CN109939619A - 一种生物质热解液沸腾床反应器的旋流垫层进料器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质热解液沸腾床反应器的旋流垫层进料器，主要由生物质热解液轴向引入管、环隙造旋腔、供氢剂造旋引入管、旋流垫层管和伞状混合喷射锥组成；生物质热解液轴向引入管右端伸入旋流垫层管内，生物质热解液轴向引入管外壁与旋流垫层管内壁之间的环隙形成环隙造旋腔，环隙造旋腔与供氢剂造旋引入管连通，旋流垫层管右端与伞状混合喷射锥连通。该进料器能防止生物质热解液入口处的快速升温，使物料进入反应器后快速分散，及时与氢气、催化剂结合，有效避免结焦。

Description

一种生物质热解液沸腾床反应器的旋流垫层进料器及其应用

技术领域

本发明涉及一种生物质热解液沸腾床反应器的进料器，具体说涉及一种生物质热解液沸腾床反应器的旋流垫层进料器及其应用。

背景技术

现有的生物质热裂解技术可以将低品位的生物质能(如秸秆、木材、农作物废弃物)转化为液态的生物质热裂解液。但所生产的生物质热裂解液具有高腐蚀性、氧含量高、不稳定、热值较低、易结焦的特点，并不能达到替代石油使用的目的。中国发明专利CN101831328 B公开了一种绿色燃油的制备方法，可以将生物质裂解液通过一系列的加氢脫氧、加氢裂化的操作，获得汽油和柴油等的绿色燃油。由于生物质裂解液易结焦以及生物质裂解液加氢催化剂的易失活性，传统的固定床和移动床由于床层易于堵塞无法适用。因此，中国发明专利CN 101831328 B公开了对于生物质裂解液的加氢脫氧过程可以使用沸腾床反应器。

对于生物质裂解液的沸腾床加氢脫氧工艺过程，中国发明专利CN 103920430 A公开了一种对生物质焦油(即生物质热解液)加氢脫氧的沸腾床加氢反应器，针对生物质裂解液易结焦的特性将生物质焦油入口设置于所述反应器壳体的侧壁，同时在生物质焦油入口设置冷却水水套用于生物质焦油入口的降温；而对沸腾床加氢反应器出口的催化剂分离问题，采用了控制催化剂床层膨胀高度和反应器外设置气液分离器的手段实现三相分离器。但是，由于生物质裂解液的溶氢能力差、同反应器中的循环油互溶性能差，导致进入反应器的生物质裂解液不能快速分散，发生催化加氢反应，易造成反应器入口局部生物质裂解液浓度高引起反应器入口结焦的问题。同时，采用控制催化剂床层膨胀高度、重力沉降分离催化剂的分离手段，由于分离性能的局限，不得不牺牲更多的反应器内部的空间用于催化剂的沉降；更甚的是，采用器外气液分离造成系统高压设备的增加。因此，针对生物质裂解液的沸腾床加氢工艺过程中，急需一种合适的沸腾床加氢反应器技术。

当前加氢路线和脱炭路线是我国炼油工业采用的重油加工的两大类工艺，加氢工艺主要包括沸腾床加氢、固定床加氢、悬浮床加氢、移动床加氢等；脱碳工艺主要包括减粘裂化、延迟焦化、重油催化裂化等。无论采用加氢工艺还是脱碳工艺，都面临生焦和结焦问题，而生焦和结焦问题是严重制约重油深度加工的关键因素。根据反应的性质不同可将结焦分为以下四种形式：

1)气相炭：对于气相中形成的炭机理，一般认为在焦炭的形成过程中由于某些自由基的缩聚反应或者加成反应形成高聚物。

2)焦油：焦油是在反应过程中通过凝缩聚合生成的高分子芳烃化合物，主要是一些多环芳烃，还包括一些杂环化合物，焦油中不但含油液体物质而且还有一定的固体物质。

3)催化焦炭：催化焦炭是能促进炭生成的表面上的产生，催化焦炭的生成对催化剂的活性的影响比气相炭和焦油的影响要大得多。催化焦炭能在金属物，金属氧化物及硫化物表面上生成。

4)非催化焦炭：它是气相生成的烟灰及焦油的另一种形式，是在没有催化剂活性的表面上生焦的过程。无论是随着原料油的加入还是由气相反应生成的中间物，都会在任何表面凝聚，非催化表面收集凝固的焦油和烟炭，促进这些物质发生进一步的缩聚，产生非催化反应。

