本发明属于生物质能利用技术领域，具体涉及一种生物质快速热解制取生物油的装置与方法。该装置包括料斗、进料系统、流化床快速热解反应器、气固分离系统、热焦炭燃烧换热系统、冷砂子加热系统、热解气快速冷凝系统、不可冷凝气循环系统；其中热焦炭燃烧换热系统包含多个旋风燃烧/换热器，用于实现焦炭的燃烧，并将燃烧释放的热量以及热焦炭和砂子的显热全部转移至燃烧高温烟气中；此外，冷砂子加热系统包含多个旋风换热器，将高温烟气的显热全部转移至砂子，从而获得高温砂子，返回流化床快速热解反应器中，提供热解反应所需的热量，从而实现自热式的生物质快速热解制取生物油。
1.一种生物质快速热解制取生物油的装置，包括料斗(1)、进料系统(2)、流化床快速热解反应器(3)、气固分离系统(4)、热焦炭燃烧换热系统(5)、冷砂子加热系统(6)、热解气快速冷凝系统(7)和不可冷凝气循环系统(8)，其特征在于：料斗(1)的出口与进料系统(2)的入口相连，进料系统(2)的出口与流化床快速热解反应器(3)的侧壁下端入口相连；流化床快速热解反应器(3)底部入口与不可冷凝气循环系统(8)的出口相连，上端出口与气固分离系统(4)的进口相连；气固分离系统(4)的出风口与热解气快速冷凝系统(7)的进口相连；热解气快速冷凝系统(7)的出口分为两路，一路直接收集作为燃气使用，另一路与不可冷凝气循环系统(8)的入口相连；
所述热焦炭燃烧换热系统(5)包括多个旋风燃烧换热器；所述的多个旋风燃烧换热器自上而下串联，该系统最上面为旋风燃烧换热器第一单元(I)，向下依次为旋风燃烧换热器第二单元(II)，直至旋风燃烧换热器最末单元(N)，其中，N为不小于2的整数；旋风燃烧换热器第一单元(I)的排料口与旋风燃烧换热器第二单元(II)的进口相连，旋风燃烧换热器第二单元(II)的出风口与旋风燃烧换热器第一单元(I)的进口相连；旋风燃烧换热器第二单元(II)的排料口与旋风燃烧换热器第三单元(III)的进口相连，旋风燃烧换热器第三单元(III)的出风口与旋风燃烧换热器第二单元(II)的进口相连，依次类推至旋风燃烧换热器最末单元(N)；旋风燃烧换热器第一单元(I)的进口还与气固分离系统(4)的排料口相连，旋风燃烧换热器第一单元(I)的出风口与冷砂子加热系统(6)中的旋风换热器第一单元(i)的进口相连；旋风燃烧换热器最末单元(N)的排料口与收集箱相连，直接收集冷砂子和灰，旋风燃烧换热器最末单元(N)的进口还与鼓风机相连，直接供入空气；
所述冷砂子加热系统(6)包括多个旋风换热器；所述的多个旋风换热器自下而上串联，该系统最下面为旋风换热器第一单元(i)，向上依次为旋风换热器第二单元(ii)，直至旋风换热器最末单元(n)，其中，n为不小于2的整数；旋风换热器第一单元(i)的出风口与旋风换热器第二单元(ii)的进口相连，旋风换热器第二单元(ii)的出料口与旋风换热器第一单元(i)的进口相连；旋风换热器第二单元(ii)的出风口与旋风换热器第三单元(iii)的进口相连，旋风换热器第三单元(iii)的出料口与旋风换热器第二单元(ii)的进口相连，依次类推至旋风换热器最末单元(n)；旋风换热器第一单元(i)的出料口还与流化床快速热解反应器(3)侧壁下端开口相连；旋风换热器最末单元(n)的进口还与供砂箱相连，直接供入冷砂子，旋风换热器最末单元(n)的出风口直接与大气相通，将冷烟气排入大气。
2.根据权利要求1所述的生物质快速热解制取生物油的装置，其特征在于：所述进料系统(2)为两级螺旋进料器。
3.根据权利要求1所述的生物质快速热解制取生物油的装置，其特征在于：所述流化床快速热解反应器(3)为快速流化床反应器。
4.根据权利要求1所述的生物质快速热解制取生物油的装置，其特征在于：所述气固分离系统(4)为旋风分离器。
