CN104629786B - 一种利用生物质废弃物生产液体燃料的方法 - Google Patents

一种利用生物质废弃物生产液体燃料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用生物质废弃物生产液体燃料的方法，属于可再生能源技术领域。本发明的快速热裂解方法包括：将原料输送至反应装置中，经热载体加热，在反应器中发生热裂解，生成热裂解蒸气和生物炭。热载体经分离后被输送到加热器中。生物炭经分离器分离后，由管道输送至排炭***，热裂解蒸气通过冷凝***，可冷凝部分凝结为液体生物油，不可冷凝部分经管道输送至热载体加热***经燃烧加热热载体，热载体达到预定温度后输送至储球室中继续循环利用，本装置可用于大规模工业化生产。

Description

一种利用生物质废弃物生产液体燃料的方法
技术领域
本发明涉及一种利用生物质废弃物生产液体燃料的方法，尤其是一种木质纤维素类生物质废弃物热裂解方法，属于可再生资源技术领域。
背景技术
随着人类文明的发展，能源的消耗量不断攀升，而化石能源的储量却是有限的，因而造成了能源危机。同时由于化石能源使用时产生大量的硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳等气体，产生了严重的环境危机。解决这两个危机的方法之一，就是寻找可再生的清洁能源。
生物能源由于其原料来源丰富，可再生，整个利用过程中碳排放量为零等优点，是目前可再生能源研究中的热点。生物能源的利用方法有很多，生物质热裂解制取液体燃料技术是生物能源利用技术的一种，本技术可以把低热值、低附加值的固态木质纤维素类生物质废弃物转化为高热值、高附加值的液体燃料，同时产生生物炭和不可冷凝气体。由于其工艺简便，对环境条件要求低，原料适应性广等优点正受到世界各地研究者的高度关注。
农作物秸秆、木屑、稻壳等都可作为热裂解制取生物油的原料。中国是水稻生产大国，年产稻谷近2亿吨。作为稻谷加工过程中的主要副产物——稻壳，约占籽粒重量的20％，是一种重要的可再生能源。国内外关于稻壳利用的方法很多，如直接燃烧、压缩成型以及用作饲料等，这些利用方式存在一些不足之处，如污染环境，能量利用率低等。通过生物质快速热裂解技术将固体稻壳转化为液体燃料是一种很有开发前景的利用方式。
生物质热裂解制取液体燃料的核心部分为反应器。按照反应原料的运动方式，反应器的类型主要分为：固定床反应器，流化床反应器，循环流化床反应器等；按照加热方式，反应器的类型主要分为：直接加热型反应器和间接加热型反应器；按照物料的流动方式：上行床反应器和下行床反应器。
现有技术中，中国专利申请号为：200520013147，名称为：生物质闪速热裂解制取纯净生物油装置的技术中提到：在石英玻璃管的下端口内接有给料风阀口和吹扫风阀口的三通管，吹扫风阀口位于给料风阀口上面，石英玻璃管的上端水平支管内装有过滤器，在石英玻璃管外装有硅碳管，其冷端与电源连接，热电偶的一端接硅碳管中间的加热带，另一端接控制面板，硅碳管外装有石棉保温层。该项技术的不足之处在于：装置通过三通管给料风进料，无法持续进料且不能保证反应温度；装置过于简单，只适合实验室的研究。
而中国专利申请号为：200510112221.9，名称为：农林业有机废弃物快速热裂解制取燃料油设备的技术中提到：装置包括贫氧气体发生装置，喂入装置，流化床反应器，产物收集装置，温度控制设备。连接关系为：贫氧气体发生装置与流化床相连，喂入装置通过垂直贯穿与流化床反应器器壁底部的圆管焊接在流化床反应器上，流化床反应器与喂入装置共同焊接在一个基座上，产物收集装置与流化床反应器通过法兰盘连接，温度控制设备通过线路与流化床反应器，贫氧气体发生装置相连。该项技术的不足之处在于：装置需要额外的贫氧气体发生装置，增加了装置制作成本；尾气无法进行回收利用，直接排放造成资源的浪费和环境的污染；装置只适用于实验室的研究。