一种生物质分级分质利用的系统和方法

申请号 CN201710299909.5 申请日 2017-04-28 公开(公告)号 CN106947510A 公开(公告)日 2017-07-14
申请人 神雾科技集团股份有限公司; 发明人 刘维娜; 丁力; 郭启海; 赵小楠; 吴道洪;
摘要 本 发明 涉及一种 生物 质 分级分质利用的系统和方法,该系统包括生物质 热解 单元、油气分离单元、PSA吸收单元、加氢 气化 单元、再生单元和半焦活化单元;生物质热解单元包括生物质入口、热解油气出口和生物质焦出口;油气分离单元包括热解油气入口、热解油出口和热解气出口;PSA吸收单元包括热解气入口、富氢气体出口、生石灰入口和混合 钙 基物料出口;加氢气化单元包括 煤 粉 喷嘴 、富氢气体喷嘴、气化焦渣出口和油气出口;再生单元包括混合钙基物料入口、高温二 氧 化 碳 出口以及生石灰出口;半焦活化单元包括生物质焦入口、高温二氧化碳入口、 活性炭 出口。本发明将生物质热解与煤加氢气化以及半焦活化制备活性炭等工艺进行耦合,实现了系统能效的提高。
权利要求

1.一种生物质分级分质利用的系统,包括生物质热解单元、油气分离单元、PSA吸收单元、加氢气化单元、再生单元以及半焦活化单元;其中,
所述生物质热解单元包括生物质入口、热解油气出口和生物质焦出口;
所述油气分离单元包括热解油气入口、热解油出口和热解气出口,所述热解油气入口和所述热解油气出口相连;
所述PSA吸收单元包括热解气入口、富氢气体出口、生石灰入口以及混合基物料出口,所述热解气入口与所述热解气出口相连;
所述PSA吸收单元包括设在底部的气体分布器以及由下而上分布的状生石灰床层和固体过滤床层;
所述加氢气化单元包括喷嘴、富氢气体喷嘴、气化焦渣出口以及油气出口,所述富氢气体喷嘴和所述富氢气体出口相连;
所述再生单元包括混合钙基物料入口、高温二出口以及生石灰出口,所述混合钙基物料入口与所述混合钙基物料出口相连,所述生石灰出口与所述生石灰入口相连;
所述半焦活化单元包括生物质焦入口、高温二氧化碳入口、活性炭出口以及二氧化碳出口,所述生物质焦入口和所述生物质焦出口相连,所述高温二氧化碳入口和所述高温二氧化碳出口相连。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,
所述生物质热解单元为无热载体蓄热式预热炉;所述无热载体蓄热式预热炉内部设置双层蓄热式辐射管,任一层所述蓄热式辐射管沿所述预热炉的平方向上均匀分布,且所述双层蓄热式辐射管沿所述预热炉的竖直方向上下分布。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,
所述加氢气化单元中的所述富氢气体喷嘴个数为偶数个,且对称排列在所述煤粉喷嘴的四周。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,
所述系统还包括螺旋出料机,所述螺旋出料机设置在所述生物质热解单元的所述生物质焦出口内部。
5.一种用权利要求1-4任一所述系统对生物质进行分级分质利用的方法,其特征在于,包括步骤:
A.热解:将生物质送入所述生物质热解单元进行热解,得到热解油气及生物质焦;
B.油气分离:在所述油气分离单元将所述热解油气分离为热解油和热解气;
C.PSA吸收:在所述PSA吸收单元对所述热解气处理得到富氢气体;
D.加氢气化:将所述富氢气体作为氢源输入所述加氢气化单元与煤粉发生加氢气化反应;
E.生石灰再生:将吸附饱和后的所述PSA吸收单元的生石灰床层输送至所述再生单元煅烧,生成生石灰和高温二氧化碳;其中,所述生石灰被送至所述PSA吸收单元循环利用;
