CN114196425A - 一种生物质热解制炭的工艺方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物质热解制炭的工艺方法及装置，包括生物质的干燥、预炭化、炭化、煅烧和冷却出料阶段：燃烧天然气或系统自产的燃料气为干燥、预炭化、炭化阶段提供热量；干燥阶段排出干燥烟气形成干燥烟气循环；预炭化、炭化阶段发生热解反应，反应放热为煅烧阶段提供热量，排出的热解气经热解气冷凝系统冷却并副产生物油，冷却后的燃料气循环回热解炉形成热解气循环；部分燃料气预热为高温燃料气，部分高温燃料气通入燃气锅炉燃烧供能，部分通入热解炉，代替天然气为其它批次提供热量；反应结束后利用自产的燃料气对生物质床层逐级冷却而后出料；所述工艺方法及装置原料适应范围广，工艺流程短，装置结构简单，且运行成本低。

Description

一种生物质热解制炭的工艺方法及装置

技术领域

本发明属于生物质能源利用的技术领域，具体涉及一种生物质热解制炭的工艺方法和装置。

背景技术

随着全球气候变化和化石燃料资源的日渐枯竭，生物质能作为一种优秀的可再生能源，其开发利用受到广泛的关注。生物质能是世界第四大能源，仅次于石油、煤炭、天然气。生物质能是唯一一种可以培育、收集、储存和运输的最接近常规化石燃料的可再生能源，从原料构成到理化特性均与化石燃料相似，生物质能的利用通过对二氧化碳的排放和吸收形成自然界碳循环，可近乎实现二氧化碳“零排放”。

生物质能来源广泛，主要分为农、林剩余物、禽畜粪便和生活垃圾等，以农作物秸秆为主体的农、林业剩余物便是其中最具代表性的生物质资源。生物质能具有可再生、低污染、分布广、储量大等优点，但由于其能量密度较低，且较分散，大规模处理困难，绝大多数地区生物质利用率不高。

生物质能的转化利用包括直接燃烧、生物转化和热化学转化等方式，其中直接燃烧技术作为最原始和最易用的生物质能使用方式，存在着污染大、效率低及资源浪费的问题；生物转化是用微生物发酵的方法将生物质能转变成燃料物质的技术，主要包括厌氧消化技术和酶技术；热化学转化包括干馏技术、生物质气化技术及热解技术等，其中热解技术是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热到一定温度，通过热化学反应将大分子物质分解成较小分子的燃料物质的热化学转化技术方法，与其它转化方法相比：热解的温度较低，相应的能耗也较低；热解一般在隔绝空气的条件下进行，系统相对简单，而且可以避免由于大量空气供应而引起的烟尘污染及热损失；热解可以制取生物炭和热解油，生物炭具有更高的热值，生物油具有替代化石燃料的潜力。因此，生物质热解技术在生物质的利用上具有显著的优势和广阔的前景。

生物质热解是复杂的热化学反应过程，包含分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。生物质热解过程中，热量由颗粒表面传递到内部，热解反应由外至内逐层进行，生物质大分子迅速分解为生物炭和挥发分；其中挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝得到生物油；在多孔生物质颗粒内部和表面挥发分还将进一步裂解，形成不可冷凝气体和二次生物油，称为二次裂解，生物质热解过程最终生成生物油、不可冷凝气体和生物炭。

生物质主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，生物质热解即是这三种聚合体受热不稳定进而解析出挥发分的过程，其在热解过程中通常被假设为相互独立进行，生物质热解过程可认为是材料中木质素、纤维素和半纤维素三者热解过程的线性叠加。

其中，纤维素是生物质炭的主要来源之一，是由D-葡萄糖通过β-葡萄糖苷键连接而成的多糖，分子式可以表达为(C₆H₁₂O₅)_n，纤维素在绝氧或者限氧的气相氛围下首先发生一次热解，大分子纤维素经过脱水解聚等反应分解为分子量1000-2000的低聚糖，而后受温度影响，在较低温度分解为炭和气态产物，随着温度的升高，纤维素的热解会更倾向于生成小分子挥发性焦油，经聚合、分裂、重组等二次热解反应生成炭或芳香族焦油，CH₄、H₂等稳定的气态产物及酸、醇、醛等小分子最终产物。

半纤维素是由大量戊糖及少量己糖组成的多糖，其平均分子式可表示为(C₅H₈O₄)_n，半纤维素含有一定量的支链结构，其聚合度也相对较低，反应活性较强，在200～330℃范围内即热解完成。半纤维素主要分解为气体，其余则分解为甲基基团物质及乙酰基基团物质和极少数的炭。

木质素是由苯甲烷及其衍生物为结构单元经三维立体组合形成的有机化合物，木质素热解温度范围相当广泛，280～580℃之间均会发生热解反应，随着温度的升高，不断有化学键断裂，产生挥发分和炭。由于木质素中广泛存在的芳香环较纤维素、半纤维素的糖苷键更难断裂，使得木质素的产炭率远高于纤维素和半纤维素。

生物质的热解过程根据加热速率的不同，可分为慢速热解、快速热解和闪速热解，不同的产物需要对应不同的热解技术，以生物炭为主要产物时，通常采用慢速热解；以生物油为主要产物时，采取快速热解或者闪速热解，一般能够获得50％以上的液体生物油。当闪速热解的最终温度在900℃时，产物以气体为主，热值较高，可以作为合成气。

