专利名称：一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法
技术领域：
本发明涉及一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，属于生物质能源化工技术领域。
背景技术：
鉴于资源的丰富性和可再生性以及转化过程的 清洁性，生物质能源已经成为当今社会最为重要的新能源之一，引起了世界各国的广泛重视。从转化原理上来讲，生物质能的转化利用技术可归结为物理转化技术、生物转化技术和热化学转化技术等三种类型。相对而言，热化学转化方法不仅产品较为丰富、多样、高值，而且工艺相对简洁，是目前研究和开发的技术热点。生物质热化学转化包括气化、干馏、炭化、热裂解液化等，这些技术过程一般都包含了气相中间产物的生成和演变。常规的分析检测方法主要是将生物质热化学转化后的产物进行离线测试，如在热裂解液化技术分析中常常是对热解气冷凝后得到的生物油进行测试，在测试干馏产物时也是对热解气冷凝之后的木醋液进行测试。由于气相中间产物在后续冷凝过程中会发生多种物理、化学变化，对其冷凝产物的分析并不能很好地反映出生物质热化学反应过程中的情况，同时也不利于及时调整热化学反应条件和后续冷凝条件。因此，由于检测手段的局限性，生物质热化学反应常常被认为是一个“黑匣子”过程，这在一定程度上影响了生物质的高深加工利用，限制了生物质能源技术和相关产业的快速发展。由于生物质热化学反应过程是在高温状态下进行，且常伴随有固体颗粒炭等杂质，气相中间产物极易随外界温度变化而冷却变性，特别是所含有的酚、醛等物质容易受温度影响(一般在200°C以下极易发生)发生缩合反应生成焦油类大分子物质，导致堵塞后续分析仪器的进样管路。此外堵塞进样管路的还包括炭颗粒等杂质。因此，实现生物质热化学反应气相中间产物在线检测的关键是如何实现高温状态下的取样以及测试样品的精确过滤，然而，到目前为止，并没有此项相关技术的相关报道。
发明内容
本发明的目的之一是提出一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，以解决目前生物质热化学反应无法在线检测、离线检测不可靠、不能及时根据中间产物特征调整反应工艺条件等问题，实现生物质热化学反应气相中间产物的在线检测和精确控制。本发明的目的之二是提供了所述在线检测生物质热化学反应气相中间产物的装置。一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，所述方法步骤如下步骤一、生物质原料热化学反应使生物质原料进行热解炭化、液化或气化反应,生成带有固体颗粒炭的气相中间产物；
优选生物质原料的粒度彡2mm ;含水量为5 12% ;反应温度为20(T800°C ；步骤二、旋风分离将带有固体颗粒炭的气相中间产物进行旋风除尘；优选旋风除尘在旋风分离器中进行，旋风 分离器入口的气体速度为l(T20m/s，旋风分离器压降范围为0. 40、. 65kPa，旋风分离器带有伴热装置，使旋风分离器内的温度与气相中间产物的温度差彡5°C，旋风分离器固体除杂效率可达90%以上；步骤三、粗过滤将旋风除尘后的气相中间产物进行过滤，进一步除去气相中间产物中含有的固体杂质，粗过滤孔径为6 ii nT8 ii m ;优选通过粗过滤器对旋风除尘后的气相中间产物进行过滤，粗过滤器带有伴热装置，使粗过滤器内的温度与气相中间产物的温度差< 5°C ;经过粗过滤后，气相中间产物的总固体除杂效率可达99%以上；步骤四、电捕焦油除去粗过滤后的气相中间产物中含有的焦油类聚合物杂质；优选通过电捕焦油器除去气相中间产物中含有的焦油类聚合物杂质；气相中间产物在电捕焦油器内的停留时间为2^3. 5s,电捕焦油器带有伴热装置，使电捕焦油器内的温度与气相中间产物的温度差彡5°C ；步骤五、精密过滤将经过电捕焦油器的气相中间产物进行精密过滤，精密过滤孔径为0. 8 u m 2 u m ；优选通过精密过滤器，对经过电捕焦油器的气相中间产物进行精密过滤；精密过滤器带有伴热装置，使精密过滤器内的温度与气相中间产物的温度差<5°C，经过电捕除焦和精密过滤后，气相中间产物的除杂效率可达99. 99%以上；步骤六、气相中间产物取样将精密过滤后的气相中间产物调节至压力为< 0. 6MPa，将气相中间产物进行取样，在载气作用下将取样的气相中间产物送入分析仪器中进行检测；所述载气为纯度为99. 9999%的高纯氮气。