一种快速热解生物质的系统及方法与流程

本发明涉及生物质热解，具体涉及一种快速热解生物质的系统及方法。

背景技术：

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。慢速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，低温热解的加热温度为500℃-580℃，中温热解温度为660℃-750℃，高温热解的温度为900℃-1100℃。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10-200℃/s)和反应温度(控制在500℃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，其比例一般可达到原料质量的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，再迅速冷却，最大限度地增加了液态产物油。

现有的生物质热解工艺较复杂，且热解炉热解效率低，导致热解生物质的成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种工艺简单、成本低廉的快速热解生物质的新工艺。

本发明首先提供了一种快速热解生物质的系统，该系统包括：

下行床快速热解反应器，具有热解原料入口、热解油气出口和半焦出口；

两级旋风分离器，具有热解油气入口和净油气出口，所述热解油气入口与所述下行床快速热解反应器的热解油气出口相连；

冷凝器，具有净油气入口、生物油出口和热解气出口，所述净油气入口与所述两级旋风分离器的净油气出口相连；

净化塔，具有热解气入口、净化气出口，热解气入口与所述冷凝器的热解气出口相连；

所述下行床快速热解反应器包括反应器本体、辐射管和多层挡板；所述辐射管为多个，水平同方向间隔排布在所述反应器本体内的不同高度，相邻高度层的所述辐射管错列布置；所述挡板倾斜设置在所述反应器本体内，最上层挡板位于所述反应器本体高度的1/2-2/3处。

在本发明的一个实施方案中，所述系统还包括破碎装置，所述破碎装置具有生物质入口和破碎生物质出口，所述破碎生物质出口与所述下行床快速热解反应器的热解原料入口相连。

在本发明的一个实施方案中，所述系统还包括烘干装置，所述烘干装置具有破碎生物质入口和烘干生物质出口，所述破碎生物质入口与所述破碎装置的破碎生物质出口相连，所述烘干生物质出口与所述下行床快速热解反应器的热解原料入口相连。

在本发明的一个实施方案中，所述辐射管的上侧安装有顶盖，所述顶盖的顶角为60°-90°，所述顶盖的垂直截面的宽度为所述辐射管直径的1.1-1.5倍。

在本发明的一个实施方案中，所述挡板的长度为所述辐射管直径的1-2倍。

本发明进一步提供了一种利用上述系统快速热解生物质的方法，该方法包括如下步骤：

准备热解用生物质；

将所述生物质送入所述下行床快速热解反应器进行热解，获得热解油气和半焦；

将所述热解油气送入所述两级旋风分离器除去固体杂质，然后再送入所述冷凝器，获得生物油和热解气；

将所述热解气送入所述净化塔去除油蒸汽，得到纯净的燃气。

在本发明的一个实施方案中，所述生物质的粒径≤2mm。

在本发明的一个实施方案中，在200℃-250℃的温度下将所述生物质烘干后再送入所述下行床快速热解反应器中进行热解。

在本发明的一个实施方案中，所述生物质在热解时还会产生烟气，用所述烟气将所述生物质进行烘干。

在本发明的一个实施方案中，在550℃-650℃的温度下对所述生物质进行热解。

本发明提供的热解生物质的系统结构简单、操作方便，热解效果好、经济效益高。

本发明采用了下行床快速热解反应器热解生物质，无热载体，反应工艺简单，且温度分布均匀，系统热效率高。其内部温度场由辐射管提供，同时根据通过控制不同的温度区域来精确的调节干燥脱水区、热解反应区、半焦生成区的温度，可操作性强，燃烧效率高，节能效果好。

热解产物中的热态半焦由热解炉底部排出，经排渣冷却螺旋冷却得到冷态半焦直接进入半焦收集装置，对热态焦油和热解气分别冷却净化处理，对热解产品进行了综合利用。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种快速热解生物质的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种快速热解生物质的工艺流程图。

图中：1、进料料斗；2、下行床快速热解反应器；3、一级旋风除尘器；4、二级旋风除尘器；5、半焦收集装置；6、冷凝器；7、冷凝水管路；8、储油罐；9、净化塔；10、集气罐；11、料斗；12、提升管。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

需要说明的是，本发明中的“辐射管”指得是蓄热式无热载体辐射管。其次，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的热解生物质的系统包括：进料料斗1、下行床快速热解反应器2(本申请中也简称反应器)、一级旋风除尘器3、二级旋风除尘器4、半焦收集装置5、冷凝器6、冷凝水管路7、储油罐8、净化塔9、集气罐10、料斗11和提升管12。