目前国内外已研究开发出多种生物质热解技术和反应器，部分技术也实现了规模化应用，包括烧蚀式热解反应器、旋转锥反应器、流化床反应器等。现有技术的热解反应器形式种类繁多，反应器结构复杂，对原料适应性不高，多数反应器对物料粒度有限制，且多以快速热解居多，快速热解主要以制备生物油为目的，生物油中含氧量可达35％～60％，水份含量可达15％～30％，黏度较大、稳定性差，这些特性限制了生物油的应用。且在实际应用过程中暴露出包括原料转化率低、物料传热传质效率低、易于发生二次反应、物料热解不均匀，燃气焦油含量高，生物油组分复杂、极易分层及老化严重等的问题。

而我国目前进行生物质热解生产仍主要以传统内热窑式热解方式为主，内热窑式热解是一种以部分生物质燃烧提供初始能量，并由热解产热提供后续热量的热解方式，因此需要一定的氧气供给。我国大部分内热窑式热解生产厂大多存在着生产粗放、生产规模较小、附属生产成本高昂的问题，且大多不收集除生物炭外的其他热解产物，造成了严重的资源浪费及环境污染，也导致许多厂家效益较差，难以维持。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种生物质热解制炭的工艺方法和装置，原料适应范围广，工艺流程短，装置结构简单，运行成本低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物质热解制炭的工艺方法，所述工艺方法包括以下步骤：

(1)干燥阶段：热解炉内天然气或自产的燃料气燃烧产生热烟气，为生物质床层提供热量并蒸发水分；排出的干燥烟气通入干燥烟气循环主管储存，并抽取部分循环至所述热解炉，建立干燥烟气循环；

(2)预炭化阶段：热解炉内天然气或自产的燃料气燃烧为生物质提供热量，生物质中的不稳定组分开始分解；排出的热解气经热解气冷凝系统冷却并副产生物油，冷却后于第一燃料气循环主管储存，并抽取部分循环至所述热解炉，建立热解气循环；

(3)炭化阶段：热解炉内天然气或自产的燃料气继续燃烧为生物质提供热量，生物质热解产生大量分解产物；排出的热解气经热解气冷凝系统冷却并副产生物油，冷却后于第一燃料气循环主管储存，并维持所述热解气循环；所述第一燃料气循环主管中部分燃料气经燃料气预热系统预热后储存于第二燃料气循环主管中，其中部分通入燃气锅炉燃烧供能，部分通入所述热解炉燃烧，代替天然气为其它批次的干燥、预炭化和炭化阶段提供热量；

(4)煅烧阶段：依靠炭化阶段的生物质自身反应放热为生物质提供热量，分解排出残留的挥发物质；排出的热解气经热解气冷凝系统冷却并副产生物油，冷却后于第一燃料气循环主管储存，并关闭所述热解气循环；

(5)冷却出料阶段：分别利用所述第二燃料气循环主管的燃料气和所述第一燃料气循环主管的燃料气对生物质床层逐级降温冷却，依次经氮气和空气吹扫后保证安全后出料。

本发明进一步设置为，所述第一燃料气循环主管的储存的燃料气为40±5℃燃料气；所述第二燃料气循环主管储存的燃料气为200±5℃燃料气。

本发明进一步设置为，所述干燥阶段通过调节从所述第二燃料气循环主管通入所述热解炉的燃料气的流量，控制所述热解炉内的热风燃烧室上部的烟气温度不超过 850℃；通过调节所述干燥烟气循环的流量，控制生物质床层的干燥温度为120～150℃。

进一步的，当所述热解炉的出口烟气温度达到150℃，含湿量为1％～2％时，干燥阶段结束，停止所述干燥烟气循环。

本发明进一步设置为，所述预炭化阶段通过调节所述热解气循环的流量，控制所述热解炉内的热风燃烧室上部的烟气温度不超过850℃，控制所述热解炉内的炭化室中生物质床层上侧炉腔内的烟气温度不超过650℃；所述预炭化阶段生物质床层的温度为150～275℃，当所述热解炉的出口烟气温度超过270℃时，预炭化阶段结束。

本发明进一步设置为，所述炭化阶段通过调节所述热解气循环的流量，控制所述热解炉内的热风燃烧室上部的烟气温度不超过850℃，控制所述热解炉内的炭化室中生物质床层上侧炉腔内的烟气温度不超过650℃；所述炭化阶段生物质床层的温度为 275～420℃，当所述热解炉的出口烟气温度超过420℃时，炭化阶段结束。

本发明进一步设置为，所述煅烧阶段生物质床层的温度为420～500℃；当生物质床层的温度升至最高点开始下降时，煅烧阶段结束。

本发明进一步设置为，所述预炭化、炭化和煅烧阶段产生的热解气依次经余热锅炉、木焦油冷凝器、木醋液冷凝器换热冷却，并得到副产物木焦油和木醋液。

优选的，所述木醋液冷凝器的冷却介质为常温脱盐水，所述木焦油冷凝器的冷却介质为高温脱盐水，所述余热锅炉的冷却介质为经所述木焦油冷凝器换热的冷却介质。

进一步优选的，所述高温脱盐水为110±5℃脱盐水。

本发明进一步设置为，经所述木醋液冷凝器换热后的脱盐水进入所述燃气锅炉换热，一部分产生蒸汽，供所述燃料气预热系统预热燃料气；一部分产生高温的脱盐水，作为冷却介质供所述木焦油冷凝器冷却换热；所述余热锅炉的冷却介质经换热后产生蒸汽，供所述燃料气预热系统预热燃料气。

