的气体管路连接有气体混合配比器（15）和气阀，用于控制进入一级料仓（2）和二级料仓（4）中气体的组分和压力。

6.根据权利要求1所述的一种利用加压固定床反应装置制取生物质热裂解液体的方法，其特征在于，所述催化床（9）的出口端设有第二筛网（92），用于放置催化床（9）中的催化剂，并过滤催化热解气体中夹带的较大颗粒物。

7.根据权利要求1所述的一种利用加压固定床反应装置制取生物质热裂解液体的方法，其特征在于，所述储液器（13）上设有阀门（14），用于从储液器（13）中收集所述液体产物。

8.根据权利要求1所述的一种利用加压固定床反应装置制取生物质热裂解液体的方法，其特征在于，所述储液器（13）上端开设出气口，通过管路与气相色谱相连通，实时监测所述反应体系内的气体组成和浓度。

9.根据权利要求1所述的一种利用加压固定床反应装置制取生物质热裂解液体的方法，其特征在于，所述反应床（8）上设有压力计，用于测量反应床（8）中的压力。

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