CN103627417A - 一种秸秆成型燃料制生物质炭联产二甲醚的方法 - Google Patents

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Abstract

一种秸秆成型燃料制生物质炭联产二甲醚的方法，属于清洁燃料技术领域。该方法以棉花、玉米等农业秸秆固化成型燃料为原料，通过干馏热解、催化裂解、净化调质、二甲醚合成及精馏工艺步骤，制取二甲醚。本发明工艺过程简单，采用秸秆固化成型燃料干馏热解技术制生物质炭，采用热解气催化裂解技术、气体净化技术和二甲醚合成技术联产二甲醚；对干馏气进行催化裂解重整获得合成气，干馏热解系统不需水洗脱除焦油，完全不消耗水，减少了二次污染；正常运行过程中所需能源热和蒸汽，可由自身提供，降低了能耗；原料在热解炉内几乎无氧的条件下进行低温热解干馏，产生不含重金属的清洁燃气，易于重整为合成气，是秸秆资源的一项高值化综合利用技术。

Description

一种秸秆成型燃料制生物质炭联产二甲醚的方法
技术领域
本发明属于清洁燃料技术领域，涉及一种秸秆成型燃料制生物质炭联产二甲醚的方法。
背景技术
能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。目前，世界能源结构是以煤炭、石油和天然气等化石能源为主体的结构。而化石能源是不可再生的资源，大量耗用终将枯竭，并且在生产和消费过程中有大量污染物排放，破坏生态与环境。在全球能源形势紧张、全球气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。开发可再生能源、改善能源结构是优化能源配置，促使经济、能源和环境协调发展的需要。我国是世界上最大的能源消费国之一，要满足未来社会经济的发展，完全依赖煤炭、石油等常规能源，既不现实也不可行。面对严峻的能源危机和环境问题，积极开发和利用可再生能源，是改善能源结构的必由之路。
我国生物质资源非常丰富，生物质能在一次能源消耗中占有重要地位，但是传统的生物质能利用方式即利用率低又对环境污染严重。纵观现状，如何改变生物质资源的利用方式，综合利用变废为宝，对于促进国民经济发展和环境保护具有重要意义。
我国石油液化气消费量居世界第三，产量却位居世界第四，主要是城市中的生活用气，其次是石油液化气汽车。鉴于国内石油液化气增产能力有限，大量依赖进口，已经成为仅次于日本的第二大石油液化气进口国。国内外对二甲醚替代石油液化气做燃料的技术经济分析表明，假设二甲醚替代进口的石油液化气，以目前的进口量计算，需要燃料级二甲醚1000万吨以上。随着人民生活水平的不断提高，对民用燃料的需求量将会有较大的增长，特别是对二甲醚、天然气、石油液化气等清洁能源的需求会有很大的增长，因此，二甲醚作为民用燃料的发展前景十分光明。除可作为优质的民用燃料外，二甲醚还可以代替柴油用作发动机燃料，随着工业和科学技术的发展，二甲醚的用途将越来越广泛，需求量也将越来越大。
农作物秸秆生物质炭是替代传统煤炭和液化气等高品位的“绿色”民用燃料，尤其易于加工成“型煤”，具有易燃、即燃的特点。工业中大量使用的化铁炉、锅炉，生火时需耗用大量劈柴点火，劈柴售价远比煤高，用秸秆生物质炭代替劈柴和煤较为经济。另外，生物质炭在冶金业可用做炼制的还原剂；在橡胶行业可作为碳黑替代品；制成活性炭后可广泛应用于化工、医药、环保等方面；还可用于有色金属生产、黑火药、固体润滑剂、电极碳制品等。目前，美国、欧洲约有5600多家秸秆成型燃料工厂，生物质炭产量400万吨左右。我国生物质炭转型优化技术也取得了很大的进步，海口市建成2万t/a生物质炭燃料厂，一些省市都能生产压缩生物质的成型机，并进一步生产生物质炭。
目前，生物质炭的制备技术主要是农业有机废弃物的低温厌氧热解或低温厌氧催化热解技术。生物质制二甲醚的方法主要有：（1）生物质在气化炉中气化制取燃气，燃气重整制取合成气，合成气净化后采用“两步法”或“一步法”制取二甲醚；（2）生物质中温快速热解制取生物油，生物油裂解制取合成气，合成气净化后采用“两步法”或“一步法”制取二甲醚。虽然生物质制生物质炭和生物质制二甲醚的技术国内外已有了不同程度的发展，但生物质制生物质炭联产二甲醚的工艺方法的合理匹配和总体经济性有待于进一步的提高。
