专利名称：自热型变截面流化床生物质热裂解制油装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种自热型变截面流化床生物质热裂解制油装置。
背景技术：
随着我国国民经济的持续发展导致对能源需求的高速增长，大量化石燃料燃烧利用过程中所排放的SO2、NOx等污染物使生态环境受到严重污染，同时，作为世界上第二大CO2排放国，CO2大量排放所加剧的“温室效应”影响在我国也得到了重视，另外，由于石油危机的数次爆发以及石油价格的不稳定，也促使代用液体燃料的开发应用提上了日程。相比于煤炭等化石燃料，生物质是一种可再生清洁能源资源，同时因为生物质利用过程中具有CO2零排放特点，从而对于缓解日益严重的“温室效应”有着特殊的意义。在生物质的能源化利用领域中，生物质热裂解液化技术是目前世界上生物质能研究开发的前沿技术。该技术能以连续的工艺和工厂化的生产方式将以木屑等废弃物为主的生物质转化为高品位的易储存、易运输、能量密度高且使用方便的代用液体燃料(生物油)，其不仅可以直接用于现有锅炉和燃气透平等设备的燃烧，而且可通过进一步改性加工使液体燃料的品质接近柴油或汽油等常规动力燃料的品质，此外还可以从中提取具有商业价值的化工产品。相比于常规的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分极其微小，可视为二十一世纪的绿色燃料。
在生物质热裂解液化的各种工艺中，国外采用了多种不同的试验装置和技术路线，以达到增加生物油产率和提高能源利用水平的目的。如快速裂解、加氢裂解、真空裂解、低温裂解、部分燃烧裂解等，但一般认为在常压下的快速裂解仍是生产液体燃料最为经济的方法，其一般可分为如下几类(a)机械接触式反应器，其主要通过一灼热的反应器表面直接或间接与生物质接触，将热量传递到生物质使其快速升温从而达到快速热裂解，典型的有英国Aston大学的烧蚀热裂解反应器、NREL提出的涡流反应器及荷兰Twente大学设计的旋转锥生物质热裂解制油反应器等；(b)间接式反应器，这类反应器的主要特征是由一高温的表面或热源提供生物质热裂解所需的热量，其主要通过热辐射进行热量传递，如美国Washington大学的热辐射反应器；(c)混合式反应器，其主要是借助热气流或气固多相流对生物质进行快速加热，其能提供高的加热速率以及相对均匀的反应温度，同时快速流动的载气便于热裂解一次产物及时析出，如加拿大Waterloo大学的流化床热裂解系统、加拿大Ensyn提出的循环流化床反应器和GTRI的快速引射流反应器等。机械接触式反应器的设备规模较为庞大，同时机械接触磨损厉害而使得运行维护成本也较高，因此在规模化应用中将受到限制。而间接式反应器由于热源的局限性限制了其应用，此类反应器一般主要提供机理性试验所需。相比于前两种类型，国外已开发并且试图规模化的生物质热裂解液化反应装置侧重于第三类，尤其是应用流化床技术的生物质热裂解反应器，流化床工艺因能实现高的加热速率、较短的气相停留时间、简捷的温度控制、方便的炭回收、较低的投资以及成熟的设计方法而使得其成为目前最有发展潜力的热裂解制取液体燃料的工艺。
发明内容
本实用新型的目的是对已有的生物质热裂解液化工艺中能源利用率不高以及液体产物不分级等缺点，研发了一种自热型变截面流化床生物质热裂解制油装置。
本实用新型采用的技术方案是自热型变截面流化床生物质热裂解制油装置包括预备料斗下接组合式给料装置，组合式给料装置分别接变截面流化床反应器、备用气源、储气罐，变截面流化床反应器，分别接旋风分离器、备用气源、储气罐、和经反应器外的换热器，分别接炭燃烧炉、原料干燥室，原料干燥室分别接料仓、引风机，旋风分离器和炭过滤器的一端连接，旋风分离器和炭过滤器的另一端连接后接炭燃烧炉，炭过滤器经高温冷凝器、高温导热油加热器、第一导热油泵接高温空冷器，高温冷凝器还分别与高温空冷器、中温冷凝器连接，中温冷凝器经中温导热油加热器、第二导热油泵接中温空冷器、低温冷凝器连接，低温冷凝器分别开有热水出口、冷水进口、并经气体滤清装置、煤气泵接储气罐，高温空冷器和中温空冷器的一端连接后、高温空冷器和中温空冷器的另一端连接后分别接鼓风机、炭燃烧炉。
