CN110511776B - 一种生物质热解生产生物汽柴油的装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种生物质热解制备汽、柴油的反应装置，包括生物质热解反应器、改质反应器和催化剂再生器，其中，生物质热解反应器置于催化剂再生器内部。生物质热解反应器置于催化剂再生器内，在反应过程利用自身生成的生物炭和改质过程生成的焦炭供热，充分利用了待生催化剂烧焦的热量，减少能耗。在生物质热解过程不需要热载体加入，减少其与反应产物的分离，以及反应器磨损。

Description

一种生物质热解生产生物汽柴油的装置以及方法
技术领域
本发明涉及一种生物质热解的反应装置，具体的，涉及一种生物质热解制备汽油、柴油的装置以及方法。
背景技术
能源是保障人类社会进步的重要物质基础，也是国家经济发展的重要支撑，与人类生活和生产息息相关，对社会进步、经济发展起着不可或缺的重要推动作用。随着经济的迅速发展，化石能源日趋枯竭，石油资源供应问题突出，同时化石燃油带来严峻的环境问题。面对能源危机与环境污染的现状，推动能源生产和消费革命，促进经济发展模式向绿色低碳转型，不仅是我国实行可持续发展战略的内在要求，而且是应对全球气候变化的最佳选择。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。生物质能源是倍受青睐的可再生能源，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(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(102～104K/s)和短停留时间(0.2～3s)及适中的裂解温度(500～650℃)，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。此外，所得生物油组成复杂，具有高含氧量(35～60wt％)、高粘度(40℃下20～200mPa·s)、高酸值(pH 2～4)、低热值(14～19MJ/kg)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。
实现生物质热解过程的热量自给，同时通过催化裂化改质实现生物质热解油的提质，生产出满足使用要求的燃料，是本发明的主要目的。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种生物质热解的装置，该装置可以很好地利用改质反应装置的待生催化剂再生过程中焦炭燃烧的热量，省去了生物质热解反应中使用额外的热源。
为实现本发明的上述目的，采用如下技术方案：
一种生物质热解的反应装置，包括生物质热解反应器、催化剂再生器以及改质反应器，其中，生物质热解反应器置于催化剂再生器内部。
催化再生器为变径的罐体，罐体上部分的直径大于罐体下部分的直径，即，罐体上部分为稀相段，罐体的下部分为密相段。
在稀相段内设有至少两组旋风分离器，其中，一组旋风分离器与生物质热解反应器的上端部连接。
在本申请中，所述的催化剂可以为石油化工领域的流化床催化裂化反应中使用的催化剂，包括含有Y、ZSM-5等分子筛的催化裂化催化剂，也可以是专为生物质热解油催化裂化改质所开发的微球形金属氧化物催化剂。。
在本申请中，生物质热解反应器置于催化剂再生器内，在反应过程利用自身生成的生物炭和改质过程生成的焦炭供热，充分利用了待生催化剂烧焦的热量，减少能耗。
在生物质热解过程不需要热载体加入，减少其与反应产物的分离，以及反应器磨损。
附图说明
图1生物质热解与热解油改质耦合的反应装置的一种实施方案。
具体实施方式
下面对本申请的生物质热解的反应装置进一步详细叙述。并不限定本申请的保护范围，其保护范围以权利要求书界定。某些公开的具体细节对各个公开的实施方案提供全面理解。然而，相关领域的技术人员知道，不采用一个或多个这些具体的细节，而采用其他的材料等的情况也可实现实施方案。
除非上下文另有要求，在说明书以及权利要求书中，术语“包括”、“包含”应理解为开放式的、包括的含义，即为“包括，但不限于”。
在说明书中所提及的“实施方案”、“一实施方案”、“另一实施方案”或“某些实施方案”等是指与所述实施方案相关的所描述的具体涉及的特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，“实施方案”、“一实施方案”、“另一实施方案”或“某些实施方案”没有必要均指相同的实施方案。且，具体的特征、结构或者特性可以在一种或多种实施方案中以任何的方式相结合。说明书中所揭示的各个特征，可以任何可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。
