CN111218292A - 一种利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置及方法，涉及新能源开发与应用领域，该装置中热解床层内的气体可进入催化床层；所述催化床层外侧设置有催化床层加热炉和发生器，催化床层加热炉用来对催化床层进行加热，发生器在催化床层工作时对催化床层进行保温，在工作结束后，对催化床层进行冷却；热解床层加热炉用来对热解床层进行加热，蒸发器用来对热解床层进行冷却；该方法通过对催化床层内的催化剂先加热到一定的温度，然后对热解床层内生物质加热，反应后，通过快速冷却反应后的生物质和催化剂；本发明旨在充分利用系统的余热能量来达到快速冷却系统、提高工作效率的目的，此方案简单可行、维护简单。

Description

一种利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的 装置及方法

技术领域

本发明涉及新能源的开发与利用技术领域，更具体地，涉及一种利用催化热解反应器高温余热对系统进行快速冷却地方法及装置。

背景技术

生物质能是一种碳中性能源，分布广泛，具有巨大的经济潜力。但通过热解生物质得到的生物油具有含氧量高、热值低、黏度高等急需解决的问题，因此热解时使用催化手段对生物油进行提质改性是生物油替代石油燃料的关键。在高温快速热解生物质系统中，催化热解反应器的工作温度可高达550℃，一般室温下利用冷却水套进行水冷时间较长，进行重复性实验时需不停的等待系统冷却，导致工作效率低。目前，我国的能源利用率是不高的，根据调查各行业的余热资源约占其燃料消耗总量的17％～67％，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60％。

而传统实验中，生物质和催化剂放置在同一反应器中，会出现生物质已经开始析出热解气而催化剂还没有达到活性温度，导致很多热解气还未被催化就已排出，从而降低了产物的可利用性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种利用催化热解反应器余热对系统进行快速冷却的装置及方法，该装置将催化剂和生物质放在不同的反应器中，可以预先将催化剂加热到具有活性，然后再加热生物质，从而提高了产物的可利用性；

本发明方法通过对催化床层内的催化剂先加热到一定的温度，然后对热解床层内生物质加热，同时，通过快速冷却反应后的生物质，一方面实现了充分利用系统热能并提高工作效率的目的，另一方面使得反应后的生物质被迅速的冷却，为后期提供了良好的生物质样本。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置，包括催化床层和热解床层，所述热解床层内的气体可进入催化床层；所述催化床层外侧设置有催化床层加热炉和发生器，催化床层加热炉用来对催化床层进行加热，发生器在催化床层工作时对催化床层进行保温，在工作结束后，对催化床层进行冷却；所述热解床层外侧设置有热解床层加热炉和蒸发器，所述热解床层加热炉用来对热解床层进行加热，蒸发器用来对热解床层进行冷却。

进一步的，所述热解床层设置在催化床层的下方，且催化床层和热解床层之间设置有隔热垫。

进一步的，所述发生器通过管道与吸收器和冷凝器相通，吸收器内的制冷剂通过截止阀可进入发生器，制冷剂在发生器内蒸发进入冷凝器冷凝后通过第一节流阀进入蒸发器后通过管道回到吸收器。

进一步的，所述吸收器和冷凝器内均设置有U型冷却管。

进一步的，所述发生器内制冷剂的残留物通过管道经过第二节流阀回到吸收器内。

本发明的另一个技术方案为：

一种利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置的冷却方法，包括如下步骤：

步骤一：将生物质放入热解床层内，催化床层内放入催化剂；

步骤二：对催化床层加热到一定温度；

步骤三：对热解床层进行加热到一定温度；

步骤四：催化床层和热解床层均反应结束后，关闭催化床层加热炉和热解床层加热炉；

步骤五：对催化床层进行冷却：通过向发生器通入制冷剂实现；

步骤六：对热解床层进行冷却。

进一步的，对步骤六)中热解床层冷却具体包括制冷剂中的水吸收催化床层的热量后蒸发通过管道进入冷凝器冷凝后变为液体通过第一节流阀进入蒸发器对热解床层进行冷却。

进一步的，还包括将蒸发器内的蒸发后的水通过管道回到吸收器。

进一步的，所述制冷剂由水和溴化锂组成。

进一步的，所述催化床层加热到400～500℃，热解床层加热到500～550℃。

有益效果：

1.传统实验中，生物质和催化剂放置在同一反应器中，会出现生物质已经开始析出热解气而催化剂还没有达到活性温度，即当温度上升到200℃时，生物质就会开始析出热解气，而此温度远没有达到催化剂的活性温度，这样导致很多热解气还未被催化就已排出，从而降低了产物的可利用性，本发明是将催化剂和生物质放在不同的反应器中，可以预先将催化剂加热到具有活性，然后再加热生物质，从而提高了产物的可利用性。