进料料斗1具有生物质入口和生物质出口。

参考图1，本发明使用的下行床快速热解反应器2包括反应器本体、辐射管和挡板。反应器本体上设有热解原料入口、半焦出口、燃料气进口、空气入口、烟气出口和热解油气出口，其中，热解原料入口与进料料斗1的生物质出口相连。辐射管为多个，水平同方向间隔排布在反应器本体的不同高度，相邻高度层的辐射管错列布置。挡板为多个，挡板倾斜设置于两层辐射管之间。辐射管的上方安装有顶盖。顶角的角度主要影响生物质在顶盖上停留的时间。顶角太大，生物质容易堆积到顶盖上；太小，生物质在顶盖上的停留时间短，热解效果不好。顶盖的垂直截面的宽度过长会影响辐射管热量的有效利用，过短对分散物料的作用不大。顶角的角度优选为60°-90°，顶盖的垂直截面的宽度优选为辐射管直径的1.1-1.5倍。

本发明提供的下行床快速热解反应器采用了蓄热式无热载体辐射管加热技术，无需气、固热载体，提高了热解气的热值，该反应器结构简单、占地面积小，易于工业化。

辐射管的上侧的顶盖能有效地起到保护辐射管不受受到物料冲刷，延长辐射管的使用寿命。顶盖的形状并不需要限定，其形状优选为开口向下且具有一个顶角，这样设置可避免生物质滞留在顶盖上，也可以对生物质起到引流作用。

生物质从入口进入炉内中，从上到下经过辐射管后会被分散，分散的物料如果不经过减速或改变方向则大部分会从两根辐射管中间的空隙落下，既减少了壁面传热效率又缩短了物料在反应器内的停留时间，如果想增加物料在炉内的热解时间则必然要加高反应器的高度，增加占地面积及投资，效益降低。通过模拟发现，两层辐射管之间加入挡板能有效地的改善对物料在反应器2中的分布，使其充分打散，最大面积的让生物质参与炉内传热。

生物质从进料口进入后，开始下落，碰到挡板和顶盖后，被弹起，然后再下落；生物质每碰到一次挡板和顶盖，即被弹到一定高度，其下落速度被减缓，因此，增加了生物质在热解反应器内的停留时间。而且，挡板和顶盖还起到对生物质的引流作用，增加了生物质在反应器本体内移动的距离，这也能增加生物质在热解反应器内的停留时间。

因此，添加挡板和顶盖后，反应器的高度可降低。若不改变反应器本体的高度，添加挡板和顶盖后，可将辐射管的垂直间距加大，从而可减少反应器内辐射管的数量。此外，挡板还可以起到打散物料的作用，提高生物质的热解效果。

挡板和顶盖的材质，优选为金属，金属的热传导性好，能提高生物质热解的效果。

挡板的具体位置、形状并不需要特别限定。为了更好的起到引流的作用，上下相邻两层的挡板最好错列布置。挡板可以根据需要设置在某层辐射管的上方或下方，挡板的最佳位置为两层辐射管的正中间，即与上下两层辐射管之间的垂直距离相等。同一层的挡板可以都往左倾斜，也可都往右倾斜，但为了更好的起到引流作用，可一左一右倾斜设置，配套使用。

如图1所示，挡板最好设置在反应器本体的中下部，最上层挡板位于反应器本体高度的1/2-2/3处。

可将两个挡板组成开口向下的挡板组件，该开口的角度优选为60°-90°；也可将挡板的一端连在反应器本体的内侧壁上，挡板与反应器本体内侧壁形成15°-60°的夹角。图1所示的反应器2包括这两种设置方式，需要说明的是，反应器2可只包括其中一种设置方式。

如图1所示，上述挡板组件优选设置在两个辐射管之间的空隙的上方，其最佳位置为两个辐射管之间的空隙的正上方，即挡板组件与该两个辐射管之间的水平距离相等，能保证停留在挡板上的生物质受热均匀。

挡板的长度优选为辐射管的直径的1-2倍。挡板的长度主要影响生物质在挡板上的停留时间及生物质在反应器内的移动的轨迹。挡板的长度越长，生物质在挡板上的停留时间越长，但生物质无法均匀的分散到下层辐射管；挡板的长度越短，生物质在挡板上的停留时间越少。

