1、2010-06Page 1第第4章章 生物质热解技术生物质热解技术4.1 生物油简介生物油简介4.2 生物质热裂解主要工艺比较生物质热裂解主要工艺比较4.3 生物油技术发展历程生物油技术发展历程4.4 生物质热解技术工艺流程生物质热解技术工艺流程4.5 生物质热解反应器分类生物质热解反应器分类4.6 生物质热解液化主要装置对比生物质热解液化主要装置对比4.7 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器4.7.1 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-烧蚀涡流反应器烧蚀涡流反应器4.7.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-真空热解反应器真空热解反应器4.7.2 典型的快速热解反应器典
2、型的快速热解反应器-真空热解反应器真空热解反应器4.7.3 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-旋转锥反应器旋转锥反应器4.7.4 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-流化床热解反应器流化床热解反应器4.7.5 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-热辐射反应器热辐射反应器4.8 生物油组分及性质比较生物油组分及性质比较4.8.1 生物油组成成分比较生物油组成成分比较4.8.2 生物油主要性质比较生物油主要性质比较4.8.3 生物油主要性质说明生物油主要性质说明4.9 生物质热解技术发展趋势生物质热解技术发展趋势4.10 生物油深加工技术介绍生物油深加工技术介绍2010-06P
3、age 24.1 生物质热裂解主要工艺比较生物质热裂解主要工艺比较表表.生物质热裂解主要工艺比较生物质热裂解主要工艺比较工艺类型工艺类型滞留期滞留期升温速率升温速率最高温度最高温度/主要产物主要产物慢速热裂解慢速热裂解炭化炭化数小时数小时-数天数天非常低非常低400炭炭常规常规5-30min低低600气、油、炭气、油、炭快速热裂解快速热裂解快速快速0.5-5s较高较高650油油闪速（液体）闪速（液体）1s高高650油油闪速（气体）闪速（气体）1s高高650气气极快速极快速0.5s非常高非常高1000气气真空真空2-30s中中400油油反应性热裂解反应性热裂解加氢热裂解加氢热裂解10s高高500
4、油油2010-06Page 3 生物质热解液化技术的生物质热解液化技术的一般工艺流程由物料的干一般工艺流程由物料的干燥、粉碎、热解、产物炭燥、粉碎、热解、产物炭和灰的分离、气态生物油和灰的分离、气态生物油的冷却和生物油的收集等的冷却和生物油的收集等几个部分组成。几个部分组成。4.2 生物质热解工艺类型及研究现状生物质热解工艺类型及研究现状4.2.1 生物质热解液化工艺流程生物质热解液化工艺流程2010-06Page 4 原料干燥和粉碎原料干燥和粉碎 生物油中的水分会影响油的稳定性、粘度、生物油中的水分会影响油的稳定性、粘度、PH值、腐蚀性以值、腐蚀性以及一些其它特性，而天然的生物质原料中含有较
5、多的自由水，及一些其它特性，而天然的生物质原料中含有较多的自由水，相比从生物油中去除水分，反应前物料的干燥要容易的多，相比从生物油中去除水分，反应前物料的干燥要容易的多，因而在一般的热解工艺中，为了避免将自由水带入产物，物因而在一般的热解工艺中，为了避免将自由水带入产物，物料要求干燥到水份含量低于料要求干燥到水份含量低于10%（质量分数）。（质量分数）。快速热解制油工艺要求高的快速热解制油工艺要求高的传热速率传热速率，除了从反应器的传热，除了从反应器的传热方面入手，方面入手，原料尺寸原料尺寸也是重要的影响因素，通常对原料需要也是重要的影响因素，通常对原料需要进行粉碎处理，不过随着原料的尺寸变得
6、越小，整个系统的进行粉碎处理，不过随着原料的尺寸变得越小，整个系统的运行成本也会相应提高。运行成本也会相应提高。4.2.1 生物质热解液化工艺流程生物质热解液化工艺流程2010-06Page 5热裂解反应器热裂解反应器 反应器是热解的主要装置，反应器类型的选择和加热方式是反应器是热解的主要装置，反应器类型的选择和加热方式是各种技术路线的关键环节。适合于快速热解的反应器型式是各种技术路线的关键环节。适合于快速热解的反应器型式是多种多样的，但所有热解制油实用性较强的反应器都具备了多种多样的，但所有热解制油实用性较强的反应器都具备了三个基本特点：加热速率快，反应温度中等和气相停留时间三个基本特点：加
