CN104479719B - 移动式秸秆热解制备液体燃料的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动式秸秆热解制备燃料油的装置和方法。该装置包括斜板式收集器(1)、生物质粉碎器(2)、干燥器(3)、缓冲储存罐(4)、生物质热解反应器(5)、产物气旋风分离器(6)、旋转式除尘器(7)、冷凝器(8)、产物回料器(9)、烟气回料器(10)、烟气旋风分离器(11)、尾气处理装置(12)、产物油储罐(13)、集成式电子前端控制器(14)、给料及载气供给器(15)等单元。该装置系统装载在移动车上，开到田间地头，将生物质就地转化为便于运输的生物油，具体如下：秸秆在自热式反应器内快速热解(500‑600℃)生成热解蒸气，热解蒸气经除尘与冷凝，可获得高品质的生物油。本发明为生物质低成本制备燃料油提供了一条有效途径。

Description

移动式秸秆热解制备液体燃料的装置与方法

技术领域

本发明属于生物质热解领域，涉及移动中进行生物质热解的方法与装置。

背景技术

为实现可持续发展，自2000以来，我国政府一直大力投资可再生能源，竭力降低对煤炭资源的依赖。2011年中国成为可再生能源利用规模最大的国家，而生物质能源由于其独特的优点，展现出良好的应用前景。据中国农业科学院估算，我国秸秆产量位居世界第一，占全球秸秆总产量的18.83％。但秸秆利用存在着运输收集成本高，资源本身能量密度低的问题，因此目前大部分秸秆被废弃或在田间地头直接焚烧，这不仅造成了能源的浪费，也在一定程度上造成了如雾霾等环境污染问题。

国内外已有不少关注生物质转化为燃油的研究。但是已有的大多数的研究成果均在不同程度上具有结构复杂，占地面积广，机动性差，不够灵活等问题，难以实现未来的市场化应用，且在一些关键技术(油蒸气如何快速冷凝、如何快速除灰、热量如何高效自给等)上还没有完全突破。

因此，设计一种移动式秸秆热解制备液体燃料装置，将生物质就地转化为易运输的液体燃料及各种副产品，充分利用秸秆资源，提高可再生能源的利用效率，需求十分迫切。

发明内容

技术问题：目前技术仅能将秸秆用固定的或是移动性能较差的设备热解得到液体燃料，且得到的液体燃料所含杂质较多。该类过程存在处理周期长、设备占地面广、运输成本及投资成本高等缺点。亟需开发处理周期短，具有良好移动性能，能够制备纯度更高的液体燃料的新技术。

技术方案：为实现上述发明目的，使用的技术方案如下：采用由燃烧器和热解器嵌套使用的反应器催化热解生物质，冷凝热解产生的可冷凝有蒸气制备液体燃料。该过程可以在移动装置上实现，结构紧凑，工艺简单，处理周期短。秸秆在一个反应器内完成热解，并且不可冷凝蒸气可循环利用，产物气与烟气皆可回料入反应器，实现了能源与物料的最大化利用。

本发明的移动式秸秆热解制备液体燃料的装置包括：

秸秆收集与前端处理系统I，用于从农田中收集经过初期收割的秸秆，同时对秸秆进行粉碎及干燥预处理；

秸秆热解及产物分离收集系统II，用来对秸秆收集与前端处理系统I处理后的秸秆颗粒进行热解，对生成的产物气进行除尘与冷凝处理，最终得到液体燃料；

移动式车载系统III，用于搭载秸秆收集与前端处理系统I及秸秆热解及产物分离收集系统II，并实现移动功能，从而使装置具有良好的移动性；

其中：

秸秆收集与前端处理系统I包括顺序串联连接的斜板式收集器、粉碎机、干燥器、缓冲储存罐，其中斜板式收集器在伸开时向下倾斜，达到能与地面接触的长度；

秸秆热解及产物分离收集系统II包括热解反应器、产物气旋风分离器、旋转式除尘器、冷凝器、产物回料器、烟气旋风分离器、烟气回料器、尾气处理装置、产物储存罐、集成式电子前端控制器、给料及载气供给器，其中给料及载气供给器的入口与缓冲储存罐的出口相连，热解反应器的入料口与给料及载气供给器的出口相连，热解反应器的产物气出口与产物气旋风分离器相连，产物气旋风分离器产物气出口与旋转式除尘器相连，旋转式除尘器出口与冷凝器相连，冷凝器产物出口与产物储存罐相连，产物储存罐下部的取油口即为液体燃料出口，产物储存罐的上出口为不可冷凝气体出口；产物气旋风分离器下出口与产物回料器相连；热解反应器烟气出口与烟气旋风分离器相连，烟气旋风分离器上出口与尾气处理装置相连，烟气旋风分离器下出口与烟气回料器相连，烟气回料器出口与热解反应器的烟气回料口相连，集成式电子前端控制器分别控制斜板式收集器、粉碎机、干燥器、热解反应器、旋转式除尘器、冷凝器、尾气处理装置。

