專利名稱：一種生物質(zhì)熱裂解制取生物油的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)熱化學利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種生物質(zhì)熱裂解制取生物油的裝 置，將農(nóng)作物秸稈、鋸末、雜草、畜禽糞便、城市垃圾等可再生資源轉(zhuǎn)化為液體燃料，并為降 低后期油品精制工藝的能耗提供保證，有益于能源和材料行業(yè)的可持續(xù)供應(yīng)。
背景技術(shù)：
生物質(zhì)熱解液化技術(shù)可將低品質(zhì)、低熱值的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)、高熱值、易于 運輸儲存的液體燃料，并將生物油精制改性后可作為石油產(chǎn)品的替代物，對保障能源安全 和保護環(huán)境具有重要意義。目前，生物質(zhì)熱解液化技術(shù)的一般工藝流程包括物料的干燥、粉 碎、熱裂解、氣固分離、氣態(tài)生物油的冷凝和生物油的收集。其中熱裂解反應(yīng)器是熱解液化 技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。國內(nèi)外已有的熱裂解反應(yīng)器類型有旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、流化床式裂解器、循 環(huán)流化床裂解器、漩渦燒蝕裂解器、真空裂解器、噴動床裂解器等。但目前最廣泛應(yīng)用的可 連續(xù)生產(chǎn)的是流化床反應(yīng)裝置。傳統(tǒng)流化床熱解反應(yīng)器利用載氣(例如氮氣或者煙氣)為 流化介質(zhì)，對生物質(zhì)物料粉末流化完成快速熱解，既增加動力消耗也增加運行成本；氮氣載 氣先被加熱再隨熱解氣一同被冷卻，提高了加熱和冷卻負荷，增加了系統(tǒng)運行能耗；氮氣的 存在增加了熱解產(chǎn)物的體積流量，增加了流動阻力，影響到氣固分離效率；氣體攜帶碳粒進 入冷凝器，降低換熱系數(shù)，降低冷凝效率，影響了得油率。因此，降低系統(tǒng)能耗，降低運行成 本，強化油氣分離，提高得油率，成為目前生物質(zhì)熱解液化研究的主要內(nèi)容?？朔Ｒ?guī)流化床熱解裝置必須利用載氣的問題，無需氣力輸送而輔以機械流化， 實現(xiàn)熱解物料均勻分布，爐內(nèi)空間均勻的溫度場和流場，使得熱解更為充分；省卻了流化介 質(zhì)和保護氣體，簡化了系統(tǒng)，降低運行成本，適用于生物質(zhì)粉末的熱裂解液化系統(tǒng)的連續(xù)生 產(chǎn)，其經(jīng)濟價值和社會效益明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有流化床熱解技術(shù)裝置存在的缺點，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡 單、自動化程度高、熱效率高、經(jīng)濟性優(yōu)越、熱解充分和油份收集率高、能對生物油分級并對 大中小型產(chǎn)量均適合的生物質(zhì)油制取裝置；該裝置克服常規(guī)流化床熱解裝置必須利用載氣 的問題，無需氣力輸送而輔以機械流化，實現(xiàn)熱解物料均勻分布，爐內(nèi)空間溫度場和流場均 勻，熱解更為充分；適用于生物質(zhì)粉末的熱裂解液化系統(tǒng)的連續(xù)生產(chǎn)，其經(jīng)濟價值和社會效 益明顯。