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CN105733627B - 一种生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统 - Google Patents

一种生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其包括生物质快速热解设备、生物油重整分离设备、原油精炼设备和燃煤锅炉设备，生物质快速热解设备用于将生物质进行快速热解以产生液态生物油以及少量不凝结气体产物和固体含碳灰渣；液态生物油重整分离设备用于将液态生物油进行化学物理分离得到液态生物原油和固体生物炭；原油精炼设备用于将液态生物原油进行精炼以制取化工原料或高热值能源产品；燃煤锅炉设备用于实现固体含碳灰渣、不凝结气体产物和固体生物炭的能源化利用。本发明将生物质高效制取生物油与燃煤锅炉有机耦合，实现高低能量的互补利用，实现了生物质资源和能源的梯级利用。

Description

一种生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统
技术领域
本发明属于能源利用领域，更具体地，涉及一种生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统。
背景技术
生物质热解技术是指在没有氧气或低氧的条件下进行的生物质的降解，当其在中温下快速热解时，主要产物为生物油，还有少量CO、CO2、CH4和H2等。
目前工业利用生物质的方式之一为利用生物质热解产生的生物油和煤进行混烧发电。但是生物油的利用存在以下问题：首先，生物油的含氧量较大，在存储过程中极易发生化学反应，阻碍了生物油的利用，且由于氧含量较大，导致其热值较低，严重限制了生物油的掺烧比例，且掺烧会大大降低锅炉效率；其次，热解所得生物油含灰量较大，掺烧过程会严重降低锅炉效率，且会引起锅炉受热面结渣和腐蚀等问题；再次，液态生物油和煤混烧需要对原有电厂系统进行改造，进行双燃料管路设计，成本较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其将生物质高效制取生物油与燃煤锅炉有机耦合，实现高低品位能量的互补利用，为生物质的高效资源化能源和综合利用提供一条技术途径，实现了生物质资源和能源的梯级利用。
为实现上述目的，本发明提出了一种生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其特征在于，该系统包括生物质快速热解设备、生物油重整分离设备、原油精炼设备和燃煤锅炉设备，其中：
所述生物质快速热解设备用于将生物质进行快速热解以产生液态生物油以及不凝结气体产物和固体含碳灰渣；
所述液态生物油重整分离设备用于将液态生物油进行化学物理分离得到液态生物原油和固体生物炭；
所述原油精炼设备用于将液态生物原油进行精炼以制取化工原料或高热值能源产品；
所述燃煤锅炉设备用于实现固体含碳灰渣、不凝结气体产物和固体生物炭的能源化利用。
作为进一步优选的，所述生物质快速热解设备包括生物质料仓、快速热解炉和生物油收集装置，其中，所述生物质料仓向所述快速热解炉输送生物质原料，该生物质原料在快速热解炉中进行快速热解反应产生热解产物和固体含碳灰渣，所述热解产物通过生物油收集装置进行冷凝得到液态生物油及不凝结气体产物；所述液态生物油送入液态生物油重整分离设备进行重整分离，所述不凝结气体产物直接送往所述燃煤锅炉设备中进行燃烧放热，所述固体含碳灰渣与煤粉磨制后共同送往燃煤锅炉设备中进行燃烧放热。
作为进一步优选的，所述快速热解反应的温度保持在460℃-820℃；所述生物质快速热解设备还包括空气分离装置，该空气分离装置通过分离空气为快速热解炉提供热解反应所需的氧气。
作为进一步优选的，所述生物油收集装置中设置有省煤器和氧气加热器，其中，所述省煤器设于生物油收集装置的上部，其作为高温换热器吸收热解产物中的热量，以用来预热锅炉给水；所述氧气加热器设于生物油收集装置的下部，其作为低温换热器进一步吸收热解产物中的热量，以用来加热热解反应所需的氧气。
作为进一步优选的，所述液态生物油重整分离设备包括加压油泵、油加热器、生物油慢速裂解炉和逆流过滤器，所述液态生物油经加压油泵和油加热器加压加热之后在所述生物油慢速裂解炉中发生中温慢速裂解反应，裂解获得生物炭与生物原油的混合物以及重油产物，所述重油产物送入燃煤锅炉设备中进行收集以作为锅炉点火或稳燃燃料，所述混合物通过所述逆流过滤器进行过滤分离，分离得到固体生物炭和液态生物原油，所述固体生物炭和煤粉混合磨制后共同送往燃煤锅炉设备进行燃烧放热，所述液态生物原油送往原油精炼设备进行原油精炼。
