CN1730178A - 一种生物质热解液化的工艺方法及其装置系统 - Google Patents

Abstract

一种生物质热解液化的工艺方法及其装置系统。其工艺方法包括把生物质材料送入热解反应塔内让高温流化气和载热体与生物质粉料混合以对生物质进行热裂解的步骤，在分离器中把热解气与残碳等进行气固分离的步骤，以及在冷凝器中把热解气冷凝成生物油的步骤等。其中，载热体是与热解气、残碳等一道从热解反应塔内输出而进入系统循环的。为此，在装置系统中，特别包括了把载热体与热解气、残碳等分离开的载热体分离器和对分离出的载热体加热的载热体加热器。本发明极大地提高了系统内各种物质的流动速度，进而保证了热解反应塔内温度场均匀稳定，加热速率提高，气相停留时间缩短；所用的设备或装置均可以选用现有的，因此，本发明能适应工业化应用。

Description

一种生物质热解液化的工艺方法及其装置系统

技术领域

本发明涉及生物质再生利用及其能源化的技术领域，尤其涉及生物质热解液化的工艺方法及其装置系统。

背景技术

能源是现代社会赖以生存与发展的基础。目前我国能源结构中85％以上为煤炭、石油、天然气等不可再生的化石燃料。这些化石燃料不仅日益匮乏，从开采到利用的大循环中还对环境造成了严重的污染。因此，寻求可再生利用的清洁能源成了世界各国都十分关心的问题。生物质(包括各种农业废弃物、速生薪碳林、林业及木材加工工业的废弃物、水生植物及各种有机垃圾等)就是通过光合作用而产生的可再生利用的清洁能源的原料。生物质能源化技术主要包括气化、燃烧发电、固化燃料以及液化等。气化、燃烧发电、固化燃料三种技术已经达到比较成熟的商业化水平。但从提高能量密度，便于储存和运输等角度来看，把生物质资源转换为液体(生物油)则最为理想。而且，清洁的生物油还具有低灰份、低硫、在燃烧过程中几乎不产生有害气体的特点；更为重要的是，生物油的原料是生物质，在生物质利用的大循环系统中能实现CO2的零排放。生物质液化技术工艺可分为生物化学法和热化学法；生物化学法主要是指通过水解或发酵等手段将生物质转化为燃料乙醇；热化学法主要包括加压催化液化和快速热解液化等方法。生物质快速热解生产生物油技术是目前最为经济的把生物质转化为液体燃料的方法。国内外研究生物质快速热解的工艺系统构成基本上是相同的，均由四大部分组成：生物质原料的制备、快速热解、气固分离、快速冷凝。但是，不同研发单位采用不尽相同的热解方式和不同的载体加热方式，决定了生物质液化技术路线存在较大的差异。发明专利申请号为03128901.0的《低能耗生物质热裂解的工艺及其装置》就是一种热解液化生物质的工艺系统。由该申请案提出的热裂解工艺流程而确定的装置包括由调频电机、进料棒、料斗组成的给料器、流化床反应器、旋风分离器、作为能源回收的气～气热交换器、气～水热交换器、集油器、罗茨循环风机、主电加热器、辅助电加热器；流化床反应器竖直放置，底部置有多孔板，并放入石英砂作为中间载体；主电加热器置于反应器入口前端，辅助电加热器置于反应器外壁面。其中的关键设备是流化床反应器(与本案的“热解反应塔”对应)。从该申请案所披露的内容来看，其发明的目的是达到了。但是，该申请案所披露的热裂解工艺流程及其装置仅适合于机理性研究，在工业化应用中将受到限制。因为，该申请案的中间载体(本案称“载热体”，也可称“热载体”)在整个工艺流程中，始终是保留在流化床反应器内的。而为了满足这一工艺流程的要求，其进入流化床反应器内高温氮气(本案称“流化气”)和送出流化床反应器外的气化生物质(本案称“热解气”)的动压值(动力头)均不能大，否则，其中间载体也会与气化生物质及其热解后留下的固体物质一道被送到旋风分离器中去。这样，不但达不到发明目的，严重时还会迫使整个热裂解过程停止。因此，该申请案的热裂解速率是不高的，只能用于生物质热裂解的机理性研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种热裂解速率高、能用于工业化生产的生物质热解液化的工艺方法及其装置系统。

