專利名稱：利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種以農(nóng)作物秸稈為原料，聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的生產(chǎn)裝置。
背景技術(shù)：
農(nóng)作物秸稈是典型的生物質(zhì)資源，燃燒、熱化學(xué)法、生化法、化學(xué)法和物理化學(xué)法 等生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用途徑均可適用。燃燒發(fā)電、氣化和顆粒成型等技術(shù)相對成熟，已有示 范性應(yīng)用。但是，農(nóng)作物秸稈的分布極為分散、形態(tài)各異、能量密度低，大范圍收集和長途運(yùn) 輸?shù)某杀靖撸黄涔?yīng)具有季節(jié)性和周期性，受潮后又極易腐爛，增加了存儲(chǔ)的空間和成本； 這不僅大大增加了生產(chǎn)成本，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的原料供給也存在一定困難。目前獲得的生物油成份復(fù)雜，氧元素含量偏高，生產(chǎn)成本高，難以與化石燃料競 爭。與生物油相比，當(dāng)前研究對生物質(zhì)熱裂解過程中的氣態(tài)和固態(tài)產(chǎn)物關(guān)注較少。
發(fā)明內(nèi)容為了克服已有生物油和生物炭的獲取工藝的成分復(fù)雜、成本高的不足，本實(shí)用新 型提供一種成分簡單、降低生產(chǎn)成本的利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置，所述裝置包括熔鹽熱裂解反應(yīng) 器，所述熔鹽熱裂解反應(yīng)器包括外殼、加熱電爐、進(jìn)料口和出料口，溫度傳感器位于外殼內(nèi)， 所述進(jìn)料口與螺旋進(jìn)料器的出料管連通，所述螺旋進(jìn)料器連接電機(jī)，所述進(jìn)料口與惰性氣 體充氣管連通，所述出料口與旋風(fēng)分離器的進(jìn)口連通，所述旋風(fēng)分離器的下方設(shè)有用于收 集生物炭的收集盒，所述旋風(fēng)分離器的氣體出口連接冷凝器，所述冷凝器的下方設(shè)有用于 收集生物油的收集槽。進(jìn)一步，所述出料管的外壁套裝冷卻用套管。所述溫度傳感器位于不銹鋼套管內(nèi)，所述不銹鋼套管深入反應(yīng)器底部。所述溫度 傳感器為熱電偶溫度計(jì)。本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為熱裂解是在無氧或缺氧的條件下，利用熱能切斷生物 質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿游镔|(zhì)的熱化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物包括氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三 種。其中，液態(tài)產(chǎn)物(生物油)可以替代燃油在鍋爐、窯爐、發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪機(jī)等場所使用，可 以通過催化重整獲取氫，還可以提取或衍生出包括食品調(diào)味料、合成樹脂及肥料等多種產(chǎn) 品，受到廣泛關(guān)注。農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)均可用作熱裂解的原料。事實(shí)上，氣態(tài)產(chǎn)物(裂解氣)以H2、CO和CH4等可燃?xì)怏w為主，包含可供利用的能 量；固態(tài)產(chǎn)物(生物炭)不僅能用做燃料，還能夠被進(jìn)一步活化為高品質(zhì)活性炭，廣泛應(yīng)用 于環(huán)境保護(hù)、食品加工、文物保護(hù)、醫(yī)藥保健、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)業(yè)和畜牧業(yè)等領(lǐng)域，在分離和有機(jī) 合成等化工生產(chǎn)中的應(yīng)用日益拓展。Petit、Kalderis和Oliveria等研究小組分別以桉 樹樹皮、稻殼、甘蔗渣和玉米芯等農(nóng)林廢棄物為原料，采用不同的活化方法制取了生物活性 炭，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了吸附性能。