專利名稱：生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及生物質(zhì)熱解產(chǎn)品的制備，具體地指一種生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)利用是世界各國(guó)競(jìng)相研究應(yīng)用的熱點(diǎn)，以生產(chǎn)各種合成氣為目標(biāo)的生物質(zhì)氣化技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)生物質(zhì)氣化工藝的特點(diǎn)可知，氣化原料的特性不同、氣化原料的粒度不同，都將直接影響到氣化爐的運(yùn)行負(fù)荷、合成氣和焦油的產(chǎn)率、以及原料氣化時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)。通常，不同的原料在不同的氣化爐里進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，對(duì)其粒度的要求也不一樣。一般按照固定床、流化床、氣流床的順序，要求氣化原料的粒度逐漸變小。但顆粒太小的原料有可能被氣流帶出氣化爐，從而使氣化效率下降，故顆粒的粒徑分布也是一個(gè)重要的控制指標(biāo)，例如對(duì)于shell公司的氣流床氣化技術(shù)而言，要求氣化原料中粒度小于0.15mm的顆粒要達(dá)到90％以上。因此，原料的粉碎預(yù)處理對(duì)氣化系統(tǒng)的性能有重要影響。
對(duì)于生物質(zhì)原料而言，鑒于生物質(zhì)原料的纖維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的韌性，采用傳統(tǒng)的切割或擠壓粉碎工藝所獲得的顆粒原料很難滿足氣化爐反應(yīng)器進(jìn)料的要求，且這種機(jī)械加工方式的費(fèi)用非常高，這已成為制約生物質(zhì)原料進(jìn)行氣化的一個(gè)重要影響因素。
為了解決生物質(zhì)原料難以粉碎的問(wèn)題，科研人員對(duì)生物質(zhì)原料采用了預(yù)先熱解的處理工藝，以期獲得滿足氣化爐反應(yīng)器進(jìn)料的要求。這種熱解技術(shù)作為氣化系統(tǒng)原料進(jìn)料的預(yù)處理方案，是通過(guò)熱解將生物質(zhì)分解成揮發(fā)份和木炭，從而將生物質(zhì)中難以粉碎的纖維素轉(zhuǎn)變成易粉碎的木炭，再根據(jù)需要進(jìn)行簡(jiǎn)單常規(guī)的加工處理，便可以滿足生物質(zhì)氣化系統(tǒng)對(duì)進(jìn)口原料的粒度要求。
目前，在氣化系統(tǒng)中對(duì)生物質(zhì)原料先熱解再氣化的組合方案已顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)越性，但現(xiàn)有的生物質(zhì)熱解預(yù)處理工藝仍然存在著熱解產(chǎn)物很不容易控制的缺陷。熱解產(chǎn)物對(duì)后續(xù)的氣化進(jìn)程有重要影響，而熱解工藝尤其是熱解溫度和熱解時(shí)間又對(duì)熱解產(chǎn)物有直接影響，不同的加熱溫度和終極溫度，不同的熱解時(shí)間，所得到的熱解產(chǎn)物都不一樣。對(duì)于高溫快速熱解階段而言，熱解產(chǎn)物主要是生物原油，對(duì)于低溫慢速熱解階段而言，熱解產(chǎn)物主要是木炭和熱解氣。當(dāng)熱解作為生物質(zhì)原料氣化過(guò)程的一個(gè)預(yù)處理工藝時(shí)，需要獲得的產(chǎn)品是木炭和熱解氣。另外，為了避免對(duì)最終產(chǎn)品合成氣成份的影響，需要降低熱解氣中CO2、生物原油等組份的含量，增大熱解氣中CO和H2的含量，提高熱解產(chǎn)物中木炭的質(zhì)量和數(shù)量，這都要求對(duì)熱解溫度和熱解時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格的控制。
