一种生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合系统及方法与流程

1.本发明涉及一种生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合系统及方法，属于油页岩及生物质资源综合利用技术领域。


背景技术：

2.油页岩是一种灰分高、燃烧热值低的黑色或棕色固体岩石，主要由无机矿物质和有机物质组成，属于可燃有机矿体。世界上已探明储量的页岩油为4000多亿吨(按油页岩原位储量计算)，远远高于世界原油探明可采储量。另外，随着对油页岩资源的进一步开发、利用，这一数字将继续增大。作为世界上为数不多的油页岩资源储量大国之一，我国油页岩的资源为7199.37亿吨，折算成页岩油的储量为476.44亿吨。由于巨大的储量，近年来油页岩作为石油的可替代能源受到广泛关注并被大量研究。
3.关于油页岩热解方面的探索最早可以追溯至1830-1870年，法国、德国、英国相继进行的油页岩热解以及燃烧利用研究。之后，伴随着第二次世界大战爆发、能源危机的出现和石油工业兴起，油页岩产业几度兴衰。现如今，由于各国高速发展从而导致的能源需求相比以往大大增加，面对日渐尖锐的石油供需矛盾，世界范围内再次兴起了对油页岩开采和利用技术的研究。对于油页岩干馏而言，如何在保证油产量的前提下，提高能源利用效率、减少污染物排放和提升干馏油品质等问题是该领域的研究重点。
4.此外，我国农作物秸秆主要以玉米秸、麦秸和稻秸为主。随着农村经济的发展，农民收入的增加，农村中商品能源的比例不断增加，煤、液化石油气等已成为其主要用能。秸秆由于体积大，能效低，首先成为被替代的对象，全国每年约有20.5％的秸秆被弃于田间，直接在田中燃烧，产生大量的co、co2、so2、nox和烟尘等污染物，严重污染了大气环境，浓烟弥漫还影响到交通和航空运输事业的安全，给人民健康和生活带来很大的影响。
5.鉴于上述问题，众多油页岩工作者们建议化工制油行业应采用集“混合热解炼油-发电-化工/材料”为一体的油页岩结合生物质的全面综合利用方法，以实现油页岩资源的高效及清洁利用和生物质废弃物的资源化利用。
6.发明专利cn201110443734.3公开了油页岩回转窑干馏与循环流化床燃烧工艺，将页岩灰作为油页岩干馏炉的热载体，使油页岩回转窑干馏与循环流化床锅炉有机结合，但期间作为热载体的页岩灰会对油页岩的干馏产物造成很强的吸附作用，从而使得页岩油产率降低。发明专利cn201410158250.8公开了将油页岩干馏和半焦气化综合利用的系统及工艺，但该工艺干馏过程中产生的气体并没有得到有效回收利用，废气对于环境的污染无法降低。发明专利cn105295982a公开了一种油页岩伴生物质多联产综合利用系统及工艺，该系统将生物质与油页岩混合干馏，结合生物质“气多油少”与油页岩“气少油多”的热解特性，以瓦斯气与半焦燃烧后作为热源对干馏炉进行加热，实现油页岩的综合利用，但问题在于生物质与油页岩热解温度有一定差异，在混合干馏过程中，容易出现二次裂解以降低热解油的品质与产量，此外，生物质半焦多空隙的特性也容易吸附热解挥发组分，从而降低热解油的产量。此外，上述专利均采用固体废弃物以及瓦斯循环实现热量回收再利用，对于废
气以及半焦的综合利用未见报道。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合系统及方法。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
9.一种生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合系统，包括生物质料仓、生物质干馏炉、生物质半焦收集仓、油页岩料仓、油页岩干馏炉、油页岩半焦收集仓、油污分离器、油污泥收集仓、循环流化床锅炉、第一换热器、蒸汽轮机、气体分离及输送装置、瓦斯罐、瓦斯燃烧室、燃气轮机、第二换热器、第三换热器和第四换热器；其中，
