CN106147871B - 一种生物质气化炉及三级催化裂解焦油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质气化炉及三级催化裂解焦油的方法，属生物质气化技术领域。该气化炉包括：炉体，炉体包括内胆、保温层、壳体、一级催化剂承载结构、二级催化剂承载结构和三级催化剂承载结构；内胆设置在壳体内，保温层设置在壳体的内壁上，内胆和保温层之间形成夹层，一级催化剂承载结构、二级催化剂承载结构和三级催化剂承载结构由下而上依次首尾连通，并螺旋设置在夹层内形成燃气通道。本发明通过在内胆和保温层之间设置一个夹层，使气体在该夹层内经三级催化剂催化裂解，以气化过程中散发出的热量为夹层内焦油催化裂解提供热源，既节约后续设备投资，又能有效利用气化炉余热，既能降低焦油的含量，又能有效提高热值。

Description

一种生物质气化炉及三级催化裂解焦油的方法
技术领域
本发明涉及生物质气化技术领域，具体涉及一种生物质气化炉及三级催化裂解焦油的方法。
背景技术
生物质是一种重要的可再生资源，通过热化学方法将其转化为燃气是一种新的能源利用形式，具有能量转化效率高、燃气生产周期短、利用过程无污染等特点，是当前的研究热点。我国生物质原料丰富，其中玉米秸秆年产量高达7亿多吨，占生物质原料的35％左右。如果能将生物质资源转化气体燃料或进一步生成液体燃料(甲醇、二甲醚等)，将大大缓解人类所面临的资源危机、能源短缺及环境污染等问题，具备很好的应用前景。
生物质气化是在相对缺氧的状态下进行热化学转化的过程，反应温度在700-1200℃之间，分别经历干燥、热解、氧化和还原四个过程，在上述四个过程中，焦油是一种不可避免的副产物。焦油是指分子量大于苯的所有有机污染物，在高温时呈气态并与燃气完全混合，在温度低于200℃时凝结为液态，占原料总能量的5％-15％。焦油的存在既降低了气化效率又易致气化装置管道堵塞还损害燃气利用设备，是生物质气化技术发展的瓶颈。
目前，焦油处理主要有机械法、“OLGA”(油基气体洗刷器)法、等离子体法、自我调节法、热裂解法和催化裂解法。其中，通过相变和吸附等方式脱焦的机械法和“OLGA”法未从根本上解决焦油问题，而是将问题转移；等离子体法尚处于实验室阶段；自我调节法能够在一定程度上去除焦油，但效果不理想；热裂解法需要较高的反应温度，生物质气化过程中很难达到，单纯热裂解不可行；催化裂解法是指通过催化剂的作用降低焦油转化所需的活化能，在相对较低的温度(一般在700-900℃)下将其裂解，是目前最有前景的技术方法。
鉴于焦油携带能量的特点，利用催化裂解的方法，在生物质气化过程中将其转化为小分子燃气，既能有效地利用焦油中的能量，又能有效地去除焦油的危害属性，具有理论和实际的可行性。
从20世纪80年代起，国外开始在焦油催化裂解方面开展研究工作。20世纪90年代初，瑞典、西班牙、芬兰等国先后开展了焦油白云石催化裂解试验，发现焦油裂解效率在80％以上，但也会因表面结焦而迅速失活。经过煅烧后，白云石的催化活性是未煅烧白云石的10倍，对酚类化合物和含氧化合物的催化活性较高，但对多环芳烃的催化效果不佳。然而，煅烧白云石催化剂质地较软、易碎、易腐蚀，导致其使用受制。鉴于焦油的复杂性，西班牙科学家首先利用苯、甲苯、萘、蒽和芘等五种焦油模型化合物进行了蒸汽重整特性研究，发现萘最难裂解。后续研究过程中发现，Co/MgO对萘的催化效果显著。比较来看，在催化除焦的研究中，Zaragoza大学研发的三步处理法，即通过气化炉将生物质转化为燃气、利用白云石催化裂解作为一级催化剂，利用镍基催化剂实现气体重整，有效降低焦油含量的同时降低了催化剂因结焦而失活问题。但是，该方法需要气化炉、一级催化装置和二级催化装置，具有系统复杂、设备相对独立、且后续一级催化装置和二级催化装置均需额外热源加热，投资大等问题。
