CN101671570B - 一种小型移动式农林生物质快速热裂解装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型移动式农林生物质快速热裂解装置。由行进机构(25)、燃烧炉(18)、进料器(21)、快速热裂解反应器(22)、气固分离器(23)、气体冷凝器(11)、不可冷凝气体净化装置(24)、风机(16)、气体缓冲罐(17)和气体预热器(19)构成；快速热裂解反应器(22)高度可以调节，能适用于多种农林生物质原料，反应器顶盖内倒锥形气体稳流器使反应器内流态化质量较好；将不可冷凝气体作为喷动气、流化气气源和供热燃料，整个装置结构简洁、体积小、运行稳定且能被拖运到农林生物质集中地进行生产，生产成本较低，这种小规模移动式作业方式也避开了流化床式反应器工业化放大困难的问题，变相实现了农林生物质快速热裂解工业化生产。

Description

一种小型移动式农林生物质快速热裂解装置

技术领域

本发明涉及一种小型移动式农林生物质快速热裂解装置，属于农林生物质利用，尤其是能源化利用领域。

背景技术

农林生物质快速热裂解是指在缺氧的条件下，将农林生物质高温裂解为气体和固体炭，之后再将除去固体炭的裂解气体进行迅速冷却得到生物油和不可冷凝气体的过程，其主产物为生物油，副产物为固体炭和不可冷凝气体。农林生物质快速热裂解必须满足三个基本条件：中等的热裂解温度(450～650^℃)、较高的生物质颗粒升温速率(10²～10⁴K/s)和较短的气体停留时间(0.2～3s)。

农林生物质资源分布比较分散，需要从生长地进行收集并运往工厂进行热裂解，而且农林生物质——尤其是农业剩余物(如秸秆、稻壳等)能量密度低，因此需要收集、运输、存储大量的原料以满足连续生产时的原料供应，而且工厂规模越大，原料收集半径越大，原料收集、运输费用越高。WIPO PCT专利(WO2006/117006A1)公开了一种移动式生物质热解装置，该装置包含生物质热裂解单元和移动机构，可由牵引车拖运到零散生物质集中地点进行热裂解处理，减少了原料收集和运输成本，但该热解设备采用的热裂解反应器是一种离心式烧蚀反应器，属于机械运动式直接接触反应器，其特点是可以使用较大粒径的原料(2～6mm)、不需使用传热介质和辅助气体，但其反应器内有运动部件、结构相对比较复杂，在热裂解高温下设备的运动部件容易出现故障，工作可靠性和运行寿命难以得到保证。中国发明专利(CN200510137.7)公开了一种移动式生物质液化系统，其设备均可由汽车等运输工具运载，比较容易运往零散生物质集中地点进行生物质液化，同样可以降低原料收集和运输费用，但该系统采用的反应器为常规流化床反应器，而且转厂时需要拆卸、运输以及在新的生产地进行重新安装调试，因此转厂周期会比较长。

现有的生物质快速热裂解反应器主要有流化床式反应器(主要包括流化床、喷动床、循环流化床、喷动流化床等)和机械运动式反应器(主要包括旋转锥、移动床、真空床、烧蚀反应器等)，其中流化床式反应器是目前国内外主要采用的农林生物质快速热裂解反应器。然而，到目前为止流化床式反应器也还存在一些问题，比如常规流化床反应器存在床料横向混合效果不理想、传热效率不高的问题；喷动床反应器易出现死区、运行不稳定等问题；循环流化床需要额外设计床料的流动结构而显得体积较大，而且大规模使用时其热效率较低；喷动流化床虽然结合了喷动床和流化床的优点，但仍然需要分别设计喷动气和流化气气道，仍然需要分别提供额外的喷动气和流化气气源，因此也存在设备结构复杂、运行费用较高的问题。因此我们申请了实用新型专利(ZL 2007201519336)，公开了一种喷动流化床反应器，通过平板状布风板的设计，将由同一个气源供应的气体分成喷动气和流化气，反应器结构得到了简化；同时，该系统使用生物质热裂解后产生的不可冷凝气体作为所述的喷动气和流化气，避免了使用额外的喷动气和流化气气源，降低了运行成本。但该实用新型也还存在一些不完善之处，首先，由于生物质热裂解产生的不可冷凝气体中包含焦油、炭粉等杂质，因此使用裂解后的不可冷凝气体循环作为气源经常会导致其所经过的管道(包括风机、阀门、流量计等)因为焦油和炭粉的淤积而堵塞，设备连续稳定运行能力欠佳；其次，使用裂解后的不可冷凝气体代替流量稳定的额外气源作为喷动气和流化气，容易造成反应器中气流的波动，反应器流态化质量难以得到保证，以至于影响热裂解反应的连续稳定进行，生物油产率较低。