在本申请中，稀相段为流化床界面以上的区域。在该区域固体颗粒密度随高度上升而逐渐降低。
在本申请中，密相段为流化床界面以下的区域，在区域也是主要反映区域。
本申请的进一步说明：
一方面，一种生物质热解制备汽、柴油的反应装置，包括生物质热解反应器、催化剂再生器和改质反应器，其中，生物质热解反应器置于催化剂再生器内部。
在本申请中，生物质热解反应器置于催化剂再生器内，利用催化剂再生器内传递的热量进行热解反应。热解反应后的热解油进而进入改质反应器内进一步改质为所需要的产品。在本申请的反应装置内，可以利用催化剂再生器的热量，省去了现有技术热解反应所需要的热源，在现有技术中热源的加入增加了对设备的磨损，也起到节能效果。
生物质热解后冷凝后得到的液态生物油，是可再生资源，含有很少的硫、氮，但是生物油中含有几乎所有含氧化合物，譬如水、有机羧酸、酮、醛以及没有裂解完全的大分子等。与石油的组分类似，生物油也是含有多种有机化合物的混合体，但是含氧量和含水量非常高，通常需要通过催化裂化或加氢处理等方法对生物油进行改质，得到烃类产物和脱去生物油中氧元素。
在本申请中，改质反应器发生的催化裂化反应，对生物油进行改质，将生物油大分子变为液化气、汽油、柴油等小分子的过程。
本申请的催化剂再生器包括现有技术所公开的所有结构。譬如：催化再生器为变径的罐体，罐体上部分的直径大于罐体下部分的直径，即，罐体上部分为稀相段，罐体的下部分为密相段。
在沉降段内设有至少二组旋风分离器，其中，一组旋风分离器与生物质热解反应器的上端部连接。生物质热解反应生成的热解气以及生物炭经过旋风分离器分离后，生物炭进入催化剂再生器内燃烧释放热量；分离出的热解气经冷凝后再次分离为热解油和不凝气。
在某些实施方式中，生物质热解器为圆柱体状直管，生物质热解器经催化剂再生器的底部伸入其内。
生物质热解器的管径与催化剂再生器的密相段的管径比例0.1:1-0.5:1。
在催化再生器的密相段(即密相床)，热解反应器直接埋在催化剂内，传热的效率会比稀相段高，可以减少生物质刚进入热解反应器时因为快速升温与剧烈热解吸热而造成的温降，有利于控制整个反应在等温的条件下进行。
在某些实施方式中，在稀相段内，一组旋风分离器的入口端与稀相段连通，出口端与外界相通。
在某些实施方式中，通过催化剂再生斜管和催化剂待生斜管，将催化剂再生器与催化裂化反应器相连。
本申请的催化裂化反应器为现有技术所有催化裂化反应器。
在某些实施方式中，生物质热解反应生成的热解油进入改质提升管内进一步进行改质反应。
在本申请中的生物油通过催化裂化工艺对其进行改性，在催化剂的作用下是生物油大分子变为液化气、汽油、柴油等小分子的过程。在催化裂化过程中，在实现生物油轻质化生产汽、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。发明人将生物质热解反应器置于催化剂再生器内，充分利用烧焦产生大量的热量给生物质热解反应提供热量，大大减少了能耗。在现有技术的生物质热解反应装置中，生物质热解反应通常需要额外的热载体提供热量，譬如陶瓷球热载体。在本申请中省去了这些热载体，避免热载体对生物质热解器的磨损、以及后续的分离过程。工艺更加简单化。
在本申请中，所述的生物质包括但不限于纤维素、木质素类农林废弃物。
另一方面，一种生物质热解制备汽、柴油的方法，包括：
生物质原料进入生物质热解反应器进行热解反应，生物质热解反应器置于催化剂再生器内部；
生物质热解反应后得到的热解油进入改质反应装置内进行催化裂化反应，催化裂化后的油气经后处理后得到汽油、柴油等产物；
改质反应器内的待生催化剂进入催化剂再生器内燃烧再生，催化剂再生过程的热量供给生物质热解反应。
生物质热解反应后的产物经过冷凝处理后得到热解油和不凝气，不凝气进入生物质热解反应器内。此时的不凝气作为生物质热解反应的流化气。
油气在分馏塔内分离出的馏分包括：裂化气、汽油、柴油、回炼油和油浆等。回炼油可以再次返回到改质反应器内进行催化反应。
在某些实施方式中，上述催化剂再生器内发生的再生反应，温度为600-720℃。
催化剂再生反应产生的高温再生剂和烟气为生物质热解提供反应热量。
在某些实施方式中，生物质热解反应器的出口温度为500～650℃，反应压力为0.1～0.4MPa。
在某些实施方式中，生物质热解反应的时间为0.5～30s。
在某些实施方式中，改质反应器出口温度为450-550℃，反应时间为1-4s，反应压力为0.1-0.4MPa。
