CN1962818A - 快速热裂解技术制取生物质油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种利用快速热裂解技术每小时处理500公斤稻壳粉，日产一吨生物质油的方法，该方法包括对物料进行干燥、粉碎，然后将处理后的物料通过送料***输送到反应器中进行热裂解反应，并将反应得到的产物进行分离得到所述的生物质油。本发明提供了一种新的解决能源问题的方案，充分利用了造成环境污染的废弃材料，从而具有显著的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种制取生物质油的方法，特别是涉及一种利用快速热裂解技术每小时处理500公斤稻壳粉，日产一吨生物质油的方法。
背景技术
能源是人类社会存在与发展的重要物质基础之一。过去的200多年中，能源主要依靠以煤炭、石油、天然气为基础的能源体系。然而以上这些资源日益枯竭和环境不断恶化，给地球带来了严重后果，并威胁着人类的生存与发展。步入21世纪的今天，关系国家安全和经济社会可持续发展的能源问题，已成为当今世界各国所面临的中心议题。
生物质能作为世界一次能源消费中的第四大能源资源，它在历史长河中与人类生活息息相关，是可存储和运输的可再生能源，在人类未来的能源***中也将占有重要地位。
生物能是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，以生物质为载体的能量，可转化为常规的固态、气态和液态燃料。它是取之不尽、用之不竭的一种可再生新能源。从广义而论，生物质能应该属于太阳能的一种表现形式。
生物质能转化利用的技术途径，主要包括燃烧、热化学法、生化法、化学法和物理化学法等。国内外已有的生物质能转化利用的技术的流程如图1所示。
我国是人口众多的农业国家，生物质能在我国的能源结构中占有相当重要的地位，尤其在广大农村地区，生物质能曾经是最重要的能源。但是，长期以来，大多生物质能的利用以直接燃烧为主，不仅热效率低下，而且伴随着大量的烟尘和余灰的排放，成为阻碍农村经济和社会进步的重要因素之一。随着科学技术的发展和进步，生物质能可以通过各种转换技术高效地加以利用，生产各种清洁燃料和电力，以替代煤炭、石油和天然气等矿物燃料。所以，开发与利用生物质能源，对实现可持续发展、保障国家能源安全、改善生存环境和减少排放二氧化碳，都具有重要作用和实际意义。
在较为接近商品能源产区的农村地区或富裕的农村地区，商品能源(煤、液化气、电)已成为其主要的炊事和生活用能，以传统方式燃烧的秸秆首先成为被替代的对象，致使废弃田间地头的秸秆量逐年增加。许多地区燃烧废弃秸秆的现象已延续多年，屡禁不止，造成了严重的大气污染。特别是在收获季节集中燃烧排放，使大气质量严重恶化，已经多次发生航空机场关闭和高速公路追尾撞车的事故，成为各级政府关切的一个严重社会问题。随着今后我国农村现代化水平的提高，这种浪费和污染的情况将越来越严重。所以利用高效的生物质转换技术，将废弃的生物质资源转换为高品位的燃油、燃气和电能，不仅可以提高农业产出，增加农民收入，减轻农民劳动强度，又可减少污染、促进生态的良性循环。
现有技术中也公开了一些关于制备生物质油的方法。据文献载，在美国建立了不同裂解方法的实验装置，每小时生产容量从几十至几百公斤，最高产油率70％左右。意大利也建立500kg/h的装置。加拿大开发了多种工艺实验，并有较大实验装置，日加工能力200T。我国与美欧一些国家相比，对该项技术研究起步较迟缓，近十年来，沈阳农大、浙江大学、中科院和山东理工大学等单位做了一些这方面实验室的工作，最近未见有新进展的报道。
但是，这些方法存在一些有待改进的地方，比如提高原料的适应性和产油率，减少反应器中的结焦现象，以及持续稳定的送料等等。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的制取生物质油的方法存在的缺陷，而提供一种新的快速热裂解技术制取生物质油的方法，所要解决的技术问题是提供一种自动控制的送料***，保证裂解反应在无氧状态下进行，从而更加适于实用。
本发明的另一目的在于，提供一种在快速热裂解技术制取生物质油的方法中使用的冷凝方法。
本发明的还一目的在于，提供一种适于更广泛的原料，在降低原材料成本的同时，提高生物质燃料的产率，并且同时开发具有价值的生物质油副产品和更经济高效的转化设备和技术，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种快速热裂解技术制取生物质油的方法，该方法包括对物料进行干燥、粉碎，然后将处理后的物料通过送料***输送到反应器中进行热裂解反应，并将反应得到的产物进行分离得到所述的生物质油，该方法还包括以下步骤：(a)首先在物料与空气接触的状态下，送料***用传统的螺旋推进法将物料输送到储料箱中；(b)将储料箱的物料通过气流输送到设有确定物料添加量的传感器的添料箱中；(c)添料箱中的传感器确定物料的堆积度达到预先确定的标准后，设置在添料箱上的电子开闭阀自动关闭添料箱顶盖，使物料处于无氧状态；以及(d)添料箱的电子开闭阀关闭的同时，料仓的电子开闭阀开启并启动脉冲给料机，将物料通过管道吸入料仓，堆积度达标时传感器指令料仓电子开闭阀关闭的同时开启添料箱的电子开闭阀，相应的物料被脉冲气流输送到热裂解反应器中。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其中所述的干燥后的物料的含水量不大于10％，粉碎后的物料的粒径为1-1.5mm。
