CN114806623B - 一种利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器、反应系统及其应用 - Google Patents

一种利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器、反应系统及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，包括：第一腔室和第二腔室，第一腔室与第二腔室通过通道结构连通；第一腔室设置有反应室、生物质颗粒给料装置、高温熔融盐室、熔融盐循环装置、第一卸料口和第二卸料口，生物质颗粒给料装置和高温熔融盐室均与反应室连通，高温熔融盐室设置在反应室上部，第一卸料口位于反应室下部，第二卸料口位于反应室上部。本发明的流化床反应器，以熔融盐为流化载体和热载体循环利用，流化床为热解反应器，在高温环境下使生物质热解气化，进而冷凝，制取生物质油和可燃气利用。

Description

一种利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器、反应系统 及其应用
技术领域
本发明属于废弃物资源化利用、油田地面集输和环境治理技术领域，具体涉及一种利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器、反应系统及其应用。
背景技术
生物质是重要的可再生能源，主要以农业废弃物和木材废物为主，分布广泛，数量巨大。生物质具有以下特点：(1)可再生性；(2)低污染性，生物质硫含量、氮含量低，燃烧过程中产生的SO2、NO2较低，生物质作为燃料时，二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减少温室效应；(3)广泛的分布性，生物质气化不仅减轻了因生物质焚烧而对环境造成的污染，而且提高了生物质的利用效果，并为能源的可持续发展提出了有效途径。
生物质原料通常含有70℃～90℃挥发分，这就意味着生物质受热后，在相对较低的温度下就有相当量的固态燃料转化为挥发分物质析出。由于生物质这种独特的性质，生物质气化是一种生物质热化学转化的有效方法。通过气化炉，将生物质颗粒加热和干燥，伴随着温度的升高，析出挥发物，并在高温下裂解(热解)；热解后的气体和炭，最终生了含有一定量CO，H2，CH4，CnHm的混合气体，去除焦油、杂质后即可转换为使用方便而且清洁的可燃气体，用作燃料或生产动力。
生物质气化的一个重要特征是反应温度低至600℃～650℃。生物质气化是在一定的热力学条件下，借助于空气或者水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原重整反应，最终转化为一氧化碳，氢气和低分子烃类等可燃气体的过程。因此生物质气化装置是生物质气化过程中的关键设备之一。根据采用的气化反应器的不同又可分为固定床气化和流化床气化。固定床气化炉分为逆流式和并流式。逆流式气化炉是气化原料与气化介质在床中的流动方向相反。并流式气化炉是气化原料与气化介质在床中的流动方向相同。固定床生物质气化反应器运行温度一般在1000℃左右。固定床气化反应器特点是设备结构简单、易于操作、可以实现多种生物质原料的热解气化、投资少等。但是得到的生物质热解气化效率低、可燃气热值小，通常在4200KJ/m3～7560KJ/m3之间，属低热值可燃气，且生物质气焦油含量高，容易造成管路堵塞。高温排放颗粒温度高，热量损失大。流化床生物质气化炉中，用空气或者蒸气作为流化载体，河沙颗粒等固体颗粒作为床料，床料吸收并贮存热量。床料被高速流化载体流化后，使整个床层保持850℃～950℃温度。生物质颗粒燃料与高温床料迅速混合，进行干燥、热解气化反应过程，从而生产出需要的燃气。流化床气化炉的工作特点是气固接触混合良好，受热均匀，加热迅速，气化反应速度快，可燃气中焦油含量较小，气化强度大、碳转换效率高，但可燃气中含有较多的生物质固体颗粒，造成生物质颗粒不完全利用。并且生物质颗粒密度低，流化容易分层，形成床内局部高温结焦，并且流化床内河沙颗粒床料的压降高，造成能量损失大。
流化床的流化载体有水、空气、水蒸气、导热油和熔盐等。水作为流化载体，其水温度低于临界温度，通常为300℃左右，难以进行生物质气化。水蒸气作为流化载体，造成热量的损失。导热油流化载体的工作温度在500℃以下，生物质气化性能低。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有技术中的固定床生物质气化反应器热解气化效率低和高温排放颗粒热量损失大、流化床生物质气化炉高压降床料带来高能量损失和局部高温结焦的问题，提供了一种利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，以熔融盐为流化载体和热载体循环利用，流化床为热解反应器，在高温环境下使生物质热解气化，进而冷凝，制取生物质油和可燃气利用。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提出了一种利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，包括：
