专利名称：一种生物质螺旋热解装置及热解工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物质的热解装置及热解工艺。
背景技术：
目前，世界各国尤其是发达国家，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障，都 在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源。生物质热解 是指生物质在没有氧化剂(空气、氧气、水蒸气等)存在或只提供有限氧的条件下，加热到 逾50(TC，通过热化学反应将生物质大分子物质(木质素、纤维素和半纤维素)分解成较小
分子的燃料物质(固态炭、可燃气、生物油)的热化学转化技术方法。生物质热解的燃料能 源转化率可达95. 5 % ，最大限度的将生物质能量转化为能源产品，物尽其用，而热解也是燃 烧和气化必不可少的初始阶段 从化学反应的角度对其进行分析，生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反 应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。木材、林业废弃物和农作物废弃物等的
主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。热重分析结果表明，纤维素在52t:时开始热解，随 着温度的升高，热解反应速度加快，到350 37(TC时，分解为低分子产物。根据热解过程 的温度变化和生成产物的情况等，可以分为干燥阶段、预热解阶段、固体分解阶段和煅烧阶 段。干燥阶段(温度为120 150°C )，生物质中的水分进行蒸发，物料的化学组成几乎不 变。预热解阶段(温度为150 275°C )，物料的热反应比较明显，化学组成开始变化，生物 质中的不稳定成分如半纤维素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物质。上述两个阶 段均为吸热反应阶段。固体分解阶段(温度为275 475tO，热解的主要阶段，物料发生 了各种复杂的物理、化学反应，产生大量的分解产物。生成的液体产物中含有醋酸、木焦油 和甲醇(冷却时析出来)；气体产物中有C02、C0、CH4、H2等，可燃成分含量增加。这个阶段 要放出大量的热。煅烧阶段(温度为450 50(TC)，生物质依靠外部供给的热量进行木炭 的燃烧，使木炭中的挥发物质减少，固定碳含量增加，为放热阶段。实际上，上述四个阶段的 界限难以明确划分，各阶段的反应过程会相互交叉进行。 从对生物质的加热速率和完成反应所用时间的角度来看，生物质热解工艺基本上 可以分为两种类型一种是慢速热解，一种是快速热解。在快速热解中，当完成反应时间甚 短(<0.5s)时，又称为闪速热解。根据工艺操作条件，生物质热解工艺又可分为慢速、快 速和反应性热解三种。在慢速热解工艺中又可以分为炭化和常规热解。
慢速热解(又称干馏工艺、传统热解)工艺具有几千年的历史，是一种以生成木炭 为目的的炭化过程，低温干馏的加热温度为500 580°C ，中温干馏温度为660 750°C ，高 温干馏的温度为900 1 IO(TC 。将木材放在窑内，在隔绝空气的情况下加热，可以得到占原 料质量30% 35%的木炭产量。 快速热解是将磨细的生物质原料放在快速热解装置中，严格控制加热速率( 一般 大致为10 20(TC/s)和反应温度(控制在50(TC左右)，生物质原料在缺氧的情况下，被 快速加热到较高温度，从而引发大分子的分解，产生了小分子气体和可凝性挥发分以及少
