一种生物质热解气分级冷凝工艺及其装置的制作方法

本发明属于再生能源利用技术领域，具体涉及一种生物质热解气分级冷凝工艺及其装置。

背景技术

随着世界经济的发展，能源的消耗量越来越大，进一步开发和使用可再生资源已然是我国的当务之急。生物质能源是除煤炭、石油、天然气之外的第四大能源，也是四者中唯一的可再生能源。生物质能源的有效利用对于我国经济社会的可持续发展具有重要的战略意义。

目前，生物质热解是有效利用生物质能源最有效方式之一，其是直接热解生物质产生热解气和固态产物(如生物质炭)，在该热解工艺中，热解气的冷却方式非常关键，这直接影响到液体产物生物油的收集率。

对上述生物质热解气常用的冷却方式主要有以喷淋冷却为主的直接换热方式和以管壳换热冷却为主的间接换热方式。对于喷淋冷却方式来说，良好的换热效果要求有足够的换热面积，生物油雾化液滴很难与热解气充分有效接触，再加之部分细小生物油雾滴会随不可冷凝气体排出，致使热解气快速冷却效果较差，降低了生物油收集率；而对于管壳换热冷却来说，由于采取间接换热方式，良好的热解气冷却效果难以保证，另外冷却产生的生物油容易与热解气中携带的炭灰发生凝聚并粘附于换热壁表面，造成换热效果变差，严重时甚至堵塞管道，并且重质冷凝物难以清除。

上述热解气冷凝方式存在的缺陷在很大程度上影响了生物质热解液化制油成本，制约了现有技术的工业化应用。因此如何提高热解气的冷凝效果，有效分离热解气中的各组分，同时不会堵塞管道是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题现有热解气的冷凝方式存在冷凝效果差、不能有效分离热解气中的各组分，同时在冷凝过程中易堵塞管道的缺陷，从而提出了一种冷凝效果好、能有效分离热解气中的各组分，同时不易堵塞管道的生物质热解气分级冷凝工艺及其装置。

为此，本申请采取的技术方案为，

一种生物质热解气分级冷凝工艺，将生物质热解气与冷激气进行至少两次直接混合，进行急冷，分步冷凝出所述生物质热解气中的可冷凝物质。

进一步地，在所述急冷之后，还包括对所述生物质热解气进行至少一次冷凝的步骤。

进一步地，所述冷激气为分步冷凝后所述生物质热解气中未冷凝下来气体。

进一步地，其特征在于，所述生物质热解气中未冷凝下来气体的温度为-30～50℃。

进一步地，包括如下步骤：

(1)将生物质热解气与一次冷激气直接混合，进行第一次急冷，收集一次急冷气体，并得到重质生物油，该重质生物油即为生物沥青油；

(2)将所述一次急冷气体与二次冷激气直接混合，进行第二次急冷，收集二次急冷气体，并冷凝得到轻质生物油，该轻质生物油即为木酚油；

(3)对所述二次急冷气体进行至少一次水冷，得到木醋液。

进一步地，还包括收集水冷后得到的冷气，并将所述冷气部分回用于步骤(1)和(2)中作为冷激气，剩余部分引出作为生物质气。

进一步地，步骤(1)中，所述生物质热解气与所述一次冷激气的流量之比为(3～40)：(10～100)；

所述第一次急冷的温度为150～400℃。

进一步地，步骤(1)中，所述生物质热解气的压力为-30～30kpa、温度为300～550℃，优选为压力为-30～15kpa、温度为300～500℃；

所述一次冷激气的压力为-30～30kpa、温度为20～50℃。

进一步地，步骤(2)中，所述一次急冷气体与所述二次冷激气的流量之比为(13～140)：(20～300)；

所述第二次急冷的温度为80～200℃，优选为80～150℃，最优选为120℃。

进一步地，所述二次冷激气的压力为-30～30kpa、温度为20～50℃。

进一步地，步骤(3)中，所述水冷的温度为-30～80℃。此处的水冷温度若在0-80℃时，可直接采用纯水，当然也可采用乙二醇和水的混合物、盐水等；当水冷温度若在-30-0℃时，采用乙二醇和水的混合物、盐水等。

