一种低能耗生物质液化装置的制作方法

本发明属于生物质快速热解液化领域，具体涉及一种低能耗生物质液化装置。

背景技术：

我国是一个农业大国，生物质资源非常丰富，仅稻草、麦草、蔗渣、芦苇、竹子等非木材纤维年产就超过10亿吨，生物质的利用前景非广阔，目前生物质的利用方法主要有直接燃烧、气化和液化。其中生物质液化具有生物柴油热值高，易存贮、输送，且可以作为合成化学品的原料，因此成为生物质利用的一种重要方式。

生物质热解液化技术的关键在于要有很高的加热速率和热传递速率，短的气体停留时间，严格控制温度以及热解挥发份的快速冷却。只有满足这样的要求，才能最大限度地提高产物中油的比例。

目前，国内生物质快速液化主要采取旋转锥反应器和流化床反应器的方式，其中旋转锥反应器需消耗较多的电能，且气体停留时间长，而流化床反应器的加热速率和热解气体的冷却较慢，因此生物油的产出比例较低。

技术实现要素：

本发明的目的是解决生物质热解液化过程中能耗过高、加热速率较慢，进而导致生物质柴油产出比例较低的问题。本发明提供一种原理先进、热效率高的生物质快速液化装置，用热风充分预热、干燥生物质原料，利用旋转离心力和蜂窝通道强制生物质与高温金属加热面紧密贴合快速流动，极大地提高了生物质在气化过程中的加热速率，热解产生的生物质气体在常温生物质油中气液鼓泡混合，实现了快速冷凝，增加了生物油的生成比例。同时，热解所需热量主要由生物质气化后分离出的生物质碳颗粒燃烧来提供，无需另外消耗能量，且燃烧所产生的高温烟气的热量由多级空气预热装置、氮气预热装置和生物质干燥装置等回收，降低了排烟热损失，提高了整套装置的热效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种低能耗生物质液化装置，其特征在于：包括炉膛，料仓加热套，碳粉燃烧器，三级夹套式空气预热器，生物质热解反应器，板式氮气预热器，二级板式空气预热器，气固旋流分离器，快速冷凝系统，风机a，风机b，一级管式空气预热器，生物质料仓，电动调节阀，螺旋给料机，搅拌器，所述炉膛的炉墙由三级夹套式空气预热器围成，碳粉燃烧器穿过三级夹套式空气预热器安装在炉膛的下部，生物质热解反应器布置在炉膛的中上部，板式氮气预热器布置在生物质热解反应器的上部，板式氮气预热器的入口与出口之间有连通旁路，并在该旁路上安装有电动调节阀，板式氮气预热器的出口和生物质热解反应器的入口通过管道连接，二级板式空气预热器布置在板式氮气预热器的上部，二级板式空气预热器的出口通过管道与料仓加热套的入口连接，料仓加热套的出口通过管道与三级夹套式空气预热器的入口连接，三级夹套式空气预热器的出口通过管道与碳粉燃烧器的入口连接，生物质料仓位于料仓加热套内，且生物质料仓为设计为敞口，在生物质料仓的中心位置布置有搅拌器，生物质料仓的出口与螺旋给料机的入口连接，螺旋给料机的出口与生物质热解反应器的入口连接，生物质热解反应器的出口与气固旋流分离器的入口连接，气固旋流分离器上部的气体出口与金属过滤器的入口连接，金属过滤器的出口与快速冷凝系统的入口连接，气固旋流分离器下部的固体出口连接在三级夹套式空气预热器出口和碳粉燃烧器入口之间的管道上，快速冷凝系统的上部出口与风机b的入口连接，风机b的出口与板式氮气预热器的入口连接，风机a的出口与一级管式空气预热器的入口连接，一级管式空气预热器的出口通过管道与二级板式空气预热器的入口连接。

上述装置的有益效果是：

（1）本发明在能量供给方面实现了自给自足，无需消耗包括电能在内的其它能源。主要体现在：生物质快速热解是一个吸热过程，其直接产物主要是气体产物和固体产物（液体产物是由气体产物快速冷凝得到）。而固体产物里面包括一部分生物碳颗粒，本发明利用气固旋流分离器将该碳颗粒分离出后，重新送入炉膛进行燃烧，释放出热量，满足生物质热解的吸热需求，从而不再需要消耗电能等其它能源为其提供热源，并且充分利用了生物质热解液化过程中产生的副产品（生物质碳颗粒），实现了就地取材，提高了资源的综合利用效率。