本发明进一步设置为，所述冷却出料阶段利用所述第二燃料气循环主管的燃料气对生物质床层降温时，用于冷却的燃料气从所述热解炉排出后，经所述余热锅炉、木焦油冷凝器后送至所述第二燃料气循环主管利用。

本发明还提供了一种生物质热解制炭的装置，所述装置包括热解反应系统、干燥气系统、热解气冷凝系统、燃料气预热系统，其中：

所述热解反应系统包括热解炉，所述热解炉包括连通的热风燃烧室和炭化室，所述炭化室的出口连通除灰设备，所述除灰设备优选为旋风分离器；

所述干燥气系统包括依次连通的干燥烟气循环主管、干燥尾气净化装置和干燥烟气排烟风机，所述干燥烟气循环主管与所述炭化室的出口连通，且通过冷却循环风机与所述热解炉连通，用于建立干燥烟气循环；

所述热解气冷凝系统的入口通过余热锅炉与所述除灰设备的气相出口连通，出口与第一燃料气循环主管连通，所述第一燃料气循环主管的出口与所述冷却循环风机连通，用于建立热解气循环；

所述燃料气预热系统的入口与所述第一燃料气循环主管的出口连通，出口与第二燃料气循环主管连通，所述第二燃料气循环主管的出口分别连通燃气锅炉、所述热风燃烧室和所述冷却循环风机。

本发明进一步设置为，所述热解气冷凝系统包括依次连接的一级气液分离器、木焦油冷凝器、二级气液分离器、木醋液冷凝器和三级气液分离器，所述一级气液分离器、木焦油冷凝器和二级气液分离器的液相出口均与木焦油罐连通，用于储存副产品木焦油；所述木醋液冷凝器和三级气液分离器的液相出口均与木醋液罐连通，用于储存副产品木醋液。

本发明进一步设置为，所述燃料气预热系统包括依次连通的燃料气净化装置、燃料气压缩机、燃料气储罐和燃料气预热器。

本发明的有益效果在于：

(1)现有生物质热解制炭技术工业应用程度低，规模小，自动化程度低，本发明的主要优点在于原料适应范围广，工艺流程短，装置结构简单，性能稳定，运行成本低，生产装置自动化程度大大提高，大幅度提高生物质热解制炭技术的工业化应用。

通过在热解炉和工艺装置的不同位置设置温度测定、压力测定、流量测定、氧含量测定等监控仪表，提高生物质热解制炭装置的自动化程度，可使生产装置规模大型化，降低装置运行成本，同时成品生物炭质量高，且回收副产品木焦油和木醋液，提高装置整体经济效益。

(2)本发明采用内循环控温技术，通过不同反应阶段将系统中自产的干燥烟气或燃料气循环至热解炉炭化室中，控制生物质床层上侧炉腔内的温度，实现进入生物质床层的温度处于合适的温度区间内，提高生物质炭产率，保证了热解炉内的缺氧反应氛围，解决发生二次反应、物料热解不均匀的问题，且降低了热解炉设备材料耐温要求，降低装置建设投资成本，并提高装置产品的经济性。

冷却出料阶段，将系统中自产的燃料气循环至热解炉中，对生物质床层逐级降温，缩短了冷却出炭时间，同时减少冷却氮气的用量，且保证产品的生物炭品质。

(3)本发明采用高效控氧燃烧技术，调节热解炉中热风燃烧室内天然气(或系统自产燃料气)和助燃空气的进料比例，使得天然气(或系统自产燃料气)适当过量；通过在燃烧室内设置氧含量分析仪联锁控制调节燃烧室助燃空气的进风量，通过在炭化室床层上侧炉腔内设置氧含量分析仪，联锁控制调节干燥烟气循环和系统自产燃料气的回风量。

(4)本发明采用炭化室内床层生物质与缺氧热风直接接触的方式，实现了较强气固混合强度，保证了炭化室内热解气流场均匀，热解炉内的热解温度按热解阶段自动化控制，解决了热解炉内生物质受热不均，进而产品产率低、产品质量不高的问题。

(5)本发明的干燥、预炭化和炭化阶段采用生物质热解过程中自产的燃料气替代天然气提供热量，减少了热解炉内天然气的耗量，提高系统能源利用率，降低系统能耗；本发明设置余热锅炉回收热解气中的热能产生蒸汽，供装置内燃料气预热器使用；设置燃气锅炉，对热解炉富余的燃料气进行燃烧产生蒸汽，一方面供燃料气预热器使用，一方面可外供蒸汽，提高系统能源利用率和装置的经济效益。

