专利名称：生物质干馏及裂解一体化设备及生物质干馏及裂解系统的制作方法
技术领域：
本发明属于环境工程的能源再生技术领域，尤其是涉及一种生物质干馏及裂解一体化设备。
背景技术：
生物质能作为一种可再生能源，具有良好的发展前景。生物质热裂解技术是生物质能回收利用的一种重要方式。它是在一定的热力学条件下，通过提供有限氧或无氧的情况下，将组成生物质的碳氢化合物转化为含一氧化碳、氢气和甲烷等可燃气体的过程。但由于目前生物质热裂解产燃气中焦油含量高，缺少有效处理方法，已成为该技术进一步推广的主要障碍。生物质焦油是热裂解过程中产生的液体副产物，焦油主要为较大分子碳氢化合物的集合体。可以分析出的成分有200种，主要成分不少于20种，其中含量大于5%的有7 种，它们是苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚。焦油在低温)时凝结成液体，随温度的升高而呈气态，在没有催化剂条件下焦油裂解需要很高的温度(约为100(TC 1200°C )下能分解成小分子永久性气体(再降温时不凝结成液体)。焦油占可燃气能量的5% 10%，在低温下难以与可燃气一道被燃烧利用，民用时大部分焦油被浪费。焦油在低温下凝结成液体，容易和水、碳粒等结合在一起，堵塞输气管道，卡住阀门、抽风机转子，腐蚀金属；焦油难以完全燃烧，并产生碳黑等颗粒，对燃气利用设备如内燃机、燃气轮机等损害相当严重；焦油及其燃烧后产生的气体对人体是有害的。由此可见，可燃气中的焦油具有相当大的危害性，在使用可燃气前，必须尽量将它清除干净。对生物质焦油进行裂解就是在高温或催化剂的作用下，将焦油裂解为低分子燃气，不仅解决了焦油的危害问题，而且可以提高燃气产量和热值。生物质焦油的裂解，既提高了气化效率，又提高了合成气的利用价值，对发展和推广生物质高品位利用技术具有决定性意义。参阅图1，其为现有技术的生物质热解裂解设备的结构示意图。现有的生物质及焦油处理技术中，焦油裂解反应器与生物质热解反应器分为两个设备，焦油裂解反应器置于热解反应器后方，生物质热解后进入该焦油裂解反应器，焦油裂解反应器中还放置了两个同型号的热电偶以监测床温，焦油裂解反应器的加热方式、温控仪与热解反应器相同。这种方式的生物质热解裂解设备采用两套加热装置，在一定程度上要消耗大量的热能，同时热解后的气体需要通过管道通入裂解催化剂床层，在此过程中会有一部分的热损失，在节能方面存在一定的缺陷。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种集生物质干馏与高温裂解于一体的生物质干馏及裂解一体化设备，其采用热解干馏室和裂解室一体化结构，以紧凑而合理的设置实现热能利用效率的提高，降低热能损耗，同时实现对热解干馏及裂解反应进程的有效控制，使得生物质燃料在设备内得以充分反应。为实现本发明的目的，提供一种生物质干馏及裂解体化设备，包括主体，该主体包括热解干馏室，设置在该主体的上部，对生物质原料进行热解以生成热解后产物，所述热解后产物包括燃气、炭及焦油；裂解室，设置在该主体的下部并与该热解干馏室连通，对所述热解后产物中的焦油进行裂解以生成燃气；以及燃烧室，设置在该热解干馏室和该裂解室的外侧，为该热解干馏室和该裂解室供热。根据本发明的实施例，该热解干馏室包括上部热解干馏室和下部热解干馏室，该下部热解干馏室伸入该裂解室中且其内径小于该上部热解干馏室，在该热解干馏室上侧部设置与之连通的原料进口，所述生物质原料从该原料进口进入该热解干馏室。