优选将气相中间产物通过加热器进行加热后，输入六通阀进样器中进行取样，六通阀进样器一次取样量为5 u L^20 Z L，加热器的温度为20(T350°C ；所述分析仪器为分析化学领域的常规仪器，如气相色谱分析仪(GC)、气相色谱-质谱联用分析仪(GC-MS)、傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)、烟气分析仪。—种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的装置，所述装置用于本发明所述的在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，所述装置包括热化学反应器、旋风分离器、粗过滤器、精密过滤器、三通阀、微调阀、六通阀进样器、电捕焦油器和集炭箱。其中热化学反应器的下部设有进料口，热化学反应器的上部出口与旋风分离器的入口连接；旋风分离器的下部出口与集炭箱相连，旋风分离器的上部出口与粗过滤器一端连接，粗过滤器另一端与电捕焦油器入口连接，电捕焦油器出口与精密过滤器一端连接，精密过滤器另一端与三通阀一端连接，通过三通阀改变流向，三通阀的另一端与微调阀一端连接，微调阀的另一端与六通阀进样器的一端连接，六通阀进样器的另一端与分析仪器连接；各器件之间通过管路联通。优选所述装置在三通阀和六通阀进样器之间还装有加热器。热化学反应器的作用为，将干燥粉碎后的原料进行热解炭化、液化或气化反应；旋风分离器的作用为，将热化学反应器中热解得到的炭和气相中间产物分离；粗过滤器、精密过滤器的作用为，将旋 风分离器得到的气相中间产物过滤，除去固体杂质；电捕焦油器的作用为，除去气相中间产物中的焦油；三通阀的作用为，导流和改变气相中间产物流向；微调阀的作用为，进一步降低管路中气相中间产物的压力；集炭箱的作用为，收集旋风分离器分离得到的炭。加热器的作用为，使进入分析仪器的气相中间产物在分析仪器的使用范围内保持恒温；六通阀进样器的作用为，为分析仪器提供定量进样的样品；优选在六通阀进样器上沿顺时针方向设有a f六个接口孔，在f和c之间连有定量环，所述定量环为容积定量为5 u 1^20 u L的管路；在取样状态下，af、bc、ed段连通成为联通管路，气相中间产物从a孔进入，依次经过af联通管路、定量环、cb联通管路后，从b孔排出，使定量环中充满气相中间产物，完成取样；载气从e孔进入，经过ed联通管路进入分析仪器；在进样状态下，ab、cd、ef段连通成为联通管路，气相中间产物从a孔进入，从b孔排出；载气从e孔进入，依次经过ef联通管路、定量环、Cd联通管路后，将定量环中的气相中间产物送入分析仪器，完成进样。有益效果本发明提供了一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，可以有效地避免气相中间产物在分析前冷却变性、杂质堵塞分析仪器管路等问题，实现了对生物质热裂解热解炭化、液化或气化反应过程中的气相中间产物进行组分检测与成分分析。为生物质热化学反应过程的在线调控、产物选择性转化等新技术发展提供有力的技术手段，促进生物质能源技术的发展和应用。
图I是实施例1、2在线检测生物质热化学反应气相中间产物装置的结构示意图。图2是六通阀进样器的结构示意图。图3是实施例I的红橡木材热化学转化气相中间产物红外光谱图。图4是实施例2的红橡木材热化学转化气相中间产物总离了流色谱图。I-热化学反应器、2-旋风分离器、3-粗过滤器、4-精密过滤器、5-三通阀、6-微调阀、7-加热器、8-六通阀进样器、9-分析仪器、10-电捕焦油器、11-集炭箱、12-六通阀接口孔、13-定量环、14-连通管路。
具体实施例方式下面通过实施例，对本发明进一步说明。
其中，实施例1、2中的在线检测生物质热化学反应气相中间产物方法中使用的装置如图I所示，所述装置包括热化学反应器I、旋风分离器2、粗过滤器3、精密过滤器4、三通阀5、微调阀6、六通阀进样器7、电捕焦油器8和集炭箱9。其中热化学反应器I的下部设有进料口，热化学反应器I的上部出口与旋风分离器2的入口连接；旋风分离器2的下部出口与集炭箱11相连，旋风分离器2的上部出口与粗过滤器3 —端连接，粗过滤器3另一端与电捕焦油器10入口连接，电捕焦油器10出口与精密过滤器4 一端连接，精密过滤器4另一端与三通阀5 —端连接，通过三通阀5改变流向，三通阀5的另一端与微调阀6 —端连接，微调阀6的另一端 与六通阀进样器8的一端连接，六通阀进样器8的另一端与分析仪器9连接；各器件之间通过管路联通；旋风分离器2、粗过滤器3、电捕焦油器10和精密过滤器4均带有伴热装置。在三通阀5和六通阀进样器8之间还装有加热器7。