基本信息
- 项目名称：
- 林木生物质定向热裂解液化微反装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 热裂解液化技术可以将低能量密度的林木生物质转化为高品位的能源产品及化工原料。为满足林木生物质热化学转化基础研究的需要，本团队研发了进料量1 Kg/h的二次仪表-计算机自动控制的定向热裂解液化微反装置。该装置首次实现了生物质热裂解在线实时分析、中间产物调控、分级可控冷凝、尾气循环利用等功能的创新和集成，可用于林木生物质热裂解特性分析、催化剂遴选、反应机理等的实验室和工程技术中心的基础研究。
- 详细介绍：
- 在众多的生物质能利用技术中，热裂解液化技术可将分散、繁杂的林木生物质定向转化为高品位的能源产品及化工原料——生物油、清洁燃气（不凝气体）和热解炭，是目前国内外研究的热点，被认为是极具发展潜力的生物质能转化技术。生物质快速热裂解液化技术具有对生物质原料要求较低、反应速率快、产物百分之百转化利用等突出优点。 本装置通过对流化床微反技术、固定床催化技术、可控冷凝技术、在线分析技术、催化调控理论的集成和发展，研发了进料量为1 Kg/h的二次仪表-计算机自动控制的林木生物质定向热裂解液化微反装置。本装置主要由进料系统、进气系统、流化床热裂解系统、固定床二次裂解系统、出炭系统、分级冷凝系统、气路循环及收集系统、在线分析系统及监控系统等组成。 采用螺旋加料与气力输送相结合的方式，通过对螺杆和进料接口的精巧设计，实现了林木生物质固相粉末进料的连续化、精确化；新型微型反应器由流化床和固定床串联组成，实现了林木生物质热裂解过程中的二次催化与中间产物的定向调控；开发的三级可控冷凝系统实现了液化产物的分级冷凝和组分富集；采用气相色谱和红外气体分析仪对热裂解以及冷凝过程中不同阶段的中间产物进行定性定量分析，实现了在线实时分析；研发的气路循环及尾气收集系统实现了将林木生物质热裂解生成的不凝气体作为流化介质循环利用。 本装置首次实现了在线实时分析、中间产物的二次调控、分级可控冷凝、尾气循环利用等功能的创新和集成，可以用于开展林木生物质的热裂解特性分析、催化剂遴选、反应机理等的研究，突破了以往生物质热解反应的静态研究模式，将实现在线分析与调控的动态对比研究效果。调试和试车工作表明，本装置工艺布置合理、结构紧凑、工作稳定。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1 发明的目的、思路：本发明旨在通过技术集成创新，为林木生物质热化学转化研究提供一套多功能试验装置。研究根据林木生物质特性，以经典的流态化技术为基础，结合固定床催化、分级冷凝、在线分析等技术，使林木生物质热裂解液化过程可控、可视。研发的装置可用于开展林木生物质的热裂解特性分析、催化剂遴选、反应机理等的研究。 2 创新点： （1）将螺旋加料与气力输送相结合，通过对螺杆和进料接口的精巧设计，解决了林木生物质固相粉末进料过程中的堵塞、误差大等问题； （2）首次将流化床和固定床相结合，实现了林木生物质热裂解过程中的二次催化与中间产物的定向调控； （3）开发的三级可控冷凝系统实现了液化产物的分级冷凝和组分富集； （4）采用气相色谱和红外气体分析仪，对热裂解及冷凝过程中不同阶段的中间产物进行分析，实现了在线实时分析。 3 技术关键： (1)轻质固相粉末连续精确进料系统； (2)新型联合微反应器的开发； (3)生物质气相热解产物的在线实时分析。 4 技术指标： (1)进料量：0.5~1.5Kg/h，额定进料量1Kg/h； (2)三级冷凝器冷凝温度：150~220℃，80~150℃，10~80℃； (3)预热及反应温度：预热器,400±10℃；流化床，550±10℃；固定床，450±5℃； (4)热解转化率，100% ；产物收集率≥96%；出炭系统的收集效率≥99%； (5)生物油：产油率≥65%；含水率≤30%；热值≥16MJ/Kg。
科学性、先进性
