生物质热解气多级喷雾分级冷凝装置

本发明涉及生物质处理利用领域，具体涉及一种生物质热解气多级喷雾分级冷凝装置。

背景技术：

1、生物质能是除化石能源外的第四大能源，也是自然界中唯一的碳可再生资源，具有产量高、分布广等特点，其高效利用对于“双碳”目标的实现具有重大作用。传统的生物质直燃技术由于将生物质完全燃烧转化为二氧化碳而回归自然，没有降碳效果，不符合目前碳减排国策，且焚烧容易产生nox、sox等多种污染物，也不符合绿色环保要求。生物质快速热解制油技术通过在无氧或缺氧条件下使生物质受热分解转化为油、气、炭产品，解决了生物质能量密度低，不利于存储、运输、利用的缺点，是目前极具潜力的一种利用技术。然而常规热解技术获得的生物油具有水分高、热值低、成分复杂等不足，使得其与化石能源产品相比缺乏竞争性，难以进行高效利用。为此，有学者提出通过生物质热解气分级冷凝技术，使生物油组分在不同冷凝温度下回收，实现不同沸点组分在不同阶段富集，从而降低生物油复杂性，提高生物油品质。

2、中国专利申请201810390434.5提出了一种生物质热解气分级冷凝工艺及其装置，通过利用冷激气与热解气直接混合实现快速降温，但该方法存在冷激气热容量低、用量大，大量的冷激气会稀释热解气中的可冷凝组分，不利于可冷凝组分的冷凝收集。中国专利申请201811542042.2提出了一种一体式生物质热解分级冷凝装置，但是该装置设计了大量复杂的内构件，特别是设置了旋转内构件，而生物油极易粘附壁面，使该部件运行不畅，不利于加工维修。中国专利申请202110417172.9提出了一种热解耦合分级冷凝制备生物油的系统和方法，该装置通过设计多级间接换热器从而获得不同品质生物油，然而生物油的粘性大，冷凝过程容易粘附在冷凝器壁面，形成污垢，阻碍传热，使得该冷凝器容易出现传热恶化而失效。为此，有必要开发更高效稳定的生物质热解气分级冷凝装置。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点和不足，本发明提供一种高效稳定的生物质热解气多级喷雾分级冷凝装置。

3、(二)技术方案

4、为了达到上述目的，本发明的生物质热解气多级喷雾分级冷凝装置包括：

5、第一喷淋器，所述第一喷淋器包括气体冷却筒、气液分离筒和集油管；所述气体冷却筒的上端侧壁与第一热解气入口管相连，所述第一热解气入口管的下表面设有第一冷却液入口，所述第一冷却液入口内设第一冷却液喷淋管；所述气体冷却筒的下端对接所述气液分离筒，所述气液分离筒的下端对接所述集油管，所述气体冷却筒上端还设有同轴相连的第一气体出口管；

6、第二喷淋器，所述第二喷淋器包括喷淋筒和收缩筒；所述喷淋筒的底部侧壁设有第二热解气入口管，所述第二热解气入口管与所述第一气体出口管相连，所述喷淋筒的上部间隔设有多组第二冷却液入口，所述第二冷却液入口内设带雾化喷嘴的第二冷却液喷淋管，所述喷淋筒的上端设有所述收缩筒，所述收缩筒的上端设有第二气体出口管；

7、第三喷淋器，所述第三喷淋器包括圆筒状的喷淋塔和气体汇流管；所述喷淋塔的底部设有第三热解气入口管，所述第三热解气入口管与所述第二气体出口管相连，所述喷淋塔的上部间隔设有多组第三冷却液入口，所述第三冷却液入口内设第三冷却液喷淋管，所述喷淋塔内设填料支撑栅板，所述喷淋塔的上端对接气体汇流管，所述气体汇流管的上端连接第三气体出口管；

8、其中，所述生物质热解气多级喷雾分级冷凝装置还包括连接于所述集油管下端的第一集油箱、连接于所述喷淋筒下端的第二集油箱以及连接于所述喷淋塔下端的第三集油箱。

9、可选地，所述第一集油箱、所述第二集油箱和所述第三集油箱均为箱式结构；

10、所述第一集油箱设有生物油入口、集油箱检修口、放油组件、排油口和温压检测口，所述生物油入口与所述集油管的下端相连，所述集油箱检修口布置于所述第一集油箱的靠近底部的位置，所述第一集油箱的中部设置所述放油组件，所述排油口布置于所述第一集油箱的底部，所述第一集油箱的上方还设有至少两个所述温压检测口分别用于检测温度和压力，所述第一集油箱还设有液位计。

11、可选地，所述放油组件包括手动阀、密封管、排污阀、放油管，所述手动阀一端连接至所述第一集油箱且另一端与所述密封管相连，所述密封管为u形管结构，所述密封管的u形底部设有所述排污阀，所述密封管的另一端连接至所述放油管，所述放油管为倒u形结构。

12、可选地，多根所述第二冷却液喷淋管均连接至第二冷却液喷淋总管；

13、所述第二集油箱背面设有第一喷淋液出口，并且所述第一喷淋液出口依次连接第一过滤器、第一调节阀和第一循环泵，所述第一循环泵的出口通过管道连接至第一换热器，所述第一换热器的出口通过管道分别连通至所述第一冷却液喷淋管和所述第二冷却液喷淋总管。

