一种基于碳循环的生物质热转换装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于碳循环的生物质热转换装置及方法，其中生物质热转换装置包括微波热裂解单元，该微波热裂解单元设有出炭口和进料口，所述微波热裂解单元的出炭口与微波热裂解单元的进料口相接。本发明为生物质能高质化和高值化转化利用提供了新的技术方法和手段，可极大提高生物质的炭转换率，实现生物质热裂解焦油的高效转化，最终获得高品质的生物质炭和生物质气，能量利用效率极高。同时具有工艺简单、可操作性强、可实现连续生产的特点。
【专利说明】
一种基于碳循环的生物质热转换装置及方法
技术领域
[0001]本发明属于生物质热转换技术领域，特别涉及一种基于碳循环的生物质热转换装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着社会的不断发展，人类大规模地利用各种化石能源(如煤、石油、天然气等)，造成了化石能源的日益减少以及严重的环境问题，因此人类迫切地需要一种清洁、高效、灵活的新能源替代化石能源。生物质能作为新能源的重要组成部分，具有可再生性、环境友好性、普遍性与易取性的特点，是一种重要的可替代能源。以生物质能源代替化石燃料，可以缓解化石燃料短缺问题，减少污染物及C02排放。
[0003]生物质能是唯一可以转化为气、液、固三相燃料的可再生能源。生物质通过热化学转换可转化为可燃生物质气、生物质油和生物质炭。生物质热解是在完全没有氧或缺氧的条件下进行热降解，最终生成可燃生物质气、生物质油和生物质炭。
[0004]传统的生物质热解有干镏和焖烧等多种方式，如CN202164272U公开的一种生物质热解气化装置，但存在热解炉内加热不均匀、热解速度慢、燃气热值较低、燃气焦油含量高、热解炉产能较低等不足，且由于生物质热解得到的生物质油成分十分复杂，腐蚀性较大，需要经过深度加工才好使用，目前来看生物质油的市场不太好。同时生物质热解得到的生物质燃气热值较低、焦油含量高，严重影响其利用价值。
[0005]生物质微波热解具有加热速度快、加热均匀、操作简单等优点，已有较多的应用。
[0006]CN104357071A公开了一种利用微波催化热解生物质定向生产生物质炭、生物质油和生物质气的方法，该方法以微波为加热源，在生物质中加入少量催化剂，在500?700 °C的高温条件下将生物质催化热解，定向生产生物质炭、生物质油和生物质燃气三种产品。但是该方法催化剂用量大，因而成本较高，且催化剂会对热解得到的生物质炭的灰熔点产生不利影响;该方法得到的生物质油的品质不高，含水率较高，酸度较大，腐蚀性较强，因而其经济性不是很好;得到的生物质气热值虽较高，但距高热值燃气差距仍较大，且由于气相中油含量高，仅经冷却除去生物质油后燃气中焦油含量仍然会较高，需要复杂的过滤净化处理才能满足燃气集中供气和燃气发电的要求。
[0007]CN103387853A提出了一种生物炭微波气化制合成气的方法，生物质热解得到的生物炭与催化剂混合后，在惰性气体氛围下的微波反应器中进行加热，达到所需气化温度，同时脱除生物炭中的挥发分，将惰性气体切换为气化剂进行气化反应，得到合成气产品。该方法实际上就是生物炭的微波气化方法，制得的生物质气中⑶2含量低，生物质气品质较高，但是该方法的前提是必须先将生物质热解制取生物质炭。该方法并没有将生物质热解过程中产生的生物质气和生物质油加以利用，因此生物质能的总体利用率就很低。
[0008]CN104593090A提出了一种生物质热解气化制备合成气的方法及装置，它包括低温烘焙、高温催化气化和微波重整三个阶段，并分别在气化装置中三个相对独立的空间内连续进行，从而获得高品质的合成燃气。但是该方法将未气化的生物质炭通过燃烧产生高温烟气，再将高温烟气与螺旋热解反应器中的生物质进行间接换热来加热生物质，虽然可以减少微波能耗，但由于间接换热系数低，因此需要很长的换热长度才能将生物质加热到热解所需的温度，且螺旋装置长期置于高温环境下工作，使用寿命短，装置运行维护量大。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种基于碳循环的生物质热转换装置及方法，用于制备可燃生物质燃气和生物质炭。
