生物質快速熱解的系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于可再生能源中的生物質高效清潔利用技術領域，具體而言，本發明涉 及一種生物質快速熱解的系統和方法。
【背景技術】
[0002] 生物質熱解液化是生物質在完全缺氧或有限氧供給的情況下受熱后主要降解為 液體產物以及一部分氣體產物和固體產物的過程。影響生物質熱解液化最主要的四個參數 是：104~105°C /s的加熱速率、500°C左右的反應溫度、不超過2s的氣相滯留時間和生物油 的快速冷凝與收集。針對熱解液化的條件，國內外開發的生物質快速熱解液化系統的反應 器主要包括：流化床、旋轉錐、燒蝕床和移動床等，根據所采用熱載體可以分為氣體載體、固 體載體和無熱載體型。由于該項技術從20世紀70年代才開始發展，所采用的反應器基本 參考了石油化工、煤化工方面的器型，針對生物質快速熱解這種原料結構復雜、反應條件苛 刻的特殊工藝，需要開發更適合各種原料種類、結構簡便、易于實現工業化的系統，促進對 生物質這種可再生能源的高效、清潔利用，以緩解我國能源供應緊張和環境污染的問題。
[0003] 因此，現有的生物質快速熱解技術有待進一步研究。
【發明內容】
[0004] 本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的 一個目的在于提出一種生物質快速熱解的系統和方法，該系統可以將生物質轉化為高附加 值的生物油，從而實現生物質的高效、清潔利用，并且極大簡化了快速熱解反應工藝流程。
[0005] 在本發明的一個方面，本發明提出了一種生物質快速熱解的系統。根據本發明的 實施例，該系統包括：
[0006] 快速熱解反應器，
[0007] 所述快速熱解反應器包括：
[0008] 反應器本體，所述反應器本體內限定出反應空間，所述反應空間自上而下形成分 散區、熱解區和出料區；
[0009] 多層蓄熱式輻射管，所述多層蓄熱式輻射管在所述熱解區中沿所述反應器本體高 度方向間隔分布，并且每層所述蓄熱式輻射管包括多個沿水平方向間隔分布的蓄熱式輻射 管；
[0010] 布料器；
[0011] 生物質入口，所述生物質入口位于所述分散區且位于所述布料器的上方；
[0012] 布料氣入口，所述布料氣入口位于所述分散區且與所述布料器相連通，以便采用 布料氣將所述布料器中的生物質吹出進入分散區，均勻地落入熱解區；
[0013] 多個熱解氣出口，所述多個熱解氣出口分別設置在所述分散區和/或所述熱解 區；
[0014] 半焦出口，所述半焦出口設置在所述出料區；
[0015] 所述快速熱解反應器適于采用所述蓄熱式輻射管對生物質進行快速熱解處理，以 便得到半焦和熱解氣；
[0016] 冷渣機，所述冷渣機與所述半焦出口相連，且適于對半焦進行冷卻處理；以及
[0017] 噴淋塔，所述噴淋塔與所述熱解氣出口相連，且適于采用冷卻液對所述熱解氣進 行噴淋處理，以便得到生物油和燃氣。
[0018] 在本發明的生物質快速熱解反應系統中，蓄熱式輻射管以多層的方式布置。相鄰 的兩個蓄熱式輻射管在水平方向上和豎直方向上以一定的間距隔開。
[0019] 淵度場
[0020] 根據本發明的一個實施例，多層蓄熱式輻射管用于提供熱源，使得在熱解區形成 一個或多個溫度場，并且每個溫度場的溫度是均勻的，由此，在熱解區形成溫度梯度。
[0021 ]例如，在本發明的一個實施例中，所述熱解區自上而下形成預熱段、快速熱解段和 完全熱解段。（即，形成了 3個溫度場）
[0022] 溫度場的個數以及溫度梯度可根據需要設置。
[0023] 溫度場的溫度可通過多種方式調節，例如，調整蓄熱式輻射管在水平方向和/或 豎直方向上的個數；蓄熱式輻射管的層數；蓄熱式輻射管彼此之間的間距（豎直方向和/ 或水平方向）；各蓄熱式輻射管本身的溫度；等等。
[0024] 在本發明的一個實施例中，蓄熱式輻射管上設置有燃氣調節閥，用于調整通入蓄 熱式輻射管的燃氣的流量，從而能夠精確控制蓄熱式輻射管的溫度。
[0025] 蓄熱式輻射管
[0026] 蓄熱式輻射管在管體的兩端分別具有燃燒器，在一端燃燒器燃燒產生的火焰在噴 出時形成溫度梯度，即，從燃燒器向外溫度逐漸降低。類似的是，在另一端燃燒器燃燒產生 的火焰在噴出時也形成溫度梯度。當兩端的燃燒器交替進行燃燒時，所形成的兩個溫度梯 度疊加，使得溫度互補，導致整個蓄熱式輻射管整體的溫度均勻。例如，單根所述蓄熱式輻 射管上的溫度差不大于30°C。
[0027] 本發明的生物質快速熱解反應系統使用本發明的蓄熱式輻射管的布置方式，由于 蓄熱式輻射管本身固有的屬性（如上所述，在蓄熱式輻射管兩端的燃燒器能夠快速交替燃 燒，實現蓄熱式燃燒），允許根據需要在反應器布置一個或多個不同的溫度場，實現溫度梯 度并且確保每個溫度場具有均勻的溫度。
[0028] 在本發明的一個實施方案中，各蓄熱式輻射管的溫度相同或不同，只要確保溫度 場的溫度均勻即可。
