一种生物质闪速热解气化并脱除焦油的工艺、系统及应用的制作方法

本发明属于生物质资源综合利用技术领域，具体涉及一种生物质闪速热解气化并脱除焦油的工艺、系统及应用。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

当前全球面临能源紧缺、环境污染严重等问题，如何有效利用清洁可循环的生物质资源，是实现可持续发展、解决发展问题的最优解之一。我国生物质资源十分丰富，每年产出约50亿吨，总能量高达6×10⁸吨标准煤。如何将生物质高效清洁的转化为能源动力生产所需的原料是当前研究的热点话题之一。

当今社会，能源危机日益加剧，煤炭和石油的过度利用亦造成严重的环境污染问题。有效利用生物质能源，是当前可持续发展，解决能源与环境问题的最优解之一。我国生物质资源十分丰富，如何高效清洁利用大量的生物质资源是当前研究的热点话题之一。

通过生物质电厂利用生物质能源发电是最普遍的生物质利用方式之一。传统的生物质电厂采用直接燃烧发电发热的生产方式，但生物质原料的热值普遍较低，每公斤的生物质热值仅相当于煤炭的百分之一，产热效率极低。且生物质的挥发分含量高，生物质空干基的挥发分占比在75％左右，燃烧过程中会生成大量的焦油，一方面附着在设备和管道内壁，对设备产生侵蚀危害；另一方面，也会附着在生物质原料的表面，阻碍其彻底燃尽，进一步降低了热值。

生物质热解气化是合理利用生物质资源的重要方式，生物质热解气化分为慢速热解和快速热解，慢速热解耗时长，工艺复杂，而快速热解耗时短，工艺简单，是生物质资源利用最具发展潜力的热转化技术之一。闪速热解则是快速热解中最快捷的方法，通过极高的升温速率，相对高的温度，在3-10s内完成生物质的热解过程。热解的产物以固定炭和挥发分气体为主，焦油的产率相对较低，是极有实用价值的方法。

而生物质热解过程产生的焦油容易覆盖在产物表面和热解设备上，造成产物的产率下降，还会腐蚀设备，也会造成环境污染，故而需在闪速热解的基础上进一步的脱除生成的焦油。

焦油脱除技术主要包括物理分离脱除、热化学催化裂解脱除、热化学高温裂解脱除以及等离子体脱除技术。其中，热化学高温裂解脱除技术是快速热解过程脱除焦油的优化技术选择。高温裂解脱除焦油技术通过制造高温环境，使大分子焦油成分通过分子链断裂分解反应转变成小分子气体产物。研究结果揭示，温度的高低对焦油的热裂解过程具有显著的影响，随着温度的升高，焦油裂解转化率和气体产物产率都会逐渐增大。另外，通过调整快速热解过程的工艺参数，可以实现对生物质热解气相/液相/固相产物的比例和组分调节。

现有的一些焦油脱除技术(如物理分离脱除、热化学催化裂解脱除以及等离子体脱除技术等)需添加相应的装置或者催化剂，大大增加了生产成本和系统的复杂程度，而热化学高温裂解脱除技术更适合快速热解过程，需要提供足够高的温度以及快速的反应速率，目前的慢速热解过程的气体氛围也不利于焦油的裂解脱除。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种生物质闪速热解气化并脱除焦油的工艺及系统。该工艺具有适用原料来源广、耗时短、耗能低、气固产物比例高以及焦油产率低等优点。

为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例公开了以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种生物质闪速热解气化并脱除焦油的系统，包括：

