CN106701214A - 一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其中，包括反应装置、燃气入口和烟气入口、燃气出口和烟气出口，及燃气气体分布器和烟气气体分布器。反应装置包括分别与燃气入口、燃气出口、烟气入口和反应室、燃气入口和第一密封钢板、燃气通道、烟气入口和第二密封钢板，及烟气通道。烟气通道通入高温介质后，第二密封钢板将热量传导到第一密封钢板形成的燃气通道内壁上的催化剂涂层；燃气进入所述的反应装置后，燃气里的焦油与水蒸气在催化剂涂层的作用下裂解为小分子的永久气体。本发明具有反应活性、抗中毒能力、抗积碳能力、寿命有了很大的提升，气体净化模块化和催化剂易于再生,及节省能源和降低成本的效果。

Description

一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器
技术领域
本发明属于生物质能源的应用技术，特别涉及一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器。
背景技术
早在2003年生物质能源就被世界列为第四大能源，2004年又被列为第三大能源排在石油前，在欧洲则被认为仅次于核能的第二大能源。在我国也同样蕴藏着巨大生物质能源资源。据环卫科技网提供的调查数据，在对列入调查的部分生物质能进行测算，其包含的能源就达到3.71亿吨标准煤。而据中经网公布的另一项普查显示，加上高油料高淀粉作物残余等其他可利用生物质固废，近年来我国每年可循环利用的生物质总量达5亿吨标准煤量。生物质能以生物质为载体几乎存在于所有生物各阶段的生命形式中，是一种可再生能源，同时也是唯一的一种可再生的碳源。与化石能源相比，生物质生产与消费过程的全部生命物质和能量均可进入地球生物圈，从大气总碳量来说，生物质能的消耗理论上可达到碳的零排放。
目前，我国生物质气化炉产生的燃气最主要的问题是燃气焦油含量高，传统的除焦水洗工艺会产生大量的含有焦油的废水和固体废物，生产环境恶劣，造成二次污染。另，有部分催化工艺因燃气出炉温度较低，未能达到最佳催化温度，采取燃烧部分可燃气体的工艺造成燃气热值降低。同时，传统的镍基催化剂、白云石、橄榄石和碱金属催化剂易失活的问题仍无法得到解决。在中国专利申请104946281A，名称为“一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的装置与方法”中，采用了一种微波发生装置产生微波通过波导输入内具有Fe、Ni、Co及合金的激发放电装置，以此来催化转换焦油。装置采用的微波装置仍处于实验室阶段，要放大至工业化应用仍需要更深入的研究。在中国专利申请105925321A(名称为“一种除尘除焦一体化生物质气化炉”)中，采用除尘除焦一体化生物质气化炉可直接在炉内回收处理焦油，有效避免炉外处理产生的环境污染问题；利用密实丝网压实生物质燃料层除去燃气中的细小灰尘；增加了燃气的有效成分，使燃气热值提高等优点。但是该气化炉结构复杂，不利于维修，且炉内催化剂容易失活，无较便捷的催化剂再生手段。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种反应活性、抗中毒能力、抗积碳能力、寿命提升，气体净化模块化和催化剂易于再生,及节省能源和降低成本的适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器。
为实现上述目的，本发明提供的一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其中，包括反应装置、在反应装置上设有的燃气入口和烟气入口、在反应装置上设有的燃气出口和烟气出口，及在燃气入口与反应装置之间设有的燃气气体分布器和在烟气入口与反应装置之间设有的烟气气体分布器。反应装置包括分别与燃气入口、燃气出口、烟气入口和烟气出口连接的反应室、在反应室内的燃气入口和燃气出口之间设有多个并排的第一密封钢板、在多个第一密封钢板之间形成的燃气通道、在反应室内的烟气入口和烟气出口之间设有多个并排的第二密封钢板，及在多个第二密封钢板之间形成的烟气通道；反应室的材质为耐高温合金为SUS310s。所述的燃气通道内壁上设置有催化剂涂层；所述的烟气通道通入高温介质后，第二密封钢板将热量传导到第一密封钢板形成的燃气通道内壁上的催化剂涂层；燃气进入所述的反应装置后，燃气里的焦油与水蒸气在催化剂涂层的作用下裂解为小分子的永久气体。烟气通道和燃气通道的宽度为0.05-2mm，长度为1-100mm，可根据实际需要通过增减烟气通道和燃气通道单元数来实现反应器的放大和缩小。
在一些实施方式中，燃气气体分布器包括在反应室与燃气入口之间设有连通的第一喇叭形管，及在第一喇叭形管内设有的第一导流板。反应室与燃气出口之间设置有对应燃气通道的第三喇叭形管。