10.所述生物质料仓与生物质干馏炉相连，所述生物质干馏炉分别与生物质半焦收集仓和油页岩干馏炉相连，所述油页岩料仓与油页岩干馏炉相连，所述油页岩干馏炉分别与油页岩半焦收集仓和油污分离器相连，所述油污分离器与油污泥收集仓相连，所述生物质半焦收集仓、油页岩半焦收集仓和油污泥收集仓均与循环流化床锅炉相连，所述循环流化床锅炉经所述第一换热器与蒸汽轮机相连，所述气体分离及输送装置分别与油页岩干馏炉和瓦斯罐相连，所述瓦斯罐分别与瓦斯燃烧室和第二换热器相连，所述瓦斯燃烧室与燃气轮机相连，所述燃气轮机与第二换热器相连，所述第二换热器与第三换热器相连，所述第三换热器分别与瓦斯燃烧室、第四换热器和油页岩干馏炉相连，所述第四换热器分别与生物质干馏炉和油页岩干馏炉相连。
11.一种实施方案，还包括混合给料机，所述生物质半焦收集仓、油页岩半焦收集仓和油污泥收集仓均经混合给料机与循环流化床锅炉相连。
12.一种实施方案，所述气体分离及输送装置连接有有毒有害气体收集罐。
13.一种优选方案，所述有毒有害气体收集罐包括但不限于氨气罐和硫化氢罐。
14.一种实施方案，所述蒸汽轮机和燃气轮机分别连接发电装置或供热装置。
15.一种实施方案，还包括烟囱，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、蒸汽轮机均与烟囱相连。
16.一种实施方案，所述生物质干馏炉设有生物质进料口、生物质半焦出口、生物质挥发分出口，所述生物质料仓与生物质进料口相连，所述生物质半焦出口与生物质半焦收集仓相连，所述第四换热器一路与油页岩干馏炉(具体的为油页岩干馏炉的生物质挥发分进口)相连，一路与第三换热器相连，一路与生物质挥发分出口相连，剩余一路设于生物质料仓与生物质进料口之间。
17.一种实施方案，所述油页岩干馏炉设有油页岩进料口、生物质挥发分进口、油页岩半焦出口、气体产物出口、油污出口、循环瓦斯进口，所述油页岩料仓与油页岩进料口相连，所述油页岩半焦收集仓与油页岩半焦出口相连，所述油污分离器与油污出口相连，所述气体分离及输送装置与气体产物出口相连，所述生物质干馏炉(具体的为生物质干馏炉的生物质挥发分出口)经第四换热器与生物质挥发分进口相连，所述第三换热器与循环瓦斯进口相连。
18.一种生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合方法，包括如下步骤：
19.a)将干燥、粉碎后的生物质原料与油页岩原料分别放入生物质料仓和油页岩料仓
中；
20.b)生物质料仓中的生物质原料经第四换热器预热后进入生物质干馏炉中进行干馏，产生生物质挥发分和生物质半焦，产生的生物质半焦进入生物质半焦收集仓中；
21.c)油页岩料仓中的油页岩原料进入油页岩干馏炉中，步骤b)中生物质干馏炉产生的生物质挥发分经第四换热器加热后进入油页岩干馏炉中并混合油页岩进行耦合干馏，产生油页岩半焦、含有页岩油的油污和含有瓦斯的气体产物，产生的油页岩半焦进入油页岩半焦收集仓中，油污进入油污分离器中，气体产物进入气体分离及输送装置中；
22.d)油污分离器对油页岩干馏炉产生的含有页岩油的油污进行分离，分离出的油污泥进入油污泥收集仓中；
23.e)生物质半焦收集仓中的生物质半焦、油页岩半焦收集仓中的油页岩半焦和油污泥收集仓中的油污泥均被送入循环流化床锅炉中进行燃烧；
24.f)循环流化床锅炉燃烧产生的高温烟气进入第一换热器并加热第一换热器中的工质水，产生高温蒸汽进入蒸汽轮机做功；
25.g)气体分离及输送装置对油页岩干馏炉产生的含有瓦斯的气体产物进行分离，分离出的瓦斯进入瓦斯罐中，瓦斯罐中的瓦斯一部分作为循环瓦斯进入第二换热器，另一部分进入瓦斯燃烧室中进行燃烧；瓦斯燃烧室燃烧产生的高温烟气一部分经燃气轮机做功后进入第二换热器加热第二换热器中的循环瓦斯，加热后的循环瓦斯进入第三换热器中，另一部分进入第三换热器对进入第三换热器的循环瓦斯进行二级换热；第三换热器中的循环瓦斯一部分进入油页岩干馏炉中，另一部分进入第四换热器中。
26.一种实施方案，步骤e)中，生物质半焦收集仓中的生物质半焦、油页岩半焦收集仓中的油页岩半焦和油污泥收集仓中的油污泥经混合给料机混合后进入循环流化床锅炉中进行燃烧。
