一種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置及方法，其中生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置包括微波熱裂解單元，該微波熱裂解單元設(shè)有出炭口和進料口，所述微波熱裂解單元的出炭口與微波熱裂解單元的進料口相接。本發(fā)明為生物質(zhì)能高質(zhì)化和高值化轉(zhuǎn)化利用提供了新的技術(shù)方法和手段，可極大提高生物質(zhì)的炭轉(zhuǎn)換率，實現(xiàn)生物質(zhì)熱裂解焦油的高效轉(zhuǎn)化，最終獲得高品質(zhì)的生物質(zhì)炭和生物質(zhì)氣，能量利用效率極高。同時具有工藝簡單、可操作性強、可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的特點。
【專利說明】
一種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的不斷發(fā)展，人類大規(guī)模地利用各種化石能源(如煤、石油、天然氣等)，造成了化石能源的日益減少以及嚴(yán)重的環(huán)境問題，因此人類迫切地需要一種清潔、高效、靈活的新能源替代化石能源。生物質(zhì)能作為新能源的重要組成部分，具有可再生性、環(huán)境友好性、普遍性與易取性的特點，是一種重要的可替代能源。以生物質(zhì)能源代替化石燃料，可以緩解化石燃料短缺問題，減少污染物及C02排放。
[0003]生物質(zhì)能是唯一可以轉(zhuǎn)化為氣、液、固三相燃料的可再生能源。生物質(zhì)通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)換可轉(zhuǎn)化為可燃生物質(zhì)氣、生物質(zhì)油和生物質(zhì)炭。生物質(zhì)熱解是在完全沒有氧或缺氧的條件下進行熱降解，最終生成可燃生物質(zhì)氣、生物質(zhì)油和生物質(zhì)炭。
[0004]傳統(tǒng)的生物質(zhì)熱解有干鎦和燜燒等多種方式，如CN202164272U公開的一種生物質(zhì)熱解氣化裝置，但存在熱解爐內(nèi)加熱不均勻、熱解速度慢、燃?xì)鉄嶂递^低、燃?xì)饨褂秃扛?、熱解爐產(chǎn)能較低等不足，且由于生物質(zhì)熱解得到的生物質(zhì)油成分十分復(fù)雜，腐蝕性較大，需要經(jīng)過深度加工才好使用，目前來看生物質(zhì)油的市場不太好。同時生物質(zhì)熱解得到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂递^低、焦油含量高，嚴(yán)重影響其利用價值。
[0005]生物質(zhì)微波熱解具有加熱速度快、加熱均勻、操作簡單等優(yōu)點，已有較多的應(yīng)用。
[0006]CN104357071A公開了一種利用微波催化熱解生物質(zhì)定向生產(chǎn)生物質(zhì)炭、生物質(zhì)油和生物質(zhì)氣的方法，該方法以微波為加熱源，在生物質(zhì)中加入少量催化劑，在500?700 °C的高溫條件下將生物質(zhì)催化熱解，定向生產(chǎn)生物質(zhì)炭、生物質(zhì)油和生物質(zhì)燃?xì)馊N產(chǎn)品。但是該方法催化劑用量大，因而成本較高，且催化劑會對熱解得到的生物質(zhì)炭的灰熔點產(chǎn)生不利影響;該方法得到的生物質(zhì)油的品質(zhì)不高，含水率較高，酸度較大，腐蝕性較強，因而其經(jīng)濟性不是很好;得到的生物質(zhì)氣熱值雖較高，但距高熱值燃?xì)獠罹嗳暂^大，且由于氣相中油含量高，僅經(jīng)冷卻除去生物質(zhì)油后燃?xì)庵薪褂秃咳匀粫^高，需要復(fù)雜的過濾凈化處理才能滿足燃?xì)饧泄夂腿細(xì)獍l(fā)電的要求。
[0007]CN103387853A提出了一種生物炭微波氣化制合成氣的方法，生物質(zhì)熱解得到的生物炭與催化劑混合后，在惰性氣體氛圍下的微波反應(yīng)器中進行加熱，達到所需氣化溫度，同時脫除生物炭中的揮發(fā)分，將惰性氣體切換為氣化劑進行氣化反應(yīng)，得到合成氣產(chǎn)品。該方法實際上就是生物炭的微波氣化方法，制得的生物質(zhì)氣中⑶2含量低，生物質(zhì)氣品質(zhì)較高，但是該方法的前提是必須先將生物質(zhì)熱解制取生物質(zhì)炭。該方法并沒有將生物質(zhì)熱解過程中產(chǎn)生的生物質(zhì)氣和生物質(zhì)油加以利用，因此生物質(zhì)能的總體利用率就很低。
