一种湿生物质水热液化制取生物油的反应系统及方法

摘要

本发明公开一种湿生物质水热液化制取生物油的反应系统及方法，包括催化反应器，催化反应器包括催化剂瓶、一级反应器和二级反应器，催化剂瓶出口分成两路，一路通过带有一级楔形阀的管路连接一级反应器的入口，另一路通过带有二级楔形阀的管路连接一级反应器的出口，一级反应器出口连接二级反应器入口。主要操作步骤为：将湿生物质原料粉碎后进入一级预热器预热，预热后与分级加入催化剂混合，先后进行两级水热液化反应，反应后的高压高温流体经多相分离后分别得到气相、水相、油相产物及残渣。本发明系统运行简单，产物分离彻底，反应完全，可以广泛应用于湿生物质水热液化生产生物油。

说明书

技术领域

本发明属于生物油的制取技术领域，特别是涉及一种湿生物质水热液化制取生物油的反应系统及方法。

背景技术

随着经济的迅速发展和人民物质生活水平的提高，能源的需求量在当下的环境中越来越大，然而常规的化石能源面临着资源的日益枯竭以及燃烧带来的一系列诸如温室效应等环境问题，因此寻找清洁高效，绿色可代替型能源引起社会的广泛关注。

生物质能作为一种新型可再生能源，其可以通过热解，热化学反应，气化等反应过程，转化为液体生物质油，且利用过程能够实现碳的封闭循环，从而减少CO₂的排放，降低温室效应，对于能源高效利用和缓解能源紧缺有很大的提升。生物质含有蛋白质，不饱和脂肪酸和其他生物活性物质，生物质利用效率和产油效率较高，且可以在极端环境成长，对重金属离子有很好的吸附效果与分解作用，其作为后续储备燃料，有广泛的发展前途和使用前景。

水热液化技术是指利用具有一定含水量的原料，在水的亚/超临界条件下，原料大分子经过一系列化学反应(包括水解、断键、芳构化、脱水、脱氧等)，最终转换为生物粗油，生物气及生物炭的过程。湿生物质水热液化技术是一种非常具有发展前景的制油技术，具有很多优势：首先，以湿生物质作为水热液化反应介质，避免了其他技术(如热解，气化反应)所需的干燥过程，从而降低了反应能耗。其次，湿生物质水热液化技术不仅可以将湿生物质中的油脂转化为生物油，还可最大限度将湿生物质中的蛋白质，糖类等物质也转化成高密度的生物油。同时，在水热液化反应过程中，水的相变发生时，焓值在高压下大量减少，从而减少了过程中潜在的能量损失，提高了水热液化能效。

针对湿生物质水热液化技术的研究，大多数都是单级催化液化或者单一反应容器进行液化反应，已有的反应装置还普遍存在系统能耗较高，产物的分离不便，油产率较低等问题。

目前，还没有一种湿生物质水热液化制取生物油的反应装置能够有效地解决上述问题。鉴于上述问题制约了湿生物质水热液化生物技术的发展和工业化大规模利用，因此一些新型反应装置在不断研发之中。

发明内容

本发明的目的是提供一种湿生物质水热液化制取生物油的反应系统及方法，以解决湿生物质水热液化制取生物油系统在整体能耗高，生物油品质产量低和产物分离不变的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种湿生物质水热液化制取生物油的反应系统，包括催化反应器，催化反应器包括催化剂瓶、一级反应器和二级反应器，催化剂瓶出口分成两路，一路通过带有一级楔形阀的管路连接一级反应器的入口，另一路通过带有二级楔形阀的管路连接一级反应器的出口，一级反应器出口连接二级反应器入口。

进一步的，一种湿生物质水热液化制取生物油的反应系统还包括粉碎机、储料箱、一级预热器，粉碎机出口连接储料箱上部入口，储料箱底部出口通过管路连接一级预热器管侧入口，在该管路上设置有高压泵，一级预热器管侧出口连接一级反应器入口。

进一步的，高压泵上设置有变频器。

进一步的，一级反应器出口连接二级预热器管侧入口，二级预热器管侧出口连接二级反应器入口。

进一步的，二级反应器出口连接二级预热器壳侧入口，二级预热器壳侧出口连接多级分离器入口。

进一步的，多级分离器上部设有气体出口、中部设有流体出口、底部设有残渣出口，上部气体出口通过管道依次连接第二增压机、第一冷却器、干燥器、储气罐；中部流体出口连接离心机入口，离心机出口连接第二冷却器；第二冷却器设置水相出口、油相出口，将分离出的水相通过水相出口储存在储液箱中，分离出的油相通过油相出口储存在储油罐中；底部残渣出口通过管道连接储渣箱。

