CN109054875B - 一种生物质高效转化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用石油加工过程中催化裂化装置实现生物质高效转化的方法，利用催化裂化过程生成的焦炭燃烧产生的热量实现整个过程的热量自给，同时通过催化裂化实现生物质热解油的改质，实现由生物质直接转化为高品质燃油的过程，充分利用催化裂化装置，而不用单独建设生物质热解装置，降低生产成本，同时可以解决生物质油单独催化裂化改质时易结焦、催化剂易粘结团聚的问题。本工艺包括热解反应器、提升管反应器、再生器、沉降器、油气分离罐和分馏塔组成，热解反应器置于再生器内，用于生物质的热解液化；催化裂化反应器用于石油馏分和生物质热解油的催化裂化，催化裂化产物通过分馏塔分离成裂化气、汽油和柴油馏分。

Description

一种生物质高效转化方法
技术领域
本发明涉及能源化工领域，更具体的说是涉及一种采用石油馏分催化裂化装置实现生物质高效转化的方法。
背景技术
能源是人类赖以生存的物质基础，化石能源在能源消耗中占据主导地位。然而，因其不可再生性，化石能源日益枯竭，同时化石能源的消费带来的温室气体排放、环境污染等问题日趋严重。在能源与环境叠加效应推动下，可再生能源的开发和利用日益受到广泛关注。在众多的可再生能源中，生物质能源倍受青睐，来源丰富，可转化为常规的固态、液态和气态燃料。其中，生物质液体燃料即生物油被广泛认为最具潜力，有望成为未来替代汽车燃料的重要来源。
生物质快速热解技术是获得生物油的重要途径。它采用高加热速率和短停留时间及适中的裂解温度，使生物质中的有机高分子热解，可以得到约75％的油品收率。因为需要较高的反应温度，需要消耗大量的热量，因此生物质热解的能耗成本较高，限制了其工业化进程。寻找一种廉价易得的热量来源极为重要。此外，所得生物油组成复杂，具有高含氧量、高粘度、高酸值、低热值等特点，直接作为替代车用燃料存在缺陷，因此需要进行后续精制方可生产出满足车用要求的燃料油。
石油加工过程中的催化裂化工艺是在催化剂的作用下是重油大分子变为液化气、汽油、柴油等小分子的过程。在实现重油轻质化生产汽柴油的同时，生成的焦炭附着在催化剂上，只能通过烧焦恢复催化剂活性，烧焦产生大量的热量得不到充分的利用，造成资源浪费。
综合所述，如何提供一种采用催化裂化烧焦产生的热量实现生物质热解过程的热量供给，同时通过催化剂的作用实现生物质热解油的催化改质，降低生物质热解的生产成本，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种采用石油加工过程中催化裂化装置实现生物质高效转化的方法，目的是利用催化裂化过程生成的焦炭燃烧产生的热量实现整个过程的热量自给，同时通过催化裂化实现生物质热解油的改质，实现由生物质直接转化为高品质燃油的过程，充分利用催化裂化装置，而不用单独建设生物质热解装置，降低生产成本。
本工艺反应装置包括热解反应器、提升管反应器、再生器、沉降器、油气分离罐和分馏塔组成，热解反应器置于再生器内，用于生物质的热解液化；催化裂化反应器用于石油馏分和生物质热解油的催化裂化，催化裂化产物通过分馏塔分离成裂化气、汽油和柴油馏分。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种生物质高效转化的方法，包括以下步骤：
(1)生物质经过干燥、粉碎后连续送入热解反应器底部，由不凝气流化提升进入热解反应器进行热解，生成热解气和生物炭；
(2)将所述步骤(1)中生成的热解气和生物炭分离，生物炭落入再生器内，热解气经过冷凝器冷凝后进入油气分离罐，分离成热解油和不凝气；
(3)所述步骤(2)中生成的不凝气进入热解反应器底部作为流化气体参与步骤(1)中的流化提升过程，所述热解油经预提升蒸汽提升，进入提升管反应器，与再生催化剂接触发生催化反应，生成油气与附着焦炭的催化剂；
