CN103180412B - 流化床裂解装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含碳进料裂解装置，该装置包括两个或更多个热颗粒流化床，和一个或多个用于两个或更多个所述床之间的热颗粒输送的正位移装置，其中一个或多个所述流化床包括燃烧区。本发明进一步提供了一种生物油生产方法，该方法包括含碳生物质的裂解，其包括：两个或更多个流化床、在一个或多个燃烧流化床内实施的第一燃烧区和在一个或多个裂解流化床内实施的第二裂解区，颗粒物质在所述燃烧流化床中被流化并加热，在所述裂解流化床中，将在所述燃烧区中被加热过的热颗粒用于生物质的裂解，所述燃烧区在大气压或大约大气压力下、在400℃‑1100℃、通常大约900℃的温度下运行，并且所述裂解区在大气压到100Barg的压力下、在400℃到900℃的温度下运行。
Description
技术领域
本发明涉及含碳材料、比如生物质在流化床裂解装置中的裂解。
背景技术
生物质的快速裂解涉及在还原条件下将固体生物质快速加热至400℃-600℃的温度，以使该固体生物质形成油。这通常在流化床中完成，其中接近60%的起始的生物质可以被提取为油。裂解实质上是吸热反应，并且所需的能量通常依靠使用电加热元件直接加热流化床获得。
用于加热流化床的热源是沙子，所述沙子使用电加热元件加热，为吸热反应提供能量。为了维持裂解反应，持续地需要电能。
为了减少电能需求，由生物质的裂解生成的炭被回收作为裂解反应的燃料，其中所述炭被燃烧以提供部分用以维持裂解温度所需的能量，然而这样做的代价是损失了炭。
因此，本发明人认识到了对一种用于生物质的裂解同时减小对外部能量源的需要并且可以使得部分或全部因此生成的炭被保留用于其它用途而不是作为裂解的燃料的更有效的裂解装置的需求。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种含碳进料裂解装置，该装置包括两个或更多个热颗粒流化床、和一个或多个用于在两个或更多床层之间输送热颗粒的正位移装置。
所述流化床中的一个或多个可以包括燃烧区。
所述流化床中的一个或多个可以包括裂解区。
所述正位移装置可以是螺旋进料器等等。
所述螺旋进料器可以由变速驱动马达或恒速驱动马达驱动。
所述流化床中的热颗粒可以是沙粒。
所述流化床中的热颗粒可以主要是催化剂颗粒。
所述催化剂颗粒可以是沸石颗粒。
所述催化剂颗粒通常是裂化催化剂颗粒，比如酸性沸石颗粒。
所述装置在燃烧区与裂解区之间可以包括一个或多个“L”阀，以使热颗粒可以从所述燃烧区流到裂解区，同时阻碍气体在相反方向上的流动。
如上所述的装置，其包括再循环导管，用于使所述裂解区产生的气体进入所述用于燃烧以加热所述热颗粒的燃烧区。
所述燃烧流化床可以包括流化床喷嘴，由此将流化气体以及或任何燃烧气体通过位于所述流化床的底部的一个或多个喷嘴注入所述流化床。
所述裂解流化床可以具有类似的用于流化气体的喷嘴布置。
在上述两种情形中，对所述喷嘴的布置进行选择，而不是采用标准的喷气装置，使得当热颗粒掉落经过喷嘴以取出时，通过具有较小滞留体积的正位移装置从所述流化床的底部移除所述热颗粒。
空气可以穿过所述喷嘴向上或向下进入所述流化床。水平喷射可以防止沙子流入空气供应管线中。所述再循环气体导管或管线可以尽可能地靠近所述喷嘴进入，在这里所述再循环气体与冷空气混合，并且在所述流化床中燃烧。
在所述裂解流化床之后所述装置可以包括炭分离器，炭可以借由该装置捕集。通常，所述被捕集的炭可以再循环至所述燃烧流化床或用于与所述裂解装置的运行无关的其它目的。所述炭分离器可以是旋风分离器。
根据本发明的第二方面，提供了一种生物油生产方法，所述方法包括含碳生物物质的裂解，其包括：两个或更多的流化床、在一个或多个燃烧流化床内实施的第一燃烧区和在一个或多个裂解流化床内实施的第二裂解区，在所述燃烧流化床中颗粒物质被流化并加热，在所述裂解流化床中，将在所述燃烧区中被加热过的热颗粒用于生物质的裂解，所述燃烧区在大气压或大约大气压下、在400℃-1100℃通常大约900℃的温度下运行，并且所述裂解区在大气压到100Barg的压力下、在400℃到900℃、通常500℃到600℃的温度下运行。
来自所述裂解区的裂解气可以至少部分地再循环至所述燃烧区，作为燃烧的燃料源用于加热所述颗粒。
如上所述，所述热颗粒可以是沙粒或催化剂颗粒。
所述裂解区可以在大气压或大约大气压下运行。