第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与所述第二腔室通过通道结构连通；所述第一腔室设置有反应室、生物质颗粒给料装置、高温熔融盐室、熔融盐循环装置、第一卸料口和第二卸料口，所述生物质颗粒给料装置和所述高温熔融盐室均与所述反应室连通，所述高温熔融盐室设置在所述反应室上部，所述第一卸料口位于所述反应室下部，所述第二卸料口位于所述反应室上部；所述熔融盐循环装置包括熔融盐进口、第一熔融盐出口、第二熔融盐出口、第三熔融盐出口，所述熔融盐进口与所述反应室连通，设置在所述反应室的下部，所述第一熔融盐出口与所述高温熔融盐室连通，所述第二熔融盐出口与所述生物质颗粒给料装置连通，所述第三熔融盐出口与所述通道结构连通，并通过所述通道结构向所述反应室中添加高温熔融盐；所述第二腔室设置有互相连通的冷却室和冷凝室，所述冷却室设置在所述冷凝室上部。
作为本发明的具体实施方式，所述冷却室中设置有冷却器，所述冷却器包括冷却器入口和冷却器出口。
作为本发明的具体实施方式，所述冷凝室设置有冷凝装置、气体出口和第三卸料口。
作为本发明的具体实施方式，在所述高温熔融盐室与所述反应室之间固定设置有熔融盐高温流体多孔板，所述熔融盐高温流体多孔板上设置有多个孔道。
优选地，所述多孔板孔道的圆孔直径为3mm～5mm，所述圆孔之间距离为20mm～40mm。
作为本发明的具体实施方式，所述熔融盐循环装置还包括依次连通的熔融盐加热器和熔融盐循环泵。
作为本发明的具体实施方式，所述第一腔室壁面设置为多层结构，所述多层结构由内而外依次包括高温砖墙层、混凝涂料层和耐腐涂料层。
作为本发明的具体实施方式，所述第二腔室的内壁设置有耐腐涂料层。
作为本发明的具体实施方式，所述第一腔室壁面设置有多个用于固定连接所述多层结构的托架，所述托架依次贯穿所述高温砖墙层厚度的1/3～1/2、所述混凝涂料层和所述耐腐涂料层。
作为本发明的具体实施方式，所述高温砖墙层的厚度为320mm～480mm。
作为本发明的具体实施方式，所述混凝涂料层的厚度为3mm～5mm。
作为本发明的具体实施方式，所述耐腐涂料层的厚度为65mm～113mm。
作为本发明的具体实施方式，连通第一腔室与第二腔室的通道结构设置为水平连接段，且水平连接段的水平倾斜角度不大于30°。
第二方面，本发明提出了利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应系统，包括：
S101：将高温熔融盐通过高温熔融盐室、第一熔融盐出口、第二熔融盐出口、第三熔融盐出口的高温熔融盐与与通过生物质颗粒给料装置加入到所述反应室中的生物质颗粒在无氧环境下、450℃～700℃温度下进行热解反应，得到热解气和污泥颗粒，所述污泥颗粒分别通过第一卸料口和第二卸料口排出，所述热解气通入冷却室，反应后的熔融盐通过熔融盐循环装置回流至高温熔融盐室或反应室；其中，高温熔融盐室、第一熔融盐出口、第二熔融盐出口、第三熔融盐出口中的高温熔融盐温度为450℃～600℃；
S102：将热解气通入冷却室，通过温度为20℃～110℃的冷却器冷却；然后通入温度为20℃～90℃的冷凝室，经冷却装置冷凝后得到不凝气体和生物油，从第三卸料口得到生物油，所述不凝气体通过气体出口排出。
作为本发明的具体实施方式，冷却室中的压力为0.2MPa～0.3MPa。
作为本发明的具体实施方式，冷凝室的压力为0.05MPa～0.15MPa。
第三方面，本发明提出了所述的利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器和/或所述的利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应在废弃物资源化利用、油田地面集输和环境治理技术领域中的应用。
熔融的无机化合物称为熔融盐，熔融盐是由碱金属或碱土金属与卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐组成。同水溶液一样，熔融盐是一种不含水的高温溶液。熔融盐具有高温下的稳定性、在较宽温度范围内低的粘度，具有良好的导电性，较高的离子迁移和扩散速度，高的热容量等。熔融盐工作温度范围为300℃～800℃。作为反应介质，熔融盐在反应器内温度场分布均匀，可避免热点的产生，颗粒与熔融盐接触时促进反应物的裂解。作为流化载体，熔融盐可进行生物质颗粒的流化，床料不需要附加河沙等固体颗粒，流化床压力降低。熔融盐的这些特殊性质，使其既可以作为生物质颗粒的流化载体，又可作为生物质热解气化过程中的热载体。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
