CN100386408C - 废弃生物质的延迟焦化处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及废弃生物质的处理领域，提供了一种能方便地大规模处理废弃生物质并有效地生产生物质能源的废弃生物质的延迟焦化处理方法，该方法包括：(a)将废弃生物质原料粉碎至平均粒度为0.1-2mm；(b)将粉碎后的原料与油混合，其中所述原料与油的混合质量比为0.05-15%；(c)将混合后的原料加热至190-300℃；(d)将所述原料进一步加热至420-510℃；(e)对所述原料进行延迟焦化处理，得到焦炭和油气产品；(f)对所得的油气产品进行分馏，得到分馏产品。

Description

废弃生物质的延迟焦化处理方法
技术领域
本发明涉及废弃生物质的处理领域，更具体地说，本发明涉及一种用延迟焦化工艺处理废弃生物质的方法。
背景技术
生物质从广义上说是指地球上利用光合作用获得的各种有机物，包括植物质、动物质、农林废弃物、有机生活垃圾等，是一种稳定的可再生资源。中国的生物质资源丰富，全国每年可生产生物质50亿吨，其中农林业生产的废木材、农作物秸秆等废弃物的产量很大。随着我国城市化水平的不断提高，生物质资源中城市有机生活垃圾的产量也越来越大。据统计，2000年上海市城市生活垃圾的产量达到641万吨，预计到2010年将达到863万吨。生活垃圾中大部分是厨余、果皮及废纸等废弃生物质。人们希望实现这些废弃生物质的减量化、无害化处理，有效利用废弃生物质生产生物质能源。
一种常见的处理方式是将废弃生物质进行快速热裂解。这种方式将干燥的生物质粉末在隔绝空气、常压、高加热速率(约103-104℃/秒)、中温(约450-500℃)、超短反应时间(约2秒)的条件下进行裂解反应，生成可燃性气体、液体燃油、液态化学品(例如乙酸、丙酮等)以及焦炭，其液体产率可达60％以上。但该工艺的生产过程中一般使用流化床反应器，需要流化传热介质(例如沙子、石英砂等)和流化气来保证苛刻的工艺条件，这就增加了快速热裂解反应***的复杂性。目前国内尚无适合大规模工业化生产的快速热裂解反应***。
美国专利5,543,061公开了一种废弃生物质热解转化的方法和设备，目的是无害化地处理废弃生物质并回收贮存性能源(燃气、燃油和焦炭)。其工艺流程是两步反应：将原料与水混合之后粉碎为浆体，先加压反应(压力4-6MPa，温度200-350℃)破坏原料的长分子链，然后闪蒸脱水分离出重质生物油。生物原油在常压下快速升温至500℃左右，然后继续反应，产生轻质油、焦粉和燃气。但这种处理方法需要加压、闪蒸和常压高温反应步骤，目前设备制造成本高，还不适合大规模生产。
美国专利4,666,585公开了一种技术，将炼油厂污泥(大部分为固体物、油和水)与焦化馏分油混合在一起后送入延迟焦化装置，使其具有良好的流动性，然后与焦化原料油一起进人焦化塔塔底，利用焦化过程的废弃热量或过剩余热使污泥中的有机组分经高温热裂解变为焦化气液产物，固体产物被石油焦捕获并沉积在石油焦上，从根本上消除了炼油厂污泥对环境的污染。但是，该专利并没有公开或提示使用延迟焦化工艺来处理废弃生物质。
因此，本领域迫切需要开发一种能方便地大规模处理废弃生物质并有效地生产生物质能源的方法。
发明内容
本发明的目的就是提供一种用延迟焦化工艺处理废弃生物质的方法，它能方便地大规模处理废弃生物质并有效地生产生物质能源，解决了现有技术中存在的问题。
本发明提供了一种处理废弃生物质的方法，它包括以下步骤：
(a)将废弃生物质原料粉碎至平均粒度为0.1-2mm；
(b)将粉碎后的原料与油混合，其中所述原料与油的混合质量比为0.05-15％；
(c)将混合后的原料加热至190-300℃；
(d)将所述原料进一步加热至420-510℃；
(e)对所述原料进行延迟焦化处理，得到焦炭和油气产品；
(f)对所得的油气产品进行分馏，得到分馏产品。
在一个优选的实施方式中，所述废弃生物质原料选自：谷壳、秸秆、果皮、果核、落叶、树皮、杂草、废木材、生活厨余、废纸、以及城市垃圾填埋场陈垃圾筛上物中难降解的废弃物。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(a)中，将废弃生物质原料粉碎至平均粒度为0.1-1mm。
在另一个优选的实施方式中，所述油选自渣油、馏分油、以及它们的混合物。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(b)中，所述原料与油的混合质量比为5-15％。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(c)中，所述加热为对流加热，其升温速率为5-10℃/分钟。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(c)中，将混合后的原料加热至200-240℃。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(d)中，所述加热为辐射加热，其升温速率为20-80℃/分钟。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(d)中，将所述原料进一步加热至480-500℃。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(e)中，所述延迟焦化的操作压力为0.01-0.2MPa表压。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方式的以废弃生物质为原料的延迟焦化处理流程的示意图，其中，数字1-5分别代表以下设备：