前述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，物料在反应器中的停留时间为1-3秒。
前述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其中所述的热裂解反应的最高温度为650℃，并按照如下程序分阶段进行：第一阶段在120℃-150℃下进行，第二阶段在150℃-280℃下进行，第三阶段在280℃-450℃下进行，以及第四阶段在450℃-650℃下进行。
前述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其中该方法还包括将热裂解反应器中得到的固体产物输送到除尘器中进行处理、得到固体产物炭的步骤。
前述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其中所述的除尘器为旋风分离器。
前述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其中该方法还包括将热裂解反应器中得到的气体产物输送到冷凝***中进行冷凝，然后用生物油质收集罐收集冷凝得到的生物质油，并将得到的不可冷凝气一部分送入循环气体压缩机进入储气罐，作为热源进入热裂解反应器中。
其中的冷凝***中包括两个连接的冷凝器，第一冷凝器的温度为50℃-70℃，第二个冷凝器的温度为-2℃-2℃。
前述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其中所述的第一冷凝器通常在1-2秒内将气体争冷至350℃以下，第二个冷凝器在制冷下的温度约为0℃，第一冷凝器和第二冷凝器之间垂直设置。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：
本发明提出一种快速热裂解技术制取生物质油的方法，该技术是指生物质在基本无氧气(与空气隔绝)的条件下，利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转变为低分子物质的过程。通过这一热化学转换过程生成液体生物油，可燃气体和固体生物质炭三部分产物。生物质热裂解反应基本过程可分类四个阶段：
1、干燥阶段：靠外部供热加温120℃-150℃，使釜中物料蒸发出水分。此阶段物料化学组分基本不变。
2、预炭化阶段(预热裂解)：升温150℃-280℃时，物料热裂解反应比较明显，化学组分开始变化，不稳定成份(如半纤维素)分解成CO2、CO和少量醋酸等物质。
3、炭化阶段(固体分解)：升温280℃-450℃时，物料急剧分解出大量产物，且释放大量反应热，为放热反应阶段。生成产物中含有醋酸，木焦油和甲醇(冷却时可析出)。还有CO2、CO、CH4、H2等气体。
4、煅烧阶段：此阶段的温度范围为450℃-650℃。将图体产物中的C-H、C-O键进一步裂解，除去残留在木炭中的挥发物质，从而提高固定炭的质量。
以上四个阶段无明显界限连续进行。
生物质快速热裂解使用的反应器主要类型有：夹带流反应器、真空反应器、固定床反应器、转窑反应器(含旋转锥、旋转螺旋反应器)、烧蚀板反应器、烧蚀涡流反应器、液化床反应器(含循环液化床反应器)。
本发明中的热裂解反应器是温度在650℃以内、总压力在8kpa的条件下运行。
借由上述技术方案，本发明快速热裂解技术制取生物质油的方法至少具有下列优点：
1、本发明快速热裂解技术制取生物质油的技术对原料的适应能力强；因而可以降低原材料成本。
2、本发明快速热裂解技术制取生物质油的技术生物质燃料的产率高(45％-70％)，并同时能够开发出具有广泛使用价值的生物质油副产品，如本发明中得到的副产品炭，可用作民用燃料、冶炼高质量的有色金属和铸铁的燃料、作机械零件的渗炭剂、可制成石墨和活性炭；裂解反应产生的不可冷凝气体也可用作燃料。
3、本发明快速热裂解技术制取生物质油的技术的转化设备和技术和现有技术相比，更加经济高效。
4、本发明采用二级快速冷凝。因此避免了大分子挥发气体在较高温度下进一步裂解成不可冷凝的小分子气体，从而提高了生物油的产量。
综上所述，本发明特殊结构的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其具有上述诸多的优点及实用价值，，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的制取生物质油的方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1是现有技术的生物质能转化利用的流程示意图。
