CN113214856B - 一种生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置，属于生物质高值化利用领域。本装置包括给料系统、热解反应系统、焦炭收集系统、在线催化提质系统、多级可控冷凝系统、气体在线检测收集系统。本发明装置具有在氮气、氢气、甲烷气等不同气氛下对生物质进行催化热解、热解挥发分在线催化提质、提质挥发分可控分级冷凝、不可冷凝气体在线检测收集等功能。该装置结构紧凑，灵活多变，操作方便，运行稳定可靠，能够实现对生物质的高效转化和即用型生物燃料的直接制取。

Description

一种生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置

技术领域

本发明属于生物质高值化利用领域，尤其涉及一种生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置。

背景技术

生物质能是唯一可以直接转化为含碳液体燃料的可再生能源，利用生物质代替石油生产车用及航空用液体燃料不仅有助于减少对化石燃料的依赖，而且还可以显著减少CO₂等温室气体的排放，最终实现构建清洁、安全、可靠的多元化能源供应体系。

在众多的生物质液化利用技术中，热解技术能够高效地以连续和工业化的生产方式将生物质转变为易储运、能量密度高的液体生物油。然而，生物质直接热解制得的生物油具有高含水量、低热值、高含氧量、高酸性与腐蚀性、低稳定性和高粘度等诸多不良特性，同汽柴油以及航空燃油馏分的燃料特性相差较远，难以直接作为燃料使用。为了改善生物油的品质，通常采用催化裂化和催化加氢等手段来对热解冷凝后的生物油进行提质改性，但生物油的高含氧量使其在提质的过程中很容易出现不安定组分缩合缩聚和催化剂严重失活等问题。此外，生物油提质过程中热解挥发分冷凝再升温带来的能量损失以及额外增加的设备成本也限制了其作为工艺路线的经济竞争性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是改善生物质热解制备生物油的品质以提高其能量品位，同时避免生物油提质过程中出现的诸多问题，为了解决上述问题，本发明提供一种生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置，包括给料系统、热解反应系统、焦炭收集系统、在线催化提质系统、多级可控冷凝系统、气体在线检测收集系统；所述给料系统通过气路连接管道和下料斜管分别与热解反应系统相连；所述热解反应系统通过法兰盘与焦炭收集系统相连；所述焦炭收集系统通过第一三通阀与在线催化提质系统相连；所述在线催化提质系统通过连接管道与多级可控冷凝系统相连；所述多级可控冷凝系统通过第二三通阀与气体在线检测收集系统相连。

进一步地，所述给料系统包括圆盘拨片连续给料器、下料斜管和循环冷却水装置；所述圆盘拨片连续给料器与下料斜管相连；所述下料斜管与热解反应系统中的热解反应器连接；所述圆盘拨片连续给料器包括料仓、搅拌器、精细拨片、粗拨片、圆盘和电机；所述料仓内装有生物质原料和催化剂；所述精细拨片和粗拨片固定于料仓的底座上；所述搅拌器设置于料仓内，并固定在圆盘上；所述圆盘与电机相连；所述电机带动圆盘转动，粗拨片和精细拨片共同作用，将料仓中落下的拌有催化剂的生物质原料拨至下料斜管；所述下料斜管周围设有循环冷却水装置；所述循环冷却水装置包括循环冷却水套、第一循环冷却水出口和第一循环冷却水进口。

进一步地，所述热解反应系统包括气体预热器、热解反应器、焦炭燃烧器、鼓风机和法兰盘；所述气体预热器的一端与热解反应器相连；所述焦炭燃烧器和热解反应器相连；所述鼓风机和焦炭燃烧器相连；所述热解反应器通过法兰盘与焦炭收集系统中的焦炭罐相连；所述热解反应器的加热方式为电加热套供热或焦炭燃烧器燃烧供热。

进一步地，所述焦炭收集系统包括焦炭罐和焦炭过滤器；所述焦炭罐和焦炭过滤器相连；所述焦炭过滤器和在线催化提质系统中的第一三通阀相连。

进一步地，所述在线催化提质系统包括第一三通阀、供氢装置和提质反应器；所述供氢装置包括依次相连的储液罐、电动泵和汽化器；所述第一三通阀分别与焦炭收集系统中的焦炭过滤器、供氢装置中的汽化器和提质反应器连接。所述电动泵包括但不限于蠕动泵、注射泵。