组合式给料装置包括与预备料斗连接的给料料斗，在给料料斗的出料口下装有给料螺旋，一端与备用气源和储气罐连接、另一端与变截面流化床反应器连接的播料风管装在给料螺旋的下料风管下，下料风管接备用气源和储气罐，在播料风管外装有水冷套。
变截面流化床反应器的上端面出口与旋风分离器连接，下端面的布风板经风室与备用气源和储气罐连接，变截面流化床反应器内腔从上而下为渐缩型稀相区、密相区，密相区外装有反应器的换热器，给料口位于密相区的底部。
本实用新型具有的有益的效果
1)将成熟的流化床技术应用到生物质热裂解技术上，充分利用流化床气固相传热强烈和热流强度大等优点实现生物质的闪速升温和挥发份的快速析出以及固体炭的回收利用，实现变截面流化床反应器的自供热，同时独特的变截面设计保证了生物油的产率。
2)采用旋风分离器和炭过滤器组合而成二级气炭分离系统，达到有效回收固体产物炭和高效过滤挥发份中固体物质的目的。
3)由高温冷凝器、高温导热油加热器、高温空冷器，中温冷凝器、中温导热油加热器、中温空冷器和低温冷凝器组成分级冷凝系统，在尽可能直接得到高品质燃料油同时，适合于对重质油和含有较多水分的液体进行分别处理，从而降低后续处理费用和最大化高品质燃料油的产量。
4)采用尾气再循环方式，将不可凝裂解气通过煤气泵返回用作流化气体从而降低了额外气源的成本。
5)高温空冷器、中温空冷器、炭燃烧炉和反应器换热器组成了高效的反应器自供热系统，其将由二级气炭分离系统分离下来的炭燃烧利用，使得生物质热裂解所需的热量能得到自行供给。而原料干燥室则有效地利用了反应器自供热系统所产生的余热。
6)组合式给料装置保证了变截面流化床反应器正压给料处的顺利给料。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是组合式给料装置的结构示意图；图3是变截面流化床反应器的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括预备料斗1下接组合式给料装置2，组合式给料装置2分别接变截面流化床反应器3、备用气源19、储气罐20，变截面流化床反应器3分别接旋风分离器5、备用气源19、储气罐20、和经反应器外的换热器4分别接炭燃烧炉15、原料干燥室17，原料干燥室17分别接料仓16、引风机21，旋风分离器5和炭过滤器6的一端连接，旋风分离器5和炭过滤器6的另一端连接后接炭燃烧炉15，炭过滤器6经高温冷凝器7、高温导热油加热器8、第一导热油泵C1接高温空冷器9，高温冷凝器7还分别与高温空冷器9、中温冷凝器12连接，中温冷凝器12经中温导热油加热器11、第二导热油泵C2接中温空冷器10、低温冷凝器13连接，低温冷凝器13分别开有热水出口a、冷水进口b、并经气体滤清装置14、煤气泵C接储气罐20，高温空冷器9和中温空冷器10的一端连接后、高温空冷器9和中温空冷器10的另一端连接后分别接鼓风机22、炭燃烧炉15。
如图1所示，借助升降机或皮带输送等传统给料方式，生物质原料首先被给入预备料斗1，待预备料斗1充满原料后，关闭预备料斗1的顶盖，并打开原先关闭的预备料斗1和组合式给料装置2之间的阀门，将预备料斗的原料缓缓加入组合式给料装置2中，组合式给料装置2负责将生物质原料送入与之相连的变截面流化床反应器3内。进入变截面流化床反应器3的原料在密相床内被闪速加热达到约500℃的较佳的反应温度，原料迅速受热分解释放出挥发份，并在小于1秒的时间内被流化风快速带离变截面流化床反应器3，热解固体产物炭同时也被气力夹带出变截面流化床反应器3。从反应器出来的炭和挥发份混合物进入二级气炭分离系统，气炭混合物首先进入旋风分离器5进行一级分离，其中约95％左右的炭被旋风分离器5分离下来，剩余的炭和挥发份一起再进入后续的炭过滤器6，由气固分离器将其中剩余的炭过滤出来，干净的挥发份进入后续的分级冷凝系统。