一种快速、规模化生产生物燃料方法 所属技术领域
《一种快速、规模化生产生物燃料的方法》，涉及到一种能够实现快速的通过干馏碳化的途径把生物质材料转换成为生物质热裂解气体和生物质半焦两种生物燃料的具体设备和制造使用的方法。属于‘支持国民经济可持续发展’中‘资源与环境’的技术领域。
背景技术
生物质能是太阳能以化学能的形式贮存在生物质体内的能量形式。它以生物质为载体，直接或间接地来源于绿色植物的光合作用。
生物质能可以直接作为燃料在燃烧设备中通过燃烧转换成为热能；也能够在没有氧化剂(空气、氧气、水蒸气等)存在或只提供有限氧的条件下，加热到一定的温度，通过热化学反应的方法，将生物质大分子物质(木质素、纤维素和半纤维素)分解成液态生化燃油(BioOil)，固态半焦(Char)及非冷凝燃气(NCG)等较小分子的燃料物质后，象化石燃料中的煤炭，石油和天然气一样进行燃烧利用(1)(2)。
由于生物燃料可永续利用，具有环境友好和可再生的双重属性，因此，在减少由于化石燃料产生的温室气体方面，具有很大的发展潜力。所以如何发展、利用生物质能源替代化石燃料，受到了各个国家政府的重视。
但是，目前我们对于生物质能的大量利用的形式仍然还是以直接作为燃料在燃烧设备中通过燃烧转换成为热能的形式为主。通过热化学的途径转换成为气体、固体和液体燃料后再利用的形式，现在还处于早期的探索性阶段，一些经过实践检验的成熟技术正在逐步推广并形成早期的市场。
把生物质材料直接作为燃料在燃烧设备中通过燃烧的方式获得能量的形式，按照生物质形态的不同，可以分为生物质直接散烧的燃烧方式、生物质压缩成型后散烧的方式、生物质打成捆状后的捆烧方式、生物质粉碎成为粉末后的粉体燃烧方式等。但是，生物质材料在这些直接燃烧的过程中，不论生物质的形态是哪一种形态，其燃烧过程都具有下列的一些缺陷，以致不能够象煤炭和天然气等化石燃料那样良好的组织燃烧并进行工业利用(3)：
(1)生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时问，产生的烟气体积大，排烟热损失高；
(2)生物质燃料的密度小，结构比较松散，在鼓风助燃的情况下，迎风面积大，容易被吹起，悬浮燃烧的比例大；
(3)生物质的发热量比较低，燃烧温度低，炉内温度场偏低，很难组织稳定的燃烧；
(4)生物质挥发份含量高，燃烧着火的温度又偏低，一般在250℃～350℃温度下挥发份就大量析出并开始燃烧，此时若空气供应量不足，将会增大燃料的不完全燃烧损失；
(5)生物质挥发份析出燃尽后产生的半焦(即焦炭。称为“半焦”，以表示和煤制焦炭的不同)，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，半焦的颗粒燃烧速度缓慢、燃尽困难。而且，植物的秸秆类生物质材料产生的半焦，既没有强度，比重也小，随时可能被燃烧产生的烟气带走，不能够完成CO2+C→2CO的还原反应。
另外，因为生物质含有较多的氯和碱性物质(尤其是农作物秸秆)(2)，燃烧时易在受热面上形成沉积腐蚀问题，含有较多碱金属等矿物质成分的飞灰颗粒粘结在燃烧设备各部分受热面上形成沉积，造成受热面的沾污，继而带来受热面的腐蚀问题。
由于上列的种种缺陷，使得生物质通过直接燃烧而得到开发利用地各种生物质燃料加工技术和适用的燃烧设备改进技术研究，都受到了一定的影响。其中，最为明显的是几年前曾经轰轰烈烈开发的“秸秆直燃发电厂”项目(大部分采用了“捆状燃烧”方式)：这些曾经花费了上百亿资金建成的“秸秆直燃发电厂”，现在却因为多种原因，大部分进入了停产检修或者停产整顿状态，停止了运行。
把生物质材料通过热化学的途径转化成为液态生化燃油，固态半焦及非冷凝燃气等三种生物燃料产品中的一种或几种后再用，则不会产生上列的种种缺陷，因为这几种生物燃料都可以象化石燃料中的煤炭，石油和天然气一样，在现有的各种用能设备上进行利用。
但是，根据国内外在进行生物质热化学开发方面的情况，由于进行热化学转换的设备成熟性问题、转换过程的加工成本和环境污染等问题，许多听起来非常十分诱人的技术(如，生物质制油技术)，现在实际上仍然处于早期的探索性开发阶段。一些经过实践检验的成熟技术虽然正在积极推广并逐步形成早期市场，但是，完全依靠技术自身的技术潜力使项目能够在严格的环境保护要求条件下在市场经济中生存的生物质热化学转换技术和设备，到现在还没有出现。大部分项目基本上完全依靠政府的巨额财政补贴或者资助，才能够生存。