所述水冷为间接冷却。

进一步地，所述水冷包括一级水冷和二级水冷，所述一级水冷的温度为40～80℃，所述二级水冷的温度为-30～40℃。

进一步地，在所述第二次急冷之后，所述水冷之前，还包括对所述二次急冷气体进行至少一次第三次急冷的步骤；和/或，

在所述水冷之后，还包括对水冷后的气体进行气液分离的步骤；和/或，

所述水冷后的气体的流量与所述一次急冷气体的流量之比(0.5～10)：(13～140)。

此外，本发明还提供了一种生物质热解气分级冷凝装置，包括

冷凝气冷凝系统，包括至少两级依次连通的冷激气冷凝单元，所述冷激气冷凝单元包括壳体、沿所述壳体轴线方向间隔设置于其内壁上的若干折流板、设置于所述壳体下部的热解气进口、套设于所述热解气进口内的冷激气出口以及设置于所述壳体上部的热解气出口；

水冷系统，包括至少一级水冷单元，所述水冷系统与所述冷凝气冷凝系统连通，以对经过所述冷激气冷凝单元冷凝后的生物质热解气进行水冷，所述水冷单元的上部开设有气体出口，所述气体出口与所述冷激气出口连通。

进一步地，还包括输气装置，设置于所述气体出口与所述冷激气出口之间，以将从所述气体出口出来的冷气送至所述冷激气出口，并通过所述冷激气出口喷入所述冷激气冷凝单元内对所述生物质热解气进行急冷。

进一步地，还包括热解气进口段，与所述热解气进口连通并设置于所述壳体外壁上；

冷激气进口段，包括冷激气进口和所述冷激气出口，所述冷激气进口段套设于所述热解气进口段内。

进一步地，所述热解气进口段轴线与所述壳体外壁间锐夹角为45～65°；

所述冷激气出口和所述热解气进口间间距l与所述热解气进口段内径d的关系为：3d≤l≤5d。

进一步地，所述折流板垂直于所述壳体水平布置；

所述热解气进口段靠近所述壳体顶部倾斜设置；

所述壳体底部设置液体出口。

进一步地，还包括过滤单元，靠近所述热解气出口与其连通设置，以对从所述热解气出口出来的生物质热解气进行过滤；

若干喷嘴，靠近所述冷激气出口与其连通设置，以所述冷气通过所述喷嘴喷射于所述壳体内。

进一步地，还包括气液分离单元，设置与所述水冷系统与所述输气装置之间，所述水冷系统中的热解气出口与所述气液分离单元的下部连通，所述输气装置与所述气液分离单元的上部连通。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的生物质热解气分级冷凝工艺，首次将生物质热解气与冷激气进行至少两次混合，进行急冷，分步冷凝出所述生物质热解气中的可冷凝物质，气气直接混合换热充分，能快速将生物质热解气内的相应组分冷凝下来变为液体，并从系统中引出，液体不会凝聚在冷凝单元上，更不会堵塞管道。

2.本发明提供的生物质热解气分级冷凝工艺，将生物质热解气与冷激气直接混合进行至少两次急冷，气气直接混合换热充分，能快速将生物质热解气内的相应组分冷凝下来变为液体，并从系统中引出，液体不会凝聚在冷凝单元上，更不会堵塞管道，具体地，通过第一次急冷将生物质热解气中的生物质沥青冷凝下来，通过第二次急冷将生物质热解气中的木酚油冷凝下来，最后通过水冷将生物质热解气中的木醋液冷却下来，实现生物质热解气中相应组分的有效分离，得到主要由co、ch4、co2、h2、n2组成的不凝性气体占主体地位的生物质气，同时生物质气经过前续冷凝和水冷后，温度较低，可回用到前续工艺作为冷激气，大大降低了生产成本，逐步得到不凝性气体占比越来越高的生物质气。