实现所述发明目的的是这样一种生物质热解液化的工艺方法，它包括通过送料机构把生物质材料送入热解反应塔内的步骤、在热解反应塔内让高温流化气和高温载热体与生物质材料混合以对生物质进行热裂解的步骤，在分离器中把热解气与残碳、灰份进行气固分离的步骤，以及在冷凝器中把热解气冷凝成生物油的步骤。其中的流化气为本身热稳定极好、不会引起氧化反应的惰性气体或氮气，本案与现有技术一样，选用氮气作为流化气；载热体也是本身热稳定极好、且不易粉末化的颗粒物质，它可以是满足性能要求的河砂等、也可以就直接采用石英砂，本案与现有技术一样，也选用石英砂。在热解反应塔内，高温流化气和高温载热体与生物质充分混合后，能非常迅速地把热量传递给生物质而使其快速地热裂解。本发明与现有技术的区别之处是，该工艺方法还包括以下步骤和条件：

a、在送料进行热裂解前，将生物质材料干燥至含水率小于8％，粉碎制成粒径小于2mm的生物质粉料的步骤；

b、热解反应塔内的压力为0.08～0.12MPa，温度范围为400～570℃，生物质粉料在热解反应塔内的升温速率为500～1000℃/s；将生物质粉料通过送料机构送入热解反应塔内的步骤中，伴随有循环载气对送料机构中的生物质粉料进行辅助输送的过程(在本案中的所谓载气是指起循环输送作用的气体，载气中包含有氮气和下文将提到的不凝结气体)；

c、生物质粉料在热解反应塔内进行热裂解的步骤结束后，其载热体是与热解气、残碳和灰份一道从热解反应塔内送出的(显然，本案在此处所说的热解气中混合有载气，且载气中所含氮气的温度比它作为流化气时低了许多)。接着，有一个把载热体与热解气、残碳和灰份分离的步骤；

d、在分离出来的热解气与残碳、灰份进入气固分离步骤的同时，分离出来的载热体进入一个预加热步骤，当然，其预加热温度是根据不同生物质粉料在热解反应塔内的升温速率来要求的，升温速率快，其预加热温度要求高些；反之，则低点。通常，预加热后的载热体温度控制在550～750℃之间；接着，有一个把预热后的载热体再送入热解反应塔内以供循环使用的步骤；进入热解反应塔内的载热体与生物质粉料的质量比值为1.8～4.6；

e、从气固分离步骤分离出的热解气进入冷凝成生物油的步骤；在冷凝器(13)中，热解气以400～800℃/s的速率冷却；不凝结气体及其与热解气一道输来的载气在冷凝器(13)中与冷凝的生物油分离后，作为回收气收集；

f、回收气与补充的氮气混合；混合后的气体分两路继续前输，两路的流量比值为5.5～6.5；比值较小的一路作为循环载气再次送入所述送料机构中、以对生物质粉料进行辅助输送；比值较大的一路加热后成为流化气再次输进热解反应塔内。显然，本案所说的流化气除在第一次使用时是高温氮气外，在循环利用的情况下，该流化气中就包含了不凝结气体。

实现该生物质热解液化的工艺方法的装置系统包括：实现步骤b所用的加料装置、送料机构和接入送料机构内的载气输入管；对生物质粉料进行热裂解的热解反应塔，该热解反应塔竖直放置，底部设有布风孔板；把载热体与热解气、残碳及灰份分离开的载热体分离器和对分离出的载热体加热的载热体加热器；把热解气与残碳及灰份分离开的气固分离器；把热解气中冷凝成出生物油的冷凝器及其集油器，收集回收气的储气罐及其气泵；其出口与储气罐的出口并联的氮气罐；对流化气进行加热的流化气加热器；以及连接上述装置的管道和在管道上的相应调节阀、压力表和温度计。

