生物质与低阶煤分离耦合传热板和低品位铁矿石共热解系统的制作方法

本发明涉及可再生能源
技术领域：
，具体是一种生物质与低阶煤分离耦合传热板和低品位铁矿石共热解系统。
背景技术：
：热解是一种能源清洁利用的方式，在生物质与低阶煤中都有应用，能产生大量的油气资源，补充到油气供应网路中。但是生物质资源较高的h/c和碱金属含量，使生物质热解的油气存在能量密度低和腐蚀性强等缺点，而低阶煤则含有较低的h/c使产生焦油含有较高的重质组分和灰分，往往容易堵塞下游管路。基于生物质与低阶煤各自的h/c特点，以及在大量热解研究中的碱金属对煤热解的催化作用，认为可以将生物质作为一种氢源与催化剂参与低阶煤的热解，反之亦可将低阶煤作为一种碳源参与生物质的热解，即两者共热解得到的焦油、热解气的油气产率和品质高于两者单独热解后的计算值。理论上生物质与低阶煤共热解既能克服二者单独热解存在的缺陷，产生大量优质的油气资源，又能减少部分化石燃料的使用，降低co2、so2和nox的排放量。但是生物质与低阶煤在结构上的差异过大，例如生物质主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成并通过醚键r-o-r和c-c键等弱键连接，而低阶煤则可分为镜质组、壳质组和惰质组等组分并通过c＝c键等强键连接成，因此同等质量的生物质所需的热解温度和热解反应时间远远小于低阶煤的，即两者的热解温度区间不重合或不相交。而生物质与低阶煤之间的热解温度区间不重合或不相交是造成两者共热解时不发生协同作用甚至发生抑制作用的主要原因。现有的间接热解工艺存在加热速率慢温度场分布不均匀，使反应物在热解加热过程中传热的相对差异也会对热解油气的品质产生影响。另外随着工业的发展，低品位铁矿石在我国的占比越来越高，其利用的成本也随之增长。而低品位铁矿石作为一种廉价的催化剂，在降低热解焦油重质组分和提高热解油气品质方面有十分显著的效果。因此可将铁矿石作为一种非原位催化剂，应用于生物质与低阶煤共热解，在进一步提高两者共热解油气的质量得同时，使生物质与低阶煤的共热解气氛中还原性组分将铁矿石还原，将能源再生与炼铁工业这两个原本独立的工业生产耦合在一起，从而产生相互利用和相互促进的作用，获得高品质的油气和钢铁资源的三重效益。技术实现要素：针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种生物质与低阶煤和低品位铁矿石共热解系统及热解方法。本发明所选用的生物质为稻秆，低阶煤为烟煤，低品位铁矿石为赤铁矿；表1为生物质与低阶煤的工业分析与元素分析：表2为低品位铁矿石主要成分(单位：wt％)：tfesio2al2o3caomgops赤铁矿64.664.341.80.0110.0820.020.00091本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种生物质与低阶煤和低品位铁矿石共热解系统，组成构件包括载气供应系统、热解系统和热解产物分离系统，组成构件的具体结构和连接关系为：所述的载气供应系统由气瓶、安全阀、气体流量计和三通阀组成，所述安全阀一端与气瓶连接，另一端与气体流量计连接，三通阀一端与气体流量计连接，三通阀通过导气管分别与生物质料仓、低阶煤料仓和铁矿石料仓相连接；所述热解系统包括电机、生物质料仓、胶带输送机、低阶煤料仓、红外加热炉、热解碳化炉、金属传热板、铁矿石区和铁矿石料仓，所述电机与胶带输送机连接，生物质料仓、低阶煤料仓和铁矿石料仓三者在同一水平面上，热解碳化炉上方分别与生物质料仓、红外加热炉和折流板除尘器连接，热解碳化炉下方通过出料阀与水冷熄焦箱连接，铁矿石区与铁矿石料仓相连接，通过电机驱动胶带输送机将生物质料仓中的生物质输送到红外加热炉中加热；所述热解产物分离系统包括折流板