因为生成的CO2更多以及由此反应将会更少地吸热，使得所述裂解区中的催化剂的使用可以允许更大的生物质生产量。
所述催化剂通常为裂化催化剂，比如酸性沸石。
所述燃烧流化床的面积可以比所述裂解床的面积大2-6倍，通常大3-4倍。这样可以是更高能效的，因为可从所述热颗粒获得的焓的较少一部分被用于再加热所述再循环气，而更多的焓被用于驱动所述吸热的裂解反应。
为了在给定面积的床内燃烧尽可能多的氧气，在所述燃烧流化床内的表观气速（SGV）可以高至1m/s到4m/s、通常2m/s的速率。
所述再循环裂解气的表观气速可以尽可能的低，但仍然实现良好的流化并由此获得良好混合。
所述裂解流化床中的SGV可以从0.2至2m/s，通常0.5m/s。据信，这样通过加热所述冷的再循环气，损失的焓较少。所述生物质也以固态形式进入，以气态形式离开，从而当所述裂解反应发生时增大了所述表观气速。所述再循环裂解气的SVG根据热颗粒在所述燃烧区内的夹带程度来控制或选择，因此，举例说，如果在2.5m/s时出现高夹带，所述再循环裂解气可以选择低SVG，以在SGV由于生物质的汽化而变得高至不可接受之前允许较大的生物质生产量。
可以通过与离开所述燃烧区的气体换热而预热所述流化床的空气供给。这可以显著地减少在所述用以加热给定质量流速的热颗粒的燃烧区中所需的流化床的面积。这还可以减小用以燃烧形成CO2的碳的量，使得所述方法对环境更加友好。
所述燃烧流化床的温度可以通过改变热颗粒从所述裂解区到所述燃烧区的输送速率来控制，例如，通过改变驱动所述正位移装置（比如螺旋进料器）的马达的速度来达到上述目的。
所述空气流速通常是固定的，以提供恒定的穿过所述燃烧区的SGV。可以调节燃料流速（再循环气）以保证在离开所述燃烧室的气体中一直存在足够过量的氧气。
所述裂解区中的温度通过改变进入所述裂解区的生物质的速率来控制。所述再生气的流速通常是固定的，以保证所述裂解流化床内的充分流化。
所述流化床可以包括分离区。由于在高温时充分密封困难，使得所述裂解和燃料流化床的分离区内的压力均可以接近于大气压。所述分离区内的压力可以通过控制引风（ID）机的速度或通过控制设置在低压管线中的阻尼器来控制。
所述裂解区内的压力可以通过改变从所述再循环气流中释放出的吹扫气体的量来控制。
在采用热沙代替催化剂颗粒的情形中，因为所述燃烧区烧掉了在裂解期间在所述颗粒的孔中形成的任何焦炭，因此所述燃烧区也用于再生所述催化剂。
附图说明
现在，参考所附的流程图和示意图，即图1和2，通过仅仅表示为非限制性的实施例的方式描述本发明。
图1中示出了本发明的一种双流化床裂解装置；
图2中示出了用于图1所示的流化床的喷嘴布置；和
图3中示出了图1所示的裂解装置的另一种实施方式。
具体实施方式
在图1所示的流程图10中，代表了本发明的一种实施方式，提供了用于通过在裂解流化床14中将待裂解成生物油的生物质与来自在燃烧条件下运行的不同流化床的热颗粒（以热沙16的形式）混合来快速加热所述生物质的裂解装置12和裂解方法。
所述燃烧流化床18的横截面积是所述裂解流化床14的横截面积的3到4倍。
在图1中，通过燃烧可燃气体和炭，使得所述燃烧流化床18保持炙热，通常约900℃。利用在流化床技术中已知的“L”阀20使所述热沙16从所述燃烧区15移动至所述裂解区17。
所述裂解反应使所述沙子冷却至500-600℃，并且所述被冷却的沙子通过螺旋输送器22返回至所述热燃烧流化床18中再次加热。
尽管大多数的炭会被气体夹带并被旋风分离器24收集，但一些炭会被所述沙子夹带。所述沙子中的炭将在所述流化床中燃烧，以提供至少部分所需的能量。更多的能量可以由对裂解气环路26的吹扫提供。燃烧所需能量的2/3可以来自于所述裂解气，所述裂解气为可燃气体。这些气体被直接引入所述流化床喷嘴28，将所述再循环的裂解气与空气供应管同中心地引入流化床气体进料管直至所述流化床喷嘴。优选地使用所述气体作为热源从而节省炭，因为所述炭对于农民来说是有价值的资源；当土壤中掺有炭时可以改善土壤。
如图2所示，所述空气30可以通过向下（如所示的那样）或向上的喷嘴进入所述流化床14、18。设计水平喷射口以防止沙子流入所述空气供应管线中。所述气体管线32尽可能地靠近所述喷嘴34（28）进入，在这里它与冷空气混合，并在所述流化床中燃烧。
在与图1相同的流程图所代表的另一种实施方式中，用于第一实施方式的流化床14、18的床的沙子16被催化剂替换，相比于单独使用沙子，所述催化剂提供更稳定的生物油。这样，可以减少所述油中的氧含量（作为CO2被除去）。