从方案中不难看出，除少部分热升力外，本系统的循环工作动力主要来自于气体泵。显然，该气体泵的供气压力和流量是能够调节的。

与现有技术相比，本发明有如下的进步：

1、由于在送料进行热裂解前，已将生物质材料干燥至含水率小于8％，粉碎制成粒径小于2mm的生物质粉料了，所以，在热解反应塔中进行热裂解时，不必浪费热量去干燥生物质材料中的水分。这样，热裂解效率就自然有了提高；

2、由于载热体是与热解气、残碳和灰份一道从热解反应塔送出的，所以，就不必像现有技术那样去刻意地降低它们流动的速度。由于流动速度的提高，进而能使生物质粉料与载热体、流化气进行充分的混合。这样，就真正保证了温度场均匀稳定，加热速率提高，气相停留时间缩短——就能适合工业化应用了；

3、由于载热体是在单独的载热体加热器进行加热的，所以，对其加热温度、加热速率的调节也比现有技术的方便、更有利于在工业化应用中的控制；

4、在循环利用载气(特别包括其中所含的热量)的过程中，能够及时地补充氮气，更为连续的工业化生产创造了条件。

5、从本发明的工艺方法中还可以看出，所选用的设备或装置均可以选用现有的。例如：其中的热解反应塔就是利用了比较成熟的流化床技术及其反应塔、气体泵可以就是罗茨循环风机。因此，本发明还有结构简单，设备投资费用低这一优点。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——应用本发明工艺方法的装置系统示意图(图中的实心箭头为本循环系统中，各相关物质的流动方向；图中的虚线箭头为冷却水的流动方向)

其中：1-加料装置；2-变频电动机；3-螺旋输送装置；4-进料管；5-冷却水套；6-布风孔板；7-热解反应塔；8-载热体分离器；9-载热体加热器；10-载热体调节器；11-载热体循环管；12-气固分离器；13-冷凝器；14-集油器；15-气体过滤器；16-气体泵；17-储气罐；18-氮气罐；19-流化气加热器；20-流化气调节阀；21-载气调节阀。

具体实施方式(全部结合图1)

鉴于本发明装置系统可以采用现有的设备或装置组成；同时，也为了方便本领域的技术人员系统地理解本发明。在本具体实施方式中，把工艺方法与实现该方法的装置系统结合起来一并披露。

一种生物质热解液化的工艺方法及其装置系统。按以下工艺步骤，在如下的装置系统中实现：

a、在送料进行热裂解前进行材料的预处理(仅本步骤在本装置系统外)，将生物质材料干燥至含水率小于8％，粉碎制成粒径小于2mm的生物质粉料。

b、将生物质粉料倒入一个加料装置1中存储。该加料装置1与送料机构联通，该送料机构中插有输送循环载气以辅助输送生物质粉料的载气输入管。在送料机构和循环载气的共同作用下，生物质粉料从热解反应塔7的下部输入进该反应塔内。在该热解反应塔7的下部还连接有一支载热体循环管11，载热体(被预加热后的石英砂)通过该循环管输入进热解反应塔7内，进入热解反应塔7内的载热体与生物质粉料的质量比值为1.8～4.6。在热解反应塔7的底部连接有流化气输入管，通过该输入管、流化气(初次使用时，是预加热后的氮气，并利用该氮气排净装置系统内的空气；循环使用后，是预加热后的氮气和不凝结气的混合气)被输入进该热解反应塔7内。热解反应塔7内的压力为0.08～0.12MPa，温度范围为400～570℃，生物质粉料在热解反应塔7内的升温速率控制在500～1000℃/s之间；

c、生物质粉料在热解反应塔7内进行热裂解的步骤结束后，其载热体与热解气、残碳、灰份一道从热解反应塔7的顶部输出，通过管道，从一个离心式的载热体分离器8的上部进入到该分离器内，载热体与热解气、残碳、灰份在该分离器中分离；

d、分离出来的热解气与残碳、灰份从载热体分离器8的顶部输出，通过管道，从一个离心式的气固分离器12的上部进入该分离器内。从该气固分离器12分离出的残碳与灰份，从该分离器的底部排出，热解气从该分离器的顶部，通过管道送入到冷凝器13中。