[0010]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
一种基于碳循环的生物质热转换装置，包括微波热裂解单元，该微波热裂解单元设有出炭口和进料口，所述微波热裂解单元的出炭口与微波热裂解单元的进料口相接。
[0011]借由上述结构，微波热裂解单元采用微波作热源，加热速度快，且不带入惰性成分，有利于提高生物质热裂解燃气的热值。在生物质原料中掺混部分生物质炭，实现生物质掺炭微波热裂解。通过掺炭，既可提高微波热裂解单元的热裂解炉内生物质原料吸收微波的能力，加快温升，提升热裂解炉的单位容积处理能力，又可因生物质原料与生物炭吸波的差异而在热裂解炉内形成许多的局部高温区，这些高温区可作为生物质原料热解活化中心，有利于生物质热解析出的挥发分的二次裂解，从而从源头上抑制生物质热裂解气相产物中的油的含量，同时因生物质原料热裂解温度较低而获得较高的得炭率。
[0012]为了提高热裂解炉的单位容积处理能力，降低单位质量生物质原料的微波能耗，生物质原料需经过预先干燥和破碎处理，初始水分控制在10%左右，生物质原料粒度不超过5cm0
[0013]进一步地，还包括催化重整器，该催化重整器的底部设有进气口，所述微波热裂解单元设有出气口，微波热裂解单元的出气口与催化重整器的进气口相连。
[0014]作为一种优选方式，所述催化重整器包括催化重整反应仓和附着在该催化重整反应仓外的第一微波发生器，所述催化重整反应仓内设有催化重整反应床，该催化重整反应床为炭床。
[0015]生物质热裂解气相产物从热裂解炉内输出进入催化重整反应仓中。炭床可竖式也可横式布置。炭床高度或长度需保证生物质热裂解气相产物在炭床内有2S以上的反应时间。催化重整反应仓采用第一微波发生器发出的微波加热，最高温度控制在850 °C左右。
[0016]进一步地，所述催化重整反应仓设有进炭口，催化重整反应仓底部设有水蒸汽入口，所述催化重整反应仓的进炭口与微波热裂解单元的出炭口相接。
[0017]为了改善热裂解气相产物中油的二次裂解，在热裂解气相产物进入催化重整反应仓前加入水蒸汽。水蒸汽通过高温炭床时，既可与生物质热裂解气相产物发生重整反应，又可与炭床的炭发生气化反应。生物质热裂解气相产物流经炭床时，除与水蒸汽反应外，也与炭床的炭发生气化和重整等反应。由于炭床的炭不断消耗，需要定期进行补充。由于炭中含有较多的碱金属，可起到较好的催化作用，无需添加额外的催化剂。
[0018]生物质热裂解气相产物通过催化重整器后，其中的含油量可大幅度地降低，能满足内燃机和燃气轮机对燃气焦油含量的要求;同时燃气中HdPCH4等可燃成分的比例有明显提尚，从而提尚了生物质燃气的品质。
[0019]进一步地，还包括蒸汽发生器和炭仓，所述微波热裂解单元的出炭口通过蒸汽发生器与炭仓的进炭口相连，炭仓的出炭口通过第一粉碎筛选机与微波热裂解单元的进料口相连，炭仓的出炭口通过第二粉碎筛选机与催化重整反应仓的进炭口相连;所述蒸汽发生器的水蒸汽出口与催化重整反应仓的水蒸汽入口相连。
[0020]借由上述结构，微波热裂解单元生成的生物质炭经过蒸汽发生器初冷后进入炭仓进一步冷却。水蒸汽由回收高温热裂解生物质炭的余热产生。利用微波热裂解单元产生的生物质炭的余热产生水蒸汽，提高能量利用效率。
[0021]基于同一个发明构思，本发明还提供了一种基于碳循环的生物质热转换方法，利用所述的基于碳循环的生物质热转换装置，将微波热裂解单元产生的生物质炭掺杂在生物质原料中送入微波热裂解单元，混合后生物质炭与生物质原料的质量比范围为10:100至
20:100o