另外，现有技术对于流化床式反应器工业化放大困难的问题还没有得到很好的解决，较难实现工业化大规模生产。

在农林生物质快速热解过程中，为了满足三个基本条件，一般需要根据原料性质和反应器尺寸来调节工艺参数(主要包括进料量、流化气速、床料量和热裂解温度等)。由于农林生物质资源种类繁多，性质各异，对于不同性质的原料，同一个反应器很难通过调节工艺参数来同时满足快速热裂解的这三个基本条件，而且工艺参数的较大改变也会影响整套装置其它环节的工作性能，因此同一套快速热裂解装置很难适用于多种不同性质农林生物质原料的快速热裂解。如果采用尺寸可以调节的反应器，针对不同性质的原料，通过调节反应器尺寸、再辅以工艺参数的调节，将很容易满足快速热裂解的三个基本条件，从而使整套装置适用于多种原料。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种小型移动式农林生物质快速热裂解装置，该装置可以适用于多种农林生物质原料、结构简洁、体积小、运行稳定、方便移动、可在各种农林生物质资源集散地灵活的进行快速热裂解生产、生产成本较低。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为由行进机构、燃烧炉以及通过管道依次相连的进料器、快速热裂解反应器、气固分离器、气体冷凝器、不可冷凝气体净化装置、风机、气体缓冲罐和气体预热器构成：

所述气体预热器的出气口与所述快速热裂解反应器底部的进气口相连，所述气体预热器换热介质入口与所述燃烧炉的烟气出口相连，所述燃烧炉的燃烧气体入口与所述气体缓冲罐相连；

所述的快速热裂解反应器为小型喷动流化床反应器，其内径在0.1m～0.3m之间，总高度在1.6m～2m之间，该快速热裂解反应器由倒锥形进气室、中部可改变高度的直筒形反应段和反应器顶盖以及安装在倒锥形进气室和反应段之间的平板状布风板组成，倒锥形进气室底部设有进气口，中部可改变高度的直筒形反应段由不少于一段的直筒形反应管组成，根据需要可以选择安装一个或多个直径相同、高度不同的反应管，以改变所述快速热裂解反应器的高度；反应器顶盖中央设有气体出口，内部设有一与该气体出口同轴的倒锥形气体稳流器，锥角为90°，锥底直径与该气体出口直径之比为(1.2～1.5)∶1，锥底平面到气体出口的距离与快速热裂解反应器总高度之比为(0.2～0.3)∶1。除所述进行机构以外的其它设备均安装在所述行进机构上。

本发明的优点及技术效果在于：

1.本发明快速热裂解反应器的高度可以调节，辅以工艺参数的调节，本装置可以适用于多种不同性质农林生物质原料的快速热裂解，原料可以是各种木材、树皮、秸秆、玉米芯、稻壳和废弃人造板等。

2.本发明反应器顶盖内部设有一与气体出口同轴的倒锥形气体稳流器，该气体稳流器能有效缓解由于使用裂解后的不可冷凝气体代替流量稳定的额外气源作为喷动气和流化气而造成的快速热裂解反应器中气流波动较大、流化质量难以得到保证的问题，有助于快速热裂解反应的连续稳定进行，提高生物油产率。

3.本发明的快速热裂解反应器为小型喷动流化床反应器，其内径在0.1m～0.3m之间，总高度在1.6m～2m之间；所述的平板状布风板由圆形平板和置于其上的钢丝网组成，该平板上设有喷动孔和流化孔，喷动孔位于平板中心，其直径与快速热裂解反应器的内径之比为(0.3～0.5)∶1，流化孔沿周向分布在喷动孔外围，其直径与喷动孔直径之比为(0.05～0.1)∶1，喷动孔及流化孔的总开孔率为(35％～55％)，该钢丝网目数在100目～180目之间，布风板上设计的喷动孔和流化孔可以将来自同一气源的气体分成喷动气和流化气，避免分别设置喷动气和流化气体通道，使得本快速热裂解反应器结构简洁、体积小、没有放大效应、可连续稳定生产。

4.本发明的进料器由料斗、关风器和下料管组成，关风器连接有一调速电机，使得本发明进料器在实现连续稳定进料的同时，还能隔绝空气通过进料器进入快速热裂解反应器，提高了反应稳定性，有助于系统连续稳定生产。

