CN106753483B - 一种含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置与方法，包括生物质与催化剂料斗、螺旋进料器、螺旋式挤压反应器、产物室、过滤冷凝装置、两级分离网与两级振动装置等。生物质与热催化剂在螺旋式挤压反应器内互相挤压、充分接触混合并进行生物质催化热解反应；热解气相产物经过过滤和冷凝得到芳香烃等液态化学品和富含烯烃的不冷凝气体；热解固体产物通过两级分离网分离成粗炭和催化剂，催化剂在流化床再生反应器中燃烧再生后进入催化剂料斗循环使用，燃烧再生产生的热烟气用于干燥生物质原料。本发明热解过程实现催化剂与生物质紧密接触，催化反应效果佳，催化剂用量少且实现分离再生循环利用，热解过程无需载气，产物更纯净。

Description

一种含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置与方法

技术领域

本发明属于生物质资源利用技术领域，具体涉及一种含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置与方法。

背景技术

能源是现代社会赖以生存和发展的基础。目前我国的能源85％以上为煤炭、石油、天然气等不可再生的化石燃料。这些化石燃料不仅日益匮乏，而且从开采到利用的过程中还会产生严重的环境污染，比如温室效应、酸雨、雾霾、PM2.5等。新能源不仅可以缓解能源供应紧张的局面，还可以减少环境污染。因此，寻求可再生能源成为世界各国十分关心的问题。

生物质能是一种新能源，生物质包括植物、动物和微生物，广义上，生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。狭义上，生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素(简称木质素)、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等等。生物质能具有诸多优点：可再生性，生物质能源是从太阳能转化而来，可实现能源的永续利用；清洁、低碳，生物质能源中的有害物质含量很低，排放的二氧化碳相当于生长时吸收的二氧化碳，对大气的二氧化碳净排放量近似于零，减轻温室效应；原料丰富，据世界自然基金会预计，全球生物质能源潜在可利用量达350EJ/年(约合82.12亿吨标准油，相当于2009年全球能源消耗量的73％)，据我国《可再生能源中长期发展规划》统计，目前我国农业废弃物每年产量高达7亿吨。在传统能源日渐枯竭的背景下，生物质能源是理想的替代能源。

近年来，生物质快速热裂解来制备生物质燃料技术得到了迅猛地发展，该方法能够将生物质高效转化为易储存、易运输、能量密度高的燃料。生物质热解是指生物质在无氧或缺氧的条件下加热分解，最终生成生物炭、生物油和可燃气的过程。然而，传统的生物质热解方式存在诸多缺点。涉及到产品、技术和应用诸方面，热解技术还存在如下一些问题：一般热解方法得到的产物油中含氧量较高，严重影响了产物的品位，而载气的存在也会将炭颗粒引入生物油，影响油品。此外，传统催化热解工艺中催化剂与生物质原料接触不够充分，造成催化剂的用量远远大于生物质的量，不仅消耗大量催化剂，而且催化热解效果不尽人意。同时，生物质热解后的炭产物与催化剂颗粒混杂在一起，使得失活的催化剂再生困难，一起燃烧再生的话会浪费大量的热能与炭产物。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置与方法，是一种不需要载气并高效混合生物质原料与催化剂，同时实现催化剂分离再生循环利用的生物质催化热解装置，并提供了利用该挤压催化热解装置进行生物质催化热解的方法。解决了现有技术中载气存在影响生物油油品、催化剂与生物质接触不够充分、催化剂与炭产物分离困难、催化剂再生浪费热能与炭产物等问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置，包括进出口依次连接的生物质料斗、催化剂料斗、螺旋式挤压反应器、产物室、催化剂回收箱和气体收集装置及流化床再生反应器；

所述气体收集装置包括进出口依次连接的过滤装置、冷凝装置及储气瓶，所述产物室的上出口与所述过滤装置的入口相连，所述冷凝装置的气相出口与所述储气瓶入口相连；

所述产物室的下出口通过振动分离装置连接所述催化剂回收箱，所述振动分离装置由分离网和振动装置同轴连接组成，由振动装置驱动；所述分离网的网下出口连接所述催化剂回收箱；

