專利名稱：高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域，主要是一種高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的工藝及裝置。
背景技術(shù)：
生物質(zhì)能是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是直接或間接通過(guò)綠色植物的光合作用，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量，是一種清潔的、唯一可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，具有可再生、低污染、分布廣泛、生物質(zhì)燃料總量豐富等特點(diǎn)，在當(dāng)今世界的能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量密度高、使用方便的液體燃料和高附加值產(chǎn)品是生物質(zhì)能源開發(fā)的一個(gè)重要方面，生物質(zhì)快速熱裂解技術(shù)是目前世界上生物質(zhì)能研究開發(fā)的前沿技術(shù)。生物質(zhì)快速熱裂解產(chǎn)生的生物油經(jīng)精制后制得的燃料是一種清潔的、高品位的燃料，在燃燒過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生有害氣體，并且在生物油的利用過(guò)程中還能實(shí)現(xiàn)CO2的零排放，對(duì)環(huán)境基本上不存在污染。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油的方式主要為直接液化和快速熱裂解兩種。直接液化技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還未見中試報(bào)道；以流化床為代表的快速熱裂解技術(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)、示范生產(chǎn)階段，熱裂解反應(yīng)器在國(guó)內(nèi)外已開發(fā)10多種，部分進(jìn)行了中試、示范生產(chǎn)。盡管經(jīng)過(guò)30多年的研究，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油的技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，但還未形成工業(yè)化的技術(shù)，對(duì)一些機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)仍在研究之中。目前，國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)快速熱裂解技術(shù)采用砂子、石英砂或者陶瓷球作生物質(zhì)熱裂解的熱載體，以高溫離子液體做生物質(zhì)快速熱裂解熱載體的研究未見報(bào)道。熔融鹽是一種常見的高溫離子液體，具有導(dǎo)電性好、使用溫度范圍寬(225℃～1000℃)、蒸汽壓低、熱容大、粘度小、對(duì)物質(zhì)溶解能力強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)。采用高溫離子液體作生物質(zhì)快速熱裂解熱載體的同時(shí)，其所包含的某種陰、陽(yáng)離子對(duì)生物質(zhì)熱裂解起著催化作用，又可以作為生物質(zhì)快速熱裂解的溶劑，是生物質(zhì)快速熱裂解技術(shù)和直接催化液化技術(shù)的理想結(jié)合與統(tǒng)一，能使兩種技術(shù)充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)調(diào)節(jié)高溫離子液體的組成，使其達(dá)到或接近巖漿的組成，模擬生物質(zhì)在地下形成石油的過(guò)程，可認(rèn)為是這是一仿生態(tài)的過(guò)程。