一种生物质气化与油页岩热解耦合的设备与方法与流程

1.本发明涉及可再生能源领域的生物质资源化与矿产资源领域的低品位油页岩开发利用，特别是涉及一种生物质气化与油页岩热解耦合的设备与方法。


背景技术：

2.生物质是自然界唯一含碳的可再生资源，具有可再生性和低污染性等特点，可直接、间接转化为可燃气和液体燃料，作为替代能源使用。我国拥有丰富的生物质资源，在未来能源结构调整中起到重要作用，生物质气化技术是生物质的高效转化途径之一，可以很好地实现生物质资源的能源化利用。
3.近年来，针对生物质资源热化学转化的能源化利用技术开展了较多的科学研究，有成熟的固定床和流化床气化技术，固定床气化炉可燃气出口温度约500℃，流化床气化炉可燃气出口温度高于600℃，采用冷燃气的利用方式，燃气温度要降到50℃方可利用，需要对可燃气进行冷却降温处理，造成大量的热量损失。如何将这部分热量加以有效地利用，需要开展技术研究。
4.我国是世界上油页岩储量十分丰富的国家之一。我国的油页岩是一种蕴藏量十分丰富却几乎未被很好利用的矿产资源，全国油页岩资源储量为7199亿t，折合成页岩油约为476亿t，其中3.5～5％的之间的低品位油页岩资源3268亿吨，占全国油页岩资源的45％。近年来，我国油页岩产量仅有580多万吨主要产区为辽宁抚顺、吉林桦甸和广东茂名等地。
5.目前油页岩开发基本上用于热解炉制取页岩油，采用热解装置连续生产，根据油页岩的特性和实验室级别测试得到，油页岩在隔绝空气的条件下加热时，首先释放出水分而被干燥，并在120℃以前干燥完毕；当温度继续升高到150℃～170℃时，放出油页岩中吸附的气体；温度超过180℃时,油页岩中的有机质开始分解释放出水分、二氧化碳及硫化氢等气体，并形成能被有机溶剂抽提出来的沥青和初生焦油；温度在350℃～420℃时，页岩生成沥青的速度大大增加，同时，所生成的沥青也随着温度的升高而进一步裂解生成焦油、气体和半焦,固定碳残留在半焦中；干馏温度达到490℃，气量明显减少；干馏温度达到500℃，不再有产物产生。
6.参考温差和热解炉特性，在实验室中热解炉内的温度上限设定为 520℃，由电加热提供热量，可得到页岩油和瓦斯气。在工业生产中，热解所需要的热量由产生的瓦斯气燃烧提供，得到的产品主要是页岩油，而瓦斯气燃烧掉失去再利用价值。
7.本发明旨在将生物质气化制备可燃气和低品位油页岩热解产油的工艺进行耦合达到产油和高热值燃气的目的，提高了生物质和油页岩资源的转化和利用效率。通过生物质资源的矿产资源的优势结合，为低品位油页岩制油提供一种新方法，为生物质能源高效利用提供一种新的途径。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种生物质气化与油页岩热解耦合的设备与方法，以解决上
述现有技术存在的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种生物质气化与油页岩热解耦合的设备，包括：生物质气化部，所述生物质气化部连通有热解部，所述热解部连通有收集部，所述生物质气化部连通有冷却装置，所述收集部与所述冷却装置连通；
10.所述热解部包括热解炉，所述热解炉的外侧壁开设有中空的夹层，所述夹层分别与所述生物质气化部以及所述冷却装置连通，所述热解炉的内腔与所述收集部连通。
11.优选的，所述生物质气化部包括循环流化床锅炉，所述循环流化床锅炉的外侧壁上固接且连通有生物质上料机，所述循环流化床锅炉的底端连通有循环流化床风室，所述循环流化床锅炉与所述循环流化床风室之间设置有循环流化床布风板，所述循环流化床风室连通有供气机构。
