CN111548811A - 一种垃圾气化炉内三级催化剂系统及催化裂解焦油的方法 - Google Patents

Abstract

一种垃圾气化炉内三级催化剂系统及催化裂解焦油的方法，该垃圾气化炉内的三级催化系统包括顶部设有出气口、底部设有灰渣出口的气化炉，气化炉内部设有隔板，位于隔板左侧的炉壁上设置有凸台、凸台底部安装有震打装置、隔板上还固接有网板；隔板右侧由下至上依次设有一级催化剂床层、二级催化剂床层和三级催化剂床层。本发明中一种气化炉内催化裂解生活垃圾气化焦油的方法，使焦油转化为小分子燃气，可用于内燃气、汽轮机发电，促进生活垃圾气化发电工业化应用。本发明所提供的焦油催化方法成本低，效果好，可以推广用于工业生产。

Description

一种垃圾气化炉内三级催化剂系统及催化裂解焦油的方法

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化综合利用技术领域，特别涉及一种垃圾气化炉内三级催化剂系统及催化裂解焦油的方法。

背景技术

住建部2018年发布的《中国城市建设统计年鉴》指出：2010年以来，我国生活垃圾清运量逐年上升，2017年约达到2.16万吨，同比增长5.82％。目前，生活垃圾资源化利用技术已经得到长足的发展，在众多技术中，垃圾的气化处理技术备受关注，并被认为是极具发展潜力的生活垃圾资源化利用技术。垃圾气化是指垃圾在高温缺氧条件下发生不完全燃烧进行热裂解，生成包括气体组分、液体组分及固体残渣在内的热化学反应物。

垃圾气化产物焦油是气化合成气中大分子有机物在温度降至300℃以下冷凝成的产物，是一种黏稠的、恶臭的、成分复杂的液体物质，混有焦油的高温气化合成气在输送过程中不断冷却，焦油冷凝成液态并与水、焦炭、灰尘等粘结在一起而堵塞管道，易造成气化系统运行故障。气化合成气中焦油能量在总能量中占有很大的比重，这部分能量在低温时堵塞内燃机、燃气气轮机，难与可燃气体一起被利用，大多浪费掉了，同时液态焦油也会吸附一些重金属、吠喃、二噁英等致癌、致畸、致突变的有毒有害物质，不当排放不但将严重污染环境，还将威胁到人类的身体健康。

目前处理垃圾气化焦油最常用的方法为：通过催化剂在一定条件下对焦油进行催化裂解来达到去除焦油的目的。但是，催化裂解还存在着许多问题阻碍其工业化应用，如下：(1)催化剂方面：传统矿物质催化剂(白云石、橄榄石、石灰石等)对小分子焦油催化裂解率高达99％，但垃圾气化焦油中大分子焦油占比较多，故只用白云石作催化剂，整体催化效果较差；负载型催化剂(白云石负载镍、橄榄石负载镍、分子筛负载镍等)催化垃圾气化焦油效果好，但因燃气中有S、Cl等物质使其快速失活，严重影响其使用寿命，且镍基催化剂也容易积碳失活，其使用成本较高；(2)催化装置方面：目前专利研究大多将催化装置置于气化炉外，需要另外提供热源，热耗较高。当将催化装置置于出气化炉内，炉内气化合成气中飞灰含量高，直接进催化系统会堵塞催化剂孔洞影响催化剂效率和催化剂寿命。