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型的利用生物质废弃物生产液体燃料及生物炭的方法，实现大规模工业化生产，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的利用生物质废弃物生产液体燃料及生物炭的方法。本发明热载体与生物质废弃物在气固并行向下流动的过程中直接接触，传热迅速且充分，适合闪速的升温过程；反应器内温度分布均匀，提高了产物稳定性；反应温度容易控制；仅在装置启动阶段需要燃烧生物油供热，进入正常运行阶段不需要外界能量输入，只利用不可冷凝气体的燃烧就能提供热裂解反应所需的能量；利用此方法制作的大型热裂解装置，可以达到年产生物油万吨级的规模。
本发明是利用木质纤维素类生物质废弃物生产液体燃料的快速热裂解的方法。本方法的原料来源种类繁多，资源量大。农作物秸秆、木屑、稻壳等都可作为热裂解制取生物油的原料。本方法目前主要利用稻壳粉，通过生物质快速热裂解技术将固体稻壳转化为液体燃料。
这种液体燃料，也被成为生物油，热值在16MJ/Kg左右，目前的利用方式主要是燃烧，这与固体燃料直接燃烧的优点在于：能量密度大，产生的粉尘少，燃烧充分等。生物油也可以进一步的进行提质处理，转变成内燃机代用燃料及产生多种高附加值的化工原料。
本发明为一种利用生物质废弃物生产燃料的方法，包括以下步骤：
a)、粉碎生物质废弃物，并将粉碎后的生物质废弃物送入反应装置；
b)、使所述粉碎后的生物质废弃物与所述反应装置中的热载体热交换，使生物质废弃物发生热裂解反应，生成生物炭和热裂解蒸气；
c)、将步骤(b)中所得的热裂解蒸气与生物炭分离，及将热载体与生物炭分离；
d)、进一步分离步骤(c)热裂解蒸气中混入的炭，以及分离步骤(c)热载体中混入的炭；
e)、将步骤(d)中所得的热裂解蒸气冷凝，生成生物油和不可凝气体。
其中反应装置是指能实现反应所需的装置整体。反应装置包括反应器，分离器，冷凝器，加热器，排炭装置，储球室以及在***中循环流动的热载体。反应器为间接加热型下行循环流化床反应器，储球室为暂存加热后的热载体，以备为热裂解反应提供热载体的装置。
步骤(b)发生在反应装置的反应器中，热载体与生物质热交换后，生物质废弃物发生热裂解反应，形成热裂解蒸气和生物炭，随后进入分离器中实现热载体与生物炭的分离，及热裂解蒸气与生物炭的气固分离。
进一步地，在步骤(a)之前，还包括步骤(f)，所述步骤(f)为：启动所述反应装置，加热所述反应装置中的热载体。
进一步地，在步骤(e)之后，还包括步骤(g)，所述步骤(g)为：步骤(e)中的不可凝气体和步骤(d)中除炭后的热载体均进入加热器，不可凝气体燃烧加热热载体，加热后的热载体进入储球室备用，继续与生物质废弃物热交换，使生物质质废弃物发生热裂解反应。
进一步地，在所述步骤(b)中，热载体对粉碎后的生物质废弃物进行直接接触加热。
进一步地，热载体在反应装置内循环。
进一步地，所述热载体为沙子、陶瓷球或粉煤灰惰性固体颗粒。
进一步地，在步骤(a)中，将粉碎后的生物质废弃物送入反应装置时可以采用螺杆上料或负压上料工艺，进料速率为1-3t/h。螺杆上料使用螺杆上料机，负压上料使用负压上料机。
进一步地，所述步骤(b)具体为：粉碎后的生物质废弃物和热载体在气固并行向下流动过程中接触换热，热载体和粉碎后的生物质废弃物混合，并把热量传给粉碎后的生物质废弃物；粉碎后的生物质废弃物在1-2s内被加热到500℃以上，发生热裂解反应，粉碎后的生物质废弃物的挥发成分和水分形成热裂解蒸气，生物质的灰分和固定碳形成生物炭。气固并行向下流动的反应过程具有气固接触时间短、气固速度及浓度径向分布更为均匀、气固轴向返混大大减少、易实现高固气比操作等特点。
进一步地，所述步骤具体(e)为：将步骤(d)中所得的热裂解蒸气经过位于所述反应装置中的一组或者多组冷凝器，热裂解蒸气中的可冷凝部分凝结为所述生物油。
进一步地，所述方法还包括将步骤(b)和步骤(d)中产生的的生物炭利用管道排出所述反应装置，维持***的连续运行。
