CN1935941A - 生物质分级控温慢速热解工艺及其系统 - Google Patents
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Abstract
一种生物质分级控温慢速热解工艺及其系统。该工艺将热解过程分成几个温度逐渐升高的独立阶段，通过外热源与生物质逆流换热，逐级加热生物质且使之热解，原料经预干燥和深度干燥后，保证含水量为5～10％，再经预炭化和炭化，得到木炭、热解气和少量气态生物原油，最后在煅烧阶段使部分生物原油第二次分解，从而获得需要的热解产物。其系统主要由并联设置的外热气源主通道和外热气源旁通道、布置在外热气源主通道和旁通道外侧的主换热器、交错布置在外热气源主通道中的多级热解器和多级次换热器组成。其原料适应范围广，热解过程便于调节，热解产物便于控制，其外热源采用高温合成气时可以综合利用高温合成气的废热，大幅提高生物质气化系统的气化效率。
Description
技术领域
本发明属于生物质能源技术领域，涉及生物质热解产品的制备，具体地指一种生物质分级控温慢速热解工艺及其系统。
背景技术
生物质能源的开发利用是世界各国竞相研究应用的热点，以生产各种合成气为目标的生物质气化技术也得到了广泛的应用。根据生物质气化工艺的特点可知，气化原料的特性不同、气化原料的粒度不同，都将直接影响到气化炉的运行负荷、合成气和焦油的产率、以及原料气化时的各项指标。通常，不同的原料在不同的气化炉里进行反应时，对其粒度的要求也不一样。一般按照固定床、流化床、气流床的顺序，要求气化原料的粒度逐渐变小。但颗粒太小的原料有可能被气流带出气化炉，从而使气化效率下降，故颗粒的粒径分布也是一个重要的控制指标，例如对于shell公司的气流床气化技术而言，要求气化原料中粒度小于0.15mm的颗粒要达到90％以上。因此，原料的粉碎预处理对气化系统的性能有重要影响。
对于生物质原料而言，鉴于生物质原料的纤维结构特点，表现出很强的韧性，采用传统的切割或挤压粉碎工艺所获得的颗粒原料很难满足气化炉反应器进料的要求，且这种机械加工方式的费用非常高，这已成为制约生物质原料进行气化的一个重要影响因素。
为了解决生物质原料难以粉碎的问题，科研人员对生物质原料采用了预先热解的处理工艺，以期获得满足气化炉反应器进料的要求。这种热解技术作为气化系统原料进料的预处理方案，是通过热解将生物质分解成挥发份和木炭，从而将生物质中难以粉碎的纤维素转变成易粉碎的木炭，再根据需要进行简单常规的加工处理，便可以满足生物质气化系统对进口原料的粒度要求。
目前，在气化系统中对生物质原料先热解再气化的组合方案已显示出了强大的优越性，但现有的生物质热解预处理工艺仍然存在着热解产物很不容易控制的缺陷。热解产物对后续的气化进程有重要影响，而热解工艺尤其是热解温度和热解时间又对热解产物有直接影响，不同的加热温度和终极温度，不同的热解时间，所得到的热解产物都不一样。对于高温快速热解阶段而言，热解产物主要是生物原油，对于低温慢速热解阶段而言，热解产物主要是木炭和热解气。当热解作为生物质原料气化过程的一个预处理工艺时，需要获得的产品是木炭和热解气。另外，为了避免对最终产品合成气成份的影响，需要降低热解气中CO2、生物原油等组份的含量，增大热解气中CO和H2的含量，提高热解产物中木炭的质量和数量，这都要求对热解温度和热解时间进行严格的控制。
然而，在已有的生物质热解预处理工艺中，不管是自热方式还是外热方式，都只在一个热解反应器中完成上述各个阶段的热解过程，很难保证整个热解器内加热速度的均匀性。因此，不同位置的生物质原料可能处于不同的热解阶段，这样很难满足适当的热解条件，无法保证热解产品的质量。特别是对于自热方式的热解工艺，更容易产生以下问题：首先，其燃烧区域局部温度过高、升温速度过快，使整个热解反应器内的温度分布极不均匀，升温速度无法严格控制，势必造成热解过程中操作温度难以满足要求，进而使热解产品不符合要求，影响后续的气化过程；其次，采用部分燃烧生物质的自热方式，将使热解气中的CO2含量显著增加，从而明显降低了气化系统的气化效率。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种原料适应范围广、热解过程便于调节、且对热解产物便于控制的生物质分级控温慢速热解工艺及其系统。