27.一种实施方案，步骤g)中，气体分离及输送装置对油页岩干馏炉产生的含有瓦斯的气体产物进行分离，分离出的有毒有害气体进入有毒有害气体收集罐(例如，分离出的氨气进入氨气罐中，分离出的硫化氢进入硫化氢罐中)，分离出的瓦斯进入瓦斯罐中。
28.一种实施方案，步骤g)中，第三换热器中的循环瓦斯一部分进入油页岩干馏炉中作为热源为油页岩干馏炉提供热量；第三换热器中的循环瓦斯另一部分进入第四换热器中，一方面对经过第四换热器的生物质挥发分进行保温及加热，另一方面作为载气预热生物质原料并与生物质原料混合进入生物质干馏炉中。
29.一种实施方案，还包括如下操作：第一换热器、第二换热器、第三换热器、蒸汽轮机中的烟气均流入烟囱中经烟囱排出。
30.一种实施方案，生物质原料与油页岩原料的进料质量比为1:(2～4)，以1:3为佳。
31.一种实施方案，生物质原料粒径为10～30mm(以20mm为佳)，油页岩原料的粒径为30～50mm(以40mm为佳)。
32.一种实施方案，步骤e)中，循环流化床锅炉的运行温度为850～900℃。
33.相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
34.1、将生物质干馏产生的半焦、油页岩干馏产生的半焦、油污分离器分离出的油污泥均送入循环流化床锅炉中进行燃烧，通过燃烧充分利用了生物质、油页岩干馏产生的半焦以及油泥内部的热量，然后半焦混合油泥在循环流化床锅炉燃烧产生的高温烟气经第一
换热器换热后产生高温蒸汽进入蒸汽轮机做功，以供热和发电；此外，利用生物质与油页岩干馏产生的瓦斯气作为热源和循环热载体进行干馏，并入瓦斯燃烧室对多余的瓦斯进行燃烧、做功，实现了固体半焦废弃物、油污泥和废气的资源化利用，有效减少了环境污染；
35.2、将生物质与油页岩干馏先分开后耦合，利用生物质挥发分中各类小分子自由基优化油页岩干馏过程的同时，降低生物质半焦对油页岩产物的吸附作用，实现了生物质对油页岩热解过程的定向优化调控，提升了页岩油的品质与产量；
36.3、将生物质干馏炉、油页岩干馏炉、瓦斯燃烧室与循环流化床有机结合为一体，油页岩干馏所需的热载体直接源于瓦斯燃烧室烟气加热的循环瓦斯，循环流化床锅炉的燃料源于生物质及油页岩干馏后的半焦以及油泥，实现了油页岩干馏炼油与循环流化床发电供热同步进行；
37.4、整个系统及方法对原料的适应性广，且综合利用程度高，既能用于贫矿，也可用于富矿，既可用于秸秆等农作废弃物的资源化利用，也适用于海藻等其他生物质的综合利用；
38.5、整个系统及方法油页岩干馏产油率较高，避免了固体废弃物半焦和热解气对环境的污染问题，最终实现油页岩、生物质的洁净、高效利用。
附图说明
39.图1是本发明实施例中提供的生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合系统的示意图；
40.图中标号示意如下：1、生物质料仓；2、生物质干馏炉；2-1、生物质进料口；2-2、生物质半焦出口；2-3、生物质挥发分出口；3、生物质半焦收集仓；4、油页岩料仓；5、油页岩干馏炉；5-1、油页岩进料口；5-2、生物质挥发分进口；5-3、油页岩半焦出口；5-4、气体产物出口；5-5、油污出口；5-6、循环瓦斯进口；6、油页岩半焦收集仓；7、油污分离器；8、油污泥收集仓；9、循环流化床锅炉；10、第一换热器；11、蒸汽轮机；12、气体分离及输送装置；13、瓦斯罐；14、瓦斯燃烧室；15、燃气轮机；16、第二换热器；17、第三换热器；18、第四换热器；19、混合给料机；20、氨气罐；21、硫化氢罐；22、烟囱。
具体实施方式
41.以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
42.实施例
43.如图1所示，本发明提供的一种生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合系统，包括生物质料仓1、生物质干馏炉2、生物质半焦收集仓3、油页岩料仓4、油页岩干馏炉5、油页岩半焦收集仓6、油污分离器7、油污泥收集仓8、循环流化床锅炉9、第一换热器10、蒸汽轮机11、气体分离及输送装置12、瓦斯罐13、瓦斯燃烧室14、燃气轮机15、第二换热器16、第三换热器17和第四换热器18；其中，