发明内容

为了克服现有不足，本发明的目的在于提出气化炉内催化裂解生活垃圾焦油、能广泛应用于工业生产的方法。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种垃圾气化炉内三级催化剂系统及催化裂解焦油的方法，该垃圾气化炉内的三级催化系统包括顶部设有出气口、底部设有灰渣出口的气化炉，气化炉内部设有上端与气化炉炉顶固接、两侧与气化炉侧壁固接的隔板，位于隔板左侧的气化炉侧壁上设置有凸台、凸台上安装有震打装置，隔板上还安装有用于对垃圾燃烧后生成的气化合成气和灰渣进行除尘过滤、降低合成气体流速以使合成气体中大粒径飞灰沉降到上面的网板，震打装置底部靠近网板的左端，在网板处堆积的灰渣以及沉降的大颗粒飞灰下滑至震打装置附近然后掉入灰渣出口；气化炉位于隔板右侧的部分包括对合成气体中剩余部分颗粒细小飞灰进行进一步沉降的沉降室，位于沉降室上方同时其内部自下至上依次设置有一级催化剂床层、二级催化剂床层和三级催化剂床层的催化裂解室。

进一步的，气化炉底部还安装有与灰渣出口相连并将收集到的灰渣排出炉外的星型卸料器。

进一步的，一级催化剂床层、二级催化剂床层、三级催化剂床层呈平行设置且其两侧分别与隔板与气化炉侧壁固接。

进一步的，一级催化剂床层填充的一级催化剂为白云石，二级催化剂床层内填充的二级催化剂采用活化生物质炭，三级催化剂床层内填充的三级催化剂采用镍负载白云石。

一种垃圾气化炉内三级催化剂系统催化裂解焦油的方法包括以下步骤：

1)将生活垃圾加入气化炉内，经人工点火后，在隔绝空气气氛下发生热解气化反应，反应后生活垃圾转化为灰渣、气化合成气；

2)灰渣在网板1处堆积下滑至震打装置附近然后掉入灰渣出口中并通过星型卸料器排出，气化合成气中粒径较大的飞灰沉降到网板上并随灰渣一起排出。

3)气化合成气经网板降速后，进入沉降室继续减速并沉降剩余飞灰，随后进入一级催化剂床层、二级催化剂床层和三级催化剂床层，分别进行一级、二级和三级催化裂解反应，生成燃气；

4)生成的燃气通过出气口排出。

借由上述技术方案，本发明的优点是：本发明的三级催化裂解系统能够使焦油转化为小分子燃气，可用于内燃气、汽轮机发电，促进生活垃圾气化发电工业化应用；本发明所提供的焦油催化方法成本低，效果好，可以推广用于工业生产。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本实施例中一种垃圾气化炉内三级催化剂系统的结构示意图。

【附图标记】

1-网板，2-灰渣出口，3-星型卸料器，4-沉降室，5-一级催化剂床层，6-二级催化剂床层，7-三级催化剂床层，8-出气口，9-隔板，10-气化炉，11-震打装置，12-气流。

具体实施方式

下述实施例是结合附图1对本发明作进一步详细的说明，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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的简化描述，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，但不构成对本发明的限定。

本发明的目的是提供一种垃圾气化炉内三级催化剂系统及催化裂解焦油的方法，该垃圾气化炉内三级催化剂系统包括气化炉10以及设置在气化炉10内部的隔板9，隔板9呈竖直状态且其上端与气化炉10的炉顶固接、两侧与气化炉10侧壁固接；气化炉10顶部开设有供最后生成的燃气排出炉外的出气口8，其底部设有灰渣出口2和位于灰渣出口2下方、用于将灰渣出口2收集的灰渣排出炉外的星型卸料器3；气化炉10位于隔板9左侧的侧壁上安装有一个凸台，凸台下端安装有震打装置11，凸台与隔板9之间为供垃圾燃烧后生成的气化合成气及灰渣等进入的进气空间；隔板9上还固接有呈倾斜状态设置的网板1，震打装置11的底端靠近网板1的最左端，网板1能够对从气化炉10内垃圾热解生成的气化合成气和灰渣等进行除尘过滤，灰渣在网板1处堆积并下滑至震打装置11附近然后掉入灰渣出口2，气化合成气通过网板1，网板1将气化合成气流速降低至0.1m/s，使气化合成气中粒径较大的飞灰沉降到网板1上并随灰渣一起排出，灰渣和飞灰沉降进入灰渣出口2并通过星型卸料器3排出炉外；同时，随着气化炉10的旋转，震打装置11能够对网板1进行规律的上下振打，避免灰渣和飞灰堵塞网板1；气化炉10位于隔板9右侧的部分包括沉降室4和位于沉降室4上方的催化裂解室，催化裂解室内由下至上分别设有一级催化剂床层5、二级催化剂床层6、三级催化剂床层7，这三级的催化剂床层呈水平设置且左右两端分别与隔板9与气化炉10侧壁固接；通过网板1的低流速气化合成气进入沉降室4，进一步沉降剩余部分颗粒细小的飞灰，避免飞灰堵塞催化剂孔道，净化后的气流分别依次通过一级催化剂床层5、二级催化剂床层6、三级催化剂床层7，因为气化炉10为负压状态，气化合成气经三级催化后由三级催化剂床层7顶部的出气口8排出炉外并进行收集。