所述流化床再生反应器的给料口连接所述催化剂回收箱的底部出口，载气入口连接所述储气瓶的出口；流化床再生反应器的固体出口连接所述催化剂料斗的入口，上部的气体出口连接所述生物质料斗的通风口。

进一步的，所述生物质料斗和催化剂料斗的出口分别各自通过螺旋进料器与所述螺旋式挤压反应器的入口连接，螺旋式挤压反应器出口与产物室相连；螺旋式挤压反应器由外加热系统供热，内部设有电动机带动的螺旋叶轮，通过螺旋叶轮的推进、挤压、搅拌，促进生物质原料与催化剂的混合接触。

进一步的，所述振动分离装置为呈阶梯状的两阶平行振动分离装置，上阶为一级振动分离装置，下阶为二级振动分离装置；所述产物室的下出口连接所述一级振动分离装置的一级分离网，所述一级分离网的网下出口连接催化剂回收箱，网上出口与所述二级振动分离装置的二级分离网入口相连，二级分离网的网下出口连接催化剂回收箱。

进一步的，所述振动分离装置倾斜设置，倾斜角为20-60°。

进一步的，所述分离网的网孔直径为50目。

进一步的，所述流化床再生反应器使用生物质热解来自储气瓶的不冷凝气体作为载气，控制载气流速，维持鼓泡流态化状态。

上述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置的方法，包括如下步骤：

步骤一、生物质原料催化热解：

储存在生物质料斗中的生物质原料和催化剂料斗中的催化剂进入螺旋式挤压反应器，在螺旋式挤压反应器中互相挤压、接触混合，生物质在催化剂作用下发生催化热解反应，产生的产物排入产物室；

步骤二、气相产物过滤冷凝：

产物室中的热解气相产物经过过滤装置过滤除去固体杂质，再经过冷凝装置冷凝得到芳香烃等液态化学品和富含烯烃的不冷凝气体，不冷凝的气体产物进入储气瓶，作为富烯烃的可燃气体储存起来；

步骤三、固体产物催化剂分离：

产物室中的热解固体产物通过振动分离装置分离成粗炭和催化剂，小粒径的催化剂和小粒径炭颗粒通过分离网落入催化剂回收箱；大粒径的炭产物粗炭收集；

步骤四、催化剂回收再生：

催化剂回收箱中的催化剂和小粒径炭颗粒进入流化床再生反应器，以储气瓶中的不冷凝气体作为载气，进行燃烧再生后进入催化剂料斗循环使用；燃烧产生的热烟气进入生物质料斗用于干燥生物质原料。

进一步的，所述生物质原料是经粉碎的生物质颗粒，所述催化剂颗粒粒径小于50目。

进一步的，所述螺旋式挤压反应器预先由外供热系统加热到500～550℃，在反应过程中温度保持稳定；所述流化床再生反应器温度控制在650～700℃。

进一步的，所述催化剂种类包括LOSA-1、FCC、Al₂O₃、HZSM-5。

有益效果：本发明提供的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置与方法，与现有技术比较，具有以下积极效果为：

1.采用螺旋式挤压反应器，使得催化剂与原料强制接触，混合均匀，发生催化热解反应，相较于传统工艺，反应过程所需的催化剂的用量少，并且产量提高，成本降低。

2.催化剂和活性炭的分离过程采用两级分离网，即一级分离网和二级分离网，由振动装置带动分离网不断振动达到筛分不同粒径固体产物的目的，分离效果好，并且设备简单、益于维护。

3.热解过程无需载气，气相产物几乎不含炭颗粒，产物更加纯净，免去了传统热解方法的旋风分离步骤。

4.催化热解得到的产物以烯烃、芳香烃为主，产物近似完全脱氧，无论是作为燃料和化学品均有较高的价值。

5.催化剂在流化床再生反应器中得到再生，采用生物质热解不冷凝气作为载气，实现循环利用。燃烧再生产生的高温气体干燥生物质原料，节约了预处理所需的能量，降低了系统运行的成本。

