一種多功能流化床式生物質熱解轉化裝置的製作方法
2023-05-04 05:43:01 1
專利名稱：一種多功能流化床式生物質熱解轉化裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多功能流化床式生物質熱解轉化裝置，屬於生物質再生利用及 其能源化設備技術領域。
背景技術：
生物質是一種可再生、環境友好型資源，其利用過程中可實現二氧化碳的零排 放。生物質熱解炭化、液化和氣化是生物質能利用的主要技術，所以研究一種能夠集生 物質熱解炭化、液化和氣化多功能為一體的試驗裝置意義重大。生物質熱解炭化、液化和氣化技術均屬於生物質熱化學轉換技術。生物質熱解 炭化的主要目的是在較低溫度與較慢升溫速率下得到熱解炭和副產品木醋液、木煤氣； 熱解炭經活化可製得性能優良的活性炭，可廣泛用於氣體淨化、汙水處理等領域。生 物質熱解液化的主要目的是在中等反應溫度和較高升溫速率下得到生物油和副產品熱解 炭、不可冷凝氣體；生物油可直接作為燃料供電供熱，也可用於生產化學品，如部分替 代苯酚製備酚醛樹脂膠粘劑。生物質熱解氣化的主要目的是在高反應溫度和較高升溫速 率下得到可燃氣體和副產品焦油、炭粉；可燃氣體利用效率高，而且用途廣泛，如可以 用做生活煤氣，也可以用於燒鍋爐或直接發電。目前，生物質熱解炭化、液化和氣化技術發展很快，研究較多，國內外現已開 發出多種類型的生物質熱解反應器，但現有熱解反應器的通用性能均不好，並且都存在 各自的不足，尤其缺乏能夠綜合研究熱解炭化、液化和氣化多功能一體化的設備。
發明內容
本發明的目的是提出一種多功能流化床式生物質熱解轉化裝置，綜合流化床熱 解炭化、液化和氣化反應條件及反應器特徵，以便在同一裝置中實現生物質的熱解炭 化、液化和氣化。本發明提出的多功能流化床式生物質熱解轉化裝置，包括熱解反應器，用於使乾燥粉碎後的原料進行熱解炭化、液化或氣化反應，熱解 反應器的左側下部設有進料口，熱解反應器的右側下部與灰分返料器相連，熱解反應器 的下部設有流化氣進氣口，熱解反應器的上部與氣固分離器的入口相連；氣固分離器，用於將熱解反應器中熱解得到的炭和熱解氣分離，氣固分離器的 進口與所述的熱解反應器的上部出口相連，氣固分離器的下部出口與灰分返料器相連， 氣固分離器的上部出口與過濾器相連；灰分返料器，用於使所述的氣固分離器中分離得到的灰分返回到所述的熱解反 應器中，或收集到集炭箱中，灰分返料器的進口與所述的氣固分離器的下部出口相連， 灰分返料器的左側出口與所述的熱解反應器的右側下部進口相連，灰分返料器的右側出 口與集炭箱相連；集炭箱，用於收集氣固分離器分離得到的炭，集炭箱的入口與所述的灰分返料器的右側出口相連；過濾器，用於使所述的氣固分離器得到的熱解氣過濾去除雜質，過濾器的右側 出口與冷凝器相連；冷凝器，用於使經過過濾的熱解氣冷凝，得到冷凝液體和不可冷凝氣體，冷凝 器的出口與儲油罐相連；水洗除焦器的氣體入口相連；儲油罐，用於儲存由所述的冷凝器得到的冷凝液體，儲油罐的出口與水洗除焦 器相連；水洗除焦器，用於對所述的儲油罐中的不可冷凝氣體進行除焦、除塵和降溫， 水洗除焦器的左側下部為氣體進口，左側上部為氣體出口，右側下部為循環水進口，右 側上部為循環水出口，左側上部的氣體出口與儲氣罐相連；儲氣罐，用於儲存經過所述的水洗除焦器水洗除焦後的不可冷凝氣體，儲氣罐 的進口與所述的水洗除焦器氣體出口相連。本發明提出的多功能流化床式生物質熱解轉化裝置，通過對流化床反應器進行 分段控溫，很好地實現生物質熱解炭化、液化和氣化，有利於系統研究三者之間的關係 及影響機制。本發明的生物質熱解反應裝置，與現有的同樣技術相比具有以下優點及技 術效果1、本發明的熱解轉化裝置中的流化床反應器，採用三段控溫的模式，在流化床 式熱解反應器的各控溫段配備相應的溫度、壓力、流量等各類監控儀表，實現各控溫段 反應過程中溫度、升溫速率、壓力等因素的精確調控，因此當用於熱解反應時，熱解過 程便於調節，有利於提高熱解產物的質量。2、本發明的熱解轉化裝置的運行過程中，炭化過程產生的煙氣經冷卻、除塵提 取焦油後作為載氣重新通入流化床反應器，液化過程中產生的氣體經冷凝提取生物油後 作為載氣重新通入流化床反應器，氣化過程中產生的灰分經過灰分返料器重新通入流化 床反應器中，解決了生物質轉化對環境的汙染。3、本發明的熱解轉化裝置中產生的氣體，經冷凝後採取吹泡法水洗技術，能夠 同時實現除焦、除塵和降溫三方面的效果。