参考图1，根据本发明的实施例，反应器2和进料漏斗1之间还连接有螺旋进料器，反应器2的半焦出口与螺旋出料器相连。进料料斗1和螺旋进料器用于将生物质送入反应器2中，螺旋出料器用于将生物质热解后产生的固体产物运送至下一工段。螺旋进料器和螺旋出料器并不是必要装置，可视现场情况和具体的工艺决定是否要添加。

还可将螺旋出料器与一间冷装置相连，用冷却介质冷却从螺旋出料器排出的高温半焦，并回收热量。

辐射管为公称直径为200-300mm的圆形管，左右相邻的两辐射管的水平间距为200-400mm，上下相邻的两辐射管的竖直间距为500-1200mm。

如图1所示，辐射管错列分布于反应器2内，辐射管为单向蓄热式辐射管，辐射管按层单独控温。

反应器本体的高度为5-20m、宽度(其内壁的宽度)为2-6m、长度(其内壁的长度)为5-15m，反应器本体中辐射管的层数为10-25层。燃料气进口和空气入口分别与辐射管相连。

如图1所示，热解油气从右上侧部出来，并利用两级旋风分离结构除去热解油气中的固体半焦，降低了焦油含尘量，以便后续能对热解油气进一步加工。图1所示的除尘装置包括两个一级旋风除尘器3和两个二级旋风除尘器4，旋风除尘器除尘效率高，两级除尘能有效的将热解油气中的半焦清除。当然，也可选用其他除尘装置。

如图1所示，一级旋风除尘器3和二级旋风除尘器4具有热解油气入口、净油气出口和排灰口，其中，一级旋风除尘器3的进气口与下行床快速热解反应器2的热解油气出口相连。从二级旋风除尘器4排出的半焦进入半焦收集装置5中储存，另做他用。

冷凝器6具有净化油气入口、热解油出口和热解气出口；净化油气入口和一级旋风除尘器3的净化油气出口相连。如图1所示，冷凝器6连接有冷凝水管路7，用循环水与从高温油气换热，冷却高温油气，并回收热量。当然，也可采用其他方式冷却高温油气。

高温油气冷却后，其中的热解油变为液体，从热解油出口排出，进入储油罐8中储存，剩下的热解气送入净化塔9中再次净化后，再送往集气罐10中储存。

如图1所示，进料料斗1前还设有料斗11和提升管12。提升管12内通有热空气，在输送的过程中干燥生物质。料斗11和提升管12之间用螺旋进料器连接。提升管12设有进料口、热空气入口、出料口和空气出口。

图2为本发明提供的利用上述系统热解生物质的工艺流程图。生物质经料斗11由提升管12送入进料料斗1中进行热解。提升管12中通入了200℃-250℃的热空气，在输送的过程中一并对生物质进行干燥。

热解后的半焦由螺旋出料器排出，冷却后储存。热解油气从反应器2的侧部排出，经过一级旋风分离器3和二级旋风分离器4后收集下来的细半焦进入半焦收集装置5，经过两级旋风分离后较纯净的热解油气送入冷凝器6内快速冷却，热解油蒸汽被冷却，形成热解油进入储油装置8，从冷凝器6出来的热解气进入净化塔9中再次净化后，再送往集气罐10中储存备用。

进入反应器2中生物质的粒径≤2mm时，热解的效果的较好。

热解生物质时，将辐射管的管壁温度控制在550-700℃范围，生物质在反应器2中自上而下停留2s-10s，被加热到550-650℃，进行热解。燃气入口和空气入口分别和辐射管相连，在辐射管内燃烧，产生的热烟气经与空气换热后，降温至约200℃。热烟气可用来干燥进入反应器的生物质，进一步提高了反应器效率和燃烧效率。

由于每根辐射管可单独控温，可将反应器2自上而下分为三个区：干燥脱水区、热解反应区、半焦生成区。将干燥脱水区的温度控制在600-700℃。将干燥脱水区的温度设置得较高的目的是为了快速脱去入炉料所含的水分，此外还可以减少干燥脱水区长度。将热解反应区的温度控制为500-700℃、半焦成熟区的温度为500-600℃。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。

实施例1

利用图1所示的系统对玉米秸秆进行热解处理。反应器2中，由两个挡板组成开口向下的挡板组件的开口的角度为90°，挡板与反应器本体内侧壁形成的夹角为50°，顶盖的顶角为80°，顶盖的垂直截面的宽度为300mm，挡板的长度均为400mm，辐射管均为是公称直径为200mm的圆形管，左右相邻的两辐射管的水平间距为400mm，上下相邻的两辐射管的竖直间距为1200mm。反应器本体的高度为20m、内壁的宽度为6m、内壁的长度为15m，有25层辐射管。