2.在高温快速热解生物质系统中，热解反应器的工作温度可高达550℃，一般室温下利用冷却水套进行水冷时间较长，进行重复性实验时需不停的等待系统冷却，导致工作效率低，本发明通过设计冷却系统通过反应器将制冷剂通入发生器，发生器中的制冷剂蒸发吸收催化床层的热量，然后通过冷凝器冷凝后进入蒸发器，从而实现对催化床层和热解层加热炉的快速冷却。

3.随着反应时间的推进，生物质析出的产物是不一样的。为了探究产物随反应时间变化的分布规律，我们需采取不同反应时间下的产物并对它进行分析。为防止余热对热解气进行后续的供温，使采到的样品与反应时间不匹配，需将系统快速冷却下来，本发明冷却系统可以实现。同时，冷却系统需要一定的冷却时间，而在这段时间内热解气可以及时的排出系统并在冷凝管中冷凝，可避免热解气迅速在催化炉体内冷凝；另外，如果冷却不及时，催化剂表面存在积炭，积炭会聚合。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明图1中的催化床层加热炉及催化床层和发生器的装配结构示意图；

图3为本发明图1中的热解炉加热器和蒸发器装配的结构示意图。

附图标记如下：

1-催化床层加热炉；2-催化床层；3-发生器；4-冷凝器；5-第一U型冷却管；6-第一节流阀；7-热解床层；8-第二U型冷却管；9-第二节流阀；10-吸收器；11-蒸发器；12-热解床层加热炉；13-截止阀。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的

一种利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置，包括催化床层2和热解床层7，所述热解床层7设置在催化床层2的下方，且催化床层2和热解床层7之间设置有隔热垫；所述热解床层7内的气体可进入催化床层2；所述催化床层2外侧设置有催化床层加热炉1和发生器3，催化床层加热炉1用来对催化床层2进行加热，发生器3在催化床层2工作时对催化床层2进行保温，在工作结束后，对催化床层2进行冷却；所述热解床层7外侧设置有热解床层加热炉12和蒸发器11，所述热解床层加热炉12用来对热解床层7进行加热，蒸发器11用来对热解床层7进行冷却；所述发生器3通过管道与吸收器10和冷凝器4相通，吸收器10内的制冷剂通过截止阀13可进入发生器3，制冷剂在发生器3内蒸发进入冷凝器4冷凝后通过第一节流阀6进入蒸发器11后通过管道回到吸收器10；所述吸收器10和冷凝器4内均设置有U型冷却管；所述发生器3内制冷剂的残留物通过管道经过第二节流阀9回到吸收器10内。

所述的发生器3和吸收器10的材质为304不锈钢，耐高温耐腐蚀，冷凝器4、吸收器10及管道的材质均为灰铸铁，与发生器3和蒸发器11的连接方法采用焊接方式，另外，冷凝器4内部装有第一U型冷却管5，第一U型冷却管5管道内为从外部通入的循环冷却水。

所述吸收器10的安装位置高于发生器3，连接管道上装有截止阀13，当制冷剂蒸气和吸收剂蒸气混合冷凝成工质1后可自动回流入发生器3进行循环。

所述截止阀13安装在工质1回流入发生器的管道上，制冷机工作时截止阀常开，停止冷却时先关闭截止阀，待液体全部冷凝到吸收器中再关闭制冷机开关，保证催化热解器下一次工作时发生器中没有液体以提高传热效率；催化床层加热炉1与发生器3间隔分布在催化床层2的外侧，热解床层加热炉13与蒸发器11间隔分布在热解床层7外侧。

