CN105713626B - 一种适用于生物质催化热裂解的高通量反应器 - Google Patents

一种适用于生物质催化热裂解的高通量反应器 Download PDF

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Abstract

一种适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，包括预热罐、固体粉末生物质进料器、平行流化床反应器、多通道气体分配器、多通道加热炉、温控系统、高分辨飞行质谱；气源与预热罐连接，预热罐通过多通道气体分配器与多通道加热炉连接；平行流化床反应器安装在多通道加热炉中；温控系统分别与多通道加热炉和高分辨飞行质谱连接；固体粉末生物质进料器与平行流化床反应器连接。本发明的优点：由多通道加热炉、多通道气体分配器、以及多个流化床反应器组成高通量催化热裂解反应系统，所有反应器统一控温。高通量反应系统可实现快速切换。采用多孔滤杯来实现催化剂、粉尘以及产物气体的分离。将产物直接接入到高分辨飞行质谱进行快速在线分析。

Description

一种适用于生物质催化热裂解的高通量反应器
技术领域
本发明涉及生物质催化热裂解领域，特别涉及了一种适用于生物质催化热裂解的高通量反应器。
背景技术
作为不可再生的化石资源，随着其消耗量的增加，致使化石资源储量降低，而在开发化石资源的过程中，又会对环境造成影响。因此寻找开发新型能源已经势在必行，开发利用绿色环保可再生生物质资源便是优秀选项之一。生物质资源是植物通过利用光能吸取二氧化碳而产生的可再生资源，而我国生物质能储量丰富，仅仅从农业废弃物、能源林业和其他形式的能源作物的储量就相当于9亿吨标准煤，而具有可替代石油资源的薯类、高粱、甘蔗、木本油料、秸秆以及植物纤维素原料的储量可相当于2.7亿吨石油。由此可见我国生物质资源储量大，可利用潜力高。从我国的具体情况以及生物质能源的各种优势判断，开发和利用生物质能源是符合我国能源发展战略的。
生物质催化热裂解过程要求生物质快速的升温，目前在研究生物质催化热裂解的过程中，大都采用热解仪连接气相色谱与质谱连用来研究，采用该方法进行生物质催化热裂解的过程时，生物质以及催化剂的装载量很小，生物质进料量仅仅为毫克级别，再加上装料仓快速的升温速率，从而可以保证生物质在反应过程中具有良好的传热效果。然而这也限制了其对于生物质催化热裂解过程的研究，由于采用裂解仪，生物质在其料仓内气化之后通过催化剂床层，这种脉冲式的进料限制了催化剂与生物质用量比例的考察，且对催化剂的寿命也无法考察。本发明中设计的固体粉末进料器，可以实现在流化床工作状态下的不同粒径固体粉末的间歇性进料，同时其加料量可以从20毫克到15克之间进行调变，从而可以实现不同催化剂与生物质原料量条件下的反应，对于生物质催化热裂解反应的研究更为有利。同时采用气相色谱与质谱连用，其分析样品的时间较长，高分辨飞行质谱可以即时监测样品，采用高分辨飞行质谱对于生物质催化热烈解的反应过程的研究过程更为完整。
Symyx以及Avantium公司开发的高通量反应器对于本发明的设计有所启发，但上述两个公司并未设计具有快速升温以及固体进料的的高通量反应单元，由于生物质催化热裂解的反应需要生物质的快速升温以及生物质固体粉末的间歇性加入，所以已经存在的高通量反应器无法满足生物质催化热裂解的需求，所以文中设计了多通道的流化床反应器，可以实现生物质原料的快速升温，并且设计了具有固体粉末间歇性加入的固体固体粉末生物质进料器，从而满足生物质催化热裂解反应的需求。生物质催化热裂解的气化产物并不稳定，反应与分析之间的时间过长，会影响结果的分析，Symyx以及Avantium公司的高通量反应器都采用气相色谱以及质谱对于反应产物进行分析，该方法不适于生物质催化热裂解产物的检测，本发明选用高分辨飞行质谱对于生物质催化热裂解的气化产物进行检测，可以快速的进行产物的分析，从而得到未经过变化的气化产物信息。
发明内容
本发明的目的是为了实现生物质以及其他固体碳氢化合物的催化热裂解的高效评选，特提供了一种适用于生物质催化热裂解的高通量反应器。
本发明提供了一种适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，其特征在于：所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，包括预热罐2、固体粉末生物质进料器3、流化床反应器4、多通道气体分配器5、多通道加热炉6、温控系统7、高分辨飞行质谱8；
其中：气源1与预热罐2连接，预热罐2通过多通道气体分配器5与多通道加热炉6连接；流化床反应器4安装在多通道加热炉6中；温控系统7分别与多通道加热炉6和高分辨飞行质谱8连接；固体粉末生物质进料器3与流化床反应器4连接；
将气源1预热，经过多通道气体分配器与每个反应器相连接；之后经由布风板进入每个反应器；在反应过程中可以通过固体粉末生物质进料器进行多次生物质进料；反应产生的烟尘和气化产物经由气固分离滤杯进行分离，气化产物经由带有保温的管线输送进入高分辨飞行质谱进行检测。