5.根据权利要求1所述的生物质快速热解制取生物油的装置，其特征在于：所述热解气快速冷凝系统(7)为喷雾与降膜复合冷凝系统。
6.一种基于权利要求1-5任一项装置的生物质快速热解制取生物油的方法，其特征在于，具有以下步骤：
将生物质原料送入流化床快速热解反应器(3)，以来自不可冷凝气循环系统(8)的不可冷凝气为流化载气，以来自冷砂子加热系统(6)的热砂子为热载体，生物质在热砂子与流化载气的作用下，迅速受热分解；
高温热解产物首先进入气固分离系统(4)实现气固分离；
气固分离得到的固体进入热焦炭燃烧换热系统(5)，在多级旋风燃烧换热器中，气固分离得到的固体自上而下流动，冷空气自下而上流动，气固分离得到的固体通过燃烧和换热后，成为冷灰和砂子从旋风燃烧换热器最末单元(N)排出，冷空气则首先预热而后燃烧形成高温烟气；高温烟气进入冷砂子加热系统(6)中，在多级旋风换热器中，高温烟气自下而上流动将热量传递给冷砂子，冷砂子自上而下流动吸收热量而升温，成为热砂子，从旋风换热器最末单元(n)排出后进入流化床快速热解反应器(3)中；
气固分离得到高温气体产物，进入热解气快速热解冷凝系统(7)，经喷雾与降膜的复合冷凝后得到液体生物油，不可冷凝气从出口流出后分为两路，其中一路收集后作为燃气使用，另一路则经不可冷凝气循环系统(8)循环后送入流化床快速热解反应器(3)的底部入口，作为流化载气使用。
7.根据权利要求6所述的生物质快速热解制取生物油的方法，其特征在于：所述生物质原料为木质纤维素类生物质。
8.根据权利要求6所述的生物质快速热解制取生物油的方法，其特征在于：所述流化床快速热解反应器(3)中的反应温度为450-550℃，气相滞留时间为0.1～5s。
9.根据权利要求6所述的生物质快速热解制取生物油的方法，其特征在于：所述热焦炭燃烧换热系统(5)中的焦炭与空气燃烧的过量空气系数为1.0～1.3。
10.根据权利要求6所述的生物质快速热解制取生物油的方法，其特征在于：所述冷砂子加热系统(6)中热砂子的出口温度为550～800℃。
一种生物质快速热解制取生物油的装置与方法
技术领域
[0001] 本发明属于生物质能利用技术领域，具体涉及一种生物质快速热解制取生物油的装置与方法。
背景技术
[0002] 生物质快速热解液化是在无氧条件下，使生物质快速受热分解，而后对热解气迅速冷凝而主要获得液体产物生物油（产率可达70-80%），同时获得少量固体焦炭和可燃气两种副产物的过程。获得高产率生物油所需的反应条件一般包括：极快的加热速率、500℃左右的反应温度、不超过2 s的气相滞留时间、以及热解气的快速冷凝与收集等。生物油作为一种新型的液体产物，可望部分替代石油作为液体燃料应用于工业锅炉、窑炉和内燃机等热力设备，也可作为化工原料用于提取或制备各种化学品。
[0003] 针对生物质快速热解液化所需的反应条件，国内外各科研单位研发了多种不同类型生物质快速热解核心反应器以及相应的辅助设备，其中以流化床反应器的研究最多。生物质快速热解是一个吸热过程，需要源源不断地向反应器内提供热量；为了降低生物油的生产成本，一般采用热解固体或气体产物燃烧供热，从而实现自热式的快速热解液化过程；因此如何实现副产物的燃烧并向反应器内供热，是生物质快速热解制取生物油装置研制的一个核心问题。
[0004] 一般而言，通过热解副产物燃烧向热解反应器供热，主要有三种可行的方案：（1）副产物燃烧后加热热解反应器，通过固壁传热的方式供热；（2）副产物燃烧后加热载气，由载气将热量带入反应器；（3）副产物燃烧后加热热载体（砂子），由砂子将热量带入反应器。由于砂子具有很大的热容，依靠砂子很容易将大量的热量带入热解反应器，因此第（3）种方案是最有效的供热方案；但如何实现这一过程是亟待解决的一个技术难题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种生物质快速热解制取生物油的装置与方法。
