TWI417374B - Rapid Pyrolysis System of Biogenic Raw Material into Biomass Oil and Its - Google Patents

Description

生質原料轉化為生質油之快速熱解系統及其方法

本發明係關於一種生質原料之快速熱解系統及其方法，尤指一種可量產製造液態生質油之快速熱解反應系統。

近年來國際能源(特別是石油)價格日益高漲，且能源需求亦日趨緊張。台灣的天然資源極度匱乏，工業及民生所需的能源幾乎全數仰賴進口，因此，對於任何形式之再生能源之開發益形重要。再生能源是一種綠色能源且不危害環境污染，其中又以生質原料(biomass)最適合轉化成液體燃料及化學物品。生質原料包含各類有機廢棄物，如：農業或林業廢棄物、廚餘、動物排泄物、廢輪胎…等，所製成的液體燃料，又稱為生質油(bio-oil)，可進一步提煉成高價值的燃料，如生質柴油(bio-diesel)。此種將生質原料轉化為生質油之製程技術，不僅可將廢棄物轉換為寶貴的能源，且可達到能源再生及再利用之經濟效益與廢棄物減量之環保目的，可謂一舉兩得。

目前轉化生質原料之技術可大致可區分如下：

1.生物/化學轉換(bio/chemical conversion)：如經發酵(fermentation)、酯化(esterification)等程序產生酒精汽油(gasohol)、沼氣(bio-gas)或生質柴油；或利用生物菌種等方法產生氫氣、甲醇等燃料。

2.熱轉換(thermal conversion)：如以直接燃燒(direct combustion)、熱解(pyrolysis)或氣化(gasification)方式，產生合成燃氣(syngas)或燃油等。

其中熱解技術主要係指由固態之生質原料或廢棄物，直接經無氧熱裂解(thermal pyrolysis)製成液態燃料，其程序又稱為液化(liquefaction)。若經適當的純化過程，液態燃料之熱值可有效提昇，增加其利用性。目前發展的快速熱解(fast pyrolysis)技術係在高溫、缺氧狀態下，快速加熱生質原料或廢棄物形成氣體及固態焦炭，將所產生的氣體快速冷凝，以獲得生質油；另外，所得到之固態焦炭經進一步處理可獲得高附加價值的化學品。快速熱解的主要操作溫度略高於傳統熱解方法，約在450℃至600℃之間，停滯時間則小於1秒。由於快速升溫、迅速冷卻，可避免二次熱解(cracking)，因此，可獲取液體產量約60~75 wt%。

使用熱解技術產製之衍生燃油的優點為，具高熱值且運儲方便，可作為鍋爐之輔助燃料或直接使用於發電機，符合廢料再利用與潔淨生產之環保與經濟效益。生質原料或廢棄物熱解生產合成燃油的技術，目前雖未完全商業化，但快速熱解技術將是未來的發展趨勢。

國外已發展之快速熱解反應器有漩風式反應器(vortex reactor)、攜帶床反應器(entrained flow reactor)、旋轉錐反應器(rotating cone reactor)、真空移動床(vacuum transported bed)、循環流化床(circulating fluid bed)等多種。目前快速熱解反應系統可產出液態生質油50~75 wt%、焦炭15~25 wt%及不冷凝氣體10~20 wt%，但快速熱解反應設備仍存在一些缺點，如能量耗損大、價格昂貴、設備擴大困難、熱載體(砂)與生質原料需要通入氮氣進行流化、熱載體與焦炭(char)分離不易、進料易發生懸料、掛料或凝結成塊造成阻塞等問題。

因此，如何開發出一種生質原料熱解系統，以改善習知技術之缺點，並降低熱解系統之製造成本及提昇生產效率與生質油品質，是本發明所欲揭露之處。

發明人有感於上述習知快速熱解反應系統之未臻完善，遂竭其心智悉心研究克服，憑其從事該項技術研發多年之經驗，進而開發出一種生質原料轉化為生質油之快速熱解系統及其方法，以期達到降低製造成本及提昇生產效率與生質油品質之目的。