所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，包括4～16个流化床反应器4，每个流化床反应器4都具有独立的反应腔体，每个流化床反应器4都有进口并与多通道气体分配器相连接，用于流化的气体经由多通道气体分配器5经过进口进入反应腔体，流化在反应器腔体内的催化剂；每个流化床反应器4还具有出口，每个出口前有多孔滤杯9，气化产物经由流化气体吹送，带出反应器进入高分辨飞行质谱；流化床反应器4的下面带有布风板10。
反应温度在100℃～700℃之间，反应条件为常压。能够评价固体生物质以及其他固体碳氢化合物催化热裂解催化剂的反应功能。采用多孔滤杯实现气化产物与催化剂颗粒以及其他固体颗粒的分离。可实现固体生物质以及其他固体碳氢化合物的快速热解以及热裂解。固体碳氢化合物包括煤粉末、生物质粉末以及其他固体碳氢化合物粉末。生物质包括植物、微生物以及植物、微生物为食的动物以及产生的废气物经过加工研磨得到的固体粉末。煤粉末包括无烟煤、贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤以及褐煤经过加工研磨得到的粉末。其他固体碳氢化合物粉末包括天然或者经过某些加工手段得到的含有碳氢元素的物质经过研磨得到的固体粉末。
所述的固体碳氢化合物粉末，其粒径范围在4目到100目，100目到400目以及400目到800目。
采用固体粉末生物质进料器实现流化床反应器工作条件下的生物质进料。该固体粉末进料器可以实现不同粒径的固体粉末的间歇性累计定量添加。
所述的固体粉末生物质进料器3，包含弹簧12，实现复位功能的往复结构13，弹性盖板11；
固体粉末生物质进料器3内部上部带有弹性盖板11，弹簧12顶着实现复位功能的往复结构13。具有实现固体粉末的间歇性加入的功能。能实现低密度的固体粉末在流化床工作状态下的间歇性加入。
固体固体粉末生物质进料器，其可以实现生物质在密封条件下加料，并且不影响流化床内催化剂的流化效果。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，由多通道加热炉、多通道气体分配器、以及多个流化床反应器组成高通量催化热裂解反应系统，所有反应器统一控温。高通量反应系统可实现快速切换。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，采用多孔滤杯来实现催化剂、粉尘以及产物气体的分离。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，将产物直接接入到高分辨飞行质谱进行快速在线分析。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，采用带有复位功能的往复型填料装置以及弹性盖板的生物质填料器，实现了生物质粉末的间歇性加入。料罐体积可以存放较大量的生物质粉末，并且可以进行微量的间歇性加料，再加上气体辅助脉冲进料，加料过程中无反混。
本发明的优点：
本发明所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，由多通道加热炉、多通道气体分配器、以及多个流化床反应器组成高通量催化热裂解反应系统，所有反应器统一控温。高通量反应系统可实现快速切换。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，采用多孔滤杯来实现催化剂、粉尘以及产物气体的分离。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，将产物直接接入到高分辨飞行质谱进行快速在线分析。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，采用带有复位功能的往复型填料装置以及弹性盖板的生物质填料器，实现了生物质粉末的间歇性加入。料罐体积可以存放较大量的生物质粉末，并且可以进行微量的间歇性加料，再加上气体辅助脉冲进料，加料过程中无反混。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明的生物质催化热裂解高通量反应器的结构图；
图2为本发明中多通道加热炉的俯视图以及截面示意图；
图3为本发明中固体粉末生物质进料器的结构示意图；
图4为本发明中流化床反应器的结构示意图；
图中：1-气源，2-预热罐，3-固体粉末生物质进料器，4-流化床反应器，5-多通道气体分配器，6-多通道加热炉，7-温控系统，8-高分辨飞行质谱，9-多孔滤杯，10-布风板，11-弹性盖板，12-弹簧，13-往复结构。
具体实施方式
实施例1
本实施例所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，其特征在于：所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，包括预热罐2、固体粉末生物质进料器3、流化床反应器4、多通道气体分配器5、多通道加热炉6、温控系统7、高分辨飞行质谱8；