[0006] 本发明所述的生物质快速热解制取生物油的装置采用的技术方案为：
[0007] 该装置包括料斗、进料系统、流化床快速热解反应器、气固分离系统、热焦炭燃烧换热系统、冷砂子加热系统、热解气快速冷凝系统和不可冷凝气循环系统；
[0008] 料斗的出口与进料系统的入口相连，进料系统的出口与流化床快速热解反应器的侧壁下端入口相连；流化床快速热解反应器底部入口与不可冷凝气循环系统的出口相连，上端出口与气固分离系统的进口相连；气固分离系统的出风口与热解气快速冷凝系统的进口相连；热解气快速冷凝系统的出口分为两路，一路直接收集作为燃气使用，另一路与不可冷凝气循环系统的入口相连；
[0009] 所述热焦炭燃烧换热系统包括多个旋风燃烧换热器；所述的多个旋风燃烧换热器自上而下串联，该系统最上面为旋风燃烧换热器第一单元，向下依次为旋风燃烧换热器第二单元，……，旋风燃烧换热器最末单元；旋风燃烧换热器第一单元的排料口与旋风燃烧换热器第二单元的进口相连，旋风燃烧换热器第二单元的出风口与旋风燃烧换热器第一单元的进口相连；旋风燃烧换热器第二单元的排料口与旋风燃烧换热器第三单元的进口相连，旋风燃烧换热器第三单元的出风口与旋风燃烧换热器第二单元的进口相连，依次类推至旋风燃烧换热器最末单元；旋风燃烧换热器第一单元的进口还与气固分离系统的排料口相连，旋风燃烧换热器第一单元的出风口与冷砂子加热系统中的旋风换热器第一单元的进口相连；旋风燃烧换热器最末单元的排料口与收集箱相连，直接收集冷砂子和灰，旋风燃烧换热器最末单元的进口还与鼓风机相连，直接供入空气；
[0010] 所述冷砂子加热系统包括多个旋风换热器；所述的多个旋风换热器自下而上串联，该系统最下面为旋风换热器第一单元，向上依次为旋风换热器第二单元，……，旋风换热器最末单元；旋风换热器第一单元的出风口与旋风换热器第二单元的进口相连，旋风换热器第二单元的出料口与旋风换热器第一单元的进口相连；旋风换热器第二单元的出风口与旋风换热器第三单元的进口相连，旋风换热器第三单元的出料口与旋风换热器第二单元的进口相连，依次类推至旋风换热器最末单元；旋风换热器第一单元的出料口还与流化床快速热解反应器侧壁下端开口相连；旋风换热器最末单元的进口还与供砂箱相连，直接供入冷砂子，旋风换热器最末单元的出风口直接与大气相通，将冷烟气排入大气。
[0011] 所述热焦炭燃烧换热系统至少包括两个旋风燃烧/换热器。
[0012] 所述冷砂子加热系统至少包括两个旋风换热器。
[0013] 所述进料系统为两级螺旋进料器。
[0014] 所述流化床快速热解反应器为快速流化床反应器。
[0015] 所述气固分离系统为旋风分离器。
[0016] 所述热解气快速冷凝系统为喷雾与降膜复合冷凝系统。
[0017] 本发明提供的基于所述装置的生物质快速热解制取生物油的方法，包括以下步骤：
[0018] 将生物质原料送入流化床快速热解反应器，以来自不可冷凝气循环系统的不可冷凝气为流化载气，以来自冷砂子加热系统的热砂子为热载体，生物质在热砂子与流化载气的作用下，迅速受热分解；
[0019] 高温热解产物首先进入气固分离系统实现气固分离；
[0020] 气固分离得到的固体进入热焦炭燃烧换热系统，在多级旋风燃烧换热器中，气固分离得到的固体自上而下流动，冷空气自下而上流动，气固分离得到的固体通过燃烧和换热后，成为冷灰和砂子从旋风燃烧换热器最末单元排出，冷空气则首先预热而后燃烧形成高温烟气；高温烟气进入冷砂子加热系统中，在多级旋风换热器中，高温烟气自下而上流动将热量传递给冷砂子，冷砂子自上而下流动吸收热量而升温，成为热砂子，从旋风换热器最末单元排出后进入流化床快速热解反应器中；
