專利名稱：生物質(zhì)噴動流化床熱解分級冷凝制取生物油裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動力工程及工程熱物理專業(yè)可再生能源利用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中國每年產(chǎn)出的農(nóng)林廢棄物量相當(dāng)可觀，以農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)中最常見的副產(chǎn)品 秸稈為例，2010年的年產(chǎn)量預(yù)計將達(dá)到7.26億噸，相當(dāng)于3.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。目前 秸稈的使用主要在牲畜飼料和農(nóng)村生活用能兩大方面，其中秸稈用于農(nóng)村生活用 能的比例約占45%。此外，中國每年的薪材量也非?？捎^。根據(jù)國務(wù)院批準(zhǔn)的"十 一五"期間森林采伐限額，全國每年采伐指標(biāo)為2.48億立方米，換算成生物量約 為2.91億噸，每年可產(chǎn)生采伐剩余物生物量1.09億噸。因此，高效利用秸稈等 農(nóng)林廢棄物對于解決農(nóng)村用能問題具有重要意義。同時農(nóng)林廢棄物由于其含硫和 灰分量均較小，是一種清潔的能源資源。另外，由于大量排放的C02在大氣層中不 斷積累而導(dǎo)致"溫室效應(yīng)"所引起的負(fù)面影響也已引起了世界各國的高度重視， 其中80%的C02排放量是與化石燃料的燃燒密切相關(guān)的。而農(nóng)林廢棄物具有C02零 排放的特點，能有效緩解日益嚴(yán)重的"溫室效應(yīng)"，這對于中國作為世界第二大 C02排放大國更具有重要意義。
當(dāng)前，涉及農(nóng)林廢棄物的能源轉(zhuǎn)換利用技術(shù)很多，大致有直接燃燒、熱化學(xué) 轉(zhuǎn)換、生化轉(zhuǎn)換等。其中，快速熱解技術(shù)是在惰性氣氛和中等溫度(40(T60(TC)， 高加熱速率(1(TlO"C/s)以及短氣相停留時間(〈2s)的條件下，將生物質(zhì)快速 受熱裂解，產(chǎn)生的揮發(fā)份經(jīng)過快速冷凝得到生物油的技術(shù)。它能夠以連續(xù)的工藝 和工廠化的生產(chǎn)方式將農(nóng)林廢棄物轉(zhuǎn)化為易儲存、易運(yùn)輸、能量密度高且使用方 便的生物油。得到的生物油不僅可以直接用于燃燒，而且可通過進(jìn)一步加工為可 替代柴油或汽油的動力燃料，也可以從中提取具有商業(yè)價值的化工產(chǎn)品。因此， 生物質(zhì)快速熱解技術(shù)研究得到了世界各國的高度重視。加拿大、美國、澳大利亞 等國己開始生物質(zhì)快速熱解的商業(yè)化運(yùn)行，其中加拿大的Dynamotive公司已建成 日處理量為200噸的生物質(zhì)快速熱解工廠。目前，國內(nèi)的東南大學(xué)、中國科技大 學(xué)、浙江大學(xué)、華東理工大學(xué)、中國科學(xué)院廣州能源所、山東理工大學(xué)、安徽易能生物能源有限公司等都在紛紛進(jìn)行生物質(zhì)快速熱解技術(shù)的開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種生物質(zhì)噴動流化床熱解分級冷凝制取生 物油裝置，解決目前生物質(zhì)快速熱解技術(shù)存在的多方面問題
(1) 生物質(zhì)原料堆積密度小、易架橋，如何保證加料的穩(wěn)定性和連續(xù)性是亟 待解決的問題。
(2) 生物質(zhì)快速熱解需要滿足高加熱速率、良好的傳熱效果和短氣相停留時 間的要求。已有的技術(shù)中機(jī)械式熱解反應(yīng)器設(shè)備龐大，運(yùn)行維護(hù)成本較高。間接 式反應(yīng)器熱源的局限性限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用。
(3) 目前普遍釆用的直接噴淋冷凝能實現(xiàn)熱裂解氣體的快速冷凝，對冷凝生 物油這樣的寬沸點混合物十分有效。但僅使用直接噴淋冷凝得到的生物由組分相 當(dāng)復(fù)雜，生物油的燃料品質(zhì)無法提高，同時也增加了從生物油中提取化工產(chǎn)品的 工藝難度和經(jīng)濟(jì)性。