如图2所示，在六通阀进样器8上沿顺时针方向设有a f六个接口孔12，在f 和c之间连有定量环13 ;所述定量环13为容积定量为5 ii L 20 ii L的管路；在图2(A)的取样状态下，af、bc、ed段连通成为联通管路，气相中间产物从a孔进入，依次经过af联通管路、定量环13、cb联通管路后，从b孔排出，使定量环13中充满气相中间产物，完成取样；载气从e孔进入，经过ed联通管路进入分析仪器9 ;在图2(B)的进样状态下，ab、cd、ef段连通成为联通管路，气相中间产物从a孔进入，从b孔排出；载气从e孔进入，依次经过ef联通管路、定量环13、cd联通管路后，将定量环13中的气相中间产物送入分析仪器9，完成进样。实施例I一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，所述方法步骤如下步骤一、生物质原料热化学反应将生物质原料输入热化学反应器I中，使原料进行热解炭化反应，生成带有固体颗粒炭的气相中间产物；其中，生物质原料为红橡木材颗粒，粒度彡2mm ;含水量为5 12% ;进料速率为lkg/h，升温速率为10°C /min，反应温度为350°C ；步骤二、旋风分离将带有固体颗粒炭的气相中间产物输入旋风分离器2中进行旋风除尘；其中，旋风分离器2入口的气体速度为13m/s，旋风分离器2压降范围为0.45kPa，旋风分离器2内的温度与气相中间产物的温度差彡5°C，旋风分离器2固体除杂效率可达90%以上；步骤三、粗过滤将旋风除尘后的气相中间产物输入粗过滤器3中，进一步除去气相中间产物中含有的固体杂质；其中，粗过滤器3中的过滤板孔径为6 y m 8 y m，粗过滤器3内的温度与气相中间产物的温度差< 5°C ;经过粗过滤后，气相中间产物的总固体除杂效率可达99%以上；步骤四、电捕焦油将粗过滤后的气相中间产物输入电捕焦油器10中，除去气相中间产物中含有的焦油类聚合物杂质；
其中，气相中间产物在电捕焦油器10内的停留时间为2s 3. 5s，电捕焦油器10内的温度与气相中间产物的温度差< 5°C ；步骤五、精密过滤将经过电捕焦油器10的气相中间产物输入精密过滤器4中进行精密过滤；其中，过滤板孔径为0. 8iim 2iim，精密过滤器4内的温度与气相中间产物的温度差< 5°C，经过电捕除焦和精密过滤后，气相中间产物的除杂效率可达99. 99%以上；步骤六、气相中间产物取样由于热解碳化反应温度为350°C，因此不必开启加热器7 ;将精密过滤后的气相中间产物经过三通阀5改变流向后，通过微调阀6调节气体压力为< 0. 6MPa，将气相中间产物输入六通阀进样器8中，通过图2 (A)中的定量环13进行取样，一次取样量为lOyL，再将六通阀进样器8切换到图2 (B)中的状态，在载气作用下将取样的气相中间产物送入傅里叶红外光谱分析仪中进行检测；所述载气为纯度为99. 9999%的高纯氮气。气相中间产物产物的红外光谱分析试验结果见图3，气相中间产物官能团分布如表I所示。表.I红橡木材气相中间产物主要官能团
权利要求
1.一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，其特征在于所述方法步骤如下 步骤一、生物质原料热化学反应 使生物质原料进行热解炭化、液化或气化反应，生成气相中间产物； 步骤二、旋风分离 将带有固体颗粒炭的气相中间产物进行旋风除尘； 步骤三、粗过滤 将旋风除尘后的气相中间产物进行过滤，进一步除去气相中间产物中含有的固体杂质，粗过滤孔径为6 μ πΓ8 μ m ; 步骤四、电捕焦油 除去粗过滤后的气相中间产物中含有的焦油类聚合物杂质； 步骤五、精密过滤 将经过电捕焦油器的气相中间产物进行精密过滤，精密过滤孔径为O. 8 μ πΓ2 μ m ; 步骤六、气相中间产物取样 将精密过滤后的气相中间产物调至压力为< O. 6MPa，将气相中间产物进行取样，在载气作用下将取样的气相中间产物送入分析仪器中进行检测。
2.根据权利要求I所述的一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，其特征在于在步骤一中，生物质原料的粒度彡2_ ;含水量为5 12% ;反应温度为20(T800°C。
3.根据权利要求I所述的一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，其特征在于在步骤二中，旋风除尘在旋风分离器中进行，旋风分离器入口的气体速度为l(T20m/s，旋风分离器压降范围为O. 4(T0. 65kPa，旋风分离器带有伴热装置，使旋风分离器内的温度与气相中间产物的温度差彡5°C。