3.本发明提供的生物质热解气分级冷凝装置，通过设置至少两级依次连通的冷激气冷凝单元，并在其壳体内沿所述壳体轴线方向间隔设置于其内壁上的若干折流板，延长了生物质热解气与冷激气换热时间，增大了两者的换热面积，最终提高了换热效果；通过将冷激气出口套设于所述热解气进口内，使生物质热解气与冷激气直接混合，换热面积大，换热充分，能瞬间将生物质热解气内的相应组分冷凝下来变为液体，并从系统中引出，液体不会凝聚在冷凝单元上，更不会堵塞管道；通过水冷系统对生物质热解气进一步降温并回收其中的木醋液；从水冷单元出来的气体可进入前续冷激气冷凝单元中作为冷激气，大大降低了生产成本，逐步得到不凝性气体占比越来越高的生物质气。

4.本发明提供的生物质热解气分级冷凝装置，热解气进口段轴线与壳体外壁间锐夹角为45～65°、冷激气出口和热解气进口间间距l与热解气进口段内径d的关系为：3d≤l≤5d，上述设置均能使生物质热解气与冷激气充分混合，有效实现急冷效果，同时避免冷激气出口和热解气进口出现堵塞情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中生物质热解气分级冷凝装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中冷激气冷凝单元的结构侧视图；

其中附图标记表示为：

1-一级冷激气冷凝单元；1-0-壳体；1-1-热解气进口；1-2-热解气出口；1-3-液体出口；1-4-折流板；2-二级冷激气冷凝单元；3-水冷单元；4-气液分离单元；5-一级输气装置；6-二级输气装置。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种生物质热解气分级冷凝工艺，包括如下步骤：

(1)收集生物质热解气，该生物质热解气包括不凝性气体和以蒸汽形式存在的代表组分，所述不凝性气体为co、ch4、co2、h2、n2，所述以蒸汽形式存在的代表组分为水、醋酸、苯酚、甲氧基苯酚、蒽和糠醛；

该生物质热解气的密度为1.1g/l、平均分子量mv为45、温度为450℃，具体组成((vol％)为：co为15.8、ch4为7.8、co2为17.3、h2为4.0、n2为2.4、h2o为45.0、c2+为7.7；

(2)将生物质热解气以30m³/h的流量、0kpa的压力通入一级冷激气冷凝单元1中，将温度为40℃的一次冷激气以40m³/h的流量、0kpa的压力通入一级冷激气冷凝单元1中，与生物质热解气直接混合，于250℃下进行第一次急冷，收集一次急冷气体，并得到生物沥青油；

(3)将一次急冷气体以70m³/h的流量通入二级冷激气冷凝单元2中，将温度为40℃的二次冷激气以190m³/h的流量、0kpa的压力通入二级冷激气冷凝单元2中，与一次急冷气体直接混合，于110℃下进行第二次急冷，收集二次急冷气体，并冷凝得到木酚油；

(4)将所述二次急冷气体通入水冷单元3中，于50℃下水冷，得到木醋液，该木醋液中醋酸含量高达99％以上，木醋液透明，并收集水冷后得到的冷气；

(5)将水冷后得到的冷气以2m³/h的流量通入气液分离单元4中进行气液分离，并将收集到的气体，该气体的密度为1.3g/l，mv为31，其包括不凝性气体和以蒸汽形式存在的代表组分，所述不凝性气体为co、ch4、co2、h2、n2；所述以蒸汽形式存在的代表组分为水、微量醋酸，具体组成(vol％)为：co为32、ch4为15.7、co2为35、h2为8.13、n2为5、h2o为2.84、c2+为1.33；将该气体通过一级输气装置1和二级输气装置2输送至一级冷激气冷凝单元1或二级冷激气冷凝单元2中作为一次冷激气或二次冷激气。