作为进一步优选的，所述中温慢速裂解反应的压力为50kpa-5000kpa，温度为200℃-600℃。
作为进一步优选的，所述原油精炼设备将液态生物原油经分离、转化、提纯和混合后，获得化工原料或高热值能源产品以及重油产物和固体油渣，所述重油产物送入燃煤锅炉设备中进行收集，所述固体油渣和煤粉混合磨制后共同送往燃煤锅炉设备进行燃烧放热。
作为进一步优选的，所述燃煤锅炉设备包括油罐、锅炉和磨煤机，所述油罐用于收集生物油重整分离设备和原油精炼设备产生的重油产物，并将重油产物送往锅炉作为锅炉的点火或稳燃燃料；所述磨煤机用于将煤与生物质快速裂解设备产生的固体含碳灰渣、生物油重整分离设备产生的固体生物炭以及原油精炼设备产生的固体油渣进行混合磨制，然后共同进入锅炉进行燃烧放热。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将热解所得的生物油先通过一个生物油重整分离设备获得生物质原油和生物炭，生物原油用于代替石油进行精炼获得高附加值化工原料和高热值能源产品，因固体生物炭和燃煤性质相当，可直接与煤粉混合后通入炉膛进行燃烧发电，无需对电站锅炉原有设备进行改造，在未增加电厂成本的情况下，充分利用生物质能源，减少了燃煤的使用，降低了污染物和碳的排放，大大降低了生物质混烧的成本。
2.本发明的生物油收集装置中的两级换热器的设计充分利用热解产物中携带的热量来预热锅炉给水和加热快速热解炉所需的氧气，达到能量的综合循环利用，大大提高系统整体的能源利用效率。
3.本发明的生物质热解设备产生的灰渣，生物油重整分离设备产生的固体生物炭和原油精炼设备产生的固体油渣均送往锅炉和煤进行混合燃烧放热，原油精炼和生物油分离过程中产生的重油产物作为锅炉系统的稳燃燃料，生物质热解设备产生的少量不凝结气体产物送往锅炉炉膛燃烧放热，将生物质高效制取生物油与燃煤锅炉有机耦合，实现高低品味能量的互补利用，达到了生物质的高效资源化能源和综合利用。
4.本发明的生物油重整分离设备分离所得的生物原油含氧量极低，易于存储，更是精炼化学制品的最佳原材料，其高品质可以有效降低原油精炼的成本，同时提高生物质的利用率，减少对化石燃料石油的依赖。
附图说明
图1是本发明的生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的基本原理是将经过前期处理的生物质送入生物质快速热解设备，在中温低氧条件下发生生物质的热解，经生物油收集装置冷凝后终产物以生物油为主；所得生物油经生物油重整分离设备在加压条件下进行慢速裂解，通过物理分离后的最终产物为固体生物炭和液态生物原油；生物原油经原油精炼系统进行一系列的分离、转化、提纯和混合，最终产物为丁烷等高附加值化工原料，或汽油、柴油等高热值能源产品；生物油重整分离设备或生物原油精炼设备分离的重油或重质柴油，作为锅炉点火或稳燃的燃料；生物质热解设备产生的固体含碳残渣、生物油重整分离设备产生的生物炭以及原油精炼设备产生的油渣，与煤混合磨制作为燃料在锅炉炉膛内燃烧放热；生物质热解设备产生少量不凝结气体产物直接送入锅炉炉膛燃烧放热，用于加热锅炉给水，产生水蒸汽供热或发电。
如图1所示，本发明实施例提供的一种生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，该系统主要包括生物质快速热解设备A、生物油重整分离设备B、原油精炼设备C和燃煤锅炉设备D，其中，生物质快速热解设备A用于将生物质进行快速热解以产生液态生物油以及少量不凝结气体产物和固体含碳灰渣；液态生物油重整分离设备B用于将液态生物油进行化学物理分离得到液态生物原油和固体生物炭；原油精炼设备C用于将液态生物原油转化为化工原料或高热值能源产品；燃煤锅炉设备D用于实现固体含碳灰渣、不凝结气体产物和固体生物炭的能源化利用。本发明通过上述各个设备的相互配合，利用生物质热解产生的生物油经过慢速裂解制取生物原油，生物原油用来代替石油进行原油精炼以获得丁烷等高附加值化工原料和汽油、柴油等高热值能源产品，同时将生物质高值利用过程中产生的少量气体和部分重油产物送往炉膛燃烧放热，产生的灰渣、油渣等低热值产品与煤混合磨制，共同作为锅炉燃料，有效降低原油精炼的成本，提高了生物质的利用率，减少了对化石燃料石油的依赖。