发明的内容
本发明提出的《一种快速、规模化生产生物燃料的方法》的目的就是希望能够提供具有这种技术潜力的生物质能源转换设备，从而实现大规模的使用生物质能源替代化石能源，减少温室气体的排放。
具有这种技术潜力的是一种具有下列功能的新型连续干馏碳化设备：
1、使用了被干馏、碳化的生物质材料所产生的热裂解气体作为載能工质；
2、具有对工质强制进行外部加热的功能；
3、有使被加热的工质与被干馏、碳化的生物质之间进行以对流换热为主同时伴随着大面积的导热和辐射换热的功能；
4、具有在隔绝空气的条件下，连续加入原材料和连续排出生成的生物质热裂解气体和生物质半焦两种生物燃料的功能。
具体的说，《一种快速、规模化生产生物燃料的方法》的技术特征是由(附图1)所示的包含有高温气体工质聚集室1，强制搅拌风机2，风机用导流板3，加热室4，热裂解气体循环加热管5，燃烧器6，余热利用装置7，热裂解气体出口8，下排烟烟气出口9，原材料入口10，干馏、碳化的产品出口11，干馏、碳化室12，外壳及保温层13所组成的一个使用了被干馏、碳化的物质所产生的热裂解气体作为載能工质，在工质被置于加热室4中的热裂解气体循环加热管5强制加热到一定的温度和被强制搅拌风机2强制进行体内循环并和从原材料入口10在隔绝空气状态下加入干馏、碳化室12的生物质材料完成热交换后，在干馏、碳化室12维持在微小的正负压最佳为零压的压力和隔绝空气条件下，连续排出转化生成的生物质热裂解气体和生物质半焦两种生物燃料的连续干馏碳化设备来完成的。
和传统的生物质干馏、碳化釜相比较，由(附图1)所示的这种新型的连续干馏碳化设备具有下列明显的不同：
传统的生物质干馏碳化釜内被碳化加工的生物质材料，只能够依靠在釜的外壁加热后向釜内以导热为主的方式传递热量。高温的釜壁向釜内的辐射换热因为被加工材料的屏蔽而削弱了许多。由于生物质材料是热的不良导体，釜内也没有对流换热的条件，因此，传统的生物质干馏碳化釜的一个生产周期需要很长的时间：比如一个直径为1600mm，高度为2300的碳化釜完成一罐机制木炭生料棒的碳化，大约需要6～11个小时，而获得的木炭产品仅仅只有500kg左右。
而本发明提供的新型的连续干馏碳化设备则不然：由于加热室4的温度可以根据需要加热到任意的温度，因此，热裂解气体循环加热管5内就能够产生我们需要的任意温度的載能工质并上升到高温气体工质聚集室1，然后经过设置在高温气体工质聚集室1下边缘的强制搅拌风机2的作用，把这些載能工质强行输送到干馏、碳化室12内和由原材料入口10进入的生物质材料发生以对流为主同时也伴随着大面积的导热换热和辐射换热的热交换。因此，本发明所说的新型的连续干馏碳化设备只要燃烧器6能够向加热室4输入足够的热功率并且传递给工质，那么，理论上本发明所说的干馏碳化釜的生产能力至少是相同净体积的传统干馏碳化釜的数十倍以上。
更为重要的是这种新型的连续干馏碳化设备可以为生产者最终获得的碳化产品自由的作出选择：比如，如果我们希望获得的产品仅仅只有固态半焦及非冷凝燃气，那么我们就可以通过限制高温气体工质聚集室1的温度≮850℃并且从热裂解气体出口8排出的热裂解气体温度也不小于使用木炭作为热裂解气体中可冷凝成分完成催化、重整的催化剂需要的800℃温度时，获得的产品就仅仅是固态半焦及发热量为15MJ/M3上下、基本上不包含CO2等不可燃气体成分的非冷凝燃气。而如果希望同时也获得到液态生化燃油的产品时，则高温气体工质聚集室1的温度不宜大于650℃，最佳的温度为450～650℃。
这种新型的连续干馏碳化设备在设计、制造方面还具有以下的技术特征：
加热室4的设计布局要包围着干馏、碳化室12，最佳的布置形式为在圆柱形的干馏、碳化室12外面包围着内部均匀布置着热裂解气体循环加热管5的圆环形的加热室4；
加热室4内由燃烧器6产生的高温烟气所形成的温度场，是一个上高下低的倒焰窑式的温度场，完成热裂解气体循环加热管5加热和余热利用装置7余热利用后的高温废烟气，由设置在加热室下部的下排烟烟气出口9有组织的排出；