除尘器、压力表、冷凝器、出料阀、水冷熄焦箱、焦油保温装置、洗气装置、真空泵、湿式流量计和在线色谱仪，所述折流板除尘器的左下端进气口与热解碳化炉的右上端出气口相连，压力表设在折流板除尘器和冷凝器之间，出料阀安装在热解碳化炉和水冷熄焦箱之间，水冷熄焦箱的左上端进料口与热解碳化炉右下端出料口相连，水冷熄焦箱的右上端出水口与焦油保温装置左端进水口相通，焦油保温装置与洗气装置连接，洗气装置与真空泵连接，真空泵与湿式流量计连接，在线色谱仪位于热解产物分离系统的尾端，在线色谱仪实时分析生物质与低阶煤共热解气体产物的成分。所述热解碳化炉与水平面成一定夹角，夹角为10°。所述金属传热板交叉布置在热解碳化炉中，材质为304不锈钢。所述隔离板材质为304不锈钢，上有布置均匀的小孔。所述水冷熄焦箱分为左右两部分，左部为焦，右部为铁。所述红外加热炉周围布置有红外加热管，红外加热炉底部设有烧结板，生物质置于烧结板上。所述热解碳化炉周围布置有电炉，热解碳化炉内设有金属传热板和隔离板，热解碳化炉底部设有铁出料口和焦出料口，热解碳化炉上部设有铁矿石进料口。所述的生物质与低阶煤和低品位铁矿石共热解系统的热解方法，包括如下步骤：(1)原料预处理：生物质、低阶煤和低品位铁矿石的质量比例为2：2：1，三者分别研磨破碎至40目以下，并在110℃烘干2h；(2)系统装置预处理：将步骤(1)中得到的三种原料分别放入生物质料仓、低阶煤料仓和铁矿石料仓中，先打开两个安全阀，再打开安全阀，并调整安全阀，使用载气以一定流速在整个系统中流动一段时间，所述载气为氮气，载气速率为400ml/min，持续时间10min；用肥皂水检查各个零部件接口的气密性，启动电机、红外加热炉和热解碳化炉，使胶带输送机保持匀速运转，使红外加热炉和热解碳化炉升温至预设温度，所述红加热炉能的预设温度为420℃，所述热解碳化炉的预设温度为600℃；(3)调整安全阀改变载气流速，调整两个三通阀，关闭通往低阶煤料仓和铁矿石料仓的气路，只开启通往生物质料仓的气路，所述载气速率为100ml/min，用于将热解产生的挥发分吹出；先开启铁矿石料仓将铁矿石下放至热解碳化炉右侧的铁矿石区，再打开生物质料仓出料口，所述生物质料仓的出料速度为1kg/h，大于胶带输送机的输料速度0.8kg/h，待生物质料仓1/4的生物质进入红外加热炉后，开启低阶煤料仓的出料口将低阶煤下放至热解碳化炉左侧；所述红外加热炉能在短时间内使生物质升温至400℃，并产生大量含有h元素和碱金属的热解气氛被载气吹入热解碳化炉中，参与低阶煤的热解，所述生物质在红外加热炉中的烧结板上发生热解反应，所述红外加热炉反应先于热解碳化炉，所述热解碳化炉与水平面成10°，便于低阶煤与铁矿石向下滑动，所述热解碳化炉中内置金属传热板，金属传热板材质为304不锈钢，能使低阶煤的温度分布更加均匀，降低局部裂解对热解油气品质的影响，所述热解碳化炉被一块隔离板分为左右两部分，左部为低阶煤热解区，右部为铁矿石区，铁矿石区的铁矿石可作为非原位催化剂将生物质与共热解的气氛提质并被其还原；(4)载气将步骤(3)中最后得到的热解气氛吹入热解产物分离系统中，经过气固分离、冷凝和洗气等一系列加工处理最终得到焦油和热解气，打开安全阀将固体产物下放水冷熄焦箱中，回收固体产物；所述气固分离用折流板除尘器，能阻挡≥10μm的粉尘颗粒，所述冷凝使用冷凝器，冷凝温度为-30℃，所述洗气用洗气装置，用于除去热解气中完全冷凝的焦油与水；热解过程中通过真空泵维持压力稳定，并压力表观察压力变化，所述湿式流量计用于计量生成的热解气体积，所述在线色谱仪用于实时监测和分析热解气组分变化，所述水冷熄焦箱的水槽与焦油保温装置的相连。本发明的有益效果：1.