根据本发明的实施例，该裂解室与该热解干馏室之间通过该下部热解干馏室的底部直接相通，在该裂解室上侧部设置与之连通的燃气出口，用以排出燃气，在该裂解室底部设置有插板阀和锁气翻板卸灰阀，用以定期排出同态的裂解后产物。根据本发明的实施例，在该裂解室下侧部还设置有水蒸汽输送管，将水蒸汽引入该裂解室中以与所述热解后产物中的炭进行水煤气反应，生成燃气和活性炭。根据本发明的实施例，在该燃烧室上侧部设置有烟气出口，在该燃烧室下侧部设置有与之连通的燃料进口，在该燃烧室下部还设置有清灰门用以定期清理该燃烧室中的燃烧后灰烬。根据本发明的实施例，该主体为圆筒状，该热解干馏室和该裂解室与该燃烧室呈同心圆状排列。根据本发明的实施例，该主体高为2. 0-4. 0米。根据本发明的实施例，该热解干馏室的工作温度为500°C -600°C，该裂解室的工作温度为 IOOO0C -1200°c。为实现本发明的目的，还提供一种生物质干馏及裂解系统，其包括如上所述的生物质干馏及裂解一体化设备，该系统还包括物料翻转及输送一体化装置，竖直伸入该生物质干馏及裂解一体化设备的热解干馏室中，在该热解干馏室中进行原料的翻转，并从该热解干馏室向该裂解室输送热解后产物。根据本发明的实施例，该物料翻转及输送一体化装置包括变频电机，设置在该热解干馏室上方；中心旋转轴，在该变频电机驱动下旋转；以及多个叶片，设置在该中心旋转轴上并位于该热解干馏室中，其中当该中心旋转轴带动所述叶片旋转时，所述叶片的尺寸和旋转方向被设置为使得该上部热解干馏室中的物料向上翻转，该下部热解干馏室中的物料向下输送。根据本发明的实施例，其中，所述多个叶片被分成上部叶片、中部叶片和下部叶片共三部分，上部叶片的外径大于中部和下部叶片的直径，且上部叶片的旋转方向与中部和下部叶片相反，中部叶片的螺距小于上部和下部叶片。根据本发明的实施例，该系统还包括原料斗及螺旋输送机，生物质原料通过该原料斗和该螺旋输送机而从原料进口输送至该热解干馏室中；以及燃料斗及鼓风机，燃料通过该燃料斗进入与之相连的燃料管道，同时由该鼓风机将空气鼓入该燃料管道中，该燃料管道中的燃料和空气从燃料进口进入燃烧室。
根据本发明的实施实例，该系统所述使用的鼓风机为罗茨风机，保证燃料管道内燃料充分燃烧所需的空气量。根据本发明的实施例，该系统还包括水封，通过燃气排出管与该生物质干馏及裂解一体化设备的燃气出口连通，且该水封另有出口与大气相通，用于调节热解干馏室和裂解室的内部压力。根据本发明的实施例，该系统还包括余热利用锅炉，通过管道与该生物质干馏及裂解一体化设备的烟气出口连通，该余热利用锅炉内装有软化水，利用燃烧室产生的燃烧烟气的热量将软化水转化为水蒸汽，并将所述水蒸汽通过水蒸汽输送管引入裂解室中，用来与来自热解干馏室的热解后产物中的炭进行水煤气反应，生成燃气和活性炭。本发明设备采用热解干馏室和裂解室一体化结构，以紧凑而合理的设置实现了热能利用效率的提高，降低了热能损耗。在提高热效率的同时还能够有效的控制热解干馏及裂解反应的进程，并保证了产气量的均勻。本发明设备采用物料翻转及输送一体化装置，保证了设备运行中对原料输送量的有效控制。
图1为现有技术的生物质热解裂解设备的结构示意2为本发明的生物质干馏及裂解一体化设备结构示意图；图3为本发明的生物质干馏及裂解系统的配置示意图。其中的附图标记说明如下1、热解干馏室；2、裂解室；3、燃烧室；4、水蒸汽输送管；5、原料进口 ；6、燃料进口 ； 7、燃气出口 ；8、烟气出口 ；9、插板阀；10、锁气翻板卸灰阀；11、清灰门；12、物料翻转及输送一体化装置；121、变频电机；122、中心旋转轴；123、叶片(请在图2中标注121、122和123) (已标)；14、原料斗；15、螺旋输送机；16、燃料斗；17、鼓风机；18、余热利用锅炉；19、水封。