加热室4的最高温度确定：要求将干馏产生的热裂解气体完成木焦油催化裂解、CO2还原和H2O气化时，加热室4的最高温度以使高温气体工质聚集室1内的高温气体温度≮850℃为佳，没有这种催化重整的要求时，加热室4的最高温度以使高温气体工质聚集室1内的高温气体温度为650℃上下为佳；
加热室内的下部要设置高温废烟气的余热利用系统，本发明最佳的余热利用系统是首先使用余热利用装置7分别对燃烧器6所使用的燃气和助燃空气加热，最终排出的废烟气在用于生物质原料的干燥加工处理后再排入大气。
热裂解气体循环加热管5的设计、制造的技术特征在于它是联通干馏、碳化室12下部和高温气体工质聚集室1的一组多根竖向管道，能够把强制搅拌风机2向下强制压入到干馏、碳化室12的高温气体工质在完成了和原材料入口10加入的生物质材料热交换后，再次从干馏、碳化室12下部进入加热室4中被强制加热，循环使用。
为了保证产出的非冷凝燃气的品质，在设计原材料入口10和配套的给料装置的技术特征是在加料的同时也能够有效的防止空气从原材料入口10进入干馏、碳化室12；比如，采用向煤气发生炉加料的双层钟罩加料器，就是一种比较实用的加料装置。
同样在设计干馏、碳化的产品出口11和配套的出料装置的技术特征是在出料的同时也能够有效的防止空气从干馏、碳化的产品出口11进入干馏、碳化室12；
【附图说明】
(附图1)是本发明实现快速、规模化生产生物燃料的干馏碳化设备结构示意图。其中的各个代号和名称的对应关系是：
1：高温气体工质聚集室；
2：强制搅拌风机；
3：风机用导流板；
4：加热室；
5：热裂解气体循环加热管；
6：燃烧器；
7：余热利用装置；
8：热裂解气体出口；
9：下排烟烟气出口；
10：原材料入口；
11：干馏、碳化的产品出口；
12：干馏、碳化室；
13：外壳及保温层。
图中的箭头，表示了高温气体工质在强制搅拌风机2的作用下，在干馏、碳化室12、热裂解气体循环加热管5和高温气体工质聚集室1之间的流动方向和途径。
【具体实施方式】
本发明的这种快速、规模化生产生物燃料的干馏碳化设备，可以在一切具有有机质废弃物资源的地方单台或者数台联合起来应用。但是，由于该设备产出的固态半焦及非冷凝燃气都是灼热的状态，因此，本发明需要和相关的冷却设备、净化装置配套，并且配备相应规格的气体输送设备、储存装置，才能够在大规模的生物燃料生产系统中进行应用。
将本发明用于我国“九五”期间建设的“秸秆气化站”可能是最佳的应用方式。因为这些“秸秆气化站”目前基本上全部停产报废。只要把本发明的干馏碳化设备代替“秸秆气化站”的“秸秆气化炉”，“秸秆气化站”就复活了：因为“秸秆气化站”中原来配备的成套燃气冷却、净化装置和燃气储存及输送管网全部都可以重新得到利用。
和建设一个同样规模的气化站相比较，这种改造的方法能够节约90％以上的投资和建设时间。
在一个乡、镇甚至更大的地域范围内，采用非冷凝燃气管网将数台这种快速、规模化生产生物燃料的干馏碳化设备串联起来，能够实现生产原材料资源共享，产出的非冷凝燃气产品资源共享。
当产出的非冷凝燃气产品用于发电产业时，用这种串联起来的方法，还能够帮助减缓生物质材料“收集难”、“运输难”、“保存难”、“燃烧控制难”、“原材料采购价格控制难”等一系列瓶颈问题。因此，本发明也可以在恢复或者协助“秸秆直燃发电厂”运行方面得到应用。
需要格外说明的是，本发明所述的这种快速、规模化生产生物燃料的干馏碳化设备，同样可以应用到一切其它需要隔绝空气加热，并且在加热过程中伴有干馏产生的热解气体的使用沥青或者其它有机质材料作为粘合剂的型焦半成品、碳素半成品的碳化加工的工艺生产上。
(1)《达茂公司在中国兴建首座生物燃油厂》(http://www.canengyuan.com/fuelplant/fuelinfo/20081217/2358.html)
(2)《生物质热解研究现状与展望》来源：中国能源网 作者：赵廷林，王鹏，邓大 2008-4-11
(3)《不同形态生物质燃烧技术现状和展望》，河南农业大学机电工程学院：刘圣勇 刘小二 王森(http://lw.china-b.com/zxsh/20090318/1026510_1.html)