因此，设计一种可以同时进行气化以及多级催化裂解的生物质气化炉具有很大的实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质气化炉及三级催化裂解焦油的方法，该生物质气化炉炉体包括：炉体，所述炉体包括内胆、保温层、壳体、一级催化剂承载结构、二级催化剂承载结构和三级催化剂承载结构；所述内胆设置在所述壳体内，所述保温层设置在所述壳体的内壁上，所述内胆和保温层之间形成夹层，所述一级催化剂承载结构、二级催化剂承载结构和三级催化剂承载结构由下而上依次首尾连通，并螺旋设置在所述夹层内形成燃气通道，所述内胆下端设有开口，所述内胆的下端的开口处安装有挡板，所述挡板上开设有若干第一通孔，所述第一通孔连通所述内胆和一级催化剂承载结构；
所述炉体的顶部设有进料口，所述炉体的上部设有出气口，所述出气口和所述夹层相连通，所述炉体的下部设有进气口，所述内胆的内侧壁上设有若干个喷嘴，所述进气口通过管道和所述若干个喷嘴连通，所述炉体的底部设有出灰口。
较佳地，所述一级催化剂承载结构、二级催化剂承载结构和三级催化剂承载结构均为圆筒状环形管道。
较佳地，一级催化剂承载结构、二级催化剂承载结构和三级催化剂承载结构两两相连接处均设有若干第二通孔，所述一级催化剂承载结构的右端底部与三级催化剂承载结构的左端顶部也设有若干个第二通孔，所述一级催化剂承载结构的右端底部的第二通孔和所述第一通孔相连通，所述三级催化剂承载结构的左端顶部的第二通孔和所述夹层相连通。
较佳地，所述一级催化剂承载结构、二级催化剂承载结构和三级催化剂承载结构的左右两端均和设置在炉体外的催化剂出入口相连通。
较佳地，所述一级催化剂承载结构填充的催化剂为活性炭负载氧化钙，二级催化剂承载结构填充的催化剂为活性炭负载氧化镍，三级催化剂承载结构填充的催化剂为活性炭。
较佳地，所述活性炭的平均粒径为2-4mm。
较佳地，所述一级催化剂承载结构、二级催化剂承载结构和三级催化剂承载结构均倾斜设置在所述夹层内，倾角为30.54-40°。
较佳地，所述内胆内竖直设有热电偶套管。
一种生物质气化炉的三级催化裂解焦油的方法包括以下步骤：
1)将生物质原料从进料口加入内胆，经人工点火后开始燃烧进而发生气化反应，反应后生物质原料转化为焦炭和混合气体，所述焦炭通过所述出灰口排出；
2)所述混合气体进入一级催化剂承载结构、二级催化剂承载结构和三级催化剂承载结构分别进行一级、二级和三级催化裂解反应，生成燃气；
3)所述燃气经所述出气口排出。
本发明通过以自热式下吸式固定床气化炉为原型，在在内胆和保温层之间设置一个夹层，使生物油在该夹层内经由三级催化剂承载结构进行催化裂解，利用内胆内的气化反应为催化剂承载结构提供不同的温度梯度，进而建立一种三级催化裂解气化炉。本发明利用生物质气化炉气化过程中散发出的热量为夹层内焦油催化裂解提供热源，既节约后续设备投资，又能有效利用气化炉余热，既能降低燃气中焦油的含量，又能有效提高燃气热值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种生物质气化炉的结构示意图。
附图标记说明：
1-内胆，2-夹层，3-保温层，4-壳体，5-一级催化剂承载结构，6-二级催化剂承载结构，7-三级催化剂承载结构，8-挡板，9-进料口，10-出气口，11-进气口，12-喷嘴，13-出灰口，14-催化剂出入口，15-热电偶套管。
具体实施方式
下述实施例是结合附图1对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限定。
本发明的目的是提供一种生物质气化炉及三级催化裂解焦油的方法，该生物质气化炉炉体包括：炉体，所述炉体包括内胆1、保温层3、壳体4、一级催化剂承载结构5、二级催化剂承载结构6和三级催化剂承载结构7；所述内胆1设置在所述壳体4内，所述保温层3设置在所述壳体4的内壁上，所述内胆1和保温层3之间形成夹层2，所述一级催化剂承载结构5、二级催化剂承载结构6和三级催化剂承载结构7由下而上依次首尾连通，并螺旋设置在所述夹层2内形成燃气通道，所述内胆1下端设有开口，所述内胆1的下端的开口处安装有挡板8，所述挡板8上开设有若干第一通孔，所述第一通孔连通所述内胆1和一级催化剂承载结构5；
