[發明專利]一種生物質螺旋熱解裝置及熱解工藝

無效

• 申請號: 200910185370.6
• 申請日: 2009-11-06
• 公開（公告）號: CN101709224A
• 公開（公告）日: 2010-05-19
• 發明（設計）人: 江鴻;郭慶祥;俞漢青
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C10G1/00
• 分類號: C10G1/00
• 代理公司: 合肥天明專利事務所 34115
• 代理人: 陳進;奚華保

技術領域

本發明涉及生物質的熱解裝置及熱解工藝。

背景技術

目前，世界各國尤其是發達國家，為實現國家經濟的可持續發展提供根本保障，都 在致力于開發高效、無污染的生物質能利用技術，以保護本國的礦物能源資源。生物質 熱解是指生物質在沒有氧化劑(空氣、氧氣、水蒸氣等)存在或只提供有限氧的條件下， 加熱到逾500℃，通過熱化學反應將生物質大分子物質(木質素、纖維素和半纖維素) 分解成較小分子的燃料物質(固態炭、可燃氣、生物油)的熱化學轉化技術方法。生物 質熱解的燃料能源轉化率可達95.5％，最大限度的將生物質能量轉化為能源產品，物盡 其用，而熱解也是燃燒和氣化必不可少的初始階段

從化學反應的角度對其進行分析，生物質在熱解過程中發生了復雜的熱化學反應， 包括分子鍵斷裂、異構化和小分子聚合等反應。木材、林業廢棄物和農作物廢棄物等的 主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。熱重分析結果表明，纖維素在52℃時開始熱解， 隨著溫度的升高，熱解反應速度加快，到350～370℃時，分解為低分子產物。根據熱解 過程的溫度變化和生成產物的情況等，可以分為干燥階段、預熱解階段、固體分解階 段和煅燒階段。干燥階段(溫度為120～150℃)，生物質中的水分進行蒸發，物料的化 學組成幾乎不變。預熱解階段(溫度為150～275℃)，物料的熱反應比較明顯，化學組 成開始變化，生物質中的不穩定成分如半纖維素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸 等物質。上述兩個階段均為吸熱反應階段。固體分解階段(溫度為275～475℃)，熱解 的主要階段，物料發生了各種復雜的物理、化學反應，產生大量的分解產物。生成的液 體產物中含有醋酸、木焦油和甲醇(冷卻時析出來)；氣體產物中有CO2、CO、CH4、H2 等，可燃成分含量增加。這個階段要放出大量的熱。煅燒階段(溫度為450～500℃)， 生物質依靠外部供給的熱量進行木炭的燃燒，使木炭中的揮發物質減少，固定碳含量增 加，為放熱階段。實際上，上述四個階段的界限難以明確劃分，各階段的反應過程會相 互交叉進行。

從對生物質的加熱速率和完成反應所用時間的角度來看，生物質熱解工藝基本上可 以分為兩種類型：一種是慢速熱解，一種是快速熱解。在快速熱解中，當完成反應時間 甚短(＜0.5s)時，又稱為閃速熱解。根據工藝操作條件，生物質熱解工藝又可分為慢 速、快速和反應性熱解三種。在慢速熱解工藝中又可以分為炭化和常規熱解。

慢速熱解(又稱干餾工藝、傳統熱解)工藝具有幾千年的歷史，是一種以生成木炭 為目的的炭化過程，低溫干餾的加熱溫度為500～580℃，中溫干餾溫度為660～750℃， 高溫干餾的溫度為900～1100℃。將木材放在窯內，在隔絕空氣的情況下加熱，可以得 到占原料質量30％～35％的木炭產量。

快速熱解是將磨細的生物質原料放在快速熱解裝置中，嚴格控制加熱速率(一般大 致為10～200℃/s)和反應溫度(控制在500℃左右)，生物質原料在缺氧的情況下， 被快速加熱到較高溫度，從而引發大分子的分解，產生了小分子氣體和可凝性揮發分以 及少量焦炭產物。可凝性揮發分被快速冷卻成可流動的液體，成為生物油或焦油，其比 例一般可達原料質量的40％～60％。

與慢速熱解相比，快速熱解的傳熱反應過程發生在極短的時間內，強烈的熱效應直 接產生熱解產物，再迅速淬冷，通常在0.5s內急冷至350℃以下，最大限度地增加了液 態產物(油)。

總的來講，影響熱解的主要因素包括化學和物理兩大方面。化學因素包括一系列復 雜的一次反應和二次反應；物理因素主要是反應過程中的傳熱、傳質以及原料的物理特 性等。具體的操作條件表現為：溫度、物料特性、催化劑、滯留時間、壓力和升溫速率。