为实现上述目的，本发明所设计的生物质分级控温慢速热解工艺，采用外热源为分布在各级热解器中的生物质提供热量，根据生物质热解操作条件对热解产物的影响分析，按照气化系统及合成气产品对热解产物的要求，逐级对生物质原料进行可控制的干燥和慢速热解反应，控制热解的最终温度在350～500℃的范围内，以促使热解气中CO2和气态生物原油的含量较低，CO和H2的含量较高，同时保证木炭产品的质量和数量。其工艺过程包括如下步骤：
1)将自然风干的生物质，通过常规的切割设备，初步加工成粒径为10～80mm的粗料；
2)将上述粗料送入第一级热解器中，进行预干燥阶段的处理，保持其内温度为50～120℃，使生物质中的一部分水份蒸发掉，含水量降低到10～20％；
3)将预干燥后的物料送入第二级热解器中，进行深度干燥阶段的处理，保持其内温度为100～150℃，使生物质中的大部分水份蒸发掉，含水量降低至5～10％；
4)将深度干燥后的物料送入第三级热解器中，进行预炭化阶段的反应，保持其内温度为150～250℃，此时生物质中的不稳定组份如半纤维素等开始发生明显的化学变化，生物质中的碳氢组份和几乎全部的氧和在低于燃点的情况下发生反应，得到CO、H2O、少量的CO2和醋酸，固态物质是该阶段的主要产物；
5)将预炭化反应后的所有物质送入第四级热解器中，进行炭化阶段的反应，该阶段的反应主要是弱放热反应，保持其温度为250～350℃，使大部分生物质发生第一次分解反应，主要生成木炭、生物原油和少量气态产物；
6)将炭化反应后的所有物质送入第五级热解器中，进行煅烧阶段的反应，该阶段为吸热反应，保持其温度为350～500℃，使其中的部分生物原油发生第二次分解反应、其中的少量木炭与水蒸汽发生反应，最终所获得的热解气从第五级热解器上部出口输出，所获得的木炭从第五级热解器下部出口输出。
上述生物质分级控温慢速热解工艺中，外热源最好采用直接引至生物质气化炉输出端的高温合成气。生物质原料经过气化炉反应气化后，输出的高温合成气的温度范围在500～900℃，满负荷稳定运行时一般在900℃左右，高温合成气具有大量的显热，有效地利用该热量，既可以为本发明的热解工艺节省大量能源，又可以提高整个生物质气化系统的气化效率。
上述生物质分级控温慢速热解工艺中，第一级至第五级热解器中的气压最好都控制在3.0～4.0MPa的范围内。在这样高的压力下，可以有效抑制生物质热解过程中生物原油的生成量，促使生物质热解成更多的CO和H2，以进一步提高热解产物的品质。
上述生物质分级控温慢速热解工艺中，第一级至第五级热解器中物料的停留时间为120～400s。这样，物料在各级热解器中的总停留时间为600～2000s，使物料的升温速度保持在10～60℃/min的范围内，从而满足慢速热解的升温要求。
为实现上述工艺而专门设计的生物质分级控温慢速热解系统，包括系统外壳，系统外壳的一端设置有外热气源进口，系统外壳的另一端设置有外热气源出口，系统外壳内位于外热气源进口处设置有主换热器，系统外壳内在外热气源进口和外热气源出口之间并联设置有外热气源主通道和外热气源旁通道，外热气源主通道和外热气源旁通道上分别设置有可调节开闭程度的主通道挡板门和旁通道挡板门，外热气源主通道内沿外热气源出口至外热气源进口方向依次串联布置有带螺旋输送装置的第一级至第五级热解器，第一级至第五级热解器之间分别由第一级至第四级次换热器间隔开来，形成各级热解器和各级次换热器交错布置的结构；其中：第一级热解器上设置有生物质进口和第一级水蒸汽排放口，第二级热解器上设置有第二级水蒸汽排放口，第五级热解器上分别设置有木炭出口和热解气出口。
进一步地，上述外热气源旁通道内还设置有旁通道换热器。当外热气源主通道内的热解温度过高时，可以让部分外热气源走旁通道排出，并在旁通道换热器进行热交换，该方式不仅实现了灵活控制各级热解器中生物质的反应温度，而且实现了热量的充分利用。
进一步地，上述外热气源进口最好直接与生物质气化炉的高温合成气输出端相连。同时，上述热解气出口直接与生物质气化炉的热解气输入端相连，上述木炭出口则通过木炭制粉装置与生物质气化炉的木炭粉输入端相连，以形成生物质气化工艺过程的良性循环。这样，不仅可以充分利用高温合成气的废热，大幅节约生物质原料预热解处理所需的能量，而且通过简单的循环，可以极大地提高整个生物质气化系统的气化效率。