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)原理方案是將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物進行粉碎、干 燥，送入沉降輔以機械流化的熱解爐進行快速熱解，經(jīng)過氣固分離出焦炭顆粒，熱解氣進入 冷凝器快速冷卻并經(jīng)過兩級油份收集而制得生物質(zhì)油、熱解碳粉和低熱值氣體；本發(fā)明的 主體結(jié)構(gòu)包括立式螺旋進料結(jié)構(gòu)、夾套水冷管段、熱解爐、熱電偶、壓力表、碳粉室(包括第 一、第二兩級沉降除塵的碳粉室)、三通閥、冷凝器底部儲油管路、管式冷凝器、控制箱、保溫 材料、冷凝器氣體出口管、旋風分離器、噴淋管嘴、噴淋劑循環(huán)泵、冷凝器循環(huán)水泵、補給水
3泵、引風機、低熱值氣體排放管、調(diào)速電機、攪拌絲桿、螺旋片和螺旋軸、螺旋軸尾部的螺旋 絲、碳粉室內(nèi)隔板、放碳管閥和濾油絲網(wǎng)；立式螺旋進料結(jié)構(gòu)為組合式結(jié)構(gòu)，包括調(diào)速電機、 攪拌絲桿、螺旋片和螺旋軸及連接在螺旋軸尾部用于機械提升和流化粉末的螺旋絲；熱解 爐的法蘭連接段處制有夾套水冷管段，防止溫度升高時生物質(zhì)粉末的結(jié)塊堵管現(xiàn)象；循環(huán) 用水與管式冷凝器的冷卻水分別與冷凝器循環(huán)水泵水連通；熱解爐外部制有保溫材料，熱 解爐的底部延長段伸入碳粉室一側(cè)的第一碳粉室，碳粉室的第二碳粉室底部為斜坡式結(jié)構(gòu) 便于碳粉收集，第一與第二碳粉室之間制有碳粉室內(nèi)隔板，碳粉室內(nèi)隔板至碳粉室的頂部 的間距與熱解氣流量有關(guān)，碳粉室內(nèi)隔板上端制為弧形結(jié)構(gòu)，碳粉室底部和側(cè)面留有放出 碳粉的管段及放碳管閥；熱解爐的直向管上等間距分別制有三個熱電偶，熱電偶的測溫觸 點進入熱解爐內(nèi)；碳粉室和管式冷凝器之間的連接采用三通閥；冷凝器底部儲油管段即管 式冷凝器的下集箱與冷凝管束管內(nèi)流體連通；管式冷凝器的管束外空間為水冷卻，開式空 間，冷卻水由補給水泵摻入冷水維持水的低溫和熱水的排出；冷卻后的氣體經(jīng)冷凝器氣體 出口管進入旋風分離器，隨著負壓度的提高，氣體流速提高到滿足離心式分離所要求的進 口流速；切換使用的兩個旋風分離器離心式分離氣體中的重質(zhì)液滴；周期性切換后，由噴 淋劑循環(huán)泵將溶劑送到噴淋管嘴，以噴淋和沖刷的方式收集壁面油分；系統(tǒng)的流動阻力由 引風機克服，并將低熱值氣體通過低熱值氣體排放管排放；整體裝置管道式連通組合成一 體式結(jié)構(gòu)的生物油制備系統(tǒng)，實現(xiàn)低能耗低成本連續(xù)制備生物油；系統(tǒng)的送料速度調(diào)節(jié)和 爐內(nèi)溫度場的顯示及功率控制均通過控制箱實現(xiàn)。