(6)本发明设置燃料气净化装置和干燥尾气净化装置，燃气锅炉的外排烟气和干燥烟气均为净化后的尾气，满足环保达标排放要求。

附图说明

图1为本发明所涉及的生物质热解制炭工艺方法的流程图；

图2为本发明所涉及的生物质热解制炭工艺方法的流程框图；

其中，1-热解炉、2-热风燃烧室、3-炭化室、31-物料框、4-除灰设备、5-干燥烟气循环主管、6-冷却循环风机、7-干燥尾气净化装置、8-干燥烟气排烟风机、9-余热锅炉、10-一级气液分离器、11-木焦油冷凝器、12-二级气液分离器、13-木焦油罐、14- 木醋液冷凝器、15-三级气液分离器、16-木醋液罐、17-第一燃料气循环主管、18-燃料气净化装置、19-燃料气压缩机、20-燃料气储罐、21-燃料气预热器、22-第二燃料气循环主管、23-燃气锅炉、24-燃气锅炉排烟风机、25-蒸汽包。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明的技术构思在于，通过采用微正压的固定床热解反应器，反应器内设置生物质床层，在微正压和缺氧条件下，控制反应器内气流速度、物料反应时间、反应器内温度及出口烟气终温等反应条件和参数，使生物质原料发生复杂的热化学反应，获得生物炭产品和副产品木焦油、木醋液、生物质燃气。

本发明的一种生物质热解制炭的装置，如图1所示，包括热解反应系统、干燥气系统、热解气冷凝系统、燃料气预热系统，其中：

所述热解反应系统包括热解炉1，所述热解炉1包括连通的热风燃烧室2和炭化室3，所述炭化室3内设有物料框31，用于放置生物质原料，形成生物质床层；所述炭化室3的出口连通除灰设备4，用于对所述炭化室3产生的气体除灰，所述除灰设备4优选为旋风分离器4；

所述干燥气系统用于干燥气的储存、循环和处理排放，包括依次连通的干燥烟气循环主管5、干燥尾气净化装置7和干燥烟气排烟风机8，所述干燥烟气循环主管5 与所述炭化室3的出口连通，用于储存干燥烟气，且通过冷却循环风机6与所述热解炉1的热风燃烧室2连通，建立干燥烟气循环，所述干燥尾气净化装置7优选为布袋除尘器7；

所述热解气冷凝系统用于冷却热解气同时冷凝副产木焦油和木醋液，包括依次连接的一级气液分离器10、木焦油冷凝器11、二级气液分离器12、木醋液冷凝器14和三级气液分离器15，其中，所述一级气液分离器10、木焦油冷凝器11和二级气液分离器12的液相出口均与木焦油罐13连通，用于储存副产品木焦油，所述木醋液冷凝器14和三级气液分离器15的液相出口均与木醋液罐16连通，用于储存副产品木醋液；所述一级气液分离器10的入口通过余热锅炉9与所述旋风分离器4的气相出口连通，用于将除灰后的热解气通过所述余热锅炉9回收热能后通入所述一级气液分离器10；所述三级气液分离器15的气相出口与第一燃料气循环主管17连通，用于储存经冷凝后的热解气，即燃料气，所述第一燃料气循环主管17的出口与所述冷却循环风机6连通，用于将冷却后的燃料气循环至所述热解炉1，调节控制所述热解炉1 的炭化室3炉腔内的温度；

所述燃料气预热系统用于燃料气的净化、储存和预热，包括依次连通的燃料气净化装置18、燃料气压缩机19、燃料气储罐20和燃料气预热器21，其中所述燃料气净化装置18优选为碱洗塔18，与所述第一燃料气循环主管17的出口连通，所述燃料气预热器21与第二燃料气循环主管22连通，所述第二燃料气循环主管22的出口分为三条管路，分别连通所述热风燃烧室2、燃气锅炉23和所述冷却循环风机6，分别用于在所述热风燃烧室2内燃烧为其他批次的干燥、预炭化和炭化阶段提供热能、在所述燃气锅炉23内燃烧将脱盐水加热产蒸汽及高温脱盐水和待反应完成后通入所述热解炉1内对生物炭产品降温冷却，所述燃气锅炉23与燃气锅炉排烟风机24连通，用于将燃料气燃烧产生的烟气排出。

进一步的，所述燃气锅炉23的进口与所述木醋液冷凝器14的冷却介质出口连通，用于将木醋液冷凝器14的冷却介质常温脱盐水通入所述燃气锅炉23中加热，一部分产蒸汽，另一部分产生高温脱盐水，所述燃气锅炉23的蒸汽出口与所述燃料气预热器21的加热介质入口连通，用于燃料气的预热；所述燃气锅炉23的高温脱盐水出口与所述木焦油冷凝器11的冷却介质入口连通，用于与高温热解气换热，回收木焦油；所述木焦油冷凝器11的冷却介质出口与所述余热锅炉9的给水口连通，用于与高温热解气换热产生蒸汽；所述余热锅炉9的蒸汽出口通过蒸汽包25与所述燃料气预热器21的加热介质入口连通，用于燃料气的预热。

进一步的，所述二级气液分离器12的气相出口与所述第二燃料气循环主管22连通，用于冷却阶段将冷凝回收木焦油后的热解气通至所述第二燃料气循环主管22循环利用；所述燃料气储罐20与所述第一燃料气循环主管17连通，用于作为补充气通入所述第一燃料气循环主管17。

