CN102776007A - 一种连续式生物质热解炭气油多联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续式生物质移动床热解多联产系统，包括热解单元、冷凝单元、净化单元、储气单元和加热单元，热解单元分别连接冷凝单元和加热单元，储气单元分别连接净化单元和加热单元，冷凝单元通过净化单元与储气单元管道相连；加热单元产生高温烟气，热解单元通过高温烟气高速冲刷提供的热量将生物质热转化为炭气油产品并分离存储焦炭，冷凝单元从炭气油产品中分离出生物油与燃气并存储生物油，净化单元去除燃气中的杂质，储气单元存储去除杂质后的燃气。本发明实现了连续式生产生物燃气、生物焦炭和生物油的目标，所得产物品质稳定，应用前景广阔。

Description

一种连续式生物质热解炭气油多联产系统

技术领域

本发明涉及生物质热解多联产系统，适用于连续的将生物质转化为炭、气和油等高值化产物。

背景技术

新农村建设的重要任务是新农村能源体系的建设，采用现代技术综合、高效利用农村地区丰富的生物质资源是完成此项任务的重要手段之一。现代生物质利用技术，比如燃烧发电、气化发电或制气等都已经在农村地区得到利用，但是生物质资源特有的缺陷——资源分布广、能源密度低、收集困难，致使目前以单一产品为主、运行规模庞大的生物质利用技术难以满足新农村能源建设的要求。生物质多联产技术，可同时生产高值化的生物燃气、生物焦炭、木焦油和木醋液，经济效益大幅提高；利用规模适中，处在适宜的原料收集范围内。基于以上优点，生物质多联产技术日益受到人们的关注。

目前国内适用于农村地区的生物质多联产技术是以申请号为93110113.1的专利“废弃植物制取可燃气、炭和焦油的方法”为源头开发的固定床干馏釜技术为主。这种技术是将压缩成型的生物质原料放入可隔绝空气的干馏釜中，通过加热炉为干馏釜提供外部热源，釜内的生物质吸收热量从而将原料中的碳、氢元素转化为氢气、甲烷、一氧化碳等混合可燃气体，同时生产生物焦炭、木焦油和木醋液。由于这项技术可以为农民带来高热值、清洁的燃气，同时能够给运营商带来附加值很高的生物焦炭、木醋液和木焦油，大幅增加的经济效益让这种技术在全国范围内广大农村地区得到了有效推广，大力促进了生物质能产业的发展。

但是固定床干馏釜技术存在一些不足：间歇式生产，物料放置在干馏釜内吸热、分解、冷却等过程都在固定床内完成，从升温、燃气制备再到焦炭的冷却需要经历较长的运行时间；受热不均，要保证运行时间内燃气的供给量致使干馏釜具有较大的直径，热量从炉壁传到炉中心需要经历很长时间，生物质原料受热不均匀，热解程度不一，导致焦炭产品品质不一；燃气品质不高，生物质热解过程中会产生大量的一氧化碳，一般含量会达到15%，对燃气使用者带来潜在安全风险；存在二次污染的风险，间歇式生产导致木醋液和木焦油的产量并不能满足深加工厂的要求，不进行有效地处理，势必会形成液体产物对农村地区的污染，此外系统运行初期，产生大量的二氧化碳和一氧化碳直接排空，存在对大气污染的可能性。诸如以上的不足，固定床干馏釜技术难以进一步推动生物质能产业的发展，下一代生物质多联产技术首先要实现的就是连续式生产。

发明内容

本发明的目的在于克服固定床干馏釜技术的不足之处，提出一种连续式生物质移动床热解多联产系统，能够连续的制备焦炭和液体产品。

一种连续式生物质移动床热解多联产系统，包括热解单元、冷凝单元、净化单元、储气单元和加热单元，热解单元分别连接冷凝单元和加热单元，储气单元分别连接净化单元和加热单元，冷凝单元通过净化单元与储气单元管道相连；加热单元产生高温烟气，热解单元通过高温烟气高速冲刷提供的热量将生物质热转化为炭气油产品并分离存储焦炭，冷凝单元从炭气油产品中分离出生物油与燃气并存储生物油，净化单元去除燃气中的杂质，储气单元存储去除杂质后的燃气。