然而，在已有的生物質(zhì)熱解預(yù)處理工藝中，不管是自熱方式還是外熱方式，都只在一個(gè)熱解反應(yīng)器中完成上述各個(gè)階段的熱解過(guò)程，很難保證整個(gè)熱解器內(nèi)加熱速度的均勻性。因此，不同位置的生物質(zhì)原料可能處于不同的熱解階段，這樣很難滿足適當(dāng)?shù)臒峤鈼l件，無(wú)法保證熱解產(chǎn)品的質(zhì)量。特別是對(duì)于自熱方式的熱解工藝，更容易產(chǎn)生以下問(wèn)題首先，其燃燒區(qū)域局部溫度過(guò)高、升溫速度過(guò)快，使整個(gè)熱解反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布極不均勻，升溫速度無(wú)法嚴(yán)格控制，勢(shì)必造成熱解過(guò)程中操作溫度難以滿足要求，進(jìn)而使熱解產(chǎn)品不符合要求，影響后續(xù)的氣化過(guò)程；其次，采用部分燃燒生物質(zhì)的自熱方式，將使熱解氣中的CO2含量顯著增加，從而明顯降低了氣化系統(tǒng)的氣化效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種原料適應(yīng)范圍廣、熱解過(guò)程便于調(diào)節(jié)、且對(duì)熱解產(chǎn)物便于控制的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝及其系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝，采用外熱源為分布在各級(jí)熱解器中的生物質(zhì)提供熱量，根據(jù)生物質(zhì)熱解操作條件對(duì)熱解產(chǎn)物的影響分析，按照氣化系統(tǒng)及合成氣產(chǎn)品對(duì)熱解產(chǎn)物的要求，逐級(jí)對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行可控制的干燥和慢速熱解反應(yīng)，控制熱解的最終溫度在350～500℃的范圍內(nèi)，以促使熱解氣中CO2和氣態(tài)生物原油的含量較低，CO和H2的含量較高，同時(shí)保證木炭產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。其工藝過(guò)程包括如下步驟1)將自然風(fēng)干的生物質(zhì)，通過(guò)常規(guī)的切割設(shè)備，初步加工成粒徑為10～80mm的粗料；2)將上述粗料送入第一級(jí)熱解器中，進(jìn)行預(yù)干燥階段的處理，保持其內(nèi)溫度為50～120℃，使生物質(zhì)中的一部分水份蒸發(fā)掉，含水量降低到10～20％；3)將預(yù)干燥后的物料送入第二級(jí)熱解器中，進(jìn)行深度干燥階段的處理，保持其內(nèi)溫度為100～150℃，使生物質(zhì)中的大部分水份蒸發(fā)掉，含水量降低至5～10％；4)將深度干燥后的物料送入第三級(jí)熱解器中，進(jìn)行預(yù)炭化階段的反應(yīng)，保持其內(nèi)溫度為150～250℃，此時(shí)生物質(zhì)中的不穩(wěn)定組份如半纖維素等開(kāi)始發(fā)生明顯的化學(xué)變化，生物質(zhì)中的碳?xì)浣M份和幾乎全部的氧和在低于燃點(diǎn)的情況下發(fā)生反應(yīng)，得到CO、H2O、少量的CO2和醋酸，固態(tài)物質(zhì)是該階段的主要產(chǎn)物；5)將預(yù)炭化反應(yīng)后的所有物質(zhì)送入第四級(jí)熱解器中，進(jìn)行炭化階段的反應(yīng)，該階段的反應(yīng)主要是弱放熱反應(yīng)，保持其溫度為250～350℃，使大部分生物質(zhì)發(fā)生第一次分解反應(yīng)，主要生成木炭、生物原油和少量氣態(tài)產(chǎn)物；6)將炭化反應(yīng)后的所有物質(zhì)送入第五級(jí)熱解器中，進(jìn)行煅燒階段的反應(yīng)，該階段為吸熱反應(yīng)，保持其溫度為350～500℃，使其中的部分生物原油發(fā)生第二次分解反應(yīng)、其中的少量木炭與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，最終所獲得的熱解氣從第五級(jí)熱解器上部出口輸出，所獲得的木炭從第五級(jí)熱解器下部出口輸出。