（2）本发明具有较高的热效率。生物质碳颗粒在燃烧过程中释放出的热量，大部分被生物质热解反应器吸收，但仍有一部分热量由高温烟气所携带，为了吸收这部分热量，本发明在炉膛四周和烟道内布置了三级夹套式空气预热器、二级板式空气预热器和板式氮气预热器等热量回收装置，将烟气温度降低到设计值才进行排放，大大减少了排烟损失。同时，生物质气体在冷凝过程释放出的热量由生物质油携带，然后通过一级空气预热器进行回收。所以，本发明没有无组织排放热源，充分回收了各部热量，大大提高了热效率，降低了生物质液化能耗。

（3）本发明所制取的生物柴油品质较高。这是因为：（a）生物质在料仓内利用通入料仓加热套内的热空气进行了干燥和预热，并且利用搅拌器对生物质原料进行充分的搅动，所以所有的生物质在进入到生物质热解反应器前已经充分的蒸发掉了水份，从而能够减少制取的生物质柴油中的水份，提高了生物柴油品质。（b）生物质气化后的气固混合物经过了二级分离，第一级是气固旋流分离器，能够分离出较大粒径的固体颗粒，但仍有少量的微细颗粒随着气体从气固旋流分离器上部排出，进入到第二级金属过滤器，利用该过滤器内部的金属多孔介质的吸附作用进行微细分离，基本可将气体中所含杂质全部排除，所以最终可以得到杂质含量很少的生物柴油。

(4)本发明在生物质气化过程中的能耗较低。这是因为：（a）生物质在进入到反应器前，已经经过了二级加热，第一级是在生物质料仓内，利用高温空气对生物质进行干燥、加热，第二级是在反应器的入口段，由高温氮气对生物质进行预热，因此，生物质在热解气化前，其温度已经接近生物质气化所需温度；（b）携带生物质的氮气在进入热解反应器前已经在板式氮气预热器里吸收热量升温至设计值，因此该部分氮气在热解反应器里也不需要吸收热量。所以，本发明能够将生物质在热解反应器所需吸收的热量减少到最低，而预热生物质和氮气的热量均从尾部烟气中获得，从而降低热解反应器的能耗，使得本发明仅利用其自身产生生物质碳颗粒再燃就能满足整套系统正常运行的需要。

（5）本发明能够减少生物质气化后在气相状态的停留时间，对提高最终产物中生物柴油的比例非常有利。这是因为：生物质在热解气化过程中是由氮气携带，生物质热解气体的停留范围主要是热解反应器和气固旋流分离器，因此只要适当提高氮气在热解反应器入口到气固旋流分离器出口的压差和适当减少流通面积，就可以增加氮气在这两个设备内部的流动速度，从而明显改变生物质在气相状态的停留时间，因此可以通过调整氮气压力将生物质在反应器内的停留时间调整到最佳值；所以减少了生物质的预热升温时间，使其在蜂窝通道内直接发生反应，减少了热解气化所需时间。

所述生物质热解反应器还包括热电偶a，热电偶b，热电偶c，轴向分层轨道，分配器，蜂窝通道，径向分层圆柱体组，热解反应器引入管，热解反应器引出管，分层导流板，所述热电偶a安装在板式氮气预热器出口与热解反应器引入管之间的连接管道上，螺旋给料机的出口位于热解反应器引入管内，热解反应器引入管的出口与分配器的入口连接，分配器的出口与分层导流板的入口连接，径向分层圆柱体组由若干同轴线安装的圆柱体组成，这些圆柱体高度相同、直径不同，热电偶b安装在径向分层圆柱体组的内侧壁面上，热电偶c安装在径向分层圆柱体组的外侧壁面上，分层导流板中导流板的层数与径向分层圆柱体组中圆柱体的数量相同，并一一对应，分层导流板和径向分层圆柱体组在顶部相切，径向分层圆柱体组中的内侧圆柱体（即直径最小的圆柱体）的上顶面和下底面与炉膛连通，在径向分层圆柱体组中安装有轴向分层轨道，轴向分层轨道从径向分层圆柱体组的顶部以一定的倾斜角度向下盘旋布置到径向分层圆柱体组的底部，轴向分层轨道和径向分层圆柱体组共同组成蜂窝通道，热解反应器引出管的入口与径向分层圆柱体组的底部相切，并与蜂窝通道连通，热解反应器引出管的出口与气固旋流分离器的入口连接。

