CN107760383A - 高炉渣余热催化裂解生物质制燃气技术 - Google Patents
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Abstract
本发明是以高炉渣为热载体资源化生物质的方法，属于环境保护及低碳技术领域。本发明步骤为：以高炉渣为热载体加热气化生物质，高炉渣催化裂解生物质产生以H2、CO、CO2为主的能源气体，并且研究高炉渣和生物质异质混合颗粒的在移动床内的运动、传热规律，建立异质混合颗粒间的传热模型，此外，还揭示了以高炉渣为催化剂的生物质气化及含焦油燃气催化重整反应机理，明确提高燃气产率和氢气含量的最佳反应条件。通过工艺控制，高炉渣作为热载体与生物质混合实现气化，不仅有利于高炉渣能源的深度回收，还因为其富含金属氧化物，对提高产气率，降低焦油产率有明显的催化作用。
Description
技术领域
本发明是以高炉渣为热载体资源化生物质的方法，具体涉及利用高炉渣余热催化裂解生物质制燃气技术，属于环境保护及低碳技术领域。
背景技术
在早期，传统的回收高温炉渣热量的方法是水淬法，但是水淬法会使得高温炉渣的热量散失掉，回收的方法是用冲渣水的余热来供暖。但这种方法回收余热效率很低，仅有10％的热量可以回收。后来出现风淬法，比如干法粒化处理熔渣来回收余热，其效率约为40％；高温炉渣余热回收主要有：甲烷水蒸气重整法、生物气体制氢等化学方法。
高炉渣作为冶炼过程的副产物，每吨生铁平均产出半吨炉渣，且温度超过一千度，呈现胶状的高炉渣具有大量的显热和潜热，正好满足生物质气化的温度和热量条件，实现了高炉渣能源回收的同时更促进了生物质向高品位能的转化。高炉渣余热回收和生物质热解进行技术集成，利用高炉渣作为热载体加热气化生物质制取生物油，解决了生物质气化所需热源的问题。
鉴于生物质气化所需热源的问题及现实要求，加之循环经济性的考虑，经过系列实验探索，开发了本发明所陈述的高炉渣余热催化裂解生物质制燃气技术。
发明内容
针对现有技术不足，本发明是一种利用高炉渣余热裂解生物质制燃气的方法。通过工艺控制，高炉渣作为热载体与生物质混合实现气化，不仅有利于高炉渣能源的深度回收，还因为其富含金属氧化物，对提高产气率，降低焦油产率有明显的催化作用。
本工艺技术方案为：以高炉渣为热载体加热气化生物质，高炉渣催化裂解生物质产生以H2、CO、CO2为主的能源气体，并且研究高炉渣和生物质异质混合颗粒的在移动床内的运动、传热规律，建立异质混合颗粒间的传热模型，此外，还揭示了以高炉渣为催化剂的生物质气化及含焦油燃气催化重整反应机理，明确提高燃气产率和氢气含量的最佳反应条件。
本发明的具体步骤如下：
(1)加热高炉渣颗粒
通过电炉将具有一定粒径的高炉渣颗粒加热到预定温度，为了实现生物质气化，一般设定高炉渣的加热温度为1000℃到1200℃。其中高炉渣加热系统的执行器为功率6kW的电炉；温度传感器为镍铬－镍硅热电耦，用来监测电炉内高炉渣的加热温度。温度控制器多通道高精度温控仪，前面板为液晶显示，直接连接测温热电偶。温控仪通过热电偶实时监测的现场整定的温度值，对比预先的设定温度来实现对电炉的加热装置调节。其控制方式为比例积分微分的PID智能化控制，控温精度为正负1度。其中控制器的比例、积分、微分等控制参数为系统自带模糊控制模块自整定功能完成。控制器、执行器和配套电源安装在电炉温控柜内。
(2)高炉渣与生物质颗粒混合
加热后的高炉渣通过给料器送至实验装置底部的旋转反应器，与此同时，经过破碎和筛选工艺的生物质也被送入。实验研究过程中采用的生物质原料有秸秆、棉秆、锯末或稻草等，颗粒破碎产物粒径要求小于250微米。本研究所用给料器反应器壳体有蓄热材料层以保证反应的稳定工作条件，这里选用氯化钠作为蓄热材料，主要原因是其与反应温度较为吻合，且体积膨胀率低，化学性能温度，成本低廉。该反应器由壳体、保温层和内外锥构成，外锥能够转动，内锥保持固定不动，高炉渣与生物质直接送入旋转锥底部，在内部单层螺旋搅拌装置转动的作用下受混合并上升。此外系统的填料装置非为生物质颗粒和高炉渣颗粒两个填料器。