F.半焦活化:将再生单元产生的所述高温二氧化碳输送到所述活化单元对热解产生的所述生物质焦进行活化。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述步骤A中,在热解前将所述生物质初步破碎,长度控制在≤10mm。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述步骤C中,
在气体分布器的作用下,使所述热解气均匀分布在所述PSA吸收单元内,并依次经过块状生石灰床层和固体过滤床层进行吸附,得到所述富氢气体。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,将所述PSA吸收单元内的压控制在0.4-
1.0Mpa。
9.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述步骤D中,
将所述加氢气化单元反应的温度控制在800-1000℃,压力1.0-3.0Mpa,气化时间小于
2s。
10.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述步骤E中,所述再生温度被控制在
900-1000℃。

说明书全文

一种生物质分级分质利用的系统和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及化工技术领域,尤其涉及一种生物质分级分质利用的系统和方法。

背景技术

[0002] 加氢气化是指使原煤粉与含氢反应气体在高温、高压条件下(800℃~1000℃,3MPa~8MPa)反应生成富含甲烷的气体以及轻质油品的过程。与传统的煤气化相比,煤加氢气化具有工艺简单、热效率高、污染小的特点,但是,氢气的价格昂贵,因此寻找氢气的可替代气氛成为许多研究者的关注点。生物质是一种可再生能源,净增产量巨大,目前农林牧业的废弃物一般被直接作为燃料燃烧,但往往造成燃烧不充分、环境污染严重的问题,与煤炭相比,生物质挥发份含量高,热解可得到大量的轻质焦油和热解气,且热解气中含有较高含量的氢气、一和甲烷,可作为煤加氢气化的氢源;同时,热解生物质焦活性高、硫氮和灰分含量低、具有比表面积大的优势,适于作为活性炭的制备原料,因而受到广泛地关注和应用。因此,现有技术还不能将生物质热解产生的热解气和半焦进行分级分质利用,并耦合煤加氢气化与活性炭制备,以提高其综合利用能效。

发明内容

[0003] 面临上述技术问题,本发明旨在将生物质热解与粉煤加氢气化以及半焦活化制备活性炭等工艺进行有机耦合,将生物质热解产生的热解气和半焦进行分级分质利用,以实现系统能效的提高。
[0004] 为实现上述目的,本发明提出了一种生物质分级分质利用的系统,包括生物质热解单元、油气分离单元、PSA吸收单元、加氢气化单元、再生单元以及半焦活化单元;其中,[0005] 所述生物质热解单元包括生物质入口、热解油气出口和生物质焦出口;
[0006] 所述油气分离单元包括热解油气入口、热解油出口和热解气出口,所述热解油气入口和所述热解油气出口相连;
[0007] 所述PSA吸收单元包括热解气入口、富氢气体出口、生石灰入口以及混合基物料出口,所述热解气入口与所述热解气出口相连;
[0008] 所述PSA吸收单元包括设在底部的气体分布器以及由下而上分布的状生石灰床层和固体过滤床层;
[0009] 所述加氢气化单元包括煤粉喷嘴、富氢气体喷嘴、气化焦渣出口以及油气出口,所述富氢气体喷嘴和所述富氢气体出口相连;
[0010] 所述再生单元包括混合钙基物料入口、高温二氧化碳出口以及生石灰出口,所述混合钙基物料入口与所述混合钙基物料出口相连,所述生石灰出口与所述生石灰入口相连;
[0011] 所述半焦活化单元包括生物质焦入口、高温二氧化碳入口、活性炭出口以及二氧化碳出口,所述生物质焦入口和所述生物质焦出口相连,所述高温二氧化碳入口和所述高温二氧化碳出口相连。