图2是本发明快速热裂解技术制取生物质油的方法示意图。
1：储料箱 2：添料箱 3：料仓
4：电子开闭阀 5：压力泵 6：热裂解反应器
7：气体流量计 8：气体塔 9：旋风除尘器
10：冷凝器 11：水封罐 12：集油器
13：储油罐 14：压缩机 15：储气罐
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的快速热裂解技术制取生物质油的方法其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图2所示，本发明较佳实施例的快速热裂解技术制取生物质油的方法主要包括如下一些反应单元，即图2中所示的储料箱1、添料箱2、料仓3、电子开闭阀4、压力泵5、热裂解反应器6、气体流量计7、气体塔8、旋风除尘器9、冷凝器10、水封罐11、集油器12、储油罐13、压缩机14和储气罐15。
具体流程如下。
首先采用传统的螺旋推进器将1-1.5mm粒径的物料在与空气相混状态中送入储料箱1；通过给料压力泵利用热裂解自身产生的气体，将储料箱1中的物料用气流送入添料箱2，箱中传感器确定物料堆积度达标(预先确定的标准)后，指令电子开闭阀4自动关闭料箱顶盖，使物料处于无氧状态；添料箱电子开闭阀4关闭的同时，料仓3的电子开闭阀4开启并启动脉冲给料机将物料通过管道吸入料仓3中，堆积度达标时传感器指令料仓3的电子开闭阀4关闭。物料被脉冲气流送入热裂解反应器6中。料仓3电子开闭阀4关闭的同时，添料箱2的电子关闭阀4开启，如此交替接连运行，保证了整体装置的连续生产。物料在裂解反应器6中反应，得到的气体产物输送到气体塔8中进行缓冲，然后通过旋风除尘器9将固体产物分离下来，并继续将气体产物输送到冷凝器10中进行冷凝分离。冷凝分离得到的产物经过水封罐11和集油器12的分离后，气体部分(不凝气)通过压缩机14输入到储气罐15中，并通过气体流量计7计量输送到裂解反应器6中；液体部分(即生物质油)输送到储油罐13中进行储存。
实施例
本实施例的实施方案如下。试验规模伟500kg/h(每小时吞吐物料500kg，日产生物质油1-2吨)。
(1)干燥：为了避免物料中过多的水份被带到生物油中去，必须对物料进行干燥，本实施例采用电机功率为7.5KW山地牌烘干机，每小时可烘干物质700kg。烘干后的物料要求含水量不大于8％。
(2)粉碎：为提高生物质油的产出率，需对物料进行粉碎。这对提高加热速率十分必要。因为物料足够小的粒径是确保高加热速率的重要条件之一。本实施例以稻壳为物料；其粒径为1-1.5mm。
(3)送料。输送物料是热裂解流程中重要技术环节之一。因为生物质热裂解是生物质(物料)在完全缺氧或有限氧供给的条件下，将粒径很小的物料输送到热裂解反应器中的。进料采用以螺旋推进与气体推进相结合的方法。
(4)热裂解反应。热裂解反应温度范围为120-650℃。最高温度为600-650℃。气相停留时间小于3s，加热速率可达2000k/s。控制热裂解液化的技术的另一关键在于要有很高的加热速率和热传递速率，严格控制温度以及热裂解挥发分的快速冷却。本发明可以利用裂解反应产生的不可冷凝气体作燃料。热裂解燃烧室温度在120℃-150℃过程中，主要是将物料所含水份进一步蒸发脱其水份，温度在150℃-280℃过程中，物料反应比较明显不稳定的成份，比如半纤维素等化学组分开始生成CO2、CO和少量醋酸等物质。经上一般属于吸热反应阶段。当温度在280℃-450℃时，物料急剧进行热分解，生产大量的分解产物，这一固体分解(炭化)阶段释放大量的反应热以上一般为放热反应阶段。温度由450℃-650℃过程中，C-H、C-O键进一步被裂解，生成液体产物有醋酸，木焦油和甲醇(冷却时析出来)；气体产物中有CO2、CH4、H2等，可燃成份增加。以上几个反应阶段之间没有明显界限，它们是连续不间断进行的。
(5)锻烧后热裂解反应器中的气体产物进入气体塔经水喷处理后进入冷凝程序。从热裂解反应器中固体产物进入除尘器，优选为旋风分离器收集木炭产品。
(6)冷凝。采用二级快速冷凝。经过水喷过程的油蒸汽和气体产物通过两个连接的冷凝器，这两个冷凝器是垂直的，冷凝器顶部设有清洁塞口，底部设有生物油收集罐。第一个冷凝器维持将气体温度降低至350℃以下；第二个冷凝器使用大约在0℃冷水做为冷凝介质。生物油在冷凝器中冷凝并被收集，生成的气体通过过滤器滤除雾状焦油，一部分送入循环气体压缩机进入储气罐。作为热源进入反应器的燃烧室。
试验结果如下。
反应产物中主要包括生物质油、炭、不可凝气体。现分述如下。
(1)以稻壳为实验物料，生物质油的产油率为45％。得到的生物质油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，其主要包括醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇。生物质油的物性和组成数据如表1所示。
表1
| 物理性质 | 典型值 | 物理性质 | 典型值 |
| 含水率/％ | 15-30 | N | 0.1 |