所述的热解反应器分为燃烧床和热解床，反应器内设置连接燃烧床和热解床的导向管，导向管插入燃烧床内，在燃烧床底部导向管开槽，燃烧床与导向管形成环隙料腿；热解床出口设置产物气旋分离器，其与产物回料器之间的立管在运行时形成颗粒密封，防止燃烧气和热解气互串。

所述的旋转式除尘器外形为圆柱体，内部由下至上布满细小的通道，在电机的带动下旋转，当热解气进入旋转式除尘器的细小通道时，由于力的作用，灰尘下落，经底部斗清除出除尘器，热解气从上出口离开旋转式除尘器。

移动式车载系统III是一个车辆搭载装置，由车轮及轴支撑起底盘，底盘上搭载秸秆收集与前端处理系统I与秸秆热解及产物分离收集系统II的各部件，其中底盘的前端连接板体可伸缩的斜板式收集器，板体伸开后，向下方倾斜至能与地面接触的长度。

本发明的移动式秸秆热解制备液体燃料的方法为：

将秸秆等生物质在惰性床料作用下置于热解反应器中进行快速加热升温至500-600℃热解生成热解蒸气，产物气经除尘与冷凝，可获得高品质的生物油，烟气中夹带的颗粒分离后全部返回燃烧床，实现循环利用；具体包括如下步骤：

首先，由秸秆收集与前端处理系统I处理好的秸秆颗粒加入至给料及载气供给器，由载气带动秸秆颗粒，将其从底部加入热解反应器，在常压、温度为500-600℃和惰性床料作用下进行热解；产物气经热解反应器产物气出口通向产物气旋风分离器，产物气旋风分离器出来的气体经旋转式除尘器除尘，产物气夹带的颗粒被进一步除去，再经冷凝器冷凝得到液体燃料，流向产物储存罐中作为生物油储存，并可在下部的取油开口处取得；不可冷凝气体进入一部分进入给料及载气供给器用作载气，一部分可再次进入热解反应器中利用；产物气中夹带的床料和焦炭固相物质化被分离进入产物回料器，然后被回料至热解反应器；

烟气经热解反应器烟气出口通向烟气旋风分离器，经过旋风分离器的除尘去除大部分颗粒后，气体由上出口进入尾气处理装置，颗粒物质经由下出口进入烟气回料器，最终返回燃烧床实现循环利用；

集成式电子前端控制器控制斜板式收集器的板体伸缩、粉碎机、旋转式除尘器的电机开关与转速，以及干燥器、热解反应器、冷凝器、尾气处理装置中气体、液体物质的流速、温度、压强及成分的变化情况。

有益效果：本发明的装置和方法具有以下特色及优点：利用燃烧区嵌套热解区特殊结构反应器，实现了紧凑结构的目的。秸秆解热转化为液体燃料，并且实现了不可冷凝产物气和高温惰性材料的循环利用。由于结构紧凑且简单，为其移动性带来了便利，搭载在移动式车载系统上后，能够实现秸秆的就地收集与转化，有效缩短了生产周期，降低了运输成本。而产物气与高温惰性材料的循环利用有效降低了产物气中氮气的含量，同时减少了原料浪费。

