CN106590706A - 一种可车载的生物质热裂解液化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可车载的生物质热裂解液化系统，属于可再生能源利用技术领域。本发明的可车载的生物质热裂解液化系统，使生物质在中高温下热裂解并对热解气快速冷凝，收集热解油以及炭颗粒，剩下的不可冷凝气体除用作反应器流化载气外，还用于动力气体将生物质原料输送至反应器内，多余的不可冷凝气将投入燃烧炉以替代自备燃料，既解决不可冷凝气排放额问题又实现了一定自热功能，使系统可长期户外作业。此外系统所包含反应器及冷凝器等装置结构设计巧妙，省去外部换热装置，缩小了整体占地面积，可由一车载平台承载，在道路上行驶，一定程度上解决生物质原料运输成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种可车载的生物质热裂解液化系统，属于可再生能源利用技术领域。
背景技术
生物质热裂解液化是一种高效的能源转化技术，它在工艺上主要包含两个环节：一、生物质在中等温度(500℃左右)和较高升温速率(102-104℃/s)下发生热裂解反应，生成高温的热解气和固体炭；二、对高温的热解气快速降温，获得热解油和不可冷凝气。其中热解油有较高附加值，经进一步处理可制得生物燃油、胶黏剂等产品，可有效替代化石原料，是该技术目标产物，此外固体炭可进一步加工成活性炭，是该过程副产物。我国生物质资源储量大，开发热裂解液化技术有很好的前景。
但生物质资源具有分布零散的特点，一般情况下需要在各个村落和林场进行集中处理然后统一运输至加工中心，这对于收集和运输是一笔不小的开销；另外可利用的生物质资源多为农、林剩余物，如秸秆、木屑，这些原料密度较低，占空间，进一步增加了运输成本。这一现象严重制约着生物质热裂解液化技术的商业化推广。中国专利CN200510137113.7公开了一种移动式生物质液化系统，该系整体结构紧凑并安置于一皮卡车上，可以灵活地直接在各原料产地将其转化为液态产物，同时采用热裂解不可冷凝气体燃烧放热以提供能量，使户外工作更长久，但它的不足在于热裂解液化装置与车体并不是有机结合，生产时需要从车上卸下以便于操作。中国专利CN200910170228.4公开了一种小型移动式农林生物质快速热裂解装置，该装置由燃烧炉、进料器、快速热裂解反应器、气固分离器、气体冷凝器、气体预热器等部件组成，并由一行进机构承载，可被牵引机构拖运。但该装置所并没有针对移动式热裂解设备特点对结构做出有效改进，其关键设备反应器以及冷凝器需要外部换热装置，且额外设有静电焦油捕集装置，对于本身承载面积有限的行进机构是一种负担，使得整体体积较大，难以符合道路上行驶车辆标准。
为了使移动式热裂解液化装置适用于户外作业，还应尽量减小装置对自备燃料的依赖，同时尽量减少用电设备，使其能工作更持久，因此一定程度的自热功能是不可或缺的。中国专利CN200910098673.4公开了一种生物质自热自循环式热裂解制取液体燃料的方法及其装置，将分离下来的固体炭分别送入流化床反应器以及燃烧炉以提供热量，虽然这种方法比燃烧不可冷凝气体更显著，但其不合理之处在于固体炭返回流化床反应器不但不能燃烧生成热量，反而对热裂解过程造成负面影响。中国专利CN201410830411.3公开了一种自热型生物质流化床快速热解工艺，在给流化床反应器通入流化载气的同时加入空气，以供部分生物质燃烧，为热裂解提供能量，这种方法不需增加额外装置，使结构更简单，但其难点在于控制空气的通入量，既要提供足够热能又不可让生物质燃烧过量，此外燃烧产物对热裂解的影响也是不得不考虑的。
因此，热裂解液化关键设备的小型化以及产物合理利用以实现自热功能是实现可移动作业的前提。
发明内容
本发明目的在于提出一种可车载的生物质热裂解液化系统，使系统设备组成简单，方便于安置在车载平台上，使之具备移动以及运输功能，一定程度上解决已有技术中固定式热裂解装置原料收集难、运输成本高的问题，该系统将热解油和热解炭作为产物回收，不可冷凝气被循环利用，分别用作流化床反应器的流化载气、气动进料器喷动气体以及燃烧炉的第二燃气，使其具有自热功能，无污染物排放，降低耗电量，适用于户外作业。
本发明提出的可车载的生物质热裂解液化系统，包括双重气体进料器、套管式流化床反应器、旋风分离器、集炭箱、复合式冷凝器、缓冲罐、燃气瓶和尾气过滤器；
所述的缓冲罐的侧壁设有四个出气口，缓冲罐的底部设有排污口；
所述的双重气体进料器的下部和底部分别设有喷动气入口、出料口和流化气入口，其中的喷动气入口与所述的缓冲罐侧壁的一个出气口相连，出料口与套管式流化床反应器的进料口相连，流化气入口与缓冲罐侧壁的一个出气口相连；
所述的套管式流化床反应器内部中央为圆柱形反应区，圆柱形反应区的顶部设有热解气出口，热解气出口与旋风分离器的进气口相连，圆柱形反应区的周围为环形加热区，环形加热区与燃烧炉相连，燃烧炉上设有第一燃气入口和第二燃气入口，套管式流化床反应器的下部设有换热器，换热器上分别设有热流体入口、排烟口、载气入口和载气出口，换热器的热流体入口通过烟气管道与环形加热区相连，载气出口与圆柱形反应区底部相连；
所述的旋风分离器的底部排炭口与所述的集炭箱相连，旋风分离器的顶部气体出口与复合式冷凝器上部的热解气入口相连；
所述的复合式冷凝器中设有气液混合装置、喷淋装置、导管和蛇形冷却管，蛇形冷却管围在导管外，导管的上端与气液混合装置相连，蛇形冷却管的入水口和出水口分别设在复合式冷凝器的顶部，蛇形冷却管的入水口和出水口通过水泵与水箱相连，复合式冷凝器顶部的不可冷凝气体出口与所述的尾气过滤器的进口相连，尾气过滤器的出口通过风机与所述的缓冲罐相连，复合式冷凝器底部设有出油口和卸油口，复合式冷凝器底部的出油口通过油泵分别与气液混合装置的热解油入口和喷淋装置相连。
本发明提出的可车载的生物质热裂解液化系统，与已有的生物质热裂解液化装置相比，其优点如下：
1、本发明的生物质热裂解液化系统中，关键设备结构紧凑：其中套管式流化床反应器包含燃烧炉以及换热装置，中间无管道连接，复合式冷凝器内部设有气液混合装置、喷淋装置以及冷却，管提高了空间利用效率，使得系统整体减小，方便安置于一车载平台上，实现其移动特性；
2、本发明的生物质热裂解液化系统，以燃气燃烧代替传统的电加热，减小电能消耗，并且可通过换热装置提高热能利用率；
3、本发明的生物质热裂解液化系统，利用缓冲罐暂存生物质热裂解液化产物中不可冷凝气，使不可冷凝气分别用作输送生物质原料的动力气体以及燃烧炉第二燃气，省去了传统进料器的动力装置，同时将多余的不可冷凝气投入燃烧炉燃烧既解决了其存储问题又可减少自备燃料消耗，使可车载的生物质热裂解液化系统长期户外作业。
附图说明
图1是本发明提出的可车载的生物质热裂解液化系统的结构示意图。
图2是图1所示的可车载的生物质热裂解液化系统中套管式流化床反应器的结构示意图。
图3是图1所示的可车载的生物质热裂解液化系统中复合式冷凝器的结构示意图。
图1中，1是双重气体进料器，2是套管式流化床反应器，3是旋风分离器，4是集炭箱，5是复合式冷凝器，6是油泵，7是水泵，8是水箱，9是尾气过滤器，10是风机，11是缓冲罐，12是燃气瓶，a是喷动气入口，b是出料口，c是流化气入口，p是排炭口，q1-q4是缓冲罐的四个出气口，r是排污口；
图2中，2.1是圆柱形反应区，2.2是环形加热区，2.3是燃烧炉，2.4是换热器，2.5烟气管道，d是进料口，e是热解气出口，f是载气入口，g是排烟口，s是第一燃气入口，h是第二燃气入口，t是热流体入口，u是载气出口；
图3中，5.1是气液混合装置，5.2是喷淋装置，5.3是导管，5.4是蛇形冷却管；i是热解气入口，j是热解油入口，k是不可冷凝气体出口，l是入水口，m是出水口，n是出油口，o是卸油口。
具体实施方式
本发明提出的可车载的生物质热裂解液化系统，其结构如图1所示，包括双重气体进料器1、套管式流化床反应器2、旋风分离器3、集炭箱4、复合式冷凝器5、缓冲罐11、燃气瓶12和尾气过滤器9。
缓冲罐11的侧壁设有四个出气口q1-q4，缓冲罐1的底部设有排污口r。
双重气体进料器1的下部和底部分别设有喷动气入口a、出料口b和流化气入口c，其中的喷动气入口a与所述的缓冲罐侧壁的一个出气口相连，出料口b与套管式流化床反应器2的进料口d相连，流化气入口c与缓冲罐1侧壁的一个出气口相连。
套管式流化床反应器2的结构如图2所示，内部中央为圆柱形反应区2.1，圆柱形反应区的顶部设有热解气出口e，热解气出口e与旋风分离器3的进气口相连，圆柱形反应区2.1的周围为环形加热区2.2，环形加热区2.2与燃烧炉2.3相连，燃烧炉2.3上设有第一燃气入口s和第二燃气入口h，套管式流化床反应器2的下部设有换热器2.4，换热器2.4上分别设有热流体入口t、排烟口g、载气入口f，和载气出口u，换热器2.4的热流体入口t通过烟气管道2.5与环形加热区2.2相连，载气出口u与圆柱形反应区2.1底部相连。
旋风分离器3的底部排炭口p与所述的集炭箱4相连，旋风分离器3的顶部气体出口与复合式冷凝器5上部的热解气入口i相连；
所述的复合式冷凝器5的结构如图3所示，复合式冷凝器5中设有气液混合装置5.1、喷淋装置5.2、导管5.3和蛇形冷却管5.4，蛇形冷却管5.4围在导管5.3外，导管5.3的上端与气液混合装置5.1相连，蛇形冷却管5.4的入水口l和出水口m分别设在复合式冷凝器5的顶部，蛇形冷却管5.4的入水口l和出水口m通过水泵7与水箱8相连，复合式冷凝器5顶部的不可冷凝气体出口k与所述的尾气过滤器9的进口相连，尾气过滤器9的出口通过风机10与所述的缓冲罐11相连，复合式冷凝器5底部为设有出油口n和卸油口o，复合式冷凝器5底部的出油口n通过油泵6分别与气液混合装置5.1的热解油入口j和喷淋装置5.2相连。
以下结合附图，详细介绍本发明提出的可车载的生物质热裂解液化系统的工作流程原理和工作过程：
(1)不可冷凝气体通过载气入口f进入套管式流化床反应器2，使圆柱形反应区2.1的石英砂流化，同时在燃烧炉2.3中生成的高温烟气进入环形加热区2.2，使其中的石英砂流化，为提高热能利用率，从环形加热区排出的烟气进入换热器2.4，为即将进入圆柱形反应区2.1的不可冷凝气体预热；
(2)待圆柱形反应2.1区升温至500℃左右，预存在双重气体进料器1中的生物质微粒在喷动气体携带作用下通过进料口d进入套管式流化床反应器2，并发生热裂解生成热解气和炭颗粒；
(3)携带碳颗粒的热解气随流化载气从套管式流化床反应器2顶部的热解气出口e排出套管式流化床反应器2，进入旋风分离器3，将炭颗粒分离，存储至集炭箱4；
所述的旋风分离器3需要有保温措施，例如用石棉包裹，以确保热解气不会在其中因温降过大而冷凝；
(4)热解气和流化载气随后通过热解气入口i进入复合式冷凝器5，其中可冷凝成分液化形成热解油存储至复合式冷凝器5内部，其中的不可能冷凝成分和流化载气进入尾气过滤器9，以除去其中焦油以及水分，然后在风机10的作用下存储至缓冲罐11；
(5)缓冲罐11中的压力可维持在50kPa左右，所存储的不可冷凝气有四种用途：一：作为圆柱形反应区2.1的流化载气；二：用作喷动气体，带动生物质原料进入套管式流化床反应器2；三：用于流化生物质原料，提高原料流动性，避免架桥或堆积引发输料中断；四：用作燃料补充热量以替代自备燃料。
上述(4)复合式冷凝器5的快速降温处理包含以下几个环节：