(4) 混合式熱解反應(yīng)器的載氣需求量大，同時生物質(zhì)快速熱解產(chǎn)生的尾氣會 對環(huán)境造成二次污染，因此亟待解決載氣來源和尾氣污染的問題。
技術(shù)方案本發(fā)明由組合式加料系統(tǒng)、載氣預(yù)熱系統(tǒng)、噴動流化床快速熱解 反應(yīng)器、氣固分離及炭收集系統(tǒng)、分級冷凝系統(tǒng)以及熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)組成的。 該裝置用組合式加料系統(tǒng)將生物質(zhì)原料送入噴動流化床快速熱解反應(yīng)器中，而載 氣經(jīng)載氣預(yù)熱系統(tǒng)加熱后進(jìn)入噴動流化床快速熱解反應(yīng)器，使反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生劇烈 的傳熱傳質(zhì)過程，生物質(zhì)原料迅速受熱裂解，產(chǎn)生揮發(fā)分和焦炭，揮發(fā)分、焦炭 和載氣一起經(jīng)氣固分離及炭收集系統(tǒng)去除焦炭顆粒后進(jìn)入分級冷凝系統(tǒng)，在直接 間接相結(jié)合的冷凝方式作用下，其可冷凝部分被充分冷凝成生物油。熱解尾氣的 一部分經(jīng)處理排入大氣，另一部分則經(jīng)過熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)中尾氣清潔器清洗和 壓縮機(jī)增壓后，分別進(jìn)入載氣預(yù)熱系統(tǒng)作為載氣和燃燒器輔助燃燒。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)為生物質(zhì)噴動流化床熱解分級冷凝制取生物油裝置包括 加料系統(tǒng)、快速熱解反應(yīng)器、冷凝系統(tǒng)、熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，其中，
加料系統(tǒng)中料倉內(nèi)置機(jī)械破拱裝置，料倉下接第一級螺旋加料器，第一級螺 旋加料器的末端通過豎直管道接第二級螺旋加料器，第二級螺旋加料器另一端接 噴動流化床快速熱解反應(yīng)器，水冷套管包覆于第二級螺旋加料器與噴動流化床快 速熱解反應(yīng)器連接部分；
5噴動流化床快速熱解反應(yīng)器分別接噴動風(fēng)入口、流化風(fēng)入口、第一級旋風(fēng)分離 器，以及經(jīng)外部加熱夾套接燃燒器；第一級旋風(fēng)分離器下部接第一級集炭箱，第 一級旋風(fēng)分離器上部與第二級旋風(fēng)分離器相接，第二級旋風(fēng)分離器的上部出口和 下部分別接第一級冷凝器下方側(cè)面入口和第二級集炭箱；
冷凝系統(tǒng)中第一級冷凝器底部出口接第一級儲油罐，第一級儲油罐與油泵相 連，油泵另一端分別連接至第一級冷凝器內(nèi)部的第一級噴嘴和第二級噴嘴；第一 級冷凝器的頂部接至第二級冷凝器上部入口，第二級冷凝器分別與第二級儲油罐 和尾氣凈化器相連；
熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)中尾氣凈化器另一端接壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的出口接儲氣罐入 口 ，儲氣罐出口分別接燃燒器和第一級螺旋加料器末端豎直管頂部；
加熱系統(tǒng)中燃燒器分別接外部加熱夾套、噴動風(fēng)入口、流化風(fēng)入口、儲氣罐、 油罐和引風(fēng)機(jī)。
快速熱解反應(yīng)器采用噴動流化床技術(shù)，反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在400 60(TC，氣相 停留時間控制在2s以內(nèi)。
第一級冷凝器是噴淋冷凝器，其內(nèi)部的第一級噴嘴和第二級噴嘴沿冷凝器豎直 方向分上下兩層布置；第二級冷凝器是間接冷凝器；第二級冷凝器出口的氣體溫 度控制在4(T7(TC。
儲氣罐出口的熱解尾氣一部分進(jìn)入燃燒器與高溫?zé)煔忾g接換熱后，分別由噴動 風(fēng)入口、流化風(fēng)入口進(jìn)入噴動流化床快速熱解反應(yīng)器；儲氣罐中的熱解尾氣的一 部分進(jìn)入燃燒器爐膛內(nèi)輔助燃燒。
