CN110194959A - 一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统。包括氮气发生器、水蒸汽发生器、微波热解反应器、冷凝器、生物油储罐、合成气缓冲罐、抽气风机、合成气储罐；氮气发生器与水蒸气发生器通过管路与微波发生器顶部的进气口连接，微波发生器顶部的出气口通过热解气管路与冷凝器连接，冷凝器底部与生物油储罐连接，冷凝器出气口通过管路与合气体缓冲罐进行连接，循环水在循环水制冷机中冷却然后通过管路流经冷凝器进行循环冷却，抽气风机连接合成气缓冲罐与合成气储罐，一部分合成气被储罐储存起来，另外一部分合成气通过管路返回微波热解反应器作为活化生物炭的气体，使得生物炭转变为活性炭。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统。
背景技术
现如今，能源问题随着人类活动增加和社会发展而变得更加严峻。石油燃料资源被公认为是最有价值的有限自然能量。由于它目前消耗率高于可再生周期，预计到2042后，在不考虑石油燃料预计增长的情况下，世界石油资源将枯竭。另外，化石燃料资源大量利用会增加有害污染物的排放量，例如，二氧化硫，氮氧化合物和二氧化碳，随即带来一系列的环境问题。石油燃料在使用过程中产生的二氧化碳等作为温室气体，会引起全球的气候变暖。化石燃料已渐渐不能满足人类的需要，急需发现可替代的新型能源，来缓解日益紧张的能源危机问题和环境污染问题。
生物质被认为是地球上最重要的可再生资源之一，全球每年的生物质总产量超过2000亿吨。在我国，生物质能资源非常广泛，它包括玉米、水稻和小麦等在内的农作物秸秆，它们在理论上总资源量每年能达到约8.2亿吨，可以收集到的资源量每年大约6.9亿吨。其中，大约3.4亿吨的农作物秸秆是可以用来能源化利用。因此，农作物秸秆生物能源的开发利用对于生物能源发展十分重要，但是，一直以来，农作物秸秆除了一部分用作农村生活所需燃料和禽畜饲料外，其他大部分都直接在田间焚烧，这不仅会造成秸秆生物能源的浪费，而且会产生严重的空气污染包括因直接燃烧所产生的温室气体二氧化碳的排放。农作物秸秆资源再利用对保护城乡生态环境具有十分重要的意义。我国国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020)里已经把“农林生物质综合开发利用”列为优先主题，同时国家林业科学与技术中长期发展规划(2006-2020)中将“生物质材料的化学资源化利用技术，生物质石油基产品替代技术”等作为重点发展内容。
另外，在我国每年产生有机废弃物的数量非常庞大。随着新技术不断发展，可再生能源产品迅速增加。世界可再生能源产量从2006年的18％增加至2013年的21％，再到2018年度的29％。生物质是天然的能源，主要来自农业农作物和废弃物，森林废弃物，人工林商品和动物排泄物。生物质能是唯一一种可再生能源，能够用于生产三种燃料：液体，固体和气体燃料。
生物质热解是一个非常复杂的化学反应过程，它主要包括分子键的断裂、异构化以及小分子聚合等反应，从而生成固相、液相和气体产物。生物质在热解过程中会受许多因素影响，一般来说，影响热解的主要因素包括热解温度、升温速率、滞留时间和原料特性。
在热解过程中存在两种加热形式，一种是传统电加热形式，另一种是微波加热形式。传统的加热机制是从目标物质的外部进行热传递，然而，微波热解是一种在物质内部通过诱导加热直接进行能量转化的加热机制，在这个过程中，物质成为热源，从而改变反应动力学和产物。传统加热机制是能量首先转化为热能，沿温度梯度从表面转移到物质核心。与传统的加热机制相比，微波在分子水平上通过直接转化诱导加热把电磁场转化为热能。由于新的加热技术的纳入，微波热解被视为绿色化学。和传统加热方法进行比较，微波加热提供了许多的优点，如：(1)微波加热内部反应快速、均匀，因为微波辐射直接将电磁能转化为分子间的热能；而传统加热技术是由外表面向颗粒物质的内部进行热传递。(2)微波加热易控制，因为它在快速启动和关闭时能瞬时响应。(3)微波辅助技术在大规模的工业应用中是可行的，因为它结构简单以及初始投资成本低。(4)微波辅助加热不需要原料研磨，因为它可以处理块状的原料。