生物质的热解最宜温度远低于低阶煤的，因此将两者分别置于红外与电热两段式反应炉中进行热解反应，使生物质的热解气氛于低阶煤共热解，能充分发挥出各自最大的挥发分并减少因两者结构和组成差异对共热解协同性的影响，生物质热解产生的热解气氛中含有大量的h元素和碱金属，可作为氢源和催化剂参与煤的热解，产生大量高品质的油气资源，并降低化石燃料的使用量和温室气体的排放。2.热解碳化炉在共热解前，可根据需要将温度升温至400～700℃，使低阶煤、铁矿石迅速升温反应，金属传热板能使热解炭化炉中的温度分布更均匀，抑制热解产物局部发生严重的二次反应，从而有效提高焦油和热解气产率和品质，炉中隔离板能有效隔离低阶煤与铁矿石，实现低品位铁矿石的非原位催化效果。3.低品位铁矿石可作为非原位催化剂对生物质与低阶煤共热解的油气进一步提质，并被共热解气氛中的还原性组分还原，将能源再生行业与金属冶炼工业相结合，使低品位铁矿石得到充分利用。4.水冷熄焦箱与焦油保温装置相通能实现热量的梯级利用和水资源的循环利用，折流板除尘器的能有效减少油气中的含尘量。5.热解碳化炉中的传热金属板能使煤升温速率更快、更均匀，减少局部二次反应对热解油气质量的影响，炉中还含有低品位铁矿石可作为非原位催化剂能进一步提高共热解油气的品质，也可被热解气氛还原得到额外的钢铁资源。热解系统产生的气液固三相产物通过热解产物分离系统净化、分别收集，并通过气相色谱实时分析气体成分。水冷熄焦箱与焦油保温装置相通，能使热量的有效利用。附图说明图1为本发明所述的生物质与低阶煤和低品位铁矿石共热解系统的工艺流程示意图。图2为本发明所述的生物质与低阶煤和低品位铁矿石共热解系统的红外加热炉结构示意图。图3为本发明所述的生物质与低阶煤和低品位铁矿石共热解系统的热解碳化炉结构示意图。图1中标记为：载气供应系统1、热解系统2、热解产物分离系统3、气瓶101、安全阀102、气体流量计103、三通阀104、电机201、生物质料仓202、胶带输送机203、低阶煤料仓204、红外加热炉205、热解碳化炉206、金属传热板207、铁矿石区208、铁矿石料仓209、折流板除尘器301、压力表302、冷凝器303、出料阀304、水冷熄焦箱305、焦油保温装置306、洗气装置307、真空泵308、湿式流量计309、线色谱仪310。图2中标记为：红外加热管401、生物质402、烧结板403。图3中标记为：电炉501、金属传热板502、铁矿石进料口503、铁出料口504、焦出料口505、隔离板506。具体实施方式下面将结合本附图，对本发明所涉及的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述内容的仅仅是本发明的一部分，而不是全部。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“左上”、“左下”、“右上”、、“右下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。实施例1如图1所示，本发明所述的生物质与低阶煤和低品位铁矿石共热解系统，包括载气供应系统1、热解系统2和热解产物分离系统3。所述的载气供应系统1由气瓶101、安全阀102、气体流量计103和三通阀104组成，所述安全阀102一端与气瓶101连接，另一端与气体流量计103连接，一端与气体流量计103连接，三通阀104数目为2，通过3根导气管分别与生物质料仓202、低阶煤料仓204和铁矿石料仓209相连接。所述载气供应系统1的功能为排除系统中的空气，以及将红外加热炉205中的生物质气氛吹入热解碳化炉206和将热解碳化炉206中的共热解气氛吹入热解产物分离系统3，所述载气为氮气，用于去除系统中的空气时，载气速率为400ml/min，持续时间10min，两个三通阀104齐开。用于吹出热解挥发分时，载气速率为100ml/min，关闭低阶煤料仓204和铁矿石料仓209相连接的气路，只开启与生物质料仓202相通的气路。