沉降炉，为生物质热解提供环境；

给料机，设置于沉降炉的顶部；

配气系统，包括第一一次风通道、第二一次风通道和二次风通道，第一一次风通道为氮气通道，与沉降炉的顶部连通；

第二一次风通道为氮气和活性气体的混合气通道，与沉降炉侧面的第一进气口连通，第一进气口设置于沉降炉的上部，活性气体为氧气、水蒸汽和二氧化碳的混合气体；

二次风通道为氮气、氧气、水蒸汽和二氧化碳的混合气通道，二次风通道与沉降炉侧面的第二进气口连接，第二进气口设置于沉降炉的下部。

第二方面，本发明提供一种生物质闪速热解气化并脱除焦油的工艺，包括如下步骤：

采用氮气作为第一一次风将生物质粉末吹入沉降炉中；

将氮气、氧气、水蒸汽和二氧化碳的混合第二一次风通入沉降炉的上部；

在沉降炉中，设定温度下，生物质粉末在活性气氛下，生物质粉末完成高温闪速热解，挥发分析出；

析出的挥发分向下移动，在沉降炉下部通入的氮气、氧气、水蒸汽和二氧化碳的混合二次风的作用下，发生热化学高温裂解，大分子裂解为小分子烃类气体分子。

第三方面，本发明提供所述生物质闪速热解气化并脱除焦油的工艺或系统在生物质电厂供气中的应用。

与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：

1)优化了生物质闪速热解气化并脱除焦油的工艺流程。生物质气固产物在沉降炉中经过闪速热解制取，产生的焦油经过热化学高温裂解后大大减少，对气固产物的后续综合利用极为有利。

2)采用闪速热解制取气固产物，制备时间短，气氛条件和设备简单，耗能低。

3)采用生物质粉末作为原材料，可以采用较高的升温速率(1200-1650ks-1)，闪速热解仅需在炉内停留的3-10s内完成，减少了生产时间和成本。对生物质的适应性强，各类型的生物质皆可作为原料使用。

4)制取的生物质气固产物都具有较高的热值，可以作为后续生产的原料，固定炭作为副产品也具有较高的价值。

5)生物质气固产物的产率较高，气体产率在50-80％，固定炭产率在16-26％，产物中的杂质较少。

6)对生物质的综合利用进一步加强，焦油的裂解提高了生物质的可利用性，降低了生物质利用过程中废弃物和污染气体的产生。

7)将闪速热解产生的热解气通入电厂锅炉中作为燃气燃烧，可以解决生物质电厂中生物质直接燃烧方式存在的原料不稳定、燃烧状况恶劣、受热面腐蚀严重等问题，实现了清洁高效生产。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的生物质闪速热解气化并脱除焦油系统的结构示意图。

图中，1、生物质源，2、配气系统，3、旋转给料机，4、沉降炉，5、旋风分离器，6、气固产物收集装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