实施例2

本实施例提供了一种生物质热解气分级冷凝工艺，包括如下步骤：

(1)收集生物质热解气，该生物质热解气包括不凝性气体和以蒸汽形式存在的代表组分，所述不凝性气体为co、ch4、co2、h2、n2，所述以蒸汽形式存在的代表组分为水、醋酸、苯酚、甲氧基苯酚、蒽和糠醛；

该生物质热解气的密度为1.2g/l、mv为46、温度为500℃，具体组成((vol％)为：co为16.1、ch4为7.7、co2为17.5、h2为4.2、n2为2.6、h2o为43.0、c2+为8.9；

(2)将生物质热解气以40m³/h的流量、-30kpa的压力通入一级冷激气冷凝单元1中，将温度为50℃的一次冷激气以10m³/h的流量、30kpa的压力通入一级冷激气冷凝单元1中，与生物质热解气直接混合，于400℃下进行第一次急冷，收集一次急冷气体，并得到生物沥青油；

(3)将一次急冷气体以50m³/h的流量通入二级冷激气冷凝单元2中，将温度为50℃的二次冷激气以300m³/h的流量、-30kpa的压力通入二级冷激气冷凝单元2中，与一次急冷气体直接混合，于150℃下进行第二次急冷，收集二次急冷气体，并冷凝得到木酚油；

(4)将所述二次急冷气体先于60℃下进行一级水冷，再于25℃下进行二级水冷，得到木醋液，该木醋液中醋酸含量高达99％以上，并收集水冷后得到的冷气；

(6)将水冷后得到的冷气以10m³/h的流量通入气液分离单元4中进行气液分离，并将收集到的气体，该气体的密度为1.4g/l，mv为30，其包括不凝性气体和以蒸汽形式存在的代表组分，所述不凝性气体为co、ch4、co2、h2、n2；所述以蒸汽形式存在的代表组分为水、微量醋酸，具体组成(vol％)为：co为32、ch4为14.12、co2为36、h2为8.26、n2为5.1、h2o为2.15、c2+为1.17；将该气体通过一级输气装置1和二级输气装置2输送至一级冷激气冷凝单元1或二级冷激气冷凝单元2中作为一次冷激气或二次冷激气。

实施例3

本实施例提供了一种生物质热解气分级冷凝工艺，包括如下步骤：

(1)收集生物质热解气，该生物质热解气包括不凝性气体和以蒸汽形式存在的代表组分，所述不凝性气体为co、ch4、co2、h2、n2，所述以蒸汽形式存在的代表组分为水、醋酸、苯酚、甲氧基苯酚、蒽和糠醛；

该生物质热解气的密度为1.15g/l、mv为45.4、温度为300℃，具体组成((vol％)为：co为16.0、ch4为7.9、co2为16.2、h2为4.1、n2为2.7、h2o为45.1、c2+为8.0；

(2)将生物质热解气以5m³/h的流量、30kpa的压力通入一级冷激气冷凝单元1中，将温度为20℃的一次冷激气以100m³/h的流量、-30kpa的压力通入一级冷激气冷凝单元1中，与生物质热解气直接混合，于150℃下进行第一次急冷，收集一次急冷气体，并得到生物沥青油；

(3)将一次急冷气体以140m³/h的流量通入二级冷激气冷凝单元2中，将温度为20℃的二次冷激气以50m³/h的流量、30kpa的压力通入二级冷激气冷凝单元2中，与一次急冷气体直接混合，于80℃下进行第二次急冷，收集二次急冷气体，并冷凝得到木酚油；