14、可选地，多根所述第三冷却液喷淋管均连接至第三冷却液喷淋总管；

15、所述第三集油箱背面设有第二喷淋液出口，并且所述第二喷淋液出口依次连接第二过滤器、第二调节阀和第二循环泵，所述第二循环泵的出口通过管道连接至第二换热器，所述第二换热器的出口通过管道连通至所述第三冷却液喷淋总管。

16、可选地，所述气体冷却筒的内表面设有多组均匀分布的冷凝液汇流凹槽。

17、可选地，所述第一喷淋器内部还设有多个压力检测口和多个温度检测口；所述压力检测口至少包括依次相连水平段、过渡段和垂直段，所述水平段的长度不小于100mm。

18、可选地，所述第二冷却液喷淋管延伸至超过所述喷淋筒的内部中轴线，且在所述喷淋筒的中轴线处设有所述雾化喷嘴；

19、所述第三冷却液喷淋管延伸至超过所述喷淋塔的内部中轴线。

20、可选地，所述第二热解气入口管的上方还设有自由端朝下倾斜的导流板，所述导流板与所述喷淋筒的壁面之间形成预定倾角；

21、和/或，所述第三气体出口管上设有气体除雾器。

22、可选地，所述填料支撑栅板包括外框架、支撑杆、固定板和螺栓组件，所述外框架为圆周结构且直径小于所述喷淋塔的内径，所述支撑杆为纵横交错彼此相连的杆状结构且所述支撑杆的端部连接至所述外框架，所述支撑杆的端部以及所述喷淋塔的对应位置设有若干所述固定板，所述支撑杆上的所述固定板与所述喷淋塔上对应的所述固定板通过所述螺栓组件连接。

23、(三)有益效果

24、上述生物质热解气分级冷凝装置通过三级喷雾冷凝方式实现生物质热解气快速冷凝降温，其一是气液直接接触换热、冷却速率快、冷凝效率高，可以有效减小热解气高温停留时间，防止热解气二次分解，提高生物油的收率；其二是喷雾混匀，气液混合效果好，可以实现热解气的均匀降温，防止热解气局部高温或低温现象，分级冷凝控温效果好，生物油不同组分的富集效果好，生物油品质佳；其三是气液直接接触换热，可以避免出现生物油粘附换热器壁面而导致的结垢和换热效果恶化，整体换热效果稳定，系统运行稳定。

25、上述技术方案还有以下有益效果：

26、1、精巧设计了类旋风分离器结构的第一喷淋器，有效实现了生物质热解气中高沸点组分的高效收集。一般而言，生物质热解气的高沸点组分含量较低且冷凝后的生物油粘性较大，这会导致冷凝后的高沸点组分冷凝时极易形成微小液滴甚至气溶胶而难以被高温冷凝器捕获收集，而旋风结构利用气液之间的离心力不同，将冷凝形成微小液滴甩至冷凝器壁面，从而被壁面捕获收集。此外，第一喷淋器还设有均匀分布的冷凝液汇流凹槽，防止冷凝液大量附着在冷凝器的壁面而不利于冷凝液收集捕获，实现生物质高沸点组分的最大化分离收集。

27、2、第二喷淋器精巧设计为空筒喷雾形式，有效实现生物质热解气中的轻质组分的高效收集捕获。通常而言，生物质热解气中的轻质组分含量较高且相变潜热较大，特别是生物质热解气中含有大量的水蒸气，冷凝需要的换热量极大，因此需要大量的冷凝液进行喷淋。第二冷凝器设计为空筒，可以提供最大化的气液接触空间，强化气液混合效果，有利于气液之间的充分换热，从而实现生物质热解气中的轻质组分的高效分离富集和捕获。

28、3、第三喷淋器精巧设计为填料塔形式，最大化实现生物质热解气可冷凝组分的分离收集，最大化实现了生物油的高效回收。生物质热解气经前两级的冷凝后，可冷凝组分蒸汽分压极低，普通方式很难实现其高效冷凝收集，同时生物质热解气中的气溶胶组分一般也难以被冷凝器壁面捕获收集。而第三喷淋器通过装入填料，辅助大量喷入冷凝液，冷凝液在填料表面形成液膜，增大了气液接触面积，实现气液之间高效传热传质，最大化实现生物质热解气中的可冷凝组分回收，同时液膜也可以不断溶解捕获气溶胶，从而实现生物油的最大化回收。此外，第三喷淋器的出口还设置了气体除雾器，防止喷入的冷凝液雾化液滴被不凝气带出，造成损失。

29、4、精巧设计了压力检测口，通过压力检测口设计水平段和垂直段使得冷凝液不会聚集于取压管内而堵塞管道，从而避免压力检测失效。

30、5、巧妙利用第二集油箱收集的生物油同时作为第一喷淋器和第二喷淋器的冷却介质，其一是避免使用第一集油箱收集的生物油作为第一喷淋器的冷却介质，避免第一喷淋箱收集的高沸点组分由于粘性大所需的动力消耗高而易于堵塞喷嘴；其二是第二集油箱收集的生物油循环喷入第一喷淋器，而第一喷淋器的冷凝温度较高，这使得冷凝液中的轻质组分在第一喷淋器气化进入气相，重质组分则被第一喷淋器捕获，从而实现轻重质组分的再分离，提高了轻重质组分的分离收集效率。

31、6、巧妙设计了放油组件，实现了装置连续运行时的无动力取油。通过设计u形密封管联合倒u形放油管，放油管的液面位置较高，放油时可以产生虹吸效应，从而实现源源不断放油，同时u形管左右两端液体形成密封，隔绝集油箱的内外气氛，从而确保取油过程的分级冷凝系统的安全稳定运行。