本發(fā)明實現(xiàn)生產(chǎn)生物油的步驟包括兩個階段，一是生物質(zhì)物料粉末的快速熱裂解 階段；二是熱解氣的快速冷卻和生物油的收集；第一階段包括從入料到冷卻之前，采用電 熱源加熱，熱解爐外電熱絲的功率由熱解爐規(guī)模決定，電熱絲為上下兩段輸出，通過熱電偶 測得的溫度場確定對各段電熱絲發(fā)熱功率進行如何調(diào)節(jié)，兩段式電加熱控制容易實現(xiàn)熱解 爐內(nèi)的中溫環(huán)境；料倉中生物質(zhì)粉末的料位需高于料倉1/3高度，封住料層外空氣隨料進 入熱解爐，僅粉末層中少量空氣的進入，熱解爐內(nèi)發(fā)生小部分氧化作用，主要發(fā)生的是缺氧 氣氛下的熱裂解反應(yīng)；螺旋下料速度的改變通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)；螺旋下料與熱解爐結(jié) 合處設(shè)置一段夾套水循環(huán)冷卻，因為熱解爐內(nèi)熱量輻射引起物料和螺旋溫度上升，生物質(zhì) 粉末受熱粘度增加，物料容易粘結(jié)而形成堵塞，造成螺旋空轉(zhuǎn)而物料不下；冷卻水的降溫 保證物料在進入熱解爐前不會粘結(jié)；螺旋軸尾部位于熱解爐內(nèi)，焊接的螺旋絲的一同旋轉(zhuǎn) 對入爐粉末起到提升和流化作用，粉末以懸浮狀均勻沉降；生物質(zhì)粉末入爐后的均勻分布 保證生物質(zhì)粉末的快速熱解，穩(wěn)定的溫度場則使熱解氣中組分的穩(wěn)定性好，中溫(500°C左 右)下的熱解反應(yīng)利于熱解氣中可凝性組分份額高；熱解氣攜帶碳粉快速落入碳粉室，進 入第一碳粉室的熱解爐延長管有提高氣粉出口沉降速度的作用；在尾部引風機作用下，熱 解氣上行越過碳粉室內(nèi)隔板進入第二碳粉室，而碳粉顆粒在高速沉降慣性下大部分落到第 一碳粉室底部；底部沉積的碳粉層起到蓄熱保溫作用；被熱解氣攜帶的細密碳粉流經(jīng)碳粉 室內(nèi)隔板上端時，弧形段起到了擾流作用，氣固間相對滑移速度進一步增大，進入第二碳粉 室再次沉降除塵；兩次沉降除塵后的熱解氣離開碳粉室，經(jīng)由三通閥管路進入管式冷凝器； 自物料入爐到熱解氣進入管式冷凝器過程耗時1 2s。本發(fā)明制備生物油的第二階段，熱解氣由管式冷凝器總管分流進入管束，被管外 的循環(huán)冷卻水以順流傳熱方式快速冷卻，易冷凝組分冷凝后沿壁面流下，進入底部儲油管，
4有閥門控制定期排油或連續(xù)排油，油品含水量高，流動性好，屬于第一級的生物油收集；不 易冷凝的熱解氣在儲油管內(nèi)匯集，由引風機引出；熱解氣流經(jīng)冷凝器被快速冷卻至室溫的 過程耗時約0. 5s ；離開冷凝器的氣體中攜帶有較高份額的油液滴，多為大分子碳氫化合 物，粘度高，難以收集，進入旋風分離器，粘附于壁面緩慢下流；積蓄一定油層后會降低分離 效率，為保證連續(xù)的高效分離，設(shè)置兩個并列旋風子，通過閥門控制旋風子的切換；切換后 的旋風分離器，啟動噴淋系統(tǒng)，冷凝器循環(huán)水泵將第一級收集油摻加(10 20) %的無水 乙醇的混合液(也稱穩(wěn)定體系)通過旋風分離器頂部出口管安裝的噴淋管嘴進行噴淋，無 水乙醇為重質(zhì)生物油的良好溶劑和穩(wěn)定劑，噴淋和沖刷將旋風子壁面上殘留油分溶入并收 集；經(jīng)過絲網(wǎng)的進一步收集，不易凝性熱解氣含少量一氧化碳等可燃組分的低熱值氣體經(jīng) 過引風機排放，亦可收集用于進一步分離和合成。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點一是熱解爐內(nèi)無需流化介質(zhì)即可實現(xiàn)生物 質(zhì)粉末在流化和懸浮狀態(tài)熱裂解，降低了運行成本和運行能耗，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效果好，生產(chǎn)成 本低；二是兩段控制式電加熱使爐內(nèi)溫度場的均勻性和穩(wěn)定性好，生物質(zhì)粉末熱解快，熱解 