下面将具体对各个设备进行详细的说明和描述。
生物质快速热解设备A，其利用快速热解炉实现农林废弃物如秸秆、稻谷壳、棉杆、树皮、木屑、树木等生物质的中温快速热解，其包括生物质料仓1、快速热解炉2和生物油收集装置3，其中，生物质料仓1向快速热解炉2输送生物质原料，该生物质原料在快速热解炉2的流化床中进行快速热解反应产生热解产物和固体含碳灰渣，热解产物通过生物油收集装置3进行冷凝得到液态生物油及不凝结气体产物；液态生物油送入液态生物油重整分离设备B进行重整分离，热解产生的不凝结气体产物直接送往燃煤锅炉设备D中进行燃烧放热，固体含碳灰渣与煤粉经磨煤机13磨制后共同送往燃煤锅炉设备D的锅炉中进行燃烧放热。其中，快速热解反应的温度保持在460℃-820℃，氧气的供给量需保证能够提供热解所需温度条件，氧气与燃料的最佳化学当量比为0.1-0.3。
为了提供快速热解反应所需的氧气，生物质快速热解设备A还设置有空气分离装置6，该空气分离装置6通过分离空气为快速热解炉2提供热解反应所需的氧气。
为了充分利用较高温度的热解产物的热量，生物油收集装置3中设置有省煤器4和氧气加热器5，其中，省煤器4设于生物油收集装置3的上部，其作为高温换热器吸收热解产物中的热量，以用来预热锅炉给水，替代锅炉一级省煤器；氧气加热器5设于生物油收集装置3的下部，其作为低温换热器进一步吸收热解产物中的热量，以用来加热热解反应所需的氧气，达到能量的综合利用。
液态生物油重整分离设备B，其主要包括加压油泵7、油加热器14、生物油慢速裂解炉8和逆流过滤器9，加压油泵7用于将液态生物油进行加压并送入油加热器14进行加热，加压加热后的液态生物油送入生物油慢速裂解炉8中进行中温慢速裂解反应，裂解产物为生物炭和生物原油的混合物以及少量重油产物，混合物包括固体生物炭和液态生物原油，重油产物送入燃煤锅炉设备D的油罐11中进行收集以作为锅炉点火或稳燃燃料，其余产物通过逆流过滤器9进行过滤分离，分离得到固体生物炭和液态生物原油，具体的，慢速裂解炉8产生的生物原油和生物炭的混合物从顶部进入逆流过滤器9，同时甲苯从底部进入逆流过滤器9，从而将慢速裂解炉8产生的生物原油和生物炭的混合物进行彻底的分离。固体生物炭经磨煤机13和煤粉混合磨制后共同送往燃煤锅炉设备D的锅炉中进行燃烧放热，液态生物原油用来代替石油送往原油精炼设备C进行原油精炼。具体的，中温慢速裂解反应的压力为50kpa-5000kpa，温度为200℃-600℃，裂解所需的压力条件由加压泵7提供，裂解所需温度条件由锅炉系统的高温蒸汽通过油加热器14提供。
原油精炼设备C，其用于将液态生物原油经一系列的分离、转化、提纯和混合后，最终获得产物为丁烷等高附加值化工原料，或者汽油、柴油等高热值能源产品。精炼过程中产生的重油产物由锅炉设备的油罐11收集，进一步和生物油重整分离设备产生的重油产物一同送往锅炉作为锅炉的点火或稳燃燃料；精炼过程中产生的固体油渣经磨煤机13与煤粉混合磨制后共同送往燃煤锅炉设备D的锅炉中进行燃烧放热。
燃煤锅炉设备D，其用于将生物质高值利用过程中产生的低值产品能源化利用，其主要包括油罐11、锅炉12和磨煤机13，油罐11用于收集生物油重整分离设备B和原油精炼设备C产生的重油产物，并将重油产物送往锅炉12作为锅炉的点火或稳燃燃料；磨煤机13用于将煤与生物质快速裂解设备A产生的固体含碳灰渣、生物油重整分离设备B产生的固体生物炭以及原油精炼设备C产生的固体油渣进行在其入口进行混合磨制，然后共同进入锅炉12进行燃烧放热。
以下为本发明的实施例。
本实施例以300MW发电机组1024t/h燃煤锅炉与生物质快速热解制取生物油耦合系统为对象，生物质消耗量为15t/h。本系统在运行时，生物质原料采用含水量为45％的玉米秸，经破碎干燥后粒径为4mm，水分含量为20％，加入生物质快速热解炉2，热解温度为500℃，氧气与燃料的化学当量比为0.2，主要产物为生物油，得到的生物油进入生物油慢速裂解炉，分离反应温度为380℃，压力为500Kpa，经过进一步的物理分离得到生物炭和含灰量为0.01％的生物原油，低灰的生物原油送往原油精炼设备；生物质热解设备产生的固体含碳残渣，生物油重整分离设备产生的生物炭以及原油精炼设备产生的油渣，与煤混合后经磨煤机进入锅炉炉膛进行燃烧发电；生物油重整分离设备或生物原油精炼设备分离的重油或重质柴油，作为锅炉点火的燃料；生物质热解设备产生少量不凝结气体产物直接送入锅炉炉膛燃烧放热，最终锅炉效率可达93％。
