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一种利用生物质制备高热值燃气的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物质利用相关技术领域，公开一种利用生物质制备高热值燃气的系统，该系统包括热解设备、催化设备和加热设备，其中挥发份经过一级催化装置中半焦催化剂的催化重整获得初级燃气并送入二级催化装置中，镍基催化剂对初级燃气再次催化重整制得高热值燃气；加热设备通过失活的半焦催化剂燃烧产生的高温烟气对系统供热；此外本发明还公开了相应的工艺方法。本发明对热解获得的挥发份进行两步催化，有益于提高镍基催化剂的催化效率和使用寿命，并且无需外部供能，因此系统的经济性较好，运行成本较低；同时燃烧产生的高温烟气只通过独立的烟气换热系统供热，因此产生的燃气中没有杂质气体，制备的燃气热值较高。

Description

一种利用生物质制备高热值燃气的系统和方法
技术领域
本发明属于生物质利用相关技术领域，更具体地，涉及一种利用生物质制备高热值燃气的系统和方法。
背景技术
随着社会的发展以及环保要求的提高，农业和林业产生的大量废弃生物质需要进行处理。因此，如何高效并且低污染地实现生物质资源的利用，已成为亟待解决的重大问题。
生物质作为一种清洁的可再生能源，可通过热化学的方式进行快速、高效地利用，其中热解过程中挥发份的催化重整是生产燃气的重要途径之一。在现有的催化重整系统中，镍基催化剂的催化活性高，应用较为广泛。然而，由于挥发份中不易催化的组分(如芳香组分)会导致催化剂积炭并失活，因此开发高效、不易失活且经济性好的催化工艺是生物质制取高热值燃气的主要研究方向。
目前现有技术中对催化剂积碳失活的问题从催化剂改性和催化过程的条件优化入手提出了一些解决方案。例如，CN201610954356公开了一种生物质气化制取富氢燃气复合催化剂及其制备方法，通过分步浸渍法制备抗积碳能力强的催化剂，但改性的催化剂仍然不能很好地解决积碳失活的问题。此外，在常规的催化系统中，由于载气的存在大大降低了燃气的纯度和热值，不利于燃气的进一步利用。例如CN200810230310公开了一种碱金属熔盐催化气化碳基化合物的方法和设备，采用空气或氧气作为主气化剂通入反应器中制备燃气和化工合成气，但空气或氧气的存在降低了制得燃气的纯度，无法获得高热值燃气。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用生物质制备高热值燃气的系统和方法，其中对其关键组成设备如热解设备和催化设备的结构及设置方式进行改进，相应能够解决镍基催化剂失活的问题，同时还能够提高燃气的纯度和热值，因而尤其适用于生物质催化制备燃气的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用生物质制备高热值燃气的系统，其特征在于，包括热解设备、催化设备和加热设备，其中：
所述热解设备包括给料装置和热解炉，用于将生物质原料执行热解，然后将热解产物中的半焦和挥发份输送到所述催化设备中；
所述催化设备包括一级催化装置和二级催化装置，其中对于所述一级催化装置而言，它的上部与所述热解炉的顶端保持相连，它的侧部设置有与所述热解炉底端相连的入口，由此从所述热解炉的上下两端分别导入所述半焦和所述挥发份；此外，该一级催化装置内部设置有装有半焦催化剂的半焦催化层，该一级催化装置的下部与所述二级催化装置相连通，由此用于将所述半焦作为催化剂对所述挥发份进行催化重整，并将获得的初级燃气输送至该二级催化装置中；对于所述二级催化装置而言，它的内部设置有装有镍基催化剂的镍基催化层，并将该镍基催化剂用于对所述初级燃气进行再次催化重整，制得高热值燃气；
所述加热设备包括加热器和半焦燃烧器，其中所述加热器分别布置在所述二级催化装置、所述一级催化装置和所述热解炉的外壁上，由此执行所需的加热操作；所述半焦燃烧器与所述半焦催化层连接，用于将失活的所述半焦催化剂作为燃料进行燃烧，并将高温烟气送入所述加热器。
作为进一步优选地，所述给料装置包括步进电机、生物质料仓和螺旋进料器。
作为进一步优选地，所述催化设备还包括储水仓，所述储水仓出口与所述一级催化装置顶部相连，补充催化设备中水蒸气的含量。
作为进一步优选地，所述加热器包括烟气管道、高效换热组件和保温层，其中所述烟气管道的入口与所述半焦燃烧器的出口连接。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述系统制备高热值燃气的方法，包括如下步骤：
(a)将生物质原料通过所述给料装置输送到所述热解炉中；
(b)所述生物质原料在所述热解炉中热解生成半焦和挥发份，所述半焦通过下端的排渣口进入所述半焦催化层中作为催化剂，所述挥发份通过该热解炉上端的出口进入所述一级催化装置中；