附图说明

图1是本发明的含生物质螺旋反应器催化热解的方法和装置的工艺流程图。

其中，1—生物质料斗、2—催化剂料斗、3—螺旋进料器、4—螺旋式挤压反应器、5—产物室、6—过滤装置、7—冷凝装置、8—储气瓶、9—储油罐、10—一级分离网、11—二级分离网、12—一级振动装置、13—二级振动装置、14-粗炭收集箱、15-催化剂回收箱、16-流化床再生反应器。

具体实施方式

本发明公开了一种含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置与方法，包括生物质与催化剂料斗、螺旋进料器、螺旋式挤压反应器、产物室、过滤冷凝装置、储气储油罐、两级分离网与两级振动装置、粗炭收集箱、催化剂回收箱、流化床再生反应器。该方法包括如下步骤：生物质与热催化剂在螺旋式挤压反应器内互相挤压、充分接触混合并进行生物质催化热解反应；热解气相产物经过过滤和冷凝得到芳香烃等液态化学品和富含烯烃的不冷凝气体；热解固体产物通过两级分离网分离成粗炭和催化剂，催化剂在流化床再生反应器中燃烧再生后进入催化剂料斗循环使用，燃烧再生产生的热烟气用于干燥生物质原料。本发明的热解过程实现催化剂与生物质紧密接触，催化反应效果极佳，催化剂用量少且实现分离再生循环利用，热解过程无需载气，产物更加纯净。

现以生物质为原料，结合附图及实施方式对本发明专利的工艺流程作进一步说明具体：

如图1所示，本发明提供了一种含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置，能不需要载气并高效混合生物质原料与催化剂，同时实现催化剂分离再生循环利用。包括：生物质料斗1、催化剂料斗2、螺旋进料器3、螺旋式挤压反应器4、产物室5、过滤装置6、冷凝装置7、储气瓶8、储油罐9、一级分离网10、二级分离网11、一级振动装置12、二级振动装置13、粗炭收集箱14、催化剂回收箱15、流化床再生反应器16。

生物质料斗1用于储存生物质原料，催化剂料斗2用于储存催化剂。生物质料斗1、催化剂料斗2出口与螺旋进料器3相连，螺旋进料器3出口与螺旋式挤压反应器4相连，将生物质原料和催化剂混合送入螺旋式挤压反应器4。螺旋式挤压反应器4由外加热系统供热，内部设有电动机带动的螺旋叶轮，通过螺旋叶轮的推进、挤压、搅拌，促进生物质原料与催化剂的混合接触，发生生物质催化热解反应，出口与产物室5相连。产物室5收集生物质催化热解产物，上出口排出生物质热解气相产物，与过滤装置6入口相连，过滤装置6出口与冷凝装置7入口相连；冷凝装置7气相出口与储气瓶8入口相连，冷凝装置7液相出口与储油罐9入口相连。生物质热解气相产物在冷凝装置7中冷凝，不冷凝气体进入储气瓶8储存，冷凝的液相产物进入储油罐9储存。

产物室5下出口排出生物质热解固体产物，与一级分离网10入口相连。一级分离网10与一级振动装置12同轴连接，由一级振动装置12驱动，一级分离网10第一出口与催化剂回收箱15相连，一级分离网10第二出口与二级分离网11入口相连。二级分离网11与二级振动装置13同轴连接，由二级振动装置13驱动。二级分离网11第一出口与催化剂回收箱15相连，二级分离网11第二出口与粗炭收集箱14入口相连。一级分离网10、二级分离网11网孔直径均为50目。生物质热解炭产物与催化剂经过两级分离网振动分离，催化剂粒径较小，与部分小粒径的炭颗粒由分离网的筛孔落入催化剂回收箱15。大粒径的炭颗粒无法通过分离网的筛孔，落入粗炭收集箱14，作为活性炭材料备用。