因此，以農(nóng)作物秸稈為原料，通過熱裂解處理，聯(lián)產(chǎn)能量密度高、性質(zhì)相對穩(wěn)定的液態(tài)產(chǎn)品(生物油)和固態(tài)產(chǎn)品(生物炭)，加以收集、運(yùn)輸和存儲(chǔ)， 并利用裂解氣中的能量，不僅能夠大幅度降低生產(chǎn)成本，還能有效抗拒企業(yè)生產(chǎn)單一產(chǎn)品 的經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在1、在同一反應(yīng)器內(nèi)，半連續(xù)操作，采用熔鹽熱裂解農(nóng)作物秸稈，同時(shí)生產(chǎn)生物油和 生物炭，副產(chǎn)裂解氣用于補(bǔ)充熱裂解所需能量，操作方便、生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染小，易于實(shí) 現(xiàn)工業(yè)化。2、改變?nèi)埯}組成可顯著改變氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)產(chǎn)物的產(chǎn)率及組成分布，從源頭上 調(diào)控生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)品的品質(zhì)，能有效抗拒企業(yè)生產(chǎn)單一產(chǎn)品的經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。3、通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化熱裂解反應(yīng)溫度、惰性氣體流量(裂解氣停留時(shí)間)、裂解殘 炭活化時(shí)間、裂解殘?zhí)炕罨瘻囟?、活化時(shí)的鹽炭比(通過進(jìn)料時(shí)間和進(jìn)料量控制)等條件， 可以獲得較高的生物油和生物炭產(chǎn)率。4、閃速升溫是生物質(zhì)快速熱裂解的關(guān)鍵，現(xiàn)有技術(shù)采用氣體或固體為熱載體加熱 生物質(zhì)，由于氣體熱容量小，固體間接觸面積小，為實(shí)現(xiàn)超高升溫速率(IO3 104K/s)，熱載 體溫度必須大大高于熱裂解反應(yīng)的適宜溫度(500 600°C )，對熱源品質(zhì)、反應(yīng)設(shè)備耐熱性 能及系統(tǒng)保溫的高要求導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。采用熔鹽熱裂解生物質(zhì)，生物質(zhì)顆粒通過 與熔鹽快速均勻地混合，將閃速升至預(yù)定熱裂解反應(yīng)溫度。由于熔鹽的熱容量遠(yuǎn)大于生物 質(zhì)原料，只需要將熔鹽加熱至略高于熱裂解反應(yīng)溫度，從而大大降低了對熱源品質(zhì)、設(shè)備材 料耐熱性能和系統(tǒng)保溫的要求。并且，熔鹽的蒸氣壓低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本較低、加熱快速 均勻，溫度控制方便，加熱輸送技術(shù)相對成熟，是生物質(zhì)熱裂解的性能優(yōu)良的熱載體。5、在生物質(zhì)高壓熱裂解過程中，添加的催化劑(均相或非均相)分散于溶劑中，生 物質(zhì)與催化劑通過溶劑媒介相互接觸。熔鹽熱裂解生物質(zhì)時(shí)，熔鹽集溶劑和催化劑于一體， 生物質(zhì)顆粒與熔鹽單位接觸面積內(nèi)的催化劑濃度增大，具有催化活性的金屬陽離子與生物 質(zhì)接觸的機(jī)會(huì)增多，催化效果明顯增強(qiáng)。熔鹽可以同時(shí)用作熱載體、催化劑和溶劑，熔鹽熱 裂解生物質(zhì)兼具快速熱裂解和高壓熱裂解的優(yōu)點(diǎn)。

圖1是利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2是聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的工藝流程示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。參照圖1和圖2，一種利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置，所述裝置包括 熔鹽熱裂解反應(yīng)器1，所述熔鹽熱裂解反應(yīng)器包括外殼、加熱電爐2、進(jìn)料口和出料口，溫度 傳感器3位于外殼內(nèi)，所述進(jìn)料口與螺旋進(jìn)料器4的出料管5連通，所述螺旋進(jìn)料器4包括 攪拌器6和電機(jī)7，所述攪拌器6連接攪拌電機(jī)7，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)進(jìn)料速率，所 述進(jìn)料口與惰性氣體充氣管8連通，所述出料口與旋風(fēng)分離器9的進(jìn)口連通，所述旋風(fēng)分 離器9的下方設(shè)有用于收集生物炭的收集盒10，所述旋風(fēng)分離器9的氣體出口連接冷凝器 11，所述冷凝器11的下方設(shè)有用于收集生物油的收集槽12。