(c)所述挥发份经过所述半焦催化剂的催化重整后获得初级燃气并送入所述二级催化装置中；所述初级燃气通过所述镍基催化剂的再次催化重整获得高热值燃气；
(d)失活的所述半焦催化剂输送到所述半焦燃烧器中燃烧，产生的高温烟气依次通过布置在所述二级催化装置、所述一级催化装置和所述热解炉外壁的所述加热器中对上述设备进行加热。
作为进一步优选地，根据所述生物质原料的含水量调整所述储水仓的补水量，通过增加系统的水蒸气含量提高催化效率，增加燃气热值；(生物质中水分含量+补水量)/(生物质中C元素含量)的摩尔比值优选为2～3。
作为进一步优选地，所述热解炉的热解温度优选为500℃～900℃。
作为进一步优选地，所述一级催化装置的催化温度优选为550℃～700℃。
作为进一步优选地，所述二级催化装置的催化温度优选为600℃～700℃。
作为进一步优选地，所述镍基催化剂中镍的质量百分比优选为10％～20％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过设置一级催化装置和二级催化装置，对热解获得的挥发份进行两步催化，其中通过半焦催化剂与挥发份中易导致催化剂积炭失活的组分提前反应，并且将部分大分子芳香烃转化为小分子物质，有益于提高镍基催化剂的催化效率和使用寿命，从而在提高系统催化效率的同时能够有效降低运行成本；
2.此外，本发明运行过程中所需的能量由失活的半焦催化剂燃烧提供，无需外部供能，因此系统的经济性较好，运行成本较低；
3.同时本发明中半焦催化剂燃烧产生的高温烟气不进入热解设备和催化设备内部，只通过独立的烟气换热系统供热，因此产生的燃气中没有杂质气体，制备的燃气热值较高。
附图说明
图1为按照本发明构建的利用生物质制备高热值燃气的系统的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1：半焦燃烧器；2：热解炉；3：加热器；4：螺旋进料器；5：步进电机；6：生物质料仓；7：储水仓；8：半焦催化层；9：二级催化装置；10：镍基催化层；11：一级催化装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种利用生物质制备高热值燃气的系统，其特征在于，包括热解设备、催化设备和加热设备，其中：
所述热解设备包括给料装置和热解炉2，所述热解炉将生物质原料热解为半焦和挥发份，用于将生物质原料执行热解，然后将热解产物中的半焦和挥发份输送到所述催化设备中；
所述催化设备包括一级催化装置11和二级催化装置9，其中对于所述一级催化装置11而言，它的上部与所述热解炉2的顶端保持相连，它的侧部设置有与所述热解炉2底端相连的入口，由此从所述热解炉2的上下两端分别导入所述半焦和所述挥发份；此外，该一级催化装置11内部设置有装有半焦催化剂的半焦催化层8，并且该一级催化装置11的下部与所述二级催化装置9相连通，由此用于将所述半焦作为催化剂对所述挥发份进行催化重整，并将获得的初级燃气输送至该二级催化装置9中；对于所述二级催化装置9而言，它的内部设置有装有镍基催化剂的镍基催化层10，将该镍基催化剂用于对所述初级燃气进行再次催化重整，制得高热值燃气；
所述加热设备包括加热器3和半焦燃烧器1，其中所述加热器3分别布置在所述二级催化装置9、所述一级催化装置11和所述热解炉2的外壁上，由此执行所需的加热操作；所述半焦燃烧器1与所述半焦催化层8连接，用于将失活的所述半焦催化剂作为燃料进行燃烧，并将高温烟气送入所述加热器3。
进一步地，所述给料装置包括步进电机5、生物质料仓6和螺旋进料器4。
进一步地，所述催化设备还包括储水仓7，所述储水仓7出口与所述一级催化装置11顶部相连，补充催化设备中水蒸气的含量。
进一步地，所述加热器3包括烟气管道、高效换热组件和保温层，其中所述烟气管道的入口与所述半焦燃烧器1的出口连接。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述系统制备高热值燃气的方法，包括如下步骤：
(a)将生物质原料通过所述给料装置输送到所述热解炉2中；
(b)所述生物质原料在所述热解炉2中热解生成半焦和挥发份，所述半焦通过下端的排渣口进入所述半焦催化层8中作为催化剂，所述挥发份通过该热解炉2上端的出口进入所述一级催化装置11中；
(c)所述挥发份经过所述半焦催化剂的催化重整后获得初级燃气并送入所述二级催化装置9中；所述初级燃气通过所述镍基催化层10的再次催化重整获得高热值燃气；
更具体地，所述半焦催化剂与所述挥发份中易造成催化剂积炭失活的组分发生反应，从而提高了镍基催化剂的使用寿命；并且该半焦催化剂将部分大分子芳香烃转化为小分子物质，能够有效提高系统的催化效率；同时所述二级催化装置9出口与燃气应用装置或储存装置连接，将制得的高热值燃气直接应用或储存；