上述生物质分级控温慢速热解系统采用外热气源特别是高温合成气为各级热解器提供能量，通过并联设置的外热气源主通道和外热气源旁通道，以及交错布置在外热气源主通道内的多级热解器和换热器，使外热气源和生物质原料进行逆流换热。每一级热解器中都带有搅拌推进装置，以保证各级热解器内生物质原料被均匀加热。生物质从第一级热解器开始，在每一级热解器内被逐渐加热，各级热解器的温度依次为50～120℃、100～150℃、150～250℃、250～350℃、350～500℃，通过各级换热器的换热调节，保证外热气源以合适的温度进入各级热解器，严格控制各级热解过程的加热温度和加热速率，从而保证从最后一级热解器中获得的热解产物为符合要求的热解气和木炭。
与现有技术相比，本发明具有如下几方面的优点：
其一，本发明的工艺采用外热源分级加热处理含水量高达20％以上的自然风干生物质，可以排除过多水份对后续热解过程的影响，确保热解气中不要出现过多的水蒸汽，从而保证热解产物符合生物质气化反应的要求。
其二，本发明的工艺采用外热源分级热解经过深度干燥的生物质，可以保证慢速热解的操作条件和过程要求，使生物质在各个热解阶段进行可控制的反应，从而获得需要的热解产物。
其三，本发明的工艺可以采用从生物质气化炉直接引出的高温合成气，充分利用高温合成气的显热为生物质热解提供所需的能量，不仅达到了为热解控制提供能量的目的，而且降低高温合成气的温度，提高了高温合成气余热的综合利用率，同时提高了整个生物质气化系统的工作效益。
其四，本发明的系统采用各级热解器和各级换热器交错布置的方式，可以有效控制每级热解器中外热源的热量交换，保证各级热解过程的加热温度和加热速度，有效控制最终热解温度，同时各级换热器所交换的热量可以输送到其他需要的地方，保证外热源具有较高的综合利用效率。
其五，本发明的系统采用外热气源旁通道的结构，进一步提高了外热气源主通道中各级热解器温度控制的有效性和灵活性，可以进一步保障终极热解产物的组份要求。
由此可见，本发明的热解工艺及系统具有热解过程便于调节、热解产物便于控制的优越性，特别是将该热解工艺作为整个生物质气化系统的一个原料前期处理程序时，所获得的热解产物可以直接输入气化炉进行气化反应，气化反应所产生的高温合成气又直接为生物质的前期热解反应提供热源，两者协调配合，产生良性循环，从而确保了整个生物质气化系统所生产的高温合成气的品质，同时也增强了生物质气化系统对原料的适应能力。本发明不仅适用于一般木材、棉杆、稻草类等生物质原料的热解处理，而且也适合于生活垃圾、工业垃圾等固态有机气化原料。
附图说明
附图为一种生物质分级控温慢速热解系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的生物质分级控温慢速热解工艺及其系统作进一步的详细描述：
图中所示的生物质分级控温慢速热解系统，具有一个竖直布置的系统外壳4，系统外壳4的底部设计有外热气源进口3，外热气源进口3直接与生物质气化炉1的高温合成气输出端相连。系统外壳4的顶部设计有外热气源出口29，经过热交换降温的高温合成气从外热气源出口29送到后续处理设备。系统外壳4底部位于外热气源进口3处安装有一台主换热器15，主换热器15首先对进入的高温合成气进行一次换热降温。
系统外壳4内部，在外热气源进口3和外热气源出口29之间并联设置有呈垂直布置的外热气源主通道5和外热气源旁通道28。外热气源主通道5和外热气源旁通道28上，靠近外热气源出口29处的一端分别设置有可调节开闭程度的主通道挡板门6和旁通道挡板门27，外热气源旁通道28内还设计有旁通道换热器25，可以通过调节高温合成气的流量以及热交换量来控制外热气源主通道5内的温度范围。
外热气源主通道5内部，自上而下依次蛇形串联、水平布置有带螺旋输送装置的第一级至第五级热解器7、9、10、12、13。其中：第一级热解器7上设置有生物质进口26和第一级水蒸汽排放口20，第一级热解器7和第二级热解器9之间通过第一级垂直通道8相连；第二级热解器9上设置有第二级水蒸汽排放口19，第二级热解器9和第三级热解器10之间通过第二级垂直通道18相连；第三级热解器10和第四级热解器12之间通过第三级垂直通道11相连；第四级热解器12和第五级热解器13之间通过第四级垂直通道17相连，第五级热解器16上分别设置有木炭出口14和热解气出口16。热解气出口16直接与生物质气化炉1的热解气输入端相连，木炭出口14则通过木炭制粉装置2与生物质气化炉1的木炭粉输入端相连。