[0008]CN104593090A提出了一種生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的方法及裝置，它包括低溫烘焙、高溫催化氣化和微波重整三個階段，并分別在氣化裝置中三個相對獨立的空間內(nèi)連續(xù)進行，從而獲得高品質(zhì)的合成燃?xì)?。但是該方法將未氣化的生物質(zhì)炭通過燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，再將高溫?zé)煔馀c螺旋熱解反應(yīng)器中的生物質(zhì)進行間接換熱來加熱生物質(zhì)，雖然可以減少微波能耗，但由于間接換熱系數(shù)低，因此需要很長的換熱長度才能將生物質(zhì)加熱到熱解所需的溫度，且螺旋裝置長期置于高溫環(huán)境下工作，使用壽命短，裝置運行維護量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于，針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置及方法，用于制備可燃生物質(zhì)燃?xì)夂蜕镔|(zhì)炭。
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置，包括微波熱裂解單元，該微波熱裂解單元設(shè)有出炭口和進料口，所述微波熱裂解單元的出炭口與微波熱裂解單元的進料口相接。
[0011]借由上述結(jié)構(gòu)，微波熱裂解單元采用微波作熱源，加熱速度快，且不帶入惰性成分，有利于提高生物質(zhì)熱裂解燃?xì)獾臒嶂?。在生物質(zhì)原料中摻混部分生物質(zhì)炭，實現(xiàn)生物質(zhì)摻炭微波熱裂解。通過摻炭，既可提高微波熱裂解單元的熱裂解爐內(nèi)生物質(zhì)原料吸收微波的能力，加快溫升，提升熱裂解爐的單位容積處理能力，又可因生物質(zhì)原料與生物炭吸波的差異而在熱裂解爐內(nèi)形成許多的局部高溫區(qū)，這些高溫區(qū)可作為生物質(zhì)原料熱解活化中心，有利于生物質(zhì)熱解析出的揮發(fā)分的二次裂解，從而從源頭上抑制生物質(zhì)熱裂解氣相產(chǎn)物中的油的含量，同時因生物質(zhì)原料熱裂解溫度較低而獲得較高的得炭率。
[0012]為了提高熱裂解爐的單位容積處理能力，降低單位質(zhì)量生物質(zhì)原料的微波能耗，生物質(zhì)原料需經(jīng)過預(yù)先干燥和破碎處理，初始水分控制在10%左右，生物質(zhì)原料粒度不超過5cm0
[0013]進一步地，還包括催化重整器，該催化重整器的底部設(shè)有進氣口，所述微波熱裂解單元設(shè)有出氣口，微波熱裂解單元的出氣口與催化重整器的進氣口相連。
[0014]作為一種優(yōu)選方式，所述催化重整器包括催化重整反應(yīng)倉和附著在該催化重整反應(yīng)倉外的第一微波發(fā)生器，所述催化重整反應(yīng)倉內(nèi)設(shè)有催化重整反應(yīng)床，該催化重整反應(yīng)床為炭床。
[0015]生物質(zhì)熱裂解氣相產(chǎn)物從熱裂解爐內(nèi)輸出進入催化重整反應(yīng)倉中。炭床可豎式也可橫式布置。炭床高度或長度需保證生物質(zhì)熱裂解氣相產(chǎn)物在炭床內(nèi)有2S以上的反應(yīng)時間。催化重整反應(yīng)倉采用第一微波發(fā)生器發(fā)出的微波加熱，最高溫度控制在850 °C左右。
[0016]進一步地，所述催化重整反應(yīng)倉設(shè)有進炭口，催化重整反應(yīng)倉底部設(shè)有水蒸汽入口，所述催化重整反應(yīng)倉的進炭口與微波熱裂解單元的出炭口相接。
[0017]為了改善熱裂解氣相產(chǎn)物中油的二次裂解，在熱裂解氣相產(chǎn)物進入催化重整反應(yīng)倉前加入水蒸汽。水蒸汽通過高溫炭床時，既可與生物質(zhì)熱裂解氣相產(chǎn)物發(fā)生重整反應(yīng)，又可與炭床的炭發(fā)生氣化反應(yīng)。生物質(zhì)熱裂解氣相產(chǎn)物流經(jīng)炭床時，除與水蒸汽反應(yīng)外，也與炭床的炭發(fā)生氣化和重整等反應(yīng)。由于炭床的炭不斷消耗，需要定期進行補充。由于炭中含有較多的堿金屬，可起到較好的催化作用，無需添加額外的催化劑。
[0018]生物質(zhì)熱裂解氣相產(chǎn)物通過催化重整器后，其中的含油量可大幅度地降低，能滿足內(nèi)燃機和燃?xì)廨啓C對燃?xì)饨褂秃康囊?同時燃?xì)庵蠬dPCH4等可燃成分的比例有明顯提尚，從而提尚了生物質(zhì)燃?xì)獾钠焚|(zhì)。