附图说明

图1是本发明的移动式秸秆热解制备液体燃料的方法和装置的示意图，其中有：

斜板式收集器1、粉碎机2、干燥器3、缓冲储存罐4、热解反应器5、产物气旋风分离器6、旋转式除尘器7、冷凝器8、产物回料器9、烟气旋风分离器10、烟气回料器11、尾气处理装置12、产物储存罐13、集成式电子前端控制器14、给料及载气供给器15。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明提供了一种移动式秸秆热解制备液体燃料的方法和装置。该方法包括如下步骤：首先秸秆由斜板式收集器收集并粉碎处理，干燥后进入缓冲储存罐，均匀地经载气带动由热解反应器底部进入反应器热解，生成的产物气分为可冷凝蒸气和不可冷凝蒸气，可冷凝蒸气经过旋转式除尘器除尘后进入冷凝管，经历冷凝后得到液体燃料；不可冷凝的蒸气一部分进入给料及载气供给器后作为载气使用，一部分再次进入反应器中循环利用。燃烧区的高温惰性材料、产物回料及烟气回料均实现循环利用，同时烟气的热量进入干燥器用以干燥秸秆颗粒。该装置包括斜板式收集器、粉碎机、干燥器、缓冲储存罐、热解反应器、产物气旋风分离器、旋转式除尘器、冷凝器、产物回料器、烟气旋风分离器、烟气回料器、尾气处理装置、产物储存罐、集成式电子前端控制器、给料及载气供给器。

本发明提供了一种移动式秸秆热解制备液体燃料的方法和装置。该方法包括如下步骤：首先秸秆由斜板式收集器收集并粉碎处理，干燥后进入缓冲储存罐，均匀地经载气带动由热解反应器底部进入反应器热解，生成的产物气分为可冷凝蒸气和不可冷凝蒸气，可冷凝蒸气经过旋转式除尘器除尘后进入冷凝管，经历冷凝后得到液体燃料；不可冷凝的蒸气一部分进入给料及载气供给器后作为载气使用，一部分再次进入反应器中循环利用。燃烧区的高温惰性材料、产物回料及烟气回料均实现循环利用，同时烟气的热量进入干燥器用以干燥秸秆颗粒。该方法包括秸秆收集与前端处理系统，秸秆热解及产物分离收集系统及移动式车载系统。在斜板式收集器、粉碎机、干燥器、缓冲储存罐、热解反应器、产物气旋风分离器、旋转式除尘器、冷凝器、产物回料器、烟气旋风分离器、烟气回料器、尾气处理装置、产物储存罐、集成式电子前端控制器、给料及载气供给器等一整套装置上实现。

所述的秸秆收集与前端处理系统I由斜板式收集器、粉碎机、干燥器、缓冲储存罐组成，秸秆原料由斜板式收集器收集后进过粉碎机处理成秸秆颗粒，通过干燥器去除其中包含的水分，最后储存在缓冲储存器中。以备秸秆热解及产物分离收集系统II利用。

秸秆热解及产物分离收集系统II由热解反应器、产物气旋风分离器、旋转式除尘器、冷凝器、产物回料器、烟气旋风分离器、烟气回料器、尾气处理装置、产物储存罐、集成式电子前端控制器、给料及载气供给器组成。秸秆颗粒在反应器中热解，生成的产物气分为可冷凝蒸气和不可冷凝蒸气，可冷凝蒸气经过旋转式除尘器除尘后进入冷凝管，经历冷凝后得到液体燃料；不可冷凝的蒸气一部分进入给料及载气供给器后作为载气使用，一部分再次进入反应器中循环利用。实现了能源与物料的最大化利用。

参见图1，所述的本发明提供的移动式秸秆热解制备液体燃料的方法和装置。

秸秆收集与前端处理系统I，用于将田间地头的秸秆收集并粉碎除水后储存，作为热解原料的供给；

秸秆热解及产物分离收集系统II，用来将秸秆收集与前端处理系统I储存的秸秆原料进行热解制备液体燃料；

移动式车载系统III用于搭载秸秆收集与前端处理系统I和秸秆热解及产物分离收集系统II，实现移动性。

首先秸秆由斜板式收集器收集并粉碎处理，干燥后进入缓冲储存罐，在载气带动下均匀地由反应器底部加入，在550℃，常压和超高加热速率下热解生成蒸气，经过除尘后，冷凝蒸气，液体燃料流入产物储存罐。不可冷凝的蒸气一部分进入给料及载气供给器后作为载气使用，一部分再次进入反应器中循环利用。高温惰性材料利用颗粒循环将燃烧区的热量传递到中间的热解区，产物，烟气中的剩余的可用料，皆通过旋风分离器与回料器再次进入热解反应器。

秸秆收集与前端处理系统I包括斜板式收集器1、粉碎机2、干燥器3、缓冲储存罐4，其中斜板式收集器1与粉碎机2相连，粉碎机2出口与干燥器3相连，干燥器3出口与缓冲储存罐4相连；

秸秆收集与前端处理系统I包括斜板式收集器1、粉碎机2、干燥器3、缓冲储存罐4，其中斜板式收集器1下端与地面接触，斜板式收集器1上出口与粉碎器2相连，粉碎器2出口与干燥器3相连，干燥器3出口与缓冲储存罐4相连；