采用熔融盐生物质制取生物油，提供了生物质热解气化所需要的高温热源的热载体，熔融盐热载体可以循环使用，无熔融盐流量的损失。高温熔融盐下行通入反应室内生成生物质颗粒，可以保证生物质颗粒的流化和混合，实现熔融盐-生物质颗粒在反应室内温度的均匀性，避免局部高温的出现。冷凝装置置于低温冷凝室内，可以降低出口热解气的温度，有效回收热解气的热量。
本发明通过熔融盐为流化载体和热载体，获得生物质颗粒流化所需要的流体、生物质颗粒热解气化所需要的高温热源，得到气化产物，实现生物质的高效热解气化，回收生物质热解气化产生的气体烃与生物质油。与现有技术相比，生物质热解气化效率高，流化载体无流量损失，降低热量损失。
附图说明
图1为本发明实施例1的利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
如图1所示，实施例1提出了一种利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，包括第一腔室100和第二腔室200，且第一腔室100与第二腔室200通过通道结构300连通。
第一腔室100设置有反应室110、生物质颗粒给料装置120、高温熔融盐室130、熔融盐循环装置140、第一卸料口150和第二卸料口160。
生物质颗粒给料装置120和高温熔融盐室130均与反应室110连通，高温熔融盐室130设置在反应室110上部。
第一卸料口150位于反应室110下部，第二卸料口160位于反应室110上部。
熔融盐循环装置140包括熔融盐进口141、第一熔融盐出口142、第二熔融盐出口143、第三熔融盐出口144，熔融盐进口141与反应室110连通，设置在反应室110的下部，第一熔融盐出口142与高温熔融盐室130连通，第二熔融盐出口143与生物质颗粒给料装置120连通，第三熔融盐出口144与通道结构300连通，并通过通道结构300向反应室110中添加高温熔融盐。
第二腔室200设置有互相连通的冷却室210和冷凝室220，冷却室210设置在冷凝室220上部。
冷却室210中设置有冷却器211，冷却器211包括冷却器入口212和冷却器出口213。
冷凝室220设置有冷凝装置221、气体出口222和第三卸料口223。
在高温熔融盐室130与反应室110之间固定设置有熔融盐高温流体多孔板111，熔融盐高温流体多孔板111上设置有多个孔道。
多孔板孔道的圆孔直径为3mm～5mm，圆孔之间距离为20mm～40mm。
熔融盐循环装置140还包括依次连通的熔融盐加热器145和熔融盐循环泵146。
第一腔室100壁面设置为多层结构，多层结构由内而外依次包括高温砖墙层101、混凝涂料层102和耐腐涂料层103。
第二腔室200的内壁设置有耐腐涂料层103。
第一腔室100壁面设置有多个用于固定连接多层结构的托架104，托架104依次贯穿高温砖墙层101厚度的1/3～1/2、混凝涂料层102和耐腐涂料层103。
高温砖墙层的厚度为400mm，混凝涂料层102的厚度为4mm，耐腐涂料层103的厚度为85mm。
连通第一腔室100与第二腔室200的通道结构300设置为水平连接段，且水平连接段的水平倾斜角度为15°。
冷却器211为冷却管道，管道直径为45mm，管道之间距离为100mm。
第三熔融盐出口144、第二卸料口160和通道结构300互相连通。
实施例2
实施例2提出了利用实施例1的装置进行制取生物油的方法，包括如下步骤：
(1)将高温熔融盐通过高温熔融盐室130、第一熔融盐出口142、第二熔融盐出口143、第三熔融盐出口144的高温熔融盐与与通过生物质颗粒给料装置120加入到所述反应室110中的生物质颗粒在无氧环境下、530℃温度下进行热解反应，得到热解气和污泥颗粒，所述污泥颗粒分别通过第一卸料口150和第二卸料口160排出，所述热解气通入冷却室210，反应后的熔融盐通过熔融盐循环装置140回流至高温熔融盐室130或反应室110；其中，高温熔融盐室130、第一熔融盐出口142、第二熔融盐出口143、第三熔融盐出口144中的高温熔融盐温度为530℃；
(2)将热解气通入冷却室210，通过温度为50℃的冷却器211冷却；然后通入温度为30℃的冷凝室220，经冷凝装置冷凝后得到不凝气体和生物油，从第三卸料口得到生物油，所述不凝气体通过气体出口排出。
本发明采用熔融盐生物质制取生物油，提供了生物质热解气化所需要的高温热源的热载体，熔融盐热载体可以循环使用，无熔融盐流量的损失。高温熔融盐下行通入反应室内生成生物质颗粒，可以保证生物质颗粒的流化和混合，实现熔融盐-生物质颗粒在反应室内温度的均匀性，避免局部高温的出现。冷凝装置置于低温冷凝室内，可以降低出口热解气的温度，有效回收热解气的热量。