7、热速率快，反应温度中等和气相停留时间短。短。4.2.1 生物质热解液化工艺流程生物质热解液化工艺流程2010-06Page 64.2.1 生物质热解液化工艺流程生物质热解液化工艺流程 焦炭和灰的分离焦炭和灰的分离 在生物质热解制油工艺中，一些细小的焦炭颗粒不可避免地在生物质热解制油工艺中，一些细小的焦炭颗粒不可避免地进入到生物油液体当中。研究表明：液体产物中的进入到生物油液体当中。研究表明：液体产物中的焦炭焦炭会导会导致致生物油不稳定生物油不稳定，加快聚合过程加快聚合过程，使生物油的粘度增大使生物油的粘度增大，从，从而而影响生物油的品质影响生物油的品质。同时，生物质中几乎所有的同时，生物质中几
8、乎所有的灰分灰分都保留在都保留在焦炭焦炭当中，而灰分当中，而灰分是影响生物质热解液体产物收率的重要因素，它的存在将大是影响生物质热解液体产物收率的重要因素，它的存在将大大催化挥发成分的二次分解，所以大催化挥发成分的二次分解，所以分离焦炭也会影响分离灰分离焦炭也会影响分离灰分分。分离焦炭除了采用分离焦炭除了采用热蒸汽过滤外热蒸汽过滤外，还可以通过，还可以通过液体过滤装置液体过滤装置（滤筒或过滤器等）来完成，目前，后者仍处于研究开发阶（滤筒或过滤器等）来完成，目前，后者仍处于研究开发阶段。焦炭的分离虽然很困难，但是对所有的系统而言都是必段。焦炭的分离虽然很困难，但是对所有的系统而言都是必不可少的。
9、不可少的。2010-06Page 74.2.1 生物质热解液化工艺流程生物质热解液化工艺流程液体生物油的收集液体生物油的收集 液体的收集一直以来都是整个热解过程中运行液体的收集一直以来都是整个热解过程中运行最困难的部分，最困难的部分，目前几乎所有的收集装置都不能很有效的收集。目前几乎所有的收集装置都不能很有效的收集。这是因为裂解气产物中挥发份在冷却过程中与非冷凝性气体这是因为裂解气产物中挥发份在冷却过程中与非冷凝性气体形成了形成了烟雾状的气溶胶形态烟雾状的气溶胶形态，是一种由蒸汽、微米级的小颗，是一种由蒸汽、微米级的小颗粒、带有极性分子的水蒸气分子组成的混合物，这种结构给粒、带有极性分子的水蒸
10、气分子组成的混合物，这种结构给液体的收集带来困难。液体的收集带来困难。在在较大规模较大规模的反应系统中，采用与冷液体接触的方式进行的反应系统中，采用与冷液体接触的方式进行冷冷凝收集，凝收集，通常可以收集到大部分的液体产物，但通常可以收集到大部分的液体产物，但进一步进一步的收的收集则需要依靠集则需要依靠静电捕捉静电捕捉等对处理微小颗粒比较有效地技术了。等对处理微小颗粒比较有效地技术了。2010-06Page 84.2.2 生物质热解液化技术研究及开发现状生物质热解液化技术研究及开发现状19801990199520002005201020世纪世纪80年代初，加年代初，加拿大拿大Waterloo大学
11、开大学开始了以提高液体产率始了以提高液体产率为目标的为目标的循环流化床循环流化床研究，研究，为现代快速、为现代快速、闪速裂解提供了基础，闪速裂解提供了基础，被公认为本领域中最被公认为本领域中最广泛深入的研究成果。广泛深入的研究成果。1990年左右，年左右，欧美一些国家欧美一些国家开始建设速热开始建设速热解示范性工厂解示范性工厂或试验台。或试验台。1995年左右，目前生物年左右，目前生物质热解制油质热解制油主流设备主流设备已已经普遍完成研发。之后，经普遍完成研发。之后，随着试验规模的反应装随着试验规模的反应装置置逐步完善逐步完善化，欧美示化，欧美示范性和商业化运行的热范性和商业化运行的热裂解项目
12、不断开发和建裂解项目不断开发和建造。造。2000年左右，年左右，中国各科研机中国各科研机构纷纷开始对构纷纷开始对生物质热解设生物质热解设备备的研发。的研发。2005年后，年后，国外科研国外科研机构开始机构开始加大力度加大力度研发生物研发生物油的油的深加深加工工技术。技术。近期，中国一近期，中国一些科研机构也些科研机构也开始研发生物开始研发生物油的油的深加工深加工技技术。术。2010-06Page 94.2.2 生物质热解液化技术研究及开发现状生物质热解液化技术研究及开发现状 生物质热解技术在世界上还属于生物质热解技术在世界上还属于新技术新技术，生产工艺上尚有，生产工艺上尚有很多问题有待解决和完