44.所述生物质料仓1与生物质干馏炉2相连，所述生物质干馏炉2分别与生物质半焦收集仓3和油页岩干馏炉5相连，所述油页岩料仓4与油页岩干馏炉5相连，所述油页岩干馏炉5分别与油页岩半焦收集仓6和油污分离器7相连，所述油污分离器7与油污泥收集仓8相连，所述生物质半焦收集仓3、油页岩半焦收集仓6和油污泥收集仓8均与循环流化床锅炉9
相连，所述循环流化床锅炉9经所述第一换热器10与蒸汽轮机11相连，所述气体分离及输送装置12分别与油页岩干馏炉5和瓦斯罐13相连，所述瓦斯罐13分别与瓦斯燃烧室14和第二换热器16相连，所述瓦斯燃烧室14与燃气轮机15相连，所述燃气轮机15与第二换热器16相连，所述第二换热器16与第三换热器17相连，所述第三换热器17分别与瓦斯燃烧室14、第四换热器18和油页岩干馏炉5相连，所述第四换热器18分别与生物质干馏炉2和油页岩干馏炉5相连。
45.一种生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合方法，包括如下步骤：
46.a)将干燥、粉碎后的生物质原料与油页岩原料分别放入生物质料仓1和油页岩料仓2中；
47.b)生物质料仓1中的生物质原料(包括生物质废弃物)经第四换热器18预热后进入生物质干馏炉2中进行干馏，产生生物质挥发分和生物质半焦，产生的生物质半焦进入生物质半焦收集仓3中；
48.c)油页岩料仓4中的油页岩原料进入油页岩干馏炉5中，步骤b)中生物质干馏炉2产生的生物质挥发分经第四换热器18加热后进入油页岩干馏炉5中并混合油页岩进行耦合干馏，产生油页岩半焦、含有页岩油的油污和含有瓦斯的气体产物，产生的油页岩半焦进入油页岩半焦收集仓6中，油污进入油污分离器7中，气体产物进入气体分离及输送装置12中；
49.d)油污分离器7对油页岩干馏炉5产生的含有页岩油的油污进行分离，分离出的油污泥进入油污泥收集仓8中(分离出的页岩油被储存)；
50.e)生物质半焦收集仓3中的生物质半焦、油页岩半焦收集仓6中的油页岩半焦和油污泥收集仓8中的油污泥均被送入循环流化床锅炉9中进行燃烧；
51.f)循环流化床锅炉9燃烧产生的高温烟气进入第一换热器10并加热第一换热器10中的工质水，产生高温蒸汽进入蒸汽轮机11做功(同时，燃烧产生的灰渣可作为建筑材料使用)；
52.g)气体分离及输送装置12对油页岩干馏炉5产生的含有瓦斯的气体产物进行分离，分离出的瓦斯进入瓦斯罐13中，瓦斯罐13中的瓦斯一部分作为循环瓦斯进入第二换热器16，另一部分进入瓦斯燃烧室14中进行燃烧；瓦斯燃烧室14燃烧产生的高温烟气一部分经燃气轮机15做功后进入第二换热器16加热第二换热器16中的循环瓦斯，加热后的循环瓦斯进入第三换热器17中，另一部分进入第三换热器17对进入第三换热器17的循环瓦斯进行二级换热；第三换热器17中的循环瓦斯一部分进入油页岩干馏炉5中，另一部分进入第四换热器18中。
53.此外，所述生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合系统还包括混合给料机19，所述生物质半焦收集仓3、油页岩半焦收集仓6和油污泥收集仓8均经混合给料机19与循环流化床锅炉9相连。使得步骤e)中，生物质半焦收集仓3中的生物质半焦、油页岩半焦收集仓6中的油页岩半焦和油污泥收集仓8中的油污泥经混合给料机19混合后进入循环流化床锅炉9中进行燃烧，可进一步实现半焦及油污泥的充分燃烧，可有效降低循环流化床锅炉9燃烧后的灰渣中底灰和飞灰含量。
54.此外，所述气体分离及输送装置12连接有有毒有害气体收集罐。所述有毒有害气体收集罐包括但不限于氨气罐20和硫化氢罐21。使得步骤g)中，气体分离及输送装置12对油页岩干馏炉5产生的含有瓦斯的气体产物进行分离，分离出的有毒有害气体进入有毒有