綜合比較生物質(zhì)快速熱裂解所采用的技術(shù)和裝置，該流程和裝置具有生物質(zhì)顆粒與熱載體混合均勻，溫度場(chǎng)穩(wěn)定，熱裂解過(guò)程迅速，熱裂解設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊而實(shí)用，投資費(fèi)用低，能夠連續(xù)操作，生物油中高附加值產(chǎn)物含量高且得率高等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了能將利用效率低的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的生物質(zhì)液體燃料和高附加值產(chǎn)品，提供一種高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的工藝及裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案這種高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的工藝，該工藝流程包括如下步驟(1)生物質(zhì)顆粒由螺旋進(jìn)料器連續(xù)送入撞擊流反應(yīng)器；(2)以高溫離子液體為載體、溶劑和催化劑，由高溫熔鹽泵將高溫離子液體打入撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，生物質(zhì)顆粒在高溫離子液體作用下快速熱裂解；(3)生物質(zhì)熱裂解溫度為225℃～1000℃，壓力為1atm～100atm；(4)生物質(zhì)的熱裂解氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器分離，部分炭粒子由集炭器收集；(5)經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器分離后的裂解氣進(jìn)入氣-水換熱器用水降溫至35℃，含生物質(zhì)的氣體冷凝成生物油，由集油器收集；(6)經(jīng)集油器分離出的非凝結(jié)性氣體收集再利用。
本發(fā)明中所述的高溫離子液體可以是由下述陰陽(yáng)離子組成的單一化合物，也可以是由下述陰陽(yáng)離子組成的化合物按一定比例組成的混合物；組成高溫離子液體的陽(yáng)離子有Li+，Na+，K+，Rb+，Cs+，F(xiàn)r+；Be2+，Mg2+，Ca2+，Sr2+，Ba2+，Ra2+；B3+，Al3+，Sc3+，Y3+；Si4+，Ti4+，Zr4+，Hf4+；V3+，V5+，Nb5+，Ta+；Cr2+，Cr3+，Cr4+；Mn3+，Mn4+；Fe2+，F(xiàn)e3+，Co2+，Co3+，Ni2+，Ni3+，Pd3+；Cu+，Cu2+，Ag+，Au+；Zn2+，Zn4+，Cd+，Cd2+，Hg+，Hg2+；Cu3+，In3+，Tl+，Tl3+；Ge4+，Sn2+，Sn4+，Pb2+，Pb4+；As3+，Sb3+，Bi3+。
組成高溫離子液體的陰離子有F-，Cl-，Br-，I-，At-；O2-，S2-，Se2-，Te2-，Po2-；NO2-，NO3-，SO42-，CO32-，ClO3-，ON-，SiO44-，SiO32-，Si2O52-，SixOy-2y+4x，BO33-，BxOy-2y+3x，PO43-，PxOy-2y+5x，CrO42-，Cr2O72-，MoO42-，Mo2O72-，WO42-，W2O72-，SCN-，CN-。
本發(fā)明所述的這種高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的裝置，包括料斗、調(diào)頻電機(jī)和減速器、進(jìn)料套筒及螺旋進(jìn)料棒、撞擊流反應(yīng)器、高溫熔鹽泵、旋風(fēng)分離器、集炭器、氣-水熱交換器、集油器、主電加熱器和高溫離子液體儲(chǔ)槽；主電加熱器置于高溫熔鹽泵前端的高溫離子液體儲(chǔ)槽內(nèi)，用以加熱高溫離子液體；高溫離子液體通過(guò)高溫熔鹽泵打入撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，撞擊流反應(yīng)器的熱裂解氣出口與旋風(fēng)分離器相連接，旋風(fēng)分離器分別與集炭器、氣-水換熱器相連接。
所述的撞擊流反應(yīng)器的外壁面上設(shè)置有輔助電加熱器。
所述的撞擊流反應(yīng)器水平放置。
本發(fā)明有益的效果是由于采用高溫離子液體作為生物質(zhì)快速催化熱裂解的催化劑、載體和溶劑，并采用撞擊流反應(yīng)器，具有生物質(zhì)顆粒與熱載體混合均勻，溫度場(chǎng)穩(wěn)定，熱裂解過(guò)程迅速，熱裂解設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊而實(shí)用，投資費(fèi)用低，能夠連續(xù)操作，生物油中高附加值產(chǎn)物含量高且得率高等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的裝置示意圖；圖2為本發(fā)明的高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的工藝流程圖；附圖標(biāo)記料斗1、調(diào)頻電機(jī)和減速器2、進(jìn)料套筒及螺旋進(jìn)料棒3、撞擊流反應(yīng)器4、高溫熔鹽泵5、旋風(fēng)分離器6、集炭器7、氣-水熱交換器8、集油器9、輔助加熱器10、主電加熱器11、高溫離子液體儲(chǔ)槽12，保溫層13，加速管14，高溫離子液體層15。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