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。如图2所示，为本发明的生物质干馏及裂解一体化设备结构示意图。该生物质干馏及裂解一体化设备包括主体，该主体包括竖直设置的热解干馏室1，位于该主体的上部，对生物质原料进行热解以生成热解后产物，所述热解后产物包括燃气、炭及焦油；裂解室2，设置在该主体的下部并与该热解干馏室1连通，对所述热解后产物中的焦油进行裂解以生成燃气；以及燃烧室3，设置在该热解干馏室1和该裂解室2的外侧，为该热解干馏室1 和该裂解室2供热。其中，该热解干馏室1包括上部热解干馏室和下部热解干馏室，该下部热解干馏室伸入该裂解室2中一定距离，且下部热解干馏室的内径小于该上部热解干馏室，在该热解干馏室1上侧部设置与之连通的原料进口 5，所述生物质原料从该原料进口 5进入该热解干馏室1。该裂解室2与该热解干馏室1之间通过该下部热解干馏室的底部直接相通，在该裂解室2上侧部设置与之连通的燃气出口 7，用以排出燃气。在该裂解室2下侧部还设置有水蒸汽输送管4，将水蒸汽引入该裂解室2中以与所述热解后产物中的炭进行水煤气反应，生成燃气和活性炭。在该裂解室2底部设置有插板阀9和锁气翻板卸灰阀10，用以定期排出同态的裂解后产物(包括炭和/或活性炭等)。在该燃烧室3上侧部设置有烟气出口 8，在该燃烧室3下侧部设置有与之连通的燃料进口 6，在该燃烧室3下部还设置有清灰门11用以定期清理该燃烧室3中的燃烧后灰烬。在本发明的实施例中，该主体为圆筒状，该热解干馏室1和该裂解室2与该燃烧室 3呈同心圆状排列。该主体高约为2. 0-4.0米。其中，该热解干馏室1的工作温度为500°C -600°C，该裂解室2的工作温度为 IOOO0C -1200°c。图3为本发明的生物质干馏及裂解系统的全套装备的配置示意图。请参阅图3，本发明的生物质干馏及裂解系统包括如上所述的生物质干馏及裂解一体化设备。再请参阅图2，在本发明的实施例中，所述生物质干馏及裂解系统还包括物料翻转及输送一体化装置12，竖直伸入该生物质干馏及裂解一体化设备的热解干馏室1中，在该热解干馏室1中进行原料的翻转，并从该热解干馏室1向该裂解室2输送热解后产物。其中，该物料翻转及输送一体化装置12包括变频电机121，设置在该热解干馏室 1上方；中心旋转轴122，在该变频电机121驱动下旋转；以及多个叶片123，设置在该中心旋转轴122上并位于该热解干馏室1中，其中当该中心旋转轴122带动所述叶片123旋转时，所述叶片123的尺寸和旋转方向被设置为使得该上部热解干馏室中的物料向上翻转， 该下部热解干馏室中的物料向下输送。所述多个叶片123被分成上部叶片、中部叶片和下部叶片共三部分，上部叶片的外径大于中部和下部叶片的直径，且上部叶片的旋转方向与中部和下部叶片相反，中部叶片的螺距小于上部和下部叶片。继续参阅图3，本发明的生物质干馏及裂解系统还包括原料斗14及螺旋输送机 15，生物质原料通过该原料斗14和该螺旋输送机15而从原料进口 5输送至该热解干馏室 1中；以及燃料斗16及鼓风机17，燃料通过该燃料斗16进入与之相连的燃料管道，同时由该鼓风机17将空气鼓入该燃料管道中，该燃料管道中的燃料和空气从燃料进口 6进入燃烧室3。该鼓风机17可以是本领域常用的罗茨鼓风机。本发明的生物质干馏及裂解系统还包括水封19，该水封19通过燃气排出管与该生物质干馏及裂解一体化设备的燃气出口 7连通，且该水封19另有出口与大气相通，用于调节热解干馏室1和裂解室2的内部压力。