12.优选的，所述供气机构包括气体缓冲器，所述气体缓冲器的出气口与所述循环流化床风室连通，所述气体缓冲器的进气口分别连通有鼓风机和氧气瓶，所述气体缓冲器与所述鼓风机之间设置有第一孔板流量计、所述气体缓冲器与所述氧气瓶之间设置有第二孔板流量计。
13.优选的，所述循环流化床锅炉的顶端出气口连通有所述夹层，所述循环流化床锅炉的顶端出气口连通有旋风除尘器，所述夹层与所述旋风除尘器连通，所述循环流化床锅炉与所述旋风除尘器之间设置有第一高温闸阀和第四孔板流量计，所述循环流化床锅炉与所述夹层之间设置有第二高温闸阀和第三孔板流量计。
14.优选的，所述热解炉的内腔连通有氮气瓶，所述热解炉的顶端固接有油页岩上料机，所述油页岩上料机与所述热解炉的内腔连通，所述热解炉的内腔底端连通有排渣装置。
15.优选的，所述收集部包括冷凝器，所述冷凝器与所述热解炉的内腔连通，所述冷凝器与所述热解炉的连接处位于所述热解炉的顶端，所述冷凝器的底端出口连通有页岩油收集装置以及所述冷却装置。
16.优选的，所述循环流化床锅炉的炉体内设置有第一保温层，所述旋风除尘器、所述生物质上料机、所述热解炉的外侧均设置有第二保温层。
17.一种生物质气化与油页岩热解耦合的方法，包括以下步骤：
18.1)向热解炉内加入低品位油页岩；
19.2)向夹层内通入高温生物质气化气；
20.3)将热解炉内的热解气通入收集部；
21.4)将收集部逸出的气体与夹层内的生物质气化气共同通入冷却装置。
22.本发明公开了以下技术效果：
23.本发明中，通过将生物质气化产生的高温生物质气化气通入到热解炉外侧壁的夹层内，使热解炉内的低品位油页岩热解，油页岩热解后的瓦斯气混合到生物质气化气中，混合气的品质提高，同时节约了油页岩传统热解方式损失的瓦斯气，提高了生物质气化气的利用效率，促进了生物质能源的开发利用；热解冷凝收集得到页岩油，成分与石油相同，提高了低品位油页岩的利用效率，开发了低品位油页岩热解制油的新途径新方式；生物质热化学与低品位油页岩热解这两种方式的结合，互补了两者的不足，节约了能源，提高了生物质资源和低品位油页岩的利用率，开发了一种新的制油制气的方法，为后续开展废旧轮胎和油页岩混合热解制油制气奠定基础。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明装置的结构示意图；
26.其中，1、鼓风机；2、氧气瓶；3、气体缓冲器；4、循环流化床风室；5、循环流化床布风板；6、生物质上料机；7、循环流化床锅炉；8、第二高温闸阀；9、第一高温闸阀；10、热解炉；11、排渣装置；12、氮气瓶；13、油页岩上料机；14、旋风除尘器；15、冷凝器； 16、页岩油收集装置；f1、第一孔板流量计；f2、第二孔板流量计； f3、第三孔板流量计；f4、第四孔板流量计。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.参照图1，本发明提供一种生物质气化与油页岩热解耦合的设备，包括：生物质气化部，生物质气化部连通有热解部，热解部连通有收集部，生物质气化部连通有冷却装置，收集部与冷却装置连通；
30.热解部包括热解炉10，热解炉10的外侧壁开设有中空的夹层，夹层分别与生物质气化部以及冷却装置连通，热解炉10的内腔与收集部连通。