在某些实施方式中，本申请的催化剂包括但不限于石油化工领域的催化裂化反应使用的催化剂。包括含有Y、ZSM-5等分子筛的催化裂化催化剂，也可以是专为生物质热解油催化裂化改质所开发的微球形金属氧化物催化剂。
在某些实施方式中，生物质热解产物分离出的热解气经冷凝，冷凝过程可以采用空冷、水冷或其他冷凝方式，最终的冷凝温度40～80℃，常压。
通过本申请的生物质快速热解反应，其优势包括：
(1)生物质热解过程的热量来源于催化剂再生器内的热量，无需热载体，减少了热载体对反应器的磨损，同时，也减少了了反应产物与热载体的分离。另外，生物质热解过程生成的生物炭和催化裂化改质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)本申请提供的工艺，实现了由生物质一次生成高品质生物汽油、柴油，同时热解反应器与催化裂化反应器可以灵活改变操作条件。
下面的实施例仅仅进一步说明本发明，但不限制与本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例参考附图1所示，为本申请提供的生物质快速热的反应装置。
在本实施例中的反应装置，包括催化剂再生器IV、生物质热解反应器III、改质反应器(也可称为催化裂化反应装置)、冷凝器V、油气分离罐VI、分馏塔V。生物质热解反应器III经催化剂再生器底部置于催化剂再生器IV内，热解反应器III为圆柱状的直管，热解反应器III的上端部位于催化剂再生器IV内的上部。
生物质热解反应器III的上端与旋风分离器14相连，在旋风分离器内将生物质热解产物中的热解气与焦炭分离。旋风分离器顶部出口与冷凝器VII相连，热解气进入冷凝器VII内冷凝。冷凝器VII与油气分离罐VI相连，经冷凝后的热解产物在油气分离罐VI内进行分离，分离为未冷凝的不凝气和热解油，不凝气3作为预提升气进入生物质热解反应器III内，根据需求，热解油进入催化裂化反应器I内进一步进行催化改质反应。
改质反应器包括催化裂化反应器I以及催化裂化反应沉降器II，催化裂化沉降器II经催化剂待生斜管15与催化剂再生器IV连接，将催化裂化反应沉降器内的待生催化剂送入再生器内。催化裂化反应器I经催化剂再生斜管16与催化剂再生器IV连接，再生催化剂送入催化裂化反应器I继续使用。催化裂化反应装置可以为现有技术所有的石油化工催化反应所用的反应装置，热解油5可以与回炼油13或者仅仅为热解油5进入催化裂化反应器I内，再生催化剂经预提升气7与热解油和/或回炼油接触进行催化裂化反应。催化裂化反应沉降器II内设有旋风分离器。催化裂化反应器I伸入反应沉降器II内，催化裂化反应器I的上端部与旋风分离器相连接，经旋风分离器将油气与催化剂分离，分离出的待生催化剂经催化剂待生斜管15进入催化剂再生器III内燃烧再生。催化裂化反应沉降器II的顶部与分馏塔V相连，改质反应后得到的油气进入分馏塔V内进一步分离出相应的组分以及回炼油13，回炼油可以进一步回到改质反应器I内进行改质反应。
采用上述生物质热解反应的工艺流程包括：
干燥、粉碎的生物质原料1经给料器进入生物质热解反应器III的底部，经过热解反应器III底部通入的热解不凝气流化提升进入热解反应器III内部。在催化剂再生器IV内高温催化剂和烟气的加热下进行热解反应生成热解气和生物炭，其中，在生物质热解反应器的出口温度为500～650℃，反应压力为0.1～0.4MPa，生物质热解反应的时间为0.5～30s。催化剂再生器IV内常压下的温度为600-720℃。利用催化剂再生器内催化剂和烟气传热给生物质热解反应器，供生物质进行热解反应。
热解反应器III顶部流出的热解气和生物炭经过旋风分离器分离后，生物炭进入催化再生器IV内燃烧释放热量，结合新加入的燃料使待生催化剂再生。热解气经过冷凝器V冷凝后进入油气分离罐VI，分离为热解油5和不凝气3。不凝气3进入生物质热解反应器III的底部作为流化气体，热解油进入催化裂化的提升管反应器，与再生催化剂接触反应。分馏塔分离出的回炼油馏分(350-500℃)进入催化裂化提升管反应器，与再生催化剂接触进行催化裂化反应，其中，催化裂化反应器出口温度为450-550℃，反应时间为1-4s，反应压力为0.1-0.4MPa。进入催化裂化提升管的反应物质，根据实际情况确定，催化裂化的原料可以为热解油、或者热解油和回炼油馏分的混合。
在催化裂化反应器I的出口，反应油气与结焦催化剂经过旋风分离器分离，结焦待生的催化剂进入沉降器的汽提段进行汽提，以脱附吸附的油气，降低焦炭产率，汽提后的待生催化剂剂经催化剂待生斜管15进入催化剂再生器IV烧焦再生；反应油气9进入分馏塔V进一步分离为裂化气、汽油(<200℃)10、柴油11(200-500℃)、回炼油13(350-500℃)和油浆12(>500℃)。回炼油可以与热解油混合进入催化裂化反应提升管内进行裂化反应。。
