一种生物质热解方法

技术领域

本申请属于生物质热解技术领域，具体涉及一种生物质热解方法。

背景技术

生物质热解是指生物质在完全没有氧或缺氧条件下热分解，最终生成生物炭、生物质液体燃料和不可冷凝气体的过程，三种产物的比例取决于热解工艺的类型和反应条件。生物质由于结构的特殊和复杂性，其热解系统常常采取间接加热的回转窑或旋转炉等反应器，但都难以回避生物质氧量高、稳定性差而造成的反应器结焦问题，从而影响系统长周期连续运行，并且造成系统能效较低，经济性差。

生物质热解加热方式主要分为直接加热方式和间接加热方式。直接加热式气体载体循环流化床热解反应器应用于生物质热解，主要的优点是：反应装置空间结构紧凑，反应器传热速率极高，气相在反应器内停留时间短，有效抑制二次裂化反应；缺点是需要较大量的循环载气。间接加热式旋转窑(旋转床)热解反应器应用于生物质热解的优缺点和固定床类似，同样存在传热效率低的问题，还存在反应器结焦的问题，从而导致系统连续运行时间不长。

发明内容

本申请的目的是提供一种生物质热解方法，本申请的热解方法能够更好地清除反应器壁面上热解产生的附着物，特别是结焦物，从而在提高反应器传热效率的基础上提高生物质热解的热解效率。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本申请提供一种生物质热解方法，所述热解方法是将生物质原料送入热解反应器进行热解；

所述热解反应器包括旋转轴、连杆、刮板限位挡板、配重，

所述旋转轴布置在所述热解反应器的中心轴上；

所述连杆的一端固定连接在旋转轴上，所述连杆的另一端连接刮板，并且所述刮板能够在所述连杆的端部转动；

所述限位挡板呈圆弧形，其圆弧的一侧连接所述连杆的中部，圆弧的另一侧用于通过接触所述刮板一侧的板面后，通过止动控制所述刮板的转动角度β，β为6-15°；

所述配重设置在所述刮板另一侧的板面上；

当所述旋转轴带动所述刮板转动时，所述刮板与所述热解反应器的内壁持续接触并刮除内壁上的附着物。

在一个实施方案中，所述配重满足以下条件：设每块所述刮板的重量为w

(w

在一个实施方案中，所述刮板通过连接套管与所述连杆连接，其中所述刮板能够以所述连接套管的中心轴为转动轴进行转动。

在一个实施方案中，每根所述连杆与所述旋转轴的轴向的夹角ɑ各自独立的为45-90°。

在一个实施方案中，所述刮板与所述热解反应器的内壁接触的一端为扇形。

在一个实施方案中，包括多个所述热解反应器，并且所述热解反应器为串联和/或并联。

在一个实施方案中，所述生物质原料选自木屑、秸秆、竹废料、稻壳中的一种或者多种。

在一个实施方案中，热解的温度在30天以上保持稳定在500℃-600℃。

在一个实施方案中，所述热解反应器通过烟气间接加热。

在一个实施方案中，所述生物质原料送入所述热解反应器前还进行破碎和/或干燥的预处理，

优选地，所述生物质原料破碎后的尺寸低于30mm，优选为5-10mm；

优选地，所述生物质原料干燥后的水含量低于10重量％，优选在3-8重量％范围内，例如低于5重量％。

本申请的有益效果在于，本申请的生物质热解方法由于采用了具有特定结构设计的热解反应器，能够在生物质热解过程中即时刮除内壁上的附着物，特别是结焦物，从而确保的热解反应器的传热效率持续稳定，避免由于结焦物堆积导致的传热效率下降，由此延长了热解方法的连续运行时长，提高了热解效率。

附图说明

图1为用于本申请的生物质热解方法的示例性的本申请的生物质热解系统的组成结构图。

图2为用于本申请的生物质热解方法的示例性的本申请的生物质热解系统中连杆与旋转轴的轴向的夹角ɑ的示意图。

图3为用于本申请的生物质热解方法的示例性的本申请的生物质热解系统中沿旋转轴的轴向上的一点，向不同方向连接连杆的示意图。

图4为图1中旋转轴、连杆、刮板与连接套管、限位挡板、配重的位置、连接关系图。

图5为图4中尺寸、角度示意图。

图6为连接套管连接连杆与刮板的原理示意图。

图7为连接套管连接连杆的原理示意图。

图8为刮板、连接套管、连杆、配重的配合示意图的顶视图。

图9为刮板、连接套管、连杆、配重的配合示意图的侧视图。

图10为两台热解反应器串联结构示意图。

图11为两级热解反应器连接原理示意图。

图12为示例性的本申请的生物质热解方法的流程图。

上图中附图标记含义：进料口1、出料口2、热解气出口3、旋转轴4、连杆5、刮板6、反应器外壳7、连接套管8、限位挡板9、配重10、套管外管11、套管内管12、第一级第一反应器1-1、第一级第二反应器1-2。