有益效果本申請是在上述技術(shù)基礎(chǔ)上研究開發(fā)出的一種新型生物質(zhì)快速熱 解裝置，它具有許多突出的優(yōu)點(1)采用組合式加料系統(tǒng)，將機(jī)械破拱、氣力 松動、螺旋給料相結(jié)合，能夠最大限度地保證加料的順暢和穩(wěn)定。(2)由于采用 噴動流化床作為生物質(zhì)快速熱解的反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)循環(huán)速度快，傳熱傳質(zhì) 效果好，能很好地滿足生物質(zhì)快速裂解的三個基本原則，即高加熱速率、良好的 傳熱效果和短氣相停留時間的要求，保證了熱解液體產(chǎn)物的產(chǎn)率和品質(zhì)。(3)針 對生物質(zhì)熱解氣成分復(fù)雜、冷凝需在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的特點，冷凝系統(tǒng)采用 第一級噴淋急冷和第二級間接冷卻的兩級冷凝方式，能夠保證生物質(zhì)熱解氣的充 分冷凝，并可通過調(diào)整噴淋介質(zhì)和間接換熱介質(zhì)的流量來控制兩級冷凝器的冷凝 溫度，從而實現(xiàn)生物油重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分的分離，不僅可以提高生物油的產(chǎn)率 和品質(zhì)，同時也將能源利用與提取化工產(chǎn)品結(jié)合起來。(4)采用熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)，可實現(xiàn)載氣的循環(huán)利用，不但減輕了對環(huán)境的影響，而且降低了運(yùn)行成本， 使得整套熱解裝置更便于工業(yè)放大。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中有料倉l-l、機(jī)械破拱裝置l-2、第一級螺旋加料器l-3、第二級螺旋
加料器l-4、水冷套管1-5、噴動流化床快速熱解反應(yīng)器2-l、噴動風(fēng)入口2-2、 流化風(fēng)入口2-3、加熱夾套2-4、第一級旋風(fēng)分離器3-l、第二級旋風(fēng)分離器3-2、 第一級集炭箱3-3、第二級集炭箱3-4、第一級冷凝器4-1、第一級噴嘴4-1-1、 第二級噴嘴4-1-2、第二級冷凝器4-2、油泵4-3、第一級儲油罐4-4、第二級儲 油罐4-5、尾氣凈化器5-l、壓縮機(jī)5-2、儲氣罐5-3、燃燒器6_1、燃燒器油罐 6-2、引風(fēng)機(jī)6-3。
具體實施方是式
本發(fā)明的具體實施方案如下
它包括加料系統(tǒng)、快速熱解反應(yīng)器、冷凝系統(tǒng)、熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)和加熱系 統(tǒng)，其中，
加料系統(tǒng)中料倉1-1內(nèi)置機(jī)械破拱裝置1-2，料倉1-1下接第一級螺旋加料
器1-3，第一級螺旋加料器1-3的末端通過豎直管道接第二級螺旋加料器1-4，第 二級螺旋加料器1-4另一端接噴動流化床快速熱解反應(yīng)器2-l，水冷套管1-5包覆 于第二級螺旋加料器1-4與噴動流化床快速熱解反應(yīng)器2-1連接部分；
噴動流化床快速熱解反應(yīng)器2-1分別接噴動風(fēng)入口 2-2、流化風(fēng)入口2-3、第 一級旋風(fēng)分離器3-l，以及經(jīng)外部加熱夾套2-4接燃燒器6-l;第一級旋風(fēng)分離器
3- 1下部接第一級集炭箱3-3，第一級旋風(fēng)分離器3-1上部與第二級旋風(fēng)分離器3-2 相接，第二級旋風(fēng)分離器3-2的上部出口和下部分別接第一級冷凝器4-1下方側(cè) 面入口和第二級集炭箱3-4;
冷凝系統(tǒng)中第一級冷凝器4-l底部出口接第一級儲油罐4-4，第一級儲油罐
4- 4與油泵4-3相連，油泵4-3另一端分別連接至第一級冷凝器4-1內(nèi)部的第一級 噴嘴4-1-1和第二級噴嘴4-卜2;第一級冷凝器4-1的頂部接至第二級冷凝器4-2 上部入口 ，第二級冷凝器4-2分別與第二級儲油罐4-5和尾氣凈化器5-1相連；
熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)中尾氣凈化器5-1另一端接壓縮機(jī)5-2，壓縮機(jī)5-2的出
7口接儲氣罐5-3入口 ，儲氣罐5-3出口分別接燃燒器6-1和第一級螺旋加料器1-3 末端豎直管頂部；