上述生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝中，外熱源最好采用直接引至生物質(zhì)氣化爐輸出端的高溫合成氣。生物質(zhì)原料經(jīng)過(guò)氣化爐反應(yīng)氣化后，輸出的高溫合成氣的溫度范圍在500～900℃，滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)一般在900℃左右，高溫合成氣具有大量的顯熱，有效地利用該熱量，既可以為本發(fā)明的熱解工藝節(jié)省大量能源，又可以提高整個(gè)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的氣化效率。
上述生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝中，第一級(jí)至第五級(jí)熱解器中的氣壓最好都控制在3.0～4.0MPa的范圍內(nèi)。在這樣高的壓力下，可以有效抑制生物質(zhì)熱解過(guò)程中生物原油的生成量，促使生物質(zhì)熱解成更多的CO和H2，以進(jìn)一步提高熱解產(chǎn)物的品質(zhì)。
上述生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝中，第一級(jí)至第五級(jí)熱解器中物料的停留時(shí)間為120～400s。這樣，物料在各級(jí)熱解器中的總停留時(shí)間為600～2000s，使物料的升溫速度保持在10～60℃/min的范圍內(nèi)，從而滿足慢速熱解的升溫要求。
為實(shí)現(xiàn)上述工藝而專門設(shè)計(jì)的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解系統(tǒng)，包括系統(tǒng)外殼，系統(tǒng)外殼的一端設(shè)置有外熱氣源進(jìn)口，系統(tǒng)外殼的另一端設(shè)置有外熱氣源出口，系統(tǒng)外殼內(nèi)位于外熱氣源進(jìn)口處設(shè)置有主換熱器，系統(tǒng)外殼內(nèi)在外熱氣源進(jìn)口和外熱氣源出口之間并聯(lián)設(shè)置有外熱氣源主通道和外熱氣源旁通道，外熱氣源主通道和外熱氣源旁通道上分別設(shè)置有可調(diào)節(jié)開(kāi)閉程度的主通道擋板門和旁通道擋板門，外熱氣源主通道內(nèi)沿外熱氣源出口至外熱氣源進(jìn)口方向依次串聯(lián)布置有帶螺旋輸送裝置的第一級(jí)至第五級(jí)熱解器，第一級(jí)至第五級(jí)熱解器之間分別由第一級(jí)至第四級(jí)次換熱器間隔開(kāi)來(lái)，形成各級(jí)熱解器和各級(jí)次換熱器交錯(cuò)布置的結(jié)構(gòu)；其中第一級(jí)熱解器上設(shè)置有生物質(zhì)進(jìn)口和第一級(jí)水蒸汽排放口，第二級(jí)熱解器上設(shè)置有第二級(jí)水蒸汽排放口，第五級(jí)熱解器上分別設(shè)置有木炭出口和熱解氣出口。
進(jìn)一步地，上述外熱氣源旁通道內(nèi)還設(shè)置有旁通道換熱器。當(dāng)外熱氣源主通道內(nèi)的熱解溫度過(guò)高時(shí)，可以讓部分外熱氣源走旁通道排出，并在旁通道換熱器進(jìn)行熱交換，該方式不僅實(shí)現(xiàn)了靈活控制各級(jí)熱解器中生物質(zhì)的反應(yīng)溫度，而且實(shí)現(xiàn)了熱量的充分利用。
進(jìn)一步地，上述外熱氣源進(jìn)口最好直接與生物質(zhì)氣化爐的高溫合成氣輸出端相連。同時(shí)，上述熱解氣出口直接與生物質(zhì)氣化爐的熱解氣輸入端相連，上述木炭出口則通過(guò)木炭制粉裝置與生物質(zhì)氣化爐的木炭粉輸入端相連，以形成生物質(zhì)氣化工藝過(guò)程的良性循環(huán)。這樣，不僅可以充分利用高溫合成氣的廢熱，大幅節(jié)約生物質(zhì)原料預(yù)熱解處理所需的能量，而且通過(guò)簡(jiǎn)單的循環(huán)，可以極大地提高整個(gè)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的氣化效率。