一级催化剂床层5内的一级催化剂为白云石，活化后的白云石可有效催化裂解低分子焦油，还可吸收H₂S、HCl等气体，有效避免了第三级催化剂床层7中镍负载白云石催化剂失活。一级催化剂活性白云石制备方法为：将白云石破碎后置于煅烧炉中隔绝空气于1000℃煅烧3h，制得活性白云石催化剂。

二级催化剂床层6内的二级催化剂采用活化生物质炭，活化生物质炭由秸秆、锯末等制成，原料廉价易得、具有较大的比表面积和孔隙结构，更有利于活化和负载，有更大的容碳能力，延长催化剂的使用寿命，活化生物质炭表面含有大量的含氧官能团，易形成酸中心与负电的芳香烃环结构结合，有利于焦油的裂解还可有效的催化裂解多环烃(萘)等高分子焦油，与一级催化剂白云石形成互补，且更不容易失活。二级催化剂活化生物质半焦制备方法为：将玉米芯破碎分选粒径在0.4～1mm之间的颗粒，于105℃干燥3h。将干燥后的玉米芯颗粒置于反应炉中，在氮气气氛下于700℃煅烧30min制得生物质炭，然后向反应炉中通入水蒸汽活化，活化时间为60min制得活化生物质炭。

三级催化剂床层7内的三级催化剂采用镍负载白云石，催化效果好，可有效的促进焦油的深度裂解，提高了燃气品质，前两级催化剂裂解了大部分焦油，作为三级催化剂，对前两级催化剂予以补充，可有效地延长本身的使用寿命，降低催化剂因酸性气体和积碳失活，降低使用成本。三级催化剂镍负载白云石制备方法为：将一定量的Ni(NO₃)₂·6H₂O溶解于超纯水中，充分溶解后，将一级催化剂煅烧后的白云石置于溶液中，超声震荡12h，室温搅拌12h，然后置于105℃干燥箱中干燥3h，置于马弗炉中空气气氛下，600℃煅烧6h，破碎后，筛分取30～60目，再在管式炉中，氮气气氛下，于600℃还原2h，制得白云石负载镍催化剂，其中，镍负载量为5％。

另外，本发明所述催化全过程有水蒸汽参与，进气化系统为水蒸汽和气化合成气的混气体，其中气化合成其中的大分子气体冷却后即为焦油。水蒸汽可以与积碳、气化合成气大分子组分发生反应，对气化合成气重整生成H₂、CO，提高催化效率，减少积碳，延长催化剂的使用寿命；还有催化系统位于垃圾气化炉内部，气化合成气温度为800℃，满足催化裂解要求，不需要外加热源，节省了能耗；进催化系统前，气化合成气经网板1、沉降室4分别出去大颗粒粉尘和小颗粒飞灰，净化了气化合成气，避免了粉尘和飞灰堵塞催化剂；各级催化系统功能互补，提高了催化效率和催化剂稳定性；气化合成气在水蒸汽的气氛下，沉降大部分飞灰后，入装有活性白云石的一级催化剂床层5，催化裂解大部分轻质焦油，吸收H₂S、HCl等气体；进装有活化生物质炭的二级催化剂床层6，催化裂解部分轻质焦油和重质焦油，减少后级催化剂结焦；进装有镍基白云石的三级催化剂床层7，催化裂解剩余小部分重质焦油和很少量轻质焦油，并对焦油进行深度裂解，提高燃气中甲烷、氢气、一氧化碳的比例，提高燃气品质。

