CN109439360B - 一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的装置及方法，属于将废气的油脂有效利用起来转化成可直接使用的生物能源领域。本发明包括热对流装置、管式催化裂解炉、气包、急热器、冷却塔、冷凝器、分馏塔、汽提塔、燃烧装置、压缩装置。本发明优点是利用天然火山石孔隙多、孔径均匀、组成成分类似无定型硅铝酸盐凝胶、比表面积大、特异性强等可回收利用的特性，可过滤掉低沸点的油脂肪、整个装置积碳少、产物燃料效率高、尽可能的避免了过多含硫、含氮等有害氧化物排出。

Description

一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的装置及方法
技术领域
本发明涉及生物基燃料及催化剂的技术领域，具体为一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的装置及方法。
背景技术
生物基燃料主要包括石油气、溶剂油、汽油、煤油和柴油等。生物基燃料是生物基产品的一种。生物基产品主要除粮食外的秸秆等木质纤维素类农林废弃物，以其为原料生产环境友好的化工产品和绿色能源，是人类实现可持续发展的必由之路。地沟油来源和组成复杂，是多种有机化合物混合的复杂混合物。主要成分是脂肪酸甘油酯，通式是C3H5(OOCR)3。通过对地沟油为原料油催化裂解等工艺制成可代替石化燃料的再生性生物基燃料。生物基燃料是利用地沟油等高分子烃类在高温且采用催化剂的条件下裂解的化学反应，根据不同的沸点得到的不同碳链的气、油产品。现有技术高温裂化地沟油，地沟油成分复杂，若不经预处理操作不仅会影响后续高温裂化出来的产物品质，也会加剧催化剂使用寿命的损耗。现有催化剂孔径不均匀，酸性位点较少，活性中心难接近，反应活性低，升温晶化带来硅铝酸盐凝胶液相机理不稳定，流动阻力大，焦炭产率高，轻烃气体含量不足，并且液体产物酸值较高，油品品质低。后续分馏操作的产物污染大，硫氧化物，氮氧化物以及芳香族烷烃废气含量高。
发明内容
本发明的目的在于克服以上缺点，提供一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的装置及方法。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：
一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料装置，包括对原料油除杂的热对流装置1、对原料油进行催化裂化的管式催化裂解炉14、对油气进行冷却的冷却塔5、对液化油进行分离的分馏塔9和提纯生物柴油与生物汽油的汽提塔7，五者依次相连；
所述热对流装置1与管式催化裂解炉14相连，热对流装置1上连有烟囱2，用于排出一些脂肪酸气体与低沸点杂质气体；管式催化裂解炉14的下方设有燃烧装置13，用于给裂化炉均匀加热；管式催化裂解炉14与集热器4相连，用于保持原料油温度；热对流装置1通过气包3与集热器4连接，气包3还与汽提塔7相连，气包3用于收集热蒸汽并为汽提塔7提供汽提剂；集热器4分别与冷却塔5和压缩装置12连接，冷却塔5与冷凝器11相连，冷凝器11与分馏塔9相连，分馏塔9的入口处设有过滤装置10，可过滤掉油渣等底层剩余物；分馏塔9和过滤装置10分别通过热交换器8与汽提塔7相连，可将热量供给汽提塔7；分馏塔9与球形冷凝器6连接，用于冷凝液化气并压缩收集。
一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的方法，包括以下步骤：
步骤1、除杂脱水处理，以地沟油为作为原料油，先将原料油过滤除去机械杂质后干燥，再升温至90~110℃后保温30~40min去除部分水和低沸点有机物，将预处理后的原料油与140-150℃热蒸汽以通入量为10-15L/min•100g的速度通入热对流装置1去除游离脂肪酸；其中酸价高会阻碍催化裂化过程的进行，水和低沸点有机物对催化剂影响较大，必须除去，否则在汽化后高温下与催化剂产生不良的化学反应，致使催化剂效率降低，最终影响生物基燃料产品的品质和产量。
