一種生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生物質(zhì)循環(huán)流化床催化熱解系統(tǒng)及方法。系統(tǒng)包括循環(huán)流化床反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器、冷凝器、空氣燃燒器；循環(huán)流化床反應(yīng)器頂部連接旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器下出口連接空氣燃燒器，空氣燃燒器底部設(shè)置空氣進口，空氣燃燒器下部連接循環(huán)流化床反應(yīng)器的催化劑進口；旋風(fēng)分離器上出口連接冷凝器；冷凝器底部出口分為三支，一支連接循環(huán)流化床反應(yīng)器下部，一支連接空氣燃燒器，一支連接后續(xù)單元。本發(fā)明通過將氣相產(chǎn)物和固相產(chǎn)物循環(huán)利用實現(xiàn)了生物質(zhì)的自熱式低能耗制油過程；通過將冷凝器底部的液相一部分作為循環(huán)油返回至循環(huán)流化床反應(yīng)器底部的循環(huán)油入口，提高了催化劑的利用率和生物油產(chǎn)率。
【專利說明】一種生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物質(zhì)資源能源化利用【技術(shù)領(lǐng)域】，進一步地說，是涉及一種生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前我國的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)以煤炭、石油和天然氣等不可再生能源為主，新能源和可再生能源開發(fā)不足，不僅造成環(huán)境污染等一系列問題，也嚴重制約能源的可持續(xù)發(fā)展?？稍偕茉词侵匾膽?zhàn)略替代能源，對增加能源供應(yīng)、改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、保護環(huán)境有重要作用，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略措施。作為可再生能源重要組成部分的生物質(zhì)能的開發(fā)和利用是近年來替代能源的研究熱點。
[0003]農(nóng)林廢棄物類生物質(zhì)資源以秸桿、稻殼、棉花桿等為主，其組分以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主，在催化劑的作用下生物質(zhì)原料通過高溫?zé)峤膺^程可得到有機物蒸汽，將其經(jīng)快速換熱裝置降溫可收集到生物油，生產(chǎn)過程中伴有氣體、炭顆粒等副產(chǎn)品生成。生物油不僅可直接用于鍋爐燃料或精細化工業(yè)原料，經(jīng)升級改質(zhì)還可精制成為發(fā)動機用燃料、潤滑油等高附加值能源產(chǎn)品。
[0004]目前生物油生產(chǎn)裝置的主反應(yīng)器主要包括旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、等，這些反應(yīng)器都能完成生物質(zhì)的產(chǎn)油過程，也都具備了三個基本特點:加熱速率快，反應(yīng)溫度適中和氣相停留時間短。由于各反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、傳熱方式以及需要控制的反應(yīng)參數(shù)不同，其產(chǎn)油性能、自身能耗以及對原料粒徑的適應(yīng)性不同。旋轉(zhuǎn)堆反應(yīng)器對生物質(zhì)原料的熱解過程依靠反應(yīng)器 自身產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為熱能的形式完成，而反應(yīng)器自身的動能需要消耗大量化石燃料完成，造成反應(yīng)過程的能量不平衡，直接提高了生物油的生產(chǎn)成本。固定床反應(yīng)器用于處理生物質(zhì)原料時無法完成連續(xù)進料過程，故其不具有工業(yè)化前景；流化床反應(yīng)器包括上行式流化床、下行式流化床、鼓泡式流化床，目前這三種反應(yīng)器均處于工業(yè)化開發(fā)階段，這些技術(shù)都存在傳熱介質(zhì)的積碳失活問題以及工業(yè)化放大后反應(yīng)器熱能耗過高的問題，生物質(zhì)的熱解過程需要大量吸熱，實驗室采用的電加熱方法由于成本問題無法應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，通常采用的補充燃料油或燃料氣的方法在成本投入上與生物油產(chǎn)品的附加值相比不劃算，且需要增加燃油鍋爐或燃氣鍋爐提供熱量，設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜，不利于檢修和維護。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的問題，本發(fā)明提供了一種生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的工藝流程簡單，操作簡便，可適用于各種生物質(zhì)原料。