本发明的生物质干馏及裂解系统还包括余热利用锅炉18，通过管道与该生物质干馏及裂解一体化设备的烟气出口 8连通，该余热利用锅炉18内装有软化水，利用燃烧室3 产生的燃烧烟气的热量将软化水转化为水蒸汽，并将所述水蒸汽通过水蒸汽输送管4引入裂解室2中，用来与来自热解干馏室1的热解后产物中的炭进行水煤气反应，生成燃气和活性炭。下面结合附图对本发明的生物质干馏及裂解系统的工作流程进行描述。如图3所示，粉末状的生物质原料由原料斗14通过螺旋输送机15输送进入热解
7干馏室1。在物料翻转及输送一体化装置12的中心旋转轴122的旋转带动下，原料在热解干馏室1内不停地翻转并停留足够的时间，以实现充分的热解干馏。热解干馏产生燃气、炭及焦油等热解后产物，其中的热解气(包括燃气、呈气态的焦油和水蒸汽)携带焦油等有机物进入裂解室2，热解后产物中的焦油在裂解室2中发生裂解反应生成裂解气(即小分子可燃气体)，而热解后产物中的炭与自外部输送进来的水蒸汽发生水煤气反应，生成燃气和活性炭等，燃气经由设置在裂解室2侧壁的燃气出口 7进入燃气排出管，继而被引入后续的净化冷却系统。裂解室2中的水煤气反应可以根据实际生产需要进行控制，通过控制水蒸汽的喷入量获得燃气或高品质活性炭。干馏裂解反应后的炭(不通入水蒸气时裂解室中的炭保持不变)或活性炭(在通入部分水蒸气使炭不完全反应后会生成活性炭)可以通过插板阀9 和锁气翻板卸灰阀10定量自行排出。与此同时，经预处理后的粉末状生物质燃料由燃料斗16经罗茨鼓风机17输送至燃烧室3。粉末状燃料在燃烧室3内燃烧，燃烧室3内下部具有较高的燃烧温度，为裂解室 2提供热量，燃烧室3上部具有较低的燃烧温度，为干馏裂解室1提供热量。由燃烧室3产生的燃烧烟气进入余热利用锅炉18，余热利用锅炉18利用燃烧烟气提供的热量将锅炉18 中的软化水加热而变成水蒸汽，为裂解室2提供进行水煤气反应的水蒸汽，提高了整个生物质干馏及裂解系统的热效率。为了保证热解干馏室和裂解室中的压力正常，在燃气排出管处设置水封19，其设置在生物质干馏及裂解一体化设备的外部，通过管道与燃气排出管相通，另有出口与大气相通，用于调节反应室内部的压力。其中，水封19中水的高度根据生物质干馏及裂解一体化设备内的压力来调节，以使得水封19内的水的压力略高于设备内压力，确保设备在正常运行过程中燃气不会泄露出去。当设备内压力出现非正常情况时，高压下的燃气能够从水封19中释放出来，从而避免给后继的净化设备等带来危险。本发明的生物质干馏及裂解一体化设备将生物质干馏热解与焦油裂解集中在一个主体中进行，通过物料翻转及输送一体化装置控制粉末状生物质原料的流量，保证生物质原料在干馏热解室内进行充分的热解反应，之后再将热解后产物送入裂解室，对所述热解后产物中的焦油进行热裂解。本发明摒弃了现有技术中分开设置的焦油裂解反应器和生物质热解反应器，并省去了这些反应器之间的连接管道，以紧凑而合理的设置解决了不同反应器之间物料输送困难和热能损耗过多的问题。生物质物料翻转及输送一体化装置专门用于在生物质干馏及裂解一体化设备的热解干馏室中实现生物质原料的翻转和输送功能，该物料翻转及输送一体化装置的叶片在上部热解干馏室中向上旋转，从而翻转生物质原料并控制生物质原料的进料量和停留时间。该物料翻转及输送一体化装置的叶片在下部热解干馏室(下部热解干馏室外围是裂解室)中向下旋转，保证热解干馏室中产生的焦油和炭能够及时输送到裂解室进行裂解反应和水煤气反应。本发明的生物质物料翻转及输送一体化装置可以对热解原料同时进行翻转和输送，提高了热解原料在热解室中的停留时间，并能够在此后将热解后产物顺利输送至裂解室。在裂解室下部配有水蒸汽喷洒装置(即在水蒸汽输送管上装有蒸汽喷头)。经过水煤气反应后的燃气由裂解室一侧上方的燃气输出管输出后净化冷却。