不经这种处理，所述油具有反应活性并且随着时间推移，寡聚成为不可处理的污泥。经催化处理后的油可以混入炼油厂原料中，用以生产运输燃料。
在裂解温度下，催化剂易于结焦，这会使其失去活性。在这样的条件下它们仅可以持续5分钟。所述催化剂可以通过烧除碳而再生。本发明的双流化床系统提供了用于所述裂解催化剂的连续再生的理想环境，因为通过螺旋进料器返回所述燃烧流化床的催化剂颗粒被加热至大约900℃，这使得所述催化剂连续地再生。
在图3中，对图1的流程进行如下调整：利用在流化床技术中新颖的“Z”阀使所述热沙从所述燃烧区移动至所述裂解区。
与图1中所示的底部管区段与垂直区段呈90°的L-阀20不同，，如图3中的床A38（相当于图1中的18）与床B40（相当于图1中的14）之间所示，非机械的“Z”阀36设计使用接近135°的角度。这允许固体穿过所述阀的无动力转移，因为仅需要重力作为所述固体流动的驱动力。
据信，本发明的优点是实现了更有效的裂解以及获得质量更好的生物油，同时产生的炭可以被用于其它目的。
Claims (37)
1.一种含碳进料裂解装置，其包括两个或更多个热颗粒流化床，和一个或多个用于在两个或更多个所述床之间输送热颗粒的正位移装置；
其中，一个或多个所述流化床包括燃烧区，一个或多个所述流化床包括裂解区；
其中，所述含碳进料装置包括位于所述一个或多个燃烧区与所述一个或多个裂解区之间的一个或多个阀器件，以使热颗粒从所述燃烧区流到所述裂解区，同时阻碍气体在相反方向上的流动；
其中，所述阀为在所述燃烧区与所述裂解区之间采用120o到150o之间的角度的非机械阀，以使热颗粒可以仅需要重力作用从所述一个或多个燃烧区流到所述一个或多个裂解区，同时阻碍气体在相反方向上的流动；
其中，所述裂解流化床具有类似于所述燃烧流化床的喷嘴布置的用于流化气体的喷嘴布置；
其中，当所述热颗粒掉落经过所述喷嘴以取出时，所述喷嘴布置允许通过具有较小滞留体积的正位移装置从所述流化床的底部移除所述热颗粒。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阀为在所述燃烧区与所述裂解区之间采用135°的非机械阀。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述正位移装置为通过可变速驱动马达或恒速驱动马达驱动的螺旋进料器。
4.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述流化床中的热颗粒是沙粒。
5.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述流化床中的热颗粒主要是催化剂颗粒。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述催化剂颗粒是沸石颗粒。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述催化剂颗粒是裂化催化剂颗粒。
8.如权利要求1到3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括再循环导管，用于使所述裂解区中产生的气体进入所述用于燃烧以加热所述热颗粒的燃烧区。
9.如权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述燃烧流化床包括流化床喷嘴，由此将流化气体和/或者任意燃烧气体通过位于所述流化床底部的一个或多个喷嘴注入所述流化床。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，空气穿过所述喷嘴向上或向下进入所述流化床。
11.如权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，在所述裂解装置之后所述装置包括炭分离器，由此捕集炭。
12.一种通过权利要求1所述的含碳进料裂解装置生产生物油的方法，所述方法包括含碳生物质的裂解，其包括：两个或更多个流化床、在一个或多个燃烧流化床内实施的第一燃烧区和在一个或多个裂解流化床内实施的第二裂解区，颗粒物质在所述燃烧流化床中被流化并加热，在所述裂解流化床中，将在所述燃烧区中被加热过的热颗粒用于生物质的裂解，所述燃烧区在大气压下、在400℃-1100℃的温度下运行，并且所述裂解区在大气压到100Barg的压力下、在400℃到900℃的温度下运行。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述燃烧区在900℃的温度下运行。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述裂解区在500℃到600℃的温度下运行。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，将来自所述裂解区的裂解气至少部分地再循环至所述燃烧区，作为燃烧的燃料源用于加热所述颗粒。