[0012] 进一步地,所述生物质热解单元为无热载体蓄热式预热炉。
[0013] 所述无热载体蓄热式预热炉内部设置双层蓄热式辐射管,任一层所述蓄热式辐射管沿所述预热炉的平方向上均匀分布,且所述双层蓄热式辐射管沿所述预热炉的竖直方向上下分布。
[0014] 具体地,所述PSA吸收单元使用的装置为加压PSA吸收器。
[0015] 所述加氢气化单元使用的装置是气化炉。
[0016] 所述再生单元使用的装置是高温煅烧装置。
[0017] 所述半焦活化单元使用的装置是活化室。
[0018] 优选地,所述加氢气化单元中的所述富氢气体喷嘴个数为偶数个,对称排列在所述煤粉喷嘴的四周。
[0019] 进一步地,所述系统还包括螺旋出料机,所述螺旋出料机设置在所述生物质热解单元的所述生物质焦出口内部。
[0020] 本发明还提出了一种生物质进行分级分质利用的方法,其特征在于,包括步骤:
[0021] A.热解:将生物质送入所述生物质热解单元进行热解,得到热解油气及生物质焦;
[0022] B.油气分离:在所述油气分离单元将所述热解油气分离为热解油和热解气;
[0023] C.PSA吸收:在所述PSA吸收单元对所述热解气处理得到富氢气体;
[0024] D.加氢气化:将所述富氢气体作为氢源输入所述加氢气化单元与煤粉发生加氢气化反应;
[0025] E.生石灰再生:将吸附饱和后的所述PSA吸收单元的的生石灰床层输送至所述再生单元煅烧,生成生石灰和高温二氧化碳;其中,所述生石灰被送至所述PSA吸收单元循环利用;
[0026] F.半焦活化:将再生单元产生的所述高温二氧化碳输送到所述活化单元对热解产生的所述生物质焦进行活化。
[0027] 具体地,所述步骤A中,在热解前将所述生物质初步破碎,长度控制在≤10mm。
[0028] 更具体地,所述步骤A中,将所述生物质热解单元的热解温度控制在500-650℃,热解时间30-60min。
[0029] 进一步地,所述步骤C中,在气体分布器的作用下,使所述热解气均匀分布在所述PSA吸收单元内,并依次经过块状生石灰床层和固体过滤床层进行吸附,得到所述富氢气体。
[0030] 优选地,将所述PSA吸收单元内的压控制在0.4-1.0Mpa。
[0031] 进一步地,所述步骤D中,将所述加氢气化单元反应的温度控制在800-1000℃,压力1.0-3.0Mpa,气化时间小于2s。
[0032] 具体地,所述步骤E中,所述再生温度被控制在900-1000℃。
[0033] 具体地,所述步骤F中,所述活化温度被控制在850-950℃。
[0034] 采用本发明的技术方案有如下优点:
[0035] (1)以农林牧业废弃物为原料,通过热解技术获取煤加氢气化反应的氢气来源以及自身活化产生高性能活性炭,变废为宝;
[0036] (2)采用无热载体蓄热式预热炉对生物质进行热解,不仅可以提高热利用率,还可提高热解气体的品质;以生物质热解产生的热解气经净化除尘后用作煤加氢气化反应的氢气来源,降低煤加氢气化氢源的成本;
[0037] (3)以CaO为吸收剂,通过PSA吸收技术获取富氢气体的过程中,CaO床层在充分吸收热解气中的CO2和水后可在再生单元煅烧后循环利用,同时产生活化单元所需的高温CO2;
[0038] (4)热解产生的生物质焦和再生单元产生的高温CO2均可在高温下直接进入活化室,进行活化得到活性炭,可充分利用气体及固体的显热,提高整个系统的能量利用率。
[0039] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。附图说明
[0040] 图1为本发明的生物质分级分质利用的系统示意图;
[0041] 1-生物质热解单元,2-PSA吸收单元,3-加氢气化单元,4-再生单元,5-半焦活化单元;