所述热解系统2由电机201、低阶煤料仓202、胶带输送机203、生物质料仓204、红外加热炉205、热解碳化炉206、金属传热板207、铁矿石区208和铁矿石料仓209组成，所述生物质料仓202、低阶煤料仓204与铁矿石料仓在同一水平面，所述生物质料仓202位于胶带输送机203的左端，所述电机201驱动胶带输送机203将生物质料仓202中的生物质运至高处的红外加热炉205中，所述红外加热炉205能在短时间内使生物质升温至400℃，产生大量含有h元素和碱金属的热解气氛并参与低阶煤的热解，发生明显的协同作用，所述红外加热炉205反应先于热解碳化炉206，所述热解碳化炉206与水平面成10°，便于低阶煤与铁矿石向下滑动，所述热解碳化炉206中内置金属传热板207，金属传热板207材质为304不锈钢，能使低阶煤的温度分布更加均匀，降低局部裂解对热解油气品质的影响，所述热解碳化炉206被一块隔离板505分为左右两部分，左部为低阶煤热解区，右部为铁矿石区208，所述铁矿石区208直接铁矿石料仓209相连，铁矿石区208的铁矿石可作为非原位催化剂将生物质与共热解的气氛提质并被其还原性组分还原，所述热解碳化炉206通过实现电炉501加热升温，所述热解炭化炉206在热解开始前以升温至600℃。所述热解产物分离系统3由折流板除尘器301、压力表302、冷凝器303、出料阀304、水冷熄焦箱305、焦油保温装置306、洗气装置307、真空泵308、湿式流量计309和在线色谱仪310组成，所述折流板除尘器301的左下端进气口与热解碳化炉206的右上端出气口相连，所述压力表302在折流板除尘器301和冷凝器303之间，所述水冷熄焦箱305的左上端进料口与热解碳化炉206右下端出料口相连，所述水冷熄焦箱305分为左右两部分，左部为焦并与热解碳化炉206的左部热解区相连，右部为铁并与热解碳化炉206的右部铁矿石区208相连，所述出料阀304控制焦和还原铁的出料，所述在线色谱仪310位于热解产物分离系统3的尾端，用于实时分析生物质与低阶煤共热解气体产物的组成。所述红外加热炉205周围布置有红外加热管401，红外加热炉205底部设有烧结板403，生物质402置于烧结板403上。所述热解碳化炉206周围布置有电炉501，热解碳化炉206内设有金属传热板207和隔离板505，热解碳化炉206底部设有铁出料口503和焦出料口504，热解碳化炉206上部设有铁矿石进料口502。实施例2本发明所述的生物质与低阶煤和低品位铁矿石共热解系统的热解方法的应用实例，包括如下步骤：(1)原料预处理：生物质、低阶煤和低品位铁矿石的质量比例为2：2：1，即三者的取量分别10g、10g、5g，再分别研磨破碎至40目以下，并在110℃烘干2h；(2)系统装置预处理：将(1)中得到的三种原料分别放入生物质料仓202、低阶煤料仓204和铁矿石料仓209中，先打开两个三通阀104，再打开安全阀102，并调整安全阀102，使用载气以一定流速在整个系统中流动一段时间，所述载气为氮气，载气速率为400ml/min，持续时间10min；用肥皂水检查各个零部件接口的气密性，启动电机201、红外加热炉205和热解碳化炉206，使胶带输送机203保持匀速运转，使红外加热炉205和热解碳化炉206升温至预设温度，所述红加热炉205能的预设温度为420℃，所述热解碳化炉206的预设温度为600℃；(3)调整安全阀102改变载气流速，调整两个三通阀102，关闭通往低阶煤料仓204和铁矿石料仓209的气路，只开启通往生物质料仓202的气路，所述载气速率为100ml/min，用于将热解产生的挥发分吹出；先开启铁矿石料仓209出料口将铁矿石下放至热解碳化炉206右侧的铁矿石区208，再打开生物质料仓202出料口，所述生