13、善。很多问题有待解决和完善。中国在生物油热解液化中国在生物油热解液化设备设备研究方面明显研究方面明显落后于国外落后于国外，国，国内开发的反应器主要以接触式和混合式为主，具有代表性的内开发的反应器主要以接触式和混合式为主，具有代表性的是是流化床式反应器和旋转锥反应器流化床式反应器和旋转锥反应器。目前我国热解液化工艺。目前我国热解液化工艺整体上尚有许多需要改进之处。整体上尚有许多需要改进之处。国外对生物油深加工的研究早已展开，但是暂时没有取得国外对生物油深加工的研究早已展开，但是暂时没有取得突破性进展。突破性进展。中国在生物油深加工方面的研究尚处于起步阶段，研发的中国在生物油深加工方面的研究尚处于
14、起步阶段，研发的机构不多。东北林大、中科大、山东理工对生物油与柴油混机构不多。东北林大、中科大、山东理工对生物油与柴油混合制备乳化油技术进行了研究，但短期内无法取得突破性进合制备乳化油技术进行了研究，但短期内无法取得突破性进展展。2010-06Page 10 生物质快速热解制取生物油的技术从生物质快速热解制取生物油的技术从20世纪世纪80年代兴起，年代兴起，经过近经过近20年的发展，逐渐进入到规模化，商业化。年的发展，逐渐进入到规模化，商业化。随着技术的不断完善，研究方向和重点也开始拓宽。随着技术的不断完善，研究方向和重点也开始拓宽。过去过去的的研究只要侧重研究只要侧重热解反应器热解反应器类型
15、以及反应器参数，以寻求产物类型以及反应器参数，以寻求产物的最大化。技术的成熟使生物油产量上的发展空间已经不是的最大化。技术的成熟使生物油产量上的发展空间已经不是很大了，最大产量基本上都可以达到很大了，最大产量基本上都可以达到70%80%左右。左右。生物油品质和反应系统整体效率的提高生物油品质和反应系统整体效率的提高是目前发展的是目前发展的新趋势新趋势。通过预处理原始物料以及催化，改性等方法提高产物的品质通过预处理原始物料以及催化，改性等方法提高产物的品质以适合以适合高层次应用高层次应用时拓展技术应用空间和前景的重要手段。时拓展技术应用空间和前景的重要手段。而而整体利用生物质资源的联合工艺以及系
16、统整体效率整体利用生物质资源的联合工艺以及系统整体效率则被认则被认为是为是最大化热解制油经济效益最大化热解制油经济效益，具有相当大的潜力的发展方，具有相当大的潜力的发展方向。向。4.2.2 生物质热解液化技术研究及开发现状生物质热解液化技术研究及开发现状2010-06Page 11 生物质热裂解最初的研究主要集中在欧洲和北美地区。生生物质热裂解最初的研究主要集中在欧洲和北美地区。生物质热解液化技术始于物质热解液化技术始于20世纪世纪70年代末期的北美，加拿大西年代末期的北美，加拿大西安大略大学开始利用输送床以制造气体和液体燃料及化工产安大略大学开始利用输送床以制造气体和液体燃料及化工产品的研究
17、。然而其发表的资料主要是关于乙烯和丙烯产物的品的研究。然而其发表的资料主要是关于乙烯和丙烯产物的研究，并没有引起做够的重视。研究，并没有引起做够的重视。20世纪世纪80年代初，加拿大年代初，加拿大Waterloo大学开始了以提高液体大学开始了以提高液体产率为目标的循环流化床研究，随后开始了持续闪速热解流产率为目标的循环流化床研究，随后开始了持续闪速热解流化床实验台得到研制。他们的工作为现代快速和闪速裂解提化床实验台得到研制。他们的工作为现代快速和闪速裂解提供了基础，被公认为本领域中最广泛深入的研究成果。供了基础，被公认为本领域中最广泛深入的研究成果。4.2.2 生物质热解液化技术研究及开发现状
18、生物质热解液化技术研究及开发现状2010-06Page 12 1989年，欧洲第一家生物质热解加工厂，一个传统的慢速年，欧洲第一家生物质热解加工厂，一个传统的慢速热解示范性工厂（热解示范性工厂（500kg/h）在意大利落成，其液体和焦炭的）在意大利落成，其液体和焦炭的产量大致上都在产量大致上都在25%左右。同一时期，瑞典左右。同一时期，瑞典Bio-Alternative公公司建成了固定床反应器的热解示范性工厂，主要用来制取焦司建成了固定床反应器的热解示范性工厂，主要用来制取焦炭和副产品油，其焦油产率也比较低，仅炭和副产品油，其焦油产率也比较低，仅20%的质量含量。的质量含量。西班牙西班牙Fen
19、osa联邦于联邦于1993年建立了基于年建立了基于Laterloo大学热裂解大学热裂解技术的技术的200kg/h闪速热裂解试验台。比利时闪速热裂解试验台。比利时Egemin公司于公司于1991年建立由他们自行设计的，容量为年建立由他们自行设计的，容量为200kg/h引射流反应器并在引射流反应器并在1992投入运行使用。许多重要的热裂解技术在欧洲一些著名投入运行使用。许多重要的热裂解技术在欧洲一些著名实验室和研究所中进行开发，实验室和研究所中进行开发，90年代初欧共体年代初欧共体JOULE计划中计划中的用生物质生产能源项目的很多课题的启动也显示了欧盟对的用生物质生产能源项目的很多课题的启动也显示