圖1是本發明熱解轉化裝置的結構示意圖。圖1中，1是熱解反應器，2是流化床下段控溫區，3是流化床中段控溫區，4是 流化床上段控溫區，5是氣固分離器，6是過濾器，7是冷凝器，8是水洗除焦器，9是儲 氣罐，10是儲油罐，11是集炭箱，12是灰分返料器。
具體實施例方式本發明提出的多功能流化床式生物質熱解轉化裝置，其結構如圖1所示，包 括熱解反應器1，用於使乾燥粉碎後的原料進行熱解炭化、液化或氣化反應，熱解 反應器的左側下部設有進料口，熱解反應器的右側下部與灰分返料器相連，熱解反應器 的下部設有流化氣進氣口，熱解反應器的上部與氣固分離器的入口相連；
氣固分離器5，用於將熱解反應器中熱解得到的炭和熱解氣分離，氣固分離器的 進口與所述的熱解反應器的上部出口相連，氣固分離器的下部出口與灰分返料器相連， 氣固分離器的上部出口與過濾器相連；灰分返料器12，用於使所述的氣固分離器中分離得到的灰分返回到所述的熱 解反應器中，或收集到集炭箱中，灰分返料器的進口與所述的氣固分離器的下部出口相 連，灰分返料器的左側出口與所述的熱解反應器的右側下部進口相連，灰分返料器的右 側出口與集炭箱相連；集炭箱11，用於收集氣固分離器分離得到的炭，集炭箱的入口與所述的灰分返 料器的右側出口相連；過濾器6，用於使所述的氣固分離器得到的熱解氣過濾去除雜質，過濾器的右側 出口與冷凝器相連；冷凝器7，用於使經過過濾的熱解氣冷凝，得到冷凝液體和不可冷凝氣體，冷凝 器的出口與儲油罐相連；水洗除焦器的氣體入口相連；儲油罐10，用於儲存由所述的冷凝器得到的冷凝液體，儲油罐的出口與水洗除 焦器相連；水洗除焦器8，用於對所述的儲油罐中的不可冷凝氣體進行除焦、除塵和降溫， 水洗除焦器的左側下部為氣體進口，左側上部為氣體出口，右側下部為循環水進口，右 側上部為循環水出口，左側上部的氣體出口與儲氣罐相連；儲氣罐9，用於儲存經過所述的水洗除焦器水洗除焦後的不可冷凝氣體，儲氣罐 的進口與所述的水洗除焦器氣體出口相連。本發明熱解轉化裝置，可以實現熱解、液化和氣化等功能，因此，對於流化床 反應器的溫度及升溫速率控制非常關鍵，本反應器採用三段控溫的方法，如圖1中所 示，其中2是流化床下段控溫區，3是流化床中段控溫區，4是流化床上段控溫區。用於 精確測定和實時監控裝置中各部分的流量、溫度、升溫速率、壓力等。通過對三段溫度 範圍的調節，以便很好地實現生物質熱解炭化、液化和氣化。當本發明裝置用於生物質熱解炭化時，其工藝過程如下(1)將生物質物料粉碎，粉碎後的顆粒度為0.3 1.2mm，並使其乾燥到含水率 為6% 12% ；(2)使上述物料進行熱解反應，產生炭和熱解氣，反應溫度分為三段，反應器的 下段控溫區為150 200°C (預炭化階段)，中段控溫區為200 350°C (炭化階段)，上 段控溫區為350 450°C (煅燒階段)，流化載氣為N2,反應時間為3 5秒；(3)對上述反應得到的炭和熱解氣進行分離，得到的主產品炭收集用於後續加 工，副產品熱解氣隨載氣繼續前進；(4)使上述步驟(3)得到的熱解氣過濾，去除雜質；(5)使上述經過過濾的熱解氣冷凝，冷凝後不可冷凝氣溫度為80 120°C，可冷 凝氣體變為液體收集；(6)使上述步驟(5)得到的不可冷凝氣體進行水洗除焦，水洗除焦溫度為15 25°C,時間為1.5 3秒；(7)使上述步驟(6)得到的不可冷凝氣體中的75% 90%進入步驟(2)繼續反應，循環使用，10% 25%收集備用。