在第一级至第五级热解器7、9、10、12、13之间，分别设置有第一级至第四级次换热器21、22、23、24。第一级至第四级次换热器21、22、23、24为排管结构的换热器，呈水平布置状态，将第一级至第五级热解器7、9、10、12、13间隔开来，形成各级热解器和各级次换热器交错布置的结构，有利于控制各级热解器中的不同温度要求。第一级至第四级次换热器21、22、23、24可以分别独立进行热交换，也可以串联后统一进行热交换，只要能确保各级热解器内的温度范围在设定区域即可。
本发明的生物质分级控温慢速热解系统的工作原理是这样的：
从生物质气化炉1输出的500～900℃的高温合成气，通过外热气源进口3输入系统外壳4内部，并通过主换热器15进行适当的换热降温，其目的是使高温合成气以适当的温度进入外热气源主通道5，为各级热解过程提供相应的能量。进入外热气源主通道5的高温合成气，依次通过第五级至第一级热解器13、12、10、9、7和第四级至第一级次换热器24、23、22、21，由于各级换热器和各级热解器交错布置，保证了各级热解器中的温度依次降低。根据各种具体生物质不同的特性，各级热解器中的温度范围也不尽相同，研究人员可以通过实验获得最佳数据：
对于木本类生物质如木材而言，第一级热解器7内的温度为80～120℃、第二级热解器9内的温度为120～150℃、第三级热解器10内的温度为190～240℃、第四级热解器12内的温度为300～340℃、第五级热解器13内的温度为400～480℃。
对于草本类生物质如稻草而言，第一级热解器7内的温度为50～90℃、第二级热解器9内的温度为100～140℃、第三级热解器10内的温度为150～200℃、第四级热解器12内的温度为250～310℃、第五级热解器13内的温度为350～410℃。
第一级至第五级热解器7、9、10、12、13可以在常压状态下工作，但最好给予3.0～4.0MPa气压，以有效抑制生物质热解过程中生物原油的生成量，促使生物质热解成更多的CO和H2，进一步提高热解产物的品质。
当各级热解器内温度过高时，可以适当调节主通道挡板门6和旁通道挡板门27的开度，使部分高温合成气从外热气源旁通道28流过，从而保证各级热解过程的温度和加热速率。外热气源旁通道28内所布置的旁通道换热器25，可以保证外热气源出口29部位的高温合成气的降温排出要求。
自然风干、质地疏松的生物质原料通过常规切割机械初步粉碎成粒度10～80mm的颗粒后，从生物质进口26进入第一级热解器7内，以设定的温度和时间进行预干燥处理；蒸发掉的水份从第一级水蒸汽排放口20排出，含水量为10～20％的生物质原料通过第一级垂直通道8进入第二级热解器9内，在设定的温度和时间下进行深度干燥处理；再次被蒸发掉的水份从第二级水蒸汽排放口19排放，含水量为5～10％的物料通过第二级垂直通道18进入第三级热解器10内，在设定的温度和时间下进行初炭化处理，控制此时的温度在原料的燃点以下，使原料进行慢速反应，主要得到CO和固体物质；让初炭化反应阶段的所有产物通过第三级垂直通道11进入第四级热解器12内，在设定的温度和时间下发生第一次分解反应，得到少量生物原油和木炭；最后将所有产物通过第四级垂直通道17送入第五级热解器13内，在设定的温度和时间下发生生物原油的第二次分解反应，以及少量木炭和水蒸汽的反应，从而得到所要求的热解产物。
由于各级热解器中的温度按50～120℃、100～150℃、150～250℃、250～350℃、350～500℃的梯度均匀增加，生物质原料在各级热解器中的停留时间保持在120～400s的范围内，使得生物质原料被逐渐加热，低速反应，保证了热解产物中较低的CO2和生物油含量、适当的水蒸汽含量、以及较多的H2和CO含量。各级热解器内所设置的螺旋输送装置可以保证生物质原料在输送和热解的过程中不发生粘壁、团聚现象。最终的热解产物主要为木炭和热解气，木炭通过木炭出口14输出，经过管道送入木炭制粉装置2中，破碎后送入生物质气化炉1，而热解气则通过热解气出口16输出，经过管道也送至生物质气化炉1，在生物质气化炉1内完成最终的气化反应，得到所需要的合成气。
Claims (10)
1.一种生物质分级控温慢速热解工艺，它采用外热源为分布在各级热解器中的生物质提供热量，其工艺步骤如下：
1)将自然风干的生物质初步加工成粒径为10～80mm的粗料；