31.本装置中，通过将生物质气化产生的高温生物质气化气通入热解炉10外侧壁的夹层内，利用高温生物质气化气使热解炉10内的低品位油页岩热解，一方面，低品位油页岩热解所得的瓦斯气混合到生物质气化气中，使得混合气的品质得到了提高；另一方面，节约了油页岩传统热解方式损失的瓦斯气，提高了生物质气化气的利用效率，促进了生物质能源的开发利用；热解冷凝收集得到页岩油，成分与石油相同，提高了低品位油页岩的利用效率，开发了低品位油页岩热解制油的新途径新方式；生物质热化学与低品位油页岩热解这两种方式的结合，互补了两者的不足，节约了能源，提高了生物质资源和低品位油页岩的利用率，开发了一种新的制油制气的方法，为后续开展废旧轮胎和油页岩混合热解制油制气奠定基础。其中。冷却装置为现有技术，此处不做赘述。
32.进一步优化方案，生物质气化部包括循环流化床锅炉7，循环流化床锅炉7的外侧壁上固接且连通有生物质上料机6，循环流化床锅炉7的底端连通有循环流化床风室4，循环流化床锅炉7与循环流化床风室4之间设置有循环流化床布风板5，循环流化床风室4连通有供气机构。
33.供气机构将气化剂(氧气、空气等)通入循环流化床风室4内，气化剂通过循环流化床布风板5进入循环流化床锅炉7内，循环流化床布风板5给气化剂阻力，使通过循环流化床
布风板5的气流变得更加均匀，维持流化床层的稳定性。
34.进一步优化方案，供气机构包括气体缓冲器3，气体缓冲器3的出气口与循环流化床风室4连通，气体缓冲器3的进气口分别连通有鼓风机1和氧气瓶2，气体缓冲器3与鼓风机1之间设置有第一孔板流量计f1、气体缓冲器3与氧气瓶2之间设置有第二孔板流量计f2。
35.将氧气与空气同时送入气体缓冲器3内，增加空气的含氧量，加快生物质气化的速度。
36.进一步优化方案，循环流化床锅炉7的顶端出气口连通有夹层，循环流化床锅炉7的顶端出气口连通有旋风除尘器14，夹层与旋风除尘器14连通，循环流化床锅炉7与旋风除尘器14之间设置有第一高温闸阀9和第四孔板流量计f4，循环流化床锅炉7与夹层之间设置有第二高温闸阀8和第三孔板流量计f3。
37.生物质气化气在循环流化床锅炉7的顶端排出后分为两路，一路通过第二高温闸阀8进入到热解炉10的外侧壁夹层内，生物质气化气的入口位于夹层的下方，对低品位油页岩进行热解，然后通过夹层的上方进入到旋风除尘器14内，另一路直接通入到旋风除尘器14内，两路生物质气化气在旋风除尘器14的入口处再次汇合，使得进入旋风除尘器14的气体温度高于200℃，利于旋风除尘器14除尘；
38.进一步优化方案，热解炉10的内腔连通有氮气瓶12，热解炉10 的顶端固接有油页岩上料机13，油页岩上料机13与热解炉10的内腔连通，热解炉10的底端连通有排渣装置11。
39.低品位油页岩通过油页岩上料机13送至热解炉10内，打开氮气瓶12对热解炉10内进行杂气清除，低品位油页岩热解产生的灰渣通过排渣装置11排出收集。排渣装置11为现有技术，此处不做赘述。通过第二高温闸阀8对进入夹层内的气体流量进行调控，通过第一高温闸阀9对进入旋风除尘器内的气体流量进行调控，从而控制热解炉 10的热解温度以及进入旋风除尘器14内的生物质气化气的温度。
40.进一步优化方案，收集部包括冷凝器15，冷凝器15与热解炉10 的内腔连通，冷凝器15与热解炉10的连接处位于热解炉10的顶端，冷凝器15的底端出口连通有页岩油收集装置16以及冷却装置。热解炉10内的热解气进入冷凝器15内，页岩油经冷却后变为液体进入页岩油收集装置16内，无法液化的瓦斯气进入冷却装置冷却后与生物质气化气混合。
41.进一步优化方案，循环流化床锅炉7的炉体内设置有第一保温层，旋风除尘器14、生物质上料机6、热解炉10的外侧均设置有第二保温层。第一保温层材质优选为耐火水泥，厚度优选为40mm；第二保温层材质优选为岩棉，厚度优选为40mm。
42.进一步优化方案，本装置中还设置有多个温度监控点，在图1中表示为t1-t11。
43.一种生物质气化与油页岩热解耦合的方法，包括以下步骤：