进一步地，所述多级可控冷凝系统包括依次相连的水冷冷凝器、干冰丙酮冷凝器、一级液氮冷凝器、二级液氮冷凝器、一级过滤器和二级过滤器；所述水冷冷凝器的下端设有第二循环冷却水进口，上端设有第二循环冷却水出口。所述一级过滤器和二级过滤器的过滤介质包括但不限于硅胶、脱脂棉花。

进一步地，所述气体在线检测收集系统包括第二三通阀、微型气相色谱仪和储气罐；第二三通阀分别与多级可控冷凝系统中的二级过滤器、微型气相色谱仪和储气罐连接。

由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明装置给料系统采用圆盘拨片连续给料器，能够对料仓中的生物质原料和催化剂均匀混合的同时，还能实现将拌有催化剂的生物质原料长时间稳定、连续、定量拨送至热解反应系统中。其特点为：第一，给料的实现是通过电机带动圆盘转动和粗细拨片的共同作用，结构简单，操作方便，运行可靠；第二，相比传统螺旋给料器挤压式给料，拨片给料不易造成给料堵塞，同时保证了给料过程中生物质原料和催化剂混合的均匀性。

(2)本发明装置采用生物质催化热解和在线催化提质结合的方式，实现了热解挥发分不经冷凝便可直接进行在线催化提质从而一步制取高品位液体燃料，避免了传统生物油提质过程中热解挥发分冷凝再升温带来的能量损失，此外也减少了额外增加的提质设备，从而降低了操作运行成本，提高经济性。

(3)本发明装置通过在线催化提质系统加入供氢装置为在线催化提质反应提供供氢源气氛，从而使得热解挥发分能够在供氢源气氛中进行催化提质反应，最终进一步提升生物油品质，增强提质效果。

(4)本发明装置采用三通阀实现供氢装置和提质反应器、在线催化提质系统和前后系统的灵活组合，通过三通阀的部分旁路可以实现热解挥发分在线催化提质反应是否在供氢源气氛下进行，通过三通阀的拆装可以实现装置催化热解功能和在线催化提质功能的灵活耦合，从而使得本装置可以灵活多变地根据不同需求实现不能功能。

附图说明

图1是本发明一种生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置的结构示意图；

图2是本发明给料系统结构示意图；

图3是本发明热解反应系统结构示意图；

图4是本发明焦炭收集系统结构示意图；

图5是本发明在线催化提质系统结构示意图；

图6是本发明多级可控冷凝系统结构示意图；

图7是本发明气体在线检测收集系统结构示意图；

图中：1、料仓；2、搅拌器；3、精细拨片；4、粗拨片；5、圆盘；6、电机；7、循环冷却水套；8、第一循环冷却水出口；9、第一循环冷却水进口；10、下料斜管；11、气体预热器；12、热解反应器；13、焦炭燃烧器；14、鼓风机；15、法兰盘；16、焦炭罐；17、焦炭过滤器；18、第一三通阀；19、储液罐；20、电动泵；21、汽化器；22、提质反应器；23、水冷冷凝器；24、第二循环冷却水进口；25、第二循环冷却水出口；26、干冰丙酮冷凝器；27、一级液氮冷凝器；28、二级液氮冷凝器；29、一级过滤器；30、二级过滤器；31、第二三通阀；32、微型气相色谱仪；33、储气罐。

具体实施方式

下面结合附图并参照数据对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一种生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置包括依次相连的给料系统、热解反应系统、焦炭收集系统、在线催化提质系统、多级可控冷凝系统以及气体在线检测收集系统。其中，给料系统通过气路连接管道和下料斜管10与热解反应系统相连。热解反应系统通过法兰盘15与焦炭收集系统相连。焦炭收集系统通过第一三通阀18与在线催化提质系统相连，通过第一三通阀18的拆装可以实现供氢装置与提质反应器22、在线提质催化系统和前后系统的灵活组合。在线催化提质系统通过连接管路与多级可控冷凝系统相连。多级可控冷凝系统通过第二三通阀31与气体在线检测收集系统相连。

