CN104818053B - 一种基于电磁感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置及其方法。装置包括感应加热炉和管式催化反应器反应器内填充有铁基催化剂，其中铁基催化剂在电磁感应的作用下表面温度升高。将原始含有焦油、固体颗粒物的气化气供给至管式催化反应器，焦油在高温铁基催化剂表面发生热裂解和催化裂解，铁基催化剂也可以过滤气化气中的固体颗粒物。焦油裂解产生的H₂将铁氧化物还原为铁单质，保证了铁基催化剂较高的催化活性。铁表面产生的积碳还可与CO₂或者与水蒸气发生反应，使铁基催化剂不易失活。本发明充分利用高温和铁基催化剂对焦油的热裂解和催化裂解作用。同时由于感应加热技术使得金属自身发热，又可以减少能耗，提高能量使用效率。

Description

一种基于电磁感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置 及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于电磁感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置及其方法。

背景技术

目前，气化技术与装置是处理废弃物十分有效的方法，可以最大化的实现城市生活废弃物的减量化、无害化和资源化，可以大幅减少常规直接焚烧后带来的飞灰二次污染。更重要的是在气化环境下二噁英等物质生成浓度可以极大的被控制。但是由于组分复杂性，废弃物在气化时容易产生较多的焦油，焦油的存在主要引起以下缺点：(1) 焦油在低温下会形成粘稠状的液体，与水和飞灰等一些杂质结合后具有腐蚀性，长期积累会堵塞管道，造成生产的不连续性，甚至停产；(2)气化产生的焦油占生物质总能量的5~10％，如其不能将其转化成有用的可燃气体，将会大大降低废弃物的能源化利用率。另外，如果采用水洗等湿法除焦的话，水洗后的焦油中的气体热值大大降低，不仅间接降低生物质的可利用率，而且还会产生大量有机废水，造成对环境的二次污染；(3) 焦油中的多种物质具有致癌作用，如果其排放到大气中，对人体健康影响较大；(4) 焦油在低温下与可燃气一起燃烧时，难以燃烧完全，易产生炭黑等，对燃气利用设备损害严重。由此可见，如何有效去除气化过程中产生的焦油，把它转化为有用的可燃气体是废弃物气化技术的关键所在。

目前的焦油去除技术当中催化裂解技术是公认最有效的方法，该种方法不仅能够在较低反应温度下得到较高的焦油去除率，而且还能提高气体热值和产量。目前，裂解催化剂主要包含天然矿物类、碱金属类、镍基催化剂类三种，其中镍基催化剂转化活性最好，然而它价格昂贵且易失活，对它的处理也是一大难题。白云石催化剂虽然价格便宜却没有足够的机械强度，且易失活。铁基催化剂比镍基催化剂便宜且无毒。

目前我国生活垃圾焚烧底渣中含有大量铁的氧化物，是催化裂解焦油的一种理想选择。焦油的催化转化是一个非常复杂的多相催化的反应网络，主要涉及下列反应：

裂化反应：

重整反应：

缩合反应：中间产物重新聚合生成大分子化合物的反应

气化反应：。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种基于电磁感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置及其方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于电磁感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置包括感应加热炉和管式催化反应器，其中管式催化反应器底部设有烟气颗粒出口、下部侧壁上设有含焦气化气入口，上部侧壁上设有含焦气化气出口，管式催化反应器内填充有铁基催化剂,管式反应器置于感应加热炉内，感应加热炉包括电磁感应线圈，其中的铁基催化剂在电磁感应的作用下表面温度升高。

所述装置的废弃物气化气提质方法包括如下步骤：

1）感应加热炉将管式催化反应器内的铁基催化剂加热至800~900 °C；

2）含有焦油、固体颗粒物的气化气和水蒸气通入管式催化反应器的含焦气化气入口，通过高温铁基催化剂，在高温和铁催化剂的作用下对焦油进行高温裂解和催化裂解，同时铁基催化剂形成的催化床可以有效过滤其中的固体颗粒物；