目前生物质热解反应装置普遍存在设计过于复杂、生产成本高、经济适用性差等问题。设计一套简单工艺，不仅操作简洁而且降低生产成本。(生物质普通热解反应器存在的问题：对原料颗粒尺寸大小和水分含量要求较苛刻、传热效率差、热解产物品质较差(成分杂)、反应时间长(耗能)等)
CN20101010159906.X公开了一种利用城市污泥低温热解同时制备生物油和活性炭的方法，该反应方法在反应开始之前把原料到流化床反应器当中进行热解，反应一段时间之后，通过旋风分离捕集落下来的热解炭，这些生物炭通过落料管、回料器和返料管再返回到热解反应器进行循环，多次循环后的热解炭成为活性炭并随热解气进入陶瓷过滤器被捕集，排出的热解气冷凝回收为生物油。该方法采用流化床虽然提高了生物油的收率，但制备活性炭存在单位产品能耗相对较高、热利用效率低的问题，而且回用热解气作为活化气，活性炭产品质量难以保障。
CN201110067027.9公开了一种农作物秸秆制取木炭活性炭可燃气生物油的制作方法。将粉碎压制成型的秸秆经过热解、炭化、活化过程制作秸秆活性炭，同时热解过程产生的挥发分通过冷凝器进行冷凝回收得到生物油和可燃气。上述热解方法需要前期预处理，步骤繁琐。
CN201110185346.X公开了一种生物质热解炼制一分级定向转化的方法。采用梯度升温和分布收集的方法实现产物的定向转化。其中，水溶性热解油用于发酵，脂溶性热解油精制高品质生物油，热解渣制备活性炭或纳米二氧化硅。但这种梯度升温是一种中慢速热解，会影响生物油收率，而且水溶性热解油采用生物转化的方法，造成设备复杂、流程繁复等问题。
CN201210581881.1公开了一种废弃人造板热解多联产综合利用方法，首先将原料进行破碎、筛选等预处理得到粗料，然后把粗料送入到慢速热解器进行炭化，之后再将得到的细料送入快速热解反应器进行热解反应，反应产物经过气固分离后得到生物炭和热解蒸汽，生物炭经过活化制备活性炭，热解蒸汽经过冷凝后得到生物油和不可冷凝燃气。上述专利方法的重点是基于开发活性炭产品，生物油气更多是作为副产品，这对于开发生物质油气资源来说是极为不利的。
CN201310496029.9公开了一种微波热解制生物油和活性炭的系统，开启导向喷动流化床的微波发生器，通过床料的吸收微波迅速升温，达到热解温度，将生物质原料通过螺旋推动送入导向喷动流化床内，使生物质原料迅速受热裂解，产生热解气和部分焦炭被带出流化床,焦炭通过旋风分离器得到收集，而热解气体则进入冷凝系统，分别收集不同沸程的生物油，不可凝的热解气体，一部分作为活化气用于焦炭活化，另外一部分作为喷动气和流化气的气源，通过氮气的反复循环冷却使活性炭降温至100℃以下出料。微波反应器热解系统循环了很多气体，但是实际操作过程中步骤过于繁琐，操作不便，而且喷动流化床的设计，还设计了活性炭冷却塔，设备要求高，大大提升了成本，系统当中还使用了螺旋进料，这种进料方式，容易卡料，还会使进料轴承损坏，不利于实际生产，也没有设计温度检测系统，温度加热到多少度，也没有反馈。对合成气的处理方法是燃烧和循环，合成气的利用率太低，经济性差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，该系统可以连续进料，而且集冷凝、收集系统为一体，生物油得率高(可达到60％)、合成气品质好(主要为氢气、CO及其他小分子烃类气体组分，热值与家用天然气热值相当(达到36000KJ/Nm3))，把产物进行了有效收集与利用，设计简单，价格低廉，操作方便，具有广阔的前景。