步骤2、催化裂化处理，将天然火山石粉碎并筛分至2~5mm粒径，装入管式催化裂解炉14，步骤1处理后的原料油进入管式催化裂解炉14，加热至450℃催化裂化得到轻烃气体、油脂蒸汽和重油混合物，轻烃气体进入集热器4后通过压缩装置12进行收集，油脂蒸汽和重油混合物经过集热器4后进入冷却塔5冷却，再进入冷凝塔11中液化，同时步骤1中的热蒸汽经过集热器4后进入气包3；
步骤3、分馏处理，步骤2中液化后的油脂蒸汽和重油混合物通过过滤装置10过滤后进入分馏塔9中，加热至550℃得到气态产品和液态产品，气态产品即油脂蒸汽高温得到烃油，液化气和少量脂肪酸，液化气经分离压缩贮存起来；液态产品即重油混合物经高温得到生物基燃料产品，按液体混合物中所含组分的沸点以及蒸气压不同而实现分离。
步骤4、汽提处理，把从分馏塔9中分离出来的生物柴油和生物汽油温度保持在230℃以上并导入汽提塔7中作提纯处理。汽提处理工序主要是根据在气液平衡条件下，借助水蒸气为媒介，对于与水互溶的挥发性脂肪酸气体，在气相中的浓度大于在液相中的浓度这一特性。通过蒸汽直接加热，使其在沸点（水与挥发性气体两沸点之间的某一温度）下，按一定比例富集于气相；对于与水不相溶或几乎不溶的物质，利用混合物沸点低于两组分的沸点这一特性，可将高沸点挥发物在较低温度下加以分离脱除。炼油工业中以蒸汽为气提剂将油品中的轻组分脱除。将水蒸气、生物汽油以及生物柴油通入汽提塔，冷凝水沿塔板水平流动，蒸汽通过塔板上的孔垂直向上流动，让水蒸气与粗柴油、粗汽油在塔板上充分接触，粗柴油、粗汽油中的溶解性脂肪酸气体和某些挥发性物质按一定比例扩散到气相中去，从而达到脱除生物质燃料中低沸点脂肪酸及挥发性气体的目的。
进一步的，所述天然火山石用量为步骤1处理后的原料油的重量的0.8~1.2%。
进一步的，所述步骤2中液化后的油脂蒸汽和重油混合物以10L/min速度通入分馏塔9中。
进一步的，所述天然火山石的二氧化硅和三氧化二铝比值为45：1-55：1。
进一步的，所述冷却塔5的温度为100~200℃。
本发明的工作原理：本发明将天然火山石粉碎至2~5mm粒径，装入管式裂解炉，地沟油经过过滤、脱水、分离，在催化剂和550℃高温下反应，得到的气态产品分离、压缩、收集；得到的液态产品经过冷凝进入分馏塔，根据不同沸点得到不同的生物基燃料产品。采用天然火山石作为催化剂，其特有的几十种矿物质，相当于其自身就有会适当改变天然火山石的骨架结构的元素，包括硅、钠、镁、铁和镧等等元素，可增强其表面酸性，并且其比表面积大，无污染、无放射性，孔道为均匀介孔，反应中不易堵塞孔道，裂化反应会更加充分，产物会更加精细，如产生不同沸点的溶剂油以及制造煤气的石脑油等，脱氧率更高，在分馏塔中结焦较少。
其中地沟油比真正的食用油多了许多致病、致癌的毒性物质。地沟油的主要成分是甘油三酯，3个长链脂肪酸和1个甘油形成的脂肪分子。经过分拣、分离，“地沟油”能变身为生物柴油的原料，或继续发酵成为燃料乙醇和沼气，剩余的废渣还能全部转化为肥料。通过技术集成创新，昔日的“地沟油”变废为宝，成为新能源。尤其是以16个、18个、和20个碳原子的链最常见，经过高温催化裂化处理油脂分子转化为生物汽油（C5-C11产品）、柴油（C11-C18产品）、液化气（C3-C4产品）、可燃气（C1-C2产品）和水以及少量脂肪酸。具体反应如下：
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本发明的有益效果：
1、预处理过程，将地沟油原料预处理过程与裂化炉催化管结合在一起，有效降低了热损失，节约能量，达到快速除去低沸点有机物的效果；水蒸气可循环使用，并且可应用于汽提塔中；提高了设备利用率，降低了投资，避免了加水的重复操作和设备增加，缩短了反应时间。
2、催化裂化过程，在450℃下，原料油经过催化剂发生裂化反应，反应结束，可回收天然火山石粉末再次使用。天然火山石孔径均匀且孔隙多，降低了使用催化剂的成本。除了裂化炉排气端，加热炉从两侧以及底部均匀加热，避免了局部过热，热效率提高，节约能耗。
3、本发明制备过程中实现了生物基燃料与杂志和低沸点有机物的有效分离，与未采用本方法的精制的生物基燃料相比，不仅分离的生物基种类更加精细，而且生物汽油、生物柴油的纯度更高。气态产品压缩分离以及水蒸气的循环利用，综合处理后，可补贴生物基燃料的生产成本，降低总生产成本，获得经济效益，达到与石化柴油、石化汽油相近的生产成本。
