生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置

摘要

本发明公开了一种生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置。其中，组合式加料系统可保证生物质原料顺畅、稳定地进入反应器；采用喷动流化床作为热解反应器，可很好地满足生物质快速热解技术对高加热速率、良好的传热效果和短气相停留时间的要求；气固分离及炭收集系统可清洁热解气并收集副产品焦炭；直接接触和间接换热相结合的两级冷凝系统可实现生物油重质组分和轻质组分的分离，不仅可以提高生物油的产率和品质，同时也将制取液体燃料与提取化工产品结合起来，增加经济性；热解尾气循环系统可保证热解载气的连续供给，降低了装置运行成本，使得整套热解装置更便于工业放大。

权利要求

1.一种生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置，其特征在于：它包括加料系统、喷动流化床快速热解反应器、冷凝系统、热解尾气循环系统和加热系统，其中，加料系统中：料仓(1-1)内置机械破拱装置(1-2)，料仓(1-1)下接第一级螺旋加料器(1-3)，第一级螺旋加料器(1-3)的末端通过竖直管道接第二级螺旋加料器(1-4)，第二级螺旋加料器(1-4)另一端接喷动流化床快速热解反应器(2-1)，水冷套管(1-5)包覆于第二级螺旋加料器(1-4)与喷动流化床快速热解反应器(2-1)连接部分；

喷动流化床快速热解反应器(2-1)分别接喷动风入口(2-2)、流化风入口(2-3)、第一级旋风分离器(3-1)，以及经外部加热夹套(2-4)接燃烧器(6-1)；第一级旋风分离器(3-1)下部接第一级集炭箱(3-3)，第一级旋风分离器(3-1)上部与第二级旋风分离器(3-2)相接，第二级旋风分离器(3-2)的上部出口和下部分别接第一级冷凝器(4-1)下方侧面入口和第二级集炭箱(3-4)；

冷凝系统中：第一级冷凝器(4-1)底部出口接第一级储油罐(4-4)，第一级储油罐(44)与油泵(4-3)相连，油泵(4-3)另一端分别连接至第一级冷凝器(4-1)内部的第一级喷嘴(4-1-1)和第二级喷嘴(4-1-2)；第一级冷凝器(4-1)的顶部接至第二级冷凝器(4-2)上部入口，第二级冷凝器(4-2)分别与第二级储油罐(4-5)和尾气净化器(5-1)相连；

热解尾气循环系统中：尾气净化器(5-1)另一端接压缩机(5-2)，压缩机(5-2)的出口接储气罐(5-3)入口，储气罐(5-3)出口分别接燃烧器(6-1)和第一级螺旋加料器(1-3)末端竖直管顶部；

加热系统中：燃烧器(6-1)分别接外部加热夹套(2-4)、喷动风入口(2-2)、流化风入口(2-3)、储气罐(5-3)、油罐(6-2)和引风机(6-3)。

2.根据权利要求1所述的生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置，其特征在于：所述的喷动流化床快速热解反应器(2-1)，该反应器内温度控制在400～600℃，气相停留时间控制在2s以内。

3.根据权利要求1所述的生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置，其特征在于：第一级冷凝器(4-1)是喷淋冷凝器，其内部的第一级喷嘴(4-1-1)和第二级喷嘴(4-1-2)沿冷凝器竖直方向分上下两层布置；第二级冷凝器(4-2)是间接冷凝器；第二级冷凝器(4-2)出口的气体温度控制在40～70℃。

4.根据权利要求1所述的生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置，其特征在于：储气罐(5-3)出口的热解尾气一部分进入燃烧器(6-1)与高温烟气间接换热后，分别由喷动风入口(2-2)、流化风入口(2-3)进入喷动流化床快速热解反应器(2-1)；储气罐(5-3)中的热解尾气的一部分进入燃烧器(6-1)炉膛内辅助燃烧。