(4-1)热解气与存储的热解油同时进入气液混合装置5.1，二者直接接触并充分混合，温度下降后，热解气中大部分可冷凝成分液化形成热解油；
(4-2)剩下的气体沿垂直向下的导管5.3进入存储的热解油的液面以下，在鼓泡作用下，热解气进一步降温，剩下的不可冷凝气进入下一道环节；
(4-3)在油泵6的作用下，存储的热解油被送往气液混合装置5.1用作冷凝液；油泵6同时将部分热解油送往喷淋装置5.2，经过喷淋装置5.2的热解油喷洒在蛇形冷却管5.4上，给热解油降温；
(4-4)蛇形冷却管5.4内有流动的循环水，将热解油中多余的热量带出。
下面结合实施例进一步详细说明本发明的内容：
选用0.355-0.5mm粒径范围的石英砂作为流化床床料，生物质原料为粉碎并晒干的落叶松颗粒，自备燃料为液化石油气。首先，利用自备燃料使燃烧炉2.3排烟温度维持在900℃上下，加热功率经计算为30kW左右，启动风机10使缓冲罐11压力达到30kPa，调节圆柱形反应区2.1内表观气速0.12m/s,同时在复合式冷凝器5内部提前加入常温热解油，并启动油泵6和水泵7，分别调节气液混合装置5.1、喷淋装置5.2内热解油流量以及循环水流量至0.5kg/s、1.5kg/s和0.5kg/s，待圆柱形反应区2.1内温度上升至450℃时启动双重气力进料器1，调节喷动气入口a、流化气入口c流量分别为2.4m3/h，同时维持缓冲罐压力恒定，将多余不可冷凝气排入燃烧炉2.3。进料1小时后，系统各个装置温度基本恒定，测量后结果见表1。
表1稳定工况下各热裂解液化系统各部位温度
经估算，套管式流化床反应器2热能利用率70％，复合式冷凝器5综合换热系数为192W/(m2·℃)，自备燃料替代率为64％；此外测得热解油产率为52％，热解炭产率为21％，与现有固定式热裂解液化系统相差不多，但该系统实现一定自热功能，有效降低了自备燃料消耗率，且复合式冷凝器传热效率较高，结构设计紧凑，降低了占地面积。
本发明的上述实施例中，复合式冷凝器中使用的气液混合装置和喷淋装置，由北京林业大学生产。
Claims (1)
1.一种可车载的生物质热裂解液化系统，其特征在于包括双重气体进料器、套管式流化床反应器、旋风分离器、集炭箱、复合式冷凝器、缓冲罐、燃气瓶和尾气过滤器；
所述的缓冲罐的侧壁设有四个出气口，缓冲罐的底部设有排污口；
所述的双重气体进料器的下部和底部分别设有喷动气入口、出料口和流化气入口，其中的喷动气入口与所述的缓冲罐侧壁的一个出气口相连，出料口与套管式流化床反应器的进料口相连，流化气入口与缓冲罐侧壁的一个出气口相连；
所述的套管式流化床反应器内部中央为圆柱形反应区，圆柱形反应区的顶部设有热解气出口，热解气出口与旋风分离器的进气口相连，圆柱形反应区的周围为环形加热区，环形加热区与燃烧炉相连，燃烧炉上设有第一燃气入口和第二燃气入口，套管式流化床反应器的下部设有换热器，换热器上分别设有热流体入口、排烟口、载气入口和载气出口，换热器的热流体入口通过烟气管道与环形加热区相连，载气出口与圆柱形反应区底部相连；
所述的旋风分离器的底部排炭口与所述的集炭箱相连，旋风分离器的顶部气体出口与复合式冷凝器上部的热解气入口相连；
所述的复合式冷凝器中设有气液混合装置、喷淋装置、导管和蛇形冷却管，蛇形冷却管围在导管外，导管的上端与气液混合装置相连，蛇形冷却管的入水口和出水口分别设在复合式冷凝器的顶部，蛇形冷却管的入水口和出水口通过水泵与水箱相连，复合式冷凝器顶部的不可冷凝气体出口与所述的尾气过滤器的进口相连，尾气过滤器的出口通过风机与所述的缓冲罐相连，复合式冷凝器底部为设有出油口和卸油口，复合式冷凝器底部的出油口通过油泵分别与气液混合装置的热解油入口和喷淋装置相连。
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