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 (7)

1.一种生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其特征在于，该系统包括生物质快速热解设备(A)、液态生物油重整分离设备(B)、原油精炼设备(C)和燃煤锅炉设备(D)，其中：
所述生物质快速热解设备(A)用于将生物质进行快速热解以产生液态生物油以及不凝结气体产物和固体含碳灰渣；
所述液态生物油重整分离设备(B)用于将液态生物油进行化学物理分离得到液态生物原油和固体生物炭，其包括加压油泵(7)、油加热器(14)、生物油慢速裂解炉(8)和逆流过滤器(9)，液态生物油经加压油泵(7)和油加热器(14)加压加热之后在所述生物油慢速裂解炉(8)中发生中温慢速裂解反应，裂解获得生物炭与生物石油的混合物以及重油产物，所述重油产物送入燃煤锅炉设备(D)中进行收集以作为锅炉点火或稳燃燃料，所述混合物通过所述逆流过滤器(9)进行过滤分离，分离得到固体生物炭和液态生物原油，所述固体生物炭和煤粉混合磨制后共同送往燃煤锅炉设备(D)进行燃烧放热，所述液态生物原油送往原油精炼设备(C)进行原油精炼；
所述原油精炼设备(C)用于将液态生物原油进行精炼以制取化工原料或高热值能源产品；
所述燃煤锅炉设备(D)用于实现固体含碳灰渣、不凝结气体产物和固体生物炭的能源化利用。
2.如权利要求1所述的生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其特征在于，所述生物质快速热解设备(A)包括生物质料仓(1)、快速热解炉(2)和生物油收集装置(3)，其中，所述生物质料仓(1)向所述快速热解炉(2)输送生物质原料，该生物质原料在快速热解炉(2)中进行快速热解反应产生热解产物和固体含碳灰渣，所述热解产物通过生物油收集装置(3)进行冷凝得到液态生物油及不凝结气体产物；所述液态生物油送入液态生物油重整分离设备(B)进行重整分离，所述不凝结气体产物直接送往所述燃煤锅炉设备(D)中进行燃烧放热，所述固体含碳灰渣与煤粉磨制后共同送往燃煤锅炉设备(D)中进行燃烧放热。
3.如权利要求2所述的生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其特征在于，所述快速热解反应的温度保持在460℃-820℃；所述生物质快速热解设备(A)还包括空气分离装置(6)，该空气分离装置(6)通过分离空气为快速热解炉(2)提供热解反应所需的氧气。
4.如权利要求2所述的生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其特征在于，所述生物油收集装置(3)中设置有省煤器(4)和氧气加热器(5)，其中，所述省煤器(4)设于生物油收集装置(3)的上部，其作为高温换热器吸收热解产物中的热量，以用来预热锅炉给水；所述氧气加热器(5)设于生物油收集装置(3)的下部，其作为低温换热器进一步吸收热解产物中的热量，以用来加热热解反应所需的氧气。
5.如权利要求1所述的生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其特征在于，所述中温慢速裂解反应的压力为50kpa-5000kpa，温度为200℃-600℃。
6.如权利要求1所述的生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其特征在于，所述原油精炼设备(C)将液态生物原油经分离、转化、提纯和混合后，获得化工原料或高热值能源产品以及重油产物和固体油渣，所述重油产物送入燃煤锅炉设备(D)中进行收集，所述固体油渣和煤粉混合磨制后共同送往燃煤锅炉设备(D)进行燃烧放热。
7.如权利要求1所述的生物质快速热解与燃煤锅炉耦合系统，其特征在于，所述燃煤锅炉设备(D)包括油罐(11)、锅炉(12)和磨煤机(13)，所述油罐(11)用于收集液态生物油重整分离设备(B)和原油精炼设备(C)产生的重油产物，并将重油产物送往锅炉(12)作为锅炉的点火或稳燃燃料；所述磨煤机(13)用于将煤与生物质快速裂解设备(A)产生的固体含碳灰渣、液态生物油重整分离设备(B)产生的固体生物炭以及原油精炼设备(C)产生的固体油渣进行混合磨制，然后共同进入锅炉(12)进行燃烧放热。
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