说明书

生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置

技术领域

[0001] 本发明涉及动力工程及工程热物理专业可再生能源利用领域。

背景技术

[0002] 中国每年产出的农林废弃物量相当可观，以农作物生产系统中最常见的副产品秸秆为例，2010年的年产量预计将达到7.26亿吨，相当于3.5亿吨标准煤。目前秸秆的使用主要在牲畜饲料和农村生活用能两大方面，其中秸秆用于农村生活用能的比例约占45％。此外，中国每年的薪材量也非常可观。根据国务院批准的“十一五”期间森林采伐限额，全国每年采伐指标为2.48亿立方米，换算成生物量约为2.91亿吨，每年可产生采伐剩余物生物量1.09亿吨。因此，高效利用秸秆等农林废弃物对于解决农村用能问题具有重要意义。同时农林废弃物由于其含硫和灰分量均较小，是一种清洁的能源资源。另外，由于大量排放的CO2在大气层中不断积累而导致“温室效应”所引起的负面影响也已引起了世界各国的高度重视，其中80％的CO2排放量是与化石燃料的燃烧密切相关的。而农林废弃物具有CO2零排放的特点，能有效缓解日益严重的“温室效应”，这对于中国作为世界第二大CO2排放大国更具有重要意义。

[0003] 当前，涉及农林废弃物的能源转换利用技术很多，大致有直接燃烧、热化学转换、生化转换等。其中，快速热解技术是在惰性气氛和中等温度(400~600℃)，高加热速率3 4
(10~10℃/s)以及短气相停留时间(＜2s)的条件下，将生物质快速受热裂解，产生的挥发份经过快速冷凝得到生物油的技术。它能够以连续的工艺和工厂化的生产方式将农林废弃物转化为易储存、易运输、能量密度高且使用方便的生物油。得到的生物油不仅可以直接用于燃烧，而且可通过进一步加工为可替代柴油或汽油的动力燃料，也可以从中提取具有商业价值的化工产品。因此，生物质快速热解技术研究得到了世界各国的高度重视。加拿大、美国、澳大利亚等国已开始生物质快速热解的商业化运行，其中加拿大的Dynamotive公司已建成日处理量为200吨的生物质快速热解工厂。目前，国内的东南大学、中国科技大学、浙江大学、华东理工大学、中国科学院广州能源所、山东理工大学、安徽易能生物能源有限公司等都在纷纷进行生物质快速热解技术的开发。

发明内容

[0004] 技术问题：本发明的目的是提供一种生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置，解决目前生物质快速热解技术存在的多方面问题：

[0005] (1)生物质原料堆积密度小、易架桥，如何保证加料的稳定性和连续性是亟待解决的问题。

[0006] (2)生物质快速热解需要满足高加热速率、良好的传热效果和短气相停留时间的要求。已有的技术中机械式热解反应器设备庞大，运行维护成本较高。间接式反应器热源的局限性限制了其规模化应用。

[0007] (3)目前普遍采用的直接喷淋冷凝能实现热裂解气体的快速冷凝，对冷凝生物油这样的宽沸点混合物十分有效。但仅使用直接喷淋冷凝得到的生物由组分相当复杂，生物油的燃料品质无法提高，同时也增加了从生物油中提取化工产品的工艺难度和经济性。

[0008] (4)混合式热解反应器的载气需求量大，同时生物质快速热解产生的尾气会对环境造成二次污染，因此亟待解决载气来源和尾气污染的问题。

[0009] 技术方案：本发明由组合式加料系统、载气预热系统、喷动流化床快速热解反应器、气固分离及炭收集系统、分级冷凝系统以及热解尾气循环系统组成的。该装置用组合式加料系统将生物质原料送入喷动流化床快速热解反应器中，而载气经载气预热系统加热后进入喷动流化床快速热解反应器，使反应器内发生剧烈的传热传质过程，生物质原料迅速受热裂解，产生挥发分和焦炭，挥发分、焦炭和载气一起经气固分离及炭收集系统去除焦炭颗粒后进入分级冷凝系统，在直接间接相结合的冷凝方式作用下，其可冷凝部分被充分冷凝成生物油。热解尾气的一部分经处理排入大气，另一部分则经过热解尾气循环系统中尾气清洁器清洗和压缩机增压后，分别进入载气预热系统作为载气和燃烧器辅助燃烧。

[0010] 本发明的具体结构为：生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置包括加料系统、快速热解反应器、冷凝系统、热解尾气循环系统和加热系统，其中，[0011] 加料系统中：料仓内置机械破拱装置，料仓下接第一级螺旋加料器，第一级螺旋加料器的末端通过竖直管道接第二级螺旋加料器，第二级螺旋加料器另一端接喷动流化床快速热解反应器，水冷套管包覆于第二级螺旋加料器与喷动流化床快速热解反应器连接部分；