同时(也就是与气固分离过程并列的另一条路线的工艺过程)，从载热体分离器8中分离出来的载热体，从该分离器的底部直接地被送入一个载热体加热器9中被预加热，其预加热温度为550～750℃。连接在热解反应塔7下部的载热体循环管11的另一端连接在该载热体加热器9的底部，在该载热体循环管1111与载热体加热器9的连接处安装有一个载热体调节器10(或者说是载热体的流量调节、控制开关)。预热后的载热体再通过该载热体循环管11被送入热解反应塔7内以供循环使用(初次使用时，是先把载热体放入该载热体加热器9进行预加热的)。通过载热体调节器10的调节，把进入热解反应塔7内的载热体与生物质粉料的质量比值控制在1.8～4.6之间；

e、从气固分离步骤分离出的热解气从冷凝器13的腰部进入冷凝器13，冷凝器13的热交换介质为水。在冷凝器13中，热解气以400～800℃/s的速率被冷却。不凝结气体及其与热解气一道输来的载气在冷凝器13中与冷凝的生物油分离后，成为回收气从冷凝器13的顶部输出。凝结的生物油从该冷凝器13的底部输出，进入集油器14中收集起来；

f、冷凝器13顶部的回收气输出口与一个配装有安全阀和压力表的储气罐17之间连接有输气管，在该输气管上按输气顺序安装有气体过滤器15和一个气体泵16，回收气在气体泵16的作用下，在输气管中通过气体过滤器15和气体泵16进入储气罐17内暂时储存。

有一个其出口与该储气罐17的出口并联的氮气罐18。该氮气罐18中储存有供初次使用和循环工作时作为补充用的充足氮气。储气罐17与氮气罐18并联的出口处再向前一段，又有两支并联的管道。一条管道连接到热解反应塔7的底部，作为流化气输入管。在该流化气输入管上顺序安装有流化气加热器19和流化气调节阀20，还有必要的温度计和压力表。另一条管道就是辅助输送生物质粉料的载气输入管，在该载气输入管安装有载气调节阀21和压力表。回收气与氮气在储气罐17与氮气罐18并联的出口处混合后，通过流化气调节阀20和载气调节阀21的调节，按照流化气与载气的比值为5.5～6.5的关系继续前输。其中，流化气通过流化气加热器19预加热后，输入热解反应塔7中进入下一个工作循环；载气则直接输入送料机构中、以对生物质粉料进行辅助输送，也进入下一个工作循环。

如本领域的技术人员所知道的一样，在本具体实施方式中，需要包裹保温材料的设备、装置或管道上，一定要包裹保温材料。本领域的技术人员清楚，本系统当然还包括监视或观察运行状态的各种仪器、仪表，控制运行状态的各种阀门等。在此不赘述。

以上本具体实施方式的描述是以下各例的总述，在以下各例中，与本部分总述相同的内容也不赘述。

实施例1：

本例是在总述部分的基础上，针对其中的载热体循环管11输送载热体的方式或结构的进一步具体化。即：在本例的装置系统中，载热体加热器9输出载热体的出口高于热解反应塔7输进该载热体的进口，连接该出口与该进口的载热体循环管11是倾斜的，其倾斜方向与水平面的夹角大于45°。也就是说，在本例中，是依靠被预加热后的载热体自身的重力来进行输送的。这样，就进一步节省了系统的运行成本。显然，如果各具体装置本身和场地允许，该载热体循环管11的倾斜方向与水平面的夹角还可以更大，或者说该载热体循环管11还可以更陡。

实施例2：

本例是在总述部分或实施例1的基础上，针对其中的用载气对生物质粉料进行辅助输送方式或结构的进一步具体化。即：在本例的装置系统中，送料机构包括螺旋输送装置3和连接该螺旋输送装置3的出口和热解反应塔7进口的进料管4。该螺旋输送装置3由一台变频电动机2带动。接入送料机构内的载气输入管是以喷射器的结构形式接进其进料管4内的。在该载气输入管的腰部还有一分支管(附图中用虚线画出)，该分支管的出口接进加料装置1中，该加料装置1的加料口上有密封盖。也就是说，本例可以把对载热体调节器10的开度调节与对变频电动机2的转速调节(决定螺旋输送装置3的输送速度)结合起来，根据不同的生物质原料及其在热解反应塔7内的热裂解情况，准确地调节的载热体与生物质粉料的质量比。显然，本例适用于载气输入管中的载气动压不比热解反应塔7内的压力高的情况。