进一步地，所述热解单元包括供热烟道，以及依次直接连通的余热烘干炉、给料机、布料机、进料仓、热解移动床、活化炉、焦炭空冷室、焦炭水冷室和焦炭出料仓，热解移动床位于供热烟道内。

进一步地，所述热解移动床包括轴向与烟气冲刷方向垂直的多排移动床热解管和热解气汇集箱，在烟气冲刷方向上的相邻移动床热解管以错位方式排列；移动床热解管的顶端开设热解气溢出口，热解气溢出口布置在热解气汇集箱内，热解气汇集箱不与热解气溢出口接触。

进一步地，所述供热烟道包括由多个烟气折向箱上下相接形成的烟道腔体；移动床热解管的顶端以外的部分置于烟道腔体内，在烟道腔体的底部设有热烟气进口，并在进气口的内部布置烟气导流板，烟道腔体的顶部布置烟气出口；相邻烟气折向箱之间设有烟道隔板，多个烟道隔板形成往复折返结构以对烟气导向，烟道隔板上开设确保移动床热解管穿过的孔洞，移动床热解管外壁不与烟道隔板直接接触。

进一步地，所述活化炉包括活化剂分散室和多个焦炭活化室，每个活化室与热解移动床的一排移动床热解管的底端直接相连，在焦炭活化室的两侧开设活化剂喷口，各侧活化剂喷口与活化剂分散室直接相连，活化剂分散室上还设有活化剂入口。本发明生物质多联产系统让生物质原料在热解移动床内依次经历深度干燥、预炭化、深度热解、活化、冷却等过程，连续的将生物质转化为焦炭产品，同时通过可以连续运转的冷凝净化方式，分离出重质焦油、轻质焦油、醋液等生物油产品，以及可燃气。通过特殊的外部供热方式，可使生物质原料均匀受热，保证产品品质的优良及稳定性。通过适度的活化方式，可以获得不同应用目的的焦炭产品。

具体地讲，本发明相比现有技术的优点在于：

1.本系统采用了长径比很大的移动床，生物质在移动床内可以更快的吸收热量并热解，大幅缩短了生产所需时间，达到了连续性生产的要求；

2.在热解过程中，主要依靠生物质原料自身的重力移动实现生产的连续，在高温热解区没有复杂的机械运行装置，系统连续运行可靠性高；

3.采用分级冷凝的方式，让重质焦油和轻质焦油在可以顺畅流动的温度下冷凝，在冷凝过程中避免了焦油堵塞冷凝管道，进一步提升系统连续性运行的可靠性；

4.采用高温烟气高速冲刷的方式进行外部供热，热量利用效率高；

5.生产规模通过增减移动床热解管的数目即可，技术适用性广，规模易于控制；

6.通过严格控制冷凝单元的温度区间，分级得到不同的液体产物，进一步提升液体产物的利用价值，减少了二次污染引发的可能性；

7.进一步地，本系统热解单元中设有余热烘干炉，将多处产生的余热用于物料的烘干，有效利用焦炭冷却释放的热量，能源利用率高；以及活化炉，通过补入活化剂可以提供系统热解所需的热量，同时能够获得吸附性能更高的活性焦炭，除开生产燃料木炭还能生产用于其它用途的炭产品，提升了系统的经济性。

附图说明

图1是本发明连续式生物质移动床热解多联产系统的一种实施例的结构示意图；

图2是图1中供热烟道与热解移动床一种实施例的结构示意图；

图3是图2中A-A剖面图；

图4是图2中B-B剖面图；

图5是图4中C-C剖面图；

图6是焦炭活化炉的结构示意图；

图7是图6中D-D剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地详细说明。

本发明连续式生物质移动床热解多联产系统，包括热解单元、冷凝单元、净化单元、储气单元和加热单元，热解单元分别连接冷凝单元和加热单元，储气单元分别连接净化单元和加热单元，冷凝单元通过净化单元与储气单元管道相连；加热单元产生热量，热解单元吸收热量以将生物质热转化为炭气油产品并分离存储焦炭，冷凝单元从炭气油产品中分离出生物油与燃气并存储生物油，净化单元去除燃气中的杂质，储气单元存储去除杂质后的燃气。