进一步的，所述生物质热解制炭的装置中设置温度测定、压力测定、流量测定、氧含量测定等监控仪表，提高生物质热解制炭装置的自动化程度，使得生产装置规模大型化，降低装置运行成本，同时保证成品生物炭的质量。例如，所述热解炉1的热风燃烧室2中设置氧含量分析仪，用于联锁控制调节所述热风燃烧室2中助燃空气的进风量，所述炭化室3中生物质床层上侧炉腔内设置氧含量分析仪，用于联锁控制调节所述热解炉1干燥烟气循环的回风量和自产的燃料气循环的回风量；所述热风燃烧室2上部、所述炭化室3生物质床层上侧炉腔及生物质床层内、所述炭化室3的出口烟气管线上均设置温度测定仪表，用于监测控制生物质热解过程的温度变化及反应阶段；所述干燥烟气循环主管5、第一燃料气循环主管17和第二燃料气循环主管22设置压力测定仪表，用于监测控制所述循环主管的压力变化，保障装置生产安全；所述第一燃料气循环主管17循环至所述冷却循环风机6的管线上设置流量测定仪表，用于监测所述第一燃料气循环主管17循环至热解炉1的燃料气的循环流量并根据所述热风燃烧室2上部温度及所述炭化室3生物质床层上侧炉腔温度联锁控制所述燃料气的流量。

生物质的热解过程中通过控制反应条件，可以得到不同的产物，根据热解过程的温度变化和产物分布的情况等特征，可以划分为4个阶段：

①干燥阶段：生物质床层温度为120～150℃，热解速度缓慢，主要是生物质所含水份依靠热烟气供给的热量进行蒸发；

②预炭化阶段：生物质床层温度为150～275℃，热解反应比较明显，生物质的化学组分开始发生变化，其中不稳定组分分解生成CO₂、CO和少量醋酸等物质；

③炭化阶段：生物质床层温度为275～420℃，生物质急剧地进行热解，生产大量的热解产物，主要成分为木焦油、木醋酸和H₂、CO、甲烷等热解气，这一阶段放出大量反应热；

④煅烧阶段：生物质床层温度为420～500℃，依靠炭化阶段放热反应供给热量进行生物质的煅烧，排除残留的生物炭中的挥发物质，提高生物炭中的固定碳含量。

热解过程的煅烧阶段结束后，进入冷却出料阶段对生物质床层的物料冷却并出料。

因此，本发明的一种生物质热解制炭工艺方法，为间歇生产工艺，包括干燥阶段、预炭化阶段、炭化阶段、煅烧阶段和冷却出料阶段，结合图2所示，具体包括以下步骤：

(一)干燥阶段

颗粒状或挤压成型的棒状的生物质原料m装填于热解炉1的炭化室3的物料框 31内，罗列3～5层，形成生物质床层，并关闭炭化室3的炉盖；在所述热解炉1的热风燃烧室2中，天然气ng在少量助燃空气a的辅助下燃烧，形成所述热风燃烧室 2内常明灯，初次生产时燃烧天然气ng，后续批次生产时燃烧第二燃料气循环主管22 提供的200℃燃料气r1，通过所述天然气ng或200℃燃料气r1的燃烧，产生贫氧热烟气，进入所述炭化室3中提供生物质干燥的热量；热烟气自上而下低速并均匀地穿过生物质床层，与生物质直接接触，从而实现生物质原料在所述炭化室3中均匀吸收热量，慢速升温；通过调节从所述第二燃料气循环主管22至所述热风燃烧室2的200℃燃料气r1的流量，控制所述热风燃烧室2上部进入炭化室3的烟气温度不超过850℃。

穿过生物质床层的烟气g排出所述热解炉1，通往干燥气系统。具体的，干燥烟气g1通入干燥烟气循环主管5储存；冷却循环风机6从所述干燥烟气循环主管5中抽取干燥烟气g2送回所述热解炉1，建立干燥烟气循环；所述干燥烟气循环主管5设置压力测量仪表，建立干燥烟气循环后所述干燥烟气循环主管5的压力正常为800Pa；燃烧烟气与循环回来的干燥烟气混合，通过调节循环烟气的流量，控制生物质床层内的干燥温度约为120～150℃，炭化室3内氧含量为零(炭化室3内设置氧含量分析仪)，保持一定的干燥时间，所述干燥时间约为10小时，可根据生物质原料的含水量调整时间；生物质的水分受热蒸发逸出，生物质由湿物料变为干物料，生物质内部几乎不发生化学反应。

当所述炭化室3出口烟气g的温度达到150℃，进入所述干燥烟气循环主管5前 g1的干燥烟气的含湿量在1％～2％时，炭化室3内干燥阶段结束，关闭从所述干燥烟气循环主管5去所述冷却循环风机6的管线g2的阀门，停止干燥烟气循环；进入预炭化阶段。

开启干燥烟气排烟风机8，所述干燥烟气循环主管5中的干燥烟气g3由所述干燥烟气排烟风机8引入干燥尾气净化装置7进行净化，净化后的烟气q1外排大气，干燥尾气排气筒上设有测量仪表，检测外排烟气的含湿量和主要组分，确保尾气达标排放。