具体实施方式

生物质原料包括木屑、秸秆、竹废料、稻壳等等，涉及园林废弃物及农业废弃物。本申请的生物质原料的热解首先经过破碎、干燥，再通过进料设备送入热解反应器进行热解，热解的温度为450℃-600℃。热解反应器通常采用外部烟气加热，烟气与生物质原料隔绝，采取间接加热。热解反应器热解产生的高温热解油气从热解反应器排出后，进入冷凝装置进行冷却分离，得到生物油液体和生物质燃气，热解产生的热解固体经冷却输送装置排出，得到生物质炭。

上述生物质原料干基氧元素含量为35％-45％，生物质氧含量高，因此上述生物质原料热解产生大量受热不稳定的含氧有机物，其在热解反应器中受热面易发生二次分解产生结焦物，当结焦物累积粘附在热解反应器的受热面时，造成热解反应器的传热效率下降，导致热解反应的温度不稳定，那么，生物质发生二次分解的机会升高，获得的热解产品的品质也会随之变差。另外生物质原料破碎后具有堆密度小、颗粒呈纤维状的特点(质轻、自然堆积松散物料间传热效率低)。所以针对生物质原料物理特性及热解特性，本申请提供了一种生物质热解方法。

在本申请的生物质热解方法中，涉及具有特定结构设计的热解反应器，热解反应器的组成结构如图1所示，包括进料口1、出料口2、热解气出口3、旋转轴4、连杆5、刮板6、反应器外壳7。

生物质自进料口1进入热解反应器进行热解；

生物质热解后产生的热解固体自出料口2排出热解反应器，产生的热解油气从热解气出口3排出热解反应器；

旋转轴4位于所述热解反应器的中心，沿旋转轴4的轴向连接有一根或多根连杆5，每根连杆5再连接一块刮板6；

刮板6在旋转轴4的带动下旋转，刮板在旋转时保持接触热解反应器的内壁，并刮除热解反应器内壁上的附着物，特别是结焦物。

进一步的，如图2所示，每根连杆5与旋转轴4的轴向的夹角ɑ各自独立的为45-90°，优选75-85°。

进一步的，如图3所示，沿旋转轴4的轴向上的一点，向不同方向连接2-4根连杆5，且由此形成的任意两根相邻的连杆5之间的夹角相等(2根连杆5的方案夹角为180°，3根连杆5的方案夹角为120°，4根连杆5的方案夹角为90°)。

进一步的，刮板6通过连接套管转动连接在连杆5的端部，刮板6的面板上固定布置有配重10，连杆上固定有限位挡板9；限位挡板9和配重10协同作用，用于调节刮板6的转动角度。在一个实施方案中，如图4、图6、图7、图8所示，连接套管8包括套管外管11、套管内管12。

刮板6板面的中部通过连接套管8与连杆5连接，以使刮板6可以以连接套管8的中心轴为转动轴进行转动；

限位挡板9呈圆弧形，其圆弧的一侧连接连杆5的中部，圆弧的另一侧用于通过接触刮板6一侧的板面后，通过止动控制刮板6的转动角度β，β为6-15°；

配重10设置在刮板6另一侧的板面上。

进一步的，如图5所示，限位挡板9与连杆5的中部的连接点距离连接套管8的距离为d，限位挡板9的弧度为θ，配重10与刮板6的板面的连接点距离连接套管8的距离为L，配重10的高度为h。

进一步的，如图9所示，刮板6与反应器内壁接触的一端为扇形，该扇形的半径R为刮板6的厚度的0.5-1倍。

进一步的，设每块刮板6的重量为w

本申请中，刮板6及其配套结构的设计是整个热解反应器设计的关键点，其设计重点在于如何实现在热态条件下，更好的与热解反应器内壁接触以清除热解产生的结焦物；另外刮板6要使可抄起物料进行翻滚均匀受热，并将物料向出料口2方向推进。

在上述结构下，刮板6在连杆5的带动下旋转，在旋转过程中，刮板6本身在配重10的作用下围绕连接套管8的轴心进行转动。在配重10作用下，刮板6可以在接触反应器的内壁时发生转动并抵靠在反应器壁上，在连杆5带动下刮板6在抵靠反应器的内壁的同时继续旋转，直至刮板6在配重10作用下离开反应器的内壁。

刮板6在β为6-15°范围内，优选10°范围内保持与反应器的内壁保持抵靠，能够实现更优的清焦效果。

物料由于重力作用处于热解反应器的底部，随着刮板抄起到一定高度后再次落到热解反应器内部底部，因此，热解反应器内部的生物质原料的物料体积填充度一般为20-60％。刮板6在旋转至靠近热解反应器下部时，由于限位挡板9及物料的阻力的作用，将使刮板6与下部反应器壁面更好接触，起到清焦作用。

进一步的，如图10-11所示，本申请的生物质热解方法可以包括多级热解反应器，并且所述热解反应器进行串联和/或并联。通过使上一级热解反应器的出料口与下一级热解反应器的进料口连通，实现串联和/或并联。

