CN114452929A - 连续式生物质裂解活化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续式生物质裂解活化装置，在裂解反应器的腔体内设置无轴螺旋进料装置，克服了物料受热不均匀及有轴螺旋易产生机械干涉等问题，可以控制生物质物料在裂解反应器中的停留时间。与活化反应器配合使用，利用了初级碳的热量，节约了系统能耗且能制备得到具有高附加值的活性炭产品，增加了整个工艺流程的经济附加值。在活化反应器的腔体内设置有轴螺旋进料装置，与活化储料器配合使用，可以将产品在活化储料器中停留，解决了物料停留时间短的问题。与焦油催化重整设备配合使用，解决了焦油堵塞的难题。

Description

连续式生物质裂解活化装置
技术领域
本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及一种连续式生物质裂解活化装置。
背景技术
生物质可以被认为是一种太阳能的储存介质，植物通过光合作用，吸收大气中的CO2转化为生物内的有机物。以生物质为出发点的技术路线将具有零碳排放的特点，这在目前追求碳中和目标的能源转化工作中是非常重要的。
生物质热化学转化技术中的生物质热解技术是生物质资源转化为清洁高效的能源的有效技术路径。生物质热解技术是将粉碎后的生物质材料在无氧或者惰性气氛下进行升温加热，分解得到生物炭、焦油和不可冷凝气体的生物质转化过程。得到的生物炭一般用作土木灰，来提高土壤肥力，将部分碳封存在土壤中。若将生物炭进一步活化得到具有高比表面积且具有更多含氧官能团的活性炭产品，将实现低品质生物质的高值化利用。生物焦油可以进一步炼制转化为化学品原料或者能源。不可冷凝气体的热值高达20MJ/kg，可以作为燃气发电，利用热催化转化技术也可以将其转化为生物柴油、生物汽油、甲醇等化学品。
据统计，生物质转化由于其具有原料绿色且丰富的特点，已经被广泛研究，技术路线也很成熟。经过三十多年的探究，国内外各研究机构和企业先后开发出多种生物质热裂解设备，例如：流化床反应器、固定床反应器、旋转锥反应器、真空热裂解反应器和螺旋反应器等，然而，在放大的过程中均未被广泛认可。生产过程中存在生物质裂解需要至少停留30min，得到的生物炭品质差，生物焦油容易堵塞设备，物料受热不均匀，余热得不到有效利用等问题。中国专利201920449494.X公开了一种生物质连续热解反应器的搅拌装置，克服了物料受热不均与的问题，但是生物炭品质差，余热得不到有效利用，焦油堵塞设备等问题仍未得到解决，尤其是焦油堵塞设备这一难题严重阻碍了生物质裂解反应的发展进程。中国专利201920309426.3公开了一种连续式生物质热裂解设备，可以提高生物质热解的效率，然而并未解决生物质附加值低的问题。目前已经存在且用于工业生产的生物质热裂解设备，仍然存在热量利用率低，获得的工程效益差，容易堵塞等问题，并且制备得到的生物炭品质差，不具备高的比表面积或含氧官能团，附加值低。
发明内容
本发明的目的主要是针对上述现有技术的不足，提供一种连续式生物质裂解活化装置，克服了目前流化床反应器不能控制生物质获得有效停留时间，固定床反应器物料受热不均匀，螺旋式反应器获得的生物炭品质差，旋转锥反应器不易放大生产等问题，以及目前大多数反应器存在容易堵塞这一共性问题，实现了温度的梯级升温，能量利用率高，生物质转化率高。本发明克服了生物质产品附加值低的问题，可以制备得到具有高附加值的活性炭产品。并且，在装置中设置焦油催化重整设备可以将反应所产生的焦油进行催化重整，制备得到具有高热值的合成气。
本发明采用的技术方案如下：
一种连续式生物质裂解活化装置，它包括裂解反应器、活化反应器。裂解反应器的出料端与活化反应器的进料端相连，裂解反应器的进料端处设有进料斗，裂解反应器的腔体内设有无轴螺旋进料装置，活化反应器的腔体内设有有轴螺旋进料装置，活化反应器的底部设有活化储料器，活化反应器的顶部通过管路与焦油催化重整设备连接。