秸秆热解及产物分离收集系统II包括热解反应器5、产物气旋风分离器6、旋转式除尘器7、冷凝器8、产物回料器9、烟气旋风分离器10、烟气回料器11、尾气处理装置12、产物储存罐13、集成式电子前端控制器14、给料及载气供给器15，其中给料及载气供给器15的入口与缓冲储存罐4的出口相连，热解反应器5的入料口与给料及载气供给器15相连，热解反应器5的产物气出口与产物气旋风分离器6相连，产物气旋风分离器6产物气出口与旋转式除尘器7相连，旋转式除尘器7出口与冷凝器8相连，冷凝器8产物出口与产物储存罐13相连，产物储存罐13的取油口即为液体燃料出口，产物储存罐13的上出口为不可冷凝气体出口；产物气旋风分离器6下出口与产物回料器9相连；热解反应器5烟气出口与烟气旋风分离器10相连，烟气旋风分离器10上出口与尾气处理装置12相连，烟气旋风分离器10下出口与烟气回料器11相连，烟气回料器11出口与热解反应器5的烟气回料口相连，集成式电子前端控制器14与斜板式收集器1、粉碎机2、干燥器3、热解反应器5、旋转式除尘器7、冷凝器8、尾气处理装置12相连；

移动式车载系统III包括车轮、轴、底盘、外接车辆挂接口、动力装置，其中车轮、轴、底盘组装成移动小车，与外接车辆挂接口及动力装置相连。

秸秆热解及产物分离收集系统II，压力为常压，超高加热速率，超短产物停留时间，适中温度。

本发明还提供了一种移动式秸秆热解制备液体燃料的方法，该方法包括如下步骤：首先将秸秆收集处理，然后对其热解，除尘后冷凝可冷凝蒸气制备液体燃料，然后将不可冷凝蒸气循环当作进料载气或通入反应器循环利用。

该方法包括如下步骤：首先秸秆由斜板式收集器收集并粉碎处理，干燥后进入缓冲储存罐，在载气带动下均匀地由反应器底部加入，在550℃，常压和超高加热速率下热解生成蒸气，经过气旋分离和除尘后，冷凝有机蒸气，液体燃料流入产物储存罐。不可冷凝蒸气一部分用作载气，一部分通回热解反应器实现循环利用。包围着热解区的燃烧区的高温惰性材料通过颗粒循环将燃烧区的热量传递到中间的热解区。

产物气旋分离器分离出来的产物回料流入产物回料器，全部返回燃烧区再循环利用。

烟气旋风分离器分离出来的产物回料流入产物回料器，全部返回燃烧区再循环利用，分离出来的尾气可以热量传递至干燥器用以干燥秸秆。

本实例中秸秆原料可经移动式收集装置直接从田地上采集，自前端初步处理后粉碎为直径为3cm的秸秆颗粒，再经干燥处理后进入缓冲储存罐，在载气带动下进入热解反应器：在550℃，常压和超高加热速率下热解生成蒸气，残余半焦和惰性床料在热解床中惯性分离，再次进入燃烧床中形成颗粒内循环；热解蒸气经旋转式除尘器除尘后冷凝，液体燃料进入产物储存罐；秸秆颗粒热解产生的不可冷凝的蒸气，一部分进入给料及载气供给器中作为载气使用，另一部分通入热解反应器实现循环利用，产物气、烟气中的剩余可用料，均通过各自的回料器再次进入热解反应器，通过上述过程就实现整个热解过程的循环利用。再将整套热解设备合理地放置在移动性良好的采集车上，极大地增强了装备的实用性。

上述方法仅为本发明的较理想实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种移动式秸秆热解制备液体燃料的装置，其特征在于：该装置包括：

秸秆收集与前端处理系统I，用于从农田中收集经过初期收割的秸秆，同时对秸秆进行粉碎及干燥预处理；

秸秆热解及产物分离收集系统II，用来对秸秆收集与前端处理系统I处理后的秸秆颗粒进行热解，对生成的产物气进行除尘与冷凝处理，最终得到液体燃料；

移动式车载系统III，用于搭载秸秆收集与前端处理系统I及秸秆热解及产物分离收集系统II，并实现移动功能，从而使装置具有良好的移动性；

其中：

秸秆收集与前端处理系统I包括顺序串联连接的斜板式收集器(1)、粉碎机(2)、干燥器(3)、缓冲储存罐(4)，其中斜板式收集器(1)在伸开时向下倾斜，达到能与地面接触的长度；