如圖2所示，本發(fā)明的工藝流程為1、生物質(zhì)由調(diào)頻電機(jī)、螺旋進(jìn)料棒、料斗組成的螺旋進(jìn)料器連續(xù)地輸送入至撞擊流反應(yīng)器。撞擊流反應(yīng)器是整個(gè)生物質(zhì)快速熱裂解裝置中的關(guān)鍵，要能夠使得生物質(zhì)原料在極短的時(shí)間內(nèi)在高溫離子液體層內(nèi)混合及受熱均勻，并達(dá)到較高的升溫速率(＞1000℃/s)和限定的停留時(shí)間；2、而作為生物質(zhì)快速熱裂解的催化劑、載體和溶劑的高溫離子液體由主電加熱器加熱后，由高溫熔鹽泵打入到撞擊流反應(yīng)器內(nèi)。在高溫離子液體的給熱和催化作用下，生物質(zhì)顆粒快速熱裂解；3、生物質(zhì)熱裂解溫度為225℃～1000℃，壓力為1atm～100atm 4、生物質(zhì)熱裂解氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器分離，部分炭粒子分離進(jìn)入集炭器，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器分離的生物質(zhì)熱裂解氣進(jìn)入氣-水熱交換器用水降溫至35℃；4、經(jīng)氣-水換熱器后的生物質(zhì)熱裂解氣經(jīng)過(guò)集油器，集油器是一種氣液分離裝置，在其內(nèi)部含生物質(zhì)氣體冷凝成生物油，將冷凝下來(lái)的生物油與不凝性氣體分離。本實(shí)施例中生物質(zhì)原料為木屑，在較高的升溫速率和限定的停留時(shí)間下，經(jīng)快速熱裂解后生成液體、氣體、固體三種產(chǎn)物，含高附加值產(chǎn)物的液體產(chǎn)物量占很大的比例。
高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解裝置如圖1所示，裝置主要有料斗1、調(diào)頻電機(jī)和減速器2、進(jìn)料套筒及螺旋進(jìn)料棒3、撞擊流反應(yīng)器4、高溫熔鹽泵5、旋風(fēng)分離器6、集炭器7、氣-水熱交換器8、集油器9、輔助加熱器10、主電加熱器11、高溫離子液體儲(chǔ)槽12等組成。主電加熱器11置于高溫熔鹽泵5前端的高溫離子液體儲(chǔ)槽12內(nèi)，用以加熱高溫離子液體；高溫離子液體通過(guò)高溫熔鹽泵5打入撞擊流反應(yīng)器4內(nèi)形成高溫離子液體層14，反應(yīng)器4采用撞擊流的結(jié)構(gòu)型式，水平放置。撞擊流反應(yīng)器是整個(gè)快速熱裂解裝置的關(guān)鍵，必須使得生物質(zhì)顆粒在極短的時(shí)間內(nèi)與高溫離子液體混合均勻并且受熱均勻，且具備較高的升溫速率(＞1000℃/s)，熱裂解氣在高溫離子液體層15中的停留時(shí)間達(dá)到限定的停留時(shí)間。高溫離子液體在高溫離子儲(chǔ)槽12內(nèi)由主電加熱器11加熱至熱裂解反應(yīng)的終端溫度，由高溫熔鹽泵5通過(guò)加熱管13打入撞擊流反應(yīng)器4內(nèi)。撞擊流反應(yīng)器4的熱裂解氣出口通過(guò)帶保溫層13的管道與旋風(fēng)分離器6相連接，其作用是分離生物質(zhì)原料被熱裂解后生成產(chǎn)物中的固體產(chǎn)品。旋風(fēng)分離器6分別與集炭器7、氣-水換熱器8相連接，氣-水熱交換器8需要達(dá)到很快的冷卻速率(＞650℃/s)，將高溫的生物質(zhì)裂解氣快速冷卻至35℃以下，熱裂解生成產(chǎn)物中可凝性氣體冷凝成生物油。集油器9實(shí)為一種氣液分離器，將冷凝下來(lái)的生物油與不凝性氣體分離。進(jìn)料采用螺旋進(jìn)送結(jié)構(gòu)，配置調(diào)頻電機(jī)和減速器2，經(jīng)過(guò)多次冷態(tài)調(diào)試后，確定出單位時(shí)間進(jìn)料量與電機(jī)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以確保熱裂解過(guò)程中生物質(zhì)給料量的均勻性和可調(diào)性。