其中，热载体加热是装置启动时燃烧生物油，装置正常运装时燃烧热裂解过程中生成的不可冷凝气体加热热载体，供应生物质废弃物热裂解所需的能量，节约能源，不污染环境。与生物质换热后的热载体首先在旋风分离器中将生物炭分离，然后经过管道输送到热载体加热***中，达到预定温度(560℃)的热载体输送到储球室中循环利用。热载体总量为7t，热载体循环量为70t/h。
分离过程是利用一组或多组旋风分离器，分离出热裂解蒸气中的碳粉及热载体中的碳粉，把碳粉通过管道输送到排炭***。
冷凝过程是高温的热裂解蒸气经过一组或者多组冷凝器，把热裂解蒸气中可冷凝的部分凝结为液体生物油，实现气态物质转变为液态物质的***。不可冷凝气体经过管道输送到热载体加热***中，其中可燃部分燃烧，供应热裂解反应所需的能量，不可冷凝气可循环利用，正常运行阶段不需要外界能量输入，只利用不可冷凝气体的燃烧就能提供热裂解反应所需能量。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明方法实施过程的工艺流程图
具体实施方式
如图1所示，在装置启动阶段，使用生物油燃烧供热，加热热载体，使整个***启动。热载体可采用沙子，陶瓷球及粉煤灰等惰性固体颗粒。当热载体加热到合适的温度(560℃)，启动进料***，把生物质废弃物原料输送到反应装置中，与热载体在气固并行向下流动过程中接触换热，使生物质废弃物发生热裂解反应，产生热裂解蒸气。热载体经分离后被输送到加热器中。热裂解蒸气中的固体物质通过分离***使得气固分离，得到副产物生物炭。热裂解蒸气进一步进入冷凝***，其中的可冷凝的热裂解蒸气被冷凝成液体燃料：生物油，剩余的不可冷凝气体，经由管道输送到加热器中燃烧加热热载体。
物质衡算：根据物质平衡原理，生物油的产率、生物炭的产率和不可冷凝气体的产率之和等于1。实际测试中，生物质废弃物消耗量、生物油产量、生物炭产量直接称重测得，从而得到生物油的产率、生物炭的产率，不可冷凝气体产率采用反平衡方法计算得到。
生物油收集后测定其含水率、黏度、密度、pH、热值、固含量、灰分等特性。含水率测定采用卡尔费休方法(KFT TITRINO plus 870水分测定仪，瑞士万通仪器公司，ASTM D1744)，测定标准参见ASTM D1744。黏度测定采用毛细管黏度计法(SYD-265H运动黏度测定仪，上海昌吉地质仪器有限公司)，测定标准参见ASTM D445。密度测定采用U型管震荡方法(DMA 4100M密度仪，奥地利安东帕有限公司，GB/T1884-2000)。pH测定采用pH计法(PHS-3CT精密pH计，上海雷磁仪器厂，GB11165-1989)。热值测定采用测量仪器：氧弹式热量计，XRY-1B，上海昌吉地质仪器有限公司，测定标准参见国标GB/T283以及ASTM D3286-91a。固体颗粒物含量的测量采用乙醇溶解法。灰分测定采用775℃受热后重量的差减法测定，仪器为马弗炉，测定标准参见国标GB/T508-85以及ASTM D482。所有的测定都采用三次重复，计算均值及方差。
实施例1
启动反应装置，燃烧生物油，加热热载体，达到预定温度(560℃)，以稻壳粉作为生物质废弃物原料，通过进料***输送到反应装置中，生物质废弃物的喂入率为2.33t/h。
生物质废弃物和热载体在下行过程中直接接触换热，热载体和生物质废弃物充分混合，并将其热量传给生物质废弃物。生物质废弃物瞬时(1-2s)被加热到500℃以上，生物质废弃物发生热裂解反应，生物质废弃物的挥发分和水分大部分形成热裂解蒸气。生物质废弃物的灰分和固定碳大部分形成生物炭。
热裂解反应后，热载体经分离后被输送到加热器中。利用一组或多组旋风分离器，分离出热裂解蒸气中的碳粉，实现气相和固相的分离，把碳粉通过管道输送到排炭***。
高温的热裂解蒸气经过一组或者多组冷凝器，把热裂解蒸气中可冷凝的部分凝结为液体生物油，实现气态物质转变为液态物质。不可冷凝气体经过管道输送到热载体加热***中，其中可燃部分燃烧加热热载体，不可冷凝气可循环利用，正常运行阶段不需要外界能量输入，只利用不可冷凝气体的热量就能提供热裂解反应所需能量。
