内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置与方法

本发明涉及固体燃料资源利用，尤其涉及内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置与方法。

背景技术：

1、传统化石能源(如天然气、石油、煤等)因具有不可再生的特点及其在使用过程中会对环境造成严重污染，并随着人们对能源危机关注的日益加深，因此开发清洁、可再生的替代能源已成为世界各国的研究热点。

2、生物质是目前除化石能源外自然界中唯一含有碳、氢元素的固体燃料，且具有可再生性、有害物质含量低、原料丰富等优点，在全世界范围内得到了广泛关注。在利用生物质能源的过程中，热解技术能够将生物质高效转化为易储存、易运输、能量密度高的液体燃料。因此，自20世纪80年代问世以来，得到了非常迅速的发展，至今仍受到广泛关注及研究。我国是农业大国，农林作物所产生的大量农林废弃物均可作为生物质热解装置的原料。然而，生物质的高含氧量及含水量给生物质热解技术的发展造成诸多困扰。例如，生物质热解反应器在不添加催化剂的情况下反应器内易结焦，无法连续运行。在加入催化剂后因催化剂易失活，需配备双床装置，其系统体积大、投资大，生产效率低下。此外，大部分生物质热解反应器需要补充额外热量维持热解区域的温度，导致能源极大浪费。

3、因此，需要开发出一种满足连续运行、结构简单、可控燃烧催化剂表面积碳及部分不凝结气、收集生物炭、实现催化剂循环再生的生物质催化热解多联产装置。同时对我国实现“双碳”目标、引导绿色技术创新、提高产业和经济的全球竞争力具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种设计合理的内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置与方法，可以满足连续运行、结构简单、燃烧不凝结气及重质焦油组分、收集生物炭、实现催化剂循环再生的目的。

2、为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

3、内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：包括投料系统、热解系统、催化剂与产物分离系统、催化剂再生系统；所述热解系统包括热解器、搅拌轴、搅拌装置，所述热解器的外部设置有夹套，所述搅拌轴设置在热解器内部，所述搅拌装置同轴连接在搅拌轴上，所述投料系统连接所述热解器；所述催化剂再生系统包括第一配风装置、设置在所述搅拌轴内部的燃烧区、旋风分离器，所述燃烧区的入口端连接所述第一配风装置，燃烧区的出口端通过再生催化剂管道连接所述旋风分离器的入口，旋风分离器通过高温气体管道连接所述夹套，旋风分离器通过催化剂输送管道连接热解器；所述催化剂与产物分离系统包括卧式旋风分离装置、冷凝装置，所述热解器底部的物料出口连接所述卧式旋风分离装置的入口，卧式旋风分离装置的气态产物出口连接所述冷凝装置。

4、进一步的，所述投料系统包括原料仓、螺旋进料器、旋风干燥器、第二配风装置、混合管道、原料输送管道、第一热风管道，所述原料仓设置在所述螺旋进料器的入口处，所述第二配风装置和螺旋进料器经过所述混合管道汇合后与所述旋风干燥器的入口相连接，旋风干燥器的出口通过原料输送管道连接所述热解器，所述第一热风管道连接所述夹套和混合管道。

5、进一步的，所述搅拌装置包括物料混合器和双螺带式搅拌桨，所述物料混合器和双螺带式搅拌桨从上至下依次同轴设置在所述搅拌轴上。

6、进一步的，所述双螺带式搅拌桨外径为所述热解器直径的十分之九，双螺带式搅拌桨内径为热解器直径的十分之七，双螺带式搅拌桨螺距为自身外径的二分之一。

7、进一步的，所述热解器上设置有氮气补充管道。

8、进一步的，所述催化剂与产物分离系统还包括生物炭分离装置、生物炭冷却装置，所述生物炭分离装置内设置有筛网，生物炭分离装置的入口与所述卧式旋风分离装置的固态产物出口连接，所述筛网下方的出口通过失活催化剂管道连接所述燃烧区，所述筛网上方的出口连接所述生物炭冷却装置。

9、进一步的，所述生物炭冷却装置的气体出口通过第二热风管道连接所述第一热风管道。

10、进一步的，所述催化剂与产物分离系统还包括气体分配装置，所述冷凝装置包括风冷冷凝装置、静电捕集器、喷淋冷凝装置，所述卧式旋风分离装置的气态产物出口依次连接所述风冷冷凝装置、静电捕集器、喷淋冷凝装置、气体分配装置，所述气体分配装置通过不凝结气补充管道连接所述燃烧区，所述风冷冷凝装置的气体出口通过所述第二热风管道连接所述第一热风管道。

11、进一步的，所述筛网为上下交错的双层结构，其孔径可调。

12、内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产方法，其特征在于，利用权利要求1-9任一项所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，步骤包括：

13、s1：在投料系统中经过干燥后的生物质燃料，以及在催化剂再生系统中再生的催化剂送入热解器中，干燥温度为90-105℃；

14、s2：在热解器中，生物质燃料和催化剂在搅拌装置的充分搅拌混合下进行热解反应，反应温度为550-600℃；

15、s3：热解反应后，热解器内的混合物送入催化剂与产物分离系统中，分离得到液体生物油、不凝结气、高性能碳材料、小尺寸碎生物炭和失活催化剂；

16、s4：不凝结气、小尺寸碎生物炭和失活催化剂送入催化剂再生系统中燃烧再生催化剂，燃烧的温度为700℃，产生的热量依次提供给热解系统和投料系统，分别用于热解反应以及生物质燃料的干燥。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、1.本发明装置结构简单紧凑，无需复杂的双床结构，满足装置的连续运行需求，提高了生产效率；