[0006]本發(fā)明的目的之一是提供一種生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0007]循環(huán)流化床反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器、冷凝器、空氣燃燒器；
[0008]循環(huán)流化床反應(yīng)器下部設(shè)有原料進口、流化氣進口、循環(huán)油進口和催化劑進口 ；循環(huán)流化床反應(yīng)器頂部連接旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器下出口連接空氣燃燒器，空氣燃燒器底部設(shè)置空氣進口，空氣燃燒器下部連接循環(huán)流化床反應(yīng)器的催化劑進口 ；旋風(fēng)分離器上出口連接冷凝器；冷凝器出口分為三支，一支連接循環(huán)流化床反應(yīng)器下部，一支連接空氣燃燒器，一支連接后續(xù)單元。
[0009]其中，
[0010]所述的循環(huán)流化床反應(yīng)器為上行式流化床反應(yīng)器；
[0011]所述的旋風(fēng)分離器采用立式圓筒結(jié)構(gòu)，上部進氣；
[0012]所述的空氣燃燒器為分體式燃燒器，包括燃燒系統(tǒng)、給風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
[0013]所述的冷凝器為列管式換熱器，冷卻介質(zhì)為循環(huán)水。
[0014]優(yōu)選:
[0015]冷凝器底部為錐形，錐度為20~50度?？稍黾右后w流速，防止液體在器壁處結(jié)焦。
[0016]本發(fā)明的目的之二是提供一種生物質(zhì)催化熱解方法。
[0017]包括:
[0018]生物質(zhì)原料由進料載氣輸送從循環(huán)流化床反應(yīng)器底部進入，在催化劑的作用下發(fā)生快速熱解反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物由流化氣輸送從頂部排出，進入旋風(fēng)分離器；
[0019]反應(yīng)產(chǎn)物在旋風(fēng)分離器中進行氣固相分離，固相為催化劑和炭顆粒，從旋風(fēng)分離器底部排出，進入空氣燃燒器；催化劑和炭顆粒在燃燒器中的停留時間為0.9~1.4min，經(jīng)燃燒后再進入流化床反應(yīng)器；
[0020]旋風(fēng)分離器的氣相產(chǎn)物從旋風(fēng)分離器側(cè)部排出進入冷凝器，液體產(chǎn)物分為三路，一路作為循環(huán)油進入循環(huán)流化床反應(yīng)器，一路連接空氣燃燒器提供輔助燃料，一路進入后續(xù)單元。
[0021]所述的生物質(zhì)原料為秸桿、稻殼、木屑等農(nóng)林廢棄物中的一種或其混合物；
[0022]所述的流化氣和進料載氣來自于所述冷凝器側(cè)部出口的不可冷凝氣體。
[0023]所述的循環(huán)流化床催化熱解反應(yīng)器的操作壓力為0.5~0.8MPa，操作溫度500~590°C，操作氣速為15~20m/s，反應(yīng)時間為2~4s ;
[0024]生物質(zhì)原料與催化劑質(zhì)量流量比為1: 7~1:10 ;
[0025]循環(huán)油與反應(yīng)進料的質(zhì)量流量比為0.1:1~0.5:1 ;
[0026]進料載氣與流化氣的流量比為1:10~1:15。
[0027]本發(fā)明具體可采用以下技術(shù)方案:
[0028]系統(tǒng)包括:循環(huán)流化床反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器、冷凝器、空氣燃燒器、循環(huán)油泵和燃料油泵。循環(huán)流化床反應(yīng)器下部設(shè)有原料進口、流化氣進口、循環(huán)油進口和催化劑進口 ；循環(huán)流化床反應(yīng)器頂部連接旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器下出口連接空氣燃燒器，上出口連接冷凝器。冷凝器底部出口分為三支，一支連接循環(huán)流化床反應(yīng)器下部，一支連接空氣燃燒器，一支與生物油收集設(shè)備或分離精制單元連接。
[0029]包括:
[0030] 生物質(zhì)原料由進料載氣輸送從所述的循環(huán)流化床反應(yīng)器底部的反應(yīng)進料口進入，在催化劑的作用下發(fā)生快速熱解反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物由流化氣輸送從頂部反應(yīng)產(chǎn)物出口排出，進入旋風(fēng)分離器；反應(yīng)產(chǎn)物在旋風(fēng)分離器中進行氣固相分離；固相為催化劑和炭顆粒，從旋風(fēng)分離器底部排出，進入空氣燃燒器；燃燒器的作用是除炭，催化劑顆粒經(jīng)燃燒可以使表面積碳率小于0.1wt%后再進入流化床反應(yīng)器；氣相產(chǎn)物從旋風(fēng)分離器側(cè)部排出進入冷凝器，在冷凝器中與冷卻水換熱，得到的液體產(chǎn)物從冷凝器下部排出，分為三路，一路連接循環(huán)流化床反應(yīng)器的循環(huán)油入口，一路連接空氣燃燒器提供輔助燃料，一路進入生物油收集設(shè)備或分離精制單元。不可冷凝氣體經(jīng)冷凝器側(cè)部出口排出作為進料載氣和流化氣。