与生物质废弃物换热后的热载体首先在旋风分离器中将生物炭分离，然后经过管道输送到热载体加热***中，达到预定温度(560℃)的热载体输送到储球室中循环利用。热裂解过程中生成的不可冷凝气体的可燃部分在加热***中燃烧，加热热载体，供应生物质热裂解反应所需的能量。
排炭***利用管道把热裂解蒸气中分离出的碳粉和热载体中分离出的碳粉排出装置，维持***的连续运行。
本实施例中装置运转时间为4.42h，生物油的产率为48.1％，生物炭的产率为26.0％，不可冷凝的气体产率为25.9％。具体生物油特性分析结果见表1。
实施例2
启动反应装置，燃烧生物油，加热热载体，达到预定温度(560℃)，以稻壳粉作为生物质废弃物原料，通过进料***输送到反应装置中，生物质的喂入率为2.17t/h。
生物质废弃物和热载体在下行过程中直接接触换热，热载体和生物质废弃物充分混合，并将其热量传给生物质废弃物。生物质废弃物瞬时(1-2s)被加热到500℃以上，生物质废弃物发生热裂解反应，生物质废弃物的挥发分和水分大部分形成热裂解蒸气。生物质废弃物的灰分和固定碳大部分形成生物炭。
热裂解反应后，热载体经分离后被输送到加热器中。利用一组或多组旋风分离器，分离出热裂解蒸气中的碳粉，实现气相和固相的分离，把碳粉通过管道输送到排炭***。
高温的热裂解蒸气经过一组或者多组冷凝器，把热裂解蒸气中可冷凝的部分凝结为液体生物油，实现气态物质转变为液态物质。不可冷凝气体经过管道输送到热载体加热***中，其中可燃部分燃烧加热热载体，不可冷凝气可循环利用，正常运行阶段不需要外界能量输入，只利用不可冷凝气的热量就能提供热裂解反应所需能量。
与生物质废弃物换热后的热载体首先在旋风分离器中将生物炭分离，然后经过管道输送到热载体加热***中，达到预定温度(560℃)的热载体输送到储球室中循环利用。热裂解过程中生成的不可冷凝气体的可燃部分在加热***中燃烧，加热热载体，供应生物质热裂解所需的能量。
排炭***利用管道把热裂解蒸气中分离出的碳粉和热载体中分离出的碳粉排出装置，维持***的连续运行。
本实施例中装置运转时间为80.42h，生物油的产率为46.3％，生物炭的产率为29.0％，不可冷凝的气体产率为24.7％。具体生物油特性分析结果见表1。
实施例3
启动反应装置，燃烧生物油，加热热载体，达到预定温度(560℃)，以稻壳粉作为生物质废弃物原料，通过进料***输送到反应装置中，生物质的喂入率为2.19t/h。
生物质废弃物和热载体在下行过程中直接接触换热，热载体和生物质废弃物充分混合，并将其热量传给生物质废弃物。生物质废弃物瞬时(1-2s)被加热到500℃以上，生物质废弃物发生热裂解反应，生物质废弃物的挥发分和水分大部分形成热裂解蒸气。生物质废弃物的灰分和固定碳大部分形成生物炭。
热裂解反应后，热载体经分离后被输送到加热器中。利用一组或多组旋风分离器，分离出热裂解蒸气中的碳粉，实现气相和固相的分离，把碳粉通过管道输送到排炭***。
高温的热裂解蒸气经过一组或者多组冷凝器，把热裂解蒸气中可冷凝的部分凝结为液体生物油，实现气态物质转变为液态物质。不可冷凝气体经过管道输送到热载体加热***中，其中可燃部分燃烧加热热载体，不可冷凝气可循环利用，正常运行阶段不需要外界能量输入，只利用不可冷凝气的热量就能提供热裂解反应所需能量。
与生物质废弃物换热后的热载体首先在旋风分离器中将生物炭分离，然后经过管道输送到热载体加热***中，达到预定温度(560℃)的热载体输送到储球室中循环利用。热裂解过程中生成的不可冷凝气体的可燃部分在加热***中燃烧，加热热载体，供应生物质热裂解所需的能量。
排炭***利用管道把热裂解蒸气中分离出的碳粉和热载体中分离出的碳粉排出装置，维持***的连续运行。
本实施例中装置运转时间为9.60h，生物油的产率为47.6％，生物炭的产率为31.0％，不可冷凝的气体产率为21.4％。具体生物油特性分析结果见表1。
实施例4
启动反应装置，燃烧生物油，加热热载体，达到预定温度(560℃)，以稻壳粉作为生物质废弃物原料，通过进料***输送到反应装置中，生物质的喂入率为3t/h。
