一種快速、規模化生產生物燃料方法
2023-07-14 23:41:21
專利名稱：一種快速、規模化生產生物燃料方法
技術領域：
《一種快速、規模化生,產生物燃料方法》，涉及到一種能夠實現快速的通過乾餾碳化的途徑把生物質材 料轉換成為生物質熱裂解氣體和生物質半焦兩種生物燃料的具體設備和製造使用的方法。屬於'支持國民 經濟可持續發展'中'資源與環境'的技術領域。
背景技術：
生物質能是太陽能以化學能的形式貯存在生物質體內的能量形式。它以生物質為載體，直接或間接地 來源於綠色植物的光合作用。
生物質能可以直接作為燃料在燃燒設備中通過燃燒轉換成為熱能；也能夠在沒有氧化劑(空氣、氧氣、 水蒸氣等)存在或只提供有限氧的條件下，加熱到一定的溫度，通過熱化學反應的方法，將生物質大分子 物質(木質素、纖維素和半纖維素)分解成液態生化燃油(Bio0il)，固態半焦(Char)及非冷凝燃氣(NCG) 等較小分子的燃料物質後，象化石燃料中的煤炭，石油和天然氣一樣進行燃燒利用(1>(2)。
由於生物燃料可永續利用，具有環境友好和可再生的雙重屬性，因此，在減少由於化石燃料產生的溫 室氣體方面，具有很大的發展潛力。所以如何發展、利用生物質能源替代化石燃料，受到了各個國家政府 的重視。
但是，目前我們對於生物質能的大量利用的形式仍然還是以直接作為燃料在燃燒設備中通過燃燒轉換 成為熱能的形式為主。通過熱化學的途徑轉換成為氣體、固體和液體燃料後再利用的形式，現在還處於早 期的探索性階段， 一些經過實踐檢驗的成熟技術正在逐步推廣並形成早期的市場。，
把生物質材料直接作為燃料在燃燒設備中通過燃燒的方式獲得能量的形式，按照生物質形態的不同， 可以分為生物質直接散燒的燃燒方式、生物質壓縮成型後散燒的方式、生物質打成捆狀後的捆燒方式、生 物質粉碎成為粉末後的粉體燃燒方式等。但是，生物質材料在這些直接燃燒的過程中，不論生物質的形態 是哪一種形態，其燃燒過程都具有下列的一些缺陷，以致不能夠象煤炭和天然氣等化石燃料那樣良好的組 織燃燒並進行工業利用(3):
(1) 生物質水分含量較多，燃燒需要較高的乾燥溫度和較長的乾燥時問，產生的煙氣體積大，排煙熱 損失高；
(2) 生物質燃料的密度小，結構比較鬆散，在鼓風助燃的情況下，迎風面積大，容易被吹起，懸浮燃 燒的比例大；
(3) 生物質的發熱量比較低，燃燒溫度低，爐內溫度場偏低，很難組織穩定的燃燒；
(4) 生物質揮發份含量高，燃燒著火的溫度又偏低， 一般在25(TC 35(TC溫度下揮發份就大量析出並 開始燃燒，此時若空氣供應量不足，將會增大燃料的不完全燃燒損失；
(5) 生物質揮發份析出燃盡後產生的半焦(即焦炭。稱為"半焦"，以表示和煤制焦炭的不同)，受 到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，半焦的顆粒燃燒速度緩慢、燃盡困難。而且，植物的秸稈類生物質材 料產生的半焦，既沒有強度，比重也小，隨時可能被燃燒產生的煙氣帶走，不能夠完成C02+C—2C0的還原 反應。
另外，因為生物質含有較多的氯和鹼性物質(尤其是農作物秸稈)(2)，燃燒時易在受熱面上形成沉積 腐蝕問題，含有較多鹼金屬等礦物質成分的飛灰顆粒粘結在燃燒設備各部分受熱面上形成沉積，造成受熱 面的沾汙，繼而帶來受熱面的腐蝕問題。