[0031]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的技術(shù)特點和有益效果。本發(fā)明具有以下技術(shù)優(yōu)
占-
^ \\\.[0032]1、本發(fā)明生物質(zhì)循環(huán)流化床催化熱解系統(tǒng)和方法可用于處理所有農(nóng)林廢棄物類生物質(zhì)，如秸桿、稻殼、棉花桿、玉米芯、木屑等，也可處理此類生物質(zhì)原料的混合物，對原料的適應(yīng)性強。
[0033]2、氣相產(chǎn)物經(jīng)回收可作為反應(yīng)進料載氣和流化氣，不需要外供氣體。
[0034]3、固相產(chǎn)物經(jīng)燃燒為反應(yīng)器提高熱量，使得本發(fā)明在工況穩(wěn)定的狀態(tài)下不消耗外供化石燃料提供熱量，實現(xiàn)了生物質(zhì)的自熱式制油過程。
[0035]4、本發(fā)明冷凝器底部的液相一部分作為循環(huán)油返回至循環(huán)流化床反應(yīng)器底部的循環(huán)油入口，提高了催化劑的利用率和生物油產(chǎn)率。
[0036]5、本發(fā)明冷凝器底部的液相一部分作為空氣燃燒器輔助燃料，使得燃燒器在生產(chǎn)過程穩(wěn)定后不需消耗外供燃油或燃氣。
[0037]6、本發(fā)明的冷凝器底部設(shè)計為錐形，錐度為20~50度，可增加液體流速，防止液體在器壁處結(jié)焦。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明的生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)示意圖
[0039]附圖標記說明:
[0040]I一原料，2—進料載氣，3—反應(yīng)進料，4一流化床催化反應(yīng)器，5—反應(yīng)產(chǎn)物，6—旋風(fēng)分離器，7—固相產(chǎn)物，8—空氣燃燒器，9一催化劑，10—中間產(chǎn)物，11 一冷凝器，12—液體產(chǎn)物，13—氣相產(chǎn)物，14 一生物油，15—循環(huán)油泵，16—循環(huán)油，17—空氣，18—輔助燃油，19一燃燒放空氣，20—流化氣，21—燃料油泵。
【具體實施方式】
[0041 ] 下面結(jié)合實施例，進一步說明本發(fā)明。
[0042]實施例
[0043]如圖1所示，一種生物質(zhì)循環(huán)流化床催化熱解系統(tǒng)。
[0044]包括:包括循環(huán)流化床反應(yīng)器4、旋風(fēng)分離器6、冷凝器11、空氣燃燒器8和循環(huán)油泵15。循環(huán)流化床反應(yīng)器4下部設(shè)有原料進口、流化氣進口、循環(huán)油進口和催化劑進口 ；循環(huán)流化床反應(yīng)器4頂部連接旋風(fēng)分離器6，旋風(fēng)分離器下出口連接空氣燃燒器8，空氣燃燒器8下部連接循環(huán)流化床反應(yīng)器4的催化劑進口 ；旋風(fēng)分離器6上出口連接冷凝器11。冷凝器出口分為三路，一路連接循環(huán)流化床反應(yīng)器4下部，一路連接空氣燃燒器8，一路與生物油收集設(shè)備連接。 [0045]其中:
[0046]所述的循環(huán)流化床反應(yīng)器4為上行式流化床反應(yīng)器。
[0047]所述的旋風(fēng)分離器6采用立式圓筒結(jié)構(gòu)，上部進氣。[0048]所述的空氣燃燒器8為分體式燃燒器，包括燃燒系統(tǒng)、給風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
[0049]所述的冷凝器11底部設(shè)計為錐形，錐度為45度。
[0050]冷凝器11底部連接循環(huán)流化床反應(yīng)器4下部循環(huán)油進口的管線上設(shè)置有循環(huán)油泵15。
[0051]冷凝器11底部連接空氣燃燒器8燃料油進口的管線上設(shè)置有燃料油泵21。
[0052]將生物質(zhì)原料如稻桿、稻殼、棉花桿類原料粉碎成顆粒,粒徑小于0.8mm ;在轉(zhuǎn)筒烘干爐中以90°C烘焙3小時以上，使其含水量低于5wt%。
[0053]選用分子篩催化劑作為反應(yīng)助劑及熱載體，粒徑要求需滿足0.2_。