3量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，成为生物油或焦油，其比例一般可 达原料质量的40 % 60 % 。 与慢速热解相比，快速热解的传热反应过程发生在极短的时间内，强烈的热效应 直接产生热解产物，再迅速淬冷，通常在0. 5s内急冷至35(TC以下，最大限度地增加了液态 产物(油)。 总的来讲，影响热解的主要因素包括化学和物理两大方面。化学因素包括一系列 复杂的一次反应和二次反应；物理因素主要是反应过程中的传热、传质以及原料的物理特 性等。具体的操作条件表现为温度、物料特性、催化剂、滞留时间、压力和升温速率。
在生物质热解过程中，温度是一个很重要的影响因素，它对热解产物分布、组分、 产率和热解气热值都有很大的影响。生物质热解最终产物中气、油、炭各占比例的多少，随 反应温度的高低和加热速度的快慢有很大差异。 一般地说，低温、长期滞留的慢速热解主 要用于最大限度地增加炭的产量，其质量产率和能量产率分别达到30%和50% (质量分 数)。温度小于600°C的常规热解时，采用中等反应速率，生物油、不可凝气体和炭的产率基 本相等；闪速热解温度在500 65(TC范围内，主要用来增加生物油的产量，生物油产率可 达80% (质量分数)；同样的闪速热解，若温度高于70(TC，在非常高的反应速率和极短的 气相滞留期下，主要用于生产气体产物，其产率可达80% (质量分数)。当升温速率极快时， 半纤维素和纤维素几乎不生成炭。 滞留时间在生物质热解反应中有固相滞留时间和气相滞留时间之分。固相滞留时 间越短，热解的固态产物所占的比例就越小，总的产物量越大，热解越完全。在给定的温度 和升温速率的条件下，固相滞留时间越短，反应的转化产物中的固相产物就越少，气相产物 的量就越大。气相滞留期时间一般并不影响生物质的一次裂解反应过程，而只影响到液态 产物中的生物油发生的二次裂解反应的进程。当生物质热解产物中的一次产物进入围绕生 物质颗粒的气相中，生物油就会发生进一步的裂化反应，在炽热的反应器中，气相滞留时间 越长，生物油的二次裂解发生的就越严重，二次裂解反应增多，放出H2、 CH4、 CO等，导致液 态产物迅速减少，气体产物增加。所以，为获得最大生物油产量，应縮短气相滞留期，使挥发 产物迅速离开反应器，减少焦油二次裂解的时间。 现有技术中常规热解方法是将生物质原料放在现有的热解装置中，例如流化床热 解。这种热解通常是在低于60(TC的中等温度及中等反应速率(0. 1 rc /s)条件下，经过 几个小时的热解，得到占原料质量的20% 25%的生物质炭及30% 40%的生物油。在 流化床反应器中，生物质颗粒加热到合适温度后其固体颗粒在氮气的带动下呈流化状态， 生物质在1-3秒的停留时间内完成热解过程，然后被裂解的各种有机物和焦碳进入旋风分 离器，焦碳分离后收集回用，气体则进入冷凝器，冷凝后即得到成分复杂的生物油。由于热 解过程中生物质颗粒在流化床反应器内的停留时间无法准确控制，热解温度也难以控制， 因此得到的热解产品成分复杂，无法实现热解产品即生物油成分的可控，不容易精炼提取 化学品。也就是说现有热解技术得到的生物油成分和浓度是随机的。因此其得到的生物油 只能作为低品位的燃料，附加值比较低，这限制了热解技术的推广。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能准确控制生物质颗粒热解时间和热解温度的螺旋热解装置及其热解工艺，从而有效控制生物油成分和浓度，使生物质热解技术能进一步得 到推广。 本发明的生物质螺旋热解装置，由加料系统、热解反应器以及热解产品收集系统
构成，该热解反应器带有外加热系统和保温系统，其特征在于，所述热解反应器是螺旋热解
反应器，它包括一个两端由盖体密封的园形筒体，通过两盖体的中孔支撑安装有一能相对