20、了欧盟对生物质热裂解制油技术的重视程度。生物质热裂解制油技术的重视程度。4.2.2 生物质热解液化技术研究及开发现状生物质热解液化技术研究及开发现状2010-06Page 13 生物质热解制油技术的蓬勃发展从生物质热解制油技术的蓬勃发展从20世纪世纪90年代初开始，随年代初开始，随着试验规模的反应装置逐步完善化，示范性和商业化运行的着试验规模的反应装置逐步完善化，示范性和商业化运行的热裂解装置被不断开发和建造。不同规模的、各种各样型式热裂解装置被不断开发和建造。不同规模的、各种各样型式的快速热裂解系统在世界各国先后建立起来。的快速热裂解系统在世界各国先后建立起来。4.2.2 生物质热解液化技术
21、研究及开发现状生物质热解液化技术研究及开发现状2010-06Page 14 在北美，在北美，20世纪世纪90年代初成立的年代初成立的加拿大达茂科技公司加拿大达茂科技公司利用利用该公司的生物质反应炉专利技术，于该公司的生物质反应炉专利技术，于1997年年6月成立了可日产月成立了可日产半吨生物油的示范厂，该公司认识到生物质热裂解技术具有半吨生物油的示范厂，该公司认识到生物质热裂解技术具有将农林业的废弃物转化为清洁燃料生物油，并进一步加工成将农林业的废弃物转化为清洁燃料生物油，并进一步加工成生化石灰与缓效性肥料等高附加值产品的巨大潜力，并于生化石灰与缓效性肥料等高附加值产品的巨大潜力，并于1998年
22、与年与RTI公司合作开发生物油系列产品。公司合作开发生物油系列产品。加拿大加拿大Castle Capital有限公司有限公司将将BBC公司开发的公司开发的1025kg/h的橡胶热烧蚀反的橡胶热烧蚀反应器放大后，在新思科舍建造了应器放大后，在新思科舍建造了15002000kg/h规模的固体废规模的固体废弃物热烧蚀裂解反应器，用以制取液体燃料，同时把该技术弃物热烧蚀裂解反应器，用以制取液体燃料，同时把该技术发展为连续烧蚀反应系统，在新斯科舍建设了发展为连续烧蚀反应系统，在新斯科舍建设了50t/d规模的示规模的示范性装置。范性装置。加拿大加拿大Ensyn公司公司进行的市场商业化的快速热解工进行的市场
23、商业化的快速热解工厂的生产能力也达到了厂的生产能力也达到了10t/h。4.2.2 生物质热解液化技术研究及开发现状生物质热解液化技术研究及开发现状2010-06Page 15生物质热解反应器分类生物质热解反应器分类 应用于生物质热解的反应器具有应用于生物质热解的反应器具有加热速率快、反应温加热速率快、反应温度中等、气相停留时间短等共同特征度中等、气相停留时间短等共同特征。综合国外介绍的。综合国外介绍的生物质热解制油反应器，主要可按生物质的生物质热解制油反应器，主要可按生物质的受热方式分受热方式分为三类。为三类。机械接触式反应器机械接触式反应器 这类反应器的共同点是通过灼热这类反应器的共同点是通
24、过灼热的反应器表面直接或间接与生物质接触，将热量传递到的反应器表面直接或间接与生物质接触，将热量传递到生物质而使其高速升温达到快速热解，其采用的热量传生物质而使其高速升温达到快速热解，其采用的热量传递方式递方式主要为热传导，辐射是次要的，对流传热则不起主要为热传导，辐射是次要的，对流传热则不起主要作用。主要作用。常见的有常见的有烧蚀热解反应器、丝网热解反应器、烧蚀热解反应器、丝网热解反应器、旋转锥反应器旋转锥反应器等。等。4.3 生物质热解反应器生物质热解反应器4.3.1 生物质热解反应器分类生物质热解反应器分类2010-06Page 16 间接式反应器间接式反应器 这类反应器的主要特征是由一
25、高温的这类反应器的主要特征是由一高温的表面或热源提供生物质热解所需热量，其主要通过表面或热源提供生物质热解所需热量，其主要通过热辐热辐射射进行热量传递，对流传热和热传导则居于其次要地位，进行热量传递，对流传热和热传导则居于其次要地位，常见的常见的热天平热天平也可以归属此类反应器。也可以归属此类反应器。混合式反应器混合式反应器 其主要是借助热气或气固多相流对生其主要是借助热气或气固多相流对生物质进行快速加热，其主导热量方式主要为对流换热，物质进行快速加热，其主导热量方式主要为对流换热，但热辐射和热传导有时也不可忽略，常见的有但热辐射和热传导有时也不可忽略，常见的有流化床反流化床反应器、快速引射床
