CN108531220A - 一种生物质微波热解高产气的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种生物质微波热解高产气的系统和方法，所述系统包括进料组件，微波反应组件，冷却组件和吸附组件，所述进料组件与微波反应组件连接，所述微波反应组件两端分别连接冷却组件和吸附组件，冷却组件通过提升运输装置连接吸附组件。利用本发明的系统进行生物质微波热解高产气，可以有效解决生物质气化过程中存在的焦油难脱除的问题，利用裂解过程中产生的焦炭，将其用于冷凝吸附未能裂解的焦油，并返回微波裂解器中继续裂解，深化焦油的裂解反应，不仅可具有较高的脱除气体产物中焦油的效果，还提高了原料的转化率，得到质量高、纯度好的产品。

Description

一种生物质微波热解高产气的系统和方法
技术领域
本发明涉及生物质微波热解制备合成气的方法和系统。
背景技术
生物质能源是可再生能源的重要组成部分，是继石油、煤炭、天然气等化石能源之后，当今全球第四大能源。而且生物质能利用是自然界的碳循环的一部分，过程中实现CO2的零排放，是一种环境友好型能源。生物质气化作为生物质能利用技术的主要方法之一，是在一定的热力学条件下，借助于空气部分(或者氧气)、水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原重整反应，最终转化为一氧化碳，氢气和低分子烃类等可燃气体的过程。生物质气化得到的气体可替代天然气等化石燃料，实现燃气、热能和电能的供给。
目前生物质气化按照气化介质不同可分为使用气化介质和不使用气化介质两大类，不使用气化介质成为干馏气化；使用气化介质可按照气化介质不同分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、水蒸气-氧气混合气化和氢气气化等。目前使用的反应器包括固定床(上吸式和下吸式)、鼓泡床、流化床、外/内循环流化床、喷动床、气流床等。但传统的由外向内的热传导作用导致了热解反应的不可控，生物质发生多次裂解，导致气化效率偏低等问题。
微波加热可在被加热物体不同深度同时产生热，这种“体加热作用”使得加热速度快且均匀。与传统的热裂解相比，微波裂解产生的气体氢气含量高，H2/CO的比例高，稠环烃的含量少且灰分低。
CN201210401809.6公开了一种微波场下生物质与焦炭热解气化的制氢方法，将生物质与焦炭共同热解气化，气化率80%，但其采用冰水混合物冷却，不能完全脱除气体中所含焦油，且存在含焦油废水的二次处理问题。
CN201110148095.8公开了一种微波气流床两段式生物质气化工艺，热解和气化相分离，首先微波热解炭化生物质，然后将热解气和粉状木炭送入高温气流床气化，降低了合成气中焦油的含量，提高了气化效率和碳的转化率。CN201110449413.4公开了一种微波等离子生物质气化工艺，碳转化率高，冷煤气效率85%，且合成气中无焦油、无酚类物质。但上述两种方法采用的气流床温度高达1100℃，最高接近2000℃，不仅能耗较高，而且设备要求较高。
CN201010246886.X公开了一种生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法及装置，生物质经过流化床气化得到气体产物和生物焦，气体产物通过活化后的生物质焦层，催化裂解其中的焦油，所得气化气中焦油含量为8mg/m3。但该法使用流化床气化，气体流速较快，通过炭层容易携带大量颗粒物，气体中杂质含量高。
CN201410563749.7公开了一种生物质微波热解气化反应装置，可在一个反应器内通过调节微波功率将立式固定床反应器分为预热、热解、气化及重整四个温度不同的区域，生物质的碳转化率高，气体中焦油含量低。但该装置中产品所含焦油不能完全裂解，随产品一起排出。
可见，现有的生物质微波热解气化反应系统及装置中，均普遍存在焦油组分难以分离，或分离后又会带来二次分离问题。
发明内容
为了解决现有技术中以生物质为原料生产合成气过程中焦油组分难以分离，或分离后带来二次分离，本发明拟提供一种生物质微波热解制备合成气的方法和系统，将生产过程中的焦炭冷却后吸附气体产物中的焦油，得到更好的分离效果，吸附焦油后的焦炭可返回反应器中继续裂解，增加气体产量。