產(chǎn)物的組分和產(chǎn)率控制容易；三是碳粉室由兩級沉降除塵，使熱解氣與碳粉高效分離，熱解 氣高溫下停留時間短；四是并列旋風子結(jié)合噴淋的系統(tǒng)促進了重質(zhì)油分的收集(第二級收 集生物油)；五是生物質(zhì)熱解產(chǎn)物的固體部分需在碳粉室內(nèi)停留一定時間，既為碳粉室蓄 熱保溫，也促進熱解的完善度，為生物質(zhì)的充分熱解提供有利條件；充分熱解得到的焦炭粉 末卸料到碳粉桶內(nèi)密封，冷卻后的碳粉致密化成型為碳粒，既可作固體燃料，也可進一步活 化作活性炭顆粒；其整體結(jié)構(gòu)簡單，原理可靠，實用性強，節(jié)能性好，生產(chǎn)環(huán)境友好，連續(xù)生 產(chǎn)得油率高。


圖1為發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。本實施例的主體結(jié)構(gòu)包括立式螺旋進料結(jié)構(gòu)1、夾套水冷管段2、熱解爐3、熱電偶 4、壓力表5、碳粉室(兩級沉降除塵室)6、三通閥7、冷凝器底部儲油管路8、管式冷凝器9、 控制箱10、保溫材料11、冷凝器氣體出口管12、旋風分離器13、噴淋管嘴14、噴淋劑循環(huán)泵 15、冷凝器循環(huán)水泵16、補給水泵17、引風機18、低熱值氣體排放管19、調(diào)速電機20、攪拌絲 桿21、螺旋片和螺旋軸22、螺旋軸尾部的螺旋絲23、碳粉室內(nèi)隔板24、放碳管閥25 27和 濾油絲網(wǎng)28 ；立式螺旋進料結(jié)構(gòu)為組合式結(jié)構(gòu)，包括調(diào)速電機20、攪拌絲桿21、螺旋片和螺 旋軸22及連接在螺旋軸尾部用于機械提升和流化粉末的螺旋絲23 ；生物粉末進入熱解爐 3的法蘭連接段處制有夾套水冷管段2，防止溫度升高時生物質(zhì)粉末的結(jié)塊堵管現(xiàn)象；循環(huán) 用水與管式冷凝器9的循環(huán)冷卻水分別與循環(huán)水泵16水連通；熱解爐3外部制有保溫材料 11，熱解爐3的底部延長段伸入碳粉室6—側(cè)的第一碳粉室，碳粉室6的第二碳粉室底部為 斜坡式結(jié)構(gòu)便于碳粉收集，第一與第二碳粉室之間制有碳粉室內(nèi)隔板24，碳粉室內(nèi)隔板24 至碳粉室6的頂部的間距與熱解氣流量有關(guān)，碳粉室內(nèi)隔板24的上端制為弧形結(jié)構(gòu)，碳粉 室6的底部和側(cè)面留有放出碳粉的管段及放碳管閥25、26、27 ；熱解爐3的直向管上等間距分別制有三個熱電偶4，熱電偶4的測溫觸點進入熱解爐3內(nèi)；碳粉室6和管式冷凝器9之 間的連接采用三通閥7 ；冷凝器底部儲油管路8即管式冷凝器9的下集箱與冷凝管束管內(nèi) 流體連通；管式冷凝器9的管束外空間為水冷卻，開式空間，冷卻水由補給水泵17摻入冷水 維持水的低溫和熱水的排出；冷卻后氣體經(jīng)冷凝器氣體出口管12進入旋風分離器13，隨著 負壓度的提高，氣體流速提高到滿足離心式分離所要求的進口流速；切換使用的兩個旋風 分離器13離心式分離氣體中的重質(zhì)液滴；周期性切換后，由噴淋劑循環(huán)泵15將溶劑送到噴 淋管嘴14，以噴淋和沖刷的方式收集壁面油分；系統(tǒng)的流動阻力由引風機18克服，并將低 熱值氣體通過低熱值氣體排放管19排放；整體裝置管道式連通組合成一體式結(jié)構(gòu)的生物 油制備系統(tǒng)，實現(xiàn)低能耗低成本連續(xù)制備生物油，送料速度調(diào)節(jié)和爐內(nèi)溫度場的顯示及功 率控制均通過控制箱10實現(xiàn)。