结焦过程是一系列化学反应和物理变化的综合结果，对于侧壁进料的反应器而言，雾化了的原料油进入反应器后，在催化剂和反应器流化状态的共同作用下，在反应器内壁和原料油射流之间形成一个负压区，负压对原料油本身和催化剂产生引射回流作用，使二者停留时间过长，在管内壁形成结焦，焦块一旦形成，将越积越大，甚至需要停产清焦。目前，防止结焦的方法主要有调整工艺参数、结构参数、添加抑制剂等方法。

传统的沸腾床反应器均采用底部进料的方式，通过这种方式使物料在反应器中获得足够的动力来沸腾并充分混合，然而在生物质热解液进入到反应器后，由于生物质热解液在反应器底部有一定的置换滞留空间，而生物质热解液在高温、缺乏催化剂的情况下发生剧烈的聚合反应而产生严重的结焦现象，造成设备堵塞甚至损坏，使得生产不能长时间连续运行。针对上述问题，中国CN103920143A发明了一种生物质焦油的沸腾床反应器，原料油生物质焦油入口设置于反应器壳体的侧壁下部且位于反应器分布器的上方，入口设置进油管，并在进油管外套有冷却水套。但是木焦油进入反应器后，受自上而下流动的气液固混合物流的影响，折流后沿反应器侧壁内表面向上流动，反应器侧壁内表面温度较高，且其附近区域缺少催化剂和氢气，使得木焦油不能与氢气与催化剂充分接触发生反应，易在木焦油入口上方的反应器侧壁内表面上发生严重的聚合结焦。在此基础上，中国专利CN105879793A公开了一种用于木焦油沸腾床加氢反应器的进油分布管，在进油管外部设有两层冷却水管套，两层冷却水管套内部相连，在冷却水管套中通入循环水对木焦油进行换热，并且进油分布管有水平管段和吹直管段组成，垂直管段位于沸腾床反应器的中心区域；中国专利CN105879784A公布了用于木焦油沸腾床加氢反应器的进油分布管，进油分布管由进油管和其外部的保护油套组成，分为圆管段和文丘里管段，分布管中锥段的存在可以起到增加木焦油流速的作用，使木焦油远离管壁，同时文丘里效益使得木焦油进入反应器后可以迅速扩散。上述两种方法可以实现良好的换热作用，有效抑制原料油的迅速升温，但是反应器内部的结焦是高温条件下，原料油与氢气、催化剂无法快速结合反应而大量聚集产生结焦，因此仅抑制温度升高无法有效抑制结焦的发生，抑制反应器内结焦的发生，需要原料油进入反应器后有良好的分散性，同时能快速的结合氢气与催化剂发生反应。

综上所述，对于生物质热解液的加氢反应过程，极易发生：(1)在生物质热解液进入管中，因管壁温度高，生物质热解液发生聚合结焦，堵塞进入管；(2)对于侧向生物质热解液进料情况，在生物质热解液加氢反应器内部，生物质热解液进入管上部与生物质加氢反应器器壁间形成负压区，使得生物质热解液聚集在高温器壁附近，进而发生结焦；(3)生物质热解液进入生物质热解液加氢反应器后，如无法及时分散，与氢气、催化剂结合不及时，发生聚合结焦。

发明内容

为了解决现有进料技术存在的易发生物料结焦的技术问题，本发明提供了一种生物质热解液沸腾床反应器的旋流垫层进料器，该进料器能防止生物质热解液入口处的快速升温，使物料进入反应器后快速分散，及时与氢气、催化剂结合，有效避免结焦。

本发明提供的一种生物质热解液沸腾床反应器的旋流垫层进料器，主要由生物质热解液轴向引入管、环隙造旋腔、供氢剂造旋引入管、旋流垫层管和伞状混合喷射锥组成；生物质热解液轴向引入管右端伸入旋流垫层管内，生物质热解液轴向引入管外壁与旋流垫层管内壁之间的环隙形成环隙造旋腔，环隙造旋腔与供氢剂造旋引入管连通，旋流垫层管右端与伞状混合喷射锥连通。