当热解后产物进入裂解室中之后，在其中的焦油等大分子有机物在裂解室内发生裂解反应的同时，炭与水蒸汽发生水煤气反应，降低了灰渣的产量和处理难度，提高了燃气的质量。同时，通过控制水蒸汽的喷洒量可以生产活性炭。本发明可使用生物质粉状物料同时作为生物质干馏裂解的原料(即生物质原料) 和生物质干馏裂解过程所需的加热源(即生物质燃料)，当然，本发明的设备中所用的燃料也可以是其他类型的燃料。燃料由燃烧室下部进入燃烧室往上燃烧，温度自下而上依次递减，使得裂解室温度高于热解干馏室温度，保证了干馏热解和裂解所需的热量。采用生物质粉状燃料的高温燃烧为生物质干馏和焦油的裂解提供热能，燃料燃烧温度能够达到 1000-1200°C。根据实际需要在裂解室内可控制水蒸汽的通入时间及通入量，使其与热解后产物中的炭发生反应，以达到生成更多燃气或生产活性炭的要求。本发明生物质干馏及裂解一体化设备由原料斗通过螺旋输送机为其输送原料进入热解干馏室，由燃料斗通过罗茨鼓风机为燃烧室提供燃料。裂解室中同时可以通过控制水蒸汽的喷入量实现了生产炭或活性炭的目的。通过设置余热利用锅炉，燃烧室中因燃料燃烧而产生的烟气直接进入余热利用锅炉进行余热利用，将余热利用锅炉中的软化水转化成水蒸汽，所产生的水蒸汽被送入裂解室中以与所述热解后产物中的炭进行水煤气反应。本发明在保证生物质干馏裂解完全的情况下充分利用系统中产生的热量，由余热利用锅炉为干馏裂解系统提供所需的水蒸汽，提高了整个系统的热效率。
权利要求
1.一种生物质干馏及裂解一体化设备，包括主体，该主体包括热解干馏室(1)，设置在该主体的上部，对生物质原料进行热解以生成热解后产物，所述热解后产物包括燃气、炭及焦油；裂解室(2)，设置在该主体的下部并与该热解干馏室(1)连通，对所述热解后产物中的焦油进行裂解以生成燃气；以及燃烧室(3)，设置在该热解干馏室(1)和该裂解室O)的外侧，为该热解干馏室(1)和该裂解室( 供热。
2.根据权利要求1所述的生物质干馏及裂解一体化设备，其中，该热解干馏室(1)包括上部热解干馏室和下部热解干馏室，该下部热解干馏室伸入该裂解室O)中且其内径小于该上部热解干馏室，在该热解干馏室(1)上侧部设置与之连通的原料进口(5)，所述生物质原料从该原料进口(5)进入该热解干馏室(1)。
3.根据权利要求2所述的生物质干馏及裂解一体化设备，其中，该裂解室( 与该热解干馏室(1)之间通过该下部热解干馏室的底部直接相通，在该裂解室( 上侧部设置与之连通的燃气出口(7)，用以排出燃气，在该裂解室( 底部设置有插板阀(9)和锁气翻板卸灰阀(10)，用以定期排出固态的裂解后产物。
4.根据权利要求3所述的生物质干馏及裂解一体化设备，其中，在该裂解室( 下侧部还设置有水蒸汽输送管G)，将水蒸汽引入该裂解室O)中以与所述热解后产物中的炭进行水煤气反应，生成燃气和活性炭。
5.根据权利要求1所述的生物质干馏及裂解一体化设备，其中，在该燃烧室C3)上侧部设置有烟气出口(8)，在该燃烧室C3)下侧部设置有与之连通的燃料进口(6)，在该燃烧室 (3)下部还设置有清灰门(11)用以定期清理该燃烧室(3)中的燃烧后灰烬。
6.根据权利要求1所述的生物质干馏及裂解体化设备，其中，该主体为圆筒状，该热解干馏室(1)和该裂解室O)与该燃烧室(3)呈同心圆状排列。
7.根据权利要求6所述的生物质干馏及裂解一体化设备，其中，该主体高为2.0-4.0米。