3）焦油裂解产生具有还原性的气体H₂，将以Fe₂O₃、Fe₃O₄为主的铁的氧化物还原为铁单质；铁在单质状态下对焦油具有最好的催化裂解性能；

4）部分铁单质在水蒸气气氛下可能被氧化成以Fe₂O₃、Fe₃O₄为主的铁的氧化物，这部分铁的氧化物随时被H₂还原为铁单质；

5）焦油裂解产生的碳质与CO₂发生消炭反应生成CO，或者与水蒸气发生水煤气反应生成CO和H₂；

6）从管式催化反应器含焦气化气出口获得低焦油含量和颗粒物含量的重整气化气，固体颗粒物经催化床的过滤从烟气颗粒出口排出。

所述的感应加热炉为中频加热炉，其控制电源将工频50 HZ交流电转变为300 HZ以上至1000 HZ的中频，加热深度为2~10 mm。

所使用的铁基催化剂来源于生活垃圾废弃物焚烧后底渣中的废铁。

本发明与现有技术相比具有的显著差别是：管式催化反应器内的铁基催化剂在电磁感应加热的作用下被加热至800~900 °C，与流化床或者固定床焦油催化裂解相比，感应加热只加热催化剂表面部分，而烟气本身并不加热，大幅降低了催化裂解能耗。此外，感应加热的功率密度更大，在一些需要更高温度的场合也可以满足要求。由于感应加热是使金属被加热体自身发热，加热速度快，热损失少，若结合具体情况在加热体外部包裹隔热保温材料，则节能效果十分显著，可达30~80%。此外，焦油在高温和铁基催化剂的共同作用下发生热裂解和催化裂解，除焦效率大大提高，使原始气化气中的焦油接近完全裂解。另外，铁基催化剂来源于生活垃圾废弃物焚烧底渣，实现了废弃物的资源化利用，大大降低了生产成本。此外，催化床对固体颗粒物也起到良好的过滤效果。本发明的突出优势为可以充分利用高温和铁基催化剂对焦油的热裂解和催化裂解作用。此外，由于焦油裂解产生的H₂具有很好的还原性，可以随时将铁基催化剂被氧化产生的铁的氧化物还原为铁单质，从而有效保持了铁基催化剂较高的催化性能。另外，焦油裂解后产生的碳质还可与CO₂或水蒸气发生反应生成CO和H₂，避免了铁基催化剂由于积碳而失活。同时由于感应加热的选择性，又可以减少能耗，提高能量使用效率。

附图说明

图1为基于感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置的工作流程示意图；

其中，感应加热炉1，管式催化反应器2，铁基催化剂3，电磁感应线圈4。

具体实施方式

感应加热炉的基本工作原理是：将工频50 HZ交流电转变为中频（300 HZ 以上至1000 HZ）电流，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。例如，把一根金属圆柱体放在有交变中频电流的感应线圈里，金属圆柱体没有与感应线圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可是圆柱体表面被加热到发红，甚至熔化，而且这种发红和熔化的速度只要调节频率大小和电流的强弱就能实现。如果圆柱体放在线圈中心，那么圆柱体周边的温度是一样的，圆柱体加热和熔化也没有产生有害气体、强光污染环境。

中频加热炉具有以下优势：

（1）加热速度快，生产效率高；

（2）炉子周围温度低、烟尘少、作业环境好；

（3）加热均匀，芯表温差极小，温控精度高；

（4）能耗低、节电效果好。

如图1所示，一种基于电磁感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置包括感应加热炉1和管式催化反应器2，其中管式催化反应器底部设有烟气颗粒出口、下部侧壁上设有含焦气化气入口，上部侧壁上设有含焦气化气出口，管式催化反应器2内填充有铁基催化剂3，管式反应器置于感应加热炉内，感应加热炉1包括电磁感应线圈4，其中的铁基催化剂在电磁感应的作用下表面温度升高。