在本装置中，将裂解反应器和活化反应器联合使用，实现温度的梯级利用，使得整个装置的热效率得到大幅度提高。裂解反应器由一个至多个加热段组成，用于实现温度的梯级升温，控制温度范围在200-700℃。在生物质裂解反应的过程中，无轴螺旋进料装置由发动机I驱动，采用推进式进料方式时，通过控制螺旋的转速，控制生物质物料在裂解反应器中的停留时间。例如，在进料的过程中，控制无轴螺旋进料装置中螺旋的转速为1-20r/min，可以实现物料在裂解反应器中1-90min的停留时间。因此，在裂解反应器中设置无轴螺旋进料装置克服了物料受热不均匀及有轴螺旋易产生机械干涉等问题，同时可以通过控制转速控制物料停留时间。
进一步地，在裂解反应器的出料端连接活化反应器，为了使整个装置结构简单，操作安全，提高生产效率，可以设置立式的活化反应器。活化反应器由一个至多个加热段组成，用于实现温度的梯级升温，控制温度范围在400-950℃，实现了余热的梯级利用，可通过调控工艺条件生产高品质活性炭。在活化反应器的腔体内设有有轴螺旋进料装置，由发动机II驱动，并在活化反应器的底部设有活化储料器，可以实现物料10-180min的停留时间，在控制生产工艺的条件下，可以获得高品质活性炭。
对于本发明而言，活化反应器的顶部通过管路与焦油催化重整设备相连，其中，焦油催化重整设备由两个焦油催化反应器重整组成，每一个焦油催化反应器的材质为石英管，通过法兰分别与烟气出口和冷凝器连接，并且每一个焦油催化反应器的内部设有催化剂滤网，该催化剂滤网可以整体拆卸清洗或更换。催化剂滤网是以Al2O3或SiO3为载体，负载的催化剂为Ni基、Fe基、Ca基、Cu基或天然催化剂中的一种或几种，可以实现烟道气和焦油在不凝的状态即被实现催化重整，得到具有高热值的合成气。
为了整个装置使用便利，裂解反应器可以安装在底座上。
本装置中，在裂解反应器上设有用于取样检测的检测口，可以实时监控裂解反应过程中的物料情况。进一步地，裂解反应器上设有用于测定温度的温度检测装置I，实现对反应温度的实时监控。在活化反应器上也可以设有用于测定温度的温度检测装置II，实现对活化过程中温度的实时监控。至于温度检测装置I和温度检测装置II可以选择市场上常用的测温装置，只要可以实现实时监测温度的效果即可。
在一种优选方案中，在活化储料器的底部设有由发动机III驱动的卸料器，在卸料器的底部设有活性炭收集器，可以实现对活性炭的连续收集。
进一步地，在活化反应器的外壳上设有加热保温套以及在活化储料器的外壳上设有加热保温套，可以保证活化过程中的温度控制和停留时间，实现对温度的高效利用，提高获得的活性炭的品质。
在本装置中，焦油催化重整设备的出口与冷凝器连接，在冷凝器的底部设有油水分离器，在冷凝器的顶部通过管路与水洗罐相连。在活化反应的过程中，活化炉反应器顶部分离出来的气体进入焦油催化重整设备，可以将反应所产生的焦油进行催化重整，重整后的气体进入冷凝器，液体进入油水分离装置，气体进入水洗罐，以备进一步加工使用。
采用本发明的装置可以制备得到活性炭的比表面积在800-2000m2/g的生物质基活性炭产品，收率在10-30％，初级碳的收率在20-60％；同时可以得到生物质裂解油的收率在20-50％，烟道气的收率在20-50％，烟道气的热值达到10-20MJ/kg，比现有的活性炭制备装置节约能耗20％以上。
本装置适用的生物质包括林业生物质和农业生物质。其中，林业生物质包括在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。农业生物质包括农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆(玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等)；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。
本发明的有益效果如下：