(4)将所述二次急冷气体先于70℃下进行一级水冷，再于20℃下进行二级水冷，得到木醋液，该木醋液中醋酸含量高达99％以上，并收集水冷后得到的冷气；

(5)将水冷后得到的冷气以0.5m³/h的流量通入气液分离单元4中进行气液分离，并将收集到的气体，该气体的密度为1.21g/l，mv为29，其包括不凝性气体和以蒸汽形式存在的代表组分，所述不凝性气体为co、ch4、co2、h2、n2；所述以蒸汽形式存在的代表组分为水、微量醋酸，具体组成(vol％)为：co为32、ch4为14.0、co2为37、h2为8.19、n2为5.4、h2o为2.21、c2+为1.20；将该气体通过一级输气装置1和二级输气装置2输送至一级冷激气冷凝单元1或二级冷激气冷凝单元2中作为一次冷激气或二次冷激气。

实施例4

本实施例提供了一种生物质热解气分级冷凝工艺，包括如下步骤：

(1)收集生物质热解气，该生物质热解气包括不凝性气体和以蒸汽形式存在的代表组分，所述不凝性气体为co、ch4、co2、h2、n2，所述以蒸汽形式存在的代表组分为水、醋酸、苯酚、甲氧基苯酚、蒽和糠醛；

该生物质热解气的密度为1.3g/l、mv为48、温度为550℃，具体组成((vol％)为：co为17、ch4为8、co2为18、h2为4.8、n2为3.5、h2o为39.6、c2+为9.1；

(2)将生物质热解气以20m³/h的流量、15kpa的压力通入一级冷激气冷凝单元1中，将温度为3℃的一次冷激气以90m³/h的流量、20kpa的压力通入一级冷激气冷凝单元1中，与生物质热解气直接混合，于300℃下进行第一次急冷，收集一次急冷气体，并得到生物沥青油；

(3)将一次急冷气体以120m³/h的流量通入二级冷激气冷凝单元2中，将温度为3℃的二次冷激气以300m³/h的流量、10kpa的压力通入二级冷激气冷凝单元2中，与一次急冷气体直接混合，于200℃下进行第二次急冷，收集二次急冷气体，并冷凝得到木酚油；

(4)将二次急冷气体以50m³/h的流量通入三级冷激气冷凝单元中，将温度为3℃的三次冷激气以80m³/h的流量、5kpa的压力通入三级冷激气冷凝单元中，与二次急冷气体直接混合，于100℃下进行第二次急冷，收集三次急冷气体；

(5)将所述三次急冷气体通入水冷单元3中，于30℃下水冷，得到木醋液，该木醋液中醋酸含量高达99％以上，并收集水冷后得到的冷气；

(6)将水冷后得到的冷气以2m³/h的流量通入气液分离单元4中进行气液分离，并将收集到的气体，该气体的密度为1.5g/l，mv为27，其包括不凝性气体和以蒸汽形式存在的代表组分，所述不凝性气体为co、ch4、co2、h2、n2；所述以蒸汽形式存在的代表组分为水、微量醋酸，具体组成(vol％)为：co为32.54、ch4为15.7、co2为35、h2为8.13、n2为5、h2o为2.38、c2+为1.25；将该气体通过一级输气装置1和二级输气装置2输送至一级冷激气冷凝单元1、二级冷激气冷凝单元2或三级冷激气冷凝单元中作为一次冷激气、二次冷激气或三次冷激气，其余部分气体引出作为生物质气。

实施例5

本实施例提供了一种生物质热解气分级冷凝装置，如图1所示，包括冷凝气冷凝系统，包括至少两级依次连通的冷激气冷凝单元，如在本实施例中，冷凝气冷凝系统由一级冷激气冷凝单元1和二级冷激气冷凝单元2组成，冷激气冷凝单元包括壳体1-0、沿壳体1-0轴线方向间隔设置于其内壁上的若干折流板1-4、更具体地，相邻的两个折流板1-4彼此相对设置，设置于壳体1-0下部的热解气进口1-1、套设于热解气进口1-1内的冷激气出口以及设置于壳体1-0上部的热解气出口1-2；在本实施例中，折流板垂直于壳体1-0水平布置；壳体1-0底部设置液体出口；如图2所示，热解气出口1-2为两个，左右设置于壳体1-0的顶端；