所述炉体的顶部设有进料口9，所述炉体的上部设有出气口10，所述出气口10和所述夹层2相连通，所述炉体的下部设有进气口11，所述内胆1的内侧壁上设有若干个喷嘴12，所述进气口11通过管道和所述若干个喷嘴12连通，所述炉体的底部设有出灰口13。
进一步地，所述一级催化剂承载结构5、二级催化剂承载结构6和三级催化剂承载结构7均为圆筒状环形管道。
进一步地，所述一级催化剂承载结构5、二级催化剂承载结构6和三级催化剂承载结构7两两相连接处均设有若干第二通孔，所述一级催化剂承载结构5的右端底部与三级催化剂承载结构7的左端顶部也设有若干个第二通孔，所述一级催化剂承载结构5的右端底部的第二通孔和所述第一通孔相连通，所述三级催化剂承载结构7的左端顶部的第二通孔和所述夹层2相连通。(其中的第二通孔我们也称之为筛网结构。)通过上述第二通孔的设置，气体从内胆1进入催化剂承载结构进行三级催化裂解反应，反应结束后从出气口10排出。
进一步地，所述一级催化剂承载结构5、二级催化剂承载结构6和三级催化剂承载结构7的左右两端均和设置在炉体外的催化剂出入口14相连通。催化剂从催化剂承载结构的上端进入，下端取出，便于催化剂的更换。
进一步地，所述一级催化剂承载结构5填充的催化剂为活性炭负载氧化钙，二级催化剂承载结构6填充的催化剂为活性炭负载氧化镍，三级催化剂承载结构7填充的催化剂为活性炭。反应气体经上述三级催化剂催化，提高焦油的裂解率。
进一步地，所述活性炭的平均粒径为3mm，增大燃气与活性炭及其上催化剂的接触面积，延长接触时间，提高催化效率。
进一步地，所述一级催化剂承载结构5、二级催化剂承载结构6和三级催化剂承载结构7均倾斜放置在所述夹层2内，倾角为30.54°。既能保证催化剂的方便进出，又能保证反应气体与催化剂的接触时间，提高催化效率。
进一步地，所述内胆1内竖直设有热电偶套管15，用于监测内胆1内不同高度的反应温度，采取相应措施更好地促进反应的进行。
一种生物质气化炉的三级催化裂解焦油的方法包括以下步骤：
1)将生物质原料从进料口9加入内胆1，经人工点火后开始燃烧进而发生气化反应，反应后生物质原料转化为焦炭和混合气体，所述焦炭通过所述出灰口13排出；
2)所述混合气体进入一级催化剂承载结构5、二级催化剂承载结构6和三级催化剂承载结构7分别进行一级、二级和三级催化裂解反应，生成燃气；
3)所述燃气经所述出气口10排出。
其中，所述混合气体包括生物油，所述生物油包括焦油。
生物质燃料通过进料口9进入内胆1，点火燃烧后进行气化反应，在气化反应过程中，该内胆1从上而下依次划分为干燥层、热解层、氧化层和还原层。通过进气口11利用喷嘴12向内胆1喷入气体，促进反应地进行。具体反应过程是：在氧化层开始出现部分燃烧，逐渐在整个氧化层发生剧烈的燃烧。氧化层发生氧化反应放出热量，放出的热量逐渐辐射到热解层和还原层，最后辐射到干燥层。点火到形成稳定的四个反应层大概需要一个小时左右。整个过程的动力源为风机(风机设置在炉体外)，比如罗茨风机，可以使炉体内部形成微负压，使内胆1内部产生的混合气体由上到下流动。之后，混合气体从内胆1通过第一通孔进入催化剂承载结构，形成燃气流动通道，三级催化剂承载结构之间通过第二通孔相连通。混合气体进入催化剂承载结构后，99.5％以上的焦油将被分解为小分子燃气(可以补充燃气热值)，既降低焦油含量，又有效提高燃气热值。剩余部分随着燃气从出气口10排出炉外。生物质原料点火后在炉体内逐渐建立反应层，不需外加热源。气化反应可以达到1000℃以上，对于本改造炉型而言，在炉子内胆1由下到上还原层、氧化层、热解层和还原层的温度分别可以达到1000-1200℃、800-1000℃、600-800℃，而催化剂承载结构与内胆1只隔了一个内胆壁，通过辐射换热很容易达到所述的温度梯度。其中，该夹层2为内胆1和保温层3之间形成的空腔。另外，因考虑到在夹层2内部设置气流轨道会使气化气在运动过程中受到相应阻力的影响，因此分别在对应热解层、氧化层、还原层的里外夹层2之间设置交错式排列的环形轨道。同时为了使轨道形式有助于催化剂在自身重力下下移而完成催化剂的排出过程，因此可以采用交错式倾斜环形轨道，即螺旋形式。