(1)在本装置中将裂解反应器和活化反应器联合使用，实现温度的梯级利用，使得整个装置的热效率得到大幅度提高，相比现有活性炭制备工艺大幅节约能耗且减少操作成本。
(2)在裂解反应器的腔体内设置无轴螺旋进料装置，克服了物料受热不均匀及有轴螺旋易产生机械干涉等问题，采用推进式进料方式时，通过控制螺旋的转速，控制生物质物料在裂解反应器中的停留时间。
(3)在活化反应器的腔体内设置有轴螺旋进料装置，与活化储料器配合使用，可以将产品在活化储料器中停留，解决了物料停留时间短的问题。
(4)活化反应器与焦油催化重整设备联合使用，在焦油未冷凝的情况下即被催化重整，彻底解决了焦油堵塞和腐蚀设备的问题。
(5)本装置结构简单、耗材少、操作安全方便，实现产品高值化利用的同时，节约了设备成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1是底座；2-1是发动机I；2-2是发动机II；2-3为发动机III；3是进料斗，4是无轴螺旋进料装置；5是裂解反应器；6是检测口；7-1温度检测装置I；7-2温度检测装置II；8是有轴螺旋进料装置；9是活化反应器；10是活化储料器；11是活性炭收集器；12是卸料器；13是焦油催化重整设备；14是冷凝器；15是油水分离器；16是水洗罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明：
如图1所示，本装置它包括有裂解反应器5和活化反应器9，其中，裂解反应器5的出料端与活化反应器9的进料端相连；裂解反应器5的进料端处设有进料斗3，裂解反应器5的腔体内设有无轴螺旋进料装置4；活化反应器9的腔体内设有有轴螺旋进料装置8，活化反应器9的底部设有活化储料器10，活化反应器9的顶部通过管路与焦油催化重整设备13连接。
对于本发明而言，活化反应器的顶部通过管路与焦油催化重整设备相连，其中，焦油催化重整设备由两个焦油催化反应器重整组成，每一个焦油催化反应器的材质为石英管，通过法兰分别与烟气出口和冷凝器连接，并且每一个焦油催化反应器的内部设有催化剂滤网，该催化剂滤网可以整体拆卸清洗或更换。催化剂滤网是以Al2O3或SiO3为载体，负载的催化剂为Ni基、Fe基、Ca基、Cu基或天然催化剂中的一种或几种，可以实现烟道气和焦油在不凝的状态即被实现催化重整，得到具有高热值的合成气。
在本发明中，裂解反应器5可以安装在底座1上，在裂解反应器5的出料端连接立式的活化反应器9，将裂解反应器5和活化反应器9联合使用，实现温度的梯级利用，使得整个装置的热效率得到大幅度提高。其中，裂解反应器5由一个至多个加热段组成，用于实现温度的梯级升温，控制温度范围在200-700℃。在生物质裂解反应的过程中，无轴螺旋进料装置4由发动机I 2-1驱动，采用推进式进料方式时，通过控制螺旋的转速，控制生物质物料在裂解反应器5中的停留时间。例如，在进料的过程中，控制无轴螺旋进料装置中螺旋的转速为1-20r/min，可以实现物料在裂解反应器中1-90min的停留时间。
活化反应器9由一个至多个加热段组成，用于实现温度的梯级升温，控制温度范围在400-950℃，实现了余热的梯级利用，可通过调控工艺条件生产高品质活性炭。在活化反应器9的腔体内设有有轴螺旋进料装置8，由发动机II 2-2驱动，并在活化反应器9的底部设有活化储料器10，可以实现物料10-180min的停留时间，在控制生产工艺的条件下，可以获得高品质活性炭。
在本装置中，在裂解反应器5上设有用于取样检测的检测口6，可以实时监控裂解反应过程中的物料情况。进一步地，裂解反应器5上设有用于测定温度的温度检测装置I 7-1，实现对反应温度的实时监控。在活化反应器9上也可以设有用于测定温度的温度检测装置II 7-2，实现对活化过程中温度的实时监控。至于温度检测装置I 7-1和温度检测装置II7-2可以选择市场上常用的测温装置，只要可以实现实时监测温度的效果即可。