[0012] 喷动流化床快速热解反应器分别接喷动风入口、流化风入口、第一级旋风分离器，以及经外部加热夹套接燃烧器；第一级旋风分离器下部接第一级集炭箱，第一级旋风分离器上部与第二级旋风分离器相接，第二级旋风分离器的上部出口和下部分别接第一级冷凝器下方侧面入口和第二级集炭箱；

[0013] 冷凝系统中：第一级冷凝器底部出口接第一级储油罐，第一级储油罐与油泵相连，油泵另一端分别连接至第一级冷凝器内部的第一级喷嘴和第二级喷嘴；第一级冷凝器的顶部接至第二级冷凝器上部入口，第二级冷凝器分别与第二级储油罐和尾气净化器相连；

[0014] 热解尾气循环系统中：尾气净化器另一端接压缩机，压缩机的出口接储气罐入口，储气罐出口分别接燃烧器和第一级螺旋加料器末端竖直管顶部；

[0015] 加热系统中：燃烧器分别接外部加热夹套、喷动风入口、流化风入口、储气罐、油罐和引风机。

[0016] 快速热解反应器采用喷动流化床技术，反应器内温度控制在400~600℃，气相停留时间控制在2s以内。

[0017] 第一级冷凝器是喷淋冷凝器，其内部的第一级喷嘴和第二级喷嘴沿冷凝器竖直方向分上下两层布置；第二级冷凝器是间接冷凝器；第二级冷凝器出口的气体温度控制在40~70℃。

[0018] 储气罐出口的热解尾气一部分进入燃烧器与高温烟气间接换热后，分别由喷动风入口、流化风入口进入喷动流化床快速热解反应器；储气罐中的热解尾气的一部分进入燃烧器炉膛内辅助燃烧。

[0019] 有益效果：本申请是在上述技术基础上研究开发出的一种新型生物质快速热解装置，它具有许多突出的优点：(1)采用组合式加料系统，将机械破拱、气力松动、螺旋给料相结合，能够最大限度地保证加料的顺畅和稳定。(2)由于采用喷动流化床作为生物质快速热解的反应器，反应器内介质循环速度快，传热传质效果好，能很好地满足生物质快速裂解的三个基本原则，即高加热速率、良好的传热效果和短气相停留时间的要求，保证了热解液体产物的产率和品质。(3)针对生物质热解气成分复杂、冷凝需在一个温度范围内进行的特点，冷凝系统采用第一级喷淋急冷和第二级间接冷却的两级冷凝方式，能够保证生物质热解气的充分冷凝，并可通过调整喷淋介质和间接换热介质的流量来控制两级冷凝器的冷凝温度，从而实现生物油重质组分和轻质组分的分离，不仅可以提高生物油的产率和品质，同时也将能源利用与提取化工产品结合起来。(4)采用热解尾气循环系统，可实现载气的循环利用，不但减轻了对环境的影响，而且降低了运行成本，使得整套热解装置更便于工业放大。

附图说明

[0020] 图1是本发明的结构示意图。

[0021] 其中有：料仓1-1、机械破拱装置1-2、第一级螺旋加料器1-3、第二级螺旋加料器1-4、水冷套管1-5、喷动流化床快速热解反应器2-1、喷动风入口2-2、流化风入口2-3、加热夹套2-4、第一级旋风分离器3-1、第二级旋风分离器3-2、第一级集炭箱3-3、第二级集炭箱3-4、第一级冷凝器4-1、第一级喷嘴4-1-1、第二级喷嘴4-1-2、第二级冷凝器4-2、油泵
4-3、第一级储油罐4-4、第二级储油罐4-5、尾气净化器5-1、压缩机5-2、储气罐5-3、燃烧器
6-1、燃烧器油罐6-2、引风机6-3。

[0022] 具体实施方是式

[0023] 本发明的具体实施方案如下：

[0024] 它包括加料系统、快速热解反应器、冷凝系统、热解尾气循环系统和加热系统，其中，

[0025] 加料系统中：料仓1-1内置机械破拱装置1-2，料仓1-1下接第一级螺旋加料器1-3，第一级螺旋加料器1-3的末端通过竖直管道接第二级螺旋加料器1-4，第二级螺旋加料器1-4另一端接喷动流化床快速热解反应器2-1，水冷套管1-5包覆于第二级螺旋加料器
1-4与喷动流化床快速热解反应器2-1连接部分；

