本發明涉及生物質熱解，具體涉及一種熱解處理生物質的系統及方法。

背景技術：

生物質能是太陽能以化學能形式蘊藏在生物質中的一種能量形式，它直接或間接地源于植物的光合作用，是以生物質為載體的能量。目前世界各國為了實現國家經濟的可持續發展，都在致力于開發高效無污染的生物質能利用技術，以保護本國的礦物能源資源。生物質熱解是指生物質在沒有氧化劑(空氣、氧氣、水蒸氣等)存在或只提供有限氧的條件下，加熱到逾500℃，通過熱化學反應將生物質大分子物質分解成較小的燃燒物質(固態炭、可燃氣、生物油)的熱化學轉化技術方法。

生物質熱解反應過程中，會發生著復雜的化學變化和物理變化。從反應進程來分析生物質的熱解過程大致可以分為三個階段：預熱解階段：溫度上升至120-200℃時，即使加熱很長時間，原料重量也只有少量減少，主要是H₂O、CO和CO受熱釋放所致，外觀無明顯變化，但物質內部結構發生重排反應，如脫水、斷鍵、自由基出現、碳基、羧基生成和過氧化氫基團形成等；固體分解階段：溫度為300-600℃，各種復雜的物理、化學反應在此階段發生，生物質中的纖維素、木質素和半纖維素在該過程先通過解聚作用分解成單體或單體衍生物，然后通過各種自由基反應和重排反應進一步降解成各種產物；焦炭分解階段：焦炭中的C-H，C-O鍵進一步斷裂，焦炭質量以緩慢的速率下降并趨于穩定，導致殘留固體中碳素的富集。

現有的生物質熱解工藝較復雜，且熱解爐熱解效率低，導致熱解生物質的成本高。

技術實現要素：

本發明的目的是為了提供一種工藝簡單、成本低廉的熱解生物質的新工藝。

本發明首先提供了熱解處理生物質的系統，該系統包括：

烘干裝置，具有生物質入口和烘干生物質出口；

快速熱解反應器，具有熱解原料入口、熱解油氣出口和半焦出口，所述熱解原料入口與所述烘干裝置的烘干生物質出口相連；

旋風分離器，具有熱解油氣入口和凈油氣出口，所述熱解油氣入口與所述快速熱解反應器的熱解油氣出口相連；

冷凝器，具有凈油氣入口、生物油出口和熱解氣出口，所述凈油氣入口與所述旋風分離器的凈油氣出口相連；

所述快速熱解反應器內設置有多個金屬擋板組件，所述金屬擋板組件包括水平擋板和斜板，所述水平擋板在所述斜板下方；所述水平擋板的一端和所述斜板的一端分別與所述快速熱解反應器的內側壁相連，所述水平擋板的另一端和所述斜板的另一端相連并形成夾角；上下相鄰的兩個金屬擋板組件相對地設置在所述快速熱解反應器的兩內側壁上。

在本發明的一個實施方案中，所述快速熱解反應器包括多層輻射管，所述輻射管錯列分布于所述快速熱解反應器內，所述輻射管為單向蓄熱式輻射管，所述輻射管按層單獨控溫。

本發明進一步提供了一種利用上述系統處理生物質的方法，該方法包括如下步驟：

準備熱解用生物質；

將所述生物質送入所述烘干裝置進行干燥；

將所述生物質送入所述快速熱解反應器進行熱解，獲得熱解油氣和半焦；

將所述熱解油氣送入所述旋風分離器除去固體雜質，然后再送入所述冷凝器，獲得生物油和熱解氣。

在本發明的一個實施方案中，所述生物質的粒徑≤2mm。

在本發明的一個實施方案中，在200℃-250℃的溫度下對所述生物質進行烘干。

在本發明的一個實施方案中，所述生物質在熱解時還會產生煙氣，用所述煙氣對所述生物質進行干燥。

在本發明的一個實施方案中，所述快速熱解反應器設有干燥脫水區、熱解反應區和半焦生成區。

在本發明的一個實施方案中，在600℃-700℃的溫度下對所述生物質進行干燥脫水。

在本發明的一個實施方案中，在500℃-700℃的溫度下對所述生物質進行熱解。

在本發明的一個實施方案中，將所述半焦生成區的溫度控制在500℃-600℃。

本發明采用了蓄熱式快速熱解反應器熱解生物質，無熱載體，反應工藝簡單，且溫度分布均勻，系統熱效率高。其內部溫度場由輻射管提供，同時根據通過控制不同的溫度區域來精確的調節干燥脫水區、熱解反應區、半焦生成區的溫度，可操作性強，燃燒效率高，節能效果好。