分级冷凝系统由不同冷却温度的冷凝器和冷却介质回路组成，其中第一级高温冷凝器7的温度设定在200℃，该温度相当于汽油的终馏点，其作用是把那些沸点较高的液体产物先冷却下来得到具有重油品质的燃料油，可直接燃烧利用或进行进一步裂化深加工成轻质燃料油；第二级中温冷凝器12的温度设定在101℃，其主要目的是收集在汽油馏程范围内的轻质燃料油，但又同时因为高于水的沸点而能将生物质热裂解生成的大量水分不被冷凝下来，该段的产物可通过提炼加工成高品质动力用油；最后一级低温冷凝器13的温度接近室温，其作用是将生物质热裂解过程中的挥发份中包括水在内的可冷凝成分冷凝下来，该段收集得到的液体产物因含有较多水分，需采用常规的分馏处理程序去除其中的水分，去除水分后的产物可以和中温冷凝器12冷凝得到的液体产物一起成为轻质燃料油或用作化工原料。各级冷凝器的温度分别由相对应的冷却介质回路温度控制来保证，其中高温冷凝器7和中温冷凝器12对应的冷却回路所用的冷却介质采用热稳定性强的导热油，导热油分别由对应的冷凝回路里的高温导热油加热器8和中温导热油加热器11预热到预定温度，待本装置投料运行后，高温冷凝器7和中温冷凝器12内吸收的热量由各自冷凝回路里的导热油介质通过高温空冷器9和中温空冷器10释放。而低温冷凝器13对应回路的冷却介质为水，可依据实际应用情况采用一次性水冷或循环水冷方式。从高温空冷器9和中温空冷器10出来的热风通入炭燃烧炉15内进行余热利用，从二级气固分离系统收集下来的炭给入炭燃烧炉15燃烧生成热烟气，生成的热烟气通入反应器的换热器4将热量传给变截面流化床反应器3的密相床床层，提供生物质热裂解所需的热量。经过部分冷却的热烟气同部分冷空气一起通入原料干燥室17对原料进行干燥，干燥后的原料收集于料仓16。从分级冷凝系统出来的不可凝裂解气泵入储气罐，其中的部分气体经过脱二氧化碳工艺用作可燃气，另外的部分气体返回变截面流化床反应器3用于床料的流化。
如图1所示，分级冷凝系统实现将产物分段冷凝的目的，其由不同介质温度的冷凝器和介质回路组成，其中高温冷凝器7内部流动的介质温度最高，设计温度为200℃，用来收集具有重油品质的液体产物，其初始温度由相应的高温导热油加热器8预热到相应的温度，待正常运行后，关闭高温导热油加热器8的供热电路，同时打开高温空冷器9的介质流通回路，将生物质热裂解产物冷凝过程中放出的热量通过导热油在高温空冷器9释放。第二级中温冷凝器12内介质的温度先由相应的中温导热油加热器11预热到101℃，其主要目的是收集在汽油馏程范围内的轻质燃料油，但又同时因为高于水的沸点而能将生物质热裂解生成的大量水分不被冷凝下来，该段产物冷凝放出的热量通过中温空冷器10排放，收集到的产物可通过提炼加工成高品质动力用油。最后一级低温冷凝器13的温度接近室温，其作用是将生物质热裂解过程中的挥发份中包括水分在内的可冷凝成分冷凝下来，该段收集得到的液体产物因含有较多水分，需采用常规的分馏处理程序去除其中的水分，去除水分后的产物可以和中温冷凝器12冷凝得到的液体产物一起成为轻质燃料油或用作化工原料。分级冷凝系统中高温空冷器9和中温空冷器10的热空气通入炭燃烧炉15内进行余热利用。
如图2所示，组合式给料装置2起着将木屑等生物质原料送入变截面流化床反应器3的作用，其采用螺旋给料和气力输送相结合的方式，成功地克服了传统重力下料方式的不足，由给料螺旋2.1保证来自给料料斗2.5原料的定量供给，而气力输送则将由给料螺旋2.1给出的原料快速送入变截面流化床反应器3，其中气力输送中的下料风管2.4保证给料螺旋2.1出来的原料顺利下落入播料风管2.2，而播料风管2.2则起着均匀和输送原料的作用。气力输送采用变直径设计，各个区域的气流速度不一样，在变截面流化床反应器3进口处的气流速度可达到10m/s，从而能有效防止原料之间及与组合式给料装置2管壁之间的粘附，并和播料风管2.2上水冷套2.3冷却水的共同作用保证了变截面流化床反应器3进口处原料的停留时间短到可忽略其在组合式给料装置2的升温，避免了原料受热粘结成团现象的发生。在优化变截面流化床反应器3流化风、播料风管2.2播料风和下料风管2.4下料风之间的配比后，组合式给料装置2能保证生物质原料给料的顺利进行。