一种垃圾气化炉内焦油的裂解方法包括以下步骤：

1)将生活垃圾加入气化炉内10，经人工点火后，在隔绝空气气氛下发生热解气化反应，反应后生活垃圾转化为灰渣、气化合成气；

2)灰渣在网板1处堆积下滑至震打装置11附近然后掉入灰渣出口2中并通过星型卸料器3排出，气化合成气中粒径较大的飞灰沉降到网板1上并随灰渣一起排出。

3)气化合成气经网板1降速后，进入沉降室4继续减速并沉降剩余飞灰，随后进入一级催化剂床层5、二级催化剂床层6和三级催化剂床层7，分别进行一级、二级和三级催化裂解反应，生成燃气；

4)生成的燃气通过出气口8排出。

实施例1：

测得在垃圾气化炉进气口气化合成气中焦油含量为6.4g/Nm³，经过本发明的收尘系统、三级催化系统后，所得燃气中焦油含量为10mg/g/Nm³，焦油裂解率高达99.8％，满足国家标准要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种垃圾气化炉内三级催化剂系统，其特征在于：包括顶部设有出气口、底部设有灰渣出口的气化炉，气化炉内部设有上端与气化炉炉顶固接、两侧与气化炉侧壁固接的隔板，位于隔板左侧的气化炉侧壁上设置有凸台、凸台上安装有震打装置，隔板上还安装有用于对垃圾燃烧后生成的气化合成气和灰渣进行除尘过滤、降低合成气体流速以使合成气体中大粒径飞灰沉降到上面的网板，震打装置底部靠近网板的左端，在网板处堆积的灰渣以及沉降的大颗粒飞灰下滑至震打装置附近然后掉入灰渣出口；气化炉位于隔板右侧的部分包括对合成气体中剩余部分颗粒细小飞灰进行进一步沉降的沉降室，位于沉降室上方同时其内部自下至上依次设置有一级催化剂床层、二级催化剂床层和三级催化剂床层的催化裂解室。

2.根据权利要求1所述的一种垃圾气化炉内三级催化剂系统，其特征在于：气化炉底部还安装有与灰渣出口相连通并将收集到的灰渣排出炉外的星型卸料器。

3.根据权利要求1所述的一种垃圾气化炉内三级催化剂系统，其特征在于：一级催化剂床层、二级催化剂床层、三级催化剂床层呈平行设置且其两侧分别与隔板与气化炉侧壁固接。

4.根据权利要求3所述的一种垃圾气化炉内三级催化剂系统，其特征在于：一级催化剂床层填充的一级催化剂为白云石，二级催化剂床层内填充的二级催化剂采用活化生物质炭，三级催化剂床层内填充的三级催化剂采用镍负载白云石。

5.一种垃圾气化炉内三级催化剂系统催化裂解焦油的方法，其特征在于：焦油的裂解方法包括以下步骤：

1)将生活垃圾加入气化炉内，经人工点火后，在隔绝空气气氛下发生热解气化反应，反应后生活垃圾转化为灰渣、气化合成气；

2)灰渣在网板1处堆积下滑至震打装置附近然后掉入灰渣出口中并通过星型卸料器排出，气化合成气中粒径较大的飞灰沉降到网板上并随灰渣一起排出。

3)气化合成气经网板降速后，进入沉降室继续减速并沉降剩余飞灰，随后进入一级催化剂床层、二级催化剂床层和三级催化剂床层，分别进行一级、二级和三级催化裂解反应，生成燃气；

4)生成的燃气通过出气口排出。

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