[0021] 气固分离得到高温气体产物，进入热解气快速热解冷凝系统，经喷雾与降膜的复合冷凝后得到液体生物油，不可冷凝气从出口流出后分为两路，其中一路收集后作为燃气使用，另一路则经不可冷凝气循环系统循环后送入流化床快速热解反应器的底部入口，作为流化载气使用。
[0022] 所述生物质原料为木质纤维素类生物质。
[0023] 所述流化床快速热解反应器中的反应温度为450-550℃，气相滞留时间为0.1~5s。
[0024] 所述热焦炭燃烧换热系统中的焦炭与空气燃烧的过量空气系数为1.0~1.3。
[0025] 所述冷砂子加热系统中热砂子的出口温度为550~800℃。
[0026] 本发明的有益效果为：
[0027] 本发明所述的生物质快速热解制取生物油的装置，基于热焦炭燃烧换热系统中的多个旋风燃烧/换热器，实现焦炭的完全燃烧，并将燃烧所释放的热量以及热焦炭和热砂子自身的显热，全部转移至高温烟气中；另外，基于冷砂子加热系统，又将高温烟气的全部显热，全部转移至砂子，而后通过砂子将热量带入流化床快速热解反应器中，实现生物质原料的快速热解反应。由此，利用热焦炭燃烧换热与冷砂子加热两个系统，可极大地实现能量的有效利用，而且通过对砂子的控制，可保证生物质快速热解反应器的稳定运行。
附图说明
[0028] 图1为本发明所述的生物质快速热解制取生物油的装置结构示意图；
[0029] 图中标号：
[0030] 1-料斗；2-进料系统；3-流化床快速热解反应器；4-气固分离系统；5-热焦炭燃烧换热系统；6-冷砂子加热系统；7-热解气快速冷凝系统；8-不可冷凝气循环系统。
具体实施方式
[0031] 本发明提供了一种生物质快速热解制取生物油的装置与方法，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0032] 各实施例中的装置结构相同，如图1所示。
[0033] 料斗1的出口与进料系统2的入口相连，进料系统2的出口与流化床快速热解反应器3的侧壁下端入口相连；流化床快速热解反应器3底部入口与不可冷凝气循环系统8的出口相连，上端出口与气固分离系统4的进口相连；气固分离系统4的出风口与热解气快速冷凝系统7的进口相连；热解气快速冷凝系统7的出口分为两路，一路直接收集作为燃气使用，另一路与不可冷凝气循环系统8的入口相连。
[0034] 所述热焦炭燃烧换热系统5包括多个旋风燃烧换热器；所述的多个旋风燃烧换热器自上而下串联，该系统最上面为旋风燃烧换热器第一单元I，向下依次为旋风燃烧换热器第二单元II，……，旋风燃烧换热器最末单元N，其中，N为不小于2的整数；旋风燃烧换热器第一单元I的排料口与旋风燃烧换热器第二单元II的进口相连，旋风燃烧换热器第二单元II的出风口与旋风燃烧换热器第一单元I的进口相连；旋风燃烧换热器第二单元II的排料口与旋风燃烧换热器第三单元III的进口相连，旋风燃烧换热器第三单元III的出风口与旋风燃烧换热器第二单元II的进口相连，依次类推至旋风燃烧换热器最末单元N；旋风燃烧换热器第一单元I的进口还与气固分离系统4的排料口相连，旋风燃烧换热器第一单元I的出风口与冷砂子加热系统6中的旋风换热器第一单元i的进口相连；旋风燃烧换热器最末单元N的排料口与收集箱相连，直接收集冷砂子和灰，旋风燃烧换热器最末单元N的进口还与鼓风机相连，直接供入空气。
[0035] 所述冷砂子加热系统6包括多个旋风换热器；所述的多个旋风换热器自下而上串联，该系统最下面为旋风换热器第一单元i，向上依次为旋风换热器第二单元ii，……，旋风换热器最末单元n，其中，n为不小于2的整数；旋风换热器第一单元i的出风口与旋风换热器第二单元ii的进口相连，旋风换热器第二单元ii的出料口与旋风换热器第一单元i的进口相连；旋风换热器第二单元ii的出风口与旋风换热器第三单元iii的进口相连，旋风换热器第三单元iii的出料口与旋风换热器第二单元ii的进口相连，依次类推至旋风换热器最末单元n；旋风换热器第一单元i的出料口还与流化床快速热解反应器3侧壁下端开口相连；旋风换热器最末单元n的进口还与供砂箱相连，直接供入冷砂子，旋风换热器最末单元n的出风口直接与大气相通，将冷烟气排入大气。