主電加熱器11設(shè)置在高溫離子液體儲(chǔ)槽12內(nèi)，將由高溫熔鹽泵輸送的高溫離子液體加熱至熱裂解反應(yīng)的終端溫度。輔助電加熱器10設(shè)置在撞擊流反應(yīng)器4的外壁面，其作用主要是保證撞擊流反應(yīng)器內(nèi)的溫度均勻、穩(wěn)定并且可調(diào)。高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的整個(gè)系統(tǒng)為封閉式。高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的過(guò)程，是大量有機(jī)物、碳?xì)浠衔锏姆肿渔I在高溫離子液體的催化作用下斷裂，轉(zhuǎn)變?yōu)楹挤肿訑?shù)目較少的低分子量物質(zhì)的過(guò)程。在較高的加熱速率和冷卻速率下，在適宜的熱裂解產(chǎn)物在高溫離子液體層中的停留時(shí)間內(nèi)，熱裂解反應(yīng)溫度在某個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，可得到高附加值產(chǎn)物含量高、高得率的生物油。
實(shí)施例1將300g的熔融鹽NaNO3置于500ml的三口圓底燒瓶中，外用電加熱套加熱，不斷向圓底燒瓶?jī)?nèi)部充入N2，在圓底燒瓶上端連接兩個(gè)串聯(lián)的冷凝管，并用接近于0℃的水來(lái)冷凝，在冷凝管的下端接125ml的圓底燒瓶。當(dāng)圓底燒瓶?jī)?nèi)的加熱溫度升至307℃時(shí)，NaNO3開始熔化，呈現(xiàn)液態(tài)，當(dāng)圓底燒瓶?jī)?nèi)的溫度升至335℃，通過(guò)圓底燒瓶的一個(gè)經(jīng)過(guò)改裝的磨口，向圓底燒瓶?jī)?nèi)連續(xù)而均勻的加入顆粒直徑約為1.5mm的木屑100g，當(dāng)木屑顆粒與高溫熔融鹽接觸后，在＜1s的時(shí)間內(nèi)，木屑顆粒被裂解掉，在冷凝管管壁上富集有油狀物滴，最后會(huì)收集在125ml的圓底燒瓶中。在此過(guò)程中，圓底燒瓶?jī)?nèi)部最高溫度至370℃，最終在125ml的圓底燒瓶中收集到質(zhì)量約為42g的油狀產(chǎn)品。
實(shí)施例2
將熔融鹽KNO3、NaNO2和NaNO3按照質(zhì)量比為53％40％7％配制成混合熔融鹽，將300g的混合熔融鹽置于500ml的三口圓底燒瓶中，外用電加熱套加熱，不斷向圓底燒瓶?jī)?nèi)部充入N2，在圓底燒瓶上端連接兩個(gè)串聯(lián)的冷凝管，并用接近于0℃的水來(lái)冷凝，在冷凝管的下端接125ml的圓底燒瓶。當(dāng)圓底燒瓶?jī)?nèi)的加熱溫度升至142℃時(shí)，混合型熔融鹽開始熔化，呈現(xiàn)液態(tài)，當(dāng)圓底燒瓶?jī)?nèi)的溫度升至300℃，通過(guò)圓底燒瓶的一個(gè)經(jīng)過(guò)改裝的磨口，向圓底燒瓶?jī)?nèi)連續(xù)而均勻的加入顆粒直徑約為1.5mm的木屑100g，木屑顆粒與高溫熔融鹽接觸后，在＜1s的時(shí)間內(nèi)，木屑顆粒被裂解掉，隨之在冷凝管管壁上富集有油狀物滴，最后會(huì)收集在125ml的圓底燒瓶中。在此過(guò)程中，圓底燒瓶?jī)?nèi)部最高溫度至400℃，最終在125ml的圓底燒瓶中收集到55g的油狀產(chǎn)品。
除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的工藝，其特征在于該工藝流程包括如下步驟(1)生物質(zhì)顆粒由螺旋進(jìn)料器連續(xù)送入撞擊流反應(yīng)器；(2)以高溫離子液體為載體、溶劑和催化劑，由高溫熔鹽泵將高溫離子液體打入撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，生物質(zhì)顆粒在高溫離子液體作用下快速熱裂解；(3)生物質(zhì)熱裂解溫度為225℃～1000℃，壓力為1atm～100atm；(4)生物質(zhì)的熱裂解氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器分離，部分炭粒子由集炭器收集；(5)經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器分離后的裂解氣進(jìn)入氣-水換熱器用水降溫至35℃，含生物質(zhì)的氣體冷凝成生物油，由集油器收集；(6)經(jīng)集油器分離出的非凝結(jié)性氣體收集再利用