5.本发明气固分离器为两级旋风分离器，每级旋风分离器的底部都连接有集炭箱，可以实现热裂解气体和固体炭的有效分离。

6.本发明气体冷凝器顶部设有液体入口、底部设有液体出口，该液体出口依次通过循环泵和热管换热器与该液体入口相连，该热管换热器用于给冷凝器中的生物油降温，作为本发明的改进，该热管换热器可以与原料干燥单元相连，以循环利用换热介质中的热量，减少系统能耗，降低生产成本。

7.本发明使用不可冷凝气体净化装置对不可冷凝气体进行净化，该装置由气液分离器和气体过滤器组成，该气液分离器为离心式悬液分离器，该气体过滤器为静电焦油捕集器，通过对循环使用的不可冷凝气体进行净化处理，避免了其所经过的管道(包括风机、阀门、流量计等)因为焦油和炭粉的淤积而堵塞，保证系统连续稳定生产。

8.本发明燃烧炉为可以混合燃烧煤炭、燃气的混合燃烧炉，燃料部分或全部使用系统产生的不可冷凝气体或固体炭，不仅实现了快速热裂解副产物的循环利用，而且避免使用微波、电能等昂贵热源，进一步减少系统能耗，降低生产成本。

9.本发明气体预热器换热介质出口与一烟气净化装置相连，以净化排出的烟气，一方面使得本装置排出的烟气符合环保要求，另一方面作为本发明的改进，可以通过所述的烟气净化装置回收排出烟气的余热，用于原料干燥等环节，进一步减少系统能耗，降低生产成本。

10.本发明具有行进机构，该行进机构由机架、牵引机构、车轮和支脚组成，牵引机构固定在机架前端，车轮固定在机架前部和后部的下侧，在每个车轮前、后两侧的机架下侧分别安装有一个支脚，所述支脚为可调节高度的支脚，所述的车轮均带有制动装置，整个装置可以被方便拖运到农林生物质资源集中地点进行快速热裂解生产，节省原料收集和运输费用，降低生产成本，另外，这种小规模移动式作业方式也避开了流化床式反应器工业化放大困难的问题，变相实现了农林生物质资源快速热裂解工业化大规模生产。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的流程示意图。

图2是本发明快速热裂解反应器某一段反应管剖视图。

图3是本发明快速热裂解反应器顶盖立体图-1。

图4是本发明快速热裂解反应器顶盖立体图-2。

图5是本发明结构布置俯视图。

图6是本发明结构布置主视图。

图1～图6中，(1)是料斗，(2)是关风器，(3)是下料管，(4)是调速电机，(5)是倒锥形进气室，(6)是布风板，(7)是反应段，(8)是反应器顶盖，(9)是第一级旋风分离器，(10)是第二级旋风分离器，(11)是气体冷凝器，(12)是循环泵，(13)是热管换热器，(14)是离心式悬液分离器，(15)是静电焦油捕集器，(16)是风机，(17)是气体缓冲罐，(18)是燃烧炉，(19)是气体预热器，(20)是烟气净化装置、(21)是进料器，(22)是快速热裂解反应器，(23)是气固分离器，(24)是不可冷凝气体净化装置，(25)是行进机构，(26)是机架，(27)是支脚，(28)是车轮，(29)是牵引机构，(30)是集炭箱1，(31)是集炭箱2，(32)是倒锥形气体稳流器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明及其工作过程做进一步的详细说明：