于园形筒体转动的转动轴，在筒体腔内的转动轴上设有作为螺旋推进器的螺旋叶片，该螺
旋叶片顶端与园形筒体内壁面间隙配合，转动轴在园形筒体外的伸出端连接有变频电机；
在园形筒体侧壁上分别设有生物质进料管和热解产品的出口管，其进料管与进料仓连通，
其出口管垂直通入到热解产品收集系统的焦碳收集罐中，在焦碳收集罐侧壁上设有一出气
管道，该出气管道依次和冷凝器、生物油收集罐、尾气排放管连通。所述外加热系统是可调
功率的电加热板，并设有热电偶测温；所述安装在转动轴上的螺旋推进器的螺距1满足公 _ 丄
式^ ='其中，L为螺旋推进器的轴向长度，t为设定的生物质在螺旋反应器内的停留时 60
间，通常为t = 1-3秒，n为转动轴的转动速度，通常为100-400转/分。 上述装置中，所述热解反应器带有的外加热系统是整体的或者是分离的可调功率
的电加热板，每块电加热板设有测温的热电偶。 上述装置中，所述作为螺旋推进器的螺旋叶片、园形筒体内壁和转动轴表面均由 耐腐蚀材料构成，以防止因腐蚀现象影响生物油的品质。 利用本发明的螺旋热解装置对生物质进行热解的工艺过程，包括首先启动外加热
系统，使螺旋热解反应器内的反应区温度稳定在500-550°C ;再将生物质颗粒原料通过进口
管输送进入螺旋热解反应器，其特征在于，同时启动变频电机，并根据设定的生物质在螺旋
_ 丄
热解反应器内的停留时间t，以及螺旋推进装置的轴向长度L和螺距1，使用公式^ = J'
60
确定变频电机的转速n，通常转动速度在100-400转/分范围内；然后启动热解产品收集系 统，即可得到液体生物油和其它热解产物。所述生物质颗粒原料是被粉碎的生物质颗粒，其 粒径为20-200目。 在实际操作中，可根据得到的生物油的品质分析，然后适当调整变频电机转速，即
调整生物质在螺旋反应器内的停留时间，以得到合适的生物油品质和产量。 所述"启动外加热系统，使螺旋热解反应器内的反应区温度稳定在500-550°C "，可
以是通过控制不同的电加热板将螺旋反应器在长度方向上分成不同温区，从50(TC沿着生
物质运动方向逐渐升温至550°C ，更有利提高生物油的产率和油品。 本发明的螺旋热解装置对生物质进行热解的工艺过程，与现有技术相比，有两个 主要优点 (1)能精确的控制生物质在反应器器内的停留时间 生物质在流化床反应器中的停留时间一般与进料量及流化床反应器的有效容积 有关，它是一个平均停留时间，由于流化床内的混合物料运动状态复杂，往往存在短路、返 混与死角现象，而且由于生物质颗粒在热解过程中不断失重等，生物质个体的停留时间差 异很大。因此平均停留时间无法准确反映个体停留时间。本螺旋热解反应器则完全不同，
5只要设计合理的螺距，避免物料打滑和反喷现象，则生物质的个体停留时间也就是平均停 留时间。 从理论上讲，生物质颗粒在反应器内停留时间不同，即发生反应的时间不同，其热 解生成物的成分即会有区别，也即生物油成分和浓度会有变化。本发明的螺旋热解装置，由 于转动轴的转动速度可由变频电机调节，使得生物质颗粒的行进速度，即生物质颗粒在反 应器内的停留时间能得到精确控制，(可精确到0. 1秒)，因此热解得到的生物油成分和浓 度比较一致，这对于产品的进一步优化具有很大的优势。
(2)能分区控制热解过程的温度 根据热解原理，生物质在不同温区热解可以提高生物油的产率和油品。因为在生 物质热解过程中，温度是一个很重要的影响因素，它对热解产物分布、组分、产率和热解气 热值都有很大的影响。生物质热解最终产物中气、油、炭各占比例的多少，随反应温度的高 低和加热速度的快慢有很大差异。 一般地说，低温、长期滞留的慢速热解主要用于最大限度 地增加炭的产量，其质量产率和能量产率分别达到30%和50% (质量分数)。如果温度小 于60(TC的常规热解时、并采用中等反应速率，则生物油、不可凝气体和炭的产率基本相等； 如果采用闪速热解温度在500 65(TC范围内，可以增加生物油的产量，生物油产率可高达 80% (质量分数)；同样的闪速热解，若温度高于70(TC，在非常高的反应速率和极短的气相 滞留期下，会增加气体产物产出，其产率可达80% (质量分数)。 流化床热解反应器尽管可以采用电加热，也可以采用热电偶分区控制，但由于流