本发明通过熔融盐为流化载体和热载体，获得生物质颗粒流化所需要的流体、生物质颗粒热解气化所需要的高温热源，得到气化产物，实现生物质的高效热解气化，回收生物质热解气化产生的气体烃与生物质油。与现有技术相比，生物质热解气化效率高，流化载体无流量损失，降低热量损失。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，其特征在于，由以下部分组成：
第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与所述第二腔室通过通道结构连通；
所述第一腔室设置有反应室、生物质颗粒给料装置、高温熔融盐室、熔融盐循环装置、第一卸料口和第二卸料口，所述生物质颗粒给料装置和所述高温熔融盐室均与所述反应室连通，所述高温熔融盐室设置在所述反应室上部，所述第一卸料口位于所述反应室下部，所述第二卸料口位于所述反应室上部；
所述熔融盐循环装置包括熔融盐进口、第一熔融盐出口、第二熔融盐出口、第三熔融盐出口，所述熔融盐进口与所述反应室连通，设置在所述反应室的下部，所述第一熔融盐出口与所述高温熔融盐室连通，所述第二熔融盐出口与所述生物质颗粒给料装置连通，所述第三熔融盐出口与所述通道结构连通，并通过所述通道结构向所述反应室中添加高温熔融盐；
所述第二腔室设置有互相连通的冷却室和冷凝室，所述冷却室设置在所述冷凝室上部；所述冷却室中设置有冷却器，所述冷却器包括冷却器入口和冷却器出口；所述冷凝室设置有冷凝装置、气体出口和第三卸料口；
在所述高温熔融盐室与所述反应室之间固定设置有熔融盐高温流体多孔板，所述熔融盐高温流体多孔板上设置有多个孔道。
2.根据权利要求1所述的利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，其特征在于，所述多孔板孔道的圆孔直径为3mm～5mm，所述圆孔之间距离为20mm～40mm。
3.根据权利要求1所述的利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，其特征在于，所述熔融盐循环装置还包括依次连通的熔融盐加热器和熔融盐循环泵。
4.根据权利要求1所述的利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，其特征在于，所述第一腔室壁面设置为多层结构，所述多层结构由内而外依次包括高温砖墙层、混凝涂料层和耐腐涂料层；
和/或，
所述第二腔室的内壁设置有耐腐涂料层。
5.根据权利要求4所述的利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，其特征在于，所述第一腔室壁面设置有多个用于固定连接所述多层结构的托架，所述托架依次贯穿所述高温砖墙层厚度的1/3～1/2、所述混凝涂料层和所述耐腐涂料层。
6.根据权利要求4所述的利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器，其特征在于，所述高温砖墙层的厚度为320mm～480mm；和/或，所述混凝涂料层的厚度为3mm～5mm；和/或，所述耐腐涂料层的厚度为65mm～113mm。
7.一种采用如权利要求1～6任一项所述的流化床反应器进行利用熔融盐生物质制取生物油的方法，其特征在于，包括：
S101：将高温熔融盐通过高温熔融盐室、第一熔融盐出口、第二熔融盐出口、第三熔融盐出口的高温熔融盐与与通过生物质颗粒给料装置加入到所述反应室中的生物质颗粒在无氧环境下、450℃～700℃温度下进行热解反应，得到热解气和污泥颗粒，所述污泥颗粒分别通过第一卸料口和第二卸料口排出，所述热解气通入冷却室，反应后的熔融盐通过熔融盐循环装置回流至高温熔融盐室或反应室；其中，高温熔融盐室、第一熔融盐出口、第二熔融盐出口、第三熔融盐出口中的高温熔融盐温度为450℃～600℃；
S102：将热解气通入冷却室，通过温度为20℃～110℃的冷却器冷却；然后通入温度为20℃～90℃的冷凝室，经冷凝装置冷凝后得到不凝气体和生物油，从第三卸料口得到生物油，所述不凝气体通过气体出口排出。
8.根据权利要求7所述的利用熔融盐生物质制取生物油的方法，其特征在于，冷却室中的压力为0.2MPa～0.3MPa；和/或，冷凝室的压力为0.05MPa～0.15MPa。
9.权利要求1-6任一项所述的利用熔融盐生物质制取生物油流化床反应器或权利要求8所述的利用熔融盐生物质制取生物油的方法在废弃物资源化利用、油田地面集输和环境治理技术领域中的应用。
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