实施例3：

本例与实施例2基本相同，即仍然是送料机构包括螺旋输送装置3和连接该螺旋输送装置3的出口和热解反应塔7进口的进料管4。该螺旋输送装置3由一台变频电动机2带动。接入送料机构内的载气输入管是以喷射器的结构形式接进其进料管4内的。不同的是载气的动压大于热解反应塔7进口处的静压、以让载气用卷吸的方式对生物质粉料进行辅助输送(由于喷射器的结构形式所属领域的技术人员是清楚的，故没有单独绘出局部放大的剖视图)。换言之，当整个系统的工作情况允许达到载气的动压大于热解反应塔7进口处的静压时，就可以不采用实施例2中分支管和加密封盖的结构了。显然，实施例2所披露的装置系统，也可以适用于其载气的动压大于热解反应塔7进口处静压的情况，在此情况下，堵塞或关闭进入加料装置1中的那一分支管即可，其密封盖也可以不必盖严。这样，就与本例一样，更加适合于连续性地生产生物油了。

如果需要，在实施例2或实施例3的装置系统中，可以在其中的加料装置1中增加设置一个搅拌器。例如，在对于输送粒径较小、且粘附性较强的生物质粉料，通过搅拌就能使它们顺利地下落进螺旋输送装置3中了。

实施例4：

本例是在实施例2或实施例3的基础上，针对其中的进料管4结构的进一步改进。其改进的方面是，进料管4外包裹有冷却水套5。这样，就彻底地杜绝了可能发生的由于热解反应塔7的热影响而使某些生物质粉料粘在该进料管4的管壁上、甚至于在接近热解反应塔7进口处的进料管4中结块的情况。

下表是实施例4的部分试验数据：

			试验1	试验2	试验3	试验4	试验5
								生物质原料			杉木锯末	松树木屑	谷壳	谷壳	玉米糊
预处理	含水率		7.8％	6.5％	7.0％	6.3％	7.5％
								粉粒粒径范围(mm)(筛网目数)		0.61～0.95(20～30)	0.30～0.44(40～60)	0.44～0.61(30～40)	0.36～0.44(40～50)	0.30～0.44(40～60)
	辅助送料的循环载气的流量(Nm3/h)			1.8±0.2	1.8±0.2	1.6±0.1	1.8±0.2								1.1±0.1
流化气与载气的流量比值(误差±5％)								5.5	6.4	6.2	5.8	5.9
			生物质粉粒的加入量(kg/h)			5.5±0.2	3.5±0.3						7.5±0.1	6.5±0.1	9±0.3
载热体与生物质粉料的质量比值(误差±5％)								3.5	4.5	2.2	3.8	4.5
			由流化气和载热体的预加热温度及其流量所确定的热解反应塔内升温速率(℃/s)			800±30	950±30						600±30	900±30	870±30
热解反应塔内		压力(Mpa)						0.09～0.11	0.08～0.11	0.10～0.12	0.10～0.12	0.09～0.11
			温度(℃)	420±20	480±20	450±20	510±20						550±20
		热解气在冷凝器中的冷却速率(℃/s)						600±20	500±20	450±25	750±30	660±20
液化率(质量比)					53.6％	58.4％	38.5％						43.6％	51.6％

其他试验证实(本领域的技术人员也能正常地分析、推论得出来)：粉粒粒径＜2mm的其他原料的生物质也可以在本发明中正常地冷凝出生物油——只是液化率不同而已。

同样，看完了本说明书所披露的方案、具体实施方式及其“部分试验数据”后，本领域的技术人员仅通过常规的分析、推论，就同样认可本案所提出的具体参数范围——不同的只是效率高低和/或能耗比有一定差别而已。

Claims (7)

1、一种生物质热解液化的工艺方法，它包括通过送料机构把生物质材料送入热解反应塔(7)内的步骤、在热解反应塔(7)内让高温流化气和高温载热体与生物质材料混合以对生物质进行热裂解的步骤，在分离器中把热解气与残碳、灰份进行气固分离的步骤，以及在冷凝器(13)中把热解气冷凝成生物油的步骤；其特征在于该工艺方法还包括以下步骤和条件：

a、在送料进行热裂解前，将生物质材料干燥至含水率小于8％，粉碎制成粒径小于2mm的生物质粉料的步骤；

b、热解反应塔(7)内的压力为0.08～0.12MPa，温度范围为400～570℃，生物质粉料在热解反应塔(7)内的升温速率为500～1000℃/s；将生物质粉料通过送料机构送入热解反应塔(7)内的步骤中，伴随有循环载气对送料机构中的生物质粉料进行辅助输送的过程；

c、生物质粉料在热解反应塔(7)内进行热裂解的步骤结束后，其载热体是与热解气、残碳和灰份一道从热解反应塔(7)内送出的；接着，有一个把载热体与热解气、残碳和灰份分离的步骤；

d、在分离出来的热解气与残碳、灰份进入气固分离步骤的同时，分离出来的载热体进入一个预加热步骤；接着，有一个把预热后的载热体再送入热解反应塔(7)内以供循环使用的步骤；进入热解反应塔(7)内的载热体与生物质粉料的质量比值为1.8～4.6；

e、从气固分离步骤分离出的热解气进入冷凝成生物油的步骤；在冷凝器(13)中，热解气以400～800℃/s的速率冷却；不凝结气体及其与热解气一道输来的载气在冷凝器(13)中与冷凝的生物油分离后，作为回收气收集；

f、回收气与补充的氮气混合；混合后的气体分两路继续前输，两路流量比值为5.5～6.5；比值较小的一路作为循环载气再次送入所述送料机构中、以对生物质粉料进行辅助输送；比值较大的一路加热后成为流化气再次输进热解反应塔(7)内。

2、实现权利要求1所述的一种生物质热解液化的工艺方法的装置系统，其特征在于该装置系统包括：实现步骤b所用的加料装置(1)、送料机构和接入送料机构内的载气输入管；对生物质粉料进行热裂解的热解反应塔(7)，该热解反应塔(7)竖直放置，底部设有布风孔板(6)；把载热体与热解气、残碳及灰份分离开的载热体分离器(8)和对分离出的载热体加热的载热体加热器(9)；把热解气与残碳及灰份分离开的气固分离器(12)；把热解气中冷凝成出生物油的冷凝器(13)及其集油器(14)，收集回收气的储气罐(17)及其气泵；其出口与储气罐(17)的出口并联的氮气罐(18)；对流化气进行加热的流化气加热器(19)；以及连接上述装置的管道和在管道上的相应调节阀、压力表和温度计。

3、根据权利要求2所述的实现一种生物质热解液化的工艺方法的装置系统，其特征在于，所述载热体加热器(9)输出载热体的出口高于热解反应塔(7)输进该载热体的进口，连接该出口与该进口的是一支载热体循环管(11)，该载热体循环管(11)是倾斜的，其倾斜方向与水平面的夹角大于45°。

4、根据权利要求2或3所述的实现一种生物质热解液化的工艺方法的装置系统，其特征在于，所述送料机构包括螺旋输送装置(3)和连接该螺旋输送装置(3)的出口和热解反应塔(7)进口的进料管(4)，接入送料机构内的载气输入管是以喷射器的结构形式接进其进料管(4)内的；在该载气输入管的腰部有一分支管，该分支管的出口接进所述加料装置(1)中，该加料装置(1)的加料口上有密封盖。

5、根据权利要求2或3所述的实现一种生物质热解液化的工艺方法的装置系统，其特征在于，所述送料机构包括螺旋输送装置(3)和连接该螺旋输送装置(3)的出口和热解反应塔(7)进口的进料管(4)，接入送料机构内的载气输入管是以喷射器的结构形式接进其进料管(4)内的，载气的动压大于热解反应塔(7)进口处的静压、以让载气用卷吸的方式对生物质粉料进行辅助输送。

6、根据权利要求4所述的实现一种生物质热解液化的工艺方法的装置系统，其特征在于，在所述进料管(4)外包裹有冷却水套(5)。

7、根据权利要求5所述的实现一种生物质热解液化的工艺方法的装置系统，其特征在于，在所述进料管(4)外包裹有冷却水套(5)。

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