本實施例通過調(diào)整送料調(diào)速電機20的轉(zhuǎn)速控制物料入料量，同時調(diào)節(jié)機械流化 螺旋軸尾部的螺旋絲23的轉(zhuǎn)速，料倉中料位的高度至少為料倉深度的1/3，保證入爐密 封性；螺旋片和螺旋軸22上制有兩根交錯攪拌絲桿21，并位于料倉底部出口之上，其安 裝高度低于料倉高度1/3處，以撥動生物質(zhì)粉末層，減少結(jié)塊，防止堵塞，促進順暢入料； 分別控制上下兩段電熱絲的功率保證熱解爐3內(nèi)軸向溫度場的均勻性；熱解爐3內(nèi)維持 500士 10°C ；碳粉室6內(nèi)溫度為450°C，既促進物料的充分熱解，又減少熱解氣的慢速冷卻而 改變油性；定期開啟碳粉室6底部管段的放碳管閥25 27，放出部分沉積的碳粉，留有部 分碳粉對熱解爐3的底部蓄熱保溫，保證三個管閥的密封性；進入碳粉室6的熱解爐3的延 長段使得由上而下的熱解氣攜帶碳粉落入碳粉室6的沉降速度更高，大的碳顆粒在慣性和 重力作用下與氣體分離，而跟隨氣體繼續(xù)上行的小碳顆粒流經(jīng)隔板時，被弧形的碳粉室內(nèi) 隔板24阻擋擾動，更多細碳粒與氣體的相對滑移速度增加，在兩側(cè)碳粉室沉積下來；氣體 流經(jīng)三通閥7時須保溫良好，減少焦油的沉積；通過碳粉室6的壓力表5顯示，檢測三通閥 7處是否被焦油堵塞，及時進行焦油清理；兩級油收集裝置間連接管路長度要縮短，減少油 分沉積；通過調(diào)節(jié)引風機18的開度來控制碳粉室6內(nèi)負壓度；管式冷凝器9下收集的油水 分含量高，粘度小，流動性好，氧含量高，所以發(fā)熱量低，需后期復雜的深度精制；而旋風分 離器13下收集的油水分含量少，氧含量低，粘度大，經(jīng)過后期簡單的精制工藝即可具有液 體燃料的特性。本實施例的實驗測量結(jié)果表明，考慮到濾油絲網(wǎng)28收集油后質(zhì)量變化，生物質(zhì)熱 裂解制油系統(tǒng)的秸稈熱解得油率在45%，鋸末熱解得油率在55%左右；熱解碳粉可用做燃 料或進一步制取活性炭；低熱值氣體可回收分離后用于氣體合成，本實施例的熱裂解制油 裝置具有負荷調(diào)節(jié)范圍廣，能源轉(zhuǎn)換效率高，污染排放少，低成本低能耗運行，經(jīng)濟性優(yōu)越， 制得的生物油易于分類精制為石油替代產(chǎn)品，具有廣闊的經(jīng)濟效益和優(yōu)越的社會效益。
權(quán)利要求
一種生物質(zhì)熱裂解制取生物油的裝置，主體結(jié)構(gòu)包括立式螺旋進料結(jié)構(gòu)、夾套水冷管段、熱解爐、熱電偶、壓力表、碳粉室、三通閥、冷凝器底部儲油管路、管式冷凝器、控制箱、保溫材料、冷凝器氣體出口管、旋風分離器、噴淋管嘴、噴淋劑循環(huán)泵、冷凝器循環(huán)水泵、補給水泵、引風機、低熱值氣體排放管、調(diào)速電機、攪拌絲桿、螺旋片和螺旋軸、螺旋軸尾部的螺旋絲、碳粉室內(nèi)隔板、放碳管閥和濾油絲網(wǎng)，其特征在于熱解爐的法蘭連接段處制有夾套水冷管段，防止溫度升高時生物質(zhì)粉末的結(jié)塊堵管現(xiàn)象；循環(huán)用水與管式冷凝器的冷卻水分別與冷凝器循環(huán)水泵水連通；熱解爐外部制有保溫材料，熱解爐的底部延長段伸入碳粉室一側(cè)的第一碳粉室，碳粉室的第二碳粉室底部為斜坡式結(jié)構(gòu)便于碳粉收集，第一與第二碳粉室之間制有碳粉室內(nèi)隔板，碳粉室內(nèi)隔板至碳粉室的頂部的間距與熱解氣流