本发明还提供了一种湿生物质水热液化制取生物油的反应方法，包括以下步骤：

(1)将湿生物质原料放入粉碎机进行粉碎处理后输送至储料罐中；

(2)将步骤(1)制取的物料通过管道经过高压泵输送至预热器进行预热；

(3)物料经一级预热后经与通过一级楔形阀的催化剂混合后输送至一级反应器中继续加热并反应，通过控制一级楔形阀确定参与反应的催化剂剂量；

(4)步骤(3)中反应后的产物经与通过二级楔形阀的催化剂混合后输送至二级预热器进行预热，通过控制二级楔形阀确定参与反应的催化剂剂量；

(5)预热后的混合物输送至二级反应器中继续加热到反应温度进行水热液化反应；

(6)二级水热液化反应产生的产物得到的高温高压流体经背压阀降压后输送至多相分离器中进行多相分离；

(7)分离出来的气相经第二增压机增压后，再冷却脱水干燥，最终存储在储气瓶中；分离出来的固相残渣在储渣箱中，分离出来的液相经离心机分离为水相和油相，其中，油相存储在储油罐内，水相经冷却后存储在储液箱内。

进一步的，步骤(6)中所述多级分离器的温度控制在水的饱和温度以下，确保水不会以蒸汽的形式混入气相中。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、两级反应器，一级反应器可以给湿生物质物料提供一个初水热液化反应环境、二级反应器通过进一步加热物料，可以保证反应物的完全反应；通过设置的两级反应器可以降低反应系统的整体能耗，提高产油率。

2、两步催化液化，通过两个管路，两个楔形阀分别控制进入到反应系统的催化剂的剂量，提高反应速率，缩短整体反应时间，改善生物油品质。

3、多级分离器和离心机的综合使用可以用简易的步骤快速分离液化产物，且避开了有机溶剂的萃取过程，操作简单，产物分离彻底，降低了相应装置的费用。

相比其他水热液化系统，本发明系统运行简单，产物分离彻底，反应完全，可以广泛应用于湿生物质水热液化生产生物油。

附图说明

图1是本发明一种湿生物质水热液化制取生物油的反应系统的结构示意图。

图中：1、储料箱；2、粉碎机；3、高压泵；4、一级预热器；5、二级楔形阀；6、一级楔形阀；7、一级反应器；8、二级预热器；9、二级反应器；10、第二增压机；11、第一冷却器；12、干燥器；13、储气罐；14、储油罐；15、储液箱；16、储渣箱；17、第二冷却器；18、离心机；19、多级分离器；20、背压阀；21、催化剂瓶；22、第一增压机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

请参阅图1所示，本发明提供了一种湿生物质水热液化制取生物油的反应系统，包括催化反应器、预热器、多相分离器各种物料输送管路及管路设备，具体结构如下：

粉碎机2出口连接储料箱1上部入口，储料箱1底部出口连接有高压泵3，高压泵3的出口连接在一级预热器4的管侧入口位置，一级预热器4管侧出口连接一级反应器7的入口；催化剂瓶21的出口连接第一增压机22入口，第一增压机22出口分成两路，一路通过带有一级楔形阀6的管路连接一级反应器7的入口，另一路通过带有二级楔形阀5的管路连接一级反应器7的出口；

一级反应器7出口连接二级预热器8管侧入口，二级预热器8管侧出口连接二级反应器9入口；

二级反应器9出口连接二级预热器8的壳侧入口，二级预热器8壳侧出口连接多级分离器19入口；多级分离器19设置上部设有气体出口、中部设有流体出口、底部设有残渣出口；上部气体出口通过管道依次连接第二增压机10、第一冷却器11、干燥器12、储气罐13；中部流体出口连接离心机18入口，离心机18出口连接第二冷却器17；第二冷却器17设置水相出口、油相出口，将分离出的水相通过水相出口储存在储液箱15中，分离出的油相通过油相出口储存在储油罐14中；底部残渣出口通过管道连接储渣箱16。

参阅图1所示，一种湿生物质水热液化制取生物油的反应方法，包括以下步骤：

(1)将湿生物质原料放入粉碎机2进行粉碎处理后输送至储料罐1中；

(2)将步骤(1)制取的物料通过管道经过高压泵3输送至预热器4进行预热；

(3)物料经一级预热后经与通过一级楔形阀6的催化剂混合后输送至一级反应器7中继续加热并反应，通过控制一级楔形阀6确定参与反应的催化剂剂量；

(4)步骤(3)中反应后的产物经与通过二级楔形阀5的催化剂混合后通入二级预热器8进行预热，通过控制二级楔形阀5确定参与反应的催化剂剂量；

(5)预热后的混合物输送至二级反应器9中继续加热到反应温度进行水热液化反应；

(6)二级水热液化反应产生的产物得到的高温高压流体经背压阀20降压后通入多相分离器19中进行多相分离；

(7)分离出来的气相经第二增压机10增压后，再冷却脱水干燥，最终存储在储气瓶13中；分离出来的固相残渣在储渣箱16中，分离出来的液相经离心机分离为水相和油相，其中，油相存储在储油14内，水相经冷却后存储在储液箱15内。