CN1844317A - 生物质油的制备工艺及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用农作物秸秆等生物质制备不同组分生物质油的工艺和装置。生物质物料经粉碎、干燥、裂解、多级冷凝、分离工序制备得到生物质油，该装置对应各工序设有物料粉碎装置、干燥装置、送料装置、主体裂解装置、多级冷凝装置、分离装置及收集装置。本发明可用于工业化大规模生产制备生物质油，其中重渣油及灰分混合固体碳粉可作为产温炉燃料；初级生物质油可直接作为燃油锅炉、直燃中央空调等直燃系统直接使用，通过精炼可以替代汽油、柴油作为内燃机燃料；低沸点高品质的生物质油可替代液化气作为民用燃料。

Description

生物质油的制备工艺及其装置
技术领域
本发明涉及一种快速热裂解法工业化生产高品质生物质油的工艺及装置，该工艺及装置可用于生物质油的工业化大规模生产。
背景技术
当今能源结构的主体仍然是石油、天然气、煤。而石油、天然气等化石燃料是不可再生资源储量日渐减少，近年来全球范围内都不同程度的出现了能源荒；另一方面，化石原料的不合理利用已经给环境带来了严重的影响，导致了温室效应和酸雨的形成，这些将对生态带来不可预知的破坏。随着经济和社会的发展，人们对能源的需求将不断增加，开发可再生能源是推动国民经济可持续发展的必然选择。其中生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源。生物质在自然界中的分布广泛，在我国种植业发达，每年光合作用产生可用的生物质能折合标准煤5.12亿吨。这些原料大部分被直接烧掉，没有很好利用，转化效率仅在10％左右。如果将生物质转化为液体生物质油则将可以提高生物质能的利用品质，提高了能量密度，且易储存运输。
各国科研人员对快速裂解法制备生物质油的研究比较活跃，但目前都停留在实验阶段。目前快速热裂解法制备生物质油所采用的工艺主要有：
(1)旋转锥式反应工艺，不需要载气，生物质颗粒与惰性热载体一起加入旋转锥低部，沿着锥壁螺旋上升过程中发生快速热裂解反应，但其最大的特点是生产规模小，能耗较高。
(2)携带床反应器，以丙烷和空气按照化学计量比引入反应管下部的燃烧区，高温燃烧气将生物质快速加热分解，但是需要大量高温的燃烧气并产生大量不凝气是该装置的缺点。
循环流化床工艺，需要以氮气作为载气对设备内的载热体及生物质进行流化，氮气需要预热，且用量很大，生产成本很高。整个体系的温度也不易控制。
发明内容
本发明提供了一种利用快速热裂解法工业化生产高品质生物质油的工艺。
本发明还提供了一种用于上述生物质油制备工艺的装置。
一种生物质油的制备工艺，包括以下步骤：
(1)将生物质物料粉碎成粒径小于2mm的粉末颗粒；
(2)在低于200℃温度下对所得物料颗粒进行干燥；
(3)将干燥后的物料颗粒在420-650℃、缺氧条件下进行裂解反应；
(4)对裂解后的产物进行一次冷却至240℃以下；
(5)对冷却后的裂解产物进行分离，去除产物中灰分和渣油；
(6)对去除灰分和渣油后的产物进行二次冷却至30℃以下，收集生物质油；
(7)对(6)中产生的未凝结气体进行三次冷却至5℃以下，收集低沸点油；
(8)将(7)中产生的不凝结气体回收利用。
一种用于上述生物质油制备工艺的装置，依次由物料粉碎装置、物料干燥装置、进料装置、主体裂解装置、喷料装置、一级冷凝装置、旋风泵、灰分/渣油分离装置、二级冷凝装置、三级冷凝装置连接组成。
所述的物料粉碎装置包括若干个由锯盘和配合盘交替排列组成的锯轮，锯轮上带有齿轮，齿轮由电机驱动，锯轮下方设有筛网。
所述的物料干燥装置包括产温炉和干燥管，产温炉连接筛网的出口，干燥管连接进料装置。
所述的进料装置包括自动吸料装置和排气螺杆进料装置，排气螺杆进料装置由电机驱动，其出口端接入主体裂解装置。
所述的主体裂解装置内由下至上设有喷料装置和高温反应区，高温反应区设有快速响应热电偶装置和温度控制器装置，主体裂解装置壁上设有保温层。
所述的喷料装置采用螺旋桨，由高速电机驱动。
所述的一级冷凝装置连接主体裂解装置的出口，带有内、外两个水冷壁，内、外水冷壁上均设有冷凝介质通道的进口和出口。
所述的二级冷凝装置经一旋风泵与一级冷凝装置的出口连接，包括灰分、渣油分离装置，分离装置外围设有一水套，水套上设有冷凝介质进、出口及未凝结气体导管，水套内设有若干个沿圆周均匀分布的螺旋换热管，水套下端连接生物质油收集装置，分离装置底端带有灰分、渣油收集装置。
所述的三级冷凝装置与二级冷凝装置的未凝结气体出口连接，包括气体分流室，气体分流室外围设有一水套，水套中设有若干个沿圆周均匀分布的螺旋换热管，气体分流室上设有冷凝介质的进、出口和不凝结气体导管，不凝结气体导管接入产温炉，气体分流室下端连接有低沸点油收集装置。
本发明利用排气螺杆进料装置将粉碎干燥后的生物质(例如农作物秸秆、木粉等)送入主体裂解装置，由高速旋转的螺旋桨喷料装置将物料喷射进入并快速通过安装有快速响应热电偶和温度控制器装置的高温反应区。裂解产物经三级冷凝分离收集到不同组分的生物质油。其中重渣油及灰分混合固体碳粉可作为产温炉燃料；初级生物质油可直接作为燃油锅炉、直燃中央空调等直燃系统直接使用，通过精炼可以替代汽油、柴油作为内燃机燃料；低沸点高品质的生物质油可替代液化气作为民用燃料。
附图说明
图1为本发明制备工艺的流程图；
图2为本发明系统装置的结构示意图；
图3、4为本发明物料粉碎装置的结构示意图；
图5为本发明主体裂解装置的结构示意图；
图6为本发明一级冷凝装置的结构示意图；
图7为本发明二级冷凝装置的结构示意图；
图8为本发明三级冷凝装置的结构示意图。
具体实施方式
以下举一实施例并结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种生物质油的制备工艺，包括以下步骤：
(1)将生物质物料粉碎成粒径小于2mm的粉末颗粒；
(2)在100-200℃下对所得物料颗粒进行干燥；
(3)将干燥后的物料颗粒在420-650℃、缺氧条件下进行裂解反应；
(4)对裂解后的产物进行一次冷却至200-240℃；
(5)对冷却后的裂解产物进行分离，去除产物中灰分和渣油；
(6)对去除灰分和渣油后的产物进行二次冷却至15-30℃，收集生物质油；
(7)对(6)中产生的未凝结气体进行三次冷却至-5-5℃，收集低沸点油；
(8)收集(7)中产生的不凝结气体，进行回收利用。
如图2所示，一种用于生物质油制备工艺的装置，依次由物料粉碎装置1、物料干燥装置、进料装置、主体裂解装置7、喷料装置6、一级冷凝装置8、旋风泵9、灰分/渣油分离装置48、二级冷凝装置11、三级冷凝装置13连接组成。
如图3、4所示，物料粉碎装置1包括若干个由锯盘23和配合盘24交替排列组成的锯轮26，其中一个锯轮上的锯盘和另一个锯轮上的配合盘配合，锯轮26上带有齿轮27，齿轮27由电机22驱动，锯轮26下方设有筛网25。两锯轮26由电机22驱动经齿轮27带动做相反方向的转动。
物料干燥装置包括产温炉2和干燥管3，产温炉2连接筛网25的出口，干燥管3连接进料装置。
进料装置包括自动吸料装置4和排气螺杆进料装置5，排气螺杆进料装置5由转速可以调节的电机17驱动，其出口端接入主体裂解装置7。
如图5所示，主体裂解装置7内由下至上设有喷料装置6和高温反应区16，高温反应区16设有快速响应热电偶装置19和温度控制器装置18，通过温度控制器装置18和快速响应热电偶装置19来测量并控制高温反应区16的温度。主体裂解装置7壁上设有保温层20。
喷料装置6采用螺旋桨，由高速电机21驱动。
如图6所示，一级冷凝装置8两端设有裂解产物的进、出口28、34，经进口28连接主体裂解装置7，一级冷凝装置8带有内、外两个水冷壁30、31，内、外水冷壁30、31上均设有冷凝介质通道的进口29、35和出口32、33，冷凝介质一路经进出口29、32流通，另一路经35、33流通。
如图7所示，二级冷凝装置11经旋风泵9与一级冷凝装置8的出口连接，包括灰分、渣油分离装置48，分离装置48外围设有一水套36，水套36上设有冷凝介质进、出口37、40及未凝结气体导管42，水套36内设有若干个沿圆周均匀分布的内径为8-12mm的螺旋换热管39，水套36下端经导管38连接质油收集装置10，分离装置48底端带有灰分、渣油收集装置12，分离出灰分和渣油的裂解产物从各个螺旋换热管39入口进入二级冷凝装置11进行换热后经出口41排出，生物质油液体经导管38进入生物质油收集装置10，未凝结气体则经未凝结气体导管42输出至三级冷凝装置13。
如图8所示，三级冷凝装置13包括气体分流室45，气体分流室45外围设有一水套46，水套46中设有若干个沿圆周均匀分布的5-10mm螺旋换热管39，气体分流室45上设有冷凝介质的进、出口43、47和不凝结气体导管15，不凝结气体导管15接入产温炉2，气体分流室45下端连接有低沸点油收集装置14，裂解产物从各个螺旋换热管39入口进入三级冷凝装置13进行换热后从出口44排出，冷却后得到的液体流入低沸点油收集装置14，不凝结气体经不凝气体导管15导出，回收至产温炉2作为燃料利用。
将生物质物料放入物料粉碎装置1，生物质物料经粉碎装置1的两锯轮26粉碎成粒径小于2mm的粉末颗粒；粉碎后的物料经筛网25筛选后可用的物料经过产温炉2、干燥管3，在100-200℃条件下进行干燥，使生物质物料的自由水含量小于8％；干燥后的物料由自动吸料装置4和排气螺杆进料装置5输送到主体裂解装置7内，通过转速为1200r/min高速旋转的喷料装置6，生物质颗粒在0.2s-3s时间内快速通过温度控制在420-650℃、缺氧的高温反应区16，进行裂解反应，使生物质中木质素、纤维素、半纤维素等大分子链断裂，得到小分子的裂解气体；小分子裂解气体在1s内快速进入一级冷却装置8进行一次冷却，一级冷却装置8中通入10-20℃的水，使裂解气体冷却到200-240℃之间，并在转速为3000r/min的高速旋风泵9作用下，分离出裂解气体中的重渣油和灰分，并沉积于灰分、渣油收集装置12；冷却后产物进入由小于20℃的常温水冷却的二级冷凝装置11进行二次冷却，冷凝分离出生物质裂解油，并将其收集在生物质油收集装置10中；未凝结气体进入到通入有温度小于-10℃冷凝介质的三级冷凝装置13中进行三次冷却，经冷凝得到低沸点、更高品质的生物质油，收集于低沸点油收集装置14中；不可凝结气体经不凝结气体导管15回收到产温炉2作为燃料利用。

Claims (10)

1.一种生物质油的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
(1)将生物质物料粉碎成粒径小于2mm的粉末颗粒；
(2)在低于200℃温度下对所得物料颗粒进行干燥；
(3)将干燥后的物料颗粒在420-650℃、缺氧条件下进行裂解反应；
(4)对裂解后的产物进行一次冷却至240℃以下；
(5)对冷却后的裂解产物进行分离，去除产物中灰分和渣油；
(6)对去除灰分和渣油后的产物进行二次冷却至30℃以下，收集生物质油；
(7)对(6)中产生的未凝结气体进行三次冷却至5℃以下，收集低沸点油；
(8)收集(7)中产生的不凝结气体，回收利用。
2.一种用于如权利要求1所述生物质油制备工艺的装置，其特征在于：依次由物料粉碎装置(1)、物料干燥装置、进料装置、主体裂解装置(7)、喷料装置(6)、一级冷凝装置(8)、旋风泵(9)、灰分/渣油分离装置、二级冷凝装置(11)、三级冷凝装置(13)连接组成。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的物料粉碎装置(1)包括若干个由锯盘(23)和配合盘(24)交替排列组成的锯轮(26)，锯轮(26)上带有齿轮(27)，齿轮(27)由电机(22)驱动，锯轮(29)下方设有筛网(25)。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的物料干燥装置包括产温炉(2)和干燥管(3)，产温炉(2)连接筛网(25)的出口，干燥管(3)连接进料装置。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的进料装置包括自动吸料装置(4)和排气螺杆进料装置(5)，排气螺杆进料装置(5)由电机(17)驱动，其出口端接入主体裂解装置(7)。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的主体裂解装置(7)内由下至上设有喷料装置(6)和高温反应区(16)，高温反应区(16)设有快速响应热电偶装置(19)和温度控制器装置(18)，主体裂解装置(7)壁上设有保温层(20)。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的喷料装置(6)采用螺旋桨，由高速电机(21)驱动。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的一级冷凝装置(8)连接主体裂解装置(7)的出口，带有内、外两个水冷壁(30)、(31)，内、外水冷壁(30)、(31)上均设有冷凝介质通道的进口(29)、(35)和出口(32)、(33)。
9.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的二级冷凝装置(11)经一旋风泵(9)与一级冷凝装置(8)的出口连接，包括灰分、渣油分离装置(48)，分离装置(48)外围设有一水套(36)，水套(36)上设有冷凝介质进、出口(37)、(40)及未凝结气体导管(42)，水套(36)内设有若干个沿圆周均匀分布的螺旋换热管(39)，水套(36)下端连接生物质油收集装置(10)，分离装置(48)底端带有灰分、渣油收集装置(12)。
10.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的三级冷凝装置(13)与二级冷凝装置(11)的未凝结气体导管(42)连接，包括气体分流室(45)，气体分流室(45)外围设有一水套(46)，水套(46)中设有若干个沿圆周均匀分布的螺旋换热管(39)，气体分流室(45)上设有冷凝介质的进、出口(43)、(47)和不凝结气体导管(15)，不凝结气体导管(15)接入产温炉(2)，气体分流室(45)下端连接有低沸点油收集装置(14)。
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