其中：气源1与预热罐2连接，预热罐2通过多通道气体分配器5与多通道加热炉6连接；流化床反应器4安装在多通道加热炉6中；温控系统7分别与多通道加热炉6和高分辨飞行质谱8连接；固体粉末生物质进料器3与流化床反应器4连接；
将气源1预热，经过多通道气体分配器与每个反应器相连接；之后经由布风板进入每个反应器；在反应过程中可以通过固体粉末生物质进料器进行多次生物质进料；反应产生的烟尘和气化产物经由气固分离滤杯进行分离，气化产物经由带有保温的管线输送进入高分辨飞行质谱进行检测。
所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，包括4～16个流化床反应器4，每4个流化床反应器4都具有独立的反应腔体，每个流化床反应器4都有进口并与多通道气体分配器相连接，用于流化的气体经由多通道气体分配器5经过进口进入反应腔体，流化在反应器腔体内的催化剂；每个流化床反应器4还具有出口，每个出口前有多孔滤杯9，气化产物经由流化气体吹送，带出反应器进入高分辨飞行质谱；流化床反应器4的下面带有布风板10。
所述的高分辨飞行质谱8为高分辨飞行质谱检测仪。反应温度在100℃～700℃之间，反应条件为常压。能够评价固体生物质以及其他固体碳氢化合物催化热裂解催化剂的反应功能。采用多孔滤杯实现气化产物与催化剂颗粒以及其他固体颗粒的分离。可实现固体生物质以及其他固体碳氢化合物的快速热解以及热裂解。固体碳氢化合物包括煤粉末、生物质粉末以及其他固体碳氢化合物粉末。生物质包括植物、微生物以及植物、微生物为食的动物以及产生的废气物经过加工研磨得到的固体粉末。煤粉末包括无烟煤、贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤以及褐煤经过加工研磨得到的粉末。其他固体碳氢化合物粉末包括天然或者经过某些加工手段得到的含有碳氢元素的物质经过研磨得到的固体粉末。
所述的固体碳氢化合物粉末，其粒径范围在4目到100目，100目到400目以及400目到800目。
采用固体粉末生物质进料器实现流化床反应器工作条件下的生物质进料。该固体粉末进料器可以实现不同粒径的固体粉末的间歇性累计定量添加。
所述的固体粉末生物质进料器3，包含弹簧12，实现复位功能的往复结构13，弹性盖板11；
固体粉末生物质进料器3内部上部带有弹性盖板11，弹簧12顶着实现复位功能的往复结构13。具有实现固体粉末的间歇性加入的功能。能实现低密度的固体粉末在流化床工作状态下的间歇性加入。
固体固体粉末生物质进料器，其可以实现生物质在密封条件下加料，并且不影响流化床内催化剂的流化效果。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，由多通道加热炉、多通道气体分配器、以及多个流化床反应器组成高通量催化热裂解反应系统，所有反应器统一控温。高通量反应系统可实现快速切换。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，采用多孔滤杯来实现催化剂、粉尘以及产物气体的分离。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，将产物直接接入到高分辨飞行质谱进行快速在线分析。
如上所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，采用带有复位功能的往复型填料装置以及弹性盖板的生物质填料器，实现了生物质粉末的间歇性加入。料罐体积可以存放较大量的生物质粉末，并且可以进行微量的间歇性加料，再加上气体辅助脉冲进料，加料过程中无反混。
由多通道气体分配器、多通道加热炉以及多个流出床组成的高通量反应系统，其中在反应之前往流化床反应器4中添加催化剂，催化剂置于布风板10上，将装填好催化剂的流化床装进多通道加热炉6中。多通道加热炉配有控温系统7。从预热罐2中出来的气体经由多通道气体分配器5与流化床反应器4相连接。
反应过程中，先将流化床反应器4加热，使其内部的催化剂或其他介质加热到反应温度。经过预热罐2将气体加热至反应温度，之后经由多通道气体分配器5输送至流化床反应器4，以一定的气速将流化床反应器4内的介质流化。当流化床反应器4内的温度以及流场稳定后，由生物质加料器3加入到流化床反应器4内。
由弹性盖板11将生物质粉末压紧，由往复结构13来控制生物质粉末的加入。由弹簧提供往复结构13的往复动力。当弹簧压下后，往复结构的下端将脱离加料器3的端口，将往复结构中的生物质粉末加入到加料器3下端连接的三通内，再经由载气吹送进入到流化床反应器4中。在往复结构13下压过程中，工字型的往复结构下端脱离加料器3下端口，工字型的往复结构上端将压紧加料器3的侧壁形成密封，防止生物质粉末在加料过程的反吹。
当生物质粉末加入到反应器之后在高温下发生气化，并与催化剂作用得到产物，气体产物、催化剂颗粒和灰分经由多孔滤杯9进行分离，采用多孔滤杯进行气体固体的分离极大的缩小了反应器的体积，从而更适于组建高度集成的高通量反应体系，气体产物经由带有保温的管线进入到高分辨飞行质谱8中进行快速检测，高分辨飞行质谱8对于气体组分可以实现即时检测，从而可以实现对于生物质催化热裂解过程全程的检测。

