CN111690428B - 木质素催化裂解装置及其催化裂解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木质素催化裂解装置及其催化裂解方法，包括进料装置、热气进口、热气仓、热解腔、导热隔板、脱碳腔和催化裂解腔，所述进料装置与热解腔的下部相连，热气进口与热气仓一端相连，热气仓位于热解腔底部，热气仓另一端与热解腔底部相连，热解腔与催化裂解腔通过导热隔板相连，热解腔上部的热解气出气口与脱碳腔相连，脱碳腔上部的脱碳气出气口与催化裂解腔的下部相连，所述催化裂解腔的上部设有催化气出气口和上盖板。本发明实现了热解、脱碳、催化一体化，合理的使用了热量，杜绝了气体流动过程中的结焦问题，通过独特的催化裂解腔有效控制了催化剂的温度以及催化剂的积碳失效，保证了木质素高效、稳定催化裂解。

Description

木质素催化裂解装置及其催化裂解方法

技术领域

本发明属于生物质能源和林产化工领域，具体是一种木质素催化裂解装置及其催化裂解方法。

背景技术

木质素在木质纤维素生物质中的含量居于第二位，木质素衍生的生物质油或者化学品可以大大提高整个生物质精炼过程的经济性，由于木质素具有的独特结构和丰富芳香族单元含量，一直被认为是生产生物质芳香族化合物的潜在原料。

目前，木质素在各种催化剂的催化作用下热解产生高品质化学品的技术已在生物质材料技术领域内逐渐起步，并成了国内外研究的热点。木质素通过热解产生生物质油，然后通过催化裂化制得高品质化学品。国内外的许多学者致力于产物的产率、高选择性以及催化剂持久性的研究。催化剂针对某一类或者某一种化学品的高产率、高选择性已经取了很多研究成果，比如，木质素在负载La₂O₃的HZSM-5催化剂作用下在450℃可以定向制备高产率、高选择性的对二甲苯。催化剂持久性的研究主要是催化剂的积碳影响催化效果，使得催化效果下降，许多学者研究在催化过程添加甲醇等助剂有助于降低积碳，但是在现实生产中，增加助剂，不仅成本高，而且工艺装置实现有困难。现有催化裂解装置是分步实现，先热解后催化，其中热量利用、油的降温变质直接影响着生产成本以及催化效果。因此，热解、脱碳、催化一体化装置，在不增加成本，不改工艺的基础上，保证催化剂持续、稳定效果是对于木质素热解催化制备化学品的重要需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种木质素催化裂解装置及其催化裂解方法，本木质素催化裂解装置及其催化裂解方法实现了热解、脱碳、催化一体化，合理的使用了热量，有效杜绝了气体流动过程中的结焦问题，同时通过独特的催化裂解腔有效控制了催化剂的温度以及催化剂的积碳失效，保证了木质素高效、稳定催化裂解。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种木质素催化裂解装置，包括进料装置、热气进口、热气仓、热解腔、导热隔板、脱碳腔和催化裂解腔，所述进料装置与热解腔的下部相连，热气进口与热气仓一端相连，热气仓位于热解腔底部，热气仓另一端与热解腔底部相连，热解腔与催化裂解腔通过导热隔板相连，热解腔上部的热解气出气口与脱碳腔相连，脱碳腔上部的脱碳气出气口与催化裂解腔的下部相连，所述催化裂解腔的上部设有催化气出气口和上盖板。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述进料装置包括进料斗和螺旋进料器，所述进料斗与螺旋进料器相连，所述螺旋进料器与热解腔的下部相连。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述热解腔的底部与热气仓相连的部分布置有锥形布气器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述布气器的锥角为45度至60度，锥面布满孔，孔直径为5mm，相邻孔之间的间距为8 mm。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述热解腔的腔体内壁布置有耐火砖。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述催化裂解腔内设有催化填充管、导热油腔和搅拌装置；所述导热油腔位于催化裂解腔的中部，所述导热油腔的下部设有进油口，上部设有出油口；所述催化填充管位于导热油腔内侧，所述催化填充管的底部为催化剂托板，所述搅拌装置的搅拌叶片位于催化填充管的内部，所述搅拌装置上设有填充管盖板且填充管盖板盖合在催化填充管的顶部开口处，所述催化剂托板的表面和填充管盖板的表面均设有若干个气孔，所述催化裂解腔的顶部与上盖板密封连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述搅拌装置包括电机、减速机、主轴、填充管盖板和搅拌叶片，所述电机通过减速机与主轴连接，所述主轴的中部固定连接有填充管盖板，所述主轴的中下部固定连接有搅拌叶片，所述搅拌叶片埋于催化填充管内的催化剂中；所述电机和减速机位于催化裂解腔的外部，所述主轴位于催化裂解腔的内部，所述上盖板上设有用于使搅拌装置穿出的预留孔，所述搅拌装置与预留孔的连接位置密封设置。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述催化裂解腔内设有热电偶，所述热电偶用于测量导热油腔内流动的导热油的温度。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述脱碳腔的中部设有细粉分离部件，所述脱碳腔底部的脱碳口与螺旋出炭器相连，所述螺旋出炭器与星型关风机相连。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：

