CN111676036B - 一种生物质热解反应器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物质热解反应器及其工作方法，生物质热解反应器包括由上至下依次布置的热解产物输送段、反应物与产物分离段、环流热解反应段和热载气进口段；热解产物输送段用于将热解油气产品快速引出生物质热解反应器；反应物与产物分离段用于降低表观气速，将热解产物与未反应完全的生物质高效、快速分离；环流热解反应段设置有导流筒、导流区、环隙区、生物质给料口和返料段，用于生物质和热载气的总体有序循环，即热载气和大颗粒生物质在环流热解反应段内定向流动，并形成多次环流。本发明有效改善生物质与热载气的流动环境，保证生物质和热载气的混合、换热行为，实现生物质的充分热解，减弱热解油气二次裂解反应，提高热解油气收率。
Description
技术领域
本发明涉及能源领域，具体涉及一种生物质热解反应器及其工作方法。
背景技术
在我国，随着农林业的大力发展，每年有大量的农业废弃物（如秸秆、 稻壳等）及大量的林业废弃物（木屑）。基于燃烧效率高、洁净、方便的气体燃料如石油液化气等的需求量不断增加，合理利用秸秆等生物质，将其高效地转化为可利用的洁净的燃料，是国民生产的迫切需求。
生物质热解是指在隔绝空气或供给少量空气的条件下，通过热化学转换，将生物质转变成为木炭、液体和气体等低分子物质的过程。热解可以获得燃料油、木焦油、木煤气、木炭等产物。控制热解中相应的条件（主要是反应温度、升温速率、停留时间）参数，可以得到不同的热解产品。生物质热解技术能够以较低的成本、连续化生产工艺，将常规方法难以处理的低能量密度的生物质转化为高能量密度的气、液、固产物，减少了生物质的体积，便于储存和运输，同时还能从生物油中提取高附加值的化学品。
中国专利申请公开号CN107903924A公开了一种上行蓄热式粉煤快速热解反应系统及方法，该系统包括上行蓄热式热解炉、旋风分离器、半焦冷凝器和油气冷凝器，上行蓄热式热解炉包括炉体和辐射管，通过辐射管对煤料进行加热。其不足之处在于：（1）热解炉内煤粉与辐射管接触、换热，煤粉热解生成产物半焦和油气。产物半焦及油气易粘附、堆积在辐射管表面上，影响辐射管的传热效果以及使用寿命；（2）该装置的煤粉颗粒从热解炉底部进料，自上而下热解得到热解产物，产物在提升气体的作用下输送至热解炉顶部，因此该装置的热解炉为典型的上行床，煤粉颗粒在其内停留时间短，不利于大颗粒煤粉的充分热解；（3）热解炉内设置多根辐射管，使得整个装置的结构复杂、操作繁琐，能耗较高。
中国专利公告号CN105238426B公开了一种可拆卸板式间接加热煤热解装置，该装置采用换热板加热煤料进行热解，其不足之处在于：（1）煤热解过程中会产生焦油、粉尘等物质沾污换热板，导致换热板的换热效率降低，增加了定期清理的频率，同时换热板长期在气固两相较高温度下工作，增加了换热板局部零部件的检测与更换频率；（2）多根换热板装填在热解室内，占据了煤粉热解空间，影响了装置的处理能力。
中国专利公开号CN209619268U公开了一种装填内构件的热解炉，该装置通过在炉体内设置多个相互平行的热解墙加热煤料进行热解，其不足之处在于：（1）热解墙均设置在炉体底部，不利于炉膛上部煤料的吸热，整个系统传热效率低；（2）炉体上部采用松煤装置仅仅避免了上部煤层对下部煤层的挤压，但煤层内的空隙依然很小，不利于煤料的吸热，难以保证煤料的充分热解。