如图2所示，给料系统包括圆盘拨片连续给料器、下料斜管10和循环冷却水装置；载气流经减压阀和气体连接管路后分成两路分别通向圆盘拨片连续给料器和热解反应系统中的气体预热器11，一路通向热解反应系统作为热解载气，另一路通向圆盘拨片连续给料器作为气体下料风协助给料和密封保证气密性；所述热解载气通入生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置的方式包括但不限于钢瓶或输气管道，所述热解载气包括但不限于氮气、氢气和甲烷、储气罐33所收集的气体；所述圆盘拨片连续给料器与下料斜管10相连；所述下料斜管10周围设有循环冷却水装置；所述下料斜管10与热解反应系统中的热解反应器12连接；所述圆盘拨片连续给料器由料仓1、搅拌器2、精细拨片3、粗拨片4、圆盘5、电机6组成；所述循环冷却水装置包括循环冷却水套7、第一循环冷却水出口8和第一循环冷却水进口9；所述循环冷却水装置用于冷却下料斜管10，带走下料斜管10因热解反应器系统热传导带来的多余热量，从而使得给料顺畅；料仓1中装有生物质原料和催化剂；搅拌器2固定在圆盘5上；圆盘5通过驱动轴与电机6相连；电机6的驱动致使圆盘5连同搅拌器2共同转动；所述搅拌器2在电机6的驱动下可对料仓1中生物质原料和催化剂进行搅拌使其混合均匀；所述电机6带动圆盘5转动，在粗拨片4和精细拨片3共同作用，可将料仓1中落下的拌有催化剂的生物质原料拨至下料斜管10中。所述给料系统能够实现生物质原料和催化剂的均匀混合，在气体下料风的协助下，通过圆盘转动和粗细拨片的共同作用从而能够将拌有催化剂的生物质原料长时间稳定、连续、定量拨至热解反应系统中。

如图3所示，热解反应系统包括气体预热器11、热解反应器12、焦炭燃烧器13、鼓风机14和法兰盘15；气体预热器11的左右两端分别与给料系统的气瓶和热解反应器12相连；焦炭燃烧器13和热解反应器12相连；鼓风机14和焦炭燃烧器13相连；热解反应器12通过法兰盘15与焦炭收集系统中的焦炭罐16相连。在热解反应器12达到预设温度后，启动电机6使所述拌有催化剂的生物质原料在热解反应器12中进行催化热解生成热解挥发分和生物焦炭。热解温度最高可达700℃。热解反应器12的加热方式为电加热套供热或焦炭燃烧器13燃烧供热。焦炭燃烧器13和鼓风机14用于燃烧焦炭罐16收集所得的生物焦炭，将燃烧产生的高温烟气通入热解反应器12中用作热解载气，并同时为热解提供热源，以实现热解反应系统部分或完全自供热。所述热解反应系统用于使所述生物质原料进行催化热解反应，产生热解挥发分和生物焦炭。

如图4所示，焦炭收集系统包括焦炭罐16、焦炭过滤器17；焦炭罐16上部连接焦炭过滤器17；焦炭过滤器17通过第一三通阀18和在线催化提质系统相连。本发明的焦炭收集系统可以实现热解挥发分和生物焦炭的气固分离，在重力的作用下，生物焦炭掉落在焦炭罐16，催化热解反应生成的热解挥发分通过连接管道进入焦炭过滤器17，焦炭罐16用于收集分离出来的生物焦炭，焦炭过滤器17用于对热解挥发分中未分离完全的残余生物焦炭进行过滤和二次收集，从而防止残余生物焦炭进入到在线催化体质系统中对催化剂造成污染。