为实现以上技术目的，本发明第一方面的技术目的是提供一种生物质微波热解高产气的系统，包括进料组件，微波反应组件，冷却组件和吸附组件，所述进料组件与微波反应组件连接，所述微波反应组件两端分别连接冷却组件和吸附组件，冷却组件通过提升运输装置连接吸附组件。
本发明第二方面的技术目的是提供利用上述系统进行生物质微波热解高产气的方法，包括以下步骤：生物质原料经预处理后由进料组件进入微波反应组件进行裂解，分别得到气体产物和固体产物，气体产物主要是H2、CO、CH4、C2~C4烃和焦油，固体产物主要为焦炭，气体产物进入吸附组件，固体产物进入冷却组件，冷却后进入吸附组件与气体产物接触，利用冷却的焦炭吸附气体产物中的焦油，吸附焦油后的焦炭再次进行微波裂解，循环利用，将除焦油后的气体收集，主要是H2、CO和C1~C4烃类。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）本发明针对生物质气化过程中存在的焦油难脱除的问题，利用裂解过程中产生的焦炭，将其用于冷凝吸附未能裂解的焦油，并返回微波裂解器中继续裂解，深化焦油的裂解反应，不仅可具有较高的脱除气体产物中焦油的效果，还提高了原料的转化率，得到质量高、纯度好的产品。
（2）本发明的系统设计简单巧妙，充分利用了反应过程中的固废，冷却的焦炭在吸附焦油过程中也会使气体产物温度得到初步降低，减轻了后续处理量。
（3）利用本发明的系统进行生物质产气，焦炭全部循环利用，裂解产物全部为气体，主要为H2与CO以及少量C1~C4，产气量高。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1.实施例1中的生物质微波热解高产气的系统示意图，
其中，100. 进料组件，200. 微波反应组件，300. 冷却组件，400. 吸附组件，500. 提升运输装置，201. 一级微波反应器，202. 二级微波反应器。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明第一方面的技术目的是提供一种生物质微波热解高产气的系统，包括进料组件，微波反应组件，冷却组件和吸附组件，所述进料组件与微波反应组件连接，所述微波反应组件两端分别连接冷却组件和吸附组件，冷却组件通过提升运输装置连接吸附组件。
在上述系统中，作为优选的实施方式，所述微波反应组件包括顺次连接的一级微波反应器和二级微波反应器，所述二级微波反应器上端设置一个进口和一个出口，并通过其与吸附组件连接；二级微波反应器下端通过一出口与冷却组件连接。
在上述系统中，作为更具体的实施方式，所述二级微波反应器的下部侧面还设置有一个气体进口。
在上述系统中，作为更具体的实施方式，微波反应器可采用立式或卧式反应器，其中二级微波反应器更优选为立式反应器。
在上述系统中，作为优选的实施方式，所述吸附组件优选为吸附塔，所述提升运输装置优选为斗式提升机，作为更优选的实施方式之一，所述斗式提升机连接至吸附塔的顶端，使运输的固体在吸附组件内从上至下与气体逆流接触。
本发明第二方面的技术目的是提供利用上述系统进行生物质微波热解高产气的方法，包括以下步骤：生物质原料经预处理后由进料组件进入微波反应组件进行裂解，得到气体产物和固体产物，气体产物主要是H2、CO、C1~C4烃类和焦油，固体产物主要为焦炭，气体产物进入吸附组件，固体产物进入冷却组件，冷却后进入吸附组件与气体产物接触，利用冷却的焦炭吸附气体产物中的焦油，吸附焦油后的焦炭再次进行微波裂解，循环利用，将除焦油后的气体收集，主要是H2、CO和C1~C4烃类。
在上述方法中，作为优选的实施方式，所述预处理为将生物质原料进行干燥脱水活化处理。
在上述方法中，作为优选的实施方式之一，所述微波裂解为多级裂解，优选为两级微波裂解，裂解中可以使用或不使用催化剂，作为更具体的实施方式，一级微波裂解反应的温度为700~900℃，二级微波裂解反应的温度为900~1200℃。
在上述方法中，作为本领域技术人员应当理解的是，生物质原料经微波裂解后的气体产物中的焦油沸点在700℃左右，在本发明的裂解温度下，焦油为气态，进入吸附组件后被焦炭冷却吸附。随其再次进入微波反应组件，焦油得到进一步裂解，水蒸气与焦炭发生反应，生成H2与CO，深化了反应程度。
在上述方法中，作为优选的实施方式之一，所述二级微波裂解过程中通过二级微波反应器下部侧面的气体进口通入水蒸气。
在上述方法中，作为优选的实施方式之一，固体产物经冷却组件冷却至200~500℃。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。以下实施例和对比例中，如无特别说明，所用的原料均可通过商购获得。