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的生物质热解反应器，以解决不同温度的热载气和颗粒混合、换热不均匀，生物质在反应器内停留时间短，热解不充分，热解产物收率低，且热解油气二次裂解严重的问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种生物质热解反应器，其特征是，包括由上至下依次布置的热解产物输送段、反应物与产物分离段、环流热解反应段和热载气进口段，所述热解产物输送段、反应物与产物分离段、环流热解反应段和热载气进口段依次相连通；所述反应物与产物分离段与所述热解产物输送段同轴布置；所述环流热解反应段设置有导流筒、导流区、环隙区、生物质给料口和返料段，所述生物质给料口位于所述环流热解反应段的两侧，所述导流筒与所述环流热解反应段同轴布置，所述导流区位于所述导流筒的内部，所述环隙区位于所述导流筒与所述环流热解反应段之间的环隙空间，所述导流筒上设置有开孔，所述开孔连通所述导流区和所述环隙区的内部空间，所述返料段与所述环流热解反应段的下端连接；所述热载气进口段用于将高温热载气送入至所述导流区内，所述热载气进口段与所述返料段的下端相连通，且热载气进口段与所述返料段同轴布置，所述热载气进口段设置有气体分布器和热载气进口，所述气体分布器包括热载气主进口管和热载气分进口管，所述热载气主进口管与所述热载气分进口管垂直布置，且热载气主进口管与所述热载气分进口管相贯通，所述热载气分进口管上设有多个热载气出口管；所述热载气进口位于所述气体分布器的两端，并与所述热载气主进口管相连；所述热载气进口段的直径小于所述导流筒的直径，所述热载气主进口管的直径大于或等于所述热载气进口的直径。
进一步的，所述热解产物输送段用于将热解油气产品快速引出所述生物质热解反应器，并减弱热解油气二次裂解反应；所述热解产物输送段的高度为所述环流热解反应段的高度的10~50%；所述热解产物输送段的直径为所述环流热解反应段的直径的10~30%。
进一步的，所述反应物与产物分离段用于降低表观气速，将热解产物与未反应完全的反应物（指“生物质”）高效、快速分离，并使热解产物迅速流入所述热解产物输送段；所述反应物与产物分离段的高度为所述环流热解反应段的高度的10~50%；所述反应物与产物分离段与所述环流热解反应段的轴线夹角范围为30~60°。
进一步的，所述环流热解反应段内通过增加所述导流筒，将热解反应区分为所述导流区和所述环隙区，改善热载气与生物质的流动环境，强化热载气与生物质的混合、换热行为，增大生物质在环流热解反应段内停留时间，实现生物质充分热解，提高热解油气收率。
进一步的，所述开孔可为三角形或正方形，所述三角形的开孔的边长为所述导流筒的直径的0.01-0.2倍，所述三角形的开孔的总面积为导流筒的表面积的0.01-0.5倍；所述正方形的开孔的边长为所述导流筒的直径的0.01-0.2倍，所述正方形的开孔的总面积为导流筒的表面积的0.01-0.5倍。
进一步的，所述导流筒的直径为所述环流热解反应段的直径的0.5~0.8倍；所述导流筒的高度为所述环流热解反应段的高度的80~120%。
进一步的，所述生物质给料口的高度为所述环流热解反应段的高度的10~50%；所述生物质给料口与所述环流热解反应段的轴线夹角范围为10~90°。
进一步的，所述返料段用于储藏未反应完全的生物质以及由生物质给料口输送进入环隙区的生物质；所述返料段的锥体角度为30~60°。
进一步的，所述热载气分进口管的直径为所述热载气主进口管的直径的30~80%，所述热载气分进口管的数量为3~11个。
进一步的，所述热载气出口管的直径为所述热载气分进口管的直径的10~50%；所述热载气出口管的高度小于所述气体分布器的上端与所述返料段的下端之间的间距；单根所述热载气分进口管上的热载气出口管的数量为6~20个。
所述的生物质热解反应器的工作方法，其特征是，过程如下：常温大颗粒生物质由生物质给料口输送到环隙区内，并沿环隙区向下进入返料段内；高温热载气由热载气进口依次通过气体分布器的热载气主进口管、热载气分进口管、热载气出口管输送至导流筒的导流区内；热载气出口管上的高温热载气用于提升来自环隙区上生物质给料口的大颗粒生物质，并使得热载气和大颗粒生物质沿导流区向上流动；未反应完全的生物质沿环隙区向下流动，并与来自导流筒上开孔的热载气进行混合，热载气和大颗粒生物质在环流热解反应段内定向流动，并形成多次环流，有效保证热载气和生物质的均匀混合、换热，同时增大生物质在环流热解反应段内的停留时间，提高热解油气收率。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