该玉米秸秆的成分分析如表1所示。热解工艺流程如图2所示，具体如下：

将玉米秸秆干燥、破碎，选取粒径≤2mm的玉米秸秆送入反应器2中进行热解。往提升管11中通入200℃的热空气。每根辐射管单独控温，反应器自上而下设有三个区：干燥脱水区、热解反应区和半焦生成区。往辐射管中分别通入燃料气和空气，将干燥脱水区的温度控制在600℃、热解反应区的温度在控制650℃，半焦成熟区的温度控制在500℃。玉米秸秆自上而下依次通过干燥脱水区、热解反应区和半焦生成区，完成热解过程。调节热解反应区的辐射管的数量，使得玉米秸秆通过热解反应区的时间为2s。热解产生的热解油气经过两级旋风除尘后冷凝分离成热解油和热解气，分别收集储存。半焦冷却后，也收集储存。

热解还会产生烟气，烟气从烟气出口中排出反应器本体外，烟气与空气换热后会降温至200℃左右。将降温后的烟气用于干燥进入反应器2的玉米秸秆，这样能进一步提高反应器效率和燃烧效率。

本实施例具体的工艺操作参数请见表2。表3为本实施例的物料平衡表。

实施例2

利用图1所示的系统对木屑进行热解处理。反应器2中，由两个挡板组成开口向下的挡板组件的开口的角度为60°，挡板与反应器本体内侧壁形成的夹角为30°，顶盖的顶角为60°，顶盖的垂直截面的宽度为400mm，挡板的长度均为300mm，辐射管均为是公称直径为300mm的圆形管，左右相邻的两辐射管的水平间距为300mm，上下相邻的两辐射管的竖直间距为1000mm。反应器本体的高度为20m、内壁的宽度为6m、内壁的长度为15m，有25层辐射管。

该木屑的成分分析如表4所示。热解工艺流程如图2所示，具体如下：

将木屑干燥、破碎，选取粒径≤1mm的木屑送入反应器2中进行热解。往提升管11中通入250℃的热空气。每根辐射管单独控温，反应器自上而下设有三个区：干燥脱水区、热解反应区和半焦生成区。往辐射管中分别通入燃料气和空气，将干燥脱水区的温度控制在700℃、热解反应区的温度在控制550℃，半焦成熟区的温度控制在600℃。木屑自上而下依次通过干燥脱水区、热解反应区和半焦生成区，完成热解过程。调节热解反应区的辐射管的数量，使得木屑通过热解反应区的时间为10s。热解产生的热解油气经过两级旋风除尘后冷凝分离成热解油和热解气，分别收集储存。半焦冷却后，也收集储存。

热解还会产生烟气，烟气从烟气出口中排出反应器本体外，烟气与空气换热后会降温至200℃左右。将降温后的烟气用于干燥进入反应器2的木屑，这样能进一步提高反应器效率和燃烧效率。

本实施例具体的工艺操作参数请见表5。表6为本实施例的物料平衡表。

表1玉米秸秆的成分分析

表2工艺操作参数

表3物料平衡表

表4木屑的成分分析

表5工艺操作参数

表6物料平衡表

从表3和表6可知，本发明提供的系统能有效的热解生物质。

综上可知，本发明提供的热解生物质的系统结构简单、操作方便，热解效果好、经济效益高。

本发明采用了下行床快速热解反应器热解生物质，无热载体，反应工艺简单，且温度分布均匀，系统热效率高。其内部温度场由辐射管提供，同时根据通过控制不同的温度区域来精确的调节干燥脱水区、热解反应区、半焦生成区的温度，可操作性强，燃烧效率高，节能效果好。

热解产物中的热态半焦由热解炉底部排出，经排渣冷却螺旋冷却得到冷态半焦直接进入半焦收集装置，对热态焦油和热解气分别冷却净化处理，对热解产品进行了综合利用。

其次，反应器内设置了挡板，挡板能增加生物质在热解反应器内停留的时间。因此，添加挡板后，反应器的高度可降低。若不改变反应器本体的高度，添加挡板后，可将辐射管的垂直间距加大，从而可减少反应器内辐射管的数量。而且，挡板还可以起到打散物料的作用，提高生物质的热解效果。此外，辐射管上方安装有顶盖，顶盖能有效地起到保护辐射管不受受到物料冲刷，延长辐射管的使用寿命。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。