4、冷却过程，两步冷却过程能获得更好的热能回收以及冷却更加充分。急冷油的效率大大提高。
5、采用设备具有通用性，设备间兼容性好，市场保有率高，降低设备投资成本。
6、剩余物能得到多途径有效收集，避免设备堵塞以及环境污染。
附图说明
图1为本发明的装置结构图；
图2为本发明的工艺流程图；
图中各标号：1-热对流装置，2-烟囱，3-气包，4-集热器，5-冷却塔，6-球形冷凝器，7-汽提塔，8-热交换器，9-分馏塔，10-过滤装置，11-冷凝器，12-压缩装置，13-燃烧装置，14管式催化裂解炉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
实施例1：如图1所示，一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料装置，包括对原料油除杂的热对流装置1、对原料油进行催化裂化的管式催化裂解炉14、对油气进行冷却的冷却塔5、对液化油进行分离的分馏塔9和提纯生物柴油与生物汽油的汽提塔7，五者依次相连；
所述热对流装置1与管式催化裂解炉14相连，热对流装置1上连有烟囱2，用于排出一些脂肪酸气体与低沸点杂质气体；管式催化裂解炉14的下方设有燃烧装置13，用于给裂化炉均匀加热；管式催化裂解炉14与集热器4相连，用于保持原料油温度；热对流装置1通过气包3与集热器4连接，气包3还与汽提塔7相连，气包3为常见的气体集气包，用于收集热蒸汽并为汽提塔7提供汽提剂；集热器4分别与冷却塔5和压缩装置12连接，冷却塔5与冷凝器11相连，冷凝器11与分馏塔9相连，分馏塔9的入口处设有过滤装置10，可过滤掉油渣等底层剩余物；分馏塔9和过滤装置10中产生的油渣分别通过热交换器8与汽提塔7相连，可将热量供给汽提塔7；分馏塔9与球形冷凝器6连接，用于冷凝液化气并压缩收集。
如图2所示，一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的方法，包括以下步骤：
步骤1、除杂脱水处理，以地沟油为作为原料油，先将原料油过滤除去机械杂质后干燥，再升温至90~110℃后保温30~40min去除部分水和低沸点有机物，可以在油浴锅中进行，在60℃真空干燥箱中干燥待用，将预处理后的原料油与140-150℃热蒸汽以通入量为10-15L/min•100g的速度通入热对流装置1去除游离脂肪酸；
步骤2、催化裂化处理，将天然火山石粉碎并筛分至2~5mm粒径，装入管式催化裂解炉14，天然火山石用量为步骤1处理后的原料油的重量的0.8~1.2%，步骤1处理后的原料油用泵打入管式催化裂解炉14，加热至450℃催化裂化得到轻烃气体、油脂蒸汽和重油混合物，此时液相混合油脂温度180-280℃，气相250-300℃，轻烃气体进入集热器4后通过压缩装置12进行收集，油脂蒸汽和重油混合物经过集热器4后进入冷却塔5冷却，冷却塔5的温度为100~200℃，再进入冷凝塔11中通过急冷油冷却液化，同时步骤1中的热蒸汽经过集热器4后进入气包3；
步骤3、分馏处理，步骤2中液化后的油脂蒸汽和重油混合物通过过滤装置10过滤后以10L/min速度通入分馏塔9中，加热至550℃得到气态产品和液态产品，气态产品即油脂蒸汽高温得到烃油，液化气和少量脂肪酸，液化气经分离压缩贮存起来；液态产品即重油混合物经高温得到生物基燃料产品，按液体混合物中所含组分的沸点以及蒸气压不同而实现分离。
步骤4、汽提处理，把从分馏塔9中分离出来的生物柴油和生物汽油温度保持在230℃以上并导入汽提塔7中作提纯处理。将水蒸气、生物汽油以及生物柴油通入汽提塔，冷凝水沿塔板水平流动，蒸汽通过塔板上的孔垂直向上流动，让水蒸气与粗柴油、粗汽油在塔板上充分接触，粗柴油、粗汽油中的溶解性脂肪酸气体和某些挥发性物质按一定比例扩散到气相中去，精制得到生物柴油、生物汽油。
其中天然火山石的二氧化硅和三氧化二铝比值为45：1-55：1，天然火山石具有择形选择性，可重复利用。