物质料仓202的出料速度为1kg/h，大于胶带输送机203的输料速度的0.8kg/h，待生物质料仓202中约1/4的生物质进入红外加热炉205后，开启低阶煤料仓204的出料口将低阶煤下放至热解碳206化炉左侧；(4)载气将(3)中最后得到的热解气氛吹入热解产物分离系统3中，经过气固分离、冷凝和洗气等一系列加工处理后得到焦油和热解气，打开出料阀304将固体产物下放水冷熄焦箱305中，回收固体产物；所述气固分离用折流板除尘器301，能阻挡≥10μm的粉尘颗粒，所述冷凝使用冷凝器303，冷凝温度为-30℃，所述洗气用洗气装置307，用于除去热解气中完全冷凝的焦油与水；热解过程中通过真空泵308维持压力稳定，并压力表302观察压力变化，所述湿式流量计309用于计量生成的热解气体积，所述在线色谱仪310用于实时监测和分析热解气组分变化，所述水冷熄焦箱305的水槽与焦油保温装置306的相连。表3为实施例2与空白实验的热解产物及对比：固体产率液体产率气体产率空白实验22.2％18.5％59.3％实施例219.1％18.2％62.7％从表3的结果显示，实施例2对比空白实验，固体产率降低13.9％，液体产率降低1.6％，气体产率提高5.7％，所述实验结果为3次实验后的平均值。工作原理：实验前，打开载气供应系统1的气瓶101，开启三通阀104，使通往生物质料仓202、低阶煤料仓204和铁矿石料仓209的气路开通，在安全阀102和气体流量计103的控制下，使氮气以400ml/min的速率通气10min，以便将整个系统中的空气全部排除干净，启动电机201使胶带输送机203开始运转，打开红外加热炉205升温至420℃，打开热解炭化炉206，并将热解碳化炉206的温度升至600℃。实验时，调整两个三通阀104，只开启与生物质料仓202相同的气路，关闭其他气路，旋转安全阀102，使载气以100℃/min的速率运行，打开生物质料仓202的阀门，使生物质颗粒在胶带输送机203的作用下运送至高出的红外加热炉205中进行热解反应，再打开低阶煤料仓204的阀门，使低阶煤流入热解碳化炉206中进行热解，热解碳化炉206中的金属传热板207能使低阶煤快速、均匀升温至预设热解温度，减少局部裂解对共热解油气品质的影响，热解碳化炉206中热解气氛被载气吹入铁矿石区208，在铁矿石区208发生还原裂解反应，得到提质的油气资源和还原的铁，被提质的热解气氛随后进入热解产物分离系统3，热解产物分离系统3的折流板除尘器301中，与气体产物被吹起的还有小颗粒粉尘，折流板除尘器301将小颗粒粉尘拦截并流回热解碳化炉206，气体产物在折流板除尘器301中发生气固分离，随后进入冷凝器303中发生气液分离，在低温下，气体产物中的焦油与水被冷凝流入焦油保温装置306中，未冷凝的热解气继续向后流动，热解气在洗气装置307洗去未完全冷凝的焦油与水，并被干燥，真空泵308用于维持压力表302的常压，湿式流量计309用于计量生成的热解气体积，在线色谱仪310用于实时监测和分析热解气组分变化。热解碳化炉206中生物质与低阶煤混合物共热解到一定程度后，打开出料阀304，使热解碳化炉206中焦、灰分和还原铁下放至水冷熄焦箱305中，打开水源使冷水缓慢上升至水冷熄焦箱305外壁上层，降低水冷熄焦箱305的温度，流经水冷熄焦箱305的水可继续流向焦油保温装置306用于保温加热，因此可以在实验开始前，还可用石英砂代替生物质与低阶煤混合料下放至热解碳化炉206中，使水冷熄焦箱305提前加热焦油保温装置306中的水。尽管参照上述描述对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对上述描述所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12