(3)热解产物气固分离
高炉渣颗粒与生物质在离心力沿炉内螺旋呈螺旋下降运动，运动过程中生物质与高炉渣颗粒充分混合，热解后气体成分从装置顶部出口排出，经分离装置筛选分离，产生气体的气固分离装置为旋风除尘装置，反应后的炉渣则沿反应器炉壁排出。
(4)产物分析
排出气体经煤气表测量体积后放空燃烧，当反应产稳定5分钟后，每间隔3分钟用集气袋取样一次，共取样3次，然后用气相色谱仪(Agilent 3000A micro-GC)测试燃气组分和含量，结果取其平均值。
生物质气化实验产气量分析
分别选用高炉渣颗粒和陶瓷球为热载体，半径小于5毫米范围，对产物分布及气体组成进行分析。与普通陶瓷球相比，高炉渣作为热载体产物中灰分变化较小,而产气量明显增加，含量由70％增加到89％。同时，焦油含量急剧下降(由18.2％下降到3.17％)。这说明在高炉渣为载热体的实验中，更多的焦油反生分解气化，从而进一步提高了焦油的去除率。该结论与目前研究的主要结果保持一致。究其原因是高炉渣中含有的金属氧化物等为脱氢催化剂的活性组分，碱金属、碱土金属和过渡金属是生物质气化的主要有效催化剂，因此高温炉渣不仅可作为生物质气化的热源，它含有的活性成分还可对焦油气的催化重整有一定的催化作用。
催化器话机理研究
(1)高炉渣在提高氢气产量和焦油减量方面表现出良好的催化作用。
(2)随着高炉渣颗粒粒径的减小，产气率和氢气含量明显增加，与此同时，焦油量呈下降趋势。
(3)实验原料采用松木锯屑，玉米秸秆，和稻草等三种常见的具有代表性的生物质作为实验原料。经自行设计的生物质破碎机破碎加工制成粉体，采用型号为8411的振动筛进行分级。粒径分布如下：14wt％小于140目,47wt％140–100目,32wt％100–80目,4wt％80–60目and 3wt％60–40目。
生物质物料平衡与能量平衡
(1)物料平衡：对于本中试气化系统中，仅考虑回转窑中高炉渣颗粒与生物质混合气化的过程，故回转炉的质量输入包括生物质(m1＝500kg/h)和粒化高炉渣(m2＝1000kg/h)，其配比为生物质/高炉渣＝1：2。质量输出包括换热后的高炉渣颗粒高炉渣颗粒(m3＝1000kg/h)气体产物(vg＝106kg/h)、炭黑颗粒(m4＝202kg/h)、气化油(m5＝192kg/h)，满足物料平衡。气体的质量产量由气体的体积产量与气体密度计算得出，其中气体密度通过气体成分计算得到；本计算高炉渣充当热源以及催化剂，质量变化忽略。
(2)能量平衡：由于生物质气化系统的能量平衡关系是极其复杂的，影响的因素也很多，计算中需要进行一定的假设：仅对粒化及回转换热系统进行热量衡算，忽略液态生物质输送阶段；针对整个系统的能量进、出过程计算；实验结束后炭黑颗粒残留在粒化器底部及回转窑内部，因其显热所占比例略小，本计算高炉渣质量变化可忽略不计。在以上假设条件的基础上，经过计算，满足能量平衡方程。
与传统生物质处理技术相比，本发明具有以下特点：
(1)高炉渣作为热载体与生物质混合实现气化，不仅有利于高炉渣能源的深度回收，还因为其富含金属氧化物，对提高产气率，降低焦油产率有明显的催化作用。较陶粒为热载体的实验表明，产气量提高17倍。
(2)高炉渣与生物质颗粒间传热过程包括对流、导热和辐射作用，过程复杂，但主要是通过导热方式进行，理论分析表面，粒径越小越有利于降低产物中的焦油含量，实验表面高炉渣粒径减少4-5倍，氢气含量提高50％，焦油含量为原来的20％。
(3)本发明对高温炉渣和生物质混合颗粒在移动床内的运动规律进行了理论分析。揭示了高炉渣和生物质异质混合颗粒的在移动床内的运动、传热规律，建立异质混合颗粒间的传热模型。