实施例2：取地沟油按照实施例1中的方法进行处理，其中预处理后的地沟油酸值为31.66mgKOH·g-1，密度为974.7Kg·m-3，依次经过催化裂化、分馏处理和汽提纯化后，得到的轻烃气体含量较为丰富，转化率达到39.5%。生物柴汽油转化率达到45.9%，酸值与预处理后的原料油相比，大大降低，均在0.7mgKOH·g-1以下，并且生物柴汽油密度较为稳定，为821.3Kg·m-3和711.9Kg·m-3左右，接近石化柴汽油指标，且经过GC-MS分析产物后，生物柴汽油主要是芳烃类化合物，而含氧官能团含量较少，脱氧效果明显。20℃下，生物柴汽油的运动粘度普遍降至0.73mPa·s左右。综合看来，使用本发明的油品品质较好。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、除杂脱水处理，以地沟油为作为原料油，先将原料油过滤除去机械杂质后干燥，再升温至90~110℃后保温30~40min去除部分水和低沸点有机物，将预处理后的原料油与140-150℃热蒸汽以通入量为10-15L/min•100g的速度通入热对流装置（1）去除游离脂肪酸；
步骤2、催化裂化处理，将天然火山石粉碎并筛分至2~5mm粒径，装入管式催化裂解炉（14），步骤1处理后的原料油进入管式催化裂解炉（14），加热至450℃催化裂化得到轻烃气体、油脂蒸汽和重油混合物，轻烃气体进入集热器（4）后通过压缩装置（12）进行收集，油脂蒸汽和重油混合物经过集热器（4）后进入冷却塔（5）冷却，再进入冷凝塔（11）中液化，同时步骤1中的热蒸汽经过集热器（4）后进入气包（3）；
步骤3、分馏处理，步骤2中液化后的油脂蒸汽和重油混合物通过过滤装置（10）过滤后进入分馏塔（9）中，加热至550℃得到气态产品和液态产品，气态产品即油脂蒸汽高温得到烃油，液化气和少量脂肪酸，液化气经分离压缩贮存起来；液态产品即重油混合物经高温得到生物基燃料产品，按液体混合物中所含组分的沸点以及蒸气压不同而实现分离；
步骤4、汽提处理，把从分馏塔（9）中分离出来的生物柴油和生物汽油温度保持在230℃以上并导入汽提塔（7）中作提纯处理。
2.根据权利要求1所述的天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的方法，其特征在于：所述天然火山石用量为步骤（1）处理后的原料油的重量的0.8~1.2%。
3.根据权利要求1所述的天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的方法，其特征在于：所述步骤2中液化后的油脂蒸汽和重油混合物以10L/min速度通入分馏塔（9）中。
4.根据权利要求1所述的天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的方法，其特征在于：所述天然火山石的二氧化硅和三氧化二铝比值为45：1-55：1。
5.根据权利要求1所述的天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的方法，其特征在于：所述冷却塔（5）的温度为100~200℃。
6.一种如权利要求1所述的天然火山石催化地沟油制备生物基燃料的方法的装置，其特征在于：包括对原料油除杂的热对流装置（1）、对原料油进行催化裂化的管式催化裂解炉（14）、对油气进行冷却的冷却塔（5）、对液化油进行分离的分馏塔（9）和提纯生物柴油与生物汽油的汽提塔（7），五者依次相连；
所述热对流装置（1）与管式催化裂解炉（14）相连，热对流装置（1）上连有烟囱（2），管式催化裂解炉（14）的下方设有燃烧装置（13），管式催化裂解炉（14）与集热器（4）相连，热对流装置（1）通过气包（3）与集热器（4）连接，气包（3）还与汽提塔（7）相连，集热器（4）分别与冷却塔（5）和压缩装置（12）连接，冷却塔（5）与冷凝器（11）相连，冷凝器（11）与分馏塔（9）相连，分馏塔（9）的入口处设有过滤装置（10），分馏塔（9）和过滤装置（10）分别通过热交换器（8）与汽提塔（7）相连，分馏塔（9）与球形冷凝器（6）连接。
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