[0022]进一步地，将微波热裂解单元产生的气相产物送入催化重整器进行催化重整反应，该催化重整器包括催化重整反应仓和附着在该催化重整反应仓外的第一微波发生器；还包括将微波热裂解单元产生的生物质炭送入催化重整反应仓内形成作为催化重整反应床的炭床。
[0023]进一步地，利用微波热裂解单元产生的生物质炭的余热产生水蒸汽，将水蒸汽通入催化重整反应仓底部。
[0024]作为一种优选方式，将生物质炭粉碎筛选后再掺杂至生物质原料中，掺杂至生物质原料中的生物质炭的粒度不超过5mm。
[0025]作为一种优选方式，将生物质炭粉碎筛选后再送入催化重整反应仓，送入催化重整反应仓内的生物质炭的粒度为I?3_。
[0026]本发明为生物质能高质化和高值化转化利用提供了新的技术方法和手段，可极大提尚生物质的炭转换率，实现生物质热裂解焦油的尚效转化，最终获得尚品质的生物质炭和生物质燃气，能量利用效率极高。同时具有工艺简单、可操作性强、可实现连续生产的特点。
[0027]
【附图说明】
[0028]图1为本发明热转换装置一实施例的结构示意图。
[0029]其中，I为螺旋给料器，2为催化重整反应仓，3为催化重整反应床，4为第一微波发生器，5为第二微波发生器，6为热裂解炉，7为蒸汽发生器，8为炭仓，9为第一粉碎筛选机，10为第二粉碎筛选机，11为保温管道。
[0030]
【具体实施方式】
[0031]如图1所示，本发明热转换装置的一实施例包括生物质掺炭微波热裂解单元、热解气相产物的催化重整器、蒸汽发生器7和炭仓8。
[0032]微波热裂解单元包括热裂解炉6和附着在该热裂解炉6外第二微波发生器5。热裂解炉6设有出炭口、出气口和进料口，其中热裂解炉6的进料口由螺旋给料器I给料。所述微波热裂解单元的出炭口通过蒸汽发生器7与炭仓8的进炭口相连，炭仓8的出炭口通过第一粉碎筛选机9与微波热裂解单元的进料口相连。
[0033]催化重整器包括催化重整反应仓2和附着在该催化重整反应仓2外的第一微波发生器4，催化重整反应仓2的底部设有进气口，热裂解炉6的出气口通过保温管道11与催化重整反应仓2的进气口相连。催化重整反应仓2内设有催化重整反应床3，该催化重整反应床3为炭床。
[0034]催化重整反应仓2设有进炭口，催化重整反应仓2底部设有水蒸汽入口，炭仓8的出炭口还通过第二粉碎筛选机10与催化重整反应仓2的进炭口相连。
[0035]将水注入蒸汽发生器7，吸收生物质炭的余热产生水蒸汽，蒸汽发生器7的水蒸汽出口与催化重整反应仓2的水蒸汽入口相连。
[0036]本发明一种基于碳循环的生物质热转换方法的【具体实施方式】为:利用所述的基于碳循环的生物质热转换装置，将微波热裂解单元产生的生物质炭掺杂在生物质原料中送入微波热裂解单元，混合后生物质炭与生物质原料的质量比范围为10:100至20:100。将微波热裂解单元产生的气相产物送入催化重整器进行催化重整反应，该催化重整器包括催化重整反应仓2和附着在该催化重整反应仓2外的第一微波发生器4;还包括将微波热裂解单元产生的生物质炭送入催化重整反应仓2内形成作为催化重整反应床3的炭床。将生物质炭粉碎筛选后再掺杂至生物质原料中，掺杂至生物质原料中的生物质炭的粒度不超过5mm。将生物质炭粉碎筛选后再送入催化重整反应仓2，送入催化重整反应仓2内的生物质炭的粒度为I?3mm0
[0037]利用微波热裂解单元产生的生物质炭的余热产生水蒸汽，将水蒸汽通入催化重整反应仓2底部。
[0038]本发明生物质热转换装置的工作流程为:
将生物质热裂解获得的部分生物炭破碎筛选后，与经干燥破碎处理后的生物质原料均匀混合，通过螺旋给料器I送入热裂解炉6内，在第二微波发生器5发生的微波加热作用下，掺炭的生物质原料快速升温至热裂解温度，发生热裂解反应，生成生物质炭和气相产物，其中气相产物中包含不可凝的生物质气和可冷凝的生物质油。热裂解炉6最高温度控制在650°C左右。要求掺混至生物质原料中的生物质炭的粒度不超过5_，且生物质炭与生物质原料混合均匀后再通过螺旋给料器I送入热裂解炉6。