(d)失活的所述半焦催化剂输送到所述半焦燃烧器1中燃烧，产生的高温烟气依次通过布置在所述二级催化装置9、所述一级催化装置11和所述热解炉2外壁的所述加热器3中对上述设备进行加热；
更具体地，所述高温烟气通过高效换热组件对该系统进行供热的同时多余的烟气可连接供热管道对外提供热能；并且所述高温烟气不进入热解设备和催化设备中，避免了对燃气纯度的影响。
进一步地，根据所述生物质原料的含水量调整所述储水仓7的补水量，通过增加系统的水蒸气含量提高催化效率，增加燃气热值；(生物质中水分含量+补水量)/(生物质中C元素含量)的摩尔比值优选为2～3。
进一步地，所述热解炉2的热解温度优选为500℃～900℃。
进一步地，所述一级催化装置11的催化温度优选为550℃～700℃。
进一步地，所述二级催化装置9的催化温度优选为600℃～700℃。
进一步地，所述镍基催化剂中镍的质量百分比优选为10％～20％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用生物质制备高热值燃气的系统，其特征在于，该系统包括彼此连接的热解设备、催化设备和加热设备，其中：
所述热解设备包括给料装置和热解炉(2)，用于将生物质原料执行热解，然后将热解产物中的半焦和挥发份输送到所述催化设备中；
所述催化设备包括一级催化装置(11)和二级催化装置(9)，其中对于所述一级催化装置(11)而言，它的上部与所述热解炉(2)的顶端保持相连，它的侧部设置有与所述热解炉(2)底端相连的入口，由此从所述热解炉(2)的上下两端分别导入所述半焦和所述挥发份；此外，该一级催化装置(11)内部设置有装有半焦催化剂的半焦催化层(8)，该一级催化装置(11)的下部与所述二级催化装置(9)相连通，由此用于将所述半焦作为催化剂对所述挥发份进行催化重整，并将获得的初级燃气输送至该二级催化装置(9)中；对于所述二级催化装置(9)而言，它的内部设置有装有镍基催化剂的镍基催化层(10)，并将该镍基催化剂用于对所述初级燃气进行再次催化重整，制得高热值燃气；
所述加热设备包括加热器(3)和半焦燃烧器(1)，其中所述加热器(3)分别布置在所述二级催化装置(9)、所述一级催化装置(11)和所述热解炉(2)的外壁上，由此执行所需的加热操作；所述半焦燃烧器(1)与所述半焦催化层(8)连接，用于将失活的所述半焦催化剂作为燃料进行燃烧，并将高温烟气送入所述加热器(3)。
2.如权利要求1所述的利用生物质制备高热值燃气的系统，其特征在于，所述给料装置包括步进电机(5)、生物质料仓(6)和螺旋进料器(4)。
3.如权利要求1或2所述的利用生物质制备高热值燃气的系统，其特征在于，所述催化设备还包括储水仓(7)，所述储水仓(7)出口与所述一级催化装置(11)顶部相连，用于补充催化设备中水蒸气的含量。
4.如权利要求1～3任意一项所述的利用生物质制备高热值燃气的系统，其特征在于，所述加热器(3)包括烟气管道、高效换热组件和保温层，其中所述烟气管道的入口与所述半焦燃烧器(1)的出口连接。
5.一种利用权利要求1～4任意一项所述的系统制备高热值燃气的方法，包括如下步骤：
(a)将生物质原料通过所述给料装置输送到所述热解炉(2)中；
(b)所述生物质原料在所述热解炉(2)中热解生成半焦和挥发份，所述半焦通过下端的排渣口进入所述半焦催化层(8)中作为催化剂，所述挥发份通过该热解炉(2)上端的出口进入所述一级催化装置(11)中；
(c)所述挥发份经过所述半焦催化剂的催化重整后获得初级燃气并送入所述二级催化装置(9)中；该初级燃气通过所述镍基催化剂的再次催化重整获得高热值燃气；
(d)失活的所述半焦催化剂输送到所述半焦燃烧器(1)中燃烧，产生的高温烟气依次通过布置在所述二级催化装置(9)、所述一级催化装置(11)和所述热解炉(2)外壁的所述加热器(3)中对上述设备进行加热。
6.如权利要求5所述的利用生物质制备高热值燃气的方法，其特征在于，根据所述生物质原料的含水量调整所述储水仓(7)的补水量，通过增加系统的水蒸气含量提高催化效率，增加燃气热值；(生物质中水分含量+补水量)/(生物质中C元素含量)的摩尔比值优选为2～3。
7.如权利要求5或6所述的利用生物质制备高热值燃气的方法，其特征在于，所述热解炉(2)的热解温度优选为500℃～900℃。
8.如权利要求5～7所述的利用生物质制备高热值燃气的方法，其特征在于，所述一级催化装置(11)的催化温度优选为550℃～700℃。
9.如权利要求5～8所述的利用生物质制备高热值燃气的方法，其特征在于，所述二级催化装置(9)的催化温度优选为600℃～700℃。
10.如权利要求5～9所述的利用生物质制备高热值燃气的方法，其特征在于，所述镍基催化剂中镍的质量百分比优选为10％～20％。
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