為達上述目的，本發明提供一種生質原料熱解系統，其包含：一進料裝置；一控制驅動裝置，係用於控制該生質原料之送料速率；一熱解反應裝置，係用於快速熱解該生質原料；一氣體/固體分離裝置，係用於分離該生質原料熱解後所產生之氣體及固體；一觸媒脫氧裝置，係用於添加觸媒同步進行生質油之催化反應，以提升生質油之熱值；以及一冷凝裝置，係用於冷凝該分離後之氣體，以生成液態生質油及不冷凝氣體。上述之系統，其中，進一步包含一溫度監控裝置，係用於控制該生質原料之熱解溫度。

上述之系統，其中，該進料裝置係包含一儲料斗、一攪拌裝置、一送料裝置。

上述之系統，其中，該攪拌裝置係包含一驅動器、一撓性元件及一曲柄擺動軸。

上述之系統，其中，該送料裝置係包含一驅動器、一撓性元件及一送料螺桿。

上述之系統，其中，當生質原料進入該儲料斗時，該驅動器係以該撓性元件帶動一曲柄擺動軸，同時另一撓性元件帶動另一送料螺桿，並將生質原料送入熱解反應裝置。

上述之系統，其中，該控制驅動裝置係包含一驅動器、一撓性元件、一推拔式平方導螺桿及一控制器。

上述之系統，其中，該驅動器係以該撓性元件帶動該推拔式平方導螺桿進行送料，並以該控制器控制該驅動器之轉速。

上述之系統，其中，該驅動器係一減速機馬達。

上述之系統，其中，該撓性元件係一鏈條。

上述之系統，其中，該控制器係一變頻控制器。

上述之系統，其中，該導螺桿係推拔式平方等節距。

上述之系統，其中，該導螺桿進一步包含二陶瓷軸承，用於支撐、固定及傳動。

上述之系統，其中，該導螺桿之材質係耐高溫、抗氧化及低熱膨脹係數之球墨鑄鐵。

上述之系統，其中，該熱解反應裝置係包含一燃燒器及一生成氣體儲存槽。

上述之系統，其中，該燃燒器係以不鏽鋼管彎製成圓形，且在圓管之每90度位置處鑽孔，並設置爐頭、爐嘴及連接管。

上述之系統，其中，該氣體/固體分離裝置係一漩風機。

上述之系統，其中，該漩風機之氣體輸出管路係深入該漩風機內部。

上述之系統，其中，該觸媒脫氧裝置，係用於添加觸媒同步進行生質油之催化反應。

上述之系統，其中，該冷凝裝置係一液體冷凝器。

本發明另提供一種熱解生質原料以生成液態生質油之方法，其係使用上述之系統，並控制熱解溫度為460~600℃，送料之轉速為15~30 rpm，冷凝溫度為5℃以下。

藉此，本發明之生質原料熱解系統及方法，藉由整合控制驅動裝置、熱解反應裝置、氣體/固體分離裝置及觸媒脫氧裝置，可達到縮小設備體積、提升生產效率及產品品質、降低熱解設備製造成本之功效。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明如後：

請參考第1圖，其為本發明較佳具體實施例之示意圖，顯示一種生質原料快速熱解系統，其包含：一進料裝置1，係用於連續提供生質原料；一控制驅動裝置2，係用於控制該生質原料之送料速率；一熱解反應裝置3，係用於熱解該生質原料；一氣體/固體分離裝置4，係用於分離熱解該生質原料後產生之氣體及固體；一觸媒脫氧裝置5，係用於添加觸媒同步進行生質油之催化反應；以及一冷凝裝置6，係用於冷凝該分離後之氣體，以生成液態生質油及不冷凝氣體。

該熱解系統進一步包含一不冷凝氣體回收儲筒7，係用以儲存該不冷凝氣體，可供作為合成燃氣之燃料；一燃料供給裝置8，係用以供給該熱解反應裝置3燃燒時之燃料來源，如使用瓦斯作為燃燒之燃料；一冷凝水槽9，係用以提供該冷凝裝置6之冷凝水，如使用冰水作為冷凝水，且利用馬達將冰水抽入該冷凝裝置6，以維持冷凝溫度為5℃以下，然後冰水再回到該冷凝水槽9內循環；以及一溫度監控裝置10，係用於控制該生質原料之熱解溫度。