(二)预炭化阶段

在所述热解炉1的热风燃烧室2中，初次生产时天然气ng在少量助燃空气a的辅助下燃烧，后续批次生产时或燃烧第二燃料气循环主管22提供的200℃燃料气r1，通过所述天然气ng或200℃燃料气r1的燃烧，产生贫氧热烟气，进入所述炭化室3 中提供生物质预炭化所需的热量；热烟气自上而下低速并均匀地穿过生物质床层，与生物质直接接触，从而实现生物质原料在所述炭化室3中均匀吸收热量升温；由所述冷却循环风机6从第一燃料气循环主管17抽取40℃燃料气g12送回所述热解炉1的热风燃烧室2中部，建立40℃热解气循环，燃烧产生的烟气与循环回来的热解气混合，通过调节循环热解气的流量来控制所述热风燃烧室2上部进入炭化室3的烟气温度不超过850℃；并且通过调节所述循环热解气的流量，控制所述炭化室3中生物质床层上侧炉腔内的烟气温度不超过650℃，所述炭化室3内氧含量为零；随着混合控温烟气慢速均匀平稳的穿过生物质床层，干生物质进一步吸收热量，物料内部温度继续升高，生物质床层内的温度约为150～275℃，热解反应开始明显，生物质的化学组分开始发生变化，其中不稳定组分分解产生CO₂、CO和少量醋酸等物质；保持一定的预炭化时间，所述预炭化时间约为4小时。

排出所述热解炉1的热解气g经所述旋风分离器4除灰，除灰后的热解气g4进入余热锅炉9，与脱盐水w4换热，产生的蒸汽s2送入蒸汽包25储存；换热后的热解气g5进入热解气冷凝系统，冷却热解气同时冷凝副产木焦油和木醋液。具体的，热解气g5进入一级气液分离器10进行气液分离，分离后的气体g6进入木焦油冷凝器11与脱盐水w3换热，换热降温后的热解气g7进入二级气液分离器12进行气液分离，分离后的气体g8进入木醋液冷凝器14与脱盐水w1进一步换热降温，降温后的热解气g10进入三级气液分离器15进一步气液分离，分离后的热解气g11送入所述第一燃料气循环主管17储存。

优选的，所述脱盐水w1为常温脱盐水，经所述木醋液冷凝器14换热后得到脱盐水w2；所述脱盐水w3为110±5℃脱盐水，所述脱盐水w4为120±5℃脱盐水，且所述脱盐水w4为所述脱盐水w3经所述木焦油冷凝器11换热后得到。

由所述一级气液分离器10底部分离出的液体O1、所述木焦油冷凝器11冷凝得到的液体O2和所述二级气液分离器12底部分离出的液体O3均为粗木焦油，送入木焦油罐13储存；由所述木醋液冷凝器14冷凝得到的液体L1和所述三级气液分离器 15底部分离出的液体L2均是粗木醋液，送入木醋液罐16储存。

当所述炭化室3的出口烟气g的温度达到270℃时，预炭化阶段结束，进入炭化阶段。

(三)炭化阶段

随着所述热风燃烧室2内天然气ng或所述第二燃料气循环主管22提供的200℃燃料气r1的燃烧不断提供热量，所述炭化室3中生物质床层内的温度继续升高，干生物质急剧地进行热解，生产大量的分解产物，主要成分为木焦油、木醋酸和H₂、 CO、甲烷等热解气，这一阶段为放热反应阶段，放出大量反应热；保持热解气循环，通过调节40℃热解气循环的流量，来控制所述热风燃烧室2上部进入炭化室3的烟气温度不超过850℃；并且通过调节所述40℃热解气循环的流量，控制所述炭化室3 中生物质床层上侧炉腔内的烟气温度不超过650℃，生物质床层内的温度在 275～420℃，所述炭化室3内氧含量为零；保持一定的炭化时间，所述炭化时间约为 6小时。

排出所述热解炉1的热解气g与预炭化阶段一致，经由所述旋风分离器4除灰后，进入所述余热锅炉9换热，而后通入所述热解气冷凝系统，冷却热解气同时冷凝得到副产木焦油和木醋液，冷却后的热解气g11于所述第一燃料气循环主管17储存，粗木焦油和粗木醋液分别于所述木焦油罐13和木醋液罐16储存。

所述第一燃料气循环主管17中部分燃料气g13通入燃料气预热系统，具体的，燃料气g13通入燃料气净化装置18，经净化后的燃料气g14通入燃料气压缩机19，压缩后的燃料气g15通入燃料气储罐20储存；所述燃料气储罐20的燃料气g16通入燃料气预热器21预热，经蒸汽加热为200℃燃料气g17通入第二燃料气循环主管 22储存。

所述第二燃料气循环主管22中的部分200℃燃料气r1返回所述热解炉1的热风燃烧室2，作为燃料替代天然气ng燃烧产生缺氧热烟气，为后续批次或其它批次生产时热解炉1内的干燥、预炭化和炭化阶段提供热量；部分200℃燃料气r2通入燃气锅炉23燃烧产生热能，燃烧后产生的烟气q2由燃气锅炉排烟风机24抽出排入大气，脱盐水w1和经所述木醋液冷凝器14换热后的脱盐水w2进入所述燃气锅炉23 换热，一部分产生蒸汽，一部分产生高温的脱盐水，其中产生的蒸汽s1送至所述燃料气预热器21使用，或蒸汽过量时外送；产生的高温脱盐水为110±5℃脱盐水w3，送至所述木焦油冷凝器11与热解气换热回收木焦油。