(4)将所述步骤(3)中生成的油气与附着焦炭的催化剂进行分离，分离后，油气进入分馏塔分离为裂化气、汽油、柴油、回炼油和油浆，附着焦炭的催化剂进入沉降器进行蒸气汽提；
(5)所述步骤(4)中汽提后的所述附着焦炭的催化剂通过待生斜管进入再生器，与所述步骤(1)中热解反应器生成的生物炭一起烧焦再生，恢复活性后经再生斜管循环回提升管反应器继续循环使用。
优选的，所述步骤(4)中生成的回炼油与所述步骤(2)中生成的热解油混合进入提升管反应器参与所述步骤(3)中所述的催化反应，所述步骤(4)中生成的裂化气、汽油、柴油和油浆流出分馏塔。
上述方案的有益效果是：完成了物质循环再利用，保证物质有最大的利用率，防止资源浪费。
优选的，所述步骤(3)中热加油进入提升管反应器时，需同时混合加入催化裂化原料油，且所述催化裂化原料油包括但不限于直馏蜡油、焦化蜡油、常压渣油、减压渣油和加氢尾油。
上述技术方案的有益效果是：在提升管反应器中，通过新鲜催化裂化原料油的稀释作用，避免热解油催化裂化时催化剂快速失活。
优选的，所述步骤(1)中热解反应器的出口温度为500～650℃，热解反应器中的反应压力为0.1～0.4Mpa，反应时间为0.5～20s。
优选的，所述步骤(2)中冷凝器的冷凝温度40～80℃，常压。
优选的，所述步骤(3)中提升管反应器出口温度为450～600℃，提升管反应器内反应压力为为0.1～0.4MPa，反应时间为均为1～4s。
上述方案的有益效果是：通过控制合理的反应温度及压力和反应时间，使得反应充分有效地进行。
优选的，所述步骤(5)中再生器的反应温度为600～720℃，常压状态。
优选的，所述生物质为纤维素、木质素类农林废弃物。
上述方案的有益效果是：原料来源易得，有效降低生产成本同时节约能源。
优选的，所述步骤(3)中提升管反应器底部的预提升气可以采用热解反应的不凝气，或采用分馏塔分离后的干气或者水蒸气。
上述方案的有益效果是：反应中间产物可循环利用，避免资源浪费，也保证了反应效率。
优选的，所述催化剂为USY、ZSM-5分子筛催化剂或者金属氧化物催化剂。
结合上述，本发明提供的技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
(1)热解过程采用自身生成的生物炭和催化裂化过程生成的焦炭燃烧供热，充分利用了待生剂烧焦的热量，减少能耗。
(2)热解过程不需要热载体，减少反应产物的分离与反应器磨损。
(3)采用石油馏分催化裂化的工艺过程，可以充分利用装置的规模效应，缓解生物质原料供应不稳定的影响，降低生产成本。
(4)在提升管反应器中，通过新鲜催化裂化原料的稀释作用，避免生物质热解油催化裂化时的催化剂的快速失活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种采用石油馏分催化裂化装置实现生物质高效转化的方法设备流程示意图。
图中：Ⅰ、提升管反应器；Ⅱ、沉降器；Ⅲ、再生器；Ⅳ、热解反应器；Ⅴ、分馏塔；Ⅵ、油气分离罐；Ⅶ、冷凝器；1、生物质； 2、热解油气；3、不凝气；4、热解油；5、催化裂化原料油；6、压缩空气；7、预提升蒸汽；8、蒸汽；9、油气；10、裂化气；11、汽油；12、柴油；13、回炼油；14、油浆；15、烟气。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如附图1所示，本发明采用的设备包括提升管反应器Ⅰ、沉降器Ⅱ、再生器Ⅲ、热解反应器Ⅳ、分馏塔Ⅴ、油气分离罐Ⅵ、冷凝器Ⅶ，具体使用时，实施方式如图1流程所示：干燥、粉碎的生物质原料1 经进入热解反应器IV的底部，经过热解反应器IV底部通入的不凝气 3流化提升进入热解反应器Ⅳ内部，在再生器III内高温再生催化剂和烟气的加热下进行热解反应生成热解油气2和生物炭。