实施例1
一种生物质微波热解高产气的系统，包括进料组件100，微波反应组件200，冷却组件300和吸附组件400，所述进料组件100与微波反应组件200连接，所述微波反应组件200两端分别连接冷却组件300和吸附组件400，冷却组件300通过提升运输装置500连接吸附组件400。微波反应组件200包括顺次连接的一级微波反应器201和二级微波反应器202，所述二级微波反应器202上设置两个进口和一个出口，其中一个进口和一个出口设置于二级微波反应器顶端，并通过其与吸附组件400的底端连接，吸附组件400为吸附塔；所述冷却组件300连接于二级微波反应器202的下端。所述提升运输装置500为斗式提升机，其一端连接冷却组件300，另一端连接吸附组件400的上端。
实施例2
利用实施例1的系统进行生物质微波热解高产气的方法，包括以下步骤：生物质原料经预处理后以0.5kg/h速率由进料组件100进入微波反应组件200进行裂解，原料先进入一级微波反应器201，于750℃、微波功率为6×105W/m3下进行裂解5min，再送入二级微波反应器202，并从二级微波反应器202的下侧进口通入水蒸气，流量为0.3m3/h，以上原料于1000℃、微波功率为8×105W/m3下进行裂解5min，得到气体产物和固体产物，气体产物主要是H2、CO、CH4、C2~C4烃和焦油，固体产物主要为焦炭，气体产物进入吸附组件400，固体产物进入冷却组件300，焦炭经冷却至250℃后由提升运输装置500送至吸附组件400与气体产物接触，利用冷却的焦炭可吸附气体产物中的焦油，吸附焦油后的焦炭再次进入微波反应组件200进行微波裂解，循环利用，从吸附组件400的上端将除焦油后的气体收集，气体产物主要是H2、CO、CH4和C2~C4烃。经测定，气体产物中不含焦油，无需再进行除焦油处理，其中H2和CO占95%。

Claims (9)

1.一种生物质微波热解高产气的系统，包括进料组件，微波反应组件，冷却组件和吸附组件，所述进料组件与微波反应组件连接，所述微波反应组件两端分别连接冷却组件和吸附组件，冷却组件通过提升运输装置连接吸附组件。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微波反应组件包括顺次连接的一级微波反应器和二级微波反应器，所述二级微波反应器上端设置一个进口和一个出口，并通过其与吸附组件连接；二级微波反应器下端通过一出口与冷却组件连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二级微波反应器的下部侧面还设置有一个气体进口。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二级微波反应器更优选为立式反应器。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述吸附组件优选为吸附塔，所述提升运输装置优选为斗式提升机。
6.利用权利要求1~5任意一项所述的系统进行生物质微波热解高产气的方法，包括以下步骤：生物质原料经预处理后由进料组件进入微波反应组件进行裂解，得到气体产物和固体产物，气体产物主要是H2、CO、CH4、C2~C4烃和焦油，固体产物主要为焦炭，气体产物进入吸附组件，固体产物进入冷却组件，冷却后进入吸附组件与气体产物接触，利用冷却的焦炭吸附气体产物中的焦油，吸附焦油后的焦炭再次进行微波裂解，循环利用，将除焦油后的气体收集，主要是H2、CO和C1~C4烃类。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微波裂解为多级裂解，优选为两级微波裂解，一级微波裂解反应的温度为700~900℃，二级微波裂解反应的温度为900~1200℃。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述二级微波裂解过程中通过二级微波反应器下部侧面的气体进口通入水蒸气。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，固体产物经冷却组件冷却至200~500℃。
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