熱解產物中的熱態半焦由熱解爐底部排出，經排渣冷卻螺旋冷卻得到冷態半焦直接進入半焦收集裝置，對熱態焦油和熱解氣分別冷卻凈化處理，對熱解產品進行了綜合利用。

附圖說明

圖1為本發明一實施例提供的一種熱解生物質的結構示意圖；

圖2為本發明一實施例提供的一種熱解生物質的工藝流程圖。

圖中：1、進料料斗；2、蓄熱式快速熱解反應器；3、一級旋風除塵器；4、二級旋風除塵器；5、半焦收集裝置；6、冷凝器；7、冷凝水管路；8、儲油罐；9、集氣罐；10、料斗；11、提升管。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

需要說明的是，本發明中的“水平擋板”指得是水平放置的金屬擋板，“斜板”指得是傾斜放置的金屬擋板，“輻射管”指得是蓄熱式無熱載體輻射管。此外，術語“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明，而不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此，不能理解為對本發明的限制。

如圖1所示，本發明提供的熱解生物質的系統包括：進料料斗1、蓄熱式快速熱解反應器2(本申請中也簡稱反應器)、一級旋風除塵器3、二級旋風除塵器4、半焦收集裝置5、冷凝器6、冷凝水管路7、儲油罐8、集氣罐9、料斗10和提升管11。

進料料斗1具有生物質入口和生物質出口。

參考圖1，本發明使用的蓄熱式快速熱解反應器2包括反應器本體、輻射管、金屬擋板組件。輻射管沿著反應器的高度多層布置于反應器本體內，金屬擋板組件設置在反應器本體的內側壁上，反應器本體上設有熱解原料入口、半焦出口、燃料氣進口、空氣入口、煙氣出口和熱解油氣出口，其中，熱解原料入口與進料料斗1的生物質出口相連。

本發明提供的蓄熱式移動床熱解反應器采用了蓄熱式無熱載體輻射管加熱技術，無需氣、固熱載體，提高了熱解氣的熱值，該反應器結構簡單、占地面積小，易于工業化。物料在進料料斗1中經螺旋進料器進入蓄熱式移動床反應器中，生物質在下落過程中，與輻射管充分接觸，在熱解過程中生物質實現導熱、對流和輻射綜合換熱，生物質的傳熱速率大于500℃/S。

金屬擋板組件是由水平擋板和斜板組成的，水平擋板在斜板的下方，水平擋板的一端和斜板的一端分別與反應器本體的內側壁相連，水平擋板的另一端和斜板的另一端相連并形成夾角。

生物質從進料口進入后，開始下落，碰到斜板后，被彈起，然后再下落；生物質每碰到一次斜板，即被彈到一定高度，其下落速度被減緩，因此，增加了生物質在熱解反應器內的停留時間。此外，斜板還起到對生物質的引流作用，增加了生物質在反應器本體內移動的距離，這也能增加生物質在熱解反應器內的停留時間。水平擋板用于支撐斜板。金屬的熱傳導性好，采用金屬擋板組件能提高生物質熱解的效果。

因此，添加金屬擋板組件后，反應器的高度可降低。若不改變反應器本體的高度，添加金屬擋板組件后，可將輻射管的垂直間距加大，從而可減少反應器內輻射管的數量。

參考圖1，根據本發明的實施例，反應器2和進料漏斗1之間還連接有螺旋進料器，反應器2的半焦出口與螺旋出料器相連。進料料斗1和螺旋進料器用于將生物質送入反應器2中，螺旋出料器用于將生物質熱解后產生的固體產物運送至下一工段。螺旋進料器和螺旋出料器并不是必要裝置，可視現場情況和具體的工藝決定是否要添加。

還可將螺旋出料器與一間冷裝置相連，用冷卻介質冷卻從螺旋出料器排出的高溫半焦，并回收熱量。

水平擋板和斜板形成夾角的具體角度范圍為15°-60°時，生物質在熱解反應器內既能充分熱解，也不會堆積在斜板432上。進一步地，夾角的角度范圍為20°-45°為最優方案。水平擋板的水平長度為反應器本體的寬度(其內壁的寬度)的1/3-1/2。

如圖1所示，金屬擋板組件最佳的位置為兩層輻射管之間，金屬擋板組件可根據需要設置在某層輻射管的上方或下方。上下相連的兩個金屬擋板組件相對的設置在反應器本體的兩側。這樣設置有利于增加生物質在反應器2中的停留時間，使其熱解更完全。若要想再增加生物質在反應器2中的停留時間，可在兩層輻射管中間設置相對地設置兩個金屬擋板組件。