19、2.本发明装置采用内外耦合加热，无需额外提供热源，热量分级利用，节约能源；

20、3.产物分离效果好，燃烧附着在催化剂表面的重质焦油、部分不凝结气及小尺寸生物炭为热解系统提供热源，收集大颗粒生物炭获得高性能碳材料，冷凝轻质生物油组分获得高品质液体燃料。

技术特征：

1.内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：包括投料系统(1)、热解系统(2)、催化剂与产物分离系统(3)、催化剂再生系统(4)；所述热解系统(2)包括热解器(206)、搅拌轴(201)、搅拌装置，所述热解器(206)的外部设置有夹套(207)，所述搅拌轴(201)设置在热解器(206)内部，所述搅拌装置同轴连接在搅拌轴(201)上，所述投料系统(1)连接所述热解器(206)；所述催化剂再生系统(4)包括第一配风装置(401)、设置在所述搅拌轴(201)内部的燃烧区(402)、旋风分离器(404)，所述燃烧区(402)的入口端连接所述第一配风装置(401)，燃烧区(402)的出口端通过再生催化剂管道(403)连接所述旋风分离器(404)的入口，旋风分离器(404)通过高温气体管道(405)连接所述夹套(207)，旋风分离器(404)通过催化剂输送管道(406)连接热解器(206)；所述催化剂与产物分离系统(3)包括卧式旋风分离装置(301)、冷凝装置，所述热解器(206)底部的物料出口(205)连接所述卧式旋风分离装置(301)的入口，卧式旋风分离装置(301)的气态产物出口连接所述冷凝装置。

2.根据权利要求1所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：所述投料系统(1)包括原料仓(102)、螺旋进料器(103)、旋风干燥器(101)、第二配风装置(104)、混合管道(106)、原料输送管道(107)、第一热风管道(105)，所述原料仓(102)设置在所述螺旋进料器(103)的入口处，所述第二配风装置(104)和螺旋进料器(103)经过所述混合管道(106)汇合后与所述旋风干燥器(101)的入口相连接，旋风干燥器(101)的出口通过原料输送管道(107)连接所述热解器(206)，所述第一热风管(105)道连接所述夹套(207)和混合管道(106)。

3.根据权利要求1所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：所述搅拌装置包括物料混合器(203)和双螺带式搅拌桨(204)，所述物料混合器(203)和双螺带式搅拌桨(204)从上至下依次同轴设置在所述搅拌轴(201)上。

4.根据权利要求3所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：所述双螺带式搅拌桨(204)外径为所述热解器(206)直径的十分之九，双螺带式搅拌桨(204)内径为热解器(206)直径的十分之七，双螺带式搅拌桨(204)螺距为自身外径的二分之一。

5.根据权利要求1所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：所述热解器(206)上设置有氮气补充管道(202)。

6.根据权利要求2所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：所述催化剂与产物分离系统(3)还包括生物炭分离装置(309)、生物炭冷却装置(311)，所述生物炭分离装置(309)内设置有筛网(312)，生物炭分离装置(309)的入口与所述卧式旋风分离装置(301)的固态产物出口连接，所述筛网(312)下方的出口通过失活催化剂管道(310)连接所述燃烧区(402)，所述筛网(312)上方的出口连接所述生物炭冷却装置(311)。

7.根据权利要求6所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：所述生物炭冷却装置(311)的气体出口通过第二热风管道(308)连接所述第一热风管道(105)。

8.根据权利要求7所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：所述催化剂与产物分离系统(3)还包括气体分配装置(306)，所述冷凝装置包括风冷冷凝装置(302)、静电捕集器(303)、喷淋冷凝装置(304)，所述卧式旋风分离装置(301)的气态产物出口依次连接所述风冷冷凝装置(302)、静电捕集器(303)、喷淋冷凝装置(304)、气体分配装置(306)，所述气体分配装置(306)通过不凝结气补充管道(307)连接所述燃烧区(402)，所述风冷冷凝装置(302)的气体出口通过所述第二热风管道(308)连接所述第一热风管道(105)。

9.根据权利要求6所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，其特征在于：所述筛网(312)为上下交错的双层结构，其孔径可调。

10.内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产方法，其特征在于，利用权利要求1-9任一项所述内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置，步骤包括：

技术总结
本发明涉及内外耦合加热连续式下沉床催化热解多联产装置与方法，该装置包括投料系统、热解系统、催化剂与产物分离系统、催化剂再生系统。投料系统位于热解系统上侧，将干燥的固体燃料送入热解系统。热解系统内部设有空心搅拌轴，可同时加热并充分混合催化剂与原料。热解系统下部连接催化剂与产物分离系统，用于分离生物炭与失活催化剂。失活催化剂表面积碳在催化剂再生系统中可控燃烧再生后被重新送入热解系统加热原料并催化热解产物。该装置与方法的特点在于：易操作的下沉床无需载气，催化热解制备高品质液体燃料，收集生物炭获得高性能碳材料，燃烧催化剂表面积碳及部分不凝结气为热解系统提供热源，实现了催化剂的再生、热量的分级利用。

技术研发人员：张会岩,仰科,彭勃,苏银海,肖睿
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12