如图3所示，变截面流化床反应器3是生物质热裂解的主要装置，其由给料口3.1、风室3.2、布风板3.3、密相区3.4、渐缩型稀相区3.5和反应器出口3.6组成。为了尽可能最大化液体燃料产物的产率和优化液体燃料产物的品质，反应器结构要能够实现生物质在反应器内的快速且充分的受热分解，另外也要尽可能将生物质热裂解生成的一次挥发分快速析出而不致二次裂化。本专利提出的变截面流化床反应器3采用了独特的设计，反应器的给料口3.1位于变截面流化床反应器3的密相区3.4的底部，从而充分利用了密相区3.4内传热传质剧烈的优点，保证了生物质在密相区3.4内能得到快速完全的受热分解，同时也能保证反应器换热器4内的热烟气热量传递给密相区3.4的床料。另外，本反应器采用了变截面设计，渐缩型稀相区3.5使得生物质热裂解生成的一次挥发分能够快速通过反应器出口3.6析出反应器而不被二次裂化。
权利要求1.自热型变截面流化床生物质热裂解制油装置，其特征在于它包括预备料斗(1)下接组合式给料装置(2)，组合式给料装置(2)分别接变截面流化床反应器(3)、备用气源(19)、储气罐(20)，变截面流化床反应器(3)分别接旋风分离器(5)、备用气源(19)、储气罐(20)、和经反应器外的换热器(4)分别接炭燃烧炉(15)、原料干燥室(17)，原料干燥室(17)分别接料仓(16)、引风机(21)，旋风分离器(5)和炭过滤器(6)的一端连接，旋风分离器(5)和炭过滤器(6)的另一端连接后接炭燃烧炉(15)，炭过滤器(6)经高温冷凝器(7)、高温导热油加热器(8)、第一导热油泵(C1)接高温空冷器(9)，高温冷凝器(7)还分别与高温空冷器(9)、中温冷凝器(12)连接，中温冷凝器(12)经中温导热油加热器(11)、第二导热油泵(C2)接中温空冷器(10)、低温冷凝器(13)连接，低温冷凝器(13)分别开有热水出口(a)、冷水进口(b)、并经气体滤清装置(14)、煤气泵(C)接储气罐(20)，高温空冷器(9)和中温空冷器(10)的一端连接后、高温空冷器(9)和中温空冷器(10)的另一端连接后分别接鼓风机(22)、炭燃烧炉(15)。
2.根据权利要求1所述的自热型变截面流化床生物质热裂解制油装置，其特征在于所说的组合式给料装置(2)包括与预备料斗(1)连接的给料料斗(2.5)，在给料料斗(2.5)的出料口下装有给料螺旋(2.1)，一端与备用气源(19)和储气罐(20)连接、另一端与变截面流化床反应器(3)连接的播料风管(2.2)装在给料螺旋(2.1)的下料风管(2.4)下，下料风管(2.4)接备用气源(9)和储气罐(20)，在播料风管(2.2)外装有水冷套(2.3)。
3.根据权利要求1所述的自热型变截面流化床生物质热裂解制油装置，其特征在于所说的变截面流化床反应器(3)的上端面出口(3.6)与旋风分离器(5)连接，下端面的布风板(3.3)经风室(3.2)与备用气源(19)和储气罐(20)连接，变截面流化床反应器(3)内腔从上而下为渐缩型稀相区(3.5)、密相区(3.4)，密相区(3.4)外装有反应器的换热器(4)，给料口(3.1)位于密相区(3.4)的底部。
专利摘要本实用新型公开了一种自热型变截面流化床生物质热裂解制油装置。采用旋风分离器和炭过滤器组合而成，达到有效回收炭和清洁挥发份；由高、中温空冷器，高、中温导热油加热器，高、中、低温冷凝器组成的分级冷凝系统，得高品质燃料油的同时，还对重质油和含水较多的液体分别处理，从而降低后续处理费用，优化高品质燃油的产量；由高、中温空冷器，炭燃烧炉和反应器换热器组成自供热系统，有效利用自供热系统所产生的余热；组合式给料装置保证顺利给料；采用变截面流化床反应器，保证了生物油的产率。总之本实用新型利用流化床气固相传热强烈和热流强度大等优点实现生物质的闪速升温和挥发份的快速析出及固体炭的回收利用。
文档编号C10G1/00GK2549008SQ0221804
公开日2003年5月7日 申请日期2002年6月7日 优先权日2002年6月7日
发明者骆仲泱, 王树荣, 岑可法, 倪明江, 方梦祥, 施正伦, 周劲松, 余春江 申请人:浙江大学