图1给出本发明系统具体结构示意图，连续式生物质移动床热解多联产系统结构为：

热解单元包括依次直接相连的余热烘干炉1、给料机2、布料机3、进料仓4、热解移动床6、活化炉21、焦炭空冷室22、焦炭水冷室23和焦炭出料仓24，以及供热烟道5，热解移动床6位于供热烟道5内。为了给焦炭空冷室22供应冷却空气，可增设空气鼓风机20并与焦炭空冷室22管道。为了给焦炭水冷室供应冷水，可增设储水池26和循环水泵25，储水池26管道连接焦炭水冷室23。

热解移动床6是用于为生物质热解过程提供隔绝氧气的反应空间，目前所用的移动床截面较大，内部换热不均匀，本发明给出了一种优化结构，如图4和5所示，热解移动床6包括轴向与烟气冲刷方向（水平方向）垂直的多排移动床热解管31，在烟气冲刷方向上的相邻移动床热解管以错位方式排列。每根移动床热解管31的顶端开设热解气溢出口36。热解气溢出口36布置在热解气汇集箱35内，热解气汇集箱35不与热解气溢出口36接触，并保持足够的空间。生物质原料规整的进入热解移动床6的各个移动床热解管31中，吸收烟气冲刷传递的热量逐渐分解，并缓慢的从热解移动床6的顶部移向底部，产生的热解气则在移动床热解管31内自下而上流动，达到移动床热解管31顶部后，从热解气溢出口36进入到热解移动床6的热解气汇集箱35中，最后从热解气出口33进入到后续设备中。

供热烟道5用于为生物质热解过程提供热量，可采用高温烟气辐射、自然对流、导热等间接换热方式，本发明给出了一种优化结构，如图2和3所示，供热烟道5包括由多个烟气折向箱29纵向相连形成的烟道腔体，移动床热解管31的顶端以外的部分置于烟道腔体内，在烟道腔体的底部设有热烟气进口28，并在进气口28的通道内布置烟气导流板34。相邻烟气折向箱29之间设有烟道隔板30，多个烟道隔板30形成往复折返结构以对烟气导向。更具体地讲，烟道隔板30的一端与烟道腔体一侧壁直接连接并密封，另一端与烟道腔体另一侧壁形成足够的间隙，烟道隔板30上开设孔洞确保移动床热解管31可以通过，烟道腔体顶部布置烟气出口32。移动床热解管31的顶端以外的部分与烟道隔板30、烟气折向箱29一起形成供热烟道5，移动床热解管31外壁不与烟道隔板30直接接触，并保持足够小的间隙。热烟气经烟气进气口28中烟气导流板34的导向作用，均匀的冲刷到移动床热解管31上，再经过烟气隔板30和烟气折向箱29的导流作用，多次折返冲刷移动床热解管31，确保热量充分传递给移动床热解管31的生物质物料，并自下而上形成生物质反应的不同温度区间，散热完毕的烟气再汇集到烟气出口32，余热烟气最后送入到余热烘干炉1中用于烘干物料。

焦炭活化炉21用于对热解完毕后生物质焦炭进一步活化，以获得较好孔隙特性的活性炭，目前活化炉多为固定床，为了跟热解移动床6进行匹配，本发明给出了一种结构，如图6和7所示，焦炭活化炉21的结构为：基本工作单元为焦炭活化室37，每个活化室与热解移动床6的一排移动床热解管31的底端直接相连并密封，在焦炭活化室37的两侧开设数排活化剂喷口40，各侧所有的活化剂喷口40与活化剂分散室39直接相连并密封，活化剂分散室39上还设有活化剂入口38并密封，活化剂入口38通过。经过预热的活化剂从活化剂入口38进入到焦炭活化炉21内，经过活化剂分散室39的导流作用从各个活化剂喷口40均匀的进入焦炭活化室37中。从热解移动床6进入到焦炭活化炉21的生物焦炭温度高达600℃，与活化剂接触后，在焦炭表面发生部分燃烧作用，提升了焦炭本身的温度，实现焦炭的深度活化。

余热烘干炉1为逆流换热式滚筒换热器，给料机2可为翻斗式提料机，空气预热器18为管式换热器。焦炭空冷室22为间接换热器，焦炭在管内，空气在壳层，管外敷设换热翅片。焦炭水冷室23为间接换热器，焦炭在管内，冷却水在壳层，管外敷设换热翅片。