[0019]進一步地，還包括蒸汽發(fā)生器和炭倉，所述微波熱裂解單元的出炭口通過蒸汽發(fā)生器與炭倉的進炭口相連，炭倉的出炭口通過第一粉碎篩選機與微波熱裂解單元的進料口相連，炭倉的出炭口通過第二粉碎篩選機與催化重整反應(yīng)倉的進炭口相連;所述蒸汽發(fā)生器的水蒸汽出口與催化重整反應(yīng)倉的水蒸汽入口相連。
[0020]借由上述結(jié)構(gòu)，微波熱裂解單元生成的生物質(zhì)炭經(jīng)過蒸汽發(fā)生器初冷后進入炭倉進一步冷卻。水蒸汽由回收高溫?zé)崃呀馍镔|(zhì)炭的余熱產(chǎn)生。利用微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭的余熱產(chǎn)生水蒸汽，提高能量利用效率。
[0021]基于同一個發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換方法，利用所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置，將微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭摻雜在生物質(zhì)原料中送入微波熱裂解單元，混合后生物質(zhì)炭與生物質(zhì)原料的質(zhì)量比范圍為10:100至
20:100o
[0022]進一步地，將微波熱裂解單元產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物送入催化重整器進行催化重整反應(yīng)，該催化重整器包括催化重整反應(yīng)倉和附著在該催化重整反應(yīng)倉外的第一微波發(fā)生器；還包括將微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭送入催化重整反應(yīng)倉內(nèi)形成作為催化重整反應(yīng)床的炭床。
[0023]進一步地，利用微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭的余熱產(chǎn)生水蒸汽，將水蒸汽通入催化重整反應(yīng)倉底部。
[0024]作為一種優(yōu)選方式，將生物質(zhì)炭粉碎篩選后再摻雜至生物質(zhì)原料中，摻雜至生物質(zhì)原料中的生物質(zhì)炭的粒度不超過5mm。
[0025]作為一種優(yōu)選方式，將生物質(zhì)炭粉碎篩選后再送入催化重整反應(yīng)倉，送入催化重整反應(yīng)倉內(nèi)的生物質(zhì)炭的粒度為I?3_。
[0026]本發(fā)明為生物質(zhì)能高質(zhì)化和高值化轉(zhuǎn)化利用提供了新的技術(shù)方法和手段，可極大提尚生物質(zhì)的炭轉(zhuǎn)換率，實現(xiàn)生物質(zhì)熱裂解焦油的尚效轉(zhuǎn)化，最終獲得尚品質(zhì)的生物質(zhì)炭和生物質(zhì)燃?xì)?，能量利用效率極高。同時具有工藝簡單、可操作性強、可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的特點。
[0027]
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明熱轉(zhuǎn)換裝置一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]其中，I為螺旋給料器，2為催化重整反應(yīng)倉，3為催化重整反應(yīng)床，4為第一微波發(fā)生器，5為第二微波發(fā)生器，6為熱裂解爐，7為蒸汽發(fā)生器，8為炭倉，9為第一粉碎篩選機，10為第二粉碎篩選機，11為保溫管道。
[0030]
【具體實施方式】
[0031]如圖1所示，本發(fā)明熱轉(zhuǎn)換裝置的一實施例包括生物質(zhì)摻炭微波熱裂解單元、熱解氣相產(chǎn)物的催化重整器、蒸汽發(fā)生器7和炭倉8。
[0032]微波熱裂解單元包括熱裂解爐6和附著在該熱裂解爐6外第二微波發(fā)生器5。熱裂解爐6設(shè)有出炭口、出氣口和進料口，其中熱裂解爐6的進料口由螺旋給料器I給料。所述微波熱裂解單元的出炭口通過蒸汽發(fā)生器7與炭倉8的進炭口相連，炭倉8的出炭口通過第一粉碎篩選機9與微波熱裂解單元的進料口相連。
[0033]催化重整器包括催化重整反應(yīng)倉2和附著在該催化重整反應(yīng)倉2外的第一微波發(fā)生器4，催化重整反應(yīng)倉2的底部設(shè)有進氣口，熱裂解爐6的出氣口通過保溫管道11與催化重整反應(yīng)倉2的進氣口相連。催化重整反應(yīng)倉2內(nèi)設(shè)有催化重整反應(yīng)床3，該催化重整反應(yīng)床3為炭床。