26、反应器、循环流化床反应器应器、快速引射床反应器、循环流化床反应器等。等。目前进行的生物质热解制油技术研究中，针对目前进行的生物质热解制油技术研究中，针对第一类第一类和第三类的反应器和第三类的反应器的工作开展得相对较多，并取得了一的工作开展得相对较多，并取得了一定的进展，这些反应器的定的进展，这些反应器的成本较低且宜大型化，从而能成本较低且宜大型化，从而能在工业上投入实际应用在工业上投入实际应用。4.3 生物质热解反应器生物质热解反应器4.3.1 生物质热解反应器分类生物质热解反应器分类2010-06Page 17典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器 世界各国通过反应器的设计、制造及工艺条件
27、的控制，开发了各种类型的快速热解工艺，几种有代表性的反应器如下：烧蚀涡流反应器（烧蚀涡流反应器（1995）美国可再生能源实验室（NREL）研制出的烧蚀涡流反应器，其流程如图所示。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-烧蚀涡流反应器烧蚀涡流反应器(1)2010-06Page 18 反应器正常运行时，生物质颗粒需要用速度为反应器正常运行时，生物质颗粒需要用速度为40ms的氮气或过热蒸汽流的氮气或过热蒸汽流引射引射（夹带）沿切线方（夹带）沿切线方向进入反应器管，生物质在此条件下受到高速离心向进入反应器管，生物质在此条件下受到高速离心力的作用，导致生物质颗粒在受热的反器壁上的受力的作用
28、，导致生物质颗粒在受热的反器壁上的受到到高度烧蚀高度烧蚀。烧蚀后，颗粒留在反应器壁上的生物。烧蚀后，颗粒留在反应器壁上的生物油膜迅速蒸发。如果生物质颗粒油膜迅速蒸发。如果生物质颗粒没有被完全转化没有被完全转化，可以通过特殊的可以通过特殊的固体循环回路固体循环回路循环反应。循环反应。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-烧蚀涡流反应器烧蚀涡流反应器(1)2010-06Page 19在在1995年，该实验室在原来系统的基础上将主反年，该实验室在原来系统的基础上将主反应器改为垂直，并且还增加了热蒸汽过滤装置。改应器改为垂直，并且还增加了热蒸汽过滤装置。改进后的实验系统可获得更为优质的
29、生物油，进后的实验系统可获得更为优质的生物油，主要是主要是因为安装了热蒸汽过滤设备，因为安装了热蒸汽过滤设备，成功的防止了微小的成功的防止了微小的焦炭颗粒在裂解气被冷凝过程中混入生物油，同时焦炭颗粒在裂解气被冷凝过程中混入生物油，同时这也使得油中的灰分含量低于这也使得油中的灰分含量低于0.01%，并且碱金属，并且碱金属含量很低。这套系统所生成油的产量在含量很低。这套系统所生成油的产量在67%左右，左右，但该油中氧含量较高。但该油中氧含量较高。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-烧蚀涡流反应器烧蚀涡流反应器(1)2010-06Page 20 真空热解反应器真空热解反应器/真空移
30、动床（真空移动床（1996）加拿大Laval大学生物质真空热解装置，已经完善反应过程和提高产量，并在1996年成立了ProSystem能源公司，负责把这个反应器大型化，上述这套系统已经进行商业化运行。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-真空热解反应器真空热解反应器(2)2010-06Page 21物料干燥和破碎后物料干燥和破碎后进入反应器，物料送进入反应器，物料送到两个水平的金属板，到两个水平的金属板，金属板被混合的熔融金属板被混合的熔融盐加热且温度维持在盐加热且温度维持在530左右。熔融盐是左右。熔融盐是通过一个靠在热解反通过一个靠在热解反应中产生不可凝气体应中产生不可凝气
31、体燃烧提供热源的炉子燃烧提供热源的炉子来加热。另外，合理来加热。另外，合理地使用电子感应加热地使用电子感应加热器以保持反应器中的器以保持反应器中的温度连续稳定。温度连续稳定。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-真空热解反应器真空热解反应器(2)2010-06Page 22 物料中的有机质物料中的有机质加热分解所有产生加热分解所有产生的的蒸汽蒸汽依靠反应器依靠反应器的真空状态很快被的真空状态很快被带出反应器，带出反应器，挥发挥发分气体分气体质解输入到质解输入到两个冷凝系统：两个冷凝系统：一一个是收集重油，一个是收集重油，一个收集轻油和水分。个收集轻油和水分。4.3.2 典型的快
32、速热解反应器典型的快速热解反应器-真空热解反应器真空热解反应器(2)2010-06Page 23 通过这套系统得到的比较典型的和物料有关的热解产物是通过这套系统得到的比较典型的和物料有关的热解产物是47%的生物油、的生物油、17%的裂解水、的裂解水、12%的焦炭、的焦炭、12%的不可凝的不可凝热解气。该系统热解气。该系统最大的优点是真空下一次裂解产物很快溢出最大的优点是真空下一次裂解产物很快溢出反应器从而降低了挥发份的劣化和重整等，减少了裂解气二反应器从而降低了挥发份的劣化和重整等，减少了裂解气二次反应的概率。次反应的概率。不过，反应器所需要的真空需要真空泵的专不过，反应器所需要的真空需要真空