进一步地，在活化储料器10的底部设有由发动机III 2-3驱动的卸料器12，在卸料器12的底部设有活性炭收集器11，可以实现对活性炭的连续收集。
在活化反应器9的外壳上设有加热保温套以及在活化储料器10的外壳上设有加热保温套，可以保持活化过程中的温度，实现对温度的高效利用，提高获得的活性炭的品质。
焦油催化重整设备13的出口与冷凝器14连接，在冷凝器14的底部设有油水分离器15，在冷凝器14的顶部通过管路与水洗罐16相连。在活化反应的过程中，活化炉反应器9顶部分离出来的水蒸气进入冷凝器14，液体进入油水分离装置15，气体进入水洗罐16，以备进一步加工使用。
本发明的使用过程如下：将烘干粉碎后的生物质物料加入进料斗中，同时设置裂解反应器中的温度呈梯级升温分布，通过调整无轴螺旋进料装置中螺旋的转速来控制物料在裂解反应器中的停留时间，裂解反应完成后，测定得到的初级碳的收率。再将获得的初级碳在有轴螺旋进料装置的螺旋进料的推动下进入活化炉反应器中，设置活化炉反应器的温度，活化完成后，在卸料器的作用下在活化储料器中收集生物质基活性炭产品；活化炉反应器顶部分离出来的气体进入焦油催化重整设备，可以将反应所产生的焦油进行催化重整，重整后的气体进入冷凝器，液体进入油水分离装置，气体进入水洗罐，以备进一步加工使用。
实施例1
将废弃菌菇棒500g进行烘干、粉碎处理后，加入进料斗中，控制无轴螺旋进料装置中螺旋的转速分别为2r/min、3r/min、4r/min、5r/min、6r/min，实现裂解的停留时间分别是15min、10min、7.5min、6min、5min，同时设置裂解反应器中的温度呈梯级升温分布，例如，本实施例中五段炉体从进料口到裂解完成的温度依次为300℃、400℃、500℃、600℃、700℃，在N2气氛下(N2的进气速率为100mL/min)进行裂解，在裂解反应器末端设有的检测口取样，可以测得初级碳的收率在30-50％之间。获得的初级碳在有轴螺旋进料装置的螺旋进料的推动下进入活化炉反应器中，活化反应器的温度自上而下依次设置为800℃、850℃、900℃，进入活化反应器的初级碳在CO2的气氛(CO2的进气速率为60ml/min)下活化。最终可以获得的活性炭的BET比表面积在800-1200m2/g的范围内，其收率在10-20％范围内，同时可以得到生物质裂解油的收率在20-50％范围内，烟道气的收率在20-40％范围内，烟道气的热值达到10-20MJ/kg，比现有的活性炭制备装置节约能耗20％以上。五组对比实验均测试3次，其结果如表1所示。
表1产品数据
Figure BDA0003484801780000061
Figure BDA0003484801780000071
实施例2
将甘蔗渣500g进行烘干、粉碎处理后，加入进料斗中，控制无轴螺旋进料装置中螺旋的转速分别为2r/min、3r/min、4r/min、5r/min、6r/min，实现裂解的停留时间分别是15min、10min、7.5min、6min、5min，同时设置裂解反应器中的温度呈梯级升温分布，例如，本实施例中五段炉体从进料口到裂解完成的温度依次为300℃、400℃、500℃、600℃、700℃，在N2气氛下(N2的进气速率为100ml/min)进行裂解，在裂解反应器末端设有的检测口取样，可以测得初级碳的收率在20-40％之间。获得的初级碳在有轴螺旋进料装置的螺旋进料的推动下进入活化炉反应器中，活化反应器的温度自上而下依次设置为800℃、850℃、900℃，进入活化反应器的初级碳在CO2的气氛(CO2的进气速率为60ml/min)下活化。最终可以获得的活性炭的BET比表面积在800-1200m2/g的范围内，其收率在10-20％范围内，同时可以得到生物质裂解油的收率在20-50％范围内，烟道气的收率在20-50％范围内，烟道气的热值达到10-20MJ/kg，比现有的活性炭制备装置节约能耗20％以上。五组对比实验均测试3次，其结果如表2所示。
表2产品数据
Figure BDA0003484801780000072
实施例3