生物质废弃物和热载体在下行过程中直接接触换热，热载体和生物质废弃物充分混合，并将其热量传给生物质废弃物。生物质废弃物瞬时(1-2s)被加热到500℃以上，生物质废弃物发生热裂解反应，生物质废弃物的挥发分和水分大部分形成热裂解蒸气。生物质废弃物的灰分和固定碳大部分形成生物炭。
热裂解反应后，热载体经分离后被输送到加热器中。利用一组或多组旋风分离器，分离出热裂解蒸气中的碳粉，实现气相和固相的分离，把碳粉通过管道输送到排炭***。
高温的热裂解蒸气经过一组或者多组冷凝器，把热裂解蒸气中可冷凝的部分凝结为液体生物油，实现气态物质转变为液态物质。不可冷凝气体经过管道输送到热载体加热***中，其中可燃部分燃烧加热热载体，不可冷凝气可循环利用，正常运行阶段不需要外界能量输入，只利用不可冷凝气的热量就能提供热裂解反应所需能量。
与生物质废弃物换热后的热载体首先在旋风分离器中将生物炭分离，然后经过管道输送到热载体加热***中，达到预定温度(560℃)的热载体输送到储球室中循环利用。热裂解过程中生成的不可冷凝气体的可燃部分在加热***中燃烧加热热载体，供应生物质热裂解所需的能量。
排炭***利用管道把热裂解蒸气中分离出的碳粉和热载体中分离出的碳粉排出装置，维持***的连续运行。
本实施例中装置运转时间为6.17h，生物油的产率为53.2％，生物炭的产率为30.0％，不可冷凝的气体产率为16.8％。具体生物油特性分析结果见表1。
表1 生物油的特性分析
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用生物质废弃物生产燃料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)、粉碎生物质废弃物，并将粉碎后的生物质废弃物送入反应装置，采用螺杆上料或负压上料工艺，进料速率为1-3t/h；
b)、使所述粉碎后的生物质废弃物与所述反应装置中的热载体在气固并行向下流动的过程中直接接触换热，使所述生物质废弃物发生热裂解反应，生成生物炭和热裂解蒸气；
c)、将步骤(b)中所得的热裂解蒸气与生物炭分离，及将热载体与生物炭分离；
d)、进一步分离步骤(c)热裂解蒸气中混入的炭，以及分离步骤(c)热载体中混入的炭；
e)、将步骤(d)中所得的热裂解蒸气冷凝，生成生物油和不可冷凝气体；所述方法还包括将步骤(b)和步骤(d)中的产生的生物炭利用管道排出所述反应装置，维持***的连续运行。
2.如权利要求1所述的利用生物质废弃物生产燃料的方法，其特征在于，在步骤(a)之前，还包括步骤(f)，所述步骤(f)为：启动所述反应装置，加热所述反应装置中的热载体。
3.如权利要求1所述的利用生物质废弃物生产燃料的方法，其特征在于，在步骤(e)之后，还包括步骤(g)，所述步骤(g)为：步骤(e)中的不可凝气体和步骤(d)中除炭后的热载体均进入加热器，不可凝气体燃烧加热热载体，加热后的热载体进入储球室备用，继续与生物质废弃物热交换，使生物质废弃物发生热裂解反应。
4.如权利要求3所述的利用生物质废弃物生产液体燃料的方法，其特征在于，热载体在反应装置内循环。
5.如权利要求1所述的利用生物质废弃物生产液体燃料的方法，其特征在于，所述热载体为沙子、陶瓷球或粉煤灰惰性固体颗粒。
6.如权利要求1所述的利用生物质废弃物生产液体燃料的方法，其特征在于，所述步骤(b)具体为：粉碎后的生物质废弃物和热载体在气固并行向下流动的过程中接触换热，热载体和粉碎后的生物质废弃物混合，并将热量传给粉碎后的生物质废弃物；粉碎后的生物质废弃物在1-2s内被加热到500℃以上，发生热裂解反应，粉碎后的生物质废弃物的挥发成分和水分形成热裂解蒸气，生物质废弃物中的灰分和固定碳形成生物炭。
7.如权利要求1所述的利用生物质废弃物生产液体燃料的方法，其特征在于，所述步骤(e)具体为：将步骤(d)中所得的热裂解蒸气经过位于所述反应装置中的一组或者多组冷凝器，热裂解蒸气中的可冷凝部分凝结为所述生物油。
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