1：粉碎机
2：混合罐
3：加热炉
4：焦炭塔
5：分馏塔。
具体实施方式
本发明的发明人在经过了广泛而深入的研究之后发现，通过将废弃生物质原料经过粉碎，并与渣油和分馏塔馏分油混合后，将混合后的原料进行两段加热(所述原料由于升温速率过快因而在加热炉中只发生少量焦化反应)，而后迅速离开加热炉进入焦炭塔进行裂化和缩合反应，就可对所述原料进行延迟焦化处理，从而得到所需的产品，实现了废弃生物质资源的大规模无害化、能源化处理，同时又扩大了炼油原料的来源。
本发明的技术构思如下：将废弃生物质原料经过粉碎后，与油(选自渣油、馏分油、以及它们的混合物)混合，以使原料具有良好的流动性和传热性，其中，所述废弃生物质原料与油的质量比约为0.05-15％(较佳的是约5-15％)；接着，将混合后的原料加热(例如，对流加热)至约190-300℃(较佳的是约200-240℃)，接着快速加热(例如，辐射加热)至约420-510℃(较佳的是约480-500℃)；随后将所述原料进行延迟焦化处理(所述原料由于升温速率过快而只发生少量焦化反应)，得到所需的产品，即焦炭和油气；然后。对所得的油气产品进行分馏，得到进一步提纯气体产品和馏分油。
延迟焦化工艺是有炼油工业中一种常用的重油轻质化工艺，可以处理各种重质渣油、含油污泥等。原料油的组成主要是烷烃、环烷烃、芳烃和沥青质等。延迟焦化工艺将原料油的烃分子经过深度裂解和缩合反应生成小分子烃和焦炭。延迟焦化工艺技术成熟、投资适中、加工费用较低，在国内炼油加工量中占很大比例，单系列大型延迟焦化装置处理量可达10-160万吨/年。
废弃生物质的主要成分包括碳水化合物(包括纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等)、脂肪和蛋白质等，这些物质均可视为长碳链高分子化合物。本发明利用延迟焦化生产装置，使生物质发生高温热裂解反应，从而获得一定量的液体燃料(生物质油)和焦炭。利用延迟焦化装置处理技术成熟、处理规模大，可以实现废弃生物质资源的大规模无害化、能源化处理，同时又扩大了炼油原料的来源。
所述废弃生物质原料包括农业废弃物，例如谷壳、秸秆、果皮、果核等；林业废弃物，例如落叶、树皮、杂草、废木材等；以及城市有机生活垃圾，例如居民生活厨余、废纸、城市垃圾填埋场陈垃圾筛上物中难降解的废弃物等。
所述原料被粉碎至平均粒度为0.1-2mm，较佳的是0.1-1mm。
所述对流加热的升温速率约为5-10℃/分钟，较佳的是约6-8℃/分钟，所述辐射加热的升温速率约为20-80℃/分钟，较佳的是约50-60℃/分钟。
以下参看图1。
图1是根据本发明一个实施方式的以废弃生物质为原料的延迟焦化处理流程的示意图。将废弃生物质原料送入粉碎机1中进行粉碎后，送入混合罐2中与渣油、馏分油混合(其中，所述原料与油的混合质量比为0.05-15％)，然后将混合后的原料送入加热炉3的对流管中，以约5-10℃/分钟的升温速率预热至约190-300℃之后，再输送到加热炉3的辐射室炉管中，以约20-80℃/分钟的升温速率快速升温至约420-510℃。由于升温速率过快，原料来不及发生焦化就输送被到焦炭塔4的底部。焦炭塔4的操作压力为0.01-0.2MPa(表压)，加热后的原料在焦炭塔4内进行裂化、缩合等反应，最后生成焦炭。焦炭聚结在焦炭塔4内，反应产生的油气自焦炭塔4的塔顶逸出，进人分馏塔5中分馏得到气体产品和馏分油(主要是汽油、柴油和生物质油)。
本发明的主要优点在于：
由于采用了现有炼油工业中常用的延迟焦化生产工艺处理废弃生物质，减少了二次污染和需要填埋处理的废弃物，可以较快地实现大规模处理废弃生物质并生产生物质能源，实现了废弃生物质的减量化、无害化和资源化处理，对于环境保护具有重要的实际意义。
以下，通过实施例进一步详细地描述本发明，但是，应该理解，本发明无论如何也不限于这些实施例。
实施例1
使用落叶作为原料，将其粉碎至平均粒度为0.1mm，然后送入混合罐中与渣油、馏分油混合，其中混合质量比为0.05％，接着将混合后的原料送入加热炉的对流管内以5℃/分钟的升温速率预热至190℃，然后在加热炉的辐射室炉管内以20℃/分钟的升温速率迅速升温至420℃，其中焦炭塔操作压力为0.01MPa(表压)。反应并进行分馏之后所得的馏分油产率约为52.1％(干基)，焦炭的产率约为33.6％(干基)。
实施例2