當本發明裝置用於生物質熱解液化時，其工藝過程如下(1)將生物質物料粉碎，粉碎後的顆粒度為0.3 1.2mm，並使其乾燥到含水率 為6% 12% ；(2)使上述物料進行熱解反應，產生炭和熱解氣，反應溫度分為三段，反應器的 下段控溫區為525 575°C (主反應區)；中段控溫區為475 525°C (副反應區)；上段 控溫區為400 450°C (緩衝區)；流化載氣為N2,反應時間為0.5 3秒；(3)對上述反應得到的炭和熱解氣進行分離，得到的熱解氣隨載氣繼續前進，副 產品炭收集；(4)使上述步驟(3)得到的熱解氣過濾，去除雜質；(5)使上述經過過濾的熱解氣冷凝，冷凝後不可冷凝氣溫度為80 120°C，可冷 凝氣體變為主產品生物油收集；(6)使上述步驟(5)得到的不可冷凝氣體進行水洗除焦，水洗除焦溫度為15 25°C,時間為1.5 3秒；(7)使上述步驟(6)得到的不可冷凝氣體中的55% 70%進入步驟(2)繼續反 應，循環使用，45% 30%收集備用。當本發明裝置用於生物質熱解氣化時，其工藝過程如下(1)將生物質物料粉碎，粉碎後的顆粒度為0.3 1.2mm，並使其乾燥到含水率 為6% 12% ；(2)使上述物料進行熱解反應，產生熱解氣和灰分，反應溫度分為三段，反應器 的下段控溫區為400 500°C (氧化放熱階段)；中段控溫區為500 750°C (熱解階段)； 上段控溫區750 900°C (氣化還原階段)流化載氣為空氣，反應時間為0.5 2秒；(3)對上述反應得到的熱解氣和灰分進行分離，得到的熱解氣隨載氣繼續前進， 灰分重新返回到熱解反應器中繼續反應；(4)使上述步驟(3)得到的熱解氣過濾，去除雜質；(5)使上述經過過濾的熱解氣冷凝，冷凝後不可冷凝氣溫度為80 120°C，可冷 凝氣體變為液體收集；(6)使上述步驟(5)得到的不可冷凝氣體進行水洗除焦，水洗除焦溫度為15 25°C,時間為1.5 3秒；(7)使上述步驟(6)得到的主產品不可冷凝氣體進入儲氣罐收集。本發明裝置由於各控溫段溫度與升溫速率可調，因此可進行生物質熱解炭化、 液化、氣化等方面的研究。具體通過以下三個實施例說明本生物質熱解試驗裝置的實施 方式。實施例一本裝置可用於生物質熱解炭化研究，具體流程如下設置流化床下段控溫區溫度為200°C，中段控溫區溫度為300°C，上段控溫區溫 度為400°C，載氣為氮氣。調節管道中的循環風量為6m7h，開啟連接管路中的閥門， 運行流化介質循環系統。打開冷凝器的循環泵以及外置冷凝水循環管路，運行冷凝系 統。待快速熱解反應器內部加熱到所需的設定溫度並穩定後，運行進料系統，設置無級調頻電機為10Hz，將含水率為8%和粒徑為0.5mm的麥秸粉加入到料倉中。反應開始進 行，通過氣固分離器進行分離，得到主產品熱解炭；通過冷凝系統進行氣液分離，提取 焦油；通過水洗設備進行進一步除焦、除塵和降溫；調節排空氣體連接管路中的閥門， 將80%不可冷凝氣體作為載氣重新通入流化床。20%收集到儲氣罐中。觀察監控系統中 顯示的溫度、流量、壓力、溼度等工作參數，保證裝置的良好運行。待物料全部進入並 反應結束後，關閉加熱系統。當反應器溫度降到150°C後，關閉氣體循環及冷凝器循環， 工作結束，炭化效率為45%。實施例二本裝置可用於生物質快速熱解液化研究，具體流程如下設置流化床反應器內下段控溫區溫度為550°C，中段控溫區溫度為450°C，上段 控溫區溫度為425°C，載氣為氮氣。調節管道中的循環風量為8m7h，開啟連接管路中的 閥門，運行流化介質循環系統。打開冷凝器的循環泵以及外置冷凝水循環管路，運行冷 凝系統。待快速熱解反應器內部加熱到所需的設定溫度後，運行進料系統，設置無級調 頻電機為10Hz，將含水率為8%和粒徑為0.45-0.9mm的落葉松木粉加入到料倉中，反應 開始進行，通過氣固分離器進行分離；通過冷凝系統進行氣液分離，得到產品生物油； 通過水洗設備進行除焦、除塵和降溫；調節排空氣體連接管路中的閥門，將60%不可冷 凝氣體作為載氣重新通入流化床，40%收集到儲氣罐中。觀察監控系統中顯示的溫度、 流量、壓力、溼度等工作參數，保證裝置的良好運行。