[0034]催化重整反應(yīng)倉2設(shè)有進炭口，催化重整反應(yīng)倉2底部設(shè)有水蒸汽入口，炭倉8的出炭口還通過第二粉碎篩選機10與催化重整反應(yīng)倉2的進炭口相連。
[0035]將水注入蒸汽發(fā)生器7，吸收生物質(zhì)炭的余熱產(chǎn)生水蒸汽，蒸汽發(fā)生器7的水蒸汽出口與催化重整反應(yīng)倉2的水蒸汽入口相連。
[0036]本發(fā)明一種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換方法的【具體實施方式】為:利用所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置，將微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭摻雜在生物質(zhì)原料中送入微波熱裂解單元，混合后生物質(zhì)炭與生物質(zhì)原料的質(zhì)量比范圍為10:100至20:100。將微波熱裂解單元產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物送入催化重整器進行催化重整反應(yīng)，該催化重整器包括催化重整反應(yīng)倉2和附著在該催化重整反應(yīng)倉2外的第一微波發(fā)生器4;還包括將微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭送入催化重整反應(yīng)倉2內(nèi)形成作為催化重整反應(yīng)床3的炭床。將生物質(zhì)炭粉碎篩選后再摻雜至生物質(zhì)原料中，摻雜至生物質(zhì)原料中的生物質(zhì)炭的粒度不超過5mm。將生物質(zhì)炭粉碎篩選后再送入催化重整反應(yīng)倉2，送入催化重整反應(yīng)倉2內(nèi)的生物質(zhì)炭的粒度為I?3mm0
[0037]利用微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭的余熱產(chǎn)生水蒸汽，將水蒸汽通入催化重整反應(yīng)倉2底部。
[0038]本發(fā)明生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置的工作流程為:
將生物質(zhì)熱裂解獲得的部分生物炭破碎篩選后，與經(jīng)干燥破碎處理后的生物質(zhì)原料均勻混合，通過螺旋給料器I送入熱裂解爐6內(nèi)，在第二微波發(fā)生器5發(fā)生的微波加熱作用下，摻炭的生物質(zhì)原料快速升溫至熱裂解溫度，發(fā)生熱裂解反應(yīng)，生成生物質(zhì)炭和氣相產(chǎn)物，其中氣相產(chǎn)物中包含不可凝的生物質(zhì)氣和可冷凝的生物質(zhì)油。熱裂解爐6最高溫度控制在650°C左右。要求摻混至生物質(zhì)原料中的生物質(zhì)炭的粒度不超過5_，且生物質(zhì)炭與生物質(zhì)原料混合均勻后再通過螺旋給料器I送入熱裂解爐6。
[0039]生成的生物質(zhì)經(jīng)過蒸汽發(fā)生器7初冷后進入炭倉8進一步冷卻。根據(jù)反應(yīng)情況需要，將炭倉8中的一部分生物質(zhì)炭經(jīng)第一粉碎篩選機9破碎篩選后返回到螺旋給料器I中和生物質(zhì)原料均勻混合后進入熱裂解爐6內(nèi)進行熱裂解。
[0040]熱裂解爐6產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物經(jīng)保溫管道11輸入到催化重整反應(yīng)倉2。催化重整反應(yīng)倉2的炭床中的炭來自炭倉8。輸入至催化重整反應(yīng)倉2的水蒸汽由蒸汽發(fā)生器7提供。催化重整反應(yīng)倉2由第一微波發(fā)生器4輻射微波提供熱量。熱裂解爐6產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物在催化重整反應(yīng)倉2中與水蒸汽及炭床中的炭發(fā)生熱裂解、氣化和催化重整等復(fù)雜的反應(yīng)，將生物質(zhì)熱裂解氣相產(chǎn)物中可冷凝的生物質(zhì)油轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)的可燃生物質(zhì)燃?xì)?。炭床中的炭消耗后由炭倉8中的生物質(zhì)炭經(jīng)第二粉碎篩選機10破碎篩選后補充。生物質(zhì)炭的粒度為I?3mm，以保證燃?xì)馔ㄟ^該炭床時氣體阻力適中，且具有較大的氣固反應(yīng)面積。催化重整反應(yīng)倉2的反應(yīng)溫度控制在850 °C左右。