当所述炭化室3出口烟气g的温度达到420℃时，关闭进入所述热风燃烧室2烧嘴的天然气ng或所述第二燃料气循环主管22提供的200℃燃料气r1，即停止所述热风燃烧室2内的燃烧，同时关闭所述40℃热解气循环，所述炭化室3内的炭化阶段结束，进入煅烧阶段。

(四)煅烧阶段

所述热风燃烧室2内停止供热，由于生物质热解反应的炭化阶段为放热反应，利用生物质床层自身反应产生的热量，进入煅烧阶段后所述炭化室3中生物质床层内的温度继续升高，生物质床层内的温度为420～500℃，所述炭化室3中生物质床层经前述阶段反应后残留的生物炭中的挥发物质分解排出，进一步提高生物炭中的固定碳含量；保持一定的煅烧时间，所述煅烧时间约为4～6小时。

排出所述热解炉1的热解气g与预炭化阶段和炭化阶段一致，经由所述旋风分离器4除灰后，进入所述余热锅炉9换热，而后通入所述热解气冷凝系统，冷却热解气同时冷凝得到副产木焦油和木醋液，冷却后的热解气g11于所述第一燃料气循环主管 17储存，粗木焦油和粗木醋液分别于所述木焦油罐13和木醋液罐16储存。

监测生物质床层的温度变化，随着放热反应的结束，所述炭化室3内生物质床层的温度升至最高点后开始下降，此时煅烧阶段结束，打开所述第二燃料气循环主管2 2至所述冷却循环风机6的管线的阀门，将200℃燃料气g18循环至热解炉1中，进入冷却出料阶段。

(五)冷却出料阶段

所述第二燃料气循环主管22的200℃燃料气g18经所述冷却循环风机6送入所述热解炉1，利用所述200℃燃料气对所述炭化室3中的生物质床层降温冷却，用于冷却的燃料气从所述热解炉1排出后，依次经过所述旋风分离器4、余热锅炉9、一级气液分离器10、木焦油冷凝器11和二级气液分离器12回收木焦油后，得到约为 140℃的燃料气g9送至所述第二燃料气循环主管22利用；

当生物质床层的温度降至200℃时，关闭循环至所述热解炉1的200℃燃料气g18，同时开启所述第一燃料气循环主管17的40℃热解气循环g12，利用所述40℃燃料气对所述炭化室3中的生物质床层降温冷却，所述炭化室3内的温度逐步下降。

当生物质床层的温度降至40℃时，开启所述热解炉1的氮气n进料用于置换可燃气体，同时停止所述旋风分离器4通往所述热解气冷凝系统，且关闭所述40℃热解气循环g12，打开所述炭化室3出口至所述干燥烟气母管5的阀门，吹扫气体经所述干燥尾气净化装置8处理后达标排放。

当所述炭化室3内生物质床层上侧炉腔内温度降至常温时，关闭氮气n进料，打开空气a吹扫，并监控炭化室内氧含量，保证安全的条件下，打开所述炭化室3的炉盖，将产品生物炭吊装移出所述热解炉1，送包装。

生物炭产品移出所述热解炉1后，重新装入颗粒状或挤压成型的棒状的生物质原料，启动新一批次生产，重复上述干燥、预炭化、炭化、煅烧和冷却出料阶段。其中，干燥阶段、预炭化和炭化阶段的热量由所述第二燃料气循环主管22的200℃燃料气燃烧提供，煅烧阶段的热量由炭化阶段热解放出的热量提供；冷却由200℃燃料气和 40℃燃料气循环实现。

当所述热解炉1需检修时，依次经氮气n和空气a进料吹扫，并采用有毒可燃气体检测仪对所述热解炉1内的气体进行检测，符合安全浓度要求后，检修人员方可进入检修。

综上所述，本发明的生物质热解制炭的工艺方法和装置的原料适应范围广，工艺流程短，装置结构简单，性能稳定，运行成本低，生产装置自动化程度大大提高，大幅度提高生物质热解制炭技术的工业化应用；采用内循环控温技术，通过不同反应阶段将系统中自产的干燥烟气或燃料气循环至热解炉中，控制生物质床层上侧炉腔内的温度，实现进入生物质床层的温度处于合适的温度区间内，提高生物质炭产率；采用炭化室内床层生物质与缺氧热风直接接触的方式，实现了较强气固混合强度，保证了炭化室内热解气流场均匀；干燥、预炭化和炭化阶段采用生物质热解过程中自产的燃料气替代天然气提供热量，减少了热解炉内天然气的耗量，提高系统能源利用率，降低系统能耗；设置余热锅炉回收热解气中的热能产生蒸汽，供装置内燃料气预热器使用；设置燃气锅炉，对热解炉富余的燃料气进行燃烧产生蒸汽，一方面供燃料气预热器使用，一方面可外供蒸汽，提高系统能源利用率和装置的经济效益；另外，本发明设置燃料气净化装置和干燥尾气净化装置，燃气锅炉的外排烟气和干燥烟气均为净化后的尾气，满足环保达标排放要求。

Claims (10)

1.一种生物质热解制炭的工艺方法，其特征在于，所述工艺方法包括以下步骤：

(1)干燥阶段：热解炉内天然气或自产的燃料气燃烧产生热烟气，为生物质床层提供热量并蒸发水分；排出的干燥烟气通入干燥烟气循环主管储存，并抽取部分循环至所述热解炉，建立干燥烟气循环；