如图1～4所示，进料器(21)由料斗(1)、关风器(2)和下料管(3)组成，下料管(3)下端与快速热裂解反应器(22)下部的进料口相连，农林生物质原料由此送入快速热裂解反应器(22)进行快速热裂解反应，关风器(2)与一调速电机(4)相连，用以调节进料量，快速热裂解反应器(22)由底部倒锥形进气室(5)、中部可改变高度的反应段(7)和反应器顶盖(8)以及安装在倒锥形进气室(5)和反应段(7)之间的平板状布风板(6)组成，其内径在0.1m～0.3m之间，总高度在1.6m～2m之间，倒锥形进气室(5)底部设有进气口，中部可改变高度的直筒形反应段(7)由不少于一段的直筒形反应管组成，根据需要可以选择安装一个或多个直径相同、高度不同的反应管，以改变所述快速热裂解反应器(22)的高度，反应器顶盖(8)中央设有气体出口，内部设有一个与该气体出口同轴的倒锥形气体稳流器(32)，锥角为90°，锥底直径与该气体出口直径(1.2～1.5)∶1，锥底平面到气体出口的距离与快速热裂解反应器(22)总高度之比为(0.2～0.3)∶1，平板状布风板(6)由圆形平板和置于其上的钢丝网组成，该平板上设有喷动孔和流化孔，喷动孔位于平板中心，其直径与快速热裂解反应器(22)的内径之比为(0.3～0.5)∶1，流化孔沿周向分布在喷动孔外围，其直径与喷动孔直径之比为(0.05～0.1)∶1，喷动孔及流化孔的总开孔率为(35％～55％)，该钢丝网目数在100目～180目之间，农林生物质原料在温度为500～650℃的快速热裂解反应器(22)内快速热裂解为气体和固体炭，反应器顶盖(8)的出气口与第一级旋风分离器(9)气体入口相连，第一级旋风分离器(9)气体出口与第二级旋风分离器(10)气体入口相连，两级旋风分离器底部分别与集炭箱1(30)和集炭箱2(31)相连，快速热裂解产生的固体炭绝大部分在这两级旋风分离器中被分离进入集炭箱1(30)和集炭箱2(31)，第二级旋风分离器(10)气体出口与气体冷凝器(11)气体入口相连，分离固体炭之后的气体进入气体冷凝器(11)中被快速冷凝，得到生物油和不可冷凝气体，气体冷凝器(11)下部液体出口通过循环泵(12)与热管换热器(13)液体入口相连，热管换热器(13)液体出口与气体冷凝器(11)顶部液体入口相连，生物油在通过该循环泵(12)和该热管换热器(13)循环时被降温，气体冷凝器(11)气体出口与离心式悬液分离器(14)的气体入口相连，离心式悬液分离器(14)的液体出口与气体冷凝器(11)下部液体入口相连，离心式悬液分离器(14)气体出口与静电焦油捕器入口相连，不可冷凝气体经过离心式悬液分离器(14)脱掉所含液体，脱出的液体回流到气体冷凝器(11)中，经过悬液分离器(14)的不可冷凝气体进入静电焦油捕器中进行过滤，静电焦油捕集器(15)出口与风机(16)入口相连，风机(16)出口与气体缓冲罐(17)入口相连，气体缓冲罐(17)出口1与气体预热器(19)入口相连，气体预热器(19)出口与倒锥形进气室(5)底部的进气口相连，气体缓冲罐(17)出口2与混燃炉气体燃料入口相连，混燃炉烟气出口与气体预热器(19)换热介质入口相连，气体预热器(19)换热介质出口与烟气净化器(20)相连，不可冷凝气体经过风机(16)之后进入气体缓冲罐(17)，之后部分不可冷凝气体通过气体预热器(19)升温之后进入快速热裂解反应器(22)作为喷动气和流化气进行循环，其余不可冷凝气体与其它热裂解副产物固体炭和煤等固体燃料进入燃烧炉(18)燃烧，燃烧产生的高温烟气作为热介质进入气体预热器(19)进行热交换，流出气体预热器(19)的乏烟气进入烟气净化器(20)净化处理后排空。

如图5～图6所示，本发明除进行机构(25)以外的其它设备均安装在所述行进机构(25)上，该行进机构(25)由机架(26)、牵引机构(29)、车轮(28)和支脚(27)组成，牵引机构(29)固定在机架(26)前端，车轮(28)固定在机架(26)前部和后部的下侧，在每个车轮(28)前、后两侧的机架(26)下侧分别安装有一个支脚(27)，所述支脚(27)为可调节高度的支脚(27)，所述的车轮(28)均带有制动装置，整个装置可以被方便拖运到农林生物质资源集中地点进行快速热裂解生产

实施例：

以落叶松木材为原料，利用处理量为30Kg/h的小型移动式农林生物质快速热裂解装置进行快速热裂解生产：

本装置构由进料器(21)、快速热裂解反应器(22)、气固分离器(23)、气体冷凝器(11)、不可冷凝气体净化装置(24)、风机(16)、气体缓冲罐(17)、气体预热器(19)、燃烧炉(18)和行进机构(25)构成，其中快速热裂解反应器(22)内径0.16m，总高度1.6m，快速热裂解反应器(22)的反应段(7)由高度分别为0.4m和0.6m的两段反应管组成，反应器顶盖(8)气体出口直径32mm，内部所设倒锥形气体稳流器(32)的锥底直径40mm，锥角为90°，锥底平面到该气体出口的距离为0.32m，布风板(6)上喷动孔直径56mm，流化孔直径3mm，总开孔率为35％，布风板(6)上的钢丝网目数为120目。