由於上列的種種缺陷，使得生物質通過直接燃燒而得到開發利用的各種生物質燃料加工技術和適用的 燃燒設備改進技術研究，都受到了一定的影響。其中，最為明顯的是幾年前曾經轟轟烈烈開發的"秸稈直 燃發電廠"項目(大部分採用了"捆狀燃燒"方式)這些曾經花費了上百億資金建成的"秸稈直燃發電廠"， 現在卻因為多種原因，大部分進入了停產檢修或者停產整頓狀態，停止了運行。把生物質材料通過熱化學的途徑轉化成為液態生化燃油，固態半焦及非冷凝燃氣等三種生物燃料產品 中的一種或幾種後再用，則不會產生上列的種種缺陷，因為這幾種生物燃料都可以象化石燃料中的煤炭' 石油和天然氣一樣，在現有的各種用能設備上進行利用。
但是，根據國內外在進行生物質熱化學開發方面的情況，由於進行熱化學轉換的設備成熟性問題、轉 換過程的加工成本和環境汙染等問題，許多聽起來非常十分誘人的技術(如，生物質制油技術)，現在實際 上仍然處於早期的探索性開發階段。 一些經過實踐檢驗的成熟技術雖然正在積極推廣並逐步形成早期市場， 但是，完全依靠技術自身的技術潛力使項目能夠在嚴格的環境保護要求條件下在市場經濟中生存的生物質 熱化學轉換技術和設備，到現在還沒有出現。大部分項目基本上完全依靠政府的巨額財政補貼或者資助' 才能夠生存。
發明的內容
本發明提出的《一種快速、規模化生產生物燃料的方法》的目的就是希望能夠提供具有這種技術潛力 的生物質能源轉換設備，從而實現大規模的使用生物質能源替代化石能源，減少溫室氣體的排放。
具有這種技術潛力的是一種具有下列功能的新型連續乾餾碳化設備
1、 使用了被乾餾、碳化的生物質材料所產生的熱裂解氣體作為載能工質；
2、 具有對工質強制進行外部加熱的功能；
3、 有使被加熱的工質與被乾餾、碳化的生物質之間進行以對流換熱為主同時伴隨著大面積的導熱和輻 射換熱的功能；
4、 具有在隔絕空氣的條件下，連續加入原材料和連續排出生成的生物質熱裂解氣體和生物質半焦兩種 生物燃料的功能。
具體的說，《一種快速、規模化生產生物燃料的方法》的技術特徵是由(附圖1)所示的包含有高溫氣 體工質聚集室l，強制攪拌風機2，風機用導流板3，加熱室4，熱裂解氣體循環加熱管5，燃燒器6，餘熱 利用裝置7，熱裂解氣體出口8，下排煙煙氣出口9，原材料入口 10,乾餾、碳化的產品出口 11，乾餾、碳 化室12，外殼及保溫層13所組成的一個使用了被乾餾、碳化的物質所產生的熱裂解氣體作為載能工質，在 工質被置於加熱室4中的熱裂解氣體循環加熱管5強制加熱到一定的溫度和被強制攪拌風機2強制進行體 內循環並和從原材料入口 IO在隔絕空氣狀態下加入乾餾、碳化室12的生物質材料完成熱交換後，在乾餾、 碳化室12維持在微小的正負壓最佳為零壓的壓力和隔絕空氣條件下，連續排出轉化生成的生物質熱裂解氣 體和生物質半焦兩種生物燃料的連續乾餾碳化設備來完成的。
和傳統的生物質乾餾、碳化釜相比較，由(附圖1)所示的這種新型的連續乾餾碳化設備具有下列明顯 的不同
傳統的生物質乾餾碳化釜內被碳化加工的生物質材料，只能夠依靠在釜的外壁加熱後向釜內以導熱為 主的方式傳遞熱量。高溫的釜壁向釜內的輻射換熱因為被加工材料的屏蔽而削弱了許多。由於生物質材料 是熱的不良導體，釜內也沒有對流換熱的條件，因此，傳統的生物質乾餾碳化釜的一個生產周期需要很長 的時間比如一個直徑為1600腿，高度為2300的碳化釜完成一罐機制木炭生料棒的碳化，大約需要6 11 個小時，而獲得的木炭產品僅僅只有500kg左右。