(2)预炭化阶段：热解炉内天然气或自产的燃料气燃烧为生物质提供热量，生物质中的不稳定组分开始分解；排出的热解气经热解气冷凝系统冷却并副产生物油，冷却后于第一燃料气循环主管储存，并抽取部分循环至所述热解炉，建立热解气循环；

(3)炭化阶段：热解炉内天然气或自产的燃料气继续燃烧为生物质提供热量，生物质热解产生大量分解产物，并维持所述热解气循环；所述第一燃料气循环主管中部分燃料气经燃料气预热系统预热后储存于第二燃料气循环主管中，其中部分通入燃气锅炉燃烧供能，部分通入所述热解炉燃烧，代替天然气为其它批次的干燥、预炭化和炭化阶段提供热量；

(4)煅烧阶段：依靠炭化阶段的生物质自身反应放热为生物质提供热量，分解排出残留的挥发物质，并关闭所述热解气循环；

(5)冷却出料阶段：分别利用所述第二燃料气循环主管的燃料气和所述第一燃料气循环主管的燃料气对生物质床层逐级降温冷却而后出料。

2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述第一燃料气循环主管的储存的燃料气为40±5℃燃料气；所述第二燃料气循环主管储存的燃料气为200±5℃燃料气。

3.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述干燥阶段通过调节从所述第二燃料气循环主管通入所述热解炉的燃料气的流量，控制所述热解炉内的热风燃烧室上部的烟气温度不超过850℃；通过调节所述干燥烟气循环的流量，控制生物质床层的温度为120～150℃；

进一步的，当所述热解炉的出口烟气温度达到150℃，含湿量为1％～2％时，干燥阶段结束，停止所述干燥烟气循环。

4.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述预炭化和炭化阶段通过调节所述热解气循环的流量，控制所述热解炉内的热风燃烧室上部的烟气温度不超过850℃，控制所述热解炉内的炭化室中生物质床层上侧炉腔内的烟气温度不超过650℃；所述预炭化阶段生物质床层的温度为150～275℃，当所述热解炉的出口烟气温度超过270℃时，预炭化阶段结束；所述炭化阶段生物质床层的温度为275～420℃，当所述热解炉的出口烟气温度超过420℃时，炭化阶段结束。

5.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述煅烧阶段生物质床层的温度为420～500℃；当生物质床层的温度升至最高点开始下降时，煅烧阶段结束。

6.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述预炭化、炭化和煅烧阶段产生的热解气依次经余热锅炉、木焦油冷凝器、木醋液冷凝器换热冷却，并得到副产物木焦油和木醋液；优选的，所述木醋液冷凝器的冷却介质为常温脱盐水，所述木焦油冷凝器的冷却介质为高温脱盐水，所述余热锅炉的冷却介质为经所述木焦油冷凝器换热的冷却介质；进一步优选的，所述高温脱盐水为110±5℃脱盐水。

7.根据权利要求6所述的工艺方法，其特征在于，经所述木醋液冷凝器换热后的脱盐水进入所述燃气锅炉换热，一部分产生蒸汽，供所述燃料气预热系统预热燃料气；一部分产生高温的脱盐水，作为冷却介质供所述木焦油冷凝器冷却换热；所述余热锅炉的冷却介质经换热后产生蒸汽，供所述燃料气预热系统预热燃料气。

8.根据权利要求6所述的工艺方法，其特征在于，所述冷却出料阶段利用所述第二燃料气循环主管的燃料气对生物质床层降温时，用于冷却的燃料气从所述热解炉排出后，经所述余热锅炉、木焦油冷凝器后送至所述第二燃料气循环主管利用。

9.一种生物质热解制炭的装置，其特征在于，所述装置包括热解反应系统、干燥气系统、热解气冷凝系统、燃料气预热系统，其中：

所述热解反应系统包括热解炉，所述热解炉包括连通的热风燃烧室和炭化室，所述炭化室的出口连通除灰设备；

所述干燥气系统包括依次连通的干燥烟气循环主管、干燥尾气净化装置和干燥烟气排烟风机，所述干燥烟气循环主管与所述炭化室的出口连通且通过冷却循环风机与所述热解炉连通，用于建立干燥烟气循环；

所述热解气冷凝系统的入口通过余热锅炉与所述除灰设备的气相出口连通，出口与第一燃料气循环主管连通，所述第一燃料气循环主管的出口与所述冷却循环风机连通，用于建立热解气循环；

所述燃料气预热系统的入口与所述第一燃料气循环主管的出口连通，出口与第二燃料气循环主管连通，所述第二燃料气循环主管的出口分别连通燃气锅炉、所述热风燃烧室和所述冷却循环风机。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述热解气冷凝系统包括依次连接的一级气液分离器、木焦油冷凝器、二级气液分离器、木醋液冷凝器和三级气液分离器，所述一级气液分离器、木焦油冷凝器和二级气液分离器的液相出口均与木焦油罐连通，用于储存副产品木焦油；所述木醋液冷凝器和三级气液分离器的液相出口均与木醋液罐连通，用于储存副产品木醋液；所述燃料气预热系统包括依次连通的燃料气净化装置、燃料气压缩机、燃料气储罐和燃料气预热器。

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