以下進一步詳細說明，本發明之較佳具體實施例的主要元件及功能。

進料裝置1：請參考第2圖，該進料裝置1係利用一攪拌裝置及一送料裝置將生質原料送入熱解反應裝置3。該攪拌裝置可避免因生質原料密度小、休止角大、流動性差，在傳統進料系統中儲料筒易形成懸料及器壁掛料，而導致進料不穩定或供料停頓等問題。

控制驅動裝置2：請參考第1圖及第3圖，該控制驅動裝置2包含：一驅動器11、一撓性元件12、一推拔式平方導螺桿20及一控制器13；該驅動器11係利用一減速機馬達(減速比e=1/20)，並以鏈條作為撓性元件12，帶動推拔式平方導螺桿20送料，另以變頻器作為控制器13，以控制減速機馬達之轉速；而且該推拔式平方導螺桿20可利用二個陶瓷軸承及防熱墊片，以支撐、固定及傳動，並達到隔熱與提升氣體防漏之目的。又該推拔式平方導螺桿20的材質為自行研發之耐高溫、抗氧化及低熱膨脹係數之球墨鑄鐵，有利於高溫熱解生質原料時之傳送，並避免高溫翹曲變形之問題。

熱解反應裝置3：請參考第1圖及第3圖，該熱解反應裝置3係由數支燃燒器21所組合而成，其中該燃燒器21係以不鏽鋼管彎製成圓形，並在圓管之每90度位置處鑽孔，再組裝快速爐頭、爐嘴及連接管所組成之加熱燃燒器，其優點為高溫加熱均勻及升溫速率快速。

氣體/固體分離裝置4：由於熱解產生的揮發分氣體中含有少量焦炭(char)及灰分(ash)，若未適當的分離，常會造成管路系統的阻塞，焦炭與灰分中碳會產生二次熱解現象，影響了生質油的產量及增加不冷凝氣體的生成。一般分離的方法是利用漩風機，將揮發分氣體以切線方向吹入具有錐形底的圓桶23中，將帶有焦炭和灰分拋向外周，與器壁碰撞後由圓桶23之錐形底下部的出口排出，揮發分氣體則由圓桶23中心之氣體輸出管路22之開口端排出，該漩風機之氣體輸出管路22係深入該漩風機內部，以避免焦炭及灰份進入氣體輸出管路22，請參考第4圖。

觸媒脫氧裝置5：分離後之揮發分氣體，再利用線上添加觸媒同步進行生質油之催化反應，將揮發分氣體中的氧去除，以提升生質油之熱值，請參考第4圖。

冷凝裝置6：熱解產生的揮發分氣體在冷凝條件下，將快速生成液態生質油及不冷凝氣體。但熱解所產生的揮發分氣體到冷凝階段的溫度及時間，都直接影響到生質油的產量和成份，因揮發分氣體與生質油在高溫條件下，易造成二次熱解的發生，使得不冷凝氣體的生成愈多，大大降低了生質油的產量。本發明之冷凝裝置6可利用液態冷凝水，快速冷凝揮發分氣體，其冷凝溫度控制在5℃以下，以提高液態生質油之產量。

生質原料快速熱解之實施例

以下進一步說明，利用本發明之生質原料轉化為生質油之快速熱解設備系統，進行生質原料熱解實驗之步驟及製程參數。

生質原料快速熱解液化成生質油，其製程參數的選取是影響其反應效率與產能的主要關鍵。一般造成生質油產能低的最主要因素包含：熱解溫度太高、升溫速率太慢、揮發分氣體停留時間過長以及冷凝時間太長等，導致揮發分氣體產生二次熱解之生成物皆為不冷凝氣體。另一方面生質油成分中含水量和氧量過高時，也是降低熱值、燃燒點和成分性質不穩定的原因。

1.生質原料粒徑：為了提高加熱速率，獲得更高的產能，生質原料經粉碎後的顆粒大小就相當重要，當粒徑小於1 mm時，熱解過程屬於動力學反應機制；當粒徑大於1 mm時，熱解過程即屬於傳熱和傳質控制，所以粒徑大小是影響熱解反應過程的重要因素。當粒徑尺寸超過某一範圍時，其生質油的產能會下降，其原因是當顆粒大時，內部揮發性擴散較慢，氣相產物停留較長，使得更多的生質油被熱解為小分子的蒸氣。因此，實施例採用樟樹作為生質原料，其粒徑參數水準設定1.0 mm以下。