本发明通过在环流热解反应段内设置导流装置，即导流筒，将环流热解反应段分为导流区和环隙区，靠导流筒的引导，形成气固混合物（指“热载气和大颗粒生物质”）的总体有序循环。通过在热载气进口段的气体分布器上通入高温热载气，用于提升来自环隙区生物质给料口的大颗粒生物质，并使得热载气和大颗粒生物质沿导流区向上流动至导流筒的顶部；进一步，未反应完全的生物质沿环隙区向下流动，并与来自导流筒上开孔的热载气进行混合，从而实现热载气和大颗粒生物质在环流热解反应段内定向流动，并形成多次环流，有效保证热载气和生物质的均匀混合、换热，同时增大生物质的停留时间，提高了热解油气收率。
本发明通过将环流热解反应段上部的反应物与产物分离段扩径的方式降低热载气的表观气速，强化未反应完全的反应物与热解产物的分级行为，使热解产物与未反应的反应物高效、快速分离，有效保证了热解产物迅速流入热解产物输送段。
本发明通过将热解反应器上部的热解产物输送段缩径的方式迅速提高热载气的表观气速，强化反应物与产物分离段内分级完成后浮在床层上部生物炭颗粒的输送，并且可以减小热解油气的停留时间，减弱热解油气的二次裂解反应。
本发明结构设计简单、操作方便，容易实现规模生产，节省投资（设备、驱动部件及基础），同时对生物质种类的适应性强，无论对于稻草秸秆、木屑、棕均可适应。
附图说明
图1是本发明实施例中生物质热解反应器的立体结构示意图。
图2是本发明实施例中生物质热解反应器的主视结构示意图。
图3是本发明实施例中三角形开孔的导流筒的主视结构示意图。
图4是本发明实施例中正方形开孔的导流筒的主视结构示意图。
图5是本发明实施例中正方形开孔交错排布的导流筒的主视结构示意图。
图6是本发明实施例中热载气进口段的主视结构示意图。
图7是本发明实施例中热载气进口段的俯视结构示意图。
图中：热载气进口段1、环流热解反应段2、反应物与产物分离段3、热解产物输送段4、气体分布器5、热载气进口6、生物质给料口7、导流筒8、导流区9、环隙区10、开孔11、返料段12、热载气主进口管13、热载气分进口管14、热载气出口管15。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例：
参见图1至图7，本实施例中，一种生物质热解反应器，包括由上至下依次布置的热解产物输送段4、反应物与产物分离段3、环流热解反应段2和热载气进口段1，热解产物输送段4、反应物与产物分离段3、环流热解反应段2和热载气进口段1依次相连通。
本实施例中，热解产物输送段4用于将热解油气产品快速引出生物质热解反应器，并减弱热解油气二次裂解反应；热解产物输送段4的高度为环流热解反应段2的高度的10%；热解产物输送段4的直径为环流热解反应段2的直径的10%。
反应物与产物分离段3用于降低表观气速，将热解产物与未反应完全的反应物（指“生物质”）高效、快速分离，并使热解产物迅速流入热解产物输送段4；反应物与产物分离段3与热解产物输送段4同轴布置。
本实施例中，反应物与产物分离段3的高度为环流热解反应段2的高度的10%；反应物与产物分离段3与环流热解反应段2的轴线夹角范围为60°。
环流热解反应段2设置有导流筒8、导流区9、环隙区10、生物质给料口7和返料段12，生物质给料口7位于环流热解反应段2的两侧。
环流热解反应段2内通过增加导流筒8，将热解反应区分为导流区9和环隙区10，改善热载气与生物质的流动环境，强化热载气与生物质的混合、换热行为，增大生物质在环流热解反应段2内停留时间，实现生物质充分热解，提高热解油气收率。
导流筒8与环流热解反应段2同轴布置，导流区9位于导流筒8的内部，环隙区10位于导流筒8与环流热解反应段2之间的环隙空间，导流筒8上设置有开孔11，开孔11连通导流区9和环隙区10的内部空间，返料段12与环流热解反应段2的下端连接。