利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置的冷却方法，包括如下步骤：

步骤一：将生物质放入热解床层7内，催化床层2内放入催化剂；

步骤二：对催化床层2加热到一定温度；

步骤三：对热解床层7进行加热到一定温度；

步骤四：催化床层2和热解床层7均反应结束后，关闭催化床层加热炉1和热解床层加热炉12；

步骤五：对催化床层2进行冷却：通过向发生器3通入制冷剂实现；

步骤六：对热解床层7进行冷却：制冷剂中的水吸收催化床层2的热量后蒸发通过管道进入冷凝器4冷凝后变为液体通过第一节流阀6进入蒸发器11对热解床层7进行冷却。

实施例1：

按照1：1的质量比分别称取生物质比如油菜秸秆和催化剂比如HZSM-5，将生物质放入热解床层7，催化剂放入催化床层2，先将催化床层加热炉1的温度设置为400℃，并开始对催化床层2加热；当催化床层2加热到400℃左右，打开热解床层加热炉12，并将热解床层加热炉12的温度设置为450℃对热解床层7进行加热；生物质在热解床层7内受热生成热解气后进入催化床层2进行裂解反应，反应生成的气态的生物油，生物油通过管道进入储存箱内，在裂解过程中，发生器3对催化床层2进行保温，裂解完成后，关闭催化床层加热炉1和热解床层加热炉12后，打开截止阀13，吸收器10内的水和溴化锂组成的制冷剂通过管道进入发生器3后，制冷剂中的水吸收催化床层2的热量后蒸发通过管道进入冷凝器4冷凝后变为液体通过第一节流阀6进入蒸发器11蒸发后通过管道回到吸收器10、制冷剂中的溴化锂通过管道经过第二截流阀9回到吸收器10内。

更详细的，当冷凝管4中没有新的热解气通入时，打开截止阀13，储存在吸收器10里的制冷剂流入发生器3吸收催化床层2的余热，并使溶液中的大部分低沸点制冷剂蒸发出来；制冷剂蒸气进入冷凝器4中被冷却介质冷凝成制冷剂液体，再经节流器降压到蒸发压力；制冷剂经第一节流阀6进入蒸发器11中，吸收被冷却系统中的热量而激化成蒸发压力下的制冷剂蒸气；发生器3中经发生过程剩余的溶液经吸收剂节流器降到蒸发压力进入吸收器10中，与从蒸发器11出来的低压制冷剂蒸气相混合，并吸收低压制冷剂蒸气并恢复到原来的浓度；在吸收器10中恢复了浓度的溶液又经溶液泵升压后送入发生器中继续循环；直至系统温度降低到50℃后，先关闭截止阀13，当吸收器的水位感应灯亮起再关闭制冷机。

实施例2：

按照1：1的质量比分别称取生物质和催化剂，放入热解床层7和催化床层2，先将催化床层加热炉1温度设置为445℃，并开始加热；当催化床层2加热到400℃左右时，打开热解床层加热炉12，并将温度设置为500℃进行加热；生物质热解后在催化床层2内进行裂解反应，生成的热解气在冷凝管中冷凝成液态生物油，不可冷凝物质被收集在集气袋里。当冷凝管中没有新的热解气通入时，打开截止阀13的开关，储存在吸收器10内的工质流入发生器3吸收催化床层2余热，并使溶液中的大部分低沸点制冷剂蒸发出来；制冷剂蒸气进入冷凝器4中被冷却介质冷凝成制冷剂液体，再经节流器降压到蒸发压力后制冷剂经第一节流阀6进入蒸发器11中，吸收热解床层7中的热量而激化成蒸发压力下的制冷剂蒸气；发生器3中经发生过程剩余的溶液经吸收剂节流器降到蒸发压力进入吸收器中，与从蒸发器11出来的低压制冷剂蒸气相混合，并吸收低压制冷剂蒸气并恢复到原来的浓度；在吸收器10中恢复了浓度的溶液又经溶液泵升压后送入发生器中继续循环；直至系统温度降低到50℃后，先关闭截止阀13，当吸收器10的水位感应灯亮起再关闭制冷机。