第一方面，本发明提供了一种生物质闪速热解气化并脱除焦油的系统，包括：

沉降炉，为生物质热解提供环境；

给料机，设置于沉降炉的顶部；

配气系统，包括第一一次风通道、第二一次风通道和二次风通道，第一一次风通道为氮气通道，与沉降炉的顶部连通；

第二一次风通道为氮气和活性气体的混合气通道，与沉降炉侧面的第一进气口连通，第一进气口设置于沉降炉的上部，活性气体为氧气、水蒸汽和二氧化碳的混合气体；

二次风通道为氮气、氧气、水蒸汽和二氧化碳的混合气通道，二次风通道与沉降炉侧面的第二进气口连接，第二进气口设置于沉降炉的下部。

在一些实施例中，所述给料机为旋转给料机。

在一些实施例中，第一进气口设置于沉降炉的3/4-6/7高度处。

在一些实施例中，第二进气口设置于沉降炉的1/4-1/2高度处。

在一些实施例中，还包括旋风分离器，旋风分离器连接于沉降炉的下端出口处。

进一步的，所述旋风分离器的固体出口通过管道与沉降炉顶部的给料机连接。

旋风分离器可以将未热解完全的固体物质分离出来，再次投加至沉降炉中进行热解，以提高生物质的利用率，并提高固体炭的质量。

第二方面，本发明提供一种生物质闪速热解气化并脱除焦油的工艺，包括如下步骤：

采用氮气作为第一一次风将生物质粉末吹入沉降炉中；

将氮气、氧气、水蒸汽和二氧化碳的混合第二一次风通入沉降炉的上部；

在沉降炉中，设定温度下，生物质粉末在活性气氛下，生物质粉末完成高温闪速热解，挥发分析出；

析出的挥发分向下移动，在沉降炉下部通入的氮气、氧气、水蒸汽和二氧化碳的混合二次风的作用下，发生热化学高温裂解，大分子裂解为小分子烃类气体分子。

在一些实施例中，生物质粉末的粒径为60μm-300μm。采用的生物质可为松木、椰壳、竹子等。

在一些实施例中，携带生物质粉末的氮气流量与生物质粉末的质量的关系为：生物质粉浓度为0.35-0.45[kg生物质粉/kg一次风]。

在一些实施例中，第二一次风中，氧气的体积分数为2％-10％，水蒸气的体积分数为10％-40％，二氧化碳的体积分数为25％。

在一些实施例中，二次风中，氧气的体积分数为0％-6％，水蒸气的体积分数为20-30％，二氧化碳的体积分数为25％。

进一步的，第一一次风、第二一次风和二次风的流量比为1:2-4:2-3。

在一些实施例中，沉降炉中的温度为850-1450℃，升温速率在1200-1650ks^-1。

进一步的，生物质粉末在沉降炉中的停留时间为3-10s。

第三方面，本发明提供所述生物质闪速热解气化并脱除焦油的工艺或系统在生物质电厂供气中的应用。

将该系统闪速热解产生的热解气可以作为燃气直接通入生物质电厂锅炉中进行供气使用。

实施例1

如图1所示，一种生物质闪速热解气化并脱除焦油的系统，包括：生物质源1，对生物质原料进行加工处理，获得烘干的粒径为60-300μm的生物质粉末，其下游端部与旋转机3连接；

配气系统2，提供所需的气体氛围。分别为：一次风一股采用提供2l/min氮气将生物质粉末吹入沉降炉装置，一股为6l/min氮气携带混合好的氧气和水蒸气通过通风口进入系统，气体混合比例为：氧气的体积分数为5％，水蒸气的体积分数为20％，二氧化碳的体积分数为25％；二次风为：通过6l/min氮气携带混合气体从沉降炉下段部分进入系统，气体混合比例为：氧气的体积分数为3％，水蒸气的体积分数为25％，二氧化碳的体积分数为25％。一二次风的配比需根据生物质原料的挥发分占比，以保证生物质的完全闪速热解以及焦油的热化学高温裂解脱除。供气系统一次风系统与给料系统连接，进行给料，二次风与活性气体混合后供给沉降炉制炭系统；

旋转给料机3，通过旋转式给料机供给生物质粉末，由一次风吹送进入沉降炉系统；

沉降炉4，其炉膛温度设定为1000℃，原材料在炉内停留4s，升温速率在1000ks^-1。一次风提供气氛下，生物质粉末闪速高温热解。在炉膛底部接收活底渣。气固产物进入旋风分离器；

旋风分离器5，分离气固产物，并由密度的区别来分离未完全热解的生物质原料与固定炭。通过旋风分离器5，气态产物从烟道中收集，固态产物根据密度不同，重的固定炭收集，轻的未完全炭化生物质重新收集通过给料机循环热解。旋风分离器连接气固产物收集系统6。

气固产物收集装置6，包括储气罐与沉降炉烟道联通，以及固定炭收集装置。

整体的工艺流程为：

如以上工艺流程所示：生物质闪速热解气化并脱除焦油的工艺，即将原有的生物质直接燃烧工艺，转化为对生物质进行闪速热解和焦油脱除后，利用气固产物作为燃料的工艺流程，其包括如下步骤：

将椰壳生物质原料多次破碎、研磨和筛选，得到粒径在60μm-300μm之间的生物质粉末，在烘干后作为原材料；

通过供气系统提供所需的气体氛围。分别为：一次风一股为采用2l/min氮气将4.5g/min的椰壳粉末吹入沉降炉装置，一股为6l/min氮气携带混合好的氧气和水蒸气通过通风口进入系统，气体混合比例为：氧气的体积分数为5％，水蒸气的体积分数为20％，二氧化碳的体积分数为25％；二次风为：通过9l/min氮气携带活性气体进入沉降炉下段，活性气体中：氧气的体积分数为3％，水蒸气的体积分数为25％，二氧化碳的体积分数为25％。

生物质热解原理为以下反应方程式：

生物质燃料主要由纤维素、半纤维素和木质素三种成分组成，其热解被假设为三种成分的独立热解：

1)纤维素的热解：

2)半纤维素的热解：

3)木质素热解：

通过旋转给料机，将原材料送入沉降炉，炉膛温度设定为1000℃，原材料在炉内停留4s，升温速率为1000ks^-1。在活化气氛下，生物质粉末完成高温闪速热解的过程。生物质粉末热解，挥发分大量析出，固定炭保留下来。

热解析出的挥发分(即焦油)在二次风的作用下，在发生热化学高温裂解，大分子裂解为小分子烷类和烃类气体分子，从而降低了焦油的产生。挥发分的高温裂解又进一步促进了生物质粉末的闪速热解。

气固产物从沉降炉中进入旋风分离器，气体产物作为气态燃料收集，固态产物通过旋风分离器进行分离，未热解的生物质重新循环热解，热解得到的生物质固定炭作为副产品收集。

气态产物的产率约为75％，固定炭产率为16％，焦油产率很低，无法收集。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。