实验例1：
本实验例采用实施例1的生物质快速热的反应装置，以松木锯末为原料，固定流化床式热解反应器，流化气体为氮气，反应时间20s，得到的产物分布和热解油的性质如表1、表2所示。
表1热解产物分布
Figure BDA0001767758540000071
表2热解油性质
Figure BDA0001767758540000072
Figure BDA0001767758540000081
以上述的510℃得到的热解油(PO)进行催化裂化改质。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，产物分布如表3。
表3热解油催化裂化产物分布
Figure BDA0001767758540000082
实验例2：
本实验例采用实施例1的生物质快速热的反应装置，以稻壳为原料，固定流化床式热解反应器，流化气体为氮气，反应时间20s，得到的产物分布和热解油的性质如表4、表5所示。
表4热解产物分布
Figure BDA0001767758540000083
Figure BDA0001767758540000091
表5热解油性质
Figure BDA0001767758540000092
以上述的510℃得到的热解油(PO)进行催化裂化改质。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，产物分布如表6。
表6热解油催化裂化产物分布
Figure BDA0001767758540000093

Claims (12)

1.一种生物质热解制备汽、柴油的方法，包括：
生物质原料进入生物质热解反应器进行热解反应，其中，生物质热解反应器置于催化剂再生器内部；
生物质热解反应后得到的热解油进入改质反应装置内进行催化裂化反应，催化裂化后的油气经后处理后得到汽油、柴油产物；
改质反应器内的待生催化剂进入催化剂再生器内烧焦再生，催化剂再生过程产生的热量供给生物质热解反应；
其中，生物质热解器的管径与催化剂再生器的密相段的管径比例0.1:1-0.5:1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，油气在分馏塔内分离出的馏分包括：裂化气、汽油、柴油、回炼油，回炼油再次返回到改质反应装置内进行催化反应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生物质热解反应后的产物经过冷凝处理后得到热解油和不凝气，不凝气进入生物质热解反应器内。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，冷凝过程采用空冷、水冷或其他冷凝方式，最终的冷凝温度40～80℃，压力为常压。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，催化剂再生器内发生的焦炭燃烧反应，温度为600-720℃。
6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，生物质热解反应器的出口温度为500～650℃，反应压力为0.1～0.4MPa。
7.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，改质反应器出口温度为450-550℃。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，反应时间为1-3s，反应压力为0.1-0.4MPa。
9.一种生物质热解制备汽、柴油的反应装置，包括生物质热解反应器、催化剂再生器和改质反应器，其中，生物质热解反应器置于催化剂再生器内部，
生物质热解器的管径与催化剂再生器的密相段的管径比例0.1:1-0.5:1。
10.根据权利要求9所述的反应装置，其特征在于，催化剂再生器为变径的罐体，罐体上部分的直径大于罐体下部分的直径，罐体上部分为稀相段，罐体的下部分为密相段；
在稀相段内设有至少二组旋风分离器，其中，第一组旋风分离器与生物质热解反应器的上端部连接。
11.根据权利要求9或10所述的反应装置，其特征在于，在稀相段内，第二组旋风分离器的入口端与稀相段连通，出口端与外界相通。
12.根据权利要求9或10所述的反应装置，其特征在于，生物质热解器为圆柱体状直管，生物质热解器经催化剂再生器的底部伸入其内。
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