[0036] 进料系统2为两级螺旋进料器，流化床快速热解反应器3为快速流化床反应器，气固分离系统4为旋风分离器，热解气快速冷凝系统7为喷雾与降膜复合冷凝系统。
[0037] 下述实施例中的百分含量，如无特殊说明均为质量百分含量，s表示秒。
[0038] 实施例1
[0039] 采用上述装置制取生物油。将自然风干、平均粒径为3mm的杨木原料（水分含量为8%）经由料斗和两级螺旋进料器送入一内径为700mm、高度为3m的流化床快速热解反应器中，进料量为150kg/h；该流化床反应器以快速热解生成的不可冷凝气为流化载气，流量为
3
150Nm/h，以温度为600℃的砂子为热载体，流量为500kg/h；杨木热解反应温度为500℃，热解气的气相滞留时间约为3s；热解产物经气固分离后，气体产物进入喷雾与降膜复合冷凝系统中，经冷凝获得生物油，同时获得不可冷凝气体，两者的产率分别为60%和20%；不可
3 3
冷凝气体总量为180Nm/h，将其中150Nm/h作为载气循环使用。
[0040] 将气固分离得到的热砂子和焦炭送入含有4个旋风燃烧换热器的热焦炭燃烧换热系统，在过量空气系数为1.2的工况下进行燃烧与换热，最后排出70℃的砂子和灰的混合物，同时得到高温烟气；将该高温烟气送入含有3个旋风换热器的冷砂子加热系统，将进料量为500kg/h的砂子从室温加热至600℃，同时排出130℃的烟气。
[0041] 实施例2
[0042] 本事实例采用的装置结构与实施例1相同，以此装置制备生物油。以自然风干、平3
均粒径为3mm的松木为原料（水分含量为9%），进料量为150kg/h，流化载气流量为150Nm/h，砂子温度为620℃、流量为500kg/h；松木在流化床中的热解温度为510℃，热解气的气相滞留时间约为3s，生物油的产率为59%，不可冷凝气的产率为20%。热砂子和焦炭在过量空气系数为1.2的工况下进行燃烧换热，最后排出75℃的砂子和灰的混合物；同时高温烟气将500kg/h的砂子从室温加热至620℃，同时排出135℃的烟气。
[0043] 实施例3
[0044] 与实施例1采用的装置相比，冷砂子加热系统中旋风换热器个数改为4个，其余结构相同，以此装置制备生物油。以自然风干、平均粒径为3mm的稻壳为原料（水分含量3
为7.5%），进料量为150kg/h，流化载气流量为150Nm/h，砂子温度为610℃、流量为500kg/h；稻壳在流化床中的热解温度为505℃，热解气的气相滞留时间约为3s，生物油的产率为
50%，不可冷凝气的产率为21%。热砂子和焦炭在过量空气系数为1.3的工况下进行燃烧换热，最后排出70℃的砂子和灰的混合物；同时高温烟气将500kg/h的砂子从室温加热至
610℃，同时排出80℃的烟气。
[0045] 实施例4
[0046] 利用实施例3中所述的装置制取生物油。以自然风干、平均粒径为3mm的玉米3
秆为原料（水分含量为10.5%），进料量为150kg/h，流化载气流量为150Nm/h，砂子温度为
580℃、流量为500kg/h；玉米秆在流化床中的热解温度为475℃，热解气的气相滞留时间约为3s，生物油的产率为55%，不可冷凝气的产率为22%。热砂子和焦炭在过量空气系数为1.3的工况下进行燃烧换热，最后排出75℃的砂子和灰的混合物；同时高温烟气将500kg/h的砂子从室温加热至580℃，同时排出75℃的烟气。