2.生質原料乾燥：當生質油含水量過高時，熱值會降低，導致生質油變質且會腐蝕管路及收集器，故必須先將收集的生質原料乾燥，較佳係將其含水量控制在10%以下。因此，實施例採用樟樹作為生質原料，其乾燥時間約3~7小時。

3.進料與輸送速率：進料穩定與輸送速率會影響熱解反應之生質油產值，而實施例採用樟樹作為生質原料時之送料轉速設定為15~30 rpm，較佳為20~25 rpm。

4.熱解溫度：在低溫慢速熱解溫度低於350℃時，分解產物大都以焦炭為主；當中溫閃速(1000℃/s)且熱解溫度控制在460~600℃時，生質原油的生成較高，可達到50~75 wt%；當高溫快速熱解溫度為700~1200℃時，其生成物以不冷凝氣體居多。實施例採用樟樹作為生質原料，熱解溫度控制在460~560℃之間，測試結果如表1所示。

本發明藉由整合控制驅動裝置、熱解反應裝置、氣體/固體分離裝置及觸媒脫氧裝置，可達到縮小設備體積、提升生產效率及產品品質、降低熱解設備製造成本之功效；就產業上的可利用性而言，利用本發明所衍生的產品，當可充分滿足目前市場的需求。如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的可利用性。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．進料裝置

2．．．控制驅動裝置

3．．．熱解反應裝置

4．．．氣體/固體分離裝置

5．．．觸媒脫氧裝置

6．．．冷凝裝置

7．．．不冷凝氣體回收儲筒

8．．．燃料供給裝置

9．．．冷凝水槽

10．．．溫度監控裝置

11．．．驅動器

12．．．撓性元件

13．．．控制器

14．．．曲柄擺動軸

15．．．驅動器

16．．．撓性元件

17．．．驅動器

18．．．撓性元件

19．．．送料螺桿

20．．．推拔式平方導螺桿

21．．．燃燒器

22．．．氣體輸出管路

23．．．圓桶

第1圖為本發明較佳具體實施例之示意圖。

第2圖為本發明較佳具體實施例進料裝置之示意圖。

第3圖為本發明較佳具體實施例控制驅動裝置及熱解反應裝置之示意圖。

第4圖為本發明較佳具體實施例氣體/固體分離裝置及觸媒脫氧裝置之示意圖。

1．．．進料裝置

2．．．控制驅動裝置

3．．．熱解反應裝置

4．．．氣體/固體分離裝置

5．．．觸媒脫氧裝置

6．．．冷凝裝置

7．．．不冷凝氣體回收儲筒

8．．．燃料供給裝置

9．．．冷凝水槽

10．．．溫度監控裝置

11．．．驅動器

12．．．撓性元件

13．．．控制器

21．．．燃燒器

Claims (2)

1. 一種生質原料轉化為生質油之快速熱解系統，其包含：一進料裝置，係用於連續提供生質原料；一控制驅動裝置，係用於控制該生質原料之送料速率；一熱解反應裝置，係用於熱解該生質原料；一氣體/固體分離裝置，係用於分離熱解該生質原料後產生之氣體及固體；一觸媒脫氧裝置，係設置於該氣體/固體分離裝置之上方，用於添加觸媒同步進行生質油之催化反應；以及一冷凝裝置，係用於冷凝該分離後之氣體，以生成液態生質油及不冷凝氣體；其中，該控制驅動裝置係包含一驅動器、一撓性元件、一導螺桿及一控制器；其中，該驅動器係一減速機馬達，以該撓性元件帶動該導螺桿進行送料，並以該控制器控制該驅動器之轉速；該撓性元件係一鏈條；該控制器係一變頻控制器；該導螺桿呈推拔式平方等節距，另包含二陶瓷軸承，用於支撐、固定及傳動，且該導螺桿之材質係採用耐高溫、抗氧化及低熱膨脹係數之球墨鑄鐵。
2. 一種生質原料轉化為生質油之快速熱解方法，其係利用如申請專利範圍第1項中所述之系統，將生質原料粉碎至平均粒徑為1 mm以下，經乾燥後，在熱解溫度為460~600℃，送料之轉速為15~30 rpm，冷凝溫度為5℃以下之操作條件下，可將生質原料轉化為生質油。