[0021]所述出料管的外壁套裝冷卻用套管13。所述溫度傳感器位于不銹鋼套管內(nèi)，所述 不銹鋼套管深入反應(yīng)器底部。所述溫度傳感器3為熱電偶溫度計(jì)。本實(shí)施例中，熔鹽熱裂解反應(yīng)器為不銹鋼材質(zhì)，圓筒形結(jié)構(gòu)；反應(yīng)器上端開有三個(gè) 接口，分別用于進(jìn)料、出料和溫度測量；反應(yīng)器底部設(shè)有管路，用于鼓入惰性氣體。加熱系統(tǒng) 的主體為管式電加熱爐，可程序升溫，最高使用溫度為1000°c;熔鹽溫度由K型熱電偶通過 不銹鋼接管深入熔鹽內(nèi)部測得，外接數(shù)字表顯示，測溫精度為o.rc。采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng) 螺旋進(jìn)料器進(jìn)料，進(jìn)料速率可調(diào)，進(jìn)料管末端加冷卻套管，以防止生物質(zhì)原料提前結(jié)焦；進(jìn) 料管設(shè)有氣體管路，可通入惰性氣體。采用旋風(fēng)分離器收集被惰性氣體和裂解蒸汽攜帶出 反應(yīng)器的少量生物炭。采用石英玻璃球形冷凝管冷凝裂解蒸汽，冷凝液即為液態(tài)產(chǎn)品一 生物油。樣品收集瓶浸沒于冰水之中，觀察冷凝管壁的變化可簡單判斷裂解氣的冷凝效果。 熱裂解產(chǎn)生的不凝性氣體經(jīng)洗氣后排空，也可采用集氣裝置收集。熔鹽一般由堿金屬或堿土金屬商化物、硅酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽及堿等組成，固態(tài) 多為離子晶體，高溫下熔化形成離子液體，具有導(dǎo)電性能良好、使用溫度范圍寬、熱穩(wěn)定性 好、蒸氣壓較低、熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)大、溶解能力較高、粘度較低、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu) 選采用的熔鹽包括氯化鋅(SiCU)、氯化鉀(KCl)、氯化亞鐵O^eCU)、氫氧化鈉(NaOH)及其 混合物。農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等三種主要成分組成。纖 維素是由脫水D-吡喃式葡萄糖基通過相鄰糖單元的1位和4位之間的β-苷鍵連接而成的 線性高分子聚合物。纖維素分子聚合度一般在10000以上，其結(jié)構(gòu)中C-O-C鍵比C-C鍵弱， 易斷開而使纖維素分于發(fā)生降解。半纖維素在化學(xué)性質(zhì)上與纖維素相似，是由不同的己、戊 糖基組合，通過β _1、4氧橋鍵聯(lián)接而成的不均一聚糖，其聚合度比纖維素小、結(jié)構(gòu)無定性、 易溶于堿性溶液、易水解，熱穩(wěn)定性比纖維素差，熱解容易。木質(zhì)素是由本基丙烷結(jié)構(gòu)單元 以C-C鍵和C-O-C鍵連接而成的復(fù)雜的芳香族聚合物，常與纖維素結(jié)合在一起，稱之為木質(zhì) 纖維素。木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)中相對弱的是連接單體的氧橋鍵和單體苯環(huán)上的側(cè)鏈鍵，受熱易 發(fā)生斷裂，形成活潑的含苯環(huán)自由基，極易與其它分子或自由基發(fā)生縮合反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)更 為穩(wěn)定的大分子，進(jìn)而結(jié)炭。在農(nóng)作物秸稈的熱裂解過程中，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等 高分子化合物中的化學(xué)鍵發(fā)生不同程度的斷裂。研究表明，熔鹽能夠通過對C-C鍵、C-O鍵 和C-H鍵的作用而改變分裂、脫水、縮合和歧化等反應(yīng)進(jìn)程，進(jìn)而影響熱裂解過程。堿金屬、 堿土金屬和過渡金屬，如鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、鐵和鋅等的影響較為顯著。在熔融狀態(tài)下，Cl_能 夠滲入原料內(nèi)部，起到溶脹、溶膠及溶解作用，形成空隙，并具有催化脫水作用，促進(jìn)水-氣 變換反應(yīng)的進(jìn)行；0H—能夠吸收產(chǎn)物中的CO2,由此從反應(yīng)系統(tǒng)中推出，從而促進(jìn)反應(yīng)向生成 氫氣的方向進(jìn)行。因此，本發(fā)明優(yōu)先選取由堿金屬、堿土金屬和過渡金屬的陽離子和Cl—、 OH—等陰離子組成的熔鹽體系，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了效果。