加熱系統(tǒng)中燃燒器6-1分別接外部加熱夾套2-4、噴動風(fēng)入口2-2、流化風(fēng) 入口 2-3、儲氣罐5-3、油罐6-2和引風(fēng)機(jī)6-3。
將生物質(zhì)原料加入料倉1-1內(nèi)。料倉內(nèi)安裝有機(jī)械破拱裝置1-2，可避免物料 在料倉內(nèi)出現(xiàn)架橋現(xiàn)象。生物質(zhì)原料由料倉向下進(jìn)入兩級螺旋加料裝置，第一級 螺旋1-3的作用是保證物料的定量供給，第二級螺旋1-4則防止物料受熱堵塞反 應(yīng)器加料口。在第一、二級螺旋間增加下料風(fēng)保證第一級螺旋末端物料順利進(jìn)入 第二級螺旋。在第二級螺旋末端加裝水冷套管l-5，進(jìn)一步降低發(fā)生堵塞的可能性。 生物質(zhì)原料由第二級螺旋進(jìn)入噴動流化床快速熱解反應(yīng)器2-1。噴動流化床快速熱 解反應(yīng)器2-1使用60°錐形布風(fēng)方式，反應(yīng)器所需熱量來自反應(yīng)器外部夾套2-4 中高溫?zé)煔獾膿Q熱。經(jīng)過預(yù)熱的噴動風(fēng)和流化風(fēng)分別由噴動流化床快速熱解反應(yīng) 器2-1底部的噴動風(fēng)入口 2-2和流化風(fēng)入口 2-3進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)部。噴動流化床快 速熱解反應(yīng)器2-l內(nèi)溫度控制在40(T60(TC，氣相停留時間保證在2s以內(nèi)，生物 質(zhì)原料在反應(yīng)器發(fā)生快速熱解，產(chǎn)生的熱解氣由噴動流化床快速熱解反應(yīng)器2-1 頂部出口進(jìn)入兩級旋風(fēng)分離器，經(jīng)離心分離下的焦炭顆粒下落進(jìn)入集炭箱。除去 焦炭顆粒后的熱解氣繼續(xù)進(jìn)入第一級冷凝器4-l，第一級冷凝器4-1采用直接噴淋 的方式，自下到上設(shè)有兩組噴嘴，熱解氣由下而上經(jīng)過兩組噴嘴噴淋，可冷凝部 分被冷凝成液體向下流入第一級儲油罐4-4，第一級儲油罐4-4下部側(cè)面接油泵 4-3，部分液體生物油被油泵4-3抽回至噴嘴充當(dāng)噴淋介質(zhì)。熱解氣由第一級冷凝 器上部出口進(jìn)入第二級冷凝器4-2，第二級冷凝器4-2采用間接冷凝的方式，冷凝 下的液體產(chǎn)物向下進(jìn)入第二級儲油罐4-5。第二級冷凝器4-2出口的熱解尾氣溫度 在4(T7(TC 。通過調(diào)節(jié)噴淋介質(zhì)和間接換熱介質(zhì)的流量來控制兩級冷凝器的冷凝溫 度的分級冷凝方式可實現(xiàn)生物油重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分的分離，不僅可以提高生物 油的產(chǎn)率和品質(zhì)，同時也將能源利用與提取化工產(chǎn)品結(jié)合起來。冷凝后得到的熱 解尾氣一部分經(jīng)過處理后排入大氣，另一部分則經(jīng)過尾氣凈化器5-1清洗和壓縮 機(jī)5-2增壓后進(jìn)入儲氣罐5-3。從儲氣罐5-3引出四路氣體，其中一路連接加料系 統(tǒng)的下料風(fēng)， 一路作為噴動風(fēng)經(jīng)燃燒器6-1預(yù)熱后進(jìn)入噴動流化床快速熱解反應(yīng) 器2-1底部的噴動風(fēng)入口 2-2，一路作為流化風(fēng)經(jīng)流化燃燒器6-1預(yù)熱后進(jìn)入噴動 流化床快速熱解反應(yīng)器2-1下部側(cè)面的流化風(fēng)入口 2-3，一路進(jìn)入燃燒室6-1參加 燃燒，提供熱量。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)噴動流化床熱解分級冷凝制取生物油裝置，其特征在于它包括加料系統(tǒng)、快速熱解反應(yīng)器、冷凝系統(tǒng)、熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，其中，加料系統(tǒng)中料倉(1-1)內(nèi)置機(jī)械破拱裝置(1-2)，料倉(1-1)下接第一級螺旋加料器(1-3)，第一級螺旋加料器(1-3)的末端通過豎直管道接第二級螺旋加料器(1-4)，第二級螺旋加料器(1-4)另一端接噴動流化床快速熱解反應(yīng)器(2-1)，水冷套管(1-5)包覆于第二級螺旋加料器(1-4)與噴動流化床