催化剂回收箱15底部出口与流化床再生反应器16给料口相连。流化床再生反应器16载气入口与储气瓶8出口相连。流化床再生反应器16固体出口与催化剂料斗2入口相连。流化床再生反应器以催化剂和小粒径炭颗粒为床料，热解不冷凝气为载气发生燃烧反应再生催化剂，产生的高温气体经流化床再生反应器16气体出口进入生物质料斗1干燥生物质原料。流化床再生反应器16使用生物质热解不冷凝气体作为载气，控制载气流速，维持鼓泡流态化状态。流化床再生反应器16气体出口与生物质料斗1通风口相连。

上述的装置进行生物质挤压催化热解并完成催化剂分离再生的方法，包括以下步骤：

步骤一、生物质原料催化热解：

生物质原料经粉碎后储存在生物质料斗1中，粒径小于50目的催化剂储存在催化剂料斗2中，生物质原料和催化剂经螺旋进料器3进入螺旋式挤压反应器4，在螺旋式挤压反应器4中经螺旋叶轮的挤压、搅拌而紧密接触。螺旋式挤压反应器4预先由外供热系统加热到500～550℃，在反应过程中温度保持稳定。在螺旋叶轮的搅拌、混合作用下，生物质和催化剂充分混合并且发生强制催化热解反应，产生的产物排入产物室5。相较于传统工艺而言，该反应过程所需的催化剂的用量少。

步骤二、气相产物过滤冷凝：

产物室5中的气相产物经过过滤装置6过滤除去固体杂质，经过冷凝装置7冷凝，冷凝下来的液体产物进入储油罐，以芳香烃为主，作为液体燃料和化学品储存起来；不冷凝的气体产物进入储气瓶，作为富烯烃的可燃气体储存起来。

步骤三、固体产物催化剂分离：

产物室5的固体产物包括失活的催化剂和热解产生的固体炭。产物室5中的固体产物先后经过一级分离网10和二级分离网11。在一级振动装置12和二级振动装置13的驱动下，一级分离网10和二级分离网11不断振动。首先落在一级分离网10上，经由筛孔的筛选，细小的催化剂通过筛孔进入催化剂回收箱15，在此过程中，一级振动装置12带动一级分离网10不断振动以提高分离效果；未通过一级筛孔的固体颗粒落入二级分离网11，经由筛孔的筛选，细小的催化剂通过筛孔进入催化剂回收箱15，未通过二级筛孔的粒径较大的固体颗粒炭产物落入粗炭收集箱14，得到活性炭材料。在此过程中，二级振动装置13带动二级分离网11不断振动以提高分离效果。

步骤四、催化剂回收再生：

催化剂回收箱15中的催化剂和小粒径炭颗粒进入流化床再生反应器16，以储气瓶8中的不冷凝气体作为载气，进行燃烧再生。流化床再生反应器的温度控制在650～700℃。催化剂中的积碳和小粒径炭颗粒通过燃烧转化为二氧化碳，使催化剂恢复活性。再生的催化剂进入催化剂料斗2储存，实现催化剂循环利用。燃烧产生的高温烟气进入生物质料斗1用于干燥生物质原料。

所述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解方法，所选用的催化剂种类有LOSA-1、FCC、Al₂O₃、HZSM-5。气相产物为富含烯烃的可燃气体，液体产物以芳香烃为主，并且无含氧有机物的存在，产物近似完全脱氧。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置，其特征在于：包括进出口依次连接的生物质料斗(1)、催化剂料斗(2)、螺旋式挤压反应器(4)、产物室(5)、催化剂回收箱(15)和气体收集装置及流化床再生反应器(16)；

所述气体收集装置包括进出口依次连接的过滤装置(6)、冷凝装置(7)及储气瓶(8)，所述产物室(5)的上出口与所述过滤装置(6)的入口相连，所述冷凝装置(7)的气相出口与所述储气瓶(8)入口相连；