2)将上述粗料送入第一级热解器中进行预干燥，保持其内温度为50～120℃，使生物质中的一部分水份蒸发，含水量降低到10～20％；
3)将预干燥后的物料送入第二级热解器中进行深度干燥，保持其内温度为100～150℃，使生物质中的大部分水份蒸发，含水量降低至5～10％；
4)将深度干燥后的物料送入第三级热解器中进行预炭化反应，保持其内温度为150～250℃，使生物质中的碳氢组份和几乎全部的氧在低于燃点的情况下发生反应，得到CO、H2O、少量的CO2和气态醋酸；
5)将预炭化反应后的所有物质送入第四级热解器中进行炭化反应，保持其温度为250～350℃，使大部分生物质发生第一次分解反应，主要生成木炭、气态生物原油和少量气体产物；
6)将炭化反应后的所有物质送入第五级热解器中进行煅烧反应，保持其温度为350～500℃，使其中的部分生物原油发生第二次分解反应、其中的少量木炭与水蒸汽发生反应，最终所获得的热解气从第五级热解器上部出口输出，所获得的木炭从第五级热解器下部出口输出。
2.根据权利要求1所述的生物质分级控温慢速热解工艺，其特征在于：所说的外热源采用温度为500～900℃的高温合成气。
3.根据权利要求1或2所述的生物质分级控温慢速热解工艺，其特征在于：所说的第一级至第五级热解器中的气压均控制在3.0～4.0MPa的范围内。
4.根据权利要求1或2所述的生物质分级控温慢速热解工艺，其特征在于：所说的第一级至第五级热解器中物料的停留时间为120～400s。
5.根据权利要求1或2所述的生物质分级控温慢速热解工艺，其特征在于：对于木本生物质如木材而言，所说的第一级热解器内的温度为80～120℃、第二级热解器内的温度为120～150℃、第三级热解器内的温度为190～240℃、第四级热解器内的温度为300～340℃、第五级热解器内的温度为400～480℃。
6.根据权利要求1或2所述的生物质分级控温慢速热解工艺，其特征在于：对于草本类生物质如稻草而言，所说的第一级热解器内的温度为50～90℃、第二级热解器内的温度为100～140℃、第三级热解器内的温度为150～200℃、第四级热解器内的温度为250～310℃、第五级热解器内的温度为350～410℃。
7.一种为权利要求1所述工艺而专门设计的生物质分级控温慢速热解系统，包括系统外壳(4)，其特征在于：系统外壳(4)的一端设置有外热气源进口(3)，系统外壳(4)的另一端设置有外热气源出口(29)，系统外壳(4)内位于外热气源进口(3)处设置有主换热器(15)，系统外壳(4)内在外热气源进口(3)和外热气源出口(29)之间并联设置有外热气源主通道(5)和外热气源旁通道(28)，外热气源主通道(5)和外热气源旁通道(28)上分别设置有可调节开闭程度的主通道挡板门(6)和旁通道挡板门(27)，外热气源主通道(5)内沿外热气源出口(29)至外热气源进口(3)方向依次串联布置有带螺旋输送装置的第一级至第五级热解器(7、9、10、12、13)，第一级至第五级热解器(7、9、10、12、13)之间分别由第一级至第四级次换热器(21、22、23、24)间隔开来，形成各级热解器和各级次换热器交错布置的结构；其中：第一级热解器(7)上设置有生物质进口(26)和第一级水蒸汽排放口(20)，第二级热解器(9)上设置有第二级水蒸汽排放口(19)，第五级热解器(13)上分别设置有木炭出口(14)和热解气出口(16)。
8.根据权利要求7所述的生物质分级控温慢速热解系统，其特征在于：所说的外热气源旁通道(28)内还设置有旁通道换热器(25)。
9.根据权利要求7或8所述的生物质分级控温慢速热解系统，其特征在于：所说的外热气源主通道(5)和外热气源旁通道(28)为垂直通道，所说的第一级至第五级热解器(7、9、10、12、13)自上而下依次蛇形串联、水平布置在上述垂直的外热气源主通道(5)内，所说的第一级至第四级次换热(21、22、23、24)为排管状结构，分别水平布置在各级热解器之间。
10.根据权利要求7或8所述的生物质分级控温慢速热解系统，其特征在于：所说的外热气源进口(3)直接与生物质气化炉(1)的高温合成气输出端相连，所说的热解气出口(16)直接与生物质气化炉(1)的热解气输入端相连，所说的木炭出口(14)通过木炭制粉装置(2)与生物质气化炉(1)的木炭粉输入端相连。
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