快速熱解反應(yīng)器(2-1)連接部分；噴動流化床快速熱解反應(yīng)器(2-1)分別接噴動風(fēng)入口(2-2)、流化風(fēng)入口(2-3)、第一級旋風(fēng)分離器(3-1)，以及經(jīng)外部加熱夾套(2-4)接燃燒器(6-1)；第一級旋風(fēng)分離器(3-1)下部接第一級集炭箱(3-3)，第一級旋風(fēng)分離器(3-1)上部與第二級旋風(fēng)分離器(3-2)相接，第二級旋風(fēng)分離器(3-2)的上部出口和下部分別接第一級冷凝器(4-1)下方側(cè)面入口和第二級集炭箱(3-4)；冷凝系統(tǒng)中第一級冷凝器(4-1)底部出口接第一級儲油罐(4-4)，第一級儲油罐(4-4)與油泵(4-3)相連，油泵(4-3)另一端分別連接至第一級冷凝器(4-1)內(nèi)部的第一級噴嘴(4-1-1)和第二級噴嘴(4-1-2)；第一級冷凝器(4-1)的頂部接至第二級冷凝器(4-2)上部入口，第二級冷凝器(4-2)分別與第二級儲油罐(4-5)和尾氣凈化器(5-1)相連；熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)中尾氣凈化器(5-1)另一端接壓縮機(jī)(5-2)，壓縮機(jī)(5-2)的出口接儲氣罐(5-3)入口，儲氣罐(5-3)出口分別接燃燒器(6-1)和第一級螺旋加料器(1-3)末端豎直管頂部；加熱系統(tǒng)中燃燒器(6-1)分別接外部加熱夾套(2-4)、噴動風(fēng)入口(2-2)、流化風(fēng)入口(2-3)、儲氣罐(5-3)、油罐(6-2)和引風(fēng)機(jī)(6-3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)噴動流化床熱解分級冷凝制取生物油裝置， 其特征在于快速熱解反應(yīng)器(2-1)采用噴動流化床技術(shù)，反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在 400 600°C，氣相停留時間控制在2s以內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)噴動流化床熱解分級冷凝制取生物油裝置， 其特征在于第一級冷凝器(4-1)是噴淋冷凝器，其內(nèi)部的第一級噴嘴(4-1-1) 和第二級噴嘴(4-1-2)沿冷凝器豎直方向分上下兩層布置；第二級冷凝器(4-2)是間接冷凝器；第二級冷凝器(4-2)出口的氣體溫度控制在4(T7(TC。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)噴動流化床熱解分級冷凝制取生物油裝置， 其特征在于儲氣罐(5-3)出口的熱解尾氣一部分進(jìn)入燃燒器(6-1)與高溫?zé)?氣間接換熱后，分別由噴動風(fēng)入口 (2-2)、流化風(fēng)入口 (2-3)進(jìn)入噴動流化床快 速熱解反應(yīng)器(2-1);儲氣罐(5-3)中的熱解尾氣的一部分進(jìn)入燃燒器(6-1) 爐膛內(nèi)輔助燃燒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物質(zhì)噴動流化床熱解分級冷凝制取生物油裝置。其中，組合式加料系統(tǒng)可保證生物質(zhì)原料順暢、穩(wěn)定地進(jìn)入反應(yīng)器；采用噴動流化床作為熱解反應(yīng)器，可很好地滿足生物質(zhì)快速熱解技術(shù)對高加熱速率、良好的傳熱效果和短氣相停留時間的要求；氣固分離及炭收集系統(tǒng)可清潔熱解氣并收集副產(chǎn)品焦炭；直接接觸和間接換熱相結(jié)合的兩級冷凝系統(tǒng)可實現(xiàn)生物油重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分的分離，不僅可以提高生物油的產(chǎn)率和品質(zhì)，同時也將制取液體燃料與提取化工產(chǎn)品結(jié)合起來，增加經(jīng)濟(jì)性；熱解尾氣循環(huán)系統(tǒng)可保證熱解載氣的連續(xù)供給，降低了裝置運(yùn)行成本，使得整套熱解裝置更便于工業(yè)放大。
文檔編號C10G1/00GK101624531SQ20091018441
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者仲兆平, 睿 李, 金保昇, 黃亞繼 申請人:東南大學(xué)