冷凝单元包括重质焦油冷凝塔7、重质焦油收集池8、轻质焦油冷凝塔9、轻质焦油收集池10、醋液喷淋冷凝塔11、醋液收集池12和水泵13。重质焦油冷凝塔7、轻质焦油冷凝塔9、醋液喷淋冷凝塔11依次管道连接；重质焦油冷凝塔7管道连接重质焦油收集池8，轻质焦油冷凝塔9管道连接轻质焦油收集池10，醋液喷淋冷凝塔11与醋液收集池12、水泵13依次管道相连形成循环回路。

重质焦油冷凝塔7、轻质焦油冷凝塔9可采用管壳式间接换热器。重质焦油冷凝塔7管程进口管道连接热解移动床6的热解气出口33，管程出口管道连接轻质焦油冷凝塔9的管程进口；重质焦油冷凝塔7壳程进口管道连接供热烟道5的烟气出口32，壳程出口管道连接余热烘干炉1；采用低温烟气与热解气进行间接换热，是为了让重质焦油冷凝塔7运行在150-180摄氏度，在此温度下，热解气中的重质组分在管内冷凝成可持续流动的液滴，而不造成冷凝管的堵塞，确保生产的连续性。轻质焦油冷凝塔9管程出口管道连醋液喷淋冷凝塔11入口；轻质焦油冷凝塔9壳程进口管道连接焦炭水冷室23壳程出口，从轻质焦油冷凝塔9壳程出口流出的热水可供居民使用；采用已经吸热的温水与热解气进行间接换热，是为了让轻质焦油冷凝塔9运行在80-100摄氏度，在此温度下，热解气中的轻质组分可在管内持续冷凝成液滴。

醋液喷淋冷凝塔11为一种常用的直接冷凝方式，主要包括喷头、冷凝液体的进出管道、待冷凝热解气的进出管道；热解气从冷凝塔底部向上流动，与从喷头喷出的雾化液滴接触，从而实现迅速冷却，用以大量冷凝液气体中的水分和乙酸。

净化单元采用燃气提质及过滤塔14，燃气提质及过滤塔14的进口管道连接醋液喷淋冷凝塔11的出口，出口连接储气单元的入口。燃气提质及过滤塔14可采用化工行业常用的填料塔，含杂质热解气通过填料塔的填料区，通过填料区填料的过滤、吸附等过程实现燃气中杂质的分离。

储气单元包括管道连接的引风机15和储气柜16，引风机15的入口管道连接燃气提质及过滤塔14，出口连接加热单元。

加热单元包括管道连接的空气预热器18和预燃室19，空气预热器18通过联通阀27与焦炭空冷室22管道相连。空气预热器18采用管壳换热器，管程进口管道连接鼓风机17的出口，管程出口管道连接预燃室19的空气入口，壳程进口管道连接焦炭空冷室22壳程出口，壳程出口管道连接余热烘干炉1。预燃室19采用耐火砖砌成的燃烧空腔，可采用商用气体燃烧器实现空气与气体燃料的混合燃烧。

热解移动床6的出气口与重质焦油冷凝塔7进气口之间，重质焦油冷凝塔7出气口与轻质焦油冷凝塔9之间，轻质焦油冷凝塔9出气口与醋液喷淋冷凝塔11进气口之间，均采用敷设保温层的管道连接。保温层用于防止管道散热而使液体产物冷凝停留在管道内而导致管道堵塞，可采用石英保温棉等材料。整个系统中所有管道连接处均保持密封。