附图说明
图1研究思路
图2反应器
图3生物质和高炉渣补料装置结构图
图4旋风除尘器装置结构图
具体实施实例如下：
案例1：
(1)加热高炉渣颗粒
通过电炉将具有一定粒径的高炉渣颗粒加热到预定温度，高炉渣的加热温度为1000℃。其中高炉渣加热系统的执行器为功率6kW的电炉；温度传感器为镍铬－镍硅热电耦，用来监测电炉内高炉渣的加热温度。温度控制器多通道高精度温控仪，前面板为液晶显示，直接连接测温热电偶。温控仪通过热电偶实时监测的现场整定的温度值，对比预先的设定温度来实现对电炉的加热装置调节。
(2)高炉渣与生物质颗粒混合
加热后的高炉渣通过给料器送至实验装置底部的旋转反应器，与此同时，经过破碎和筛选工艺的生物质也被送入。实验研究过程中采用的生物质原料有秸秆、棉秆、锯末或稻草等，颗粒破碎产物粒径要求小于250微米。
(3)热解产物气固分离
高炉渣颗粒与生物质在离心力沿炉内螺旋呈螺旋下降运动，运动过程中生物质与高炉渣颗粒充分混合，热解后气体成分从装置顶部出口排出，经分离装置筛选分离，产生气体的气固分离装置为旋风除尘装置，反应后的炉渣则沿反应器炉壁排出。
(4)产物分析
排出气体经煤气表测量体积后放空燃烧，当反应产稳定5分钟后，每间隔3分钟用集气袋取样一次，共取样3次，然后用气相色谱仪(Agilent 3000A micro-GC)测试燃气组分和含量，结果取其平均值。
案例2：
(1)加热高炉渣颗粒
通过电炉将具有一定粒径的高炉渣颗粒加热到预定温度，高炉渣的加热温度为1200℃。其中高炉渣加热系统的执行器为功率6kW的电炉；温度传感器为镍铬－镍硅热电耦，用来监测电炉内高炉渣的加热温度。温度控制器多通道高精度温控仪，前面板为液晶显示，直接连接测温热电偶。温控仪通过热电偶实时监测的现场整定的温度值，对比预先的设定温度来实现对电炉的加热装置调节。
(2)高炉渣与生物质颗粒混合
加热后的高炉渣通过给料器送至实验装置底部的旋转反应器，与此同时，经过破碎和筛选工艺的生物质也被送入。实验研究过程中采用的生物质原料有秸秆、棉秆、锯末或稻草等，颗粒破碎产物粒径要求小于250微米。
(3)热解产物气固分离
高炉渣颗粒与生物质在离心力沿炉内螺旋呈螺旋下降运动，运动过程中生物质与高炉渣颗粒充分混合，热解后气体成分从装置顶部出口排出，经分离装置筛选分离，产生气体的气固分离装置为旋风除尘装置，反应后的炉渣则沿反应器炉壁排出。
(4)产物分析
排出气体经煤气表测量体积后放空燃烧，当反应产稳定5分钟后，每间隔3分钟用集气袋取样一次，共取样3次，然后用气相色谱仪(Agilent 3000A micro-GC)测试燃气组分和含量，结果取其平均值。
Claims (3)
1.高炉渣余热催化裂解生物质制燃气的技术，其特征在于步骤如下：
(1)通过电炉将具有一定粒径的高炉渣颗粒加热到1000℃到1200℃；
(2)加热后的高炉渣通过给料器送至反应器，与此同时，经过破碎和筛选工艺的生物质也被送入；
(3)高炉渣颗粒与生物质在离心力沿炉内螺旋呈螺旋下降运动，运动过程中生物质与高炉渣颗粒充分混合，热解后气体成分从装置顶部出口排出，经分离装置筛选分离，反应后的炉渣则沿反应器炉壁排出；
(4)排出气体经煤气表测量体积后放空燃烧，当反应产稳定5分钟后，每间隔3分钟用集气袋取样一次，共取样3次，然后用气相色谱仪测试燃气组分和含量，结果取其平均值。
2.根据权利要求1所述的高炉渣余热催化裂解生物质制燃气的技术，其特征在于，生物质与高炉渣的输入质量比为1：2。
3.根据权利要求1所述的高炉渣余热催化裂解生物质制燃气的技术，其特征在于，采用的生物质原料有秸秆、棉秆、锯末或稻草等，颗粒破碎产物粒径要求小于250微米。
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