上述生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解系統(tǒng)采用外熱氣源特別是高溫合成氣為各級(jí)熱解器提供能量，通過(guò)并聯(lián)設(shè)置的外熱氣源主通道和外熱氣源旁通道，以及交錯(cuò)布置在外熱氣源主通道內(nèi)的多級(jí)熱解器和換熱器，使外熱氣源和生物質(zhì)原料進(jìn)行逆流換熱。每一級(jí)熱解器中都帶有攪拌推進(jìn)裝置，以保證各級(jí)熱解器內(nèi)生物質(zhì)原料被均勻加熱。生物質(zhì)從第一級(jí)熱解器開(kāi)始，在每一級(jí)熱解器內(nèi)被逐漸加熱，各級(jí)熱解器的溫度依次為50～120℃、100～150℃、150～250℃、250～350℃、350～500℃，通過(guò)各級(jí)換熱器的換熱調(diào)節(jié)，保證外熱氣源以合適的溫度進(jìn)入各級(jí)熱解器，嚴(yán)格控制各級(jí)熱解過(guò)程的加熱溫度和加熱速率，從而保證從最后一級(jí)熱解器中獲得的熱解產(chǎn)物為符合要求的熱解氣和木炭。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)其一，本發(fā)明的工藝采用外熱源分級(jí)加熱處理含水量高達(dá)20％以上的自然風(fēng)干生物質(zhì)，可以排除過(guò)多水份對(duì)后續(xù)熱解過(guò)程的影響，確保熱解氣中不要出現(xiàn)過(guò)多的水蒸汽，從而保證熱解產(chǎn)物符合生物質(zhì)氣化反應(yīng)的要求。
其二，本發(fā)明的工藝采用外熱源分級(jí)熱解經(jīng)過(guò)深度干燥的生物質(zhì)，可以保證慢速熱解的操作條件和過(guò)程要求，使生物質(zhì)在各個(gè)熱解階段進(jìn)行可控制的反應(yīng)，從而獲得需要的熱解產(chǎn)物。
其三，本發(fā)明的工藝可以采用從生物質(zhì)氣化爐直接引出的高溫合成氣，充分利用高溫合成氣的顯熱為生物質(zhì)熱解提供所需的能量，不僅達(dá)到了為熱解控制提供能量的目的，而且降低高溫合成氣的溫度，提高了高溫合成氣余熱的綜合利用率，同時(shí)提高了整個(gè)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的工作效益。
其四，本發(fā)明的系統(tǒng)采用各級(jí)熱解器和各級(jí)換熱器交錯(cuò)布置的方式，可以有效控制每級(jí)熱解器中外熱源的熱量交換，保證各級(jí)熱解過(guò)程的加熱溫度和加熱速度，有效控制最終熱解溫度，同時(shí)各級(jí)換熱器所交換的熱量可以輸送到其他需要的地方，保證外熱源具有較高的綜合利用效率。
其五，本發(fā)明的系統(tǒng)采用外熱氣源旁通道的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了外熱氣源主通道中各級(jí)熱解器溫度控制的有效性和靈活性，可以進(jìn)一步保障終極熱解產(chǎn)物的組份要求。
由此可見(jiàn)，本發(fā)明的熱解工藝及系統(tǒng)具有熱解過(guò)程便于調(diào)節(jié)、熱解產(chǎn)物便于控制的優(yōu)越性，特別是將該熱解工藝作為整個(gè)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的一個(gè)原料前期處理程序時(shí)，所獲得的熱解產(chǎn)物可以直接輸入氣化爐進(jìn)行氣化反應(yīng)，氣化反應(yīng)所產(chǎn)生的高溫合成氣又直接為生物質(zhì)的前期熱解反應(yīng)提供熱源，兩者協(xié)調(diào)配合，產(chǎn)生良性循環(huán)，從而確保了整個(gè)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)所生產(chǎn)的高溫合成氣的品質(zhì)，同時(shí)也增強(qiáng)了生物質(zhì)氣化系統(tǒng)對(duì)原料的適應(yīng)能力。本發(fā)明不僅適用于一般木材、棉桿、稻草類等生物質(zhì)原料的熱解處理，而且也適合于生活垃圾、工業(yè)垃圾等固態(tài)有機(jī)氣化原料。