害气体收集罐(例如，分离出的氨气进入氨气罐20中，分离出的硫化氢进入硫化氢罐21中)，分离出的瓦斯进入瓦斯罐13中。然后瓦斯罐13中的瓦斯在所述系统内被循环使用，此外，分离出的氨气、硫化氢等气体也可做他用，从而实现了生物质、油页岩干馏废气的资源化利用，有效减少了环境污染。
55.所述蒸汽轮机11和燃气轮机15分别连接发电装置或供热装置(未显示)，以发电或供热。
56.此外，所述生物质废弃物挥发分催化油页岩干馏耦合系统还包括烟囱22，所述第一换热器10、第二换热器16、第三换热器17、蒸汽轮机11均与烟囱22相连。使用的时候，第一换热器10、第二换热器16、第三换热器17、蒸汽轮机11中的烟气均流入烟囱22中经烟囱22排出。实现了烟气的统一排放，以便于后处理。
57.本实施例中，所述生物质干馏炉2设有生物质进料口2-1、生物质半焦出口2-2、生物质挥发分出口2-3。
58.所述油页岩干馏炉5设有油页岩进料口5-1、生物质挥发分进口5-2、油页岩半焦出口5-3、气体产物出口5-4、油污出口5-5、循环瓦斯进口5-6。
59.所述生物质料仓1与生物质进料口2-1相连，所述生物质半焦出口2-2与生物质半焦收集仓3相连，所述第四换热器18一路与油页岩干馏炉5(具体的为油页岩干馏炉5的生物质挥发分进口5-2)相连，一路与第三换热器17相连，一路与生物质挥发分出口2-3相连，剩余一路设于生物质料仓1与生物质进料口2-1之间。
60.所述油页岩料仓4与油页岩进料口5-1相连，所述油页岩半焦收集仓6与油页岩半焦出口5-3相连，所述油污分离器7与油污出口5-5相连，所述气体分离及输送装置12与气体产物出口5-4相连，所述生物质干馏炉2(具体的为生物质干馏炉2的生物质挥发分出口2-3)经第四换热器18与生物质挥发分进口5-2相连，所述第三换热器17与循环瓦斯进口5-6相连。使得，步骤g)中，第三换热器17中的循环瓦斯一部分进入油页岩干馏炉5(具体的，经循环瓦斯进口5-6进入油页岩干馏炉5)中作为热源为油页岩干馏炉5提供热量；第三换热器17中的循环瓦斯另一部分进入第四换热器18中，一方面对经过第四换热器18的生物质挥发分进行保温及加热(具体的，生物质干馏炉2产生的生物质挥发分经生物质挥发分出口2-3离开生物质干馏炉2后进入第四换热器18中，被进入第四换热器18中的循环瓦斯进行加热保温，然后被加热保温的生物质挥发分流出第四换热器18后从生物质挥发分进口5-2进入油页岩干馏炉5中)，另一方面作为载气预热生物质原料并与生物质原料混合进入生物质干馏炉2中(具体的，第四换热器18中循环瓦斯与生物质原料共同从生物质进料口2-1进入生物质干馏炉2，在进入生物质干馏炉2之前，循环瓦斯与生物质原料混合并对生物质原料进行预热，然后预热后的生物质原料及循环瓦斯共同进入生物质干馏炉2中)。使得，本发明生物质、油页岩干馏产生的瓦斯既可以作为热源为生物质、油页岩干馏提供热量，又可以作为热载体在系统内循环，进一步实现了生物质、油页岩废气的资源化利用，有效减少了环境污染。
61.本发明中，生物质原料与油页岩原料的进料质量比为1:(2～4)，以1:3为佳。
62.本发明中，生物质原料粒径为10～30mm(以20mm为佳)，油页岩原料的粒径为30～50mm(以40mm为佳)，适用于干馏炉干馏，同时克服后续生物质及油页岩半焦进入循环流化床锅炉9燃烧过程中需要进一步破碎的问题。
63.循环流化床锅炉9的运行温度为850～900℃，以有效控制nox的生成排放，且有利于保持灰渣的活性，使得燃烧后的灰渣中底灰和飞灰含量小于2％，可以直接作为建材原料，进而通过作为建材原料制作砖块、水泥等高附加值产品以得到充分利用，从而实现了半焦、油污泥的资源化利用，且有效减少了环境污染。
64.综上所述，本发明将生物质与油页岩干馏先分开后耦合，利用生物质挥发分催化油页岩干馏过程，通过对该过程的热化学转化路径进行重构，有效提升了油页岩的干馏效率，并实现生物质废弃物的资源化利用，同时将生物质干馏炉、油页岩干馏炉与循环流化床锅炉有机结合，综合考量了资源、环境与社会经济效益，实现油页岩与生物质废弃物的科学利用。
65.最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。