8.根据权利要求1或2所述的生物质干馏及裂解一体化设备，其中，该热解干馏室(1) 的工作温度为500°C _600°C，该裂解室O)的工作温度为1000°C -1200°C。
9.一种生物质干馏及裂解系统，其包括根据权利要求1至7中任意一项所述的生物质干馏及裂解一体化设备，该系统还包括物料翻转及输送一体化装置(12)，竖直伸入该生物质干馏及裂解一体化设备的热解干馏室(1)中，在该热解干馏室(1)中进行原料的翻转，并从该热解干馏室(1)向该裂解室 (2)输送热解后产物。
10.根据权利要求9所述的生物质干馏及裂解系统，其中，该物料翻转及输送一体化装置(12)包括变频电机(121)，设置在该热解干馏室(1)上方；中心旋转轴(122)，在该变频电机(121)驱动下旋转；以及多个叶片(123)，设置在该中心旋转轴(12 上并位于该热解干馏室(1)中，其中当该中心旋转轴(122)带动所述叶片(123)旋转时，所述叶片(123)的尺寸和旋转方向被设置为使得该上部热解干馏室中的物料向上翻转，该下部热解干馏室中的物料向下输送。
11.根据权利要求10所述的生物质干馏及裂解系统，其中，所述多个叶片(12 被分成上部叶片、中部叶片和下部叶片共三部分，上部叶片的外径大于中部和下部叶片的直径，且上部叶片的旋转方向与中部和下部叶片相反，中部叶片的螺距小于上部和下部叶片。
12.根据权利要求9所述的生物质干馏及裂解系统，该系统还包括原料斗(14)及螺旋输送机(15)，生物质原料通过该原料斗(14)和该螺旋输送机(15)而从原料进口(5)输送至该热解干馏室(1)中；以及燃料斗(16)及鼓风机(17)，燃料通过该燃料斗(16)进入与之相连的燃料管道，同时由该鼓风机(17)将空气鼓入该燃料管道中，该燃料管道中的燃料和空气从燃料进口(6)进入燃烧室⑶。
13.根据权利要求9所述的生物质干馏及裂解系统，该系统还包括水封(19)，通过燃气排出管与该生物质干馏及裂解体化设备的燃气出口(7)连通，且该水封(19)另有出口与大气相通，用于调节热解干馏室(1)和裂解室O)的内部压力。
14.根据权利要求9所述的生物质干馏及裂解系统，该系统还包括余热利用锅炉(18)，通过管道与该生物质干馏及裂解一体化设备的烟气出口(8)连通，该余热利用锅炉(18)内装有软化水，利用燃烧室(3)产生的燃烧烟气的热量将软化水转化为水蒸汽，并将所述水蒸汽通过水蒸汽输送管(4)引入裂解室( 中，用来与来自热解干馏室(1)的热解后产物中的炭进行水煤气反应，生成燃气和活性炭。
全文摘要
一种生物质干馏及裂解一体化设备，包括主体；该主体包括热解干馏室，设置在该主体的上部，对生物质原料进行热解以生成热解后产物，所述热解后产物包括燃气、炭及焦油；裂解室，设置在该主体的下部并与该热解干馏室连通，对所述热解后产物中的焦油进行裂解以生成燃气；以及燃烧室，设置在该热解干馏室和该裂解室的外侧，为该热解干馏室和该裂解室供热。本发明采用热解干馏室和裂解室的一体化结构，在提高热效率的同时能够有效的控制热解干馏及裂解反应的进程，保证了产气量的均匀，并能同时生产活性炭。本发明还采用物料翻转及输送一体化装置在设备主体内进行物料翻转和输送，在设备运行时保证了对原料输送量和裂解反应时间的有效控制。
文档编号C01B31/08GK102199451SQ20111008553
公开日2011年9月28日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者徐冬利, 赵洪叶, 魏晓明 申请人:北京联合创业环保工程有限公司