工作时，感应加热炉将管式催化反应器内的铁基催化剂加热至800~900 °C。含有焦油、固体颗粒物等杂质的气化气和水蒸气通入管式催化反应器的进气口，通过高温铁基催化剂，在高温和催化剂的作用下对焦油进行高温裂解和催化裂解，同时铁基催化剂形成的催化床可以有效过滤其中的固体颗粒物。焦油裂解产生具有还原性的气体H₂，将Fe₂O₃、Fe₃O₄等铁的氧化物还原为铁单质。铁在单质状态下对焦油具有最好的催化裂解性能；部分铁单质在水蒸气气氛下可能被氧化成以Fe₂O₃、Fe₃O₄为主的铁的氧化物，这部分铁的氧化物随时被H₂还原为铁单质。焦油裂解产生的碳质与CO₂发生消炭反应生成CO，或者与水蒸气发生水煤气反应生成CO和H₂。这样，从管式催化反应器出气口就可以获得低焦油含量和颗粒物含量的重整气化气。

依据本实施例的方法实现废弃物气化气提质，可发挥高温热裂解和铁基催化剂催化裂解的协同作用，大大提高了焦油裂解效率，使经过催化床后的气化气焦油含量接近于零。KTH的相关研究表明：铁单质具有远高于其氧化物的催化性能。所以铁在高温下被氧化后，会导致其催化活性降低。而焦油的裂接反应会产生还原性气体H₂，可以随时将铁的氧化物还原为铁单质，保持了其较高的催化活性。焦油裂解产生的碳质还可与CO₂或水蒸气发生反应生成CO和H₂，避免了由于积碳导致的催化剂失活问题，提高了催化剂的使用寿命。密集的铁基催化床还可以作为过滤装置去除气化气中大部分固体颗粒物，获得清洁的气化气。本实施例中首次使用感应加热方式对铁进行加热，相比于现有技术中普遍使用的传统加热方式，加热速度快，加热均匀，生产效率高；同时由于感应加热具有选择性，所以能耗低，节能效果好。本实验的另一创新点与优势在于合理利用了废弃物焚烧底渣中的铁，实现了废弃物的资源化利用，大大降低了生产成本。

尽管上面对本发明说明书的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于电磁感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置的废弃物气化气提质方法，所述的基于电磁感应加热铁基催化剂的废弃物气化气提质装置包括感应加热炉（1）和管式催化反应器（2），其中管式催化反应器底部设有烟气颗粒出口、下部侧壁上设有含焦气化气入口，上部侧壁上设有含焦气化气出口，管式催化反应器（2）内填充有铁基催化剂（3）,管式反应器置于感应加热炉内，感应加热炉（1）包括电磁感应线圈（4），其中的铁基催化剂在电磁感应的作用下表面温度升高；

其特征在于包括如下步骤：

1）感应加热炉将管式催化反应器内的铁基催化剂加热至800~900 °C；所述的感应加热炉为中频加热炉，其控制电源将工频50 Hz交流电转变为300 Hz以上至1000 Hz的中频，加热深度为2~10 mm；

2）含有焦油、固体颗粒物的气化气和水蒸气通入管式催化反应器的含焦气化气入口，通过高温铁基催化剂，在高温和铁催化剂的作用下对焦油进行高温裂解和催化裂解，同时铁基催化剂形成的催化床可以有效过滤其中的固体颗粒物；

3）焦油裂解产生具有还原性的气体H₂，将以Fe₂O₃、Fe₃O₄为主的铁的氧化物还原为铁单质；铁在单质状态下对焦油具有最好的催化裂解性能；

4）部分铁单质在水蒸气气氛下可能被氧化成以Fe₂O₃、Fe₃O₄为主的铁的氧化物，这部分铁的氧化物随时被H₂还原为铁单质；

5）焦油裂解产生的碳质与CO₂发生消炭反应生成CO，或者与水蒸气发生水煤气反应生成CO和H₂；

6）从管式催化反应器含焦气化气出口获得低焦油含量和颗粒物含量的重整气化气，固体颗粒物经催化床的过滤从烟气颗粒出口排出。

2.根据权利要求1所述的废弃物气化气提质方法，其特征在于所使用的铁基催化剂来源于生活垃圾废弃物焚烧后底渣中的废铁。