水冷系统，包括至少一级水冷单元3，如在本实施例中，水冷单元3为一级，可采用列管式换热器，换热面积为10m²，列管dn为25mm，l直管段为2000mm，管内承压为1mpa，水冷系统与所述冷凝气冷凝系统连通，以对经过冷激气冷凝单元冷凝后的生物质热解气进行水冷，水冷单元3的上部开设有气体出口，气体出口与冷激气出口连通。

上述生物质热解气分级冷凝装置中，通过设置至少两级依次连通的冷激气冷凝单元，并在其壳体1-0内沿壳体1-0轴线方向间隔设置于其内壁上的若干折流板1-4，延长了生物质热解气与冷激气换热时间，增大了两者的换热面积，最终提高了换热效果；通过将冷激气出口套设于热解气进口1-1内，使生物质热解气与冷激气直接混合，换热面积大，换热充分，能瞬间将生物质热解气内的相应组分冷凝下来变为液体，并从系统中引出，液体不会凝聚在冷凝单元上，更不会堵塞管道；通过水冷系统对生物质热解气进一步降温并回收其中的木醋液；从水冷单元出来的气体可进入前续冷激气冷凝单元中作为冷激气，大大降低了生产成本，逐步得到不凝性气体占比越来越高的生物质气。

如图1所示，为了将从气体出口出来的冷气送至冷激气出口，并通过冷激气出口喷入冷激气冷凝单元内对生物质热解气进行急冷，还包括输气装置，设置于气体出口与冷激气出口之间，具体地，输气装置包括一级输气装置5和二级输气装置6，来自气体出口出来的冷气被分成两路，一路进入一级输气装置5，另一路进入二级输气装置6，从一级输气装置5和二级输气装置6出来额冷气合并后分别引至一级冷激气冷凝单元1和二级冷激气冷凝单元2，也可引出部分冷气作为生物质气；更具体地，输气装置可为无极变频风机，其操作温度为-5—50℃，风压为3-15kpa。

实施例6

本实施例提供了一种生物质热解气分级冷凝装置，在上述实施例5的基础上，还包括过滤单元，靠近热解气出口1-2与其连通设置，以对从热解气出口1-2出来的生物质热解气进行过滤；若干喷嘴，靠近冷激气出口与其连通设置，以将冷气通过喷嘴喷射于壳体1-0内，该喷嘴为蒸汽喷嘴；

为了更好地去除冷气中的水蒸汽等液体，还包括气液分离单元4，设置与水冷系统与输气装置之间，水冷系统中的热解气出口与气液分离单元4的下部连通，输气装置与气液分离单元4的上部连通。

实施例7

本实施例提供了一种生物质热解气分级冷凝装置，在上述实施例5或6的基础上，为了提高冷激气与生物质热解气的换热效果，还包括热解气进口段，与热解气进口1-1连通并设置于壳体1-0外壁上；冷激气进口段，包括冷激气进口和冷激气出口，冷激气进口段套设于热解气进口段内；

更进一步地，热解气进口段轴线与壳体1-0外壁间锐夹角α为45～65°；冷激气出口和热解气进口1-1间间距l与热解气进口段内径d的关系为：3d≤l≤5d；热解气进口段靠近壳体1-0顶部倾斜设置；这样设置均能使生物质热解气与冷激气充分混合，有效实现急冷效果，同时避免冷激气出口和热解气进口出现堵塞情况。

实施例8

本实施例提供了一种生物质热解气分级冷凝装置，在上述实施例5、6或7的基础上，作为可变形的实施方式，冷激气冷凝单元上的热解气出口为1个；冷激气冷凝单元为三级；水冷单元为两级；

如图2所示，为了更好地提高折流效果，折流板1-4的宽度大于壳体1-0内径的一半；

在相邻折流板1-4间、靠近壳体1-0顶端的折流板1-4与壳体1-0顶端、靠近壳体1-0底端的折流板1-4与壳体1-0底端间均设置温度传感器，以检测壳体1-0内部各处的温度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。