上述装置的有益效果是：

（1）本发明能够创造出极快的加热速率，对提高最终产物中的生物柴油比例非常有利。这是因为：（a）轴向分层轨道和径向分层圆柱体组选用导热系数高的金属材料制造，二者共同组成了具有“小截面、长流程”的蜂窝通道，生物质在该蜂窝通道中快速流动，在上下左右四个方向都能受到金属材料的直接加热；（b）分层导流板和径向分层圆柱体组为相切结构，使得生物质在高温氮气的携带下在蜂窝通道内沿着径向分层圆柱体组的轴心强烈旋转，由此产生的离心惯性力使得生物质能够紧紧地贴在金属表面上，极大地加快了传热速率；（c）蜂窝通道具有“小截面、长流程”的结构特征，这种结构有利于增大单位质量的生物质与金属表面直接接触的面积，对提高传热效率非常有帮助；（d）径向分层圆柱体组的内、外表面都直接受到炉膛内火焰辐射和高温烟气对流加热的作用，增大了热解反应器的吸热面积，能够迅速吸收热量传递给生物质，满足生物质热解反应的需要；（e）携带生物质的高温氮气在进入到反应器之前，已经在板式氮气预热器中吸收热量，其温度可以通过热电偶a和旁路调节阀调整至设计值，因此该部分氮气在反应器内是不吸热的，反应器从炉膛吸收的热量全部传递给生物质，且高温氮气对生物质有一定的预热作用，可以减少其在反应器内达到气化温度所需的时间；（f）在分配器和分层导流板的共同作用下，生物质均匀分配进入到各个蜂窝通道中，避免大量生物质集中进入中心区域的蜂窝通道，造成这些蜂窝通道内的生物质层厚度较大而引起较大的传热热阻。

（2）本发明能够有效控制生物质的气化温度。具体措施为：（a）在径向分层圆柱体组的内、外表面上都安装有热电偶，及时监测反应器工作温度，当工作温度低于设计值时，自动增加生物质碳颗粒供给量，加强燃烧，通过火焰辐射和烟气对流，传递给反应器更多的热量，以提高反应器温度，反之亦然。（b）径向分层圆柱体组中的内侧圆柱体（即直径最小的圆柱体）的上顶面和下底面与炉膛是相互连通的，因此在工作过程中，径向分层圆柱体组的内、外表面都直接受到炉膛内火焰辐射和高温烟气对流加热，使径向分层圆柱体组的表面温度分布比较均匀，从而使整个反应器温度都控制在最佳气化温度范围之内，不会出现局部区域超温的同时其它区域低于最佳温度范围的现象。

所述快速冷凝系统还包括生物质油出口，生物质油储罐，雾化喷嘴，冷凝器本体，循环泵，分配联箱，进气管组，循环冷却液出口，换热管，所述进气管与金属过滤器的出口与分配联箱的入口连接，分配联箱的出口与进气管组的入口连接，进气管组由若干沿冷凝器本体的横截面均匀分布的进气管组成，进气管组从冷凝器本体的底部穿入，并延伸到冷凝器本体内部一定距离，冷凝器本体的顶部通过管道与风机b连接，冷凝器本体的上部中心位置安装有雾化喷嘴，冷凝器本体的中部位置安装有生物质油出口，生物质油出口和生物质油储罐连接，冷凝器本体的下半部分存满生物质油，生物质油液面与进气管组的出口之间的距离为l，冷凝器本体侧面接近底部处安装有循环冷却液出口，换热管安装在一级管式空气预热器内部，循环冷却液出口通过管道与换热管的入口连接，换热管的出口通过管道与循环泵连接，循环泵的出口通过管道与雾化喷嘴的入口连接。

上述装置的有益效果是：

（1）本发明能够实现生物质气体的瞬间冷却，从而提高生物柴油的产出比例。这是因为：（a）在分配联箱的作用下，进入到进气管组的每一支进气管的生物质气的流量基本是均匀的，而进气管在冷凝器本体内是均匀分布的，因此能够将生物质气均匀的送入到冷凝器内部，充分利用冷凝器本体的大空间进行冷却。（b）进气管送入的高温生物质气体具有一定的初速度，在冷凝器内直接将生物质气体送入常温生物质液体内部，实现气液鼓泡混合，实现了气液直接换热，通过合理选择生物质油液面与进气管组的出口之间的距离l，可以基本确保生物质气体在生物质油内部就完成冷凝。（c）生物质油在循环泵的作用下，通过一级管式空气预热器进行冷却，可以使其保持在常温状态，以增强吸热生物质气体所携带热量的能力。（d）循环的生物油返回到冷凝器的上部气空间，通过安装在冷凝器顶部的雾化喷嘴，雾化成油雾后从上向下喷出，与从下向上流动的氮气和生物质气再次逆向湍流混合，对其进一步冷却，彻底将所有的生物质全部冷凝。