所述生物质热解液轴向引入管用于生物质热解液的进料，供氢剂造旋引入管用于供氢剂的进料，环隙造旋腔用于使供氢剂形成旋流。

所述供氢剂造旋引入管与生物质热解液轴向引入管垂直，供氢剂造旋引入管以切线方向与环隙造旋腔连通，使得环隙造旋腔成为旋流切向入口；供氢剂造旋引入管或以侧向与环隙造旋腔连通，使得环隙造旋腔成为旋流侧向入口。

进一步，环隙造旋腔内设有造旋叶片，造旋叶片可以为设置于环隙造旋腔腔壁上的螺纹状单螺旋通道或多旋流通道，也可以为叶片结构。

所述生物质热解液轴向引入管长度为旋流垫层进料器总长度的20％～90％，生物质热解液轴向引入管、旋流垫层管和伞状混合喷射锥同轴设置。

所述供氢剂造旋引入管长度为旋流垫层进料器总长度的10％～50％。

所述生物质热解液轴向引入管直径为旋流垫层管直径的30％～90％。

所述伞状混合喷射锥出口朝下，其轴线同水平面夹角为0～45°，通过喷射锥进入反应器的液体呈伞状喷射状态。

所述伞状混合喷射锥长度为旋流垫层进料器总长度的5％～15％，锥角为0～45°。

在所述旋流垫层管内，供氢剂沿旋流垫层管内壁做旋流运动包裹处于旋流垫层管中心位置的生物质热解液进入伞状混合喷射锥。

所述生物质热解液为各种生物质经过快速热解、慢速热裂解、加氢液化、气化或炭化热裂解过程所得的液体。

所述生物质热解液沸腾床反应器的旋流垫层进料器的操作温度为250～450℃，操作压力为10～20Mpa；所述供氢剂占生物质热解液的质量比为0.25～10。

生物质热解液沸腾床反应器的旋流垫层进料器的应用步骤如下：

生物质热解液由生物质热解液轴向引入管进入旋流垫层进料器，同时供氢剂由供氢剂造旋引入管进入环隙造旋腔，并在环隙造旋腔内的造旋叶片的导流作用下形成旋流，生物质热解液和供氢剂两股流体进入旋流垫层区后，生物质热解液处于旋流垫层管中心沿轴线方向流动，供氢剂紧贴旋流垫层管内壁做旋流运动，并包裹着生物质热解液进入伞状混合喷射锥，由于伞状混合喷射锥锥角的存在，锥段壁面挤压在生物质热解液外侧做旋流运动的供氢剂产生径向速度向中心方向运动，迅速与生物质热解液完成混合，混合后的流体伞状喷射进入生物质热解液沸腾床反应器，发生对生物质热解液的加氢反应。

本发明的优点在于：

1)生物质热解液和供氢剂由生物质热解液沸腾床反应器侧面位置进入反应器，在旋流垫层进料器中，供氢剂在生物质热解液外侧做旋流运动，包裹在生物质热解液外侧形成垫层，可实现有效隔温，避免生物质热解液结焦堵塞入口管道；

2)在旋流垫层进料器伞状喷射混合锥，供氢剂和生物质热解液混合进入反应器，供氢剂的存在可促进生物质裂解液在反应器内的快速溶氢和与催化剂混合，有效避免生物质热解液在反应器内部因停留时间长发生缩合反应结焦，实现生物质裂解液沸腾床反应器的长周期运行。

附图说明

图1是本发明进料器的一种结构示意图；

图2是应用本发明的进料器的生物质热解液沸腾床反应器的一种基本结构示意图；

图3为对进料器数值模拟得到的生物质热解液体积分数云图；

图4为对进料器数值模拟得到的生物质热解液轴向速度分布云图；

图5为对进料器数值模拟得到的出口截面温度分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的进料器包括：生物质热解液轴向引入管1-1、环隙造旋腔1-2、供氢剂造旋引入管1-3、旋流垫层管1-4和伞状混合喷射锥1-5。

如图2所示，采用本发明的进料器的生物质热解液沸腾床反应器包括：旋流垫层进料器1-0、承压壳体2、催化剂进口3、产品出口4、气液混相进口5和催化剂排出口6，旋流垫层进料器1-0安装于承压壳体2下部侧面。

实施例1

将本发明的进料器应用于5000L/h沸腾床反应器冷模装置。

1)工艺流程

生物质热解液和供氢剂由生物质热解液沸腾床反应器侧面的旋流垫层进料器进入反应器。生物质热解液和供氢剂的进料温度的控制范围为室温～45℃，一般控制供氢剂和生物质热解液的质量比为0.25～2。生物质热解液由生物质热解液轴向引入管1-1进入旋流垫层进料器，同时供氢剂由供氢剂造旋入口1-3进入所述旋流垫层进料器的环隙造旋腔1-2，并在环隙造旋腔内的造旋叶片的导流作用下形成旋流流股，两股流体进入旋流垫层管1-4后，生物质热解液位于旋流垫层进料器中心沿轴线方向流动，供氢剂紧贴旋流垫层进料器内壁做旋流运动，并包裹着生物质热解液进入伞状混合喷射锥1-5，在锥段混合区由于锥角的存在，锥段壁面挤压在生物质热解液外侧做旋流运动的供氢剂产生径向速度向中心方向运动，迅速与生物质热解液流股完成混合，混合后的流体伞状喷射进入所述生物质热解液沸腾床反应器。

2)本发明进料器及沸腾床反应器的有关结构尺寸

表1本发明进料器用于5000L/h沸腾床反应器冷模装置的有关结构尺寸

3)实施效果

5000L/h沸腾床冷模装置的试验过程采用了自来水和空气进行了试验。从试验结果看，催化剂达到均匀流化，连续运行20小时未出现故障。对该冷模装置的旋流垫层进料器进行流体力学数值模拟计算，从生物质热解液体积分数云图3和生物质热解液轴向速度分布云图4可知，旋流垫层进料器可实现供氢剂对生物质热解液的包覆。

实施例2

将本发明的进料器应用于200吨/年污泥裂解液加氢脱氧装置。

1)工艺流程

生物质热解液和供氢剂由生物质热解液沸腾床反应器侧面的旋流垫层进料器进入反应器。生物质热解液和供氢剂的进料温度的控制范围为室温～45℃，一般控制供氢剂和生物质热解液的质量比为0.25～4。生物质热解液由生物质热解液轴向引入管1-1进入旋流垫层进料器，同时供氢剂由供氢剂造旋入口1-3进入所述旋流垫层进料器的环隙造旋腔1-2，并在环隙造旋腔内的造旋叶片的导流作用下形成旋流流股，两股流体进入旋流垫层管1-4后，生物质热解液位于旋流垫层器中心沿轴线方向流动，供氢剂紧贴旋流垫层进料器内壁做旋流运动，并包裹着生物质热解液进入伞状混合喷射锥1-5，在锥段混合区由于锥角的存在，锥段壁面挤压在生物质热解液外侧做旋流运动的供氢剂产生径向速度向中心方向运动，迅速与生物质热解液流股完成混合，混合后的流体伞状喷射进入所述生物质热解液沸腾床反应器。

2)本发明进料器及沸腾床反应器的有关结构尺寸

表2本发明进料器用于200吨/年污泥裂解液加氢脱氧装置的有关结构尺寸

3)实施效果

200吨/年污泥裂解液加氢脱氧装置的试验过程采用了污水处理厂剩余污泥裂解液和炼厂“三泥”裂解液两种生物质裂解液进行了试验。从试验结果看，催化剂达到均匀流化，连续运行2000小时未出现反应器结焦。对该冷模装置的旋流垫层进料器进行流体力学数值模拟计算，由图5旋流垫层管出口截面温度分布可知，供氢剂可实现良好的隔温作用，生物质热解液温度低于62摄氏度。

实施例3

将本发明的进料器应用于100吨/年木屑裂解液加氢脱氧装置。

1)工艺流程

生物质热解液和供氢剂由生物质热解液沸腾床反应器侧面的旋流垫层进料器进入反应器。生物质热解液和供氢剂的进料温度的控制范围为室温～45℃，一般控制供氢剂和生物质热解液的质量比为0.25～10。生物质热解液由生物质热解液轴向引入管1-1进入旋流垫层进料器，同时供氢剂由供氢剂造旋入口1-3进入所述旋流垫层进料器的环隙造旋腔1-2，并在环隙造旋腔内的造旋叶片的导流作用下形成旋流流股，两股流体进入旋流垫层管1-4后，生物质热解液位于旋流垫层器中心沿轴线方向流动，供氢剂紧贴旋流垫层进料器内壁做旋流运动，并包裹着生物质热解液进入伞状混合喷射锥1-5，在锥段混合区由于锥角的存在，锥段壁面挤压在生物质热解液外侧做旋流运动的供氢剂产生径向速度向中心方向运动，迅速与生物质热解液流股完成混合，混合后的流体伞状喷射进入所述生物质热解液沸腾床反应器。