本实施例中，开孔11可为多个三角形或正方形，三角形的开孔11的边长为导流筒8的直径的0.1倍，三角形的开孔11的总面积为导流筒8的表面积的0.1倍；正方形的开孔11的边长为导流筒8的直径的0.2倍，正方形的开孔11的总面积为导流筒8的表面积的0.2倍。
本实施例中，导流筒8的直径为环流热解反应段2的直径的0.8倍；导流筒8的高度为环流热解反应段2的高度的120%。
本实施例中，生物质给料口7的高度为环流热解反应段2的高度的30%；生物质给料口7与环流热解反应段2的轴线夹角范围为30°。
本实施例中，返料段12用于储藏未反应完全的生物质以及由生物质给料口7输送进入环隙区10的生物质；返料段12的锥体角度为30。
热载气进口段1用于将高温热载气送入至导流区9内，热载气进口段1与返料段12的下端相连通，且热载气进口段1与返料段12同轴布置，热载气进口段1设置有气体分布器5和热载气进口6，气体分布器5包括热载气主进口管13和热载气分进口管14，热载气主进口管13与热载气分进口管14垂直布置，且热载气主进口管13与热载气分进口管14相贯通，热载气分进口管14上设有多个热载气出口管15。
热载气进口6位于气体分布器5的两端，并与热载气主进口管13相连；热载气进口段1的直径小于导流筒8的直径，热载气主进口管13的直径大于或等于热载气进口6的直径。
本实施例中，热载气分进口管14的直径为热载气主进口管13的直径的80%，热载气分进口管14的数量为11个。
热载气出口管15的直径为热载气分进口管14的直径的50%；图7中从左至右热载气分进口管14上的热载气出口管15的数量分别为6、8、10、10、12、12、12、10、10、8、6个。
生物质热解反应器的工作方法，过程如下：常温大颗粒生物质由生物质给料口7输送到环隙区10内，并沿环隙区10向下进入返料段12内；高温热载气由热载气进口6依次通过气体分布器5的热载气主进口管13、热载气分进口管14、热载气出口管15输送至导流筒8的导流区9内；热载气出口管15上的高温热载气用于提升来自环隙区10上生物质给料口7的大颗粒生物质，并使得热载气和大颗粒生物质沿导流区9向上流动；未反应完全的生物质沿环隙区10向下流动，并与来自导流筒8上开孔11的热载气进行混合，热载气和大颗粒生物质在环流热解反应段2内定向流动，并形成多次环流，有效保证热载气和生物质的均匀混合、换热，同时增大生物质在环流热解反应段2内的停留时间，提高热解油气收率。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种生物质热解反应器，其特征是，包括由上至下依次布置的热解产物输送段（4）、反应物与产物分离段（3）、环流热解反应段（2）和热载气进口段（1），所述热解产物输送段（4）、反应物与产物分离段（3）、环流热解反应段（2）和热载气进口段（1）依次相连通；所述反应物与产物分离段（3）与所述热解产物输送段（4）同轴布置；所述环流热解反应段（2）设置有导流筒（8）、导流区（9）、环隙区（10）、生物质给料口（7）和返料段（12），所述生物质给料口（7）位于所述环流热解反应段（2）的两侧，所述导流筒（8）与所述环流热解反应段（2）同轴布置，所述导流区（9）位于所述导流筒（8）的内部，所述环隙区（10）位于所述导流筒（8）与所述环流热解反应段（2）之间的环隙空间，所述导流筒（8）上设置有开孔（11），所述开孔（11）连通所述导流区（9）和所述环隙区（10）的内部空间，所述返料段（12）与所述环流热解反应段（2）的下端连接；所述热载气进口段（1）用于将高温热载气送入至所述导流区（9）内，所述热载气进口段（1）与所述返料段（12）的下端相连通，且热载气进口段（1）与所述返料段（12）同轴布置，所述热载气进口段（1）设置有气体分布器（5）和热载气进口（6），所述气体分布器（5）包括热载气主进口管（13）和热载气分进口管（14），所述热载气主进口管（13）与所述热载气分进口管（14）垂直布置，且热载气主进口管（13）与所述热载气分进口管（14）相贯通，所述热载气分进口管（14）上设有多个热载气出口管（15）；所述热载气进口（6）位于所述气体分布器（5）的两端，并与所述热载气主进口管（13）相连；所述热载气进口段（1）的直径小于所述导流筒（8）的直径，所述热载气主进口管（13）的直径大于或等于所述热载气进口（6）的直径；所述热载气分进口管（14）的数量为3~11个；单根所述热载气分进口管（14）上的热载气出口管（15）的数量为6~20个。
