一种热解处理生物质的系统及方法与流程

本发明涉及生物质热解，具体涉及一种热解处理生物质的系统及方法。

背景技术：

生物质能是太阳能以化学能形式蕴藏在生物质中的一种能量形式，它直接或间接地源于植物的光合作用，是以生物质为载体的能量。目前世界各国为了实现国家经济的可持续发展，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500℃，通过热化学反应将生物质大分子物质分解成较小的燃烧物质(固态炭、可燃气、生物油)的热化学转化技术方法。

生物质热解反应过程中，会发生着复杂的化学变化和物理变化。从反应进程来分析生物质的热解过程大致可以分为三个阶段：预热解阶段：温度上升至120-200℃时，即使加热很长时间，原料重量也只有少量减少，主要是H₂O、CO和CO受热释放所致，外观无明显变化，但物质内部结构发生重排反应，如脱水、断键、自由基出现、碳基、羧基生成和过氧化氢基团形成等；固体分解阶段：温度为300-600℃，各种复杂的物理、化学反应在此阶段发生，生物质中的纤维素、木质素和半纤维素在该过程先通过解聚作用分解成单体或单体衍生物，然后通过各种自由基反应和重排反应进一步降解成各种产物；焦炭分解阶段：焦炭中的C-H，C-O键进一步断裂，焦炭质量以缓慢的速率下降并趋于稳定，导致残留固体中碳素的富集。

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、成本低廉的热解生物质的新工艺。

本发明首先提供了热解处理生物质的系统，该系统包括：

烘干装置，具有生物质入口和烘干生物质出口；

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，所述热解原料入口与所述烘干装置的烘干生物质出口相连；

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旋风分离器的净油气出口相连；

所述快速热解反应器内设置有多个金属挡板组件，所述金属挡板组件包括水平挡板和斜板，所述水平挡板在所述斜板下方；所述水平挡板的一端和所述斜板的一端分别与所述快速热解反应器的内侧壁相连，所述水平挡板的另一端和所述斜板的另一端相连并形成夹角；上下相邻的两个金属挡板组件相对地设置在所述快速热解反应器的两内侧壁上。

在本发明的一个实施方案中，所述快速热解反应器包括多层辐射管，所述辐射管错列分布于所述快速热解反应器内，所述辐射管为单向蓄热式辐射管，所述辐射管按层单独控温。

本发明进一步提供了一种利用上述系统处理生物质的方法，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烘干装置进行干燥；

将所述生物质送入所述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。

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℃的温度下对所述生物质进行烘干。

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，用所述烟气对所述生物质进行干燥。

在本发明的一个实施方案中，所述快速热解反应器设有干燥脱水区、热解反应区和半焦生成区。

在本发明的一个实施方案中，在600℃-700℃的温度下对所述生物质进行干燥脱水。

在本发明的一个实施方案中，在500℃-700℃的温度下对所述生物质进行热解。

在本发明的一个实施方案中，将所述半焦生成区的温度控制在500℃-600℃。

本发明采用了蓄热式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热解生物质的工艺流程图。

图中：1、进料料斗；2、蓄热式快速热解反应器；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、集气罐；10、料斗；11、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“水平挡板”指得是水平放置的金属挡板，“斜板”指得是倾斜放置的金属挡板，“辐射管”指得是蓄热式无热载体辐射管。此外，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、蓄热式快速热解反应器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、集气罐9、料斗10和提升管11。

进料料斗1具有生物质入口和生物质出口。

参考图1，本发明使用的蓄热式快速热解反应器2包括反应器本体、辐射管、金属挡板组件。辐射管沿着反应器的高度多层布置于反应器本体内，金属挡板组件设置在反应器本体的内侧壁上，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。

本发明提供的蓄热式移动床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。物料在进料料斗1中经螺旋进料器进入蓄热式移动床反应器中，生物质在下落过程中，与辐射管充分接触，在热解过程中生物质实现导热、对流和辐射综合换热，生物质的传热速率大于500℃/S。

金属挡板组件是由水平挡板和斜板组成的，水平挡板在斜板的下方，水平挡板的一端和斜板的一端分别与反应器本体的内侧壁相连，水平挡板的另一端和斜板的另一端相连并形成夹角。

生物质从进料口进入后，开始下落，碰到斜板后，被弹起，然后再下落；生物质每碰到一次斜板，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。此外，斜板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。水平挡板用于支撑斜板。金属的热传导性好，采用金属挡板组件能提高生物质热解的效果。

因此，添加金属挡板组件后，反应器的高度可降低。若不改变反应器本体的高度，添加金属挡板组件后，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。

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。

水平挡板和斜板形成夹角的具体角度范围为15°-60°时，生物质在热解反应器内既能充分热解，也不会堆积在斜板432上。进一步地，夹角的角度范围为20°-45°为最优方案。水平挡板的水平长度为反应器本体的宽度(其内壁的宽度)的1/3-1/2。

如图1所示，金属挡板组件最佳的位置为两层辐射管之间，金属挡板组件可根据需要设置在某层辐射管的上方或下方。上下相连的两个金属挡板组件相对的设置在反应器本体的两侧。这样设置有利于增加生物质在反应器2中的停留时间，使其热解更完全。若要想再增加生物质在反应器2中的停留时间，可在两层辐射管中间设置相对地设置两个金属挡板组件。

进一步地，且水平挡板与位于它下方、并距它最近的辐射管的中心的距离为该辐射管直径的1-1.5倍。此时，位于斜板上的含碳燃料能更好的被热解。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的进气口与蓄热式快速热解反应器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，剩下的热解气送入集气罐9中储存。

如图1所示，进料料斗1前还设有料斗10和提升管11。提升管11内通有热空气，在输送的过程中干燥生物质。料斗10和提升管11之间用螺旋进料器连接。提升管11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10由提升管11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出来的热解气进入集气罐9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5-10s，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，水平挡板与斜板的夹角为40°，水平挡板的水平长度1m，水平挡板与位于它下方、并距它最近的辐射管的中心的距离为300mm，辐射管是公称直径为200mm的圆形管，左右相邻的两辐射管的水平间距为200mm，上下相邻的两辐射管的竖直间距为600mm。反应器本体的高度为5m、内壁的宽度为2m、内壁的长度为5m，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700℃，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。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所示的系统对芦苇进行热解处理。反应器2中，水平挡板与斜板的夹角为45°，水平挡板的水平长度2m，水平挡板与位于它下方、并距它最近的辐射管的中心的距离为240mm，辐射管是公称直径为200mm的圆形管，左右相邻的两辐射管的水平间距为300mm，上下相邻的两辐射管的竖直间距为800mm。反应器本体的高度为6m、内壁的宽度为2m、内壁的长度为5m，有20层辐射管。

该芦苇的成分分析如表4所示。热解工艺流程如图2所示，具体如下：

将芦苇干燥、破碎，选取粒径≤1mm的芦苇送入反应器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500℃，半焦成熟区的温度控制在600℃。芦苇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。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的芦苇，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芦苇的成分分析

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，本发明采用了蓄热式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。

反应器本体上添加了由水平挡板和斜板组成的金属挡板组件，该金属挡板组件增加了生物质在热解反应器内停留的时间。因此，添加金属挡板组件后，反应器的高度可降低。若不改变反应器本体的高度，添加金属挡板组件后，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。

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。