量有關(guān)，碳粉室內(nèi)隔板上端制為弧形結(jié)構(gòu)，碳粉室底部和側(cè)面留有放出碳粉的管段及放碳管閥；熱解爐的直向管上等間距分別制有三個熱電偶，熱電偶的測溫觸點進入熱解爐內(nèi)；碳粉室和管式冷凝器之間的連接采用三通閥；冷凝器底部儲油管段即管式冷凝器的下集箱與冷凝管束管內(nèi)流體連通；管式冷凝器的管束外空間為水冷卻，開式空間，冷卻水由補給水泵摻入冷水維持水的低溫和熱水的排出；冷卻后的氣體經(jīng)冷凝器氣體出口管進入旋風分離器，隨著負壓度的提高，氣體流速提高到滿足離心式分離所要求的進口流速；切換使用的兩個旋風分離器離心式分離氣體中的重質(zhì)液滴；周期性切換后，由噴淋劑循環(huán)泵將溶劑送到噴淋管嘴，以噴淋和沖刷的方式收集壁面油分；系統(tǒng)的流動阻力由引風機克服，并將低熱值氣體通過低熱值氣體排放管排放；整體裝置管道式連通組合成一體式結(jié)構(gòu)的生物油制備系統(tǒng)，實現(xiàn)低能耗低成本連續(xù)制備生物油；系統(tǒng)的送料速度調(diào)節(jié)和爐內(nèi)溫度場的顯示及功率控制均通過控制箱實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)熱裂解制取生物油的裝置，其特征在于通過調(diào)整送料 調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速控制物料入料量，同時調(diào)節(jié)機械流化螺旋軸尾部的螺旋絲的轉(zhuǎn)速，料倉中 料位的高度至少為料倉深度的1/3 ；螺旋片和螺旋軸上制有兩根交錯攪拌絲桿，并位于料 倉底部出口之上，其安裝高度低于料倉高度1/3處，以撥動生物質(zhì)粉末層，減少結(jié)塊，防止 堵塞，促進順暢入料；熱解爐內(nèi)維持500士 10°C ；碳粉室內(nèi)溫度為450°C。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物質(zhì)熱化學利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種生物質(zhì)熱裂解制取生物油的裝置，包括熱解爐、碳粉室、控制箱和循環(huán)水系統(tǒng)組合成一體式結(jié)構(gòu)，通過熱解將農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、城市垃圾等可再生資源轉(zhuǎn)化為液體燃料，并為降低后期油品精制工藝的能耗提供保證，有益于能源和材料行業(yè)的可持續(xù)供應(yīng)，其技術(shù)原理是將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物進行粉碎、干燥，送入沉降輔以機械流化的熱解爐進行快速熱解，經(jīng)過氣固分離出焦炭顆粒，熱解氣進入冷凝器快速冷卻并經(jīng)過兩級油份收集而制得生物質(zhì)油、熱解碳粉和低熱值氣體，其生物質(zhì)油經(jīng)過精制可用于機動車等發(fā)動機的燃料油，其整體結(jié)構(gòu)簡單，原理可靠，實用性強，節(jié)能性好，生產(chǎn)環(huán)境友好，產(chǎn)油率高。
文檔編號C10B53/02GK101899315SQ20101023103
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者王鳳印, 王翠蘋, 賈少剛 申請人:青島大學