33、泵的专业运作以及很好的密封性来保证，这就加大了成本和运行难业运作以及很好的密封性来保证，这就加大了成本和运行难度。度。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-真空热解反应器真空热解反应器(2)2010-06Page 24 旋转锥热解反应器旋转锥热解反应器（1995）旋转锥热解反应器旋转锥热解反应器是一个比较新颖的反应器，是一个比较新颖的反应器，它巧妙地利用了它巧妙地利用了离心力的原离心力的原理理，成功的将反应的，成功的将反应的热解气热解气和固体产物分离开来和固体产物分离开来。该反应器是由荷兰该反应器是由荷兰Twente大学反应器工程组及生物质大学反应器工程组及生物质技术集团（技术
34、集团（BTG）从）从1989年年开始研制开发的，经过几年开始研制开发的，经过几年的不断完善，到的不断完善，到1995年发展年发展成如图所示的新型反应器。成如图所示的新型反应器。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-旋转锥反应器旋转锥反应器(3)2010-06Page 25 其特点是：升温速率其特点是：升温速率高、固相滞留期短、气高、固相滞留期短、气相滞留期小。相滞留期小。其工艺流其工艺流程可简述为：生物质颗程可简述为：生物质颗粒与过量的惰性载热体粒与过量的惰性载热体沙子一起进入反应器旋沙子一起进入反应器旋转外锥的底部，当生物转外锥的底部，当生物质和沙子的混合物沿着质和沙子的混合
35、物沿着炽热的锥壁螺旋向上传炽热的锥壁螺旋向上传时，生物质发生裂解转时，生物质发生裂解转化。整个过程化。整个过程不需要载不需要载气气，从而减小了随后油，从而减小了随后油收集系统的体积成本。收集系统的体积成本。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-旋转锥反应器旋转锥反应器(3)2010-06Page 26 反应器非常紧凑而且有很反应器非常紧凑而且有很强的固体传输能力。强的固体传输能力。沙子可沙子可以和焦炭一起被移出反应器，以和焦炭一起被移出反应器，之后焦炭被燃烧掉，热的沙之后焦炭被燃烧掉，热的沙子返回到反应器中。该反应子返回到反应器中。该反应器使用沙子作载热体的另一器使用沙子作载热
36、体的另一个功能就是避免生物质颗粒个功能就是避免生物质颗粒和炭在锥壁上的积累，通过和炭在锥壁上的积累，通过阻隔旋转锥内部的部分空间，阻隔旋转锥内部的部分空间，可减少旋转锥内的气体容积，可减少旋转锥内的气体容积，因此减少了反应器的气相滞因此减少了反应器的气相滞留期和抑制气相中生物油的留期和抑制气相中生物油的裂化反应。裂化反应。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-旋转锥反应器旋转锥反应器(3)2010-06Page 27 流化床热解反应器（流化床热解反应器（1996）加拿大加拿大Waterloo大学早在大学早在20世纪世纪80年代就开发了年代就开发了一种大气压流化床热解工艺，当初的
37、主要一种大气压流化床热解工艺，当初的主要目的是为了找到生物质热解制油产油量最目的是为了找到生物质热解制油产油量最大的状态大的状态。最初设计的是大气压下流化床连续热解最初设计的是大气压下流化床连续热解台架试验台，反应参数为颗粒尺寸台架试验台，反应参数为颗粒尺寸105250m、给料速率、给料速率50g/h、氮气作为载、氮气作为载气、温度气、温度400600。结果表明：挥发分停。结果表明：挥发分停留时间在留时间在0.5s时，油的产量在时，油的产量在60%左右。左右。之后，在此基础上建造了一个之后，在此基础上建造了一个3kg/h的连的连续工艺装置，其工艺流程如图所示。续工艺装置，其工艺流程如图所示。风
38、干风干的生物质的生物质锤磨锤磨后后筛分筛分出小于出小于595m的颗粒，的颗粒，料斗中的生物质通过一个可变速的料斗中的生物质通过一个可变速的双螺旋双螺旋给料器传送给料器传送，在给料器的末端生物质颗粒，在给料器的末端生物质颗粒被循环的产物气体吹扫并被输送进反应器。被循环的产物气体吹扫并被输送进反应器。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-流化床热解反应器流化床热解反应器(4)2010-06Page 28反应器以砂子作为床料，反应器以砂子作为床料，流化气体是循环的产物气体流化气体是循环的产物气体，该气体在管路里被电加热器该气体在管路里被电加热器预热。此外，反应器上包有预热。此外，反应