進一步地，且水平擋板與位于它下方、并距它最近的輻射管的中心的距離為該輻射管直徑的1-1.5倍。此時，位于斜板上的含碳燃料能更好的被熱解。輻射管為公稱直徑為200-300mm的圓形管，左右相鄰的兩輻射管的水平間距為200-400mm，上下相鄰的兩輻射管的豎直間距為500-1200mm。

如圖1所示，輻射管錯列分布于反應器2內，輻射管為單向蓄熱式輻射管，輻射管按層單獨控溫。

反應器本體的高度為5-20m、寬度(其內壁的寬度)為2-6m、長度(其內壁的長度)為5-15m，反應器本體中輻射管的層數為10-25層。燃料氣進口和空氣入口分別與輻射管相連。

如圖1所示，熱解油氣從右上側部出來，并利用兩級旋風分離結構除去熱解油氣中的固體半焦，降低了焦油含塵量，以便后續能對熱解油氣進一步加工。圖1所示的除塵裝置包括兩個一級旋風除塵器3和兩個二級旋風除塵器4，旋風除塵器除塵效率高，兩級除塵能有效的將熱解油氣中的半焦清除。當然，也可選用其他除塵裝置。

如圖1所示，一級旋風除塵器3和二級旋風除塵器4具有熱解油氣入口、凈油氣出口和排灰口，其中，一級旋風除塵器3的進氣口與蓄熱式快速熱解反應器2的熱解油氣出口相連。從二級旋風除塵器4排出的半焦進入半焦收集裝置5中儲存，另做他用。

冷凝器6具有凈化油氣入口、熱解油出口和熱解氣出口；凈化油氣入口和一級旋風除塵器3的凈化油氣出口相連。如圖1所示，冷凝器6連接有冷凝水管路7，用循環水與從高溫油氣換熱，冷卻高溫油氣，并回收熱量。當然，也可采用其他方式冷卻高溫油氣。

高溫油氣冷卻后，其中的熱解油變為液體，從熱解油出口排出，進入儲油罐8中儲存，剩下的熱解氣送入集氣罐9中儲存。

如圖1所示，進料料斗1前還設有料斗10和提升管11。提升管11內通有熱空氣，在輸送的過程中干燥生物質。料斗10和提升管11之間用螺旋進料器連接。提升管11設有進料口、熱空氣入口、出料口和空氣出口。

圖2為本發明提供的利用上述系統熱解生物質的工藝流程圖。生物質經料斗10由提升管11送入進料料斗1中進行熱解。提升管12中通入了200℃-250℃的熱空氣，在輸送的過程中一并對生物質進行干燥。

熱解后的半焦由螺旋出料器排出，冷卻后儲存。熱解油氣從反應器2的側部排出，經過一級旋風分離器3和二級旋風分離器4后收集下來的細半焦進入半焦收集裝置5，經過兩級旋風分離后較純凈的熱解油氣送入冷凝器6內快速冷卻，熱解油蒸汽被冷卻，形成熱解油進入儲油裝置8，從冷凝器6出來的熱解氣進入集氣罐9中儲存備用。

進入反應器2中生物質的粒徑≤2mm時，熱解的效果的較好。

熱解生物質時，將輻射管的管壁溫度控制在550-700℃范圍，生物質在反應器2中自上而下停留5-10s，被加熱到550-650℃，進行熱解。燃氣入口和空氣入口分別和輻射管相連，在輻射管內燃燒，產生的熱煙氣經與空氣換熱后，降溫至約200℃。熱煙氣可用來干燥進入反應器的生物質，進一步提高了反應器效率和燃燒效率。

由于每根輻射管可單獨控溫，可將反應器2自上而下分為三個區：干燥脫水區、熱解反應區、半焦生成區。將干燥脫水區的溫度控制在600-700℃。將干燥脫水區的溫度設置得較高的目的是為了快速脫去入爐料所含的水分，此外還可以減少干燥脫水區長度。將熱解反應區的溫度控制為500-700℃、半焦成熟區的溫度為500-600℃。

下面參考具體實施例，對本發明進行說明。下述實施例中所取工藝條件數值均為示例性的，其可取數值范圍如前述發明內容中所示。下述實施例所用的檢測方法均為本行業常規的檢測方法。

實施例1

利用圖1所示的系統對玉米秸稈進行熱解處理。反應器2中，水平擋板與斜板的夾角為40°，水平擋板的水平長度1m，水平擋板與位于它下方、并距它最近的輻射管的中心的距離為300mm，輻射管是公稱直徑為200mm的圓形管，左右相鄰的兩輻射管的水平間距為200mm，上下相鄰的兩輻射管的豎直間距為600mm。反應器本體的高度為5m、內壁的寬度為2m、內壁的長度為5m，有25層輻射管。