附圖為一種生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝及其系統(tǒng)作進(jìn)一步的詳細(xì)描述圖中所示的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解系統(tǒng)，具有一個(gè)豎直布置的系統(tǒng)外殼4，系統(tǒng)外殼4的底部設(shè)計(jì)有外熱氣源進(jìn)口3，外熱氣源進(jìn)口3直接與生物質(zhì)氣化爐1的高溫合成氣輸出端相連。系統(tǒng)外殼4的頂部設(shè)計(jì)有外熱氣源出口29，經(jīng)過(guò)熱交換降溫的高溫合成氣從外熱氣源出口29送到后續(xù)處理設(shè)備。系統(tǒng)外殼4底部位于外熱氣源進(jìn)口3處安裝有一臺(tái)主換熱器15，主換熱器15首先對(duì)進(jìn)入的高溫合成氣進(jìn)行一次換熱降溫。
系統(tǒng)外殼4內(nèi)部，在外熱氣源進(jìn)口3和外熱氣源出口29之間并聯(lián)設(shè)置有呈垂直布置的外熱氣源主通道5和外熱氣源旁通道28。外熱氣源主通道5和外熱氣源旁通道28上，靠近外熱氣源出口29處的一端分別設(shè)置有可調(diào)節(jié)開(kāi)閉程度的主通道擋板門6和旁通道擋板門27，外熱氣源旁通道28內(nèi)還設(shè)計(jì)有旁通道換熱器25，可以通過(guò)調(diào)節(jié)高溫合成氣的流量以及熱交換量來(lái)控制外熱氣源主通道5內(nèi)的溫度范圍。
外熱氣源主通道5內(nèi)部，自上而下依次蛇形串聯(lián)、水平布置有帶螺旋輸送裝置的第一級(jí)至第五級(jí)熱解器7、9、10、12、13。其中第一級(jí)熱解器7上設(shè)置有生物質(zhì)進(jìn)口26和第一級(jí)水蒸汽排放口20，第一級(jí)熱解器7和第二級(jí)熱解器9之間通過(guò)第一級(jí)垂直通道8相連；第二級(jí)熱解器9上設(shè)置有第二級(jí)水蒸汽排放口19，第二級(jí)熱解器9和第三級(jí)熱解器10之間通過(guò)第二級(jí)垂直通道18相連；第三級(jí)熱解器10和第四級(jí)熱解器12之間通過(guò)第三級(jí)垂直通道11相連；第四級(jí)熱解器12和第五級(jí)熱解器13之間通過(guò)第四級(jí)垂直通道17相連，第五級(jí)熱解器16上分別設(shè)置有木炭出口14和熱解氣出口16。熱解氣出口16直接與生物質(zhì)氣化爐1的熱解氣輸入端相連，木炭出口14則通過(guò)木炭制粉裝置2與生物質(zhì)氣化爐1的木炭粉輸入端相連。
在第一級(jí)至第五級(jí)熱解器7、9、10、12、13之間，分別設(shè)置有第一級(jí)至第四級(jí)次換熱器21、22、23、24。第一級(jí)至第四級(jí)次換熱器21、22、23、24為排管結(jié)構(gòu)的換熱器，呈水平布置狀態(tài)，將第一級(jí)至第五級(jí)熱解器7、9、10、12、13間隔開(kāi)來(lái)，形成各級(jí)熱解器和各級(jí)次換熱器交錯(cuò)布置的結(jié)構(gòu)，有利于控制各級(jí)熱解器中的不同溫度要求。第一級(jí)至第四級(jí)次換熱器21、22、23、24可以分別獨(dú)立進(jìn)行熱交換，也可以串聯(lián)后統(tǒng)一進(jìn)行熱交換，只要能確保各級(jí)熱解器內(nèi)的溫度范圍在設(shè)定區(qū)域即可。
本發(fā)明的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解系統(tǒng)的工作原理是這樣的從生物質(zhì)氣化爐1輸出的500～900℃的高溫合成氣，通過(guò)外熱氣源進(jìn)口3輸入系統(tǒng)外殼4內(nèi)部，并通過(guò)主換熱器15進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q熱降溫，其目的是使高溫合成氣以適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)入外熱氣源主通道5，為各級(jí)熱解過(guò)程提供相應(yīng)的能量。進(jìn)入外熱氣源主通道5的高溫合成氣，依次通過(guò)第五級(jí)至第一級(jí)熱解器13、12、10、9、7和第四級(jí)至第一級(jí)次換熱器24、23、22、21，由于各級(jí)換熱器和各級(jí)熱解器交錯(cuò)布置，保證了各級(jí)熱解器中的溫度依次降低。根據(jù)各種具體生物質(zhì)不同的特性，各級(jí)熱解器中的溫度范圍也不盡相同，研究人員可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得最佳數(shù)據(jù)對(duì)于木本類生物質(zhì)如木材而言，第一級(jí)熱解器7內(nèi)的溫度為80～120℃、第二級(jí)熱解器9內(nèi)的溫度為120～150℃、第三級(jí)熱解器10內(nèi)的溫度為190～240℃、第四級(jí)熱解器12內(nèi)的溫度為300～340℃、第五級(jí)熱解器13內(nèi)的溫度為400～480℃。
對(duì)于草本類生物質(zhì)如稻草而言，第一級(jí)熱解器7內(nèi)的溫度為50～90℃、第二級(jí)熱解器9內(nèi)的溫度為100～140℃、第三級(jí)熱解器10內(nèi)的溫度為150～200℃、第四級(jí)熱解器12內(nèi)的溫度為250～310℃、第五級(jí)熱解器13內(nèi)的溫度為350～410℃。
第一級(jí)至第五級(jí)熱解器7、9、10、12、13可以在常壓狀態(tài)下工作，但最好給予3.0～4.0MPa氣壓，以有效抑制生物質(zhì)熱解過(guò)程中生物原油的生成量，促使生物質(zhì)熱解成更多的CO和H2，進(jìn)一步提高熱解產(chǎn)物的品質(zhì)。
當(dāng)各級(jí)熱解器內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)主通道擋板門6和旁通道擋板門27的開(kāi)度，使部分高溫合成氣從外熱氣源旁通道28流過(guò)，從而保證各級(jí)熱解過(guò)程的溫度和加熱速率。外熱氣源旁通道28內(nèi)所布置的旁通道換熱器25，可以保證外熱氣源出口29部位的高溫合成氣的降溫排出要求。
自然風(fēng)干、質(zhì)地疏松的生物質(zhì)原料通過(guò)常規(guī)切割機(jī)械初步粉碎成粒度10～80mm的顆粒后，從生物質(zhì)進(jìn)口26進(jìn)入第一級(jí)熱解器7內(nèi)，以設(shè)定的溫度和時(shí)間進(jìn)行預(yù)干燥處理；蒸發(fā)掉的水份從第一級(jí)水蒸汽排放口20排出，含水量為10～20％的生物質(zhì)原料通過(guò)第一級(jí)垂直通道8進(jìn)入第二級(jí)熱解器9內(nèi)，在設(shè)定的溫度和時(shí)間下進(jìn)行深度干燥處理；再次被蒸發(fā)掉的水份從第二級(jí)水蒸汽排放口19排放，含水量為5～10％的物料通過(guò)第二級(jí)垂直通道18進(jìn)入第三級(jí)熱解器10內(nèi)，在設(shè)定的溫度和時(shí)間下進(jìn)行初炭化處理，控制此時(shí)的溫度在原料的燃點(diǎn)以下，使原料進(jìn)行慢速反應(yīng)，主要得到CO和固體物質(zhì)；讓初炭化反應(yīng)階段的所有產(chǎn)物通過(guò)第三級(jí)垂直通道11進(jìn)入第四級(jí)熱解器12內(nèi)，在設(shè)定的溫度和時(shí)間下發(fā)生第一次分解反應(yīng)，得到少量生物原油和木炭；最后將所有產(chǎn)物通過(guò)第四級(jí)垂直通道17送入第五級(jí)熱解器13內(nèi)，在設(shè)定的溫度和時(shí)間下發(fā)生生物原油的第二次分解反應(yīng)，以及少量木炭和水蒸汽的反應(yīng)，從而得到所要求的熱解產(chǎn)物。
由于各級(jí)熱解器中的溫度按50～120℃、100～150℃、150～250℃、250～350℃、350～500℃的梯度均勻增加，生物質(zhì)原料在各級(jí)熱解器中的停留時(shí)間保持在120～400s的范圍內(nèi)，使得生物質(zhì)原料被逐漸加熱，低速反應(yīng)，保證了熱解產(chǎn)物中較低的CO2和生物油含量、適當(dāng)?shù)乃羝?、以及較多的H2和CO含量。各級(jí)熱解器內(nèi)所設(shè)置的螺旋輸送裝置可以保證生物質(zhì)原料在輸送和熱解的過(guò)程中不發(fā)生粘壁、團(tuán)聚現(xiàn)象。最終的熱解產(chǎn)物主要為木炭和熱解氣，木炭通過(guò)木炭出口14輸出，經(jīng)過(guò)管道送入木炭制粉裝置2中，破碎后送入生物質(zhì)氣化爐1，而熱解氣則通過(guò)熱解氣出口16輸出，經(jīng)過(guò)管道也送至生物質(zhì)氣化爐1，在生物質(zhì)氣化爐1內(nèi)完成最終的氣化反應(yīng)，得到所需要的合成氣。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝，它采用外熱源為分布在各級(jí)熱解器中的生物質(zhì)提供熱量，其工藝步驟如下1)將自然風(fēng)干的生物質(zhì)初步加工成粒徑為10～80mm的粗料；2)將上述粗料送入第一級(jí)熱解器中進(jìn)行預(yù)干燥，保持其內(nèi)溫度為50～120℃，使生物質(zhì)中的一部分水份蒸發(fā)，含水量降低到10～20％；3)將預(yù)干燥后的物料送入第二級(jí)熱解器中進(jìn)行深度干燥，保持其內(nèi)溫度為100～150℃，使生物質(zhì)中的大部分水份蒸發(fā)，含水量降低至5～10％；4)將深度干燥后的物料送入第三級(jí)熱解器中進(jìn)行預(yù)炭化反應(yīng)，保持其內(nèi)溫度為150～250℃，使生物質(zhì)中的碳?xì)浣M份和幾乎全部的氧在低于燃點(diǎn)的情況下發(fā)生反應(yīng)，得到CO、H2O、少量的CO2和氣態(tài)醋酸；5)將預(yù)炭化反應(yīng)后的所有物質(zhì)送入第四級(jí)熱解器中進(jìn)行炭化反應(yīng)，保持其溫度為250～350℃，使大部分生物質(zhì)發(fā)生第一次分解反應(yīng)，主要生成木炭、氣態(tài)生物原油和少量氣體產(chǎn)物；6)將炭化反應(yīng)后的所有物質(zhì)送入第五級(jí)熱解器中進(jìn)行煅燒反應(yīng)，保持其溫度為350～500℃，使其中的部分生物原油發(fā)生第二次分解反應(yīng)、其中的少量木炭與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，最終所獲得的熱解氣從第五級(jí)熱解器上部出口輸出，所獲得的木炭從第五級(jí)熱解器下部出口輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝，其特征在于所說(shuō)的外熱源采用溫度為500～900℃的高溫合成氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝，其特征在于所說(shuō)的第一級(jí)至第五級(jí)熱解器中的氣壓均控制在3.0～4.0MPa的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝，其特征在于所說(shuō)的第一級(jí)至第五級(jí)熱解器中物料的停留時(shí)間為120～400s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝，其特征在于對(duì)于木本生物質(zhì)如木材而言，所說(shuō)的第一級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為80～120℃、第二級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為120～150℃、第三級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為190～240℃、第四級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為300～340℃、第五級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為400～480℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝，其特征在于對(duì)于草本類生物質(zhì)如稻草而言，所說(shuō)的第一級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為50～90℃、第二級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為100～140℃、第三級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為150～200℃、第四級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為250～310℃、第五級(jí)熱解器內(nèi)的溫度為350～410℃。