(2)本发明能够将氮气及生物质气体所携带的热量全部回收。这是因为在冷凝器内部，高温的氮气及生物质气将热量传递给生物质油后，生物质油在循环泵的作用下，进入到一级管式空气预热器进行冷却，其热量被助燃空气吸收后带入炉膛进行助燃，能够减少生物质碳颗粒的消耗量，所以该部分热量并没有损失。

附图说明

图1为本发明低能耗生物质液化装置的系统图；

图2为本发明生物质热解反应器的结构图；

图3为快速冷凝系统图；

图4为图2的a-a视图

图5为图4的b-b剖面图

图中1-炉膛、2-料仓加热套、3-碳粉燃烧器、4-三级夹套式空气预热器、5-生物质热解反应器、51a-热电偶、51b-热电偶、51c-热电偶、52-轴向分层轨道，53-分配器，54-蜂窝通道，55-径向分层圆柱体组，56-热解反应器引入管，57-热解反应器引出管，58-分层导流板、6-板式氮气预热器、7-二级板式空气预热器、8-气固旋流分离器、9-快速冷凝系统、91-生物质油出口，92-生物质油储罐，93-雾化喷嘴，94-冷凝器本体，95-循环泵，96-分配联箱，97-进气管组，98-循环冷却液出口，99-换热管，10a-风机、10b-风机、11-一级管式空气预热器、12-生物质料仓、13-电动调节阀、14-螺旋给料机、15-搅拌器、16-金属过滤器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例中的一种低能耗生物质液化装置，其特征在于：包括炉膛1，料仓加热套2，碳粉燃烧器3，三级夹套式空气预热器4，生物质热解反应器5，板式氮气预热器6，二级板式空气预热器7，气固旋流分离器8，快速冷凝系统9，风机10a、10b，一级管式空气预热器11，生物质料仓12，电动调节阀13，螺旋给料机14，搅拌器15，金属过滤器16，所述炉膛1的炉墙由三级夹套式空气预热器4围成，碳粉燃烧器3穿过三级夹套式空气预热器4安装在炉膛1的下部，生物质热解反应器5布置在炉膛1的中上部，板式氮气预热器6布置在生物质热解反应器5的上部，板式氮气预热器6的入口与出口之间有连通旁路，并在该旁路上安装有电动调节阀13，板式氮气预热器6的出口和生物质热解反应器5的入口通过管道连接，二级板式空气预热器7布置在板式氮气预热器6的上部，二级板式空气预热器7的出口通过管道与料仓加热套2的入口连接，料仓加热套2的出口通过管道与三级夹套式空气预热器4的入口连接，三级夹套式空气预热器4的出口通过管道与碳粉燃烧器3的入口连接，生物质料仓12位于料仓加热套2内，且生物质料仓12为设计为敞口，在生物质料仓12的中心位置布置有搅拌器15，生物质料仓12的出口与螺旋给料机14的入口连接，螺旋给料机14的出口与生物质热解反应器5的入口连接，生物质热解反应器5的出口与气固旋流分离器8的入口连接，气固旋流分离器8上部的气体出口与金属过滤器16的入口连接，金属过滤器16的出口与快速冷凝系统9的入口连接，气固旋流分离器8下部的固体出口连接在三级夹套式空气预热器4出口和碳粉燃烧器3入口之间的管道上，快速冷凝系统9的上部出口与风机10b的入口连接，风机10b的出口与板式氮气预热器6的入口连接，风机10a的出口与一级管式空气预热器11的入口连接，一级管式空气预热器11的出口通过管道与二级板式空气预热器7的入口连接。