16.如权利要求12到14中任一项所述的方法，其特征在于，所述热颗粒是沙粒或催化剂颗粒。
17.如权利要求12到14中任一项所述的方法，其特征在于，所述裂解区在大气压下运行。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，因为生成更多的CO2以及由此反应将会更少地吸热，使得在所述裂解区中的催化剂的使用允许更大的生物质生产量。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述催化剂为裂化催化剂。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述催化剂为酸性沸石催化剂。
21.如权利要求12到14中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃烧流化床的面积比所述裂解床的面积大2-6倍。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述燃烧流化床的面积比所述裂解床的面积大3-4倍。
23.如权利要求12到14中任一项所述的方法，其特征在于，为了在给定面积的床内燃烧尽可能多的氧气，所述燃烧流化床内的表观气速SGV可以高至1m/s到4m/s的速率。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，为了在给定面积的床内燃烧尽可能多的氧气，所述燃烧流化床内的表观气速SGV可以高至2m/s的速率。
25.如权利要求12到14中的任一项所述的方法，其特征在于，所述裂解流化床中的SGV为0.2至2m/s。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述裂解流化床中的SGV为0.5m/s。
27.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述再循环裂解气的SVG根据在所述燃烧区内的热颗粒的夹带程度来控制或选择。
28.如权利要求12到14中的任一项所述的方法，其特征在于，通过与离开所述燃烧区的气体换热来预热所述流化床的空气供给。
29.如权利要求12到14中的任一项所述的方法，其特征在于，通过改变热颗粒从所述裂解区到所述燃烧区的输送速率来控制所述燃烧流化床的温度。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，通过改变驱动用于上述目的的正位移装置的马达的速度实现所述热颗粒的输送速率的变化。
31.如权利要求12到14中的任一项所述的方法，其特征在于，通过改变进入所述裂解区的生物质的速率控制所述裂解区中的温度。
32.如权利要求12到14中的任一项所述的方法，其特征在于，所述再循环气体流速是固定的，以保证所述裂解流化床内的充分流化。
33.如权利要求12到14中的任一项所述的方法，其特征在于，所述流化床包括分离区。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，因为在高温时充分密封困难，使得所述裂解流化床和燃烧流化床的分离区内的压力均接近于大气压。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，通过控制引风机的速度或通过控制设置在低压管线中的阻尼器来控制所述裂解流化床和燃料流化床的分离区内的压力。
36.如权利要求12到14中的任一项所述的方法，其特征在于，通过改变从所述再循环气流释放出的吹扫气体的量来控制所述裂解区内的压力。
37.如权利要求16所述的方法，其特征在于，催化剂颗粒被用作所述热颗粒，由于所述燃烧区烧掉了在裂解期间在所述颗粒的孔中形成的任何焦炭，因此所述燃烧区也用于再生所述催化剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |