CN109852436A - 一种荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备 - Google Patents

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马中发
阮俞颖
樊晓鹏
张涛
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Abstract

本发明属于煤、石油、生物质热解废气回收处理技术领域，具体涉及一种荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，连通焦炉炭化室出气管和余热锅炉的进气管，包括催化裂解反应腔体、微波源、紫外发生器、催化剂载床、进气口法兰和出气口法兰；所述催化裂解反应腔体的左右两侧分别设置进气口法兰和出气口法兰，所述进气口法兰与所述焦炉炭化室出气管连接，所述出气口法兰与所述余热锅炉的进气管连接，所述催化裂解反应腔体内壁四周均匀布置紫外发生器，所述催化剂载床垂直于气体通路安装在催化裂解反应腔体内部的内腔中，所述微波源设置在催化裂解反应腔体外侧的顶面和底面。本发明采用微波、紫外、催化剂三种技术对高温荒煤气进行直接催化裂解，将大分子煤焦油、粗苯、萘等组分转变为小分子可燃性气体，提高了焦炉煤气的产量。

Description

一种荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备
技术领域
本发明属于煤焦油催化裂解回收技术领域，具体涉及一种荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备。
背景技术
我国焦化厂焦炭年产量高达四万多吨，炼焦炉中排出的高温焦炉煤气也叫荒煤气，温度约为800-850℃，含有约30％的苯、萘等焦油组分，输送过程中易冷凝堵塞下游管道，腐蚀设备等。荒煤气所带热量约占焦炉产物余热的32％～36％。传统荒煤气热能回收工艺主要采用换热方法，将中温荒煤气中约28％-36％左右的热量变成蒸汽能，低温荒煤气中约64％-72％的热量则在后续的氨水冷却过程中完全浪费，同时氨水冷却工艺要消耗大量电能，造成能源的大量浪费，并且传统的荒煤气余热回收热交换器内容易产生积碳和结焦现象，导致设备运维强度大，荒煤气中的硫化氢气体溶于凝结水后会对换热器管产生严重腐蚀，存在严重安全生产隐患。因此，充分利用焦炉荒煤气自身的物理显热和化学能，直接将高温焦炉荒煤气中的焦油组分进行裂解或重整，使之转化为小分子气体具有重要意义。
微波是频率为300MHz-300GHz的微波电磁波，对化学反应具有很强的活化促进作用。短波紫外光子具有很强的能量，如185nm紫外光子的能量约为644kj/mol，大于绝大部分有机物中的化学键能，包括C＝C键，可直接打断有机大分子链。催化剂可以降低化学反应激活能，促进化学反应在较温和条件下朝设计方向快速、高效进行，因此将这三种技术用于荒煤气中大分子的裂解反应，具有很大的应用前景。
传统的荒煤气等含焦油量大的有机气体裂解设备主要采用热裂解的方法。目前也出现了采用微波裂解的设备，但均与本专利公开的结构不同。例如，中国发明专利(CN108531211A)公开了一种管道式微波原油裂解输送机及微波原油裂解输送方法，其中裂解对象为原油，且采用输送机输送。中国发明专利(CN201710312246.6)，公开了一种用于生活污泥、秸秆的微波裂解机及微波裂解方法，通过微波发生器发出的微波对密闭容器中的生活污泥、秸秆进行微波加热，使生活污泥细胞壁破裂，使秸秆纤维破裂，释放出内在水分形成蒸汽，在密闭空间中产生高温高压。这两个专利中，仅利用了微波的加热效应。本专利提出的结构荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，对处于气态的荒煤气进行裂解，其中不但利用了微波的直接加热效应，也利用了微波照射无机紫外灯的紫外激发效应，在微波热裂解与紫外光解作用的同时，还施加了催化剂作用，该催化剂具有同时促进微波热裂解与紫外光解的功能。同时，微波与紫外场的存在也对催化剂的寿命起到了保障作用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种荒煤气及煤焦油微波紫外催化裂解设备，综合利用微波热裂解、紫外光解和催化剂的催化作用，克服了现有热能回收工艺的热交换器积碳、结焦、腐蚀、堵塞的问题，同时提高了荒煤气余热的回收利用率，避免了能源的大量浪费。
为解决技术问题，本发明的技术方案是：
一种荒煤气及煤焦油微波紫外催化裂解设备，该设备连通焦炉炭化室的出气管和余热锅炉的进气管，包括催化裂解反应腔体、微波源、紫外发生器、催化剂载床、进气口法兰和出气口法兰；所述催化裂解反应腔体的左右两侧设置进气口法兰和出气口法兰，所述进气口法兰与所述焦炉炭化室的出气管连接，所述出气口法兰与所述余热锅炉的进气管连接，所述催化裂解反应腔体内壁四周均匀布置紫外发生器，所述催化剂载床垂直于气体通路安装在催化裂解反应腔体内部的内腔中，所述微波源设置在催化裂解反应腔体外侧的顶面和底面。
优选的，所述催化裂解反应腔体包括腔体外壳和所述内腔，所述内腔里面设置有用以气体催化裂解反应的场所的催化剂载床。
优选的，所述腔体外壳采用金属材料铸造成型，所述内腔采用吸收微波的高纯石英制成。
优选的，所述微波源由电源、用于产生微波的磁控管、水冷型磁控管散热套件和波导管组成，其中电源连接磁控管，磁控管连接波导管，波导管将磁控管产生的微波导入催化裂解反应腔体的内部。
优选的，所述微波源的功率为0.5KW-200KW，频率为300MHz-300GHz。
优选的，所述紫外发生器为无极紫外灯管。
优选的，所述催化剂载床包括热解裂解催化剂和载体床，所述热解裂解催化剂通过无机胶黏剂粘贴到载体床上。
优选的，所述载体床由耐高温材料制成。
优选的，所述热解裂解催化剂为氧化锌、氧化铝、氧化锰、二氧化钛中的一种或多种。
优选的，所述进气口法兰和出气口法兰是催化裂解反应腔体的进气管法兰盘和出气管法兰盘，所述进气管法兰盘和所述出气管法兰盘管内设置有金属网，可防止微波从催化裂解反应腔体中辐射出来，所述进气管法兰盘连接焦炉炭化室的出气管，所述出气管法兰盘连接余热锅炉的进气管。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明采用微波、紫外、催化剂三种技术对高温荒煤气进行直接催化裂解，将大分子煤焦油、粗苯、萘等组分转变为小分子可燃性气体，提高了焦炉煤气的产量。
(2)本发明将催化裂解后的焦炉煤气的余热通过余热锅炉进行回收，避免了大量高温荒煤气的能源浪费。
(3)本发明与焦炉荒煤气传统换热回收工艺相比，不存在积焦、结碳、管路堵塞等问题，操作方便、运维简单，有利于长期稳定运行。
附图说明
图1为本发明其中一实施中荒煤气及煤焦油微波紫外催化裂解设备的结构示意图；
图2为本发明其中一实施中荒煤气及煤焦油微波紫外催化裂解设备的反应流程图；
图3为其中一实施中进气口法兰和出气口法兰的结构示意图；
图4为本发明进气口法兰的结构示意图；
图5为本发明出气口法兰的结构示意图；
图中1.进气口法兰，2.催化裂解反应腔体，3.微波源，4.短波紫外发生器，5.催化剂载床，6.出气口法兰。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，本说明书附图中所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉本技术的人士了解和阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍属于本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
如图1和图2所示，本发明公开了荒煤气及煤焦油微波紫外催化裂解设备，包括催化裂解反应腔体2、微波源3、紫外发生器4、催化剂载床5、进气口法兰1和出气口法兰6；所述催化裂解反应腔体2的左右两侧设置分别设置进气口法兰1和出气口法兰6，进气口法兰1与焦炉炭化室的出气管连接，所述出气口法兰6与余热锅炉的进气管连接，所述催化裂解反应腔体2内壁四周均匀布置紫外发生器4，所述催化剂载床5垂直于气体通路安装在催化裂解反应腔体2内部的内腔中，所述微波源3设置在催化裂解反应腔体2外侧的顶面和底面。
如图1所示，所述催化裂解反应腔体2包括腔体外壳和内腔，所述腔体外壳采用金属材料铸造成型，内部采用反射微波的不锈钢板或者金属网作衬板。所述金属材料可以是铁、钢、不锈钢、铝合金等中的任一种。其形状可为立方体、柱体等，腔体尺寸可根据需要进行设计，其作用是将微波、紫外光与被处理气体密封在内部空间发生反应，内腔采用吸收微波的高纯石英制成，内腔里面设置有催化剂载床5，作为气体催化裂解反应的场所。
如图1所示，所述微波源3安装在催化裂解反应腔体2外侧的顶面和底面。所述微波源3由电源、磁控管、水冷型磁控管散热套件和波导管组成。其中电源连接磁控管，磁控管用于产生微波，水冷型磁控管散热套件用于给所述磁控管散热，所述磁控管连接所述波导管，波导将所述磁控管产生的微波导入所述催化裂解反应腔体2内部，微波源的功率为0.5KW-200KW，频率为：300MHz-300GHz，微波源的数量为1-1000个。
如图1所示，所述紫外发生器4为无极紫外灯管，所述紫外发生器4为防爆固定式紫外灯，波长为185nm，数量1-1000根。其中，所述紫外发生器4选用短波紫外发生器。
如图1所示，所述催化剂载床5包括热解裂解催化剂和载体床，所述热解裂解催化剂通过无机胶黏剂粘贴到载体床上。具体实施时，所述热解裂解催化剂与无机胶黏剂均匀分散制成溶胶后涂布固定附着在载体床表面制成催化剂载床。所述载体床选用吸收微波的耐高温材料，所述耐高温材料可选用碳化硅、分子筛、金属氧化物(如氧化铝、二氧化钛、氧化锰、氧化锌)中的任一种。
所述热解裂解催化剂为氧化锌、氧化铝、氧化锰、二氧化钛等纳米金属氧化物中的一种或多种催化剂材料。
如图3至图5所示，所述进气口法兰1和出气口法兰6是催化裂解反应腔体2的进气管法兰盘和出气管法兰盘，进气管法兰盘和出气管法兰盘管内设置有金属网，可防止微波从催化裂解反应腔体2中辐射出来，所述进气管法兰盘连接焦炉炭化室的出气管，所述出气管法兰盘连接余热锅炉的进气管。
本发明荒煤气及煤焦油微波紫外催化裂解设备的工作原理如下：
高温荒煤气从焦炉炭化室的出气管通过进气口法兰1进入催化裂解反应腔体2内部，微波源3产生高频微波并导入所述催化裂解反应腔体2内部，分布在所述催化裂解反应腔体2内壁四周的所述紫外发生器4的发射波长为185nm的高能量紫外光子，高温荒煤气中的大分子煤焦油、萘、粗苯等物质通过所述催化剂载床5时被微波和紫外光直接催化裂解为烷烃、碳氧化物、氢气等可燃性小分子，催化裂解反应后的高温焦炉煤气从出气口法兰6进入余热锅炉，余热锅炉将高温荒煤气的大量热能进行回收利用，避免能源浪费。
虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围。任何熟悉该技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的变动和修饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，该设备连通焦炉炭化室的出气管和余热锅炉的进气管，其特征在于：包括催化裂解反应腔体(2)、微波源(3)、紫外发生器(4)、催化剂载床(5)、进气口法兰(1)和出气口法兰(6)；所述催化裂解反应腔体(2)的左右两侧分别设置进气口法兰(1)和出气口法兰(6)，所述进气口法兰(1)与所述焦炉炭化室的出气管连接，所述出气口法兰(6)与所述余热锅炉的进气管连接，所述催化裂解反应腔体(2)内壁四周均匀布置紫外发生器(4)，所述催化剂载床(5)垂直于气体通路安装在催化裂解反应腔体(2)内部的内腔中，所述微波源(3)设置在催化裂解反应腔体(2)外侧的顶面和底面。
2.根据权利要求1所述的荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，其特征在于：所述催化裂解反应腔体(2)包括腔体外壳和所述内腔，所述内腔里面设置有用以气体催化裂解反应的场所的催化剂载床(5)。
3.根据权利要求2所述的荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，其特征在于：所述腔体外壳采用金属材料铸造成型，所述内腔采用吸收微波的高纯石英制成。
4.根据权利要求1所述的荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，其特征在于：所述微波源(3)由电源、用于产生微波的磁控管、水冷型磁控管散热套件和波导管组成，其中电源连接所述磁控管，所述磁控管连接所述波导管，所述波导管将所述磁控管产生的微波导入催化裂解反应腔体(2)的内部。
5.根据权利要求1所述的荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，其特征在于：所述微波源(3)的功率为0.5KW-200KW，频率为300MHz-300GHz。
6.根据权利要求1所述的荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，其特征在于：所述紫外发生器(4)为无极紫外灯管。
7.根据权利要求1所述的荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，其特征在于：所述催化剂载床(5)包括热解裂解催化剂和载体床，所述热解裂解催化剂通过无机胶黏剂粘贴到载体床上。
8.根据权利要求7所述的荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，其特征在于：所述载体床由耐高温材料制成。
9.根据权利要求7所述的荒煤气中煤焦油微波紫外催化裂解设备，其特征在于：所述热解裂解催化剂为氧化锌、氧化铝、氧化锰、二氧化钛中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的一种含焦油有机气体微波紫外催化裂解设备，其特征在于：所述进气口法兰(1)和出气口法兰(6)是催化裂解反应腔体(2)的进气管法兰盘和出气管法兰盘，所述进气管法兰盘和所述出气管法兰盘管内设置有金属网，所述进气管法兰盘连接焦炉炭化室的出气管，所述出气管法兰盘连接余热锅炉的进气管。
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