化床内物料处于流化状态，往往会出现返混现象，热量对流传递，使得反应器内的温度较均
匀分布，很难通过热电偶控制温度分区。本螺旋热解反应器中不存在流化和返混现象，热量
传递完全靠热传导方式，因此传热速率小，便于温度控制，这有利于产品的优化。 本发明通过螺旋热解装置直接将生物质热解生成生物油，不仅便于储存运输，而
且生物油成分可控，易精炼提取化学品。 下面通过实施例和附图对本发明作进一步描述。
图1是本发明的螺旋热解装置的实施例示意图。
具体实施方式
实施例1 参见图1，园筒形反应器的筒体5的一头为法兰盘状，起保温作用的外套筒6的两 端也为法兰盘状，筒体5和外套筒6相互套在一起，加上左右两端盖4、 11和螺纹连接件构 成一个整体，外套筒6的内壁与筒体5的外壁间有足够大的间隙，四块电加热板8设置在此 间隙中，并包围在筒体5的外壁面上。该电加热板为4X 1KW的可调功率的电加热板，分别由 四个热电偶9控制，达到设定温度后，自动减小加热功率，因此能有效控制反应器内的反应 温度在一定的范围内(500-550°C)。四个热电偶独立控制四个加热板，可以实现螺旋反应 器内有四个不同温区，以实现在园形筒体长度方向上不同温度的需要。热电偶9的一端与 筒体5的外壁面接触，另一端穿过外套筒到达外部空间，接仪表以方便观察。生物质进料管 7设置在靠近左端的上方，其轴线与筒体5垂直，出口管12设置在靠近右端的下方，其轴线也与筒体5垂直。在左右两端盖4、11的中轴孔中通过轴承支撑有转动轴3，并有耐高温密 封圈1密封。变频电机2与转动轴3左端连接，使转动轴3能跟随电机主轴一起转动，该变 频电机的转速在100-400转/分范围内可调。在转动轴的被包容在筒体内腔部分安装有作 为螺旋推进装置的螺旋叶片IO，螺旋叶片顶端与筒体内壁面间隙配合。本实施例选择筒体 内径为52毫米，叶片外径50毫米，转动轴直径为30毫米；螺旋推进部分的长度240毫米， 设定生物质停留时间在l-3秒内，根据有关公式计算得到螺距为16-48毫米，本实施例选择 螺距为30毫米，并选用了螺旋推进装置常用的螺旋角15° 。出口管12通入到下方的焦碳 收集罐13中，然后由出气管道14与冷凝器15、生物油收集罐16和尾气排放管17连接成整 体。 本实施例中，所述作为螺旋推进装置的螺旋叶片、园筒形反应器和转动轴均由不 锈钢材料制造。所述变频电机由市场购得，型号为CHF100-1R5G-4(INVT ELECTRIC CO. LTD)
下面利用上述装置进行实际应用并测试有关数据。 生物质原料是木屑，被粉碎后的粒径约为40-80目。首先将电加热板加热到设定 的温度四个热电偶从左至右分别分别设定为500°C ， 520°C ， 530°C ， 550°C ，反应器内的实 际温度会有少许变动。然后将生物质原料从进料器加入到螺旋热解反应器的进料口中，同 时启动变频电机，并开通冷凝器和尾气排放系统。调节转动轴以300转/分的转速转动，即 生物质原料在反应器内的停留时间1.6秒。生物质在反应器内迅速产生热解，其产品为有 机物分子气体和固体焦碳，螺旋推进装置将焦碳推出经出口管到焦碳收集罐中，气体经出 口管并从焦碳收集罐的出气口进入冷凝器，冷凝后得到生物油进入生物油收集罐，其余尾 气从尾气排放管5排出。 具体的反应条件和有关检测数据如下 生物质原料的进入流量为18公斤/小时，得到的生物油产量8. 6公斤/小时。