39、器上包有加热线圈加热线圈，能使额外的热量，能使额外的热量像所希望的那样添加到流化像所希望的那样添加到流化床或净空空间。床或净空空间。反应器的操作温度范围为反应器的操作温度范围为425625，气相滞留期为，气相滞留期为3001500s，加工能力为，加工能力为3kg/h，压力为，压力为125kpa，升温速率为，升温速率为10000100000/s。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-流化床热解反应器流化床热解反应器(4)2010-06Page 29 热解产物和所有生成的炭从反热解产物和所有生成的炭从反应器中被吹扫到应器中被吹扫到旋分器旋分器，炭在旋炭在旋分器中被分离出来，分器中被
40、分离出来，产物气和蒸产物气和蒸汽被通到两个汽被通到两个冷凝器冷凝器中，第一个中，第一个冷凝器操作温度为冷凝器操作温度为60，第二个，第二个冷凝器用冷凝器用0 冰水作为冷却介质。冰水作为冷却介质。气体气体通过一系列通过一系列过滤器过滤器除去除去焦油焦油烟雾后送到循环压缩机，从烟雾后送到循环压缩机，从循环循环压缩机压缩机卸载卸载分取一股调节气量分取一股调节气量去去流化反应器和输送生物质到反应流化反应器和输送生物质到反应器器，过量的气体经气体分析和作，过量的气体经气体分析和作为产物剂量后放掉。为产物剂量后放掉。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-流化床热解反应器流化床热解反应器(4
41、)2010-06Page 30 在反应温度达到在反应温度达到500时系时系统液体的产量最大，这与减少统液体的产量最大，这与减少在低温时的二次分解反应有关。在低温时的二次分解反应有关。油中氧含量比较高，一般在油中氧含量比较高，一般在38%左右。液体在室温下表现左右。液体在室温下表现稳定，不可凝结气体的热值也稳定，不可凝结气体的热值也较高，大约有较高，大约有14.1MJ/Nm。流。流化床热解也还有一些问题，例化床热解也还有一些问题，例如焦炭的磨损比较严重，需要如焦炭的磨损比较严重，需要对生物油有一个后续的处理以对生物油有一个后续的处理以减少油中的焦炭含量；一般的减少油中的焦炭含量；一般的流化床都是
42、采用稀相流化传热，流化床都是采用稀相流化传热，所以传热速率不是很高。所以传热速率不是很高。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-流化床热解反应器流化床热解反应器(4)2010-06Page 31 热辐射反应器热辐射反应器 热辐射反应器是典型的热辐射反应器是典型的间接式加热反应器间接式加热反应器。美。美国国Washington大学设计大学设计了一种用于研究单颗生了一种用于研究单颗生物颗粒热裂解行为的反物颗粒热裂解行为的反应器及相关的分析系统，应器及相关的分析系统，如图。如图。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-热辐射反应器热辐射反应器(5)2010-06Page
43、 32该反应器的热源是一个该反应器的热源是一个1000W的氙灯，其均匀提供约的氙灯，其均匀提供约025W/cm的一维高强度热通量给内置在玻璃反应器内的一维高强度热通量给内置在玻璃反应器内套管的试样，套管的试样，反应器、氙灯以及热通量测定装置反应器、氙灯以及热通量测定装置固定在固定在光学架台上进行精确校正。采用光学架台上进行精确校正。采用铝铬热电偶铝铬热电偶测量颗粒温测量颗粒温度，而度，而红外高温计红外高温计则用来确定颗粒受热辐射的表面温度。则用来确定颗粒受热辐射的表面温度。氦气流氦气流使得颗粒解析出的挥发份快速冷却，并将其送到使得颗粒解析出的挥发份快速冷却，并将其送到收集器和分析系统收集器和分
44、析系统，在，在3Lmin的通用流量下，从颗粒表的通用流量下，从颗粒表面到采样点的气相产物的停留时间约为面到采样点的气相产物的停留时间约为2.8s，单颗粒生，单颗粒生物质的热解实验在常压下进行，得到了约物质的热解实验在常压下进行，得到了约40%左右的生左右的生物油。物油。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-热辐射反应器热辐射反应器(5)2010-06Page 33 该反应器中生物质颗粒以及各热解产物的辐射吸收该反应器中生物质颗粒以及各热解产物的辐射吸收特性存在差异，这使得温度控制较为困难，并对导致特性存在差异，这使得温度控制较为困难，并对导致生物油二次反应的抑制作用较差，同时，