[0054]經(jīng)過粉碎烘干后的生物質(zhì)原料I與進料載氣2混合成為反應(yīng)進料3，從循環(huán)流化床4下部進入，反應(yīng)器的操作壓力0.55MPa，操作溫度540°C，操作氣速18m/s，原料與催化劑質(zhì)量流量比為1:8，循環(huán)油與反應(yīng)進料的質(zhì)量流量比為0.15:1，進料載氣與流化氣的流量比為1:12，反應(yīng)時間是2.3秒。在以上操作條件下，原料在催化劑的作用下進行裂化、脫氧等反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物5從循環(huán)流化床反應(yīng)器4頂部離開后進入旋風(fēng)分離器6，固相產(chǎn)物7從旋風(fēng)分離器6底部離開后進入空氣燃燒器8，固相產(chǎn)物在燃燒器內(nèi)停留時間為1.1秒。經(jīng)燃燒除炭及加熱后，催化劑顆粒的表面積碳率小于0.lwt%后再進入循環(huán)流化床反應(yīng)器4下部的催化劑入口。中間產(chǎn)物10從旋風(fēng)分離器6側(cè)部離開后進入冷凝器11，液相產(chǎn)物12從冷凝器下部離開后分出三路，一路經(jīng)循環(huán)油泵15升壓作為循環(huán)油16，一路經(jīng)燃料油泵21升壓作為輔助燃料油18，一路作為目標產(chǎn)物生物油14進入后續(xù)生物喲收集設(shè)備或分離精制單元處理。冷凝器11側(cè)部離開的氣相產(chǎn)物13的成分為不可冷凝氣體，作為進料載氣2，流化氣20循環(huán)使用。
【權(quán)利要求】
1.一種生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括: 循環(huán)流化床反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器、冷凝器、空氣燃燒器； 循環(huán)流化床反應(yīng)器下部設(shè)有原料進口、流化氣進口、循環(huán)油進口和催化劑進口 ；循環(huán)流化床反應(yīng)器頂部連接旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器下出口連接空氣燃燒器，空氣燃燒器底部設(shè)置空氣進口，空氣燃燒器下部連接循環(huán)流化床反應(yīng)器的催化劑進口 ；旋風(fēng)分離器上出口連接冷凝器；冷凝器底部出口分為三支，一支連接循環(huán)流化床反應(yīng)器下部，一支連接空氣燃燒器，一支連接后續(xù)單元。
2.如權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)，其特征在于: 所述的循環(huán)流化床反應(yīng)器為上行式流化床反應(yīng)器； 所述的旋風(fēng)分離器采用立式圓筒結(jié)構(gòu)，上部進氣； 所述的空氣燃燒器為分體式燃燒器，包括燃燒系統(tǒng)、給風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)； 所述的冷凝器為列管式換熱器，冷卻介質(zhì)為循環(huán)水。
3.如權(quán)利要求2所述的生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)，其特征在于: 冷凝器底部為錐形，錐度為20~50度。
4.一種采用如權(quán)利要求1~3之一所述系統(tǒng)的生物質(zhì)催化熱解方法，其特征在于所述方法包括: 生物質(zhì)原料由進料載氣輸送從循環(huán)流化床反應(yīng)器底部進入，在催化劑的作用下發(fā)生快速熱解反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物由流化氣輸送從頂部排出，進入旋風(fēng)分離器； 反應(yīng)產(chǎn)物在旋風(fēng)分離器中進行氣固相分離，固相為催化劑和炭顆粒，從旋風(fēng)分離器底部排出，進入空氣燃燒器；催化劑和炭顆粒在燃燒器中的停留時間為0.9~1.4min，經(jīng)燃燒后再進入流化床反應(yīng)器； 旋風(fēng)分離器的氣相產(chǎn)物從旋風(fēng)分離器側(cè)部排出進入冷凝器，冷凝器的液體產(chǎn)物分為三路，一路作為循環(huán)油進入循環(huán)流化床反應(yīng)器，一路連接空氣燃燒器提供輔助燃料，一路進入后續(xù)單元。
5.如權(quán)利要求4所述的生物質(zhì)催化熱解方法，其特征在于: 所述的生物質(zhì)原料為秸桿、稻殼、木屑等農(nóng)林廢棄物中的一種或其混合物； 所述的流化氣和進料載氣來自于所述冷凝器側(cè)部出口的不可冷凝氣體。
6.如權(quán)利要求4所述的生物質(zhì)催化熱解方法，其特征在于: 所述的循環(huán)流化床催化熱解反應(yīng)器的操作壓力為0.5~0.8MPa，操作溫度500~590°C，操作氣速為15~20m/s，反應(yīng)時間為2~4s ; 生物質(zhì)原料與催化劑質(zhì)量流量比為1:7~1:10 ; 循環(huán)油與反應(yīng)進料的質(zhì)量流量比為0.1:1~0.5:1 ; 進料載氣與流化氣的流量比為1:10~1:15。
【文檔編號】C10G1/00GK104017597SQ201410244442
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】王超, 張梟雄 申請人:王超, 張梟雄