[发明专利]一种生物质热解制炭的工艺方法及装置

说明书

本发明提供了一种生物质热解制炭的工艺方法及装置，包括生物质的干燥、预炭化、炭化、煅烧和冷却出料阶段：燃烧天然气或系统自产的燃料气为干燥、预炭化、炭化阶段提供热量；干燥阶段排出干燥烟气形成干燥烟气循环；预炭化、炭化阶段发生热解反应，反应放热为煅烧阶段提供热量，排出的热解气经热解气冷凝系统冷却并副产生物油，冷却后的燃料气循环回热解炉形成热解气循环；部分燃料气预热为高温燃料气，部分高温燃料气通入燃气锅炉燃烧供能，部分通入热解炉，代替天然气为其它批次提供热量；反应结束后利用自产的燃料气对生物质床层逐级冷却而后出料；所述工艺方法及装置原料适应范围广，工艺流程短，装置结构简单，且运行成本低。

技术领域

本发明属于生物质能源利用的技术领域，具体涉及一种生物质热解制炭的工艺方法和装置。

背景技术

随着全球气候变化和化石燃料资源的日渐枯竭，生物质能作为一种优秀的可再生能源，其开发利用受到广泛的关注。生物质能是世界第四大能源，仅次于石油、煤炭、天然气。生物质能是唯一一种可以培育、收集、储存和运输的最接近常规化石燃料的可再生能源，从原料构成到理化特性均与化石燃料相似，生物质能的利用通过对二氧化碳的排放和吸收形成自然界碳循环，可近乎实现二氧化碳“零排放”。

生物质能来源广泛，主要分为农、林剩余物、禽畜粪便和生活垃圾等，以农作物秸秆为主体的农、林业剩余物便是其中最具代表性的生物质资源。生物质能具有可再生、低污染、分布广、储量大等优点，但由于其能量密度较低，且较分散，大规模处理困难，绝大多数地区生物质利用率不高。

生物质能的转化利用包括直接燃烧、生物转化和热化学转化等方式，其中直接燃烧技术作为最原始和最易用的生物质能使用方式，存在着污染大、效率低及资源浪费的问题；生物转化是用微生物发酵的方法将生物质能转变成燃料物质的技术，主要包括厌氧消化技术和酶技术；热化学转化包括干馏技术、生物质气化技术及热解技术等，其中热解技术是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热到一定温度，通过热化学反应将大分子物质分解成较小分子的燃料物质的热化学转化技术方法，与其它转化方法相比：热解的温度较低，相应的能耗也较低；热解一般在隔绝空气的条件下进行，系统相对简单，而且可以避免由于大量空气供应而引起的烟尘污染及热损失；热解可以制取生物炭和热解油，生物炭具有更高的热值，生物油具有替代化石燃料的潜力。因此，生物质热解技术在生物质的利用上具有显著的优势和广阔的前景。

生物质热解是复杂的热化学反应过程，包含分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。生物质热解过程中，热量由颗粒表面传递到内部，热解反应由外至内逐层进行，生物质大分子迅速分解为生物炭和挥发分；其中挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝得到生物油；在多孔生物质颗粒内部和表面挥发分还将进一步裂解，形成不可冷凝气体和二次生物油，称为二次裂解，生物质热解过程最终生成生物油、不可冷凝气体和生物炭。

生物质主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，生物质热解即是这三种聚合体受热不稳定进而解析出挥发分的过程，其在热解过程中通常被假设为相互独立进行，生物质热解过程可认为是材料中木质素、纤维素和半纤维素三者热解过程的线性叠加。

其中，纤维素是生物质炭的主要来源之一，是由D-葡萄糖通过β-葡萄糖苷键连接而成的多糖，分子式可以表达为(C₆H₁₂O₅)_n，纤维素在绝氧或者限氧的气相氛围下首先发生一次热解，大分子纤维素经过脱水解聚等反应分解为分子量1000-2000的低聚糖，而后受温度影响，在较低温度分解为炭和气态产物，随着温度的升高，纤维素的热解会更倾向于生成小分子挥发性焦油，经聚合、分裂、重组等二次热解反应生成炭或芳香族焦油，CH₄、H₂等稳定的气态产物及酸、醇、醛等小分子最终产物。