本发明通过以自热式下吸式固定床气化炉为原型，在内胆和保温层之间设置一个夹层，使焦油在该夹层内经由还原层、氧化层和热解层内设计的三级的催化剂承载结构，使不同催化剂承载段具有不同的温度梯度，进而建立一种三级催化裂解气化炉。本发明利用生物质气化炉气化过程中散发出的热量为夹层内焦油催化裂解提供热源，既节约后续设备投资，又能有效利用气化炉余热，既能降低燃气中焦油的含量，又能有效提高燃气热值。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种生物质气化炉，包括：炉体，其特征在于，所述炉体包括内胆(1)、保温层(3)、壳体(4)、一级催化剂承载结构(5)、二级催化剂承载结构(6)和三级催化剂承载结构(7)；所述内胆(1)设置在所述壳体(4)内，所述保温层(3)设置在所述壳体(4)的内壁上，所述内胆(1)和保温层(3)之间形成夹层(2)，所述一级催化剂承载结构(5)、二级催化剂承载结构(6)和三级催化剂承载结构(7)由下而上依次首尾连通，并螺旋设置在所述夹层(2)内形成燃气通道，所述内胆(1)下端设有开口，所述内胆(1)的下端的开口处安装有挡板(8)，所述挡板(8)上开设有若干第一通孔，所述第一通孔连通所述内胆(1)和一级催化剂承载结构(5)；
所述一级催化剂承载结构(5)、二级催化剂承载结构(6)和三级催化剂承载结构(7)两两相连接处均设有若干第二通孔，所述一级催化剂承载结构(5)的右端底部与三级催化剂承载结构(7)的左端顶部也设有若干个第二通孔，所述一级催化剂承载结构(5)的右端底部的第二通孔和所述第一通孔相连通，所述三级催化剂承载结构(7)的左端顶部的第二通孔和所述夹层(2)相连通；
所述炉体的顶部设有进料口(9)，所述炉体的上部设有出气口(10)，所述出气口(10)和所述夹层(2)相连通，所述炉体的下部设有进气口(11)，所述内胆(1)的内侧壁上设有若干个喷嘴(12)，所述进气口(11)通过管道和所述若干个喷嘴(12)连通，所述炉体的底部设有出灰口(13)。
2.如权利要求1所述的一种生物质气化炉，其特征在于，所述一级催化剂承载结构(5)、二级催化剂承载结构(6)和三级催化剂承载结构(7)均为圆筒状环形管道。
3.如权利要求1所述的一种生物质气化炉，其特征在于，所述一级催化剂承载结构(5)、二级催化剂承载结构(6)和三级催化剂承载结构(7)的左右两端均和设置在炉体外的催化剂出入口(14)相连通。
4.如权利要求1所述的一种生物质气化炉，其特征在于，所述一级催化剂承载结构(5)填充的催化剂为活性炭负载氧化钙，二级催化剂承载结构(6)填充的催化剂为活性炭负载氧化镍，三级催化剂承载结构(7)填充的催化剂为活性炭。
5.如权利要求4所述的一种生物质气化炉，其特征在于，所述活性炭的平均粒径为2-4mm。
6.如权利要求1所述的一种生物质气化炉，其特征在于，所述一级催化剂承载结构(5)、二级催化剂承载结构(6)和三级催化剂承载结构(7)均倾斜设置在所述夹层(2)内，倾角为30.54-40°。
7.如权利要求1所述的一种生物质气化炉，其特征在于，所述内胆(1)内竖直设有热电偶套管(15)。
8.一种权利要求1所述的生物质气化炉的三级催化裂解焦油的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将生物质原料从进料口(9)加入内胆(1)，经人工点火后开始燃烧进而发生气化反应，反应后生物质原料转化为焦炭和混合气体，所述焦炭通过所述出灰口(13)排出；
2)所述混合气体进入一级催化剂承载结构(5)、二级催化剂承载结构(6)和三级催化剂承载结构(7)分别进行一级、二级和三级催化裂解反应，生成燃气；
3)所述燃气经所述出气口(10)排出。
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