Claims (3)

1.一种适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，其特征在于：所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，包括预热罐(2)、固体粉末生物质进料器(3)、平行流化床反应器(4)、多通道气体分配器(5)、多通道加热炉(6)、温控系统(7)、高分辨飞行质谱(8)；
其中：气源(1)与预热罐(2)连接，预热罐(2)通过多通道气体分配器(5)与多通道加热炉(6)连接；平行流化床反应器(4)安装在多通道加热炉(6)中；温控系统(7)分别与多通道加热炉(6)和高分辨飞行质谱(8)连接；固体粉末生物质进料器(3)与平行流化床反应器(4)连接。
2.按照权利要求1所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，其特征在于：所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，包括4～16个平行流化床反应器(4)，每个平行流化床反应器(4)都具有独立的反应腔体；
每个平行流化床反应器(4)都有进口并与多通道气体分配器相连接，用于流化的气体经由多通道气体分配器(5)经过进口进入反应腔体，流化在反应器腔体内的催化剂；每个平行流化床反应器(4)还具有出口，每个出口前有多孔滤杯(9)，气化产物经由流化气体吹送，带出反应器进入高分辨飞行质谱；平行流化床反应器(4)的下面带有布风板(10)。
3.按照权利要求1所述的适用于生物质催化热裂解的高通量反应器，其特征在于：所述的固体粉末生物质进料器(3)，包含弹簧(12)，实现复位功能的往复式填料装置(13)，弹性盖板(11)；固体粉末生物质进料器(3)内部上部带有弹性盖板(11)，弹簧(12)顶着实现复位功能的往复式填料装置(13)。
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