| PH值 | 2.5 | 灰 | 0.1 |
| 相对密度 | 1.20 | 高位热值(随含水率变化)MJ·kg-1 | 16-19 |
| 元素分析/％ | |||
| C | 56.4 | 黏度(40℃，25％含水量)/cP | 40-100 |
| H | 6.2 | 固体杂质(炭)％ | 1 |
| O | 37.3 | 真空蒸馏 | 最大降解量为50％ |
(2)炭
得到的木炭分为白炭和黑炭。具体组成如表2。
表2
| 木炭类别 | C | H | O+N | 灰分 |
| 白炭 | 90-96 | 0.1-2.4 | 2.00-6.57 | 1.04-3.66 |
| 黑炭 | 79-94 | 1.0-4.0 | 3.03-9.44 | 0.91-3.80 |
(3)不可冷凝气体
反应得到的不可冷凝气体是一种可燃气体，用气体相色谱法检测其成分，结果见表3。
表3
| 项目 | N2 | CO | CH4 | CO2 | O2 | H2 | H2O及其他 |
| 试验1 | 4.01 | 26.06 | 5.79 | 8.80 | 0.94 | 2.75 | 8.65 |
| 试验2 | 53.08 | 26.42 | 4.79 | 5.12 | 1.80 | 1.85 | 6.94 |
由表3可知，不可冷凝气体主要由CO、CH4、CO2、H2和水蒸气组成。N2为热裂解过程中通入的载气，O2可能是气体采样时带入的空气。不可冷凝气体含量主要受反应温度影响，极易燃烧，其燃烧火苗达1m以上，因此通过设计可成为热裂解装置的热源。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1、一种快速热裂解技术制取生物质油的方法，该方法包括对物料进行干燥、粉碎，然后将处理后的物料通过送料***输送到反应器中进行热裂解反应，并将反应得到的产物进行分离得到所述的生物质油，其特征在于该方法还包括以下步骤：
(a)首先在物料与空气接触的状态下，送料***用传统的螺旋推进法或提升法将物料输送到储料箱中；
(b)将储料箱的物料通过气流输送到设有确定物料定量的传感器的添料箱中；
(c)添料箱中的传感器确定物料的堆积度达到预先确定的标准后，设置在添料箱上的电子开闭阀自动关闭添料箱顶盖，使物料处于无氧状态；以及
(d)添料箱的电子开闭阀关闭的同时，料仓的电子开闭阀开启并启动脉冲给料机，将物料通过管道吸入料仓，堆积度达标时传感器指令料仓电子开闭阀关闭的同时，又开启添料箱的电子开闭阀，相应的物料被脉冲气流输送到热裂解反应器中。
2、根据权利要求1所述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其特征在于其中所述的干燥后的物料的含水量不大于10％，粉碎后的物料的粒径为1-1.5mm。
3、根据权利要求1所述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其特征在于其中物料在反应器中的停留时间为0.5-3秒。
4、根据权利要求1所述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其特征在于其中所述的热裂解反应的最高温度为650℃，并按照如下程序分阶段进行的：第一阶段在120℃-150℃下进行，第二阶段在150℃-280℃下进行，第三阶段在280℃-450℃下进行，以及第四阶段在450℃-650℃下进行。
5、根据权利要求1-4中任一权利要求所述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其特征在于该方法还包括将热裂解反应器中得到的固体产物输送到除尘器中进行处理、得到固体产物炭的步骤。
6、根据权利要求5所述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其特征在于其中所述的除尘器为旋风分离器。
7、根据权利要求1-5中任一权利要求所述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其特征在于该方法还包括将热裂解反应器中得到的气体产物输送到冷凝***中进行冷凝，然后用生物油质收集罐收集冷凝得到的生物质油，并将得到的不凝气一部分送入循环气体压缩机进入储气罐中，另一部分气体作为热源进入热裂解反应器中。
8、、根据权利要求7所述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其特征在于其中的冷凝***中包括两个连接的冷凝器，第一冷凝器的温度为50℃-70℃，第二个冷凝器的温度为-2℃-2℃。
9、根据权利要求8所述的快速热裂解技术制取生物质油的方法，其特征在于其中所述的第一冷凝器通常在1-2秒内将气体急冷至350℃以下，第二个冷凝器在制冷下的温度约为0℃，极大限度地增加了产生物质油的产出量。第一冷凝器和第二冷凝器之间垂直设置。
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