如图5所示，在线催化提质系统包括第一三通阀18、供氢装置和提质反应器22；第一三通阀18分别连接焦炭收集系统、供氢装置和提质反应器22；供氢装置包括依次相连的储液罐19、电动泵20、汽化器21。第一三通阀18分别与焦炭收集系统中的焦炭过滤器17、供氢装置中的汽化器21和提质反应器22连接。所述电动泵包括但不限于蠕动泵、注射泵。提质温度最高可达600℃。此外，第一三通阀18的拆装可以实现供氢装置和提质反应器、在线催化提质系统和前后系统的灵活组合。所述在线催化提质系统用于使所述热解挥发分进行在线催化提质反应并生成提质挥发分(生物质原料经催化热解和在线催化提质后产物)。如图6所示，多级可控冷凝系统包括依次相连的水冷冷凝器23、干冰丙酮冷凝器26、一级液氮冷凝器27、二级液氮冷凝器28、一级过滤器29、二级过滤器30；水冷冷凝器23上设有第二循环冷却水进口24和第二循环冷却水出口25，通过外部连接的循环冷却泵可以实现水冷冷凝温度的可控调节，干冰丙酮冷凝器26中的三口烧瓶用于收集经水冷和干冰丙酮冷凝得到的生物油，一级液氮冷凝器27中设有生物油收集器，二级液氮冷凝器28中设有生物油收集器，一级过滤器29和二级过滤器30用于收集经四级冷凝后提质挥发分中残余的气溶胶物质，所述一级过滤器和二级过滤器的过滤介质包括但不限于硅胶、脱脂棉花。

本发明的多级可控冷凝系统采用四级冷凝，分别是蛇形盘管水冷冷凝，干冰丙酮冷凝和两级液氮冷凝，从而使得提质挥发分中可冷凝部分冷凝为生物油，不可冷凝气体进入到后续气体在线检测收集系统。所述多级可控冷凝系统用于将所述提质挥发分中可冷凝部分冷凝为生物油，并将不可冷凝气体送至所述气体在线检测收集系统。

如图7所示，气体在线检测收集系统包括第二三通阀31、微型气相色谱仪32、储气罐33；第二三通阀31分别连接多级可控冷凝系统、微型气相色谱仪32和储气罐33。本发明的气体在线检测收集系统采用的微型气相色谱仪32用于在线实时检测不可冷凝气体组分；储气罐33用于对不可冷凝气体进行收集。此外，第二三通阀31的拆装可以实现气体在线检测和收集两项功能的灵活组合。所述气体在线检测收集系统用于对所述不可冷凝气体进行在线组分分析测定，并对所述不可冷凝气体进行储存。

本发明装置工作过程具体为：

(1)给料：热解载气流经气路连接管道后分成两路，一路通向热解反应系统用作热解载气，另一路通向圆盘拨片连续给料器用于气体下料风协助给料和密封保证气密性。搅拌器2在电机6的驱动下可对料仓1中装有的生物质和催化剂进行搅拌使其混合均匀。电机6带动圆盘5转动，在粗拨片4和精细拨片3共同作用，可将料仓1中落下的拌有催化剂的生物质原料拨至下料斜管10中。向循环冷却水装置通冷却水，再由圆盘拨片连续给料器和下料风协助配合输送生物质原料和催化剂至热解反应系统的热解反应器12中。

(2)热解反应：在热解反应器12达到预设温度后(热解温度最高可达700℃)，生物质原料颗粒和催化剂在热解反应器12中经过催化热解生成热解挥发分和生物焦炭，产生的热解挥发分和生物焦炭在热解载气的携带下进入到焦炭罐16中。

(3)焦炭收集：在重力的作用下，大部分生物焦炭掉落在焦炭罐16中并被收集下来，热解挥发分随着热解载气在焦炭过滤器17中进一步过滤掉残余生物焦炭后进入到提质反应器22中。

(4)在线催化提质：由储液罐19、电动泵20、汽化器21组成的供氢装置可实现醇类等供氢源的气化，为热解挥发分提供了供氢源气氛。将供氢源气氛输送至提质反应器22中，从而使得热解挥发分在供氢源气氛中通过提质反应器22中的催化剂床层进行催化提质反应，最终反应生成提至挥发分。