[0039]生成的生物质经过蒸汽发生器7初冷后进入炭仓8进一步冷却。根据反应情况需要，将炭仓8中的一部分生物质炭经第一粉碎筛选机9破碎筛选后返回到螺旋给料器I中和生物质原料均匀混合后进入热裂解炉6内进行热裂解。
[0040]热裂解炉6产生的气相产物经保温管道11输入到催化重整反应仓2。催化重整反应仓2的炭床中的炭来自炭仓8。输入至催化重整反应仓2的水蒸汽由蒸汽发生器7提供。催化重整反应仓2由第一微波发生器4辐射微波提供热量。热裂解炉6产生的气相产物在催化重整反应仓2中与水蒸汽及炭床中的炭发生热裂解、气化和催化重整等复杂的反应，将生物质热裂解气相产物中可冷凝的生物质油转换为高品质的可燃生物质燃气。炭床中的炭消耗后由炭仓8中的生物质炭经第二粉碎筛选机10破碎筛选后补充。生物质炭的粒度为I?3mm，以保证燃气通过该炭床时气体阻力适中，且具有较大的气固反应面积。催化重整反应仓2的反应温度控制在850 °C左右。
【主权项】
1.一种基于碳循环的生物质热转换装置，包括微波热裂解单元，该微波热裂解单元设有出炭口和进料口，其特征在于，所述微波热裂解单元的出炭口与微波热裂解单元的进料口相接。2.如权利要求1所述的基于碳循环的生物质热转换装置，其特征在于，还包括催化重整器，该催化重整器的底部设有进气口，所述微波热裂解单元设有出气口，微波热裂解单元的出气口与催化重整器的进气口相连。3.如权利要求2所述的基于碳循环的生物质热转换装置，其特征在于，所述催化重整器包括催化重整反应仓(2)和附着在该催化重整反应仓(2)外的第一微波发生器(4)，所述催化重整反应仓(2)内设有催化重整反应床(3)，该催化重整反应床(3)为炭床。4.如权利要求3所述的基于碳循环的生物质热转换装置，其特征在于，所述催化重整反应仓(2)设有进炭口，催化重整反应仓(2)底部设有水蒸汽入口，所述催化重整反应仓(2)的进炭口与微波热裂解单元的出炭口相接。5.如权利要求4所述的基于碳循环的生物质热转换装置，其特征在于，还包括蒸汽发生器(7)和炭仓(8)，所述微波热裂解单元的出炭口通过蒸汽发生器(7)与炭仓(8)的进炭口相连，炭仓(8)的出炭口通过第一粉碎筛选机(9)与微波热裂解单元的进料口相连，炭仓(8)的出炭口通过第二粉碎筛选机(10)与催化重整反应仓(2)的进炭口相连;所述蒸汽发生器(7)的水蒸汽出口与催化重整反应仓(2)的水蒸汽入口相连。6.—种基于碳循环的生物质热转换方法，其特征在于，利用如权利要求1至5任一项所述的基于碳循环的生物质热转换装置，将微波热裂解单元产生的生物质炭掺杂在生物质原料中送入微波热裂解单元，混合后生物质炭与生物质原料的质量比范围为10:100至20:100。7.如权利要求6所述的基于碳循环的生物质热转换方法，其特征在于，将微波热裂解单元产生的气相产物送入催化重整器进行催化重整反应，该催化重整器包括催化重整反应仓(2)和附着在该催化重整反应仓(2)外的第一微波发生器(4);还包括将微波热裂解单元产生的生物质炭送入催化重整反应仓(2)内形成作为催化重整反应床(3)的炭床。8.如权利要求7所述的基于碳循环的生物质热转换方法，其特征在于，利用微波热裂解单元产生的生物质炭的余热产生水蒸汽，将水蒸汽通入催化重整反应仓(2)底部。9.如权利要求6所述的基于碳循环的生物质热转换方法，其特征在于，将生物质炭粉碎筛选后再掺杂至生物质原料中，掺杂至生物质原料中的生物质炭的粒度不超过5_。10.如权利要求7所述的基于碳循环的生物质热转换方法，其特征在于，将生物质炭粉碎筛选后再送入催化重整反应仓(2)，送入催化重整反应仓(2)内的生物质炭的粒度为I?3mm ο
【文档编号】C10B57/00GK105925282SQ201610332255
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】彭好义, 蒋绍坚, 李立清, 马卫武, 杨延锋, 李志晴
【申请人】中南大学