装置运行生产时，首先开启燃烧炉(18)、打开风机(16)运行气体循环系统，设定加热温度为560℃，喷动气和流化气体总流量为25m³/h；开启循环泵(12)运行冷凝系统；快速热裂解反应器(22)温度为500℃左右时开启进料器调速电机(4)开始缓慢进料，并根据反应器升温情况逐渐加大进料量，待温度稳定在560℃左右后调整调速电机(4)转速使进料量稳定在30Kg/h；调节气体缓冲罐(17)出口1管道上的阀门，使进入快速热裂解反应器(22)的不可冷凝气体流量稳定在25m³/h，其余不可冷凝气体进入燃烧炉(18)燃烧；及时收集集炭箱1(30)、集炭箱2(31)中的固体炭和气体冷凝器(11)中的生物油；观察系统温度、流量、压力等参数，保证装置的良好运行；反应结束后，关闭燃烧炉(18)，风机(16)和气体冷凝器(11)继续工作，当快速热裂解反应器(22)温度降到150℃后，关闭风机(16)及循环泵(12)，工作结束。

Claims (10)

1.一种小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于该装置由行进机构(25)、燃烧炉(18)以及通过管道依次相连的进料器(21)、快速热裂解反应器(22)、气固分离器(23)、气体冷凝器(11)、不可冷凝气体净化装置(24)、风机(16)、气体缓冲罐(17)和气体预热器(19)构成：

所述气体预热器(19)的出气口与所述快速热裂解反应器(22)底部的进气口相连，所述气体预热器(19)换热介质入口与所述燃烧炉(18)的烟气出口相连，所述燃烧炉(18)的燃烧气体入口与所述气体缓冲罐(17)相连；

所述的快速热裂解反应器(22)为小型喷动流化床反应器，其内径在0.1m～0.3m之间，总高度在1.6m～2m之间，该快速热裂解反应器(22)由底部倒锥形进气室(5)、中部可改变高度的直筒形反应段(7)和反应器顶盖(8)以及安装在倒锥形进气室(5)和反应段(7)之间的平板状布风板(6)组成，倒锥形进气室(5)底部设有进气口，中部可改变高度的直筒形反应段(7)由不少于一段的直筒形反应管组成，根据需要选择安装一个或多个直径相同、高度不同的反应管，以改变所述快速热裂解反应器(22)的高度；

所述的反应器顶盖(8)中央设有气体出口，内部设有一与该气体出口同轴的倒锥形气体稳流器(32)，锥角为90°，锥底直径与该气体出口直径之比为(1.2～1.5)∶1，锥底平面到气体出口的距离与快速热裂解反应器(22)总高度之比为(0.2～0.3)∶1；

除所述行进机构(25)以外的其它设备均安装在所述行进机构(25)上。

2.如权利要求1所述的小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于所述的平板状布风板(6)由圆形平板和置于其上的钢丝网组成，该平板上设有喷动孔和流化孔，喷动孔位于平板中心，其直径与快速热裂解反应器的内径之比为(0.3～0.5)∶1，流化孔沿周向分布在平板上，其直径与喷动孔直径之比为(0.05～0.1)∶1，喷动孔及流化孔的总开孔率为35％～55％，该钢丝网目数在100目～180目之间。

3.如权利要求1所述的小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于所述的进料器(21)由料斗(1)、关风器(2)和下料管(3)组成，关风器(2)连接有一调速电机(4)。

4.如权利要求1所述的小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于所述的气固分离器(23)为两级旋风分离器，每级旋风分离器的底部都连接有集炭箱。

5.如权利要求1所述的小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于所述的气体冷凝器(11)顶部设有液体入口、底部设有液体出口，该液体出口依次通过循环泵(12)和热管换热器(13)与该液体入口相连。

6.如权利要求1所述的小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于所述的不可冷凝气体净化装置(24)由气液分离器和气体过滤器组成，该气液分离器为离心式悬液分离器(14)，该气体过滤器为静电焦油捕集器(15)。

7.如权利要求1所述的小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于所述的燃烧炉(18)为可以混合燃烧煤炭、燃气的混合燃烧炉，燃料部分或全部使用系统产生的不可冷凝气体或固体炭。

8.如权利要求1所述的小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于所述的气体预热器(19)在换热介质出口与一烟气净化装置(20)相连，以净化排出的烟气。

9.如权利要求1所述的小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于所述的行进机构(25)由机架(26)、牵引机构(29)、车轮(28)和支脚(27)组成，牵引机构(29)固定在机架(26)前端，车轮(28)固定在机架(26)前部和后部的下侧，在每个车轮(28)前、后两侧的机架(26)下侧分别安装有一个支脚(27)。

10.如权利要求9所述的小型移动式农林生物质快速热裂解装置，其特征在于所述的支脚(27)为可调节高度的支脚，所述的车轮(28)均带有制动装置。

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