【主權(quán)項】
1.一種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置，包括微波熱裂解單元，該微波熱裂解單元設(shè)有出炭口和進料口，其特征在于，所述微波熱裂解單元的出炭口與微波熱裂解單元的進料口相接。2.如權(quán)利要求1所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，還包括催化重整器，該催化重整器的底部設(shè)有進氣口，所述微波熱裂解單元設(shè)有出氣口，微波熱裂解單元的出氣口與催化重整器的進氣口相連。3.如權(quán)利要求2所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述催化重整器包括催化重整反應(yīng)倉(2)和附著在該催化重整反應(yīng)倉(2)外的第一微波發(fā)生器(4)，所述催化重整反應(yīng)倉(2)內(nèi)設(shè)有催化重整反應(yīng)床(3)，該催化重整反應(yīng)床(3)為炭床。4.如權(quán)利要求3所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述催化重整反應(yīng)倉(2)設(shè)有進炭口，催化重整反應(yīng)倉(2)底部設(shè)有水蒸汽入口，所述催化重整反應(yīng)倉(2)的進炭口與微波熱裂解單元的出炭口相接。5.如權(quán)利要求4所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，還包括蒸汽發(fā)生器(7)和炭倉(8)，所述微波熱裂解單元的出炭口通過蒸汽發(fā)生器(7)與炭倉(8)的進炭口相連，炭倉(8)的出炭口通過第一粉碎篩選機(9)與微波熱裂解單元的進料口相連，炭倉(8)的出炭口通過第二粉碎篩選機(10)與催化重整反應(yīng)倉(2)的進炭口相連;所述蒸汽發(fā)生器(7)的水蒸汽出口與催化重整反應(yīng)倉(2)的水蒸汽入口相連。6.—種基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，利用如權(quán)利要求1至5任一項所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換裝置，將微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭摻雜在生物質(zhì)原料中送入微波熱裂解單元，混合后生物質(zhì)炭與生物質(zhì)原料的質(zhì)量比范圍為10:100至20:100。7.如權(quán)利要求6所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，將微波熱裂解單元產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物送入催化重整器進行催化重整反應(yīng)，該催化重整器包括催化重整反應(yīng)倉(2)和附著在該催化重整反應(yīng)倉(2)外的第一微波發(fā)生器(4);還包括將微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭送入催化重整反應(yīng)倉(2)內(nèi)形成作為催化重整反應(yīng)床(3)的炭床。8.如權(quán)利要求7所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，利用微波熱裂解單元產(chǎn)生的生物質(zhì)炭的余熱產(chǎn)生水蒸汽，將水蒸汽通入催化重整反應(yīng)倉(2)底部。9.如權(quán)利要求6所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，將生物質(zhì)炭粉碎篩選后再摻雜至生物質(zhì)原料中，摻雜至生物質(zhì)原料中的生物質(zhì)炭的粒度不超過5_。10.如權(quán)利要求7所述的基于碳循環(huán)的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，將生物質(zhì)炭粉碎篩選后再送入催化重整反應(yīng)倉(2)，送入催化重整反應(yīng)倉(2)內(nèi)的生物質(zhì)炭的粒度為I?3mm ο
【文檔編號】C10B57/00GK105925282SQ201610332255
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】彭好義, 蔣紹堅, 李立清, 馬衛(wèi)武, 楊延鋒, 李志晴
【申請人】中南大學(xué)