- 1、实现了林木生物质热裂解液化过程的可视化。与传统单一的热裂解反应器相比，通过流化床与固定床相联合实现了林木生物质的定向转化与产物调控，一定程度上解决了以往产物分布与组成随机性大等问题，对于林木生物质能源研究具备较强的科学意义。 2、首次实现了林木生物质热裂解液化中间产物的在线实时分析。通过对流化床热解气、固定床裂解气以及三级冷凝后热解气共5路气体的实时检测与表征，改变了以往离线测试和跟踪式研究的模式，为热解工艺调整和催化剂遴选提供科学依据。 3、装置主体采用模块化设计，系统结构集约化，功能多样化，与传统热裂解反应器相比优势明显。控制系统采用二次仪表-计算机控制，控制精确，界面简便直观；进料系统采用机械进料与气力进料相结合，实现进料的连续化、精确化；气路循环及收集系统实现了将自身生成的不凝气体作为循环流化介质，节能环保，运行成本低廉；装置具有二次裂解、分级冷凝、中间调控等多种试验功能。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年3月至4月，美国密西西比州立大学、北京**大学、中国**科学研究院、山东**大学等单位专家参观装置后表示：本装置技术原理先进，在国内外具有一定的特色和创新。 2011年5月，获第七届****大学大学生课外学术科技作品竞赛二等奖。 2011年6月，获第六届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 试制成功，运行稳定，性能优良。 处于实验室应用阶段，开始进一步中试推广。
技术转让方式
- 可通过成套设备转让、设备租赁、工艺图纸设计服务、专利权转让、技术培训等方式进行转让。
作品可展示的形式
- √实物、产品 √图纸 √图片 √录像 √样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、使用说明：装置分为反应系统，进料系统，检测系统和控制系统。固体反应物通过同轴变距螺杆和进料载气吹入流化床反应器；流化气通过多孔筛板进入流化床反应器底部。流化床反应产物从反应器上部放出，常压进入固定床反应器；冷凝采用三段式冷凝和气液分离；尾气一部分进入储气罐，一部分由空压机增压后循环用作系统载气。 2、应用前景：生物油的主要组成成分为含氧官能团的酚类、醛类、酮类、有机酸类等高值化合物，便于运输、能量密度高，用途广泛，可直接燃料用于窑炉、锅炉等产热设备，经过精制改性后亦可制备出生物柴油用于汽车的动力燃料；同时还可以用作石油基替代品，如替代苯酚制备酚醛树脂材料等。不凝气体的主要成分是CO、CH4、H2等，为高值气体，可以直接燃烧或合成化学品用于集中供气、电厂发电、制备化工原料等。炭粉具有一定的热值和孔隙率，可用于制备活性炭、成型炭燃料、农药或肥料的缓释剂以及土壤改良剂、同时还可作冶金及钢铁工业等。装置科技含量高，且具有完全的自主知识产权，市场和科研应用价值较高。
同类课题研究水平概述
- 热裂解液化装置在很大程度上影响着热裂解液化反应过程的能耗，决定着产物的分布和性能，是林木生物质热裂解液化技术的基础和关键。目前，热裂解液化装置的类型较多，依据主反应器内的传热传质原理可以分为喷动床、流化床、旋转锥、循环流化床、引流床、烧蚀反应器、真空移动床等。 20世纪70年代，加拿大Waterloo大学首先研制出流化床反应器快速热解液化技术。随后，荷兰、英国、美国、瑞士、意大利等国的科学家也开展大量富有成效的研究工作。相对而言，我国在快速热裂解液化技术研究方面起步较晚，但发展的速度很快。从1993年起，沈阳**大学开始与荷兰合作，并于1995年从荷兰Twente大学BTG集团引进一套生物质喂入率为50Kg/h的旋转锥快速热解液化设备。中国****大学、**大学、山东**大学、北京**大学等高校也研制了相应的小试及中试设备，并取得了重要进展。 从反应器类型的角度来看，虽然目前已开发出来的快速热裂解液化反应器各具特点，但至今仍没有普遍认为理想的热裂解反应器，几乎在不同程度上都存在传热传质效率低、结构复杂、运行成本高等问题。如传统的流化床在热裂解过程中易出现内分层、节涌等现象，造成加热不均匀，热裂解效率低；喷动床存在环隙区内气固接触不良和高床层喷动不稳定等不足，很难实现热裂解均衡和精准的中温控制；旋转锥内部构件较多，设备庞大，运行成本高，要求原料粒径小，加工成本大；真空移动床反应器运行的密封性要求较高、能耗大。 从设备的其它关键技术来看，在进料、气固分离、热解气冷凝以及循环系统净化等方面也有较大的发展空间。 上述问题已成为快速热裂解液化技术进步的瓶颈，制约了该技术的发展和工程化进程，迫切需要对热裂解液化设备中的这些关键技术进行深入系统研究。有鉴于此，本装置综合了现有反应器的优点，借鉴了煤化工、石油化工过程等的成熟技术，集成创新研发了高效、稳定的热裂解反应器。本研究集成了流态化、催化裂解、分级可控冷凝、在线分析与调控等关键技术，研发了连续稳定的进料器，高效耐用的气固分离器，高效简洁的冷凝器，开发了循环系统的高效净化技术等。研发的林木生物质定向热裂解液化微反装置突破了以往生物质热裂解反应的静态研究模式，工艺布置合理、结构紧凑、工作稳定。