发明内容
针对目前生物质制生物质炭和二甲醚工艺过程中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种以秸秆成型燃料为原料制生物质炭联产二甲醚的方法，更是提供一种秸秆高资源高值化综合利用的新方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是所提供的秸秆成型燃料制生物质炭联产二甲醚的方法包括以下工艺步骤：
1）干馏热解：
秸秆成型燃料经封闭式连续进料至热解炉，确保热解过程在缺氧少氧的环境中进行。利用后续二甲醚合成工段回收热量或电加热装置对热解炉加温至400-650oC，热解时间为10-60min，秸秆成型燃料发生热解反应，产生固体产物生物质炭和混合有粉尘的粗燃气。通过旋风分离装置对粗燃气中的粉尘进行分离，得到纯净的热解气和生物质灰副产物。固体产物生物质炭经封闭式连续出料排出热解炉。
2）催化裂解：
步骤1的热解气以氮气携带的方式进入裂解炉的催化剂床层中，利用电加热装置或后续工段回收的热量对裂解炉加温至900-1200oC，在橄榄石为载体的NiMgCeWO复合金属催化剂（专利CN 102145292 A）的作用下，热解气发生裂解反应，生成组分为H2、CO和CO2等的裂解气，避免了大量焦油的产生。
3）净化调质：
步骤2的裂解气为混合气，过多的气体组分和含量影响二甲醚的合成效率。裂解气通入气体净化设备进行碱液脱硫、水洗涤除去焦油和部分二氧化碳，调整H2和CO、CO2的比例，有利于二甲醚的合成。
4）二甲醚合成：
将改性拟薄水铝石与CuZnAlO复合金属催化剂复合而成的催化剂（专利CN 101940934 A）装填在合成塔中，将步骤3的净化调质后的合成气加压、升温进行合成反应，得到粗二甲醚。合成反应条件为：温度240-260oC，压力4.0-6.0 MPa，空速1000-2000 h-1。
5）精馏：
步骤4合成的粗二甲醚进入精馏塔，精馏除去所含杂质，脱水至H2O≤ 1.1%，脱甲醇至CH3OH≤0.8%，得到产品二甲醚。
本发明具有以下突出优点和积极效果：
（1）设计工艺环保，减少二次污染：国内普遍采用水洗的方法清除燃气中的焦油，由此产生了有害的含焦油废水。目前的各种废水处理措施，不能完全杜绝污泥和少量高浓度废水的排放。相比较直燃技术而言，热解技术在采用相同的气体净化设备的条件下，其污染要比直燃小得多。本发明对干馏气进行催化裂解重整获得合成气，干馏热解系统完全不消耗水，仅在气体净化时消耗少量的水，减少了二次污染。
（2）资源的最有效回收利用：本发明的整套干馏热解联合催化合成系统只在启动阶段需要直接外部能源，正常运行过程中所需能源（热和蒸汽）均可由自身提供，大大降低了能耗。
（3）原料综合利用率高：本发明工艺可得到具有高热值、高商业附加值的二甲醚燃料和生物质炭，原料综合利用率大于70%。
（4）“无氧”的热解工艺：本发明在几乎无氧的条件下，原料在热解炉内400-650 oC的环境下进行低温干馏，所含的重金属被固化到热解剩余物中，可产生不含重金属的清洁燃气，易于重整为合成气。同时由于是在少氧或极少量空气的环境下，可以避免生物质炭粉自燃。
（5）制取的生物质炭固体碳含量高、密度大、发热量高；制取的二甲醚纯度≥ 98.0%，达到燃料级质量指标，再经后续分离精制可达工业级或精二甲醚质量指标。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面以棉柴秸秆为原料，对本发明实施的具体实例作进一步的详细描述：
实施例1
（1）干馏热解：
秸秆成型燃料经封闭式连续进料至热解炉，确保热解过程在缺氧少氧的环境中进行。利用后续工段回收热量或电加热装置对热解炉加温至400oC，热解时间为60 min，秸秆成型燃料发生热解反应，产生固体产物生物质炭和混合有粉尘的粗燃气。通过旋风分离装置对粗燃气中的粉尘进行分离，得到纯净的热解气和生物质灰副产物。固体产物生物质炭经封闭式连续出料排出热解炉。热解过程中原料总转化率= 97.9%。