該玉米秸稈的成分分析如表1所示。熱解工藝流程如圖2所示，具體如下：

將玉米秸稈干燥、破碎，選取粒徑≤2mm的玉米秸稈送入反應器2中進行熱解。往提升管11中通入200℃的熱空氣。每根輻射管單獨控溫，反應器自上而下設有三個區：干燥脫水區、熱解反應區和半焦生成區。往輻射管中分別通入燃料氣和空氣，將干燥脫水區的溫度控制在600℃、熱解反應區的溫度在控制700℃，半焦成熟區的溫度控制在500℃。玉米秸稈自上而下依次通過干燥脫水區、熱解反應區和半焦生成區，完成熱解過程。熱解產生的熱解油氣經過兩級旋風除塵后冷凝分離成熱解油和熱解氣，分別收集儲存。半焦冷卻后，也收集儲存。

熱解還會產生煙氣，煙氣從煙氣出口中排出反應器本體外，煙氣與空氣換熱后會降溫至200℃左右。將降溫后的煙氣用于干燥進入反應器2的玉米秸稈，這樣能進一步提高反應器效率和燃燒效率。

本實施例具體的工藝操作參數請見表2。表3為本實施例的物料平衡表。

實施例2

利用圖1所示的系統對蘆葦進行熱解處理。反應器2中，水平擋板與斜板的夾角為45°，水平擋板的水平長度2m，水平擋板與位于它下方、并距它最近的輻射管的中心的距離為240mm，輻射管是公稱直徑為200mm的圓形管，左右相鄰的兩輻射管的水平間距為300mm，上下相鄰的兩輻射管的豎直間距為800mm。反應器本體的高度為6m、內壁的寬度為2m、內壁的長度為5m，有20層輻射管。

該蘆葦的成分分析如表4所示。熱解工藝流程如圖2所示，具體如下：

將蘆葦干燥、破碎，選取粒徑≤1mm的蘆葦送入反應器2中進行熱解。往提升管11中通入250℃的熱空氣。每根輻射管單獨控溫，反應器自上而下設有三個區：干燥脫水區、熱解反應區和半焦生成區。往輻射管中分別通入燃料氣和空氣，將干燥脫水區的溫度控制在700℃、熱解反應區的溫度在控制500℃，半焦成熟區的溫度控制在600℃。蘆葦自上而下依次通過干燥脫水區、熱解反應區和半焦生成區，完成熱解過程。熱解產生的熱解油氣經過兩級旋風除塵后冷凝分離成熱解油和熱解氣，分別收集儲存。半焦冷卻后，也收集儲存。

熱解還會產生煙氣，煙氣從煙氣出口中排出反應器本體外，煙氣與空氣換熱后會降溫至200℃左右。將降溫后的煙氣用于干燥進入反應器2的蘆葦，這樣能進一步提高反應器效率和燃燒效率。

本實施例具體的工藝操作參數請見表5。表6為本實施例的物料平衡表。

表1玉米秸稈的成分分析

表2工藝操作參數

表3物料平衡表

表4蘆葦的成分分析

表5工藝操作參數

表6物料平衡表

從表3和表6可知，本發明提供的系統能有效的熱解生物質。

綜上可知，本發明采用了蓄熱式快速熱解反應器熱解生物質，無熱載體，反應工藝簡單，且溫度分布均勻，系統熱效率高。其內部溫度場由輻射管提供，同時根據通過控制不同的溫度區域來精確的調節干燥脫水區、熱解反應區、半焦生成區的溫度，可操作性強，燃燒效率高，節能效果好。

熱解產物中的熱態半焦由熱解爐底部排出，經排渣冷卻螺旋冷卻得到冷態半焦直接進入半焦收集裝置，對熱態焦油和熱解氣分別冷卻凈化處理，對熱解產品進行了綜合利用。

反應器本體上添加了由水平擋板和斜板組成的金屬擋板組件，該金屬擋板組件增加了生物質在熱解反應器內停留的時間。因此，添加金屬擋板組件后，反應器的高度可降低。若不改變反應器本體的高度，添加金屬擋板組件后，可將輻射管的垂直間距加大，從而可減少反應器內輻射管的數量。

需要說明的是，以上參照附圖所描述的各個實施例僅用以說明本發明而非限制本發明的范圍，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下對本發明進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明的范圍之內。此外，除非特別說明，那么任何實施例的全部或一部分可結合任何其它實施例的全部或一部分來使用。