所述产物室(5)的下出口通过振动分离装置连接所述催化剂回收箱(15)，所述振动分离装置由分离网和振动装置同轴连接组成，由振动装置驱动；所述分离网的网下出口连接所述催化剂回收箱(15)；

所述流化床再生反应器(16)的给料口连接所述催化剂回收箱(15)的底部出口，载气入口连接所述储气瓶(8)的出口；流化床再生反应器(16)的固体出口连接所述催化剂料斗(2)的入口，上部的气体出口连接所述生物质料斗(1)的通风口；

所述振动分离装置为呈阶梯状的两阶平行振动分离装置，上阶为一级振动分离装置，下阶为二级振动分离装置；所述产物室(5)的下出口连接所述一级振动分离装置的一级分离网(10)，所述一级分离网(10)的网下出口连接催化剂回收箱(15)，网上出口与所述二级振动分离装置的二级分离网(11)入口相连，二级分离网(11)的网下出口连接催化剂回收箱(15)。

2.根据权利要求1所述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置，其特征在于：所述生物质料斗(1)和催化剂料斗(2)的出口分别各自通过螺旋进料器(3)与所述螺旋式挤压反应器(4)的入口连接，螺旋式挤压反应器(4)出口与产物室(5)相连；螺旋式挤压反应器(4)由外加热系统供热，内部设有电动机带动的螺旋叶轮，通过螺旋叶轮的推进、挤压、搅拌，促进生物质原料与催化剂的混合接触。

3.根据权利要求1所述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置，其特征在于：所述振动分离装置倾斜设置，倾斜角为20-60°。

4.根据权利要求1所述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置，其特征在于：所述分离网的网孔直径为50目。

5.根据权利要求1所述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置，其特征在于：所述流化床再生反应器(16)使用生物质热解来自储气瓶(8)的不冷凝气体作为载气，控制载气流速，维持鼓泡流态化状态。

6.根据权利要求1至5任一所述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、生物质原料催化热解：

储存在生物质料斗(1)中的生物质原料和催化剂料斗(2)中的催化剂进入螺旋式挤压反应器(4)，在螺旋式挤压反应器(4)中互相挤压、接触混合，生物质在催化剂作用下发生催化热解反应，产生的产物排入产物室(5)；

步骤二、气相产物过滤冷凝：

产物室(5)中的热解气相产物经过过滤装置(6)过滤除去固体杂质，再经过冷凝装置(7)冷凝得到芳香烃等液态化学品和富含烯烃的不冷凝气体，不冷凝的气体产物进入储气瓶(8)，作为富烯烃的可燃气体储存起来；

步骤三、固体产物催化剂分离：

产物室(5)中的热解固体产物通过振动分离装置分离成粗炭和催化剂，小粒径的催化剂和小粒径炭颗粒通过分离网落入催化剂回收箱(15)；大粒径的炭产物粗炭收集；

步骤四、催化剂回收再生：

催化剂回收箱(15)中的催化剂和小粒径炭颗粒进入流化床再生反应器(16)，以储气瓶(8)中的不冷凝气体作为载气，进行燃烧再生后进入催化剂料斗(2)循环使用；燃烧产生的热烟气进入生物质料斗(1)用于干燥生物质原料。

7.根据权利要求6所述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置的方法，其特征在于：所述生物质原料是经粉碎的生物质颗粒，所述催化剂颗粒粒径小于50目。

8.根据权利要求6所述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置的方法，其特征在于：所述螺旋式挤压反应器(4)预先由外供热系统加热到500～550℃，在反应过程中温度保持稳定；所述流化床再生反应器(16)温度控制在650～700℃。

9.根据权利要求6所述的含催化剂分离再生的生物质挤压催化热解装置的方法，其特征在于：所述催化剂种类包括LOSA-1、FCC、Al₂O₃、HZSM-5。