干馏热解过程中物料发生了复杂的物理、化学反应，生成的液体产物中主要含有醋酸、焦油和甲醇（冷却时析出来）；气体产物中主要有CO2、CO、CH4和H2等。由于液体产物未进行冷却，以气体形式与气体产物一起作为粗燃气。
（2）催化裂解：
热解气以氮气携带的方式进入裂解炉的催化剂床层中，氮气流速300 ml/min，利用电加热装置或后续工段回收的热量对裂解炉加温至900oC，在橄榄石为载体的NiMgCeWO复合金属催化剂（专利CN 102145292 A）的作用下，热解气发生裂解反应，生成组分为H2、CO和CO2等的裂解气，焦油含量小于15ppm。
（3）净化调质：
裂解气通入气体净化设备进行碱液脱硫、水洗涤除去焦油和部分二氧化碳，调质后的H2和CO、CO2的体积比例为1：1：1。
（4）二甲醚合成：
将改性拟薄水铝石与CuZnAlO复合金属催化剂复合而成的催化剂（专利CN 101940934 A）装填在合成塔中，H2和CO、CO2的体积比例为1：1：1的合成气（空速1000 h-1）经压缩机压缩到4.0 Mpa，通过合成塔（260 oC）进行合成反应。反应分离出粗二甲醚，未反应的气体回收燃烧供应系统热量。
催化合成的主要反应式如下：
Figure 807720DEST_PATH_IMAGE001
（5）精馏：
粗二甲醚进入精馏塔，精馏除去所含甲醇和水杂质，得到产品二甲醚。
经以上步骤总的产物产率= 74.9%（以重量计）。其中生物质炭的产率= 48.6%，其固体碳含量= 86.4%，含水率= 1.5%，密度=1.2 kg/m3，发热量= 6120 kcal/kg；二甲醚的产率= 24.6%，其纯度= 99.2%，水含量= 0.5%，甲醇含量= 0.2%，其它含碳化合物的质量分数= 0.07%；副产物生物质灰产率=1.7%，且副产物生物质灰用作有机肥料原料效果良好。
实施例2
（1）干馏热解：
棉柴秸秆成型燃料经封闭式连续进料至热解炉，确保热解过程在缺氧少氧的环境中进行。利用电加热装置对热解炉加温至500oC，热解时间为30 min，棉柴秸秆成型燃料发生热解反应，产生固体产物生物质炭和混合有粉尘的粗燃气。通过旋风分离装置对粗燃气中的粉尘进行分离，得到纯净的热解气和生物质灰副产物。固体产物生物质炭经封闭式连续出料排出热解炉。热解过程中原料总转化率= 97.0%。
干馏热解过程中物料发生了复杂的物理、化学反应，生成的液体产物中主要含有醋酸、焦油和甲醇（冷却时析出来）；气体产物中主要有CO2、CO、CH4和H2等。由于液体产物未进行冷却，以气体形式与气体产物一起作为粗燃气。
（2）催化裂解：
热解气以氮气携带的方式进入裂解炉的催化剂床层中，氮气流速300 ml/min，利用电加热装置或后续工段回收的热量对裂解炉加温至1000oC，在橄榄石为载体的NiMgCeWO复合金属催化剂（专利CN 102145292 A）的作用下，热解气发生裂解反应，生成组分为H2、CO和CO2等的裂解气，焦油含量小于15ppm。
（3）净化调质：
裂解气通入气体净化设备进行碱液脱硫、水洗涤除去焦油和部分二氧化碳，调质后的H2和CO、CO2的体积比例为1：1：1。
（4）二甲醚合成：
将改性拟薄水铝石与CuZnAlO复合金属催化剂复合而成的催化剂（专利CN 101940934 A）装填在合成塔中，H2和CO、CO2的体积比例为1：1：1的合成气（空速1500h-1）经压缩机压缩到6.0 Mpa，通过合成塔（250 oC）进行合成反应。反应分离出粗二甲醚，未反应的气体回收燃烧供应系统热量。
催化合成的主要反应式如下：
（5）精馏：
粗二甲醚进入精馏塔，精馏除去所含甲醇和水杂质，得到产品二甲醚。
经以上步骤总的产物产率= 75.7%（以重量计）。其中生物质炭的产率= 47.5%，其固体碳含量= 85%，含水率= 1.7%，密度= 1.1 kg/m3，发热量= 5900 kcal/kg；二甲醚的产率= 26.7 %，其纯度= 98.5%，水含量= 0.9%，甲醇含量= 0.5%，其它含碳化合物的含量= 0.08%；副产物生物质灰产率=1.5%，且副产物生物质灰用作有机肥料原料效果良好。
实施例3
（1）干馏热解：