而本發明提供的新型的連續乾餾碳化設備則不然由於加熱室4的溫度可以根據需要加熱到任意的溫 度'因此，熱裂解氣體循環加熱管5內就能夠產生我們需要的任意溫度的載能工質並上升到高溫氣體工質 聚集室1,然後經過設置在高溫氣體工質聚集室1下邊緣的強制攪拌風機2的作用，把這些載能工質強行輸 送到乾餾、碳化室12內和由原材料入口 10進入的生物質材料發生以對流為主同時也伴隨著大面積的導熱 換熱和輻射換熱的熱交換。因此，本發明所說的新型的連續乾餾碳化設備只要燃燒器6能夠向加熱室4輸 入足夠的熱功率並且傳遞給工質，那麼，理論上本發明所說的乾餾碳化釜的生產能力至少是相同淨體積的 傳統乾餾碳化釜的數十倍以上。
更為重要的是這種新型的連續乾餾碳化設備可以為生產者最終獲得的碳化產品自由的作出選擇比 如，如果我們希望獲得的產品僅僅只有固態-f焦及非冷凝燃氣，那麼我們就可以通過限制高溫氣體工質聚集室1的溫度《85[TC並且從熱裂解氣體出口 8排出的熱裂解氣體溫度也不小於使用木炭作為熱裂解氣體中 可冷凝成分完成催化、重整的催化劑需要的80(TC溫度時，獲得的產品就僅僅是固態半焦及發熱量為15MJ/M3 上下、基本上不包含C02等不可燃氣體成分的非冷凝燃氣。而如果希望同時也獲得到液態生化燃油的產品時， 則高溫氣體工質聚集室1的溫度不宜大於650°C，最佳的溫度為450 650°C。
這種新型的連續乾餾碳化設備在設計、製造方面還具有以下的技術特徵
加熱室4的設計布局要包圍著乾餾、碳化室12，最佳的布置形式為在圓柱形的乾餾、碳化室12外面 包圍著內部均勻布置著熱裂解氣體Dt環加熱管5的圓環形的加熱室4;
,加熱室4內由燃燒器6產生的高溫煙氣所形成的溫度場，是一個上高下低的倒焰窯式的溫度場，完成 熱裂解氣體循環加熱管5加熱和餘熱利用裝置7餘熱利用後的高溫廢煙氣，由設置在加熱室下部的下排煙 煙氣出口 9有組織的排出；
加熱室4的最高溫度確定要求將乾餾產生的熱裂解氣體完成木焦油催化裂解、C02還原和IfeO氣化時， 加熱室4的最高溫度以使高溫氣體工質聚集室1內的高溫氣體溫度^85(TC為佳，沒有這種催化重整的要求 時，加熱室4的最高溫度以使高溫氣體工質聚集室1內的高溫氣體溫度為650'C上下為佳；
加熱室內的下部要設置高溫廢煙氣的餘熱利用系統，本發明最佳的餘熱利用系統是首先使用餘熱利用 裝置7分別對燃燒器6所使用的燃氣和助燃空氣加熱，最終排出的廢煙氣在用於生物質原料的乾燥加工處 理後再排入大氣。
熱裂解氣體循環加熱管5的設計、製造的技術特徵在於它是聯通乾餾、碳化室12下部和高溫氣體工質 聚集室1的一組多根豎向管道，能夠把強制攪拌風機2向下強制壓入到乾餾、碳化室12的高溫氣體工質在 完成了和原材料入口 10加入的生物質材料熱交換後，再次從乾餾、碳化室12下部進入加熱室4中被強制 加熱，循環使用。
為了保證產出的非冷凝燃氣的品質，在設計原材料入口 IO和配套的給料裝置的技術特徵是在加料的同 時也能夠有效的防止空氣從原材料入口 IO進入乾餾、碳化室12;比如，採用向煤氣發生爐加料的雙層鍾 罩加料器，就是一種比較實用的加料裝置。
同樣在設計乾餾、碳化的產品出口 ll和配套的出料裝置的技術特徵是在出料的同時也能夠有效的防止 空氣從乾餾、碳化的產品出口 ll進入乾餾、碳化室12;
(附圖1)是本發明實現快速、規模化生產生物燃料的乾餾碳化設備結構示意圖。其中的各個代號和 名稱的對應關係是
1:高溫氣體工質聚集室； 2:強制攪拌風機； 3:風機用導流板 4:力口熱室；
5:熱S解一體循環加熱管；
6:燃燒器；
7:餘熱利用裝置；
8:熱裂解氣體出口；
9:下排煙煙氣出口；
10:原材料入口；
11:乾餾、碳化的產品出口； 12:乾餾、碳化室；
13:外殼及保溫層。
圖中的箭頭，表示了高溫氣體工質在強制攪拌風機2的作用下，在乾餾、碳化室12、熱裂解氣體循環