初步检测分析显示，得到的生物油含水率< 30%，高位热值为21MJ/kg。
与现有技术中的流化床热解得到的生物油相比，本螺旋热解生物油中苯酚类含量 比流化床热解提高40 %左右，含量大于1 %的有机物达到22种，使用通常流化床的只有 10-15种。
权利要求
一种生物质螺旋热解装置，由加料系统、热解反应器以及热解产品收集系统构成，该热解反应器带有外加热系统和保温系统，其特征在于，所述热解反应器是螺旋热解反应器，它包括一个两端由盖体密封的园形筒体，通过两盖体的中孔支撑安装有一能相对于园形筒体转动的转动轴，在筒体腔内的转动轴上设有作为螺旋推进器的螺旋叶片，该螺旋叶片顶端与园形筒体内壁面间隙配合，转动轴在园形筒体外的伸出端连接有变频电机；在园形筒体侧壁上分别设有生物质进料管和热解产品的出口管，其进料管与进料仓连通，其出口管垂直通入到热解产品收集系统的焦碳收集罐中，在焦碳收集罐侧壁上设有一出气管道，该出气管道依次和冷凝器、生物油收集罐、尾气排放管连通。
2. 如权利要求1的生物质螺旋热解装置，其特征在于，所述外加热系统是整体的或者 是分离的可调功率的电加热板，每块电加热板设有测温的热电偶。
3. 如权利要求l的生物质螺旋热解装置，其特征在于，所述安装在转动轴上的螺旋推 进器的螺距1满足公式^ = ^ '其中，L为螺旋推进器的轴向长度，t为设定的生物质在螺 旋反应器内的停留时间，n为转动轴的转动速度。
4. 如权利要求l的生物质螺旋热解装置，其特征在于所述作为螺旋推进器的螺旋叶 片、园形筒体内壁和转动轴表面均由耐腐蚀材料构成。
5. 利用如权利要求1的螺旋热解装置对生物质进行热解的工艺过程，包括首先启动 外加热系统，使螺旋热解反应器内的反应区温度稳定在500-550°C ;再将生物质颗粒原料 通过进口管输送进入螺旋热解反应器，其特征在于，同时启动变频电机，并根据设定的生物 质在螺旋热解反应器内的停留时间t，以及螺旋推进器的轴向长度L和螺距l，使用公式<formula>formula see original document page 2</formula>^-y^—'确定变频电机的转速n;然后启动热解产品收集系统，即可得到液体生物油和其 它热解产物。
6. 如权利要求4所述的工艺过程，其特征在于，所述生物质颗粒原料是被粉碎的生物 质颗粒，其粒径为20-200目。
7. 如权利要求4所述的工艺过程，其特征在于，所述"启动外加热系统，使螺旋热解反 应器内的反应区温度稳定在500-55(TC"，是通过控制不同的电加热板将螺旋反应器在长度 方向上分成不同温区，从50(TC沿着生物质运动方向逐渐升温至550°C。
全文摘要
本发明涉及生物质热解装置及其工艺。该装置包括加料系统、螺旋热解反应器及产品收集系统，在反应器园筒体两端盖的中孔内安装有与变频电机连通、并设置有螺旋推进器的转动轴；筒体侧壁上设有生物质进料管和热解产品出口管，其出口管垂直通入焦碳收集罐中，该收集罐通过侧壁上的出气管依次和冷凝器、生物油收集罐、尾气排放管连通。其工艺过程是先启动外加热系统，使反应器内温度为500-550℃；将生物质颗粒原料通过进口管送进反应器，同时启动变频电机，并根据设定的停留时间t、螺旋推进装置的轴向长度L和螺距l，确定变频电机的转速n；再启动热解产品收集系统。本发明能精确控制热解时间，分区控制热解温度，使得到的生物油成分可控，易于提取化学品。
文档编号C10G1/00GK101709224SQ200910185370
公开日2010年5月19日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者俞汉青, 江鸿, 郭庆祥 申请人:中国科学技术大学