在一些实施方式中，烟气气体分布器包括在反应室与烟气入口之间和在反应室与烟气出口之间设有的第三喇叭形管，及在第三喇叭形管内设有的第二导流板。反应室与烟气出口之间设置有对应烟气通道的第四喇叭形管。
在一些实施方式中，第一密封钢板和第二密封钢板纵横分布于反应室内。
在一些实施方式中，催化剂涂层涂覆于第一密封钢板之间形成的燃气通道内壁上。
在一些实施方式中，催化剂涂层的涂覆工艺如下：先在燃气通道内涂覆一层AlOOH溶胶，经过煅烧生成一层γ-Al2O3涂层，之后在此涂层上再涂覆一层含有Ni、Mg、Ca、Fe其中的一种或者多种盐类作为前驱体，通过煅烧、还原得到Ni、Mg、Ca、Fe其中一种或者多元催化剂。
在催化剂的作用下焦油发生如下裂解反应：
CnHm+H2O→H2+CO
CnHm+CO2→CO+H2
在一些实施方式中，烟气通道的温度为500-1000℃。
在一些实施方式中，烟气通道的温度为800℃。
在一些实施方式中，燃气入口与第一喇叭形管之间和燃气出口与第二喇叭形管之间均分别设置有第一法兰。烟气入口与第三喇叭形管之间和烟气出口与第四喇叭形管之间均分别设置有第二法兰。
本发明采用微通道反应器裂解生物质燃气内的焦油，与现有的方法对比，有如下优点：(1)用本发明的微通道反应器具有较强的换热能力，因为焦油裂解反应为吸热反应，且一般催化温度较高，出炉气体温度较低，常规工艺达不到最佳催化温度，通常采用燃烧部分燃气以提高燃气温度，从而造成了热值损失的原因。由此采用了反应装置的结构增强了换热能力将高温燃气的热量有效地提供给催化剂，达到最佳催化温度。同时在催化剂再生时，通过换热减小了生产高温水蒸气的负荷，使用较低温度的水蒸气即可将催化剂再生。还实现了节省能源和降低成本的目的。(2)采用本发明的微通道反应器结构有着固定床和流化床无法比拟的超短接触时间，通常固定床脱焦油工艺需要2s以上的接触时间，微通道反应器可以缩短到毫秒级，有效降低了反应器的成本。(3)催化剂涂层使用的是纳米级别尺寸的催化剂颗粒，使用量仅为常规固定床的5％-15％，焦油转化效率高，且有效地降低了催化剂成本。因此，实现了反应活性、抗中毒能力、抗积碳能力、寿命有了很大的提升，气体净化模块化和催化剂易于再生,及节省能源和降低成本的效果。
附图说明
图1为本发明结构示意示意图；
图2为本发明中燃气通道的结构示意图；
图3为图2所示的内部结构示意图；
图4为本发明中烟气通道的结构图；
图5为本发明中反应装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对发明作进一步详细的说明。
如图1-5所示，一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，包括反应装置01、在反应装置01上设有的燃气入口02和烟气入口03、在反应装置01上设有的燃气出口04和烟气出口05，及在燃气入口02与反应装置01之间设有的燃气气体分布器06和在烟气入口03与反应装置01之间设有的烟气气体分布器07。反应装置01包括分别与燃气入口02、燃气出口04、烟气入口03和烟气出口05连接的反应室11、在反应室11内的燃气入口02和燃气出口04之间设有多个并排的第一密封钢板12、在多个第一密封钢板12之间形成的燃气通道13、在反应室11内的烟气入口03和烟气出口05之间设有多个并排的第二密封钢板14，及在多个第二密封钢板14之间形成的烟气通道15。上述烟气通道15内壁上无涂层，目的是更有效地传导热量至另一侧的催化剂涂层，为催化反应提供所需的热量。反应室11的材质为耐高温合金为SUS310s。燃气通道13内壁上设置有催化剂涂层16。烟气通道通入高温介质后，第二密封钢板14将热量传导到第一密封钢板12形成的燃气通道13内壁上的催化剂涂层16；燃气进入所述的反应装置01后，燃气里的焦油与水蒸气在催化剂涂层16的作用下裂解为小分子的永久气体。烟气通道15和燃气通道13的宽度为0.05-2mm，长度为1-100mm，可根据实际需要通过增减烟气通道15和燃气通道13单元数来实现反应器的放大和缩小。燃气气体分布器06包括在反应室11与燃气入口02之间设有连通的第一喇叭形管61，及在第一喇叭形管61内设有的第一导流板62。反应室11与燃气出口04之间设置有对应燃气通道的第三喇叭形管63。烟气气体分布器07包括在反应室11与烟气入口03之间设有的第三喇叭形管71，及在第三喇叭形管71内设有的第二导流板72。反应室11与烟气出口05之间设置有对应烟气通道的第四喇叭形管73。第一密封钢板12和第二密封钢板14纵横分布于反应室11内。催化剂涂层16涂覆于第一密封钢板12之间形成的燃气通道13内壁上。催化剂涂层16的涂覆工艺如下：先在燃气通道13内涂覆一层AlOOH溶胶，经过煅烧生成一层γ-Al2O3涂层，之后在此涂层上再涂覆一层含有Ni、Mg、Ca、Fe其中的一种或者多种盐类作为前驱体，通过煅烧、还原得到Ni、Mg、Ca、Fe其中一种或者多元催化剂。烟气通道15的温度为500-1000℃。烟气通道15的温度为800℃。燃气入口02与第一喇叭形管61之间和燃气出口04与第二喇叭形管53之间均分别设置有第一法兰08。烟气入口03与第三喇叭形管71之间和烟气出口05与第四喇叭形管73之间均分别设置有第二法兰09。