5加熱管5和高溫氣體工質聚集室1之間的流動方向和途徑。
具體實施例方式
本發明的這種快速、規模化生產生物燃料的乾餾碳化設備，可以在一切具有有機質廢棄物資源的地方 單臺或者數臺聯合起來應用。但是，由於該設備產出的固態半焦及非冷凝燃氣都是灼熱的狀態，因此，本 發明需要和相關的冷卻設備、淨化裝置配套，並且配備相應規格的氣體輸送設備、儲存裝置，才能夠在大 規模的生物燃料生產系統中進行應用。
將本發明用於我國"九五"期間建設的"秸稈氣化站"可能是最佳的應用方式。因為這些"秸稈氣化 站"目前基本上全部停產報廢。只要把本發明的乾餾碳化設備代替"秸稈氣化站"的"秸稈氣化爐"，"秸 稈氣化站"就復活了因為"秸稈氣化站"中原來配備的成套燃氣冷卻、淨化裝置和燃氣儲存及輸送管網 全部都可以重新得到利用。
和建設一個同樣規模的氣化站相比較，這種改造的方法能夠節約90%以上的投資和建設時間。
在一個鄉、鎮甚至更大的地域範圍內，採用非冷凝燃氣管網將數臺這種快速、規模化生產生物燃料的 乾餾碳化設備串聯起來，能夠實現生產原材料資源共享，產出的非冷凝燃氣產品資源共享。
當產出的非冷凝燃氣產品用於發電產業時，用這種串聯起來的方法，還能夠幫助減緩生物質材料"收 集難"、"運輸難"、"保存難"、"燃燒控制難"、"原材料採購價格控制難"等一系列瓶頸問題。因此，本發 明也可以在恢復或者協助"秸稈直燃發電廠"運行方面得到應用。
需要格外說明的是，本發明所述的這種快速、規模化生產生物燃料的乾餾碳化設備，同樣可以應用到 一切其它需要隔絕空氣加熱，並且在加熱過程中伴有乾餾產生的熱解氣體的使用瀝青或者其它有機質材料 作為粘合劑的型焦半成品、碳素半成品的碳化加工的工藝生產上。
(1) 《達茂公司在中國興建首座生物燃油廠》(http:〃www.canmgvuan.com/fiielplant/fiidinfo/^)081217/2358.htmi:)
(2) 《生物質熱解研究現狀與展望》來源中國能源網作者趙廷林，王鵬，鄧大 2008鬥11
(3) 《不同形態生物質燃燒技術現狀和展望》，河南農業大學機電工程學院劉聖勇劉小二王森
(http://lw. china-b. com/zxsh/20090318/1026510_l. html)
權利要求
1、一種快速、規模化生產生物燃料方法，其技術特徵是由包含有高溫氣體工質聚集室1，強制攪拌風機2，風機用導流板3，加熱室4，熱裂解氣體循環加熱管5，燃燒器6，餘熱利用裝置7，熱裂解氣體出口8，下排煙煙氣出口9，原材料入口10，乾餾、碳化的產品出口11，乾餾、碳化室12，外殼及保溫層13所組成的一個使用了被乾餾、碳化的物質所產生的熱裂解氣體作為載能工質，在工質被置於加熱室4中的熱裂解氣體循環加熱管5強制加熱到一定的溫度和被強制攪拌風機2強制進行體內循環並和從原材料入口10在隔絕空氣狀態下加入乾餾、碳化室12的生物質材料完成熱交換後，在於餾、碳化室12維持在微小的正負壓最佳為零壓的壓力和隔絕空氣條件下，連續排出轉化生成的生物質熱裂解氣體和生物質半焦兩種生物燃料的連續乾餾碳化設備來完成的。
2、根據權利要求1 一種快速、規模化生產生物燃料方法，其中的工質"加熱到一定的溫度"，在使用 方法上的技術特徵是輸出該連續乾餾碳化設備的產品僅僅只要求為固態半焦及非冷凝燃氣兩種產品時， 高溫氣體工質聚集室1內的高溫氣體溫度以不小於850'C並且從熱裂解氣體出口 8排出的熱裂解氣體溫度也 不小於80(TC溫度時為佳；產品中另外還包含有熱解氣體冷凝後生成的木焦油、木醋液時，高溫氣體工質聚 集室1內的高溫氣體溫度以450 65(TC為宜。