2)本发明进料器及沸腾床反应器的有关结构尺寸

表3本发明进料器用于100吨/年木屑裂解液加氢脱氧装置的有关结构尺寸

3)实施效果

100吨/年木屑裂解液加氢脱氧装置的试验过程采用了木屑裂解液进行了试验。从试验结果看，催化剂达到均匀流化，连续运行2500小时未出现反应器结焦堵塞。

Claims (14)

1.一种生物质热解液沸腾床反应器的旋流垫层进料器，其特征在于：包括生物质热解液轴向引入管、环隙造旋腔、供氢剂造旋引入管、旋流垫层管和伞状混合喷射锥；生物质热解液轴向引入管右端伸入旋流垫层管内，生物质热解液轴向引入管外壁与旋流垫层管内壁之间的环隙形成环隙造旋腔，环隙造旋腔与供氢剂造旋引入管连通，旋流垫层管右端与伞状混合喷射锥连通。

2.根据权利要求1所述的旋流垫层进料器，其特征在于：所述供氢剂造旋引入管与生物质热解液轴向引入管垂直，供氢剂造旋引入管以切线方向与环隙造旋腔连通。

3.根据权利要求2所述的旋流垫层进料器，其特征在于：所述供氢剂造旋引入管以侧向与环隙造旋腔连通。

4.根据权利要求1所述的旋流垫层进料器，其特征在于：所述环隙造旋腔内设有造旋叶片。

5.根据权利要求4所述的旋流垫层进料器，其特征在于：所述造旋叶片为设置于环隙造旋腔腔壁上的螺纹状单螺旋通道或多旋流通道或为叶片结构。

6.根据权利要求1所述的旋流垫层进料器，其特征在于：所述伞状混合喷射锥出口朝下，其轴线同水平面夹角为0～45°。

7.根据权利要求1～6任一所述的旋流垫层进料器，其特征在于：所述生物质热解液轴向引入管长度为旋流垫层进料器总长度的20％～90％，生物质热解液轴向引入管、旋流垫层管和伞状混合喷射锥同轴设置。

8.根据权利要求1～6任一所述的旋流垫层进料器，其特征在于：所述供氢剂造旋引入管长度为旋流垫层进料器总长度的10％～50％。

9.根据权利要求1～6任一所述的旋流垫层进料器，其特征在于：所述生物质热解液轴向引入管直径为旋流垫层管直径的30％～90％。

10.根据权利要求1～6任一所述的旋流垫层进料器，其特征在于：所述伞状混合喷射锥长度为旋流垫层进料器总长度的5％～15％，锥角为0～45°。

11.一种权利要求1所述的旋流垫层进料器的应用，其特征在于：所述供氢剂占生物质热解液的质量比为0.25～10。

12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于：所述旋流垫层进料器的操作温度为250～450℃，操作压力为10～20Mpa。

13.根据权利要求11所述的应用，其特征在于：所述生物质热解液由生物质热解液轴向引入管进入旋流垫层进料器，同时供氢剂由供氢剂造旋引入管进入环隙造旋腔，并在环隙造旋腔内的造旋叶片的导流作用下形成旋流，生物质热解液和供氢剂两股流体进入旋流垫层区后，生物质热解液处于旋流垫层管中心沿轴线方向流动，供氢剂紧贴旋流垫层管内壁做旋流运动，并包裹着生物质热解液进入伞状混合喷射锥，锥段壁面挤压在生物质热解液外侧做旋流运动的供氢剂产生径向速度向中心方向运动，迅速与生物质热解液完成混合，混合后的流体伞状喷射进入生物质热解液沸腾床反应器，发生对生物质热解液的加氢反应。

14.根据权利要求11～13任一所述的应用，其特征在于：所述生物质热解液为各种生物质经过快速热解、慢速热裂解、加氢液化、气化或炭化热裂解过程所得的液体。