(5)冷凝生成生物油：随后提质挥发分在热解载气的携带下依次进入四级冷凝器和两级过滤器，包括水冷冷凝器23、干冰丙酮冷凝器26、一级液氮冷凝器27、二级液氮冷凝器28、一级过滤器29、二级过滤器30，提质挥发分中的可冷凝部分经过冷凝得到生物油储存在干冰丙酮冷凝器26中的三口烧瓶、一级液氮冷凝器27和二级液氮冷凝器28中，保证生物油收集完全。

(6)气体在线检测和收集：在第二三通阀31的作用下，少量不可冷凝气体进入微型气相色谱仪32对其组分进行实时检测，其余大部分气体被储气罐33收集。

Claims (6)

1.一种生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置，其特征在于，包括依次相连的给料系统、热解反应系统、焦炭收集系统、在线催化提质系统、多级可控冷凝系统、气体在线检测收集系统；所述给料系统通过气路连接管道和下料斜管(10)分别与热解反应系统相连；所述热解反应系统与焦炭收集系统相连；所述焦炭收集系统通过第一三通阀(18)与在线催化提质系统相连；所述在线催化提质系统与多级可控冷凝系统相连；所述多级可控冷凝系统通过第二三通阀(31)与气体在线检测收集系统相连；所述给料系统包括圆盘拨片连续给料器、下料斜管(10)和循环冷却水装置；所述圆盘拨片连续给料器与下料斜管(10)相连；所述下料斜管(10)与热解反应系统中的热解反应器(12)连接；所述圆盘拨片连续给料器包括料仓(1)、搅拌器(2)、精细拨片(3)、粗拨片(4)、圆盘(5)和电机(6)；所述料仓(1)内装有生物质原料和催化剂；所述精细拨片(3)和粗拨片(4)固定于料仓(1)的底座上；所述搅拌器(2)设置于料仓(1)内，并固定在圆盘(5)上；所述圆盘(5)与电机(6)相连；所述电机(6)带动圆盘(5)转动，粗拨片(4)和精细拨片(3)共同作用，将料仓(1)中落下的拌有催化剂的生物质原料拨至下料斜管(10)；所述下料斜管(10)周围设有循环冷却水装置；所述循环冷却水装置包括循环冷却水套(7)、第一循环冷却水出口(8)和第一循环冷却水进口(9)。

2.根据权利要求1所述的生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置，其特征在于，所述热解反应系统包括气体预热器(11)、热解反应器(12)、焦炭燃烧器(13)和鼓风机(14)；所述气体预热器(11)的一端与热解反应器(12)相连；所述焦炭燃烧器(13)和热解反应器(12)相连；所述鼓风机(14)和焦炭燃烧器(13)相连；所述热解反应器(12)与焦炭收集系统中的焦炭罐(16)相连；所述热解反应器(12)的加热方式为电加热套供热或焦炭燃烧器(13)燃烧供热。

3.根据权利要求1所述的生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置，其特征在于，所述焦炭收集系统包括焦炭罐(16)和焦炭过滤器(17)；所述焦炭罐(16)和焦炭过滤器(17)相连；所述焦炭过滤器(17)和在线催化提质系统中的第一三通阀(18)相连。

4.根据权利要求3所述的生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置，其特征在于，所述在线催化提质系统包括第一三通阀(18)、供氢装置和提质反应器(22)；所述供氢装置包括依次相连的储液罐(19)、电动泵(20)和汽化器(21)；所述第一三通阀(18)分别与焦炭收集系统中的焦炭过滤器(17)、供氢装置中的汽化器(21)和提质反应器(22)连接。

5.根据权利要求1所述的生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置，其特征在于，所述多级可控冷凝系统包括依次相连的水冷冷凝器(23)、干冰丙酮冷凝器(26)、一级液氮冷凝器(27)、二级液氮冷凝器(28)、一级过滤器(29)和二级过滤器(30)。

6.根据权利要求5所述的生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置，其特征在于，所述气体在线检测收集系统包括第二三通阀(31)和储气罐(33)；第二三通阀(31)分别与多级可控冷凝系统中的二级过滤器(30)和储气罐(33)连接；所述储气罐(33)中收集的气体可通入所述生物质催化热解耦合在线提质制取液体燃料反应装置作为热解载气。

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