如图2、4、5所示，所述生物质热解反应器5还包括热电偶51a、51b、51c，轴向分层轨道52，分配器53，蜂窝通道54，径向分层圆柱体组55，热解反应器引入管56，热解反应器引出管57，分层导流板58，所述热电偶51a安装在板式氮气预热器6出口与热解反应器引入管56之间的连接管道上，螺旋给料机14的出口位于热解反应器引入管56内，热解反应器引入管56的出口与分配器53的入口连接，分配器53的出口与分层导流板58的入口连接，径向分层圆柱体组55由若干同轴线安装的圆柱体组成，这些圆柱体高度相同、直径不同，热电偶51b安装在径向分层圆柱体组55的内侧壁面上，热电偶51c安装在径向分层圆柱体组55的外侧壁面上，分层导流板58中导流板的层数与径向分层圆柱体组55中圆柱体的数量相同，并一一对应，分层导流板58和径向分层圆柱体组55在顶部相切，径向分层圆柱体组55的内侧圆柱体即直径最小的圆柱体的上顶面和下底面与炉膛连通，在径向分层圆柱体组55中安装有轴向分层轨道52，轴向分层轨道52从径向分层圆柱体组55的顶部以一定的倾斜角度向下盘旋布置到径向分层圆柱体组55的底部，轴向分层轨道52和径向分层圆柱体组55共同组成蜂窝通道54，热解反应器引出管57的入口与径向分层圆柱体组55的底部相切，并与蜂窝通道54连通，热解反应器引出管57的出口与气固旋流分离器8的入口连接。

如图3所示，所述快速冷凝系统9还包括生物质油出口91，生物质油储罐92，雾化喷嘴93，冷凝器本体94，循环泵95，分配联箱96，进气管组97，循环冷却液出口98，换热管99，所述进气管97与金属过滤器16的出口与分配联箱97的入口连接，分配联箱97的出口与进气管组97的入口连接，进气管组97由若干沿冷凝器本体94的横截面均匀分布的进气管组成，进气管组97从冷凝器本体94的底部穿入，并延伸到冷凝器本体94内部一定距离，冷凝器本体94的顶部通过管道与风机10b连接，冷凝器本体94的上部中心位置安装有雾化喷嘴93，冷凝器本体94的中部位置安装有生物质油出口91，生物质油出口91和生物质油储罐92连接，冷凝器本体94的下半部分存满生物质油，生物质油液面与进气管组97的出口之间的距离为l，冷凝器本体94侧面接近底部处安装有循环冷却液出口98，换热管99安装在一级管式空气预热器11内部，循环冷却液出口98通过管道与换热管99的入口连接，换热管99的出口通过管道与循环泵95连接，循环泵95的出口通过管道与雾化喷嘴93的入口连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

工作原理

本发明主要由生物质气化系统、生物质油循环系统和风烟系统组成，其详细工作流程说明如下：

（1）生物质气化系统：生物质在生物质料仓内干燥后，由螺旋给料机送入到热解反应器内，然后被氮气携带在反应器内高速旋转运动气化，生物质气化过程结束后，离开反应器进入到气固旋风分离器内进行分离，直径较大的固体颗粒（主要是碳颗粒和灰渣）从气固旋风分离器的底部排出，直径较大的固体颗粒随着氮气和生物质气体从气固分离器的上部排出，进入金属过滤器将剩余固体颗粒消除，其余净气体通过分配联箱和进气管组进入到冷凝器本体内部，受到常温生物质油的快速冷却后，生物质气体冷凝成为生物质油，不能凝结的氮气从冷凝器本体的上部排出后，通过风机b加压进入到板式氮气预热器吸热，达到设计值后再次进入生物质反应器中携带生物质开始下一次循环。

（2）生物质油循环系统：生物质油在冷凝器内吸热高温氮气和生物质气体放出的热量后，温度升高，然后从冷凝器本体流出进入一级管式空气预热器，释放热量给空气，同时自身温度降低到常温状态，再经循环泵提高压力后进入到冷凝器顶部，经喷嘴雾化后喷出，再落到冷凝器本体的下部吸热高温氮气和生物质气体的热量，完成一个工作循环。

（3）风烟系统：

（a）空气按照如下流程工作：（1）常温空气通过风机a首先进入一级管式空气预热器吸收生物质油循环过程中释放的热量，（2）然后进入二级板式空气预热器，吸收烟气热量，（3）再进入料仓加热套，对料仓内的生物质进入干燥和预热，（4）接着进入三级夹套式空气预热器，吸收碳颗粒在燃烧过程中释放的辐射热，（5）然后携带从气固分离器底部排出的固体颗粒进入碳粉燃烧器。

（b）烟气按照如下流程工作：（1）空气携带碳颗粒通过碳粉燃烧器进入炉膛后开始燃烧，生成高温烟气，（2）高温烟气首先流过生物质热解反应器，传递热量给反应器，并降低烟温，（3）然后烟气依次流过板式氮气预热器和二级板式空气预热器，温度持续降低，达到排烟设计值后排出。