[0042] 11-生物质入口,12-热解油气出口,13-热解油出口,14-热解气出口,15-生物质焦出口;
[0043] 21-热解气入口,22-气体分布器,23-块状生石灰床层,24-固体过滤床层,25-富氢气体出口,26-生石灰入口,27-混合钙基物料出口;
[0044] 31-煤粉喷嘴,32-富氢气体喷嘴,33-油气出口,34-气化焦渣出口;
[0045] 41-混合钙基物料入口,42-高温二氧化碳出口,43-生石灰出口;
[0046] 51-生物质焦入口,52-高温二氧化碳入口,53-活性炭出口,54-二氧化碳出口。
[0047] 图2为本发明的生物质进行分级分质利用的工艺流程图

具体实施方式

[0048] 以下结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明,以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而,以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的,而不是对本发明的限制。
[0049] 为实现生物质及煤炭的分级分质利用,本发明将生物质热解、粉煤加氢气化以及半焦活化制备活性炭等工艺进行有机耦合,并提出了一种生物质分级分质利用的系统,如图1,该系统包括生物质热解单元1、油气分离单元(图未示出)、PSA吸收单元2、加氢气化单元3、再生单元4以及半焦活化单元5;其中,
[0050] 所述生物质热解单元1包括生物质入口11、热解油气出口12和生物质焦出口15;
[0051] 所述热解油气出口12外设置油气分离单元,将热解油气分离为热解油和热解气;所述油气分离单元包括热解油气入口、热解油出口13和热解气出口14,所述热解油出口13用于采集热解油,所述热解气从出口14输出后通过管道进入PSA吸收单元2,所述热解油气入口和所述热解油气出口相连;
[0052] 所述PSA吸收单元2包括热解气入口21、富氢气体出口25、生石灰入口26以及混合钙基物料出口27,所述热解气入口21与生物质热解单元1外置的油气分离单元的所述热解气出口14相连;
[0053] 所述PSA吸收单元2包括设在底部的气体分布器22以及由下而上分布的块状生石灰床层23和固体过滤床层24,所述生石灰床层可吸附热解气中的水和二氧化碳,得混合钙基物料,所述固体过滤床层能够除去气体携带的固体粉尘以及其它杂质,获取富氢气体;
[0054] 所述加氢气化单元3包括煤粉喷嘴31、富氢气体喷嘴32、油气出口33以及气化焦渣出口34,所述富氢气体喷嘴32和所述富氢气体出口25相连;
[0055] 所述再生单元4包括混合钙基物料入口41、高温二氧化碳出口42以及生石灰出口43,所述混合钙基物料入口41与所述混合钙基物料出口27相连,所述生石灰出口43与所述生石灰入口26相连;
[0056] 所述半焦活化单元5包括生物质焦入口51、高温二氧化碳入口52、活性炭出口53以及二氧化碳出口54,所述生物质焦入口51和所述生物质焦出口15相连,所述高温二氧化碳入口52和所述高温二氧化碳出口42相连。
[0057] 进一步地,所述生物质热解单元1为无热载体蓄热式预热炉。所述无热载体蓄热式预热炉内部设置双层蓄热式辐射管,任一层所述蓄热式辐射管沿所述预热炉的水平方向上均匀分布,且所述双层蓄热式辐射管沿所述预热炉的竖直方向上下分布。
[0058] 具体地,所述PSA吸收单元2使用的装置为加压PSA吸收器。所述加氢气化单元3使用的装置是气化炉。所述再生单元4使用的装置是高温煅烧装置。所述半焦活化单元5使用的装置是活化室。
[0059] 优选地,所述加氢气化单元3中的所述富氢气体喷嘴个数为偶数个,对称排列在所述煤粉喷嘴的四周,便于富氢气体与煤粉进行充分的混合。