[0029] 在本發明的一個實施方案中，介于相鄰蓄熱式輻射管之間的間距可以相同或不 同，只要確保溫度場的溫度均勻即可。例如，相鄰所述蓄熱式輻射管外壁間的水平距離和豎 直距離分別獨立地為100~500mm，例如200~300mm，例如200mm，例如300mm。
[0030] 在所述熱解區自上而下形成預熱段、快速熱解段和完全熱解段的實施例中，在預 熱段中的各蓄熱式輻射管的溫度相同或不同，優選相同，只要確保預熱段的溫度均勻即可。
[0031] 在所述熱解區自上而下形成預熱段、快速熱解段和完全熱解段的實施例中，在快 速熱解段中的各蓄熱式輻射管的溫度相同或不同，優選相同，只要確保快速熱解段的溫度 均勻即可。
[0032] 在所述熱解區自上而下形成預熱段、快速熱解段和完全熱解段的實施例中，在完 全熱解段中的各蓄熱式輻射管的溫度相同或不同，優選相同，只要確保完全熱解段的溫度 均勻即可。
[0033] 雖然并不限于理論，但據信，如果生物質在熱解區不能均勻受熱，局部溫度過高則 導致熱解過程中局部生物油發生高溫裂解，使熱解產物中部分能產生物油的高分子物質直 接生成了燃氣和半焦，或者局部溫度過低則導致熱解過程中局部生物質熱解不充分，致使 生物質中的揮發分不能釋放出來，從而降低了生物油產率。
[0034] 在本發明中，當蓄熱式輻射管被布置成形成一個或多個溫度場時，由于溫度場各 自的溫度是大致均勻的，因此，生物質在落入各溫度場時均勻受熱，發生反應的程度大體相 同。由此，順而避免生物油產率下降。
[0035] 熱解氣的怏諫導出
[0036] 利用本發明的生物質快速熱解反應系統，能夠在生物質熱解之后實現熱解氣的快 速導出。具體而言，在本發明的一個實施方案中，生物質快速熱解反應系統的反應器在熱解 區的側壁和/或分散區的頂壁上設有一個或多個熱解氣出口。在熱解反應過程中，產生熱 解氣，使得該反應器內部的壓力升高。產生的熱解氣在升高的壓力的驅使下快速從熱解氣 出口導出。
[0037] 在本發明的一個優選實施方案中，在反應器外部設有與熱解氣出口連通的抽氣裝 置，有利于將熱解氣從該反應器中快速導出。
[0038] 熱解過程中產生的熱解氣從反應器側部導出，而位于熱解氣出口處、反應器內側 的熱解氣與上方落下來的物料接觸，把進入反應器側部的熱解氣中的細塵在所述物料重力 作用下被攜帶下落，使得導出的熱解氣中含塵率低，從而冷卻后得到的生物油中含塵率低。
[0039] 熱解氣出口是至少 2 個，例如 2-100 個，3-80 個，5-70 個，10-50, 20-40, 30-40 個。 更具體而言，熱解氣出口是8個、15個、22個或28個。本發明并不限于此。
[0040] 熱解氣的怏諫冷卻
[0041] 從熱解氣出口導出的熱解氣通過冷卻裝置被快速冷卻，由此將不可凝氣體與生物 油分離。
[0042] 布料
[0043]另外本發明通過使用布料器，可以使得生物質在熱解區中均勻分散，進而顯著提 尚裝置的運彳丁穩定性。
[0044] 牛物質
[0045] 通過設置的布料系統使小顆粒生物質分散的、均勻的進入熱解反應器，小顆粒生 物質在均勻的溫度場中經換熱，每個生物質顆粒都受熱均勻，避免了生物質團聚造成升溫 速率不均勻和降低進而導致油氣產率下降的問題。例如生物質粒徑小于3mm。
[0046] 茲患
[0047] 由于采用本發明的蓄熱式輻射管布置方式，生物質在熱解過程中在反應器內能夠 被快速升溫。同時產生的熱解氣能夠被快速導出反應器并且被快速冷卻。由此減少了在熱 解過程、導出過程和冷卻過程中可能發生的二次反應（該反應會降低生物油產率），因此， 所得的生物油產率被顯著提高。
[0048]同時較傳統的使用氣體熱載體或固體熱載體作為熱解熱源的熱解反應裝置相比， 本發明的快速熱解的系統不需要設置預熱單元和載體分離單元，從而可以極大簡化快速熱 解反應工藝流程，進而顯著降低裝置的故障率。
[0049] 本發明通過采用特定的蓄熱式輻射管布置方式，可以在反應器中形成一個或多個 溫度場并能夠確保每個溫度場的溫度均勻，同時允許反應器各個溫度場的溫度是可控的。 由此，使生物質在反應器中能夠均勻受熱，實現快速烘干和更充分的熱解，進而提高了生物 油產率，提高了生物質的快速熱解效率。
[0050] 另外，根據本發明上述實施例的生物質快速熱解的系統還可以具有如下附加的技 術特征：
[0051] 在本發明的一些實施例中，所述生物質快速熱解的系統進一步包括：生物質料斗， 所述生物質料斗適于儲存生物質；烘干提升管，所述烘干提升管分別與所述生物質料斗和 所述快速熱解反應器相連，且適于在將生物質進行快速熱解反應之前，采用熱煙氣對所述 生物質進行烘干和提升；以及第一風機，所述第一風機分別與所述蓄熱式輻射管和所述烘 干提升管相連，且適于將所述蓄熱式輻射管產生的高溫煙氣供給至所述烘干提升管作為所 述熱煙氣使用。由此，使得進入熱解反應器的生物質的水分小于5wt %，并通過烘干進行物 料預熱，使得生物質進入反應器后，由于水分少，不需要吸收大量的熱來烘干自身的水分， 從而提高了生物質原料的加熱速率