本发明系统工作过程为：由给料机2将干燥好的成型原料或颗粒原料送到布料机3，经过布料机3的配送，生物质原料均匀的分配到各个移动床热解管中，生物质原料在长径比很大的热解移动床6内依靠自身的重力从上至下连续移动，供热烟道5通过高温烟气流经折返式烟道时高速冲刷的方式为热解移动床6内连续移动的物料提供热解所需热量，使物料能够连续进行深度干燥、预炭化、热解等过程。于此同时，热解产生的热解气逆着生物质物料移动方向，自下而上流动，同时将热解过程中释放的热量传递给上端的物料。外部供热的强化和内部热量的充分利用可使生物质在移动床内更快的吸收热量，进而大幅缩短生产所需时间。各个移动床热解管产生的热解气汇集在热解气汇集箱35内，经出气口进入到重质焦油冷凝塔7中。热解气出口温度为200摄氏度，重质焦油冷凝塔7运行温度为150-180摄氏度，热解气中的高冷凝点焦油在此冷凝成可以连续流动的液体并汇集到重质焦油收集池8内储藏。剩余的热解气进入到运行温度为80-100摄氏度的轻质焦油冷凝塔9，轻质焦油在此冷凝，并由轻质焦油收集池10储藏。热解气再进入到运行温度为环境温度的醋液喷淋塔11中，通过循环醋液的喷雾产生的直接冷凝方式，使热解气中剩余的水分和小分子酸类物质冷凝，醋液进入到醋液收集池12中，冷却后可被循环泵送入醋液喷淋塔中成为冷却介质。不冷凝可燃气体进入燃气提质及过滤塔14，经过焦炭层的吸附脱除大部分杂质。可燃气再由引风机15送入储气柜16中储存。一部分燃气经过联通阀27被送入到预燃室19中，以燃烧提供生物质热解所需热量。大部分燃气则被送入到居民家中成为气体燃料。从热解移动床6中热解完毕的焦炭进入到焦炭活化炉21中，通过补入活化剂（如空气、水蒸气、二氧化碳等），可以获得更优质的活性炭等。焦炭最后经过焦炭空冷室22、焦炭水冷室23的冷却降到室温，最后通过焦炭出料仓24连续式的输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种连续式生物质移动床热解多联产系统，包括热解单元、冷凝单元、净化单元、储气单元和加热单元，热解单元分别连接冷凝单元和加热单元，储气单元分别连接净化单元和加热单元，冷凝单元通过净化单元与储气单元管道相连；加热单元产生高温烟气，热解单元通过高温烟气高速冲刷提供的热量将生物质热转化为炭气油产品并分离存储焦炭，冷凝单元从炭气油产品中分离出生物油与燃气并存储生物油，净化单元去除燃气中的杂质，储气单元存储去除杂质后的燃气。

2.根据权利要求1所述的连续式生物质移动床热解多联产系统，其特征在于，所述热解单元包括供热烟道（5），以及依次直接连通的余热烘干炉（1）、给料机（2）、布料机（3）、进料仓（4）、热解移动床（6）、活化炉（21）、焦炭空冷室（22）、焦炭水冷室（23）和焦炭出料仓（24），热解移动床（6）位于供热烟道（5）内。

3.根据权利要求2所述的连续式生物质移动床热解多联产系统，其特征在于，所述热解移动床（6）包括轴向与烟气冲刷方向垂直的多排移动床热解管（31）和热解气汇集箱（35），在烟气冲刷方向上的相邻移动床热解管以错位方式排列；移动床热解管（31）的顶端开设热解气溢出口（36），热解气溢出口（36）布置在热解气汇集箱（35）内，热解气汇集箱（35）不与热解气溢出口（36）接触。

4.根据权利要求2或3所述的连续式生物质移动床热解多联产系统，其特征在于，所述供热烟道（5）包括由多个烟气折向箱（29）上下相接形成的烟道腔体；移动床热解管（31）的顶端以外的部分置于烟道腔体内，在烟道腔体的底部设有热烟气进口（28），并在进气口（28）的内部布置烟气导流板（34），烟道腔体的顶部布置烟气出口（32）；相邻烟气折向箱（29）之间设有烟道隔板，多个烟道隔板形成往复折返结构以对烟气导向，烟道隔板（30）上开设确保移动床热解管（31）穿过的孔洞，移动床热解管（31）外壁不与烟道隔板（30）直接接触。

5.根据权利要求2或3所述的连续式生物质移动床热解多联产系统，其特征在于，所述活化炉（21）包括活化剂分散室（39）和多个焦炭活化室（37），每个活化室与热解移动床（6）的一排移动床热解管（31）的底端直接相连，在焦炭活化室（37）的两侧开设活化剂喷口（40），各侧活化剂喷口（40）与活化剂分散室（39）直接相连，活化剂分散室（39）上还设有活化剂入口（38）。

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