热解油气2 和生物炭经过旋风分离器分离后，生物炭进入再生器III内燃烧释放热量，热解油气2经过冷凝器VII冷凝后进入油气分离罐VII，分离为热解油4和不凝气3，不凝气3进入热解反应器IV的底部作为流化气体，热解油4与分馏塔V分离出的回炼油13一起由第二层喷嘴进入提升管反应器Ⅰ进行反应，与此同时，通入新鲜的催化裂化原料油5与热解油和回炼油13混合进入提升管反应器Ⅰ进行反应，生成油气与附着焦炭的催化剂，在提升管反应器Ⅰ的出口，油气9与附着焦炭的催化剂经过旋风分离器分离，附着焦炭的催化剂进入沉降器 II，油气9进入分馏塔V进一步分离为裂化气10、汽油11、柴油12、回炼油13和油浆14，回炼油13与热解油4混合进入提升管反应器Ⅰ，裂化气10、汽油11、柴油12和油浆14流出装置；附着焦炭的催化剂进入沉降器Ⅱ汽提段进行蒸气8汽提，汽提后的附着焦炭的催化剂通过待生斜管进入再生器Ⅲ，与热解反应器Ⅳ生成的生物炭一起烧焦再生，恢复活性后经再生斜管循环回提升管反应器继续循环使用。
为了优化上述技术方案，再生器的反应温度为600～720℃，常压。
为了优化上述技术方案，热解反应器的出口温度为500～650℃，反应时间为0.5～3s，反应压力为0.1～0.4MPa。
为了优化上述技术方案，冷凝可以采用多种方式，冷凝温度 40～80℃，常压。
为了优化上述技术方案，提升管反应器出口温度450～600℃，反应时间为1～4s，反应压力为0.1～0.4MPa。
为了优化上述技术方案，所用的生物质为纤维素、木质素类农林废弃物，有效降低制备成本。
为了优化上述技术方案，提升管反应器底部的预提升蒸汽采用热解反应的不凝气，或采用分馏塔分离后的干气或者水蒸气，有效利用反应过程中的各种循环物质，使物质利用率达到最大化。
为了优化上述技术方案，所用的催化剂为Y、ZSM-5等分子筛催化剂或者金属氧化物催化剂。
实施例2
采用实施例1的设备，以松木锯末为生物质原料、氮气为流化气体在固定流化床式热解反应器内进行实验：
(1)松木锯末经过干燥、粉碎后连续送入热解反应器底部由不凝气流化提升进入热解反应器进行热解，反应0.5～20s，热解反应器的出口温度为500～650℃，反应压力为0.1～0.4Mpa，生成热解气和松木炭；
(2)将步骤(1)中生成的热解气和松木炭分离，松木炭落入再生器内，热解气经过冷凝器冷凝后进入油气分离罐，分离成热解油和不凝气；
(3)步骤(2)中生成的不凝气进入热解反应器底部与氮气一起作为流化气体参与步骤(1)中的流化提升过程，热解油经预提升蒸汽提升，进入提升管反应器，与催化剂接触发生催化反应1～4s，反应温度450～600℃，反应压力为0.1～0.4Mpa，生成油气与附着焦炭的催化剂；
(4)将步骤(3)中生成的油气与附着焦炭的催化剂进行分离，分离后，油气进入分馏塔分离为裂化气、汽油、柴油、回炼油和油浆，附着焦炭的催化剂进入沉降器进行蒸气汽提；
(5)步骤(4)中汽提后的附着焦炭的催化剂通过待生斜管进入再生器，与所述步骤(1)中热解反应器生成的松木炭在600～720℃，常压下一起烧焦再生，再生后的催化剂经再生斜管循环回提升管反应器继续循环使用。
其中热解得到的产物分布和热解油的性质如表1和表2所示：
表1热解产物分布
Figure BDA0001741384010000061
Figure BDA0001741384010000071
表2热解油性质
Figure BDA0001741384010000072
以上述的510℃得到的热解油(PO)和石油馏分减压蜡油(VGO) 混合原料进行催化裂化改质，采用固定床反应器，反应温度500℃，分别采用以USY和ZSM-5为活性组分的两种工业催化裂化平衡剂为催化剂，重时空速12h-1。