实施例3：

按照1：1的质量比分别称取生物质和催化剂，放入热解床层7和催化床层2，先将催化床层加热炉1温度设置为490℃，并开始加热；当催化床层2加热到400℃左右，打开热解床层加热炉12，并将温度设置为550℃进行加热；生物质热解后在催化床层2中进行催化裂解反应，生成的热解气在冷凝管中冷凝成液态生物油，不可冷凝物质被收集在集气袋里。当冷凝管中没有新的热解气通入时，打开截止阀13，储存在吸收器10里的工质流入发生器3吸收催化床层2的余热，使得溶液中的大部分低沸点制冷剂蒸发出来；制冷剂蒸气进入冷凝器中被冷却介质冷凝成制冷剂液体，再经节流器降压到蒸发压力；制冷剂经节流进入蒸发器11中，吸收热解床层7中的热量而激化成蒸发压力下的制冷剂蒸气；发生器3中经发生过程剩余的溶液经吸收剂节流器降到蒸发压力进入吸收器10中，与从蒸发器11出来的低压制冷剂蒸气相混合，并吸收低压制冷剂蒸气并恢复到原来的浓度；在吸收器10中恢复了浓度的溶液又经溶液泵升压后送入发生器中继续循环；直至系统温度降低到50℃后，先关闭截止阀13，当吸收器10的水位感应灯亮起再关闭制冷机。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置，其特征在于，包括催化床层(2)和热解床层(7)，所述热解床层(7)内的气体可进入催化床层(2)；所述催化床层(2)外侧设置有催化床层加热炉(1)和发生器(3)，催化床层加热炉(1)用来对催化床层(2)进行加热，发生器(3)在催化床层(2)工作时对催化床层(2)进行保温，在工作结束后，对催化床层(2)进行冷却；所述热解床层(7)外侧设置有热解床层加热炉(12)和蒸发器(11)，所述热解床层加热炉(12)用来对热解床层(7)进行加热，蒸发器(11)用来对热解床层(7)进行冷却。

2.根据权利要求1所述的利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置，其特征在于，所述热解床层(7)设置在催化床层(2)的下方，且催化床层(2)和热解床层(7)之间设置有隔热垫。

3.根据权利要求1所述的利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置，其特征在于，所述发生器(3)通过管道与吸收器(10)和冷凝器(4)相通，吸收器(10)内的制冷剂通过截止阀(13)可进入发生器(3)，制冷剂在发生器(3)内蒸发进入冷凝器(4)冷凝后通过第一节流阀(6)进入蒸发器(11)后通过管道回到吸收器(10)。

4.根据权利要求1所述的利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置，其特征在于，所述吸收器(10)和冷凝器(4)内均设置有U型冷却管。

5.根据权利要求1所述的利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置，其特征在于，所述发生器(3)内制冷剂的残留物通过管道经过第二节流阀(9)回到吸收器(10)内。

6.根据权利要求1至5任一项所述的利用生物质催化热解反应器余温对系统进行快速冷却的装置的冷却方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将生物质放入热解床层(7)内，催化床层(2)内放入催化剂；

步骤二：对催化床层(2)加热到一定温度；

步骤三：对热解床层(7)进行加热到一定温度；

步骤四：催化床层(2)和热解床层(7)均反应结束后，关闭催化床层加热炉(1)和热解床层加热炉(12)；

步骤五：对催化床层(2)进行冷却：通过向发生器(3)通入制冷剂实现；

步骤六：对热解床层(7)进行冷却。

7.根据权利要求6所述的冷却方法，其特征在于，对步骤六)中热解床层冷却具体包括制冷剂中的水吸收催化床层(2)的热量后蒸发通过管道进入冷凝器(4)冷凝后变为液体通过第一节流阀(6)进入蒸发器(11)对热解床层(7)进行冷却。

8.根据权利要求6所述的冷却方法，其特征在于，还包括将蒸发器(11)内的蒸发后的水通过管道回到吸收器(10)。

9.根据权利要求6所述的冷却方法，其特征在于，所述制冷剂由水和溴化锂组成。

10.根据权利要求6所述的冷却方法，其特征在于，所述催化床层(2)加热到400～500℃，热解床层(7)加热到500～550℃。

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