秸秆热解及产物分离收集系统II包括热解反应器(5)、产物气旋风分离器(6)、旋转式除尘器(7)、冷凝器(8)、产物回料器(9)、烟气旋风分离器(10)、烟气回料器(11)、尾气处理装置(12)、产物储存罐(13)、集成式电子前端控制器(14)、给料及载气供给器(15)，其中给料及载气供给器(15)的入口与缓冲储存罐(4)的出口相连，热解反应器(5)的入料口与给料及载气供给器(15)的出口相连，热解反应器(5)的产物气出口与产物气旋风分离器(6)相连，产物气旋风分离器(6)产物气出口与旋转式除尘器(7)相连，旋转式除尘器(7)出口与冷凝器(8)相连，冷凝器(8)产物出口与产物储存罐(13)相连，产物储存罐(13)下部的取油口即为液体燃料出口，产物储存罐(13)的上出口为不可冷凝气体出口；产物气旋风分离器(6)下出口与产物回料器(9)相连；热解反应器(5)烟气出口与烟气旋风分离器(10)相连，烟气旋风分离器(10)上出口与尾气处理装置(12)相连，烟气旋风分离器(10)下出口与烟气回料器(11)相连，烟气回料器(11)出口与热解反应器(5)的烟气回料口相连，集成式电子前端控制器(14)分别控制斜板式收集器(1)、粉碎机(2)、干燥器(3)、热解反应器(5)、旋转式除尘器(7)、冷凝器(8)、尾气处理装置(12)；

所述的热解反应器(5)分为燃烧床和热解床，反应器内设置连接燃烧床和热解床的导向管，导向管插入燃烧床内，在燃烧床底部导向管开槽，燃烧床与导向管形成环隙料腿；热解床出口设置产物气旋凤分离器(6)，其与产物回料器(9)之间的立管在运行时形成颗粒密封，防止燃烧气和热解气互串；

所述的旋转式除尘器(7)外形为圆柱体，内部由下至上布满细小的通道，在电机的带动下旋转，当热解气进入旋转式除尘器(7)的细小通道时，由于力的作用，灰尘下落，经底部斗清除出除尘器，热解气从上出口离开旋转式除尘器(7)；

移动式车载系统III是一个车辆搭载装置，由车轮及轴支撑起底盘，底盘上搭载秸秆收集与前端处理系统I与秸秆热解及产物分离收集系统II的各部件，其中底盘的前端连接板体可伸缩的斜板式收集器(1)，板体伸开后，向下方倾斜至能与地面接触的长度。

2.一种如权利要求1所述的移动式秸秆热解制备液体燃料的装置的秸秆热解制备方法，其特征在于，该方法将秸秆等生物质在惰性床料作用下置于热解反应器中进行快速加热升温至500-600℃热解生成热解蒸气，产物气经除尘与冷凝，可获得高品质的生物油，烟气中夹带的颗粒分离后全部返回燃烧床，实现循环利用；具体包括如下步骤：

首先，由秸秆收集与前端处理系统I处理好的秸秆颗粒加入至给料及载气供给器(15)，由载气带动秸秆颗粒，将其从底部加入热解反应器(5)，在常压、温度为500-600℃和惰性床料作用下进行热解；产物气经热解反应器(5)产物气出口通向产物气旋风分离器(6)，产物气旋风分离器(6)出来的气体经旋转式除尘器(7)除尘，产物气夹带的颗粒被进一步除去，再经冷凝器(8)冷凝得到液体燃料，流向产物储存罐(13)中作为生物油储存，并可在下部的取油开口处取得；不可冷凝气体进入一部分进入给料及载气供给器(15)用作载气，一部分可再次进入热解反应器(5)中利用；产物气中夹带的床料和焦炭固相物质化被分离进入产物回料器(9)，然后被回料至热解反应器(5)；

烟气经热解反应器(5)烟气出口通向烟气旋风分离器(10)，经过旋风分离器的除尘去除大部分颗粒后，气体由上出口进入尾气处理装置(12)，颗粒物质经由下出口进入烟气回料器(11)，最终返回燃烧床实现循环利用；

集成式电子前端控制器(14)控制斜板式收集器(1)的板体伸缩、粉碎机(2)、旋转式除尘器(7)的电机开关与转速，以及干燥器(3)、热解反应器(5)、冷凝器(8)、尾气处理装置(12)中气体、液体物质的流速、温度、压强及成分的变化情况。