减压蜡油的性质如表3，不同的产物分布如表4：
表3 VGO的基本性质
Figure BDA0001741384010000073
Figure BDA0001741384010000081
表4 PO与VGO混合催化裂化产物分布
Figure BDA0001741384010000082
由上述实施例可知，本发明利用了催化裂化过程生成的焦炭燃烧产生的热量实现整个过程的热量自给，同时通过催化裂化实现生物质热解油的改质，实现由生物质直接转化为高品质燃油的过程，充分利用了催化裂化装置，而不用单独建设生物质热解装置，降低生产成本，在实际生产中将实验扩大生产，可取的良好的效果及经济效益。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种生物质高效转化方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）生物质经过干燥、粉碎后连续送入热解反应器底部，由不凝气流化提升进入热解反应器进行热解，生成热解气和生物炭；
（2）将所述步骤（1）中生成的热解气和生物炭分离，生物炭落入再生器内，热解气经过冷凝器冷凝后进入油气分离罐，分离成热解油和不凝气；
（3）所述步骤（2）中生成的不凝气进入热解反应器底部作为流化气体参与步骤（1）中的流化提升过程，所述热解油经预提升气提升，进入提升管反应器，与催化剂接触发生催化反应，生成油气与附着焦炭的催化剂；
（4）将所述步骤（3）中生成的油气与附着焦炭的催化剂进行分离，分离后，油气进入分馏塔分离为裂化气、汽油、柴油、回炼油和油浆，附着焦炭的催化剂进入沉降器进行蒸气汽提；
（5）所述步骤（4）中汽提后的所述附着焦炭的催化剂通过待生斜管进入再生器，与所述步骤（1）中热解反应器生成的生物炭一起烧焦再生，再生后的催化剂经再生斜管循环回提升管反应器继续循环使用；
所述热解反应器置于所述再生器中。
2.根据权利要求1所述的一种生物质高效转化方法，其特征在于，所述步骤（4）中生成的回炼油与所述步骤（2）中生成的热解油混合进入提升管反应器参与所述步骤（3）中所述的催化反应，所述步骤（4）中生成的裂化气、汽油、柴油和油浆流出分馏塔。
3.根据权利要求1所述的一种生物质高效转化方法，其特征在于，所述步骤（3）中热解油进入提升管反应器时，需同时混合加入催化裂化原料油，热解油在总进料中的比例为1%~50%，且所述催化裂化原料油包括但不限于直馏蜡油、焦化蜡油、常压渣油、减压渣油和加氢尾油。
4.根据权利要求1所述的一种生物质高效转化方法，其特征在于，所述步骤（1）中热解反应器的出口温度为500~650℃，热解反应器中的反应压力为0.1~0.4Mpa，反应时间为0.5~20s。
5.根据权利要求1所述的一种生物质高效转化方法，其特征在于，所述步骤（2）中冷凝器的冷凝温度40~80℃，常压。
6.根据权利要求1所述的一种生物质高效转化方法，其特征在于，所述步骤（3）中提升管反应器出口温度为450~600℃，提升管反应器内反应压力为0.1~0.4MPa，反应时间为1~4s。
7.根据权利要求1所述的一种生物质高效转化方法，其特征在于，所述步骤（3）中提升管反应器底部的预提升气采用热解反应的不凝气，或采用分馏塔分离后的干气或者水蒸气。
8.根据权利要求1所述的一种生物质高效转化方法，其特征在于，所述步骤（5）中再生器的反应温度为600~720℃，常压状态。
9.根据权利要求1所述的一种生物质高效转化方法，其特征在于，所述生物质为纤维素、木质素类农林废弃物。
10.根据权利要求1所述的一种生物质高效转化方法，其特征在于，所述步骤（3）中的催化剂为USY、ZSM-5分子筛催化剂或者金属氧化物催化剂。
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