秸秆成型燃料经封闭式连续进料至热解炉，确保热解过程在缺氧少氧的环境中进行。利用后续工段回收热量或电加热装置对热解炉加温至650oC，热解时间为10 min，秸秆成型燃料发生热解反应，产生固体产物生物质炭和混合有粉尘的粗燃气。通过旋风分离装置对粗燃气中的粉尘进行分离，得到纯净的热解气和生物质灰副产物。固体产物生物质炭经封闭式连续出料排出热解炉。热解过程中原料总转化率= 96.1%。
干馏热解过程中物料发生了复杂的物理、化学反应，生成的液体产物中主要含有醋酸、焦油和甲醇（冷却时析出来）；气体产物中主要有CO2、CO、CH4和H2等。由于液体产物未进行冷却，以气体形式与气体产物一起作为粗燃气。
（2）催化裂解：
热解气以氮气携带的方式进入裂解炉的催化剂床层中，氮气流速300 ml/min，利用电加热装置或后续工段回收的热量对裂解炉加温至1200oC，在橄榄石为载体的NiMgCeWO复合金属催化剂（专利CN 102145292 A）的作用下，热解气发生裂解反应，生成组分为H2、CO和CO2等的裂解气，焦油含量小于15ppm。
（3）净化调质：
裂解气通入气体净化设备进行碱液脱硫、水洗涤除去焦油和部分二氧化碳，调质后的H2和CO、CO2的体积比例为1：1：1。
（4）二甲醚合成：
将改性拟薄水铝石与CuZnAlO复合金属催化剂复合而成的催化剂（专利CN 101940934 A）装填在合成塔中，H2和CO、CO2的体积比例为1：1：1的合成气（空速2000 h-1）经压缩机压缩到5.0 Mpa，通过合成塔（240 oC）进行合成反应。反应分离出粗二甲醚，未反应的气体回收燃烧供应系统热量。
催化合成的主要反应式如下：
Figure 504598DEST_PATH_IMAGE001
（5）精馏：
粗二甲醚进入精馏塔，精馏除去所含甲醇和水杂质，得到产品二甲醚。
经以上步骤总的产物产率= 75.1%（以重量计）。其中生物质炭的产率= 45.5%，其固体碳含量= 83.7%，含水率= 1.8%，密度= 1.0 kg/m3，发热量= 5530 kcal/kg；二甲醚的产率= 28.0 %，其纯度= 98.3%，水含量= 1.0%，甲醇含量= 0.6%，其它含碳化合物的含量= 0.09%；副产物生物质灰产率=1.6%，且副产物生物质灰用作有机肥料原料效果良好。

Claims (2)

1.一种秸秆成型燃料制生物质炭联产二甲醚的方法，其特征是该方法工艺步骤如下：
1）干馏热解：
秸秆成型燃料经封闭式连续进料至热解炉，确保热解过程在缺氧少氧的环境中进行；利用后续二甲醚合成工段回收热量或电加热装置对热解炉加温至400-650oC，热解时间为10-60 min，秸秆成型燃料发生热解反应，产生固体产物生物质炭和混合有粉尘的粗燃气；通过旋风分离装置对粗燃气中的粉尘进行分离，得到纯净的热解气和生物质灰副产物；固体产物生物质炭经封闭式连续出料排出热解炉；
2）催化裂解：
步骤1的热解气以氮气携带的方式进入裂解炉的催化剂床层中，利用电加热装置或后续工段回收的热量对裂解炉加温至900-1200oC，在橄榄石为载体的NiMgCeWO复合金属催化剂的作用下，热解气发生裂解反应，生成组分为H2、CO和CO2的裂解气，避免了大量焦油的产生；
3）净化调质：
步骤2的裂解气为混合气，过多的气体组分和含量影响二甲醚的合成效率；裂解气通入气体净化设备进行净化，碱液脱硫、水洗涤除去焦油和部分二氧化碳，调整H2和CO、CO2的比例，有利于二甲醚的合成；
4）二甲醚合成：
将步骤3得到的合成气经压缩机提压进入装填有催化剂的二甲醚合成塔中，控制合成反应条件为：温度240-260oC，压力4.0-6.0 MPa，空速1000-2000 h-1；未反应的合成气回收燃烧供给步骤1热解工段热量；
5）精馏：
步骤4合成的粗二甲醚进入精馏塔，精馏除去所含杂质和水，脱水至H2O≤ 1.1%，脱甲醇至CH3OH≤ 0.8%，得到产品二甲醚。
2.根据权利要求1所述的一种秸秆成型燃料制生物质炭联产二甲醚的方法，其中，步骤4中所用的催化剂为改性拟薄水铝石与CuZnAlO复合金属催化剂复合而成催化剂。
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