2.根据权利要求1所述的生物质热解反应器，其特征是，所述热解产物输送段（4）用于将热解油气产品快速引出所述生物质热解反应器，并减弱热解油气二次裂解反应；所述热解产物输送段（4）的高度为所述环流热解反应段（2）的高度的10~50%；所述热解产物输送段（4）的直径为所述环流热解反应段（2）的直径的10~30%。
3.根据权利要求1所述的生物质热解反应器，其特征是，所述反应物与产物分离段（3）用于降低表观气速，将热解产物与未反应完全的反应物高效、快速分离，并使热解产物迅速流入所述热解产物输送段（4）；所述反应物与产物分离段（3）的高度为所述环流热解反应段（2）的高度的10~50%；所述反应物与产物分离段（3）与所述环流热解反应段（2）的轴线夹角范围为30~60°。
4.根据权利要求1所述的生物质热解反应器，其特征是，所述开孔（11）为三角形或正方形，所述三角形的开孔（11）的边长为所述导流筒（8）的直径的0.01-0.2倍，所述三角形的开孔（11）的总面积为导流筒（8）的表面积的0.01-0.5倍；所述正方形的开孔（11）的边长为所述导流筒（8）的直径的0.01-0.2倍，所述正方形的开孔（11）的总面积为导流筒（8）的表面积的0.01-0.5倍。
5.根据权利要求1所述的生物质热解反应器，其特征是，所述导流筒（8）的直径为所述环流热解反应段（2）的直径的0.5~0.8倍；所述导流筒（8）的高度为所述环流热解反应段（2）的高度的80~120%。
6.根据权利要求1所述的生物质热解反应器，其特征是，所述生物质给料口（7）的高度为所述环流热解反应段（2）的高度的10~50%；所述生物质给料口（7）与所述环流热解反应段（2）的轴线夹角范围为10~90°。
7.根据权利要求1所述的生物质热解反应器，其特征是，所述返料段（12）用于储藏未反应完全的生物质以及由生物质给料口（7）输送进入环隙区（10）的生物质；所述返料段（12）的锥体角度为30~60°。
8.根据权利要求1所述的生物质热解反应器，其特征是，所述热载气分进口管（14）的直径为所述热载气主进口管（13）的直径的30~80%。
9.根据权利要求1所述的生物质热解反应器，其特征是，所述热载气出口管（15）的直径为所述热载气分进口管（14）的直径的10~50%。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的生物质热解反应器的工作方法，其特征是，过程如下：常温大颗粒生物质由生物质给料口（7）输送到环隙区（10）内，并沿环隙区（10）向下进入返料段（12）内；高温热载气由热载气进口（6）依次通过气体分布器（5）的热载气主进口管（13）、热载气分进口管（14）、热载气出口管（15）输送至导流筒（8）的导流区（9）内；热载气出口管（15）上的高温热载气用于提升来自环隙区（10）上生物质给料口（7）的大颗粒生物质，并使得热载气和大颗粒生物质沿导流区（9）向上流动；未反应完全的生物质沿环隙区（10）向下流动，并与来自导流筒（8）上开孔（11）的热载气进行混合，热载气和大颗粒生物质在环流热解反应段（2）内定向流动，并形成多次环流，有效保证热载气和生物质的均匀混合、换热，同时增大生物质在环流热解反应段（2）内的停留时间，提高热解油气收率。
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