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的工藝，其特征是所述的高溫離子液體可以是由下述陰陽(yáng)離子組成的單一化合物，也可以是由下述陰陽(yáng)離子組成的化合物按一定比例組成的混合物；組成高溫離子液體的陽(yáng)離子有Li+，Na+，K+，Rb+，Cs+，F(xiàn)r+；Be2+，Mg2+，Ca2+，Sr2+，Ba2+，Ra2+；B3+，Al3+，Sc3+，Y3+；Si4+，Ti4+，Zr4+，Hf4+；V3+，V5+，Nb5+，Ta5+；Cr2+，Cr3+，Cr4+；Mn3+，Mn4+；Fe2+，F(xiàn)e3+，Co2+，Co3+，Ni2+，Ni3+，Pd3+；Cu+，Cu2+，Ag+，Au+；Zn2+，Zn4+，Cd+，Cd2+，Hg+，Hg2+；Cu3+，In3+，Tl+，Tl3+；Ge4+，Sn2+，Sn4+，Pb2+，Pb4+；As3+，Sb3+，Bi3+；組成高溫離子液體的陰離子有F-，Cl-，Br-，I-，At-；O2-，S2-，Se2-，Te2-，Po2-；NO2-，NO3-，SO42-，CO32-，ClO3-，ON-，SiO44-，SiO32-，Si2O52-，SixOy-2y+4x，BO33-，BxOy-2y+3x，PO43-，PxOy-2y+5x，CrO42-，Cr2O72-，MoO42-，Mo2O72-，WO42-，W2O72-，SCN-，CN-。
3.一種高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的裝置，其特征在于包括料斗(1)、調(diào)頻電機(jī)和減速器(2)、進(jìn)料套筒及螺旋進(jìn)料棒(3)、撞擊流反應(yīng)器(4)、高溫熔鹽泵(5)、旋風(fēng)分離器(6)、集炭器(7)、氣-水熱交換器(8)、集油器(9)、主電加熱器(11)和高溫離子液體儲(chǔ)槽(12)；主電加熱器(11)置于高溫熔鹽泵(5)前端的高溫離子液體儲(chǔ)槽(12)內(nèi)，用以加熱高溫離子液體；高溫離子液體通過(guò)高溫熔鹽泵(5)打入撞擊流反應(yīng)器(4)內(nèi)，撞擊流反應(yīng)器(4)的熱裂解氣出口與旋風(fēng)分離器(6)相連接，旋風(fēng)分離器(6)分別與集炭器(7)、氣-水換熱器(8)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的裝置，其特征在于所述的撞擊流反應(yīng)器(4)的外壁面上設(shè)置有輔助電加熱器(10)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的裝置，其特征在于所述的撞擊流反應(yīng)器(4)水平放置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫離子液體催化生物質(zhì)快速熱裂解的工藝及裝置，其流程為生物質(zhì)顆粒由螺旋給料器連續(xù)送入撞擊流反應(yīng)器；以高溫離子液體為載體、溶劑和催化劑，由高溫熔鹽泵將高溫離子液體打入撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，生物質(zhì)顆粒在高溫離子液體作用下快速熱裂解；生物質(zhì)的熱裂解氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，含生物質(zhì)的熱裂解氣冷凝成生物油，非凝結(jié)性氣體進(jìn)行收集再利用。其裝置包括螺旋進(jìn)料器、調(diào)速電機(jī)、高溫熔鹽泵、撞擊流反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器、集炭器、氣—水交換器、集油器、主電加熱器、輔助電加熱器、高溫離子液體儲(chǔ)槽。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是生物質(zhì)顆粒與高溫離子液體混合均勻，溫度場(chǎng)穩(wěn)定，生物質(zhì)熱裂解過(guò)程迅速，熱裂解設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊而實(shí)用。
文檔編號(hào)C10G1/00GK101085924SQ20071006928
公開日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月11日
發(fā)明者計(jì)建炳, 于鳳文, 艾寧, 姬登祥, 徐之超, 俞云良 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)