[0026] 喷动流化床快速热解反应器2-1分别接喷动风入口2-2、流化风入口2-3、第一级旋风分离器3-1，以及经外部加热夹套2-4接燃烧器6-1；第一级旋风分离器3-1下部接第一级集炭箱3-3，第一级旋风分离器3-1上部与第二级旋风分离器3-2相接，第二级旋风分离器3-2的上部出口和下部分别接第一级冷凝器4-1下方侧面入口和第二级集炭箱3-4；

[0027] 冷凝系统中：第一级冷凝器4-1底部出口接第一级储油罐4-4，第一级储油罐4-4与油泵4-3相连，油泵4-3另一端分别连接至第一级冷凝器4-1内部的第一级喷嘴4-1-1和第二级喷嘴4-1-2；第一级冷凝器4-1的顶部接至第二级冷凝器4-2上部入口，第二级冷凝器4-2分别与第二级储油罐4-5和尾气净化器5-1相连；

[0028] 热解尾气循环系统中：尾气净化器5-1另一端接压缩机5-2，压缩机5-2的出口接储气罐5-3入口，储气罐5-3出口分别接燃烧器6-1和第一级螺旋加料器1-3末端竖直管顶部；

[0029] 加热系统中：燃烧器6-1分别接外部加热夹套2-4、喷动风入口2-2、流化风入口2-3、储气罐5-3、油罐6-2和引风机6-3。

[0030] 将生物质原料加入料仓1-1内。料仓内安装有机械破拱装置1-2，可避免物料在料仓内出现架桥现象。生物质原料由料仓向下进入两级螺旋加料装置，第一级螺旋1-3的作用是保证物料的定量供给，第二级螺旋1-4则防止物料受热堵塞反应器加料口。在第一、二级螺旋间增加下料风保证第一级螺旋末端物料顺利进入第二级螺旋。在第二级螺旋末端加装水冷套管1-5，进一步降低发生堵塞的可能性。生物质原料由第二级螺旋进入喷动流化床快速热解反应器2-1。喷动流化床快速热解反应器2-1使用60°锥形布风方式，反应器所需热量来自反应器外部夹套2-4中高温烟气的换热。经过预热的喷动风和流化风分别由喷动流化床快速热解反应器2-1底部的喷动风入口2-2和流化风入口2-3进入反应器内部。喷动流化床快速热解反应器2-1内温度控制在400~600℃，气相停留时间保证在2s以内，生物质原料在反应器发生快速热解，产生的热解气由喷动流化床快速热解反应器2-1顶部出口进入两级旋风分离器，经离心分离下的焦炭颗粒下落进入集炭箱。除去焦炭颗粒后的热解气继续进入第一级冷凝器4-1，第一级冷凝器4-1采用直接喷淋的方式，自下到上设有两组喷嘴，热解气由下而上经过两组喷嘴喷淋，可冷凝部分被冷凝成液体向下流入第一级储油罐4-4，第一级储油罐4-4下部侧面接油泵4-3，部分液体生物油被油泵4-3抽回至喷嘴充当喷淋介质。热解气由第一级冷凝器上部出口进入第二级冷凝器4-2，第二级冷凝器4-2采用间接冷凝的方式，冷凝下的液体产物向下进入第二级储油罐4-5。第二级冷凝器4-2出口的热解尾气温度在40~70℃。通过调节喷淋介质和间接换热介质的流量来控制两级冷凝器的冷凝温度的分级冷凝方式可实现生物油重质组分和轻质组分的分离，不仅可以提高生物油的产率和品质，同时也将能源利用与提取化工产品结合起来。冷凝后得到的热解尾气一部分经过处理后排入大气，另一部分则经过尾气净化器5-1清洗和压缩机5-2增压后进入储气罐5-3。从储气罐5-3引出四路气体，其中一路连接加料系统的下料风，一路作为喷动风经燃烧器6-1预热后进入喷动流化床快速热解反应器2-1底部的喷动风入口2-2，一路作为流化风经流化燃烧器6-1预热后进入喷动流化床快速热解反应器2-1下部侧面的流化风入口2-3，一路进入燃烧室6-1参加燃烧，提供热量。