44.1)向热解炉10内加入低品位油页岩；
45.2)向夹层内通入高温生物质气化气；
46.3)将热解炉10内的热解气通入收集部；
47.4)将收集部逸出的气体与夹层内的生物质气化气共同通入冷却装置。
48.本装置采用鼓引配合，使装置内的压力维持在微负压，保证系统的安全性。
49.本装置中，生物质原料通过生物质上料机6输送至循环流化床锅炉7内，与循环流化床锅炉7内的气化剂进行气化反应，循环流化床锅炉7炉顶温度为640℃。产出的粗燃气从循环流化床锅炉7顶部一路输送至热解炉10，通过第二高温闸阀8、第一高温闸阀9调节气体
流量，保证热解炉10预热夹层入口温度为640℃，热气体通过热解炉10夹层顶部后输出与另一路通过第一高温闸阀9的气体一起进到旋风除尘器14内，热解炉10内的温度为550℃，测得旋风除尘器14 入口的温度为260℃，旋风除尘器14出口的温度为205℃，可燃气品质基本不变，气体热值约为5000/kj
·
m-3。测得热解炉10内的温度为550℃，可满足低品位油页岩进行热解实验。油页岩由油页岩上料机13输送至炉内进行热解，产生的瓦斯气进到冷凝器15内冷凝收集页岩油至收集装置16内，得到所需的页岩油和未冷凝的瓦斯气，气体品质较好，气体热值约为19000/kj
·
m-3
，测得油页岩热解气为200℃，随后冷凝后的瓦斯气和气化气混合后一起去向冷却装置，测得进入冷却装置的混合气温度为80℃。
50.以150kg/h自供热鼓泡流化床为反应装置，以木屑为原料，进行空气-富氧气化实验；以30kg/h热解炉为反应装置，低品位油页岩为原料，进行热解实验。将两种实验装置结合起来，开展实验得到的结果如下：以150kg/h自供热鼓泡流化床为反应装置，以木屑为原料，进行空气-富氧气化实验；以30kg/h热解炉为反应装置，低品位油页岩为原料，进行热解实验。将两种实验装置结合起来，开展实验得到的结果如下：
51.1、低品位油页岩实验产油率计算数据表
[0052][0053]
2、木屑气化气数据表
[0054]
[0055][0056]
3、油页岩热解瓦斯气数据表
[0057]
次数123氢气14.9615.6316.03氧气2.673.904.08甲烷11.7012.1712.51一氧化碳6.135.906.19二氧化碳27.9626.4824.76乙烯1.010.981.01乙烷4.014.014.19硫化氢0.380.420.44丙烷1.381.341.38丙烯1.711.601.67丁烷0.510.500.55丁烯0.990.890.95饱和烃17.6018.0218.63不饱和烃3.713.473.63热值/kj/m3188991929219902
[0058]
表1是低品位油页岩热解后得到的页岩油数据值，表2是木屑气化得到的气化气成分表，表3是油页岩热解的瓦斯气成分表。从表中可以看到，此实验方案可以顺利进行，木屑气化产出气可以为低品位油页岩热解提供所需的热量，得到较好的页岩油，热解瓦斯气无需燃烧为热解提供热量，瓦斯气与气化气混合被收集，得到了充分利用，并提高了气化气的品质，促进了生物质能源的高效利用，提高了低品位页岩石的热解效率，为页岩石热解提供了一种新方法。
[0059]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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的限制。
[0060]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。