将麦秸秆500g进行烘干、粉碎处理后，加入进料斗中，控制无轴螺旋进料装置中螺旋的转速分别为2r/min、3r/min、4r/min、5r/min、6r/min，实现裂解的停留时间分别是15min、10min、7.5min、6min、5min，同时设置裂解反应器中的温度呈梯级升温分布，例如，本实施例中五段炉体从进料口到裂解完成的温度依次为300℃、400℃、500℃、600℃、700℃，在N2气氛下(N2的进气速率为100mL/min)进行裂解，在裂解反应器末端设有的检测口取样，可以测得初级碳的收率在40-60％之间。获得的初级碳在有轴螺旋进料装置的螺旋进料的推动下进入活化炉反应器中，活化反应器的温度自上而下依次设置为800℃、850℃、900℃，进入活化反应器的初级碳在CO2的气氛(CO2的进气速率为60ml/min)下活化。最终可以获得的活性炭的BET比表面积在800-1200m2/g的范围内，其收率在20-30％范围内，同时可以得到生物质裂解油的收率在20-50％范围内，烟道气的收率在20-40％范围内，烟道气的热值达到10-20MJ/kg，比现有的活性炭制备装置节约能耗20％以上。五组对比实验均测试3次，其结果如表3所示。
表3产品数据
Figure BDA0003484801780000081
本发明的其他工艺可以采用现有技术。
本发明的最佳实施例已经阐明，本领域的普通技术人员对于本发明做出的进一步拓展均落入本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续式生物质裂解活化装置，其特征是它包括裂解反应器(5)、活化反应器(9)和二段式催化重整反应器(13)，所述裂解反应器(5)的出料端与所述活化反应器(9)的进料端相连；所述裂解反应器(5)的进料端处设有进料斗(3)，所述裂解反应器(5)的腔体内设有无轴螺旋进料装置(4)；所述活化反应器(9)的腔体内设有有轴螺旋进料装置(8)，所述活化反应器(9)的底部设有活化储料器(10)，所述活化反应器(9)的顶部通过管路与焦油催化重整设备(13)连接。
2.根据权利要求1所述的连续式生物质裂解活化装置，其特征是所述焦油催化重整设备(13)由两个焦油催化反应器重整组成，在每一个焦油催化反应器的内部设有催化剂滤网。
3.根据权利要求2所述的连续式生物质裂解活化装置，其特征是焦油催化重整设备(13)的出口与冷凝器(14)连接，所述冷凝器(14)的底部设有油水分离器(15)，所述冷凝器(14)的顶部通过管路与水洗罐(16)相连。
4.根据权利要求1所述的连续式生物质裂解活化装置，其特征是所述裂解反应器(5)由一个至多个加热段组成，用于实现温度的梯级升温；所述活化反应器(9)由一个至多个加热段组成，用于实现温度的梯级升温。
5.根据权利要求1所述的连续式生物质裂解活化装置，其特征是所述活化储料器(10)的底部设有由发动机III(2-3)驱动的卸料器(12)，所述卸料器(12)的底部设有活性炭收集器(11)。
6.根据权利要求1所述的连续式生物质裂解活化装置，其特征是所述活化反应器(9)的外壳上设有加热保温套；所述活化储料器(10)的外壳上设有加热保温套。
7.根据权利要求1所述的连续式生物质裂解活化装置，其特征是所述裂解反应器(5)上设有用于测定温度的温度检测装置I(7-1)；所述活化反应器(9)上设有用于测定温度的温度检测装置II(7-2)。
8.根据权利要求1所述的连续式生物质裂解活化装置，其特征是所述裂解反应器(5)上设有用于取样检测的检测口(6)。
9.根据权利要求1所述的连续式生物质裂解活化装置，其特征是所述无轴螺旋进料装置(4)由发动机I(2-1)驱动；所述有轴螺旋进料装置(8)由发动机II(2-2)驱动。
10.根据权利要求1所述的连续式生物质裂解活化装置，其特征是所述裂解反应器(5)安装在底座(1)上。
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