4.根据权利要求I所述的一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，其特征在于在步骤三中，通过粗过滤器对旋风除尘后的气相中间产物进行过滤，粗过滤器带有伴热装置，使粗过滤器内的温度与气相中间产物的温度差< 5 V。
5.根据权利要求I所述的一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，其特征在于在步骤四中，通过电捕焦油器除去气相中间产物中含有的焦油类聚合物杂质；气相中间产物在电捕焦油器内的停留时间为2iT3. 5s,电捕焦油器带有伴热装置，使电捕焦油器内的温度与气相中间产物的温度差< 5°C。
6.根据权利要求I所述的一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，其特征在于在步骤五中，通过精密过滤器，对经过电捕焦油器的气相中间产物进行精密过滤；精密过滤器带有伴热装置，使精密过滤器内的温度与气相中间产物的温度差< 5°C。
7.根据权利要求I所述的一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，其特征在于在步骤六中，将气相中间产物通过加热器进行加热后，输入六通阀进样器中，六通阀进样器一次取样量为5 μ Γ20 μ L，加热器的温度为20(T35(TC，所述载气为纯度为99. 9999%的高纯氮气。
8.—种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的装置，用于权利要求I至7任一项所述的在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，其特征在于，所述装置包括热化学反应器(I)、旋风分离器(2)、粗过滤器(3)、精密过滤器(4)、三通阀(5)、微调阀(6)、六通阀进样器(7)、电捕焦油器(8)和集炭箱(9)； 其中热化学反应器(I)的下部设有进料口，热化学反应器(I)的上部出口与旋风分离器(2)的入口连接；旋风分离器(2)的下部出口与集炭箱(11)相连，旋风分离器(2)、粗过滤器(3)、电捕焦油器(10)、精密过滤器(4)、三通阀(5)、微调阀(6)和六通阀进样器(8)顺序连接；各器件之间通过管路联通。
9.根据权利要求8所述的一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的装置，其特征在于所述装置在三通阀(5)和六通阀进样器(8)之间还装有加热器(7)。
10.根据权利要求8所述的一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的装置，其特征在于在六通阀进样器(8)上沿顺时针方向设有a f六个接口孔，在f和c之间连有定量环(13)，所述定量环(13)为容积定量为5 μ L 20 μ L的管路； 在取样状态下，af、bc、ed段连通成为联通管路，气相中间产物从a孔进入，依次经过af联通管路、定量环(13)、cb联通管路后，从b孔排出，使定量环(13)中充满气相中间产物，完成取样；载气从e孔进入，经过ed联通管路进入分析仪器； 在进样状态下，ab、Cd、ef段连通成为联通管路，气相中间产物从a孔进入，从b孔排出；载气从e孔进入，依次经过ef联通管路、定量环(13)、cd联通管路后，将定量环(13)中的气相中间产物送入分析仪器，完成进样。
全文摘要
本发明公开了一种在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法，属于生物质能源化工技术领域。所述方法包括生物质原料热化学反应、旋风分离、粗过滤、电捕焦油、精密过滤和气相中间产物取样的步骤。本发明还提供了进行所述方法的装置，所述装置包括热化学反应器、旋风分离器、粗过滤器、精密过滤器、三通阀、微调阀、六通阀进样器、电捕焦油器和集炭箱。所述方法可以有效地避免气相中间产物在分析前冷却变性、杂质堵塞分析仪器管路等问题，实现了对生物质热裂解热解炭化、液化或气化反应过程中的气相中间产物进行组分检测与成分分析。
文档编号G01N35/00GK102788884SQ20121027154
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月1日 优先权日2012年8月1日
发明者任学勇, 司慧, 常建民, 王文亮, 车颜喆 申请人:北京林业大学