应用时，将微通道反应器装置设置成方形，上方为生物质燃气入口02，生物质燃气经过燃气气体分布器06进入反应装置01，燃气气体分布器06内设有第一导流板62将气体均匀输送到各个燃气通道13入口前方，生物质燃气在燃气通道13内与内壁上的催化剂涂层16反应，燃气含有的焦油与水蒸气在催化剂的作用下裂解为小分子的永久气体，净化后的燃气经由下方生物质燃气出口04排出。引入的高温烟气作为催化反应的热源，高温烟气从烟气入口03进入后，经由烟气气体分布器07内含的第二导流板7262分布至烟气通道15前方，烟气与生物质燃气呈正交方向通过微通道反应器，上方和下方的烟气通道15采用第一密封钢板12密封，左右两侧的燃气通道13用第二密封钢板14密封，燃气与烟气不直接接触，通过通道壁间接换热。各管道与反应装置01之间采用高温的第一法兰08和第二法兰09连接。当催化剂积碳失活后，可通过拆解各管道的第一法兰08和第二法兰09，将微通道反应装置01卸下，在生物质燃气入口02通入高温水蒸气，烟气入口03仍通入高温烟气提高催化剂再生反应的热源，水蒸气与积碳在催化剂表明反应生成CO与氢气，从而实现催化剂再生。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其特征在于，包括反应装置、在反应装置上设有的燃气入口和烟气入口、在反应装置上设有的燃气出口和烟气出口，及在燃气入口与反应装置之间设有的燃气气体分布器和在烟气入口与反应装置之间设有的烟气气体分布器；
所述的反应装置包括分别与燃气入口、燃气出口、烟气入口和烟气出口连接的反应室、在反应室内的燃气入口和燃气出口之间设有多个并排的第一密封钢板、在多个第一密封钢板之间形成的燃气通道、在反应室内的烟气入口和烟气出口之间设有多个并排的第二密封钢板，及在多个第二密封钢板之间形成的烟气通道；
所述的燃气通道内壁上设置有催化剂涂层；所述的烟气通道通入高温介质后，第二密封钢板将热量传导到第一密封钢板形成的燃气通道内壁上的催化剂涂层；燃气进入所述的反应装置后，燃气里的焦油与水蒸气在催化剂涂层的作用下裂解为小分子的永久气体。
2.根据权利要求1所述的一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其特征在于，所述的燃气气体分布器包括在反应室与燃气入口之间设有连通的第一喇叭形管，及在第一喇叭形管内设有的第一导流板；所述的反应室与燃气出口之间设置有对应燃气通道的第三喇叭形管。
3.根据权利要求2所述的一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其特征在于，所述的烟气气体分布器包括在反应室与烟气入口之间设有的第三喇叭形管，及在第三喇叭形管内设有的第二导流板；所述的反应室与烟气出口之间设置有对应烟气通道的第四喇叭形管。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其特征在于，所述的第一密封钢板和第二密封钢板纵横分布于反应室内。
5.根据权利要求1所述的一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其特征在于，所述的催化剂涂层涂覆于第一密封钢板之间形成的燃气通道内壁上。
6.根据权利要求5所述的一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其特征在于，所述催化剂涂层的涂覆工艺如下：先在燃气通道内涂覆一层AlOOH溶胶，经过煅烧生成一层γ-Al2O3涂层，之后在此涂层上再涂覆一层含有Ni、Mg、Ca、Fe其中的一种或者多种盐类作为前驱体，通过煅烧、还原得到Ni、Mg、Ca、Fe其中一种或者多元催化剂。
7.根据权利要求1所述的一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其特征在于，所述烟气通道的温度为500-1000℃。
8.根据权利要求7所述的一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其特征在于，所述烟气通道的温度为800℃。
9.根据权利要求1所述的一种适用于生物质燃气焦油裂解的微通道反应器，其特征在于，所述的燃气入口与第一喇叭形管之间和燃气出口与第二喇叭形管之间均分别设置有第一法兰；所述的烟气入口与第三喇叭形管之间和烟气出口与第四喇叭形管之间均分别设置有第二法兰。
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