[0060] 进一步地,所述系统还包括螺旋出料机(图未示出),所述螺旋出料机设置在所述热解装置的生物质焦出口内部,用于对所述生物质焦进行处理得到粉状物质。
[0061] 本发明还提出了一种生物质进行分级分质利用的方法,其工艺参见图2,该方法包括步骤:
[0062] A.热解:将生物质送入所述生物质热解单元进行热解,得到热解油气及生物质焦;其中,生物质热解前可以先经过干燥处理;所述生物质包括农、林、牧业废弃物中的一种或几种;
[0063] B.油气分离:在所述油气分离单元将所述热解油气分离为热解油和热解气;
[0064] C.PSA吸收:分离后的热解气进入所述PSA吸收单元,首先在气体分布器的作用下,均匀分布在该加压PSA吸收器内,并依次经过块状生石灰床层和固体过滤床层,以吸附热解气中的水、CO2及部分其它杂质,获取富氢气体;
[0065] 其中,分离后的热解气的主要成分是氢气(18-30%)、甲烷(20-30%)、一氧化碳(15-25%)、二氧化碳(20-30%)、水(10-20%);
[0066] 富氢气体的主要成分是氢气(30-50%),甲烷(30-50%),一氧化碳(25-40%)。
[0067] D.加氢气化:将所述富氢气体作为氢源通过喷嘴进入所述加氢气化单元与煤粉发生加氢气化反应,得到富甲烷气和轻质焦油;
[0068] E.生石灰再生:将吸附饱和后的所述PSA吸收单元的的生石灰床层,即混合钙基物料,输送至所述再生单元煅烧,重新生成生石灰和高温二氧化碳;其中,所述生石灰被送至所述PSA吸收单元循环利用;
[0069] F.半焦活化:将再生单元产生的所述高温二氧化碳输送到所述活化单元,作为活化剂对热解产生的所述生物质焦进行活化,得到微孔发达、高比表面积的活性炭,实现气固废弃物资源化利用的目的。
[0070] 具体地,所述步骤A中,在热解前将所述生物质初步破碎,长度控制在≤10mm。
[0071] 更具体地,所述步骤A中,将所述生物质热解单元的热解温度控制在500-650℃,热解时间30-60min。
[0072] 进一步地,所述步骤C中,在气体分布器的作用下,使所述热解气均匀分布在所述PSA吸收单元内,并依次经过块状生石灰床层和固体过滤床层进行吸附,得到所述富氢气体。
[0073] 优选地,将所述PSA吸收单元内的压力控制在0.4-1.0Mpa。
[0074] 进一步地,所述步骤D中,将所述加氢气化单元反应的温度控制在800-1000℃,压力1.0-3.0Mpa,气化时间小于2s。
[0075] 具体地,所述步骤E中,所述再生温度被控制在900-1000℃。
[0076] 具体地,所述步骤F中,所述活化温度被控制在850-950℃。
[0077] 下面结合具体实施例对本发明生物质分级分质利用的工艺作进一步地具体详细描述,但本发明的实施方式不限于此,对于未特别注明的工艺参数,可参照常规技术进行。
[0078] 实施例1
[0079] 将长度小于10mm的生物质送入无热载体蓄热式预热炉。生物质在预热炉内热解产生生物质焦和热解油气,热解温度为600℃,热解时间30min;热解油气经油气分离后获取轻质热解油和热解气;生物质焦经密闭保温输送设备加入活化室;轻质热解油被直接收集,净化储存;热解气通过管道输送至PSA吸收器,在0.6Mpa下经过生石灰床层,除去其中的水份和CO2,并经过固体过滤床层进行除尘净化,获取富氢气体;富氢气体通过喷嘴进入加氢气化炉,与煤粉喷嘴喷入的煤粉进行充分混合,并在850℃,2.0MPa下进行加氢气化反应,获取富甲烷气和轻质焦油以及气化焦渣;吸附后的生石灰床层输送至再生单元,在900℃下煅烧获得高温二氧化碳和生石灰;生石灰可作为吸附剂重新输送至PSA吸附单元;高温二氧化碳直接输送至活化室,在850℃下对生物质焦进行活化,得到高性能活性炭。
