[发明专利]生物质梯度热解、分步收集制备燃料和化学品的装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质原料高值利用领域，特别涉及生物质梯度热解、分步收集制备燃料和化学品的装置和方法。

背景技术

生物质指所有通过光合作用将太阳能和二氧化碳转化而形成的有机物质，或光合产物间接形成的动物物质及其代谢物。包括植物、动物、微生物及其衍生出来的物质。生物质可转化成人类所需的能源、材料、化学品，但目前人类只利用了生物质的小部分只要是粮食和木材等，大部分生物质被废弃或低值使用，在人类资源、能源危机和日益严峻的环境污染问题的今天，生物质的高值化利用对于实现人类社会的可持续发展具有举足轻重的作用。必须利用可再生的生物质资源取代石油资源，生产人类所需的能源、材料、化学品和其他物品。生物基产品的不断开发和生产对于减少对化石资源的依赖性以及改善人类的生存环境和生活质量具有重要的意义。

热解是生物质原料转化的方式之一，是在完全无氧或含氧极少因而氧化反应极为有限的情况下的热降解反应，是较具前景和较为经济将生物质转化为液体产品的技术。生物质的热解是复杂的化学过程，包含分子键断裂、异构化和小分子的聚合等反应。通过裂解生物质中的碳氢化合物都可转化为能源形式，生物质热解后形成三种产物：液体(生物油)，固体(焦炭)，气体(可燃气)。一般研究者将注意力集中在生物油的生产和利用上。生物质的组成，所采用的热解技术和热解反应参数(温度、传热速率、压力、停留时间等)决定了热解产物的组成和比例。

生物质组分复杂，主要包括纤维素、半纤维素、木质素、油脂、蛋白、淀粉等，目前生物热解的方式主要是各组分在相同的温度下热解，产生成分复杂的产物，对于后续的分离、精制和利用造成巨大的挑战，其产业化进程非常缓慢，目前热解产生的生物油不能用作车用燃料，热解油中的化合物由于组分复杂而难以分离。事实上生物质不同组分的热稳定性差异较大，热解产生的物质也不相同，利用这些特性，本发明提供一种生物质梯度热解、分步收集制备燃料和化学品的装置和方法。梯度热解是生物质在温度梯度上升的条件下热解，根据生物质原料的特性设置多个温度梯度和各个温度的保留时间，如180℃保留4min，280℃保留10min，500℃保留15min等，让生物质热稳定性差异的各组分在不同的温度下分别热降解。分步收集是利用多个液体收集瓶，分步收集不同热解阶段产生的产物，对热解产物进行了初分离，避免了热解产物完全混合在一起、组分复杂难以分离的问题。

发明内容

【本发明的目的】本发明的目的是针对复杂生物质热解产生的热解油组分复杂难以利用的问题，提供一种生物质梯度热解、分步收集制备燃料和化学品的装置和方法。

【技术方案】本发明针对生物质传统热解方法产生的热解油组分复杂难以利用的问题，提出了生物质梯度热解、分步收集制备燃料和化学品技术方案，包括相应的装置和方法。

首先提供了一种生物质梯度热解、分步收集制备燃料和化学品的装置。该装置由固定床热解反应器(1)、列管式冷凝器(8)、液体收集瓶(11)、二级冷凝系统(12)、和真空泵系统组成，固定床热解反应器(1)由电加热系统(111)供热，通过温控仪(3)和热电耦(112)控制热解温度，由法兰(113)密封，反应器内部有丝网筐(2)用于装载热解物料、底部接有氮气保护系统，包括氮气瓶(7)、流量计(6)、进气阀(5)和氮气预热装置(4)，列管式冷凝器(8)冷却的液体通过一级冷凝管(18)进入液体收集瓶(11)，二级冷凝管(19)与二级冷凝系统(12)相连，一级冷凝管(18)和二级冷凝管(19)分别配有一级冷凝阀(9)和二级冷凝阀(10)，二级冷凝系统(12)浸泡在冰水(13)中，真空抽气系统包括真空泵(17)、真空表(16)、和干燥器(15)。

其中丝网筐为不锈钢材质，用于装载热解物料，网的孔径为0.1mm-5mm，装载热解物料后放入反应器，其直径比反应器内径小5-10mm，高度是反应器的三分之一至十分之一，多个热解筐层积在热解反应器内，避免热解物料堆积过紧导致热解不均一的问题，同时保证了热解气体的顺利排出。

为了方便液体收集瓶的更换，达到分步收集的目的，设计了一级冷凝管(18)通过分叉与A号位和B号位2个液体收集瓶(11)相连，液体收集瓶用胶塞(14)密闭，胶塞(14)上插有一级冷凝管(18)和二级冷凝管(19)使液体收集瓶(11)与二级冷凝系统(12)连通。