45、因需要提供生物油二次反应的抑制作用较差，同时，因需要提供高温热源而限制了其它实际应用，通常仅在机理研究高温热源而限制了其它实际应用，通常仅在机理研究时才采用。时才采用。4.3.2 典型的快速热解反应器典型的快速热解反应器-热辐射反应器热辐射反应器(5)2010-06Page 34生物质热解液化主要装置对比生物质热解液化主要装置对比表表.生物质热解液化主要装置比较生物质热解液化主要装置比较生产工艺生产工艺研发机构研发机构设备特点设备特点流化床反应器Aston University,NREL,RTI等其特点是设备小巧，气相停留时间很短，可以防止热解蒸汽的二次裂解，效率很高，并容易工业放大；但对原料
46、颗粒尺寸要求较小，这就大大增加了原料的加工成本，而且生产规模扩大时热效率较低。烧蚀反应器NREL,Aston University,BBC,Castle Capital该设备相对于其它系统可以用粒径为2-6.35mm的大颗粒生物质作为原料，但是生产的油中的氧含量比较高。循环流化床反应器CRES,CPERI,ENEL/Pasquali循环流化床反应器设备小巧，气相停留时间段，可防止热解蒸汽的二次裂解，该工艺的加热、传热速率及产油率较高，而且处理规模也较大。缺点是需要载气，对设备内的热载体及生物质进行流化。引射流反应器GRTI,Egemin该设备的缺点是需要大量高温燃烧气，并产生大量低热值的不凝气
47、，这个缺点造成此技术的发展前景不大。旋转锥反应器Twente University,BTG/Schelde/Kara旋转锥式反应器采用反应器壁加热的方式，不用载气，且生物油产率很高，达到物料的70%；缺点是生产规模小，能耗较高。输送床反应器ENSYN虽然可以解决热量转化问题，但是不易于大型化使用，而且还有焦渣磨损设备的问题。真空移动床反应器Laval University/Pyrovac其优点是热解蒸汽停留时间很短，减少了二次裂解，但反应器要有非常好的真空度，这就对真空泵和密封材料提高了要求，因此增大了制造成本和运行难度。在生物质快速热解的各种工艺中，反应器的类型及其加热方式的选择很大程度上决
48、定了产物的最终分布，所以反应器在生物质快速热解的各种工艺中，反应器的类型及其加热方式的选择很大程度上决定了产物的最终分布，所以反应器类型和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节。常用的制取生物质液化燃料的反应器都具有加热速率快和很高的热类型和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节。常用的制取生物质液化燃料的反应器都具有加热速率快和很高的热量转化率、反应温度中等、气相停留时间短等共同特征。量转化率、反应温度中等、气相停留时间短等共同特征。2010-06Page 35 生物油生物油是指在中温是指在中温(500600)、隔绝氧气的条件下将生、隔绝氧气的条件下将生物质物质(木材、秸秆等木材、秸秆等)颗
49、粒物迅速加热使其裂解，再迅速冷凝颗粒物迅速加热使其裂解，再迅速冷凝后得到的一种棕黑色液体。它具有原料来源广泛、可再生、后得到的一种棕黑色液体。它具有原料来源广泛、可再生、便于运输、能量密度较高等特点，是一种潜在的液体燃料便于运输、能量密度较高等特点，是一种潜在的液体燃料和化工原料。和化工原料。4.5 生物质热解产物特性及应用技术生物质热解产物特性及应用技术生物转化流化床式热辐射反应器 生生物物质质化学转化旋转锥式真空移动床式烧蚀式图图.生物质热解液化主要技术种类生物质热解液化主要技术种类2010-06Page 364.5.1 生物油组成及性质生物油组成及性质生物油的组成和理化性质受生物油的组成
50、和理化性质受多个因素影响多个因素影响，如原料种，如原料种类、含水量、反应器类型、反应参数、产物收集方法等，类、含水量、反应器类型、反应参数、产物收集方法等，但不同途径制得的生物油仍具有一些但不同途径制得的生物油仍具有一些共同的性质共同的性质，如水，如水分含量高、含颗粒杂质、黏度大、稳定性差、有腐蚀性分含量高、含颗粒杂质、黏度大、稳定性差、有腐蚀性等，这与传统石化燃料等，这与传统石化燃料(柴油、汽油柴油、汽油)有很大不同，也给有很大不同，也给生物油用于柴油机带来了很多困难。生物油用于柴油机带来了很多困难。4.5 生物质热解产物特性及应用技术生物质热解产物特性及应用技术2010-06Page 37