使用废木材作为原料，将其粉碎至平均粒度为2mm，然后送入混合罐中与渣油、馏分油混合，其中混合质量比为15％，接着将混合后的原料送入加热炉的对流管内以10℃/分钟的升温速率预热至300℃，然后在加热炉的辐射室炉管内以80℃/分钟的升温速率迅速升温至510℃，其中焦炭塔操作压力为0.2MPa(表压)。反应并进行分馏之后所得的馏分油产率约为41.2％(干基)，焦炭的产率约为39.4％(干基)。
实施例3
使用秸秆作为原料，将其粉碎至平均粒度为0.2mm，然后送入混合罐中与渣油、馏分油混合，其中混合质量比为5％，接着将混合后的原料送入加热炉的对流管内以6℃/分钟的升温速率预热至240℃，然后在加热炉的辐射室炉管内以50℃/分钟的升温速率迅速升温至480℃，其中焦炭塔操作压力为0.03MPa(表压)。反应并进行分馏之后所得的馏分油产率约为50.4％(干基)，焦炭的产率约为33.6％(干基)。
实施例4
使用废纸作为原料，将其粉碎至平均粒度为1mm，然后送入混合罐中与渣油、馏分油混合，其中混合质量比为14％，接着将混合后的原料送入加热炉的对流管内以8℃/分钟的升温速率预热至280℃，然后在加热炉的辐射室炉管内以60℃/分钟的升温速率迅速升温至500℃，其中焦炭塔操作压力为0.15MPa(表压)。反应并进行分馏之后所得的馏分油产率约为40.1％(干基)，焦炭的产率约为36.9％(干基)。
实施例5
使用城市垃圾填埋场陈垃圾筛上物中难降解的废弃物作为原料，将其粉碎至平均粒度为0.5mm，然后送入混合罐中与渣油、馏分油混合，其中混合质量比为5％，接着将混合后的原料送入加热炉的对流管内以8℃/分钟的升温速率预热至280℃，然后在加热炉的辐射室炉管内以60℃/分钟的升温速率迅速升温至500℃，其中焦炭塔操作压力为0.1MPa(表压)。反应并进行分馏之后所得的馏分油产率约为55.1％(干基)，焦炭的产率约为35.1％(干基)。
实施例6
使用废弃锯末作为原料，将其粉碎至平均粒度为0.1mm，然后送入混合罐与渣油、馏分油混合，其中混合质量比为10％，接着将混合后的原料送入加热炉的对流管内以8℃/分钟的升温速率预热至200℃，然后在加热炉的辐射室炉管内以60℃/分钟的升温速率迅速升温至500℃，其中焦炭塔操作压力为0.1MPa(表压)。反应并进行分馏之后所得的馏分油产率约为52.1％(干基)，焦炭的产率约为33.0％(干基)。
虽然为了清楚和理解的目的，已对本发明进行了详细的描述，但是在阅读了本申请说明书之后，本领域技术人员将会明白，在不偏离本发明的精神和实质的前提下，可以对本发明进行各种修改和改变，这些修改和改变均落入所附权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种处理废弃生物质的方法，它包括以下步骤：
(a)将废弃生物质原料粉碎至平均粒度为0.1-2mm；
(b)将粉碎后的原料与油混合，其中所述原料与油的混合质量比为0.05-15％；
(c)将混合后的原料加热至190-300℃；
(d)将所述原料进一步加热至420-510℃；
(e)对所述原料进行延迟焦化处理，得到焦炭和油气产品；
(f)对所得的油气产品进行分馏，得到分馏产品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废弃生物质原料选自：谷壳、秸秆、果皮、果核、落叶、树皮、杂草、废木材、生活厨余、废纸、以及城市垃圾填埋场陈垃圾筛上物中难降解的废弃物。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，将废弃生物质原料粉碎至平均粒度为0.1-1mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油选自渣油、馏分油、以及它们的混合物。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述原料与油的混合质量比为5-15％。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述加热为对流加热，其升温速率为5-10℃/分钟。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，将混合后的原料加热至200-240℃。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述加热为辐射加热，其升温速率为20-80℃/分钟。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，将所述原料进一步加热至480-500℃。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中，所述延迟焦化的操作压力为0.01-0.2MPa表压。
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