3、根據權利要求l一種快速、規模化生產生物燃料方法，其中的"加熱室4"的設計、製造的技術特徵 在於① 加熱室4的設計布局要包圍著截面為圓形的乾餾、碳化室12,最佳的布置形式為在圓柱形的乾餾、 碳化室12外面包圍著內部均勻布置著熱裂解氣體循環加熱管5的圓環形的加熱室4;② 加熱室4內由燃燒器6產生的高溫煙氣所形成的溫度場，是一個上高下低的倒焰窯式的溫度場，完 成對熱裂解氣體循環加熱管5的加熱和餘熱利用裝置7餘熱利用後的高溫廢煙氣，由設置在加熱室下部的 下排煙煙氣出口 9有組織的排出；③ 加熱室4內的下部要設置高溫廢煙氣的餘熱利用系統，本發明最佳的餘熱利用系統是首先使用餘熱 利用裝置7分別對燃燒器6所使用的燃料和助燃空氣加熱，最終排出的廢煙氣要在用於生物質原料的乾燥 加工處理後再排入大氣；(4加熱室4的最高溫度確定要求將乾餾產生的熱裂解氣體完成木焦油催化裂解、C02還原和H20氣化 時，加熱室4的最高溫度以使高溫氣體工質聚集室1內的高溫氣體溫度《85(TC為佳，沒有這種催化重整的 要求時，加熱室4的最高溫度以使高溫氣體工質聚集室1內的高溫氣體溫度為650。C上下為佳。
4、根據權利要求l一種快速、規模化生產生物燃料方法，其中的"熱裂解氣體循環加熱管5"的設計、 製造的技術特徵在於-① 熱裂解氣體循環加熱管5的材質，是由該連續乾餾碳化設備的工作溫度確定的； -② 熱裂解氣體循環加熱管5是聯通乾餾、碳化室12下部和高溫氣體工質聚集室1的一組多根豎向管道， 能夠把強制攪拌風機2向下強制壓入到乾餾、碳化室12的高溫氣體工質在完成了和原材料入口 IO加入的 生物質材料熱交換後，再次從乾餾、碳化室12下部進入加熱室4中被強制加熱，循環使用。
5、 根據權利要求1 一種快速、規模化生產生物燃料方法，設計原材料入口 10和配套的給料裝置時， 其特徵是不論在加料時爐內的壓力是多少，都必須能夠有效的防止空氣從原材料入口 IO進入乾餾、碳化室 12。
6、 根據權利要求1 ^種快速、規模化生產生物燃料方法，設計乾餾、碳化的產品出口 11和配套的出 料裝置時，其特徵是不論在加料時爐內的壓力是多少，都必須能夠有效的防止空氣從產品出口 ll進入乾餾、 碳化室12。
7、 根據權利要求1 一種快速、規模化生產生物燃料方法，本發明在使用方法上對於適用原材料的特徵， 在於它還可以用於其它需要隔絕空氣加熱，並且在加熱過程中伴有乾餾產生的熱解氣體的使用瀝青或者其 它有機質材料作為粘合劑的型焦半成品、碳素半成品的碳化工藝生產上。
全文摘要
一種快速、規模化生產生物燃料方法。本發明公開了一種具有下列功能的快速乾餾、碳化爐1.使用了被乾餾、碳化的生物質材料所產生的熱裂解氣體作為載能工質；2.具有對工質強制進行外部加熱的功能；3.具有使被加熱的工質與被乾餾、碳化的生物質之間進行以對流換熱為主同時伴隨著大面積的導熱和輻射換熱的功能。4.具有在隔絕空氣的條件下，連續加入原材料和連續排出生成的生物質熱裂解氣體和生物質半焦兩種生物燃料的功能。這種快速乾餾、碳化爐同樣適用於其它需要隔絕空氣加熱，並且在加熱過程中伴有乾餾產生的熱解氣體的使用瀝青或者其它有機質材料作為粘合劑的型焦半成品、碳素半成品的碳化生產工藝上。
文檔編號C10B53/02GK101665704SQ20091016505
公開日2010年3月10日 申請日期2009年7月24日 優先權日2008年7月25日
發明者許永捷 申請人:許永捷