7.一種為權(quán)利要求1所述工藝而專門設(shè)計(jì)的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解系統(tǒng)，包括系統(tǒng)外殼(4)，其特征在于系統(tǒng)外殼(4)的一端設(shè)置有外熱氣源進(jìn)口(3)，系統(tǒng)外殼(4)的另一端設(shè)置有外熱氣源出口(29)，系統(tǒng)外殼(4)內(nèi)位于外熱氣源進(jìn)口(3)處設(shè)置有主換熱器(15)，系統(tǒng)外殼(4)內(nèi)在外熱氣源進(jìn)口(3)和外熱氣源出口(29)之間并聯(lián)設(shè)置有外熱氣源主通道(5)和外熱氣源旁通道(28)，外熱氣源主通道(5)和外熱氣源旁通道(28)上分別設(shè)置有可調(diào)節(jié)開(kāi)閉程度的主通道擋板門(6)和旁通道擋板門(27)，外熱氣源主通道(5)內(nèi)沿外熱氣源出口(29)至外熱氣源進(jìn)口(3)方向依次串聯(lián)布置有帶螺旋輸送裝置的第一級(jí)至第五級(jí)熱解器(7、9、10、12、13)，第一級(jí)至第五級(jí)熱解器(7、9、10、12、13)之間分別由第一級(jí)至第四級(jí)次換熱器(21、22、23、24)間隔開(kāi)來(lái)，形成各級(jí)熱解器和各級(jí)次換熱器交錯(cuò)布置的結(jié)構(gòu)；其中第一級(jí)熱解器(7)上設(shè)置有生物質(zhì)進(jìn)口(26)和第一級(jí)水蒸汽排放口(20)，第二級(jí)熱解器(9)上設(shè)置有第二級(jí)水蒸汽排放口(19)，第五級(jí)熱解器(13)上分別設(shè)置有木炭出口(14)和熱解氣出口(16)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的外熱氣源旁通道(28)內(nèi)還設(shè)置有旁通道換熱器(25)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的外熱氣源主通道(5)和外熱氣源旁通道(28)為垂直通道，所說(shuō)的第一級(jí)至第五級(jí)熱解器(7、9、10、12、13)自上而下依次蛇形串聯(lián)、水平布置在上述垂直的外熱氣源主通道(5)內(nèi)，所說(shuō)的第一級(jí)至第四級(jí)次換熱(21、22、23、24)為排管狀結(jié)構(gòu)，分別水平布置在各級(jí)熱解器之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的外熱氣源進(jìn)口(3)直接與生物質(zhì)氣化爐(1)的高溫合成氣輸出端相連，所說(shuō)的熱解氣出口(16)直接與生物質(zhì)氣化爐(1)的熱解氣輸入端相連，所說(shuō)的木炭出口(14)通過(guò)木炭制粉裝置(2)與生物質(zhì)氣化爐(1)的木炭粉輸入端相連。
全文摘要
一種生物質(zhì)分級(jí)控溫慢速熱解工藝及其系統(tǒng)。該工藝將熱解過(guò)程分成幾個(gè)溫度逐漸升高的獨(dú)立階段，通過(guò)外熱源與生物質(zhì)逆流換熱，逐級(jí)加熱生物質(zhì)且使之熱解，原料經(jīng)預(yù)干燥和深度干燥后，保證含水量為5～10％，再經(jīng)預(yù)炭化和炭化，得到木炭、熱解氣和少量氣態(tài)生物原油，最后在煅燒階段使部分生物原油第二次分解，從而獲得需要的熱解產(chǎn)物。其系統(tǒng)主要由并聯(lián)設(shè)置的外熱氣源主通道和外熱氣源旁通道、布置在外熱氣源主通道和旁通道外側(cè)的主換熱器、交錯(cuò)布置在外熱氣源主通道中的多級(jí)熱解器和多級(jí)次換熱器組成。其原料適應(yīng)范圍廣，熱解過(guò)程便于調(diào)節(jié)，熱解產(chǎn)物便于控制，其外熱源采用高溫合成氣時(shí)可以綜合利用高溫合成氣的廢熱，大幅提高生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的氣化效率。
文檔編號(hào)C10B53/02GK1935941SQ20061012452
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者呂鋒杰, 張澤, 林沖, 金沙楊, 李宏, 宋侃, 楊占春, 張超 申請(qǐng)人:武漢凱迪科技發(fā)展研究院有限公司