取熔鹽(500 700g)加入反應(yīng)器(內(nèi)徑95mm，高150mm ；通入惰性氣體置換反 應(yīng)器內(nèi)的空氣，惰性氣體的流量為100L/h 300L/h ；開啟電加熱爐，程序升溫至110°C 130°C蒸出鹽中的水分，再加熱至較優(yōu)的熱裂解反應(yīng)溫度350°C 650°C ；通入循環(huán)冷卻水； 開啟螺旋進(jìn)料器，加入經(jīng)過預(yù)處理的生物質(zhì)顆粒，控制進(jìn)料速率；連續(xù)進(jìn)料0. 5 3小時(shí)后， 停止進(jìn)料；將反應(yīng)器溫度調(diào)整至活化溫度400 600°C，恒溫1 3小時(shí)；繼續(xù)通入惰性氣 體，對固態(tài)產(chǎn)物進(jìn)行活化；活化完成后，冷卻至室溫；將活化后的產(chǎn)物用3mol/L熱鹽酸浸泡
530min(2 3次)，再用熱蒸餾水浸泡20mir^2 3次)，用熱蒸餾水洗滌至中性，過濾后干 燥恒重，稱量，即可獲得固態(tài)產(chǎn)品——生物炭。在熱裂解反應(yīng)階段，可以使用氮?dú)獾榷栊詺怏w，也可以采用抽真空的方式提供無 氧或缺氧的反應(yīng)條件。惰性氣體在熔鹽熱裂解生物質(zhì)過程中具有三個(gè)作用提供熱裂解所 需的無氧或缺氧環(huán)境；通過鼓泡的方式攪拌熔鹽，促進(jìn)熔鹽與生物質(zhì)顆粒的快速均勻混合； 將一次裂解氣帶出反應(yīng)器，減少二次裂解。在裂解殘?zhí)炕罨A段，可以使用氮?dú)夂退魵獾榷栊詺怏w。實(shí)例1 選擇產(chǎn)自華東地區(qū)的水稻秸稈為原料作為原料。采用X. H.波欽諾克分析 法測得其中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為31. 7%、19. 0%和21. 5%，其元素分 析和工業(yè)分析結(jié)果如下表1所示。
權(quán)利要求1.一種利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置，其特征在于所述裝置包括熔鹽 熱裂解反應(yīng)器，所述熔鹽熱裂解反應(yīng)器包括外殼、加熱電爐、進(jìn)料口和出料口，溫度傳感器 位于外殼內(nèi)，所述進(jìn)料口與螺旋進(jìn)料器的出料管連通，所述螺旋進(jìn)料器連接電機(jī)，所述進(jìn)料 口與惰性氣體充氣管連通，所述出料口與旋風(fēng)分離器的進(jìn)口連通，所述旋風(fēng)分離器的下方 設(shè)有用于收集生物炭的收集盒，所述旋風(fēng)分離器的氣體出口連接冷凝器，所述冷凝器的下 方設(shè)有用于收集生物油的收集槽。
2.如權(quán)利要求1所述的利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置，其特征在于所 述出料管的外壁套裝冷卻用套管。
3.如權(quán)利要求1或2所述的利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置，其特征在于 所述溫度傳感器位于不銹鋼套管內(nèi)，所述不銹鋼套管深入反應(yīng)器底部。
4.如權(quán)利要求3所述的利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置，其特征在于所 述溫度傳感器為熱電偶溫度計(jì)。
專利摘要一種利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置，所述裝置包括熔鹽熱裂解反應(yīng)器，所述熔鹽熱裂解反應(yīng)器包括外殼、加熱電爐、進(jìn)料口和出料口，溫度傳感器位于外殼內(nèi)，所述進(jìn)料口與螺旋進(jìn)料器的出料管連通，所述螺旋進(jìn)料器與電機(jī)連接，所述進(jìn)料口與惰性氣體充氣管連通，所述出料口與旋風(fēng)分離器的進(jìn)口連通，所述旋風(fēng)分離器的下方設(shè)有用于收集生物炭的收集盒，所述旋風(fēng)分離器的氣體出口連接冷凝器，所述冷凝器的下方設(shè)有用于收集生物油的收集槽。本實(shí)用新型提供一種成分簡單、降低生產(chǎn)成本的利用農(nóng)作物秸稈聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭的裝置。
文檔編號C10B49/14GK201883073SQ20102025062
公開日2011年6月29日 申請日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者何詠濤, 周赫, 朱清峰, 沈琦, 艾寧, 計(jì)建炳 申請人:浙江工業(yè)大學(xué), 溫州中科新能源科技有限公司