待物料全部進入並反應結束後， 關閉加熱系統。當反應器溫度降到150°C後，關閉氣體循環及冷凝器循環，工作結束，液 化效率為60%。實施例三本裝置可用於生物質熱解氣化研究，具體流程如下設置流化床反應器內下段控溫區溫度為450°C，中段控溫區溫度為600°C，上段 控溫區溫度為800°C，載氣為空氣。調節管道中的循環風量為8m7h，開啟連接管路中 的閥門，運行流化介質循環系統。打開冷凝器的循環泵以及外置冷凝水循環管路，運行 冷凝系統。對氣化爐進行預熱，當氣化爐各點溫度達到450°C以上時，爐膛預熱結束。 進行氣化實驗，待熱解反應器內部加熱到所需的設定溫度後，運行進料系統，設置供料 電機轉速為25r/min將含水率為10%和粒徑為0.5mm的麥秸加入到料倉中，反應開始進 行，通過氣固分離器進行分離，分離得到的灰分通過灰分返料器重新進入反應器；通過 冷凝系統進行氣液分離，提取焦油；通過水洗設備進行進一步除焦、除塵和降溫；調節 排空氣體連接管路中的閥門，將不可冷凝氣體收集到儲氣罐中。觀察監控系統中顯示的 溫度、流量、壓力、溼度等工作參數，保證裝置的良好運行。待物料全部進入並反應結 束後，關閉加熱系統。當反應器溫度降到150°C後，關閉氣體循環及冷凝器循環，工作結 束，氣化效率為70%。
權利要求
1. 一種多功能流化床式生物質熱解轉化裝置，其特徵在於該熱解轉化裝置包括 熱解反應器，用於使乾燥粉碎後的原料進行熱解炭化、液化或氣化反應，熱解反應 器的左側下部設有進料口，熱解反應器的右側下部與灰分返料器相連，熱解反應器的下 部設有流化氣進氣口，熱解反應器的上部與氣固分離器的入口相連；氣固分離器，用於將熱解反應器中熱解得到的炭和熱解氣分離，氣固分離器的進口 與所述的熱解反應器的上部出口相連，氣固分離器的下部出口與灰分返料器相連，氣固 分離器的上部出口與過濾器相連；灰分返料器，用於使所述的氣固分離器中分離得到的灰分返回到所述的熱解反應器 中，或收集到集炭箱中，灰分返料器的進口與所述的氣固分離器的下部出口相連，灰分 返料器的左側出口與所述的熱解反應器的右側下部進口相連，灰分返料器的右側出口與 集炭箱相連；集炭箱，用於收集氣固分離器分離得到的炭，集炭箱的入口與所述的灰分返料器的 右側出口相連；過濾器，用於使所述的氣固分離器得到的熱解氣過濾去除雜質，過濾器的右側出口 與冷凝器相連；冷凝器，用於使經過過濾的熱解氣冷凝，得到冷凝液體和不可冷凝氣體，冷凝器的 出口與儲油罐相連；水洗除焦器的氣體入口相連；儲油罐，用於儲存由所述的冷凝器得到的冷凝液體，儲油罐的出口與水洗除焦器相連；水洗除焦器，用於對所述的儲油罐中的不可冷凝氣體進行除焦、除塵和降溫，水洗 除焦器的左側下部為氣體進口，左側上部為氣體出口，右側下部為循環水進口，右側上 部為循環水出口，左側上部的氣體出口與儲氣罐相連；儲氣罐，用於儲存經過所述的水洗除焦器水洗除焦後的不可冷凝氣體，儲氣罐的進 口與所述的水洗除焦器氣體出口相連。
全文摘要
本發明涉及一種多功能流化床式生物質熱解轉化裝置，屬於生物質再生利用及其能源化設備技術領域。包括用於使乾燥粉碎後的原料進行熱解炭化、液化或氣化反應的熱解反應器；用於將熱解反應器中熱解得到的炭和熱解氣分離的氣固分離器；用於使灰分返回的灰分返料器；用於收集氣固分離器分離得到的炭的集炭箱；用於使熱解氣過濾去除雜質的過濾器；用於使熱解氣冷凝的冷凝器；用於儲存冷凝液體的儲油罐；用於對不可冷凝氣體進行除焦、除塵和降溫的水洗除焦器；用於儲存不可冷凝氣體的儲氣罐。本發明裝置對流化床反應器進行分段控溫，實現生物質熱解炭化、液化和氣化，並提高了熱解產物的質量，解決了生物質轉化對環境的汙染。
文檔編號C10B49/10GK102010729SQ20101057747
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者任學勇, 司慧, 尹江平, 常建民, 張繼宗, 王文亮, 車顏喆, 高雪景 申請人:北京林業大學