本发明公开一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，包括氮气发生器、水蒸汽发生器、微波热解反应器、冷凝器、生物油储罐、合成气缓冲罐、抽气风机、合成气储罐；氮气发生器与水蒸气发生器通过管路与微波发生器顶部的进气口连接，微波发生器顶部的出气口通过热解气管路与冷凝器连接，冷凝器底部与生物油储罐连接，冷凝器出气口通过管路与合气体缓冲罐进行连接，循环水在循环水制冷机中冷却然后通过管路流经冷凝器进行循环冷却，抽气风机连接合成气缓冲罐与合成气储罐，一部分合成气被储罐储存起来，另外一部分合成气通过管路返回微波热解反应器作为活化生物炭的气体，使得生物炭转变为活性炭。
打开反应器顶部物料进口阀投料，投料完毕之后，关闭物料进口阀，打开氮气发生装置，给整个系统通氮气，以排出空气。打开微波发生器给微波热解反应器进行加热，当温度达到300～500℃时，大量热解气体通过反应器顶部出气口沿着管路进入冷凝器当中，进行冷凝，可凝气体冷凝为生物油，不凝气则最终进入到合成气储罐进行储存，另外一部分通过循环回到微波热解反应器当中活化生物炭。反应结束之后，打开微波热解反应器的底部卸料阀将活性炭放出、收集。如需要清洗系统内部，则只需关闭所有阀门，打开水蒸气发生器与微波反应器之间的顶部的进气口，开启水蒸气发生器，产生大量水蒸气进入系统内，系统能残留的生物油和残渣都可以在水蒸气下被洗净，再打开微波热解反应器、生物油储罐、合成气缓冲罐底部阀门把脏污排出即可。
本发明系统微波热解反应器封头上面有一个物料进口阀，物料进口阀同时作为为手孔或视镜孔，微波热解反应器底部有一个活性炭的卸料阀。微波反应器封头有3～10个微波石英窗口，每个窗口对应一个微波发生器，安装固定在微波热解反应器外部。每个微波发生器的功率在300～3000W。微波热解反应器内有一个物料的搅拌轴，微波热解反应器封头上面有一个斜齿轮减速电机，连接搅拌轴，控制搅拌速度与马力；微波热解反应器封头上还有一个测压表、一个泄压阀、一个合成气出气口、一个氮气/水蒸气进气口。微波热解反应器底部和侧面各有一个测温口，插入热电偶测温管。微波热解反应器外部有一层保温层。保温层填料为岩棉。冷凝器采用多级冷凝，冷凝方式为冷却液冷凝，控制温度在1～10℃。每个冷凝器下方连接一个生物油储罐，生物油储罐都配有液位计；合成气缓冲罐采用多级缓冲。抽风机连接在合成气缓冲罐与合成气储罐之间，合成气储罐是用于储存合成气。
微波反应器所热解的物料为木质纤维类农林废弃物，为秸秆、稻壳、醋糟、或杨木颗粒等。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1：整套系统设计简单、成本低廉、操控性能高，工艺简约而且达到了生物油、活性炭、合成气产品的生产与收集，配备水蒸气发生器，方便清洗反应器、冷凝器、缓冲罐、储罐以及管路当中的残留污渍。
2：微波反应器内设置搅拌轴，在微波加热时，可使受热均匀，防止局部温度过高，热解反应充分均匀，消除微波反应器底部“死区”的出现及颗粒成团等问题。
3：微波反应器底部和侧壁设置了温度检测，可以有效进行温度检测，从而控制微波发生器的加热功率。
4：在热解时会产生大量的热解气体，其中可凝气体已经通过冷凝器冷凝下来，不可凝气主要成分是H2和CO，一部分通过气体储罐进行收集、另外一部分通过管路循环回到微波反应器当中活化活性炭。使用微波反应器制备的活性炭产品具有品质高、稳定性好等优点。合成气的利用也达到了最大化。
5：微波反应器所制得的生物油收率高(可高达60％)、合成气品质好(合成气主要成分中30％为氢气、30％为一氧化碳，以及一些甲烷、乙炔等短链烃类气体，其热值达到36000KJ/Nm3；与家用天然气的热值相当)。整套工艺简约，使用的设备少，达到的效果好，能耗低，有良好的工业价值。
目前生物质热解反应装置普遍存在设计过于复杂、生产成本高、经济适用性差等问题。设计一套简单工艺，不仅操作简洁而且降低生产成本。生物质普通热解反应器存在的问题：对原料颗粒尺寸大小和水分含量要求较苛刻、传热效率差、热解产物品质较差(成分杂)、反应时间长(耗能)等。
附图说明
图1微波热解生物质制生物油、活性炭和合成气的系统。
其中A氮气发生器；B水蒸气发生器；C物料进口阀(手孔、视镜孔)；D微波发生器；E斜齿轮减速电机；F搅拌轴；G1、2热电偶测温管；H卸料阀；I热解气管路；J1、2、3多级冷凝器；K1、2、3生物油储罐；M1、2、3生物油储罐底阀；N、循坏水制冷机；L，S，R合成气管路；O1、2、3合成气缓冲罐；P1、2、3合成气缓冲罐底阀；Q抽气风机；T合成气储罐；U微波反应器填料岩棉。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明方案进行详细说明，但是本发明不受下述实施例的限制。
本发明的微波热解生物质制生物油、活性炭和合成气的系统的操作方法如下：在反应开始之前，通过物料进口阀C进行投料，关闭阀门，打开氮气发生器A，给整个系统进行排气处理，关闭氮气发生器A，开启微波热解反应器的微波发生器D，打开微波热解反应器顶部的斜齿减速电机E使得在系统加热的同时，可以使用搅拌器F进行搅拌，可以通过热电偶测温管G1、G2来进行测温反馈到PLC控制器，来控制微波发生器的功率，当温度上升到300～500℃，打开热解气管路I通道，让热解气通过三级冷凝器J1、2、3，使得生物油被收集到生物油储罐K1、2、3，之后不凝气体通过合成气管路L到达缓冲罐O1、2、3，然后通过抽气风机Q，一部分合成气送入到合成气储罐T进行储存，另外一部分通过合成气管路R回到微波反应器进行活化生物炭用。当反应停止结束，可以把活性炭通过反应器底部物料出口阀H将活性炭取出。如需要清洗系统反应器、冷凝器、储罐、缓冲罐、管路，则只需要打开水蒸气发生器，使得高温水蒸气通入到这个系统当中，进行清洗残留物质。在清洗之后可以打开反应器物料出口阀H、生物油储罐卸料阀M1、2、3和合成气缓冲罐P1、2、3排出脏污。
实施例1
在反应开始之前，通过物料进口阀C进行投料(50KG杨木颗粒)，关闭阀门，打开氮气发生器A，给整个系统进行排气处理，关闭氮气发生器A，开启微波反应器当中的微波发生器D(3个微波发生器每个微波发生器功率1500W)和斜齿减速电机E，使得在系统加热的同时，可以使用搅拌器F进行搅拌，可以通过热电偶测温管G1、2来进行测温反馈到PLC控制器，来控制微波发生器的功率，当温度上升到450℃，打开热解气管路I通道，让热解气通过三级冷凝器J1、2、3(冷凝器中循环水温度温度为5℃)，使得热解气被冷凝生成生物油(生物油得率为75％)，随后被收集到生物油储罐K1、2、3，之后不凝气体通过合成气管路L(产率为10％)到达缓冲罐O1、2、3，然后通过抽气风机Q。一部分合成气送入到合成气储罐T进行储存，另外一部分通过合成气管路R回到微波反应器进行活化生物炭用(活化气体流量为0.05L/min，活化时间为20min)。当反应停止结束，可以把活性炭通过反应器底部物料出口阀H将活性炭(产率为15％、活性炭比表面积3800m2/g、孔容2.4cm3/g)取出。如需要清洗系统反应器、冷凝器、储罐、缓冲罐、管路，则只需要打开水蒸气发生器，使得高温水蒸气通入到这个系统当中，进行清洗残留物质。在清洗之后可以打开反应器物料出口阀H、生物油储罐卸料阀M1、2、3和合成气缓冲罐P1、2、3排出脏污。
Claims (10)
1.一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，所述系统包括氮气发生器、水蒸汽发生器、微波热解反应器、冷凝器、生物油储罐、合成气缓冲罐、抽气风机、合成气储罐；氮气发生器与水蒸气发生器通过管路与微波发生器顶部的进气口连接，微波发生器顶部的出气口通过热解气管路与冷凝器连接，冷凝器底部与生物油储罐连接，冷凝器出气口通过管路与合气体缓冲罐进行连接，循环水在循环水制冷机中冷却然后通过管路流经冷凝器进行循环冷却，抽气风机连接合成气缓冲罐与合成气储罐，一部分合成气被储罐储存起来，另外一部分合成气通过管路返回微波热解反应器作为活化生物炭的气体，使得生物炭转变为活性炭。
2.如权利要求1所述的一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，打开反应器顶部物料进口阀投料，投料完毕之后，关闭物料进口阀，打开氮气发生装置，给整个系统通氮气，以排出空气；打开微波发生器给微波热解反应器进行加热，当温度达到300～500℃时，大量热解气体通过反应器顶部出气口沿着管路进入冷凝器当中，进行冷凝，可凝气体冷凝为生物油，不凝气则最终进入到合成气储罐进行储存，另外一部分通过循环回到微波热解反应器当中活化生物炭；反应结束之后，打开微波热解反应器的底部卸料阀将活性炭放出、收集；如需要清洗系统内部，则只需关闭所有阀门，打开水蒸气发生器与微波反应器之间的顶部的进气口，开启水蒸气发生器，产生大量水蒸气进入系统内，系统能残留的生物油和残渣都可以在水蒸气下被洗净，再打开微波热解反应器、生物油储罐、合成气缓冲罐底部阀门把脏污排出即可。
3.如权利要求1所述的一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，微波热解反应器封头上面有一个物料进口阀，物料进口阀同时作为为手孔或视镜孔，微波热解反应器底部有一个活性炭的卸料阀。
4.如权利要求1所述的一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，微波反应器封头有3～10个微波石英窗口，每个窗口对应一个微波发生器，安装固定在微波热解反应器外部，每个微波发生器的功率在300～3000W。
5.如权利要求1所述的一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，微波热解反应器内有一个物料的搅拌轴，微波热解反应器封头上面有一个斜齿轮减速电机，连接搅拌轴，控制搅拌速度与马力。
6.如权利要求1所述的一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，微波热解反应器封头上还有一个测压表、一个泄压阀、一个合成气出气口、一个氮气/水蒸气进气口。
7.如权利要求1所述的一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，微波热解反应器底部和侧面各有一个测温口，插入热电偶测温管，微波热解反应器外部有一层保温层。保温层填料为岩棉。
8.如权利要求1所述的一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，冷凝器采用多级冷凝，冷凝方式为冷却液冷凝，控制温度在1～10℃。每个冷凝器下方连接一个生物油储罐，生物油储罐都配有液位计。
9.如权利要求1所述的一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，合成气缓冲罐采用多级缓冲；抽风机连接在合成气缓冲罐与合成气储罐之间，合成气储罐是用于储存合成气。
10.如权利要求1所述的一种微波热解制生物油、活性炭和合成气的系统，其特征在于，微波反应器所热解的物料为木质纤维类农林废弃物。
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