在一个实施方案中，当木质类生物质原料粉碎后粒径小于20mm时，可以采用2-3级串联和/或并联的热解反应器。

在一个实施方案中，当秸秆类生物质原料粉碎后粒径小于30mm时，可以采用4-5级串联和/或并联的热解反应器。这是因为，相比木质类生物质，秸秆类生物质更难破碎至更小粒径，且秸秆类生物质相比木质类生物质堆密度更小，反应传热时间更长。

进一步的，在本申请的生物质热解方法中，热解反应器可以采用烟气加热方式。在一个实施方案中，围绕热解反应器的外壳7，布置有烟气通道用于流通高温烟气。优选地，高温烟气的流通方向与热解反应器中生物质原料的流通方向是相反的，以便实现充分换热。为了确保热解反应的温度保持稳定在500℃-600℃，烟气通道的烟气进口温度控制在650-800℃，烟气出口温度控制在不高于450℃。

利用上述示例性的本申请的生物质热解系统的示例性的本申请的生物质热解方法的流程如图12所示。

下文结合附图和实施例对本申请进行详细描述。

以下示例中，生物质原料为稻壳，其含水量为10-15wt％，粉碎至平均粒径为5-10mm，并进行干燥至含水量低于5重量％。生物质原料以10吨/小时的速度进行连续热解。热解反应器采用高温烟气进行加热，烟气通道的烟气进口温度控制在700-800℃，烟气出口的温度控制在不高于450℃，热解温度保持稳定为500-550℃，稻壳在每一级热解反应器中的停留时间为30min。

实施例1：

本实施例热解方法中，热解反应器如图10所示。

稻壳从第一级热解反应器的进料口1进入热解反应器，在刮板6的搅拌下，推进向第一级热解反应器的出料口2行进。稻壳热解产生的热解气从热解气出口3排出并进入冷凝单元进行分离；稻壳热解产生的热解炭从出料口2进入第二级热解反应器的进料口1，并在刮板6推动下向第二级热解反应器的出料口2行进。第二级热解反应器的热解气出口3与第一级热解反应器的热解气出口3实现气体连通并通向冷凝单元。第二级热解反应器产生的热解炭从出料口2排出。

每台热解反应器的内径为1.5m，长度为9m。每台热解反应器的旋转轴4上平行等间距0.4m布置20排连杆5，每个连杆5的端部连接一个刮板6，由此刮板6围绕旋转轴4进行轴向布置。

同一圆周上布置3个等夹角的连杆5，连杆5与旋转轴4的夹角ɑ为80°。每根连杆5长度为0.6m，直径为20cm。每块刮板6为方形刮板，重量w

每个配重10到连接套管8的距离L＝8cm，每个配重10重量w

其中，(w

生物质热解方法在连续实施60天后，停炉检查每一级热解反应器结焦情况，发现每一级热解反应器的器壁有薄层黑色结焦物，第一级热解反应器内壁的结焦物厚度平均为0.1mm，第二级热解反应器内壁的结焦物厚度平均为0.1mm，将结焦物清理后随热解炭排出。

在热解方法连续实施60天过程中，烟气出口的温度未出现明显波动，在最初运行的15天内，烟气出口温度一直保持在400℃，在中期，即40天前后，烟气出口温度略有波动，在420-430℃之间波动；在后期，即55-60天，烟气出口温度在440-450℃之间波动。温度的波动情况表明热解反应器的内壁已经开始有结焦物积累，对传热效率产生了略微影响。

停炉后热解产物的分析如以下表1所示。

表1

实施例2：

按照与实施例1相同的方式进行本实施例，不同之处仅在于调整d、θ、h、β、w

生物质热解方法在连续实施60天后，停炉检查每一级热解反应器结焦情况，发现每一级热解反应器的器壁有薄层黑色结焦物，第一级热解反应器内壁的结焦物厚度平均为0.1mm，第二级热解反应器内壁的结焦物厚度平均为0.2mm，将结焦物清理后随热解炭排出。

停炉后热解产物的分析如以下表2所示。

表2

对比例1：

按照实施例1的方式进行本示例，不同之处在于采用两级螺旋热解反应器进行热解反应。每台螺旋热解反应器的内径为1.5m，长度为9m，螺旋叶片直径1.2m，螺距20cm)。

生物质热解方法在连续实施60天后，停炉检查每一级螺旋热解反应器结焦情况，发现每一级螺旋热解反应器的内壁和螺旋叶片上都有薄层黑色结焦物，第一级螺旋热解反应器的结焦物厚度平均为1.0cm，第二级螺旋热解反应器的结焦物厚度平均为1.4mm，将结焦物清理后随热解炭排出。

停炉后热解产物的分析如以下表3所示。

表3

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若对本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其同等技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本申请的举例说明，本申请也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本申请的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本申请的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本申请的范围内。