[0080] 实施例2
[0081] 本实施例生物质分级分质利用的工艺和实施例1步骤相同,但工艺参数不同,具体如下:
[0082] 将长度小于10mm的生物质送入无热载体蓄热式预热炉。生物质在预热炉内热解产生生物质焦和热解油气,热解温度为500℃,热解时间60min;热解油气经油气分离后获取轻质热解油和热解气;生物质焦经密闭保温输送设备加入活化室;轻质热解油被直接收集,净化储存;热解气通过管道输送至PSA吸收器,在0.8Mpa下经过生石灰床层,除去其中的水份和CO2,并经过固体过滤床层进行除尘净化,获取富氢气体;富氢气体通过喷嘴进入加氢气化炉,与煤粉喷嘴喷入的煤粉进行充分混合,并在800℃,2.0MPa下进行加氢气化反应,获取富甲烷气和轻质焦油以及气化焦渣;吸附后的生石灰床层输送至再生单元,在1000℃下煅烧获得高温二氧化碳和生石灰;生石灰可作为吸附剂重新输送至PSA吸附单元;高温二氧化碳直接输送至活化室,在950℃下对生物质焦进行活化,得到高性能活性炭。
[0083] 实施例3
[0084] 本实施生物质分级分质利用的工艺和实施例1步骤相同,但工艺参数不同,具体如下:
[0085] 将长度小于10mm的生物质送入无热载体蓄热式预热炉。生物质在预热炉内热解产生生物质焦和热解油气,热解温度为650℃,热解时间50min;热解油气经油气分离后获取轻质热解油和热解气;生物质焦经密闭保温输送设备加入活化室;轻质热解油被直接收集,净化储存;热解气通过管道输送至PSA吸收器,在1Mpa下经过生石灰床层,除去其中的水份和CO2,并经过固体过滤床层进行除尘净化,获取富氢气体;富氢气体通过喷嘴进入加氢气化炉,与煤粉喷嘴喷入的煤粉进行充分混合,并在900℃,3.0MPa下进行加氢气化反应,获取富甲烷气和轻质焦油以及气化焦渣;吸附后的生石灰床层输送至再生单元,在900℃下煅烧获得高温二氧化碳和生石灰;生石灰可作为吸附剂重新输送至PSA吸附单元;高温二氧化碳直接输送至活化室,在900℃下对生物质焦进行活化,得到高性能活性炭。
[0086] 实施例4
[0087] 本实施生物质分级分质利用的工艺和实施例1步骤相同,但工艺参数不同,具体如下:
[0088] 将长度小于10mm的生物质送入无热载体蓄热式预热炉。生物质在预热炉内热解产生生物质焦和热解油气,热解温度为600℃,热解时间40min;热解油气经油气分离后获取轻质热解油和热解气;生物质焦经密闭保温输送设备加入活化室;轻质热解油被直接收集,净化储存;热解气通过管道输送至PSA吸收器,在0.4Mpa下经过生石灰床层,除去其中的水份和CO2,并经过固体过滤床层进行除尘净化,获取富氢气体;富氢气体通过喷嘴进入加氢气化炉,与煤粉喷嘴喷入的煤粉进行充分混合,并在1000℃,1.0MPa下进行加氢气化反应,获取富甲烷气和轻质焦油以及气化焦渣;吸附后的生石灰床层输送至再生单元,在1000℃下煅烧获得高温二氧化碳和生石灰;生石灰可作为吸附剂重新输送至PSA吸附单元;高温二氧化碳直接输送至活化室,在900℃下对生物质焦进行活化,得到高性能活性炭。
[0089] 上述实施例中,以农林牧业废弃物作为热解原料,能够在充分利用生物质资源得同时,获取煤加氢气化的氢气来源以及自身活化制备活性炭,变废为宝;同时,生物质热解在无热载体蓄热式预热炉内完成,所得热解气品质高,在经过PSA吸收后,其H2、CH4以及CO含量高,将其作为煤加氢气化的氢气来源,可降低粉煤气化的氢源成本,并最终获取高热值气体;此外,生物质热解产生的生物质焦以及再生单元产生的CO2可直接热送进活化单元,能充分利用气体和固体的显热,从而降低整个系统的能耗。
[0090] 最后应说明的是:显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
QQ群二维码
意见反馈