一种木质素催化裂解装置的催化裂解方法，包括：

外界高温热风依次从热气进口、热气仓和布气器进入热解腔内；

同时，木质素通过进料装置送入热解腔内，在热解腔内发生热解反应，热解产生混合气体通过热解气出气口进入脱碳腔内脱碳；

脱碳后的混合气体通过脱碳气出气口被送入带有催化剂的催化裂解腔内定向催化，定期开动搅拌装置，并通过向导热油腔的进油口输送导热油来提升催化剂的温度，清理积碳；

脱碳腔的细粉分离部件脱碳后产生的高品质的炭通过螺旋出炭器与星型关风机送出。

本发明的有益效果为：

（1）本装置木质素热解、脱碳、催化一体化，保证了木质素热解产生的热解气不经冷却，一步脱碳、催化，实现节能的同时保证催化效果，还得到高品质炭。

（2）在不增加成本，不改工艺的基础上，采用独特的催化裂解腔，即内部布置有有催化填充管、导热油腔和搅拌装置，有效控制了催化剂的温度以及催化剂的积碳失效的问题，保证了木质素高效、稳定催化裂解。

（3）本装置在实现木质素催化裂解的同时，还得到高品质炭。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明布气器的结构示意图。

图3为本发明催化裂解腔的结构示意图。

图4为图3的A-A截面图。

图5为本发明搅拌装置的结构示意图。

图6为本发明填充管盖板的结构示意图。

图7为本发明催化剂托板的结构示意图。

图中：

1、进料斗；2、螺旋进料器；3、热气进口；4、热气仓；5、布气器；6、热解腔；7、导热隔板；8、脱碳腔；8-1、细粉分离部件；8-2、螺旋出炭器；8-3、星型关风机；9、热解气出气口；10、脱碳气出气口；11、催化裂解腔；11-1、搅拌装置；11-1-1、减速机；11-1-2、主轴；11-1-3、填充管盖板；11-1-4、搅拌叶片；11-2、热电偶；11-3、催化剂；11-4、催化填充管；11-5、导热油腔；11-6、催化剂托板；12、上盖板；13、催化气出气口。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

如图1所示，一种木质素催化裂解装置，包括进料装置、热气进口3、热气仓4、热解腔6、导热隔板7、脱碳腔8和催化裂解腔11，所述进料装置与热解腔6的下部相连，热气进口3与热气仓4一端相连，热气仓4位于热解腔6底部，热气仓4另一端与热解腔6底部相连，热解腔6与催化裂解腔11通过导热隔板7相连，热解腔6上部的热解气出气口9与脱碳腔8相连，脱碳腔8上部的脱碳气出气口10与催化裂解腔11的下部相连，所述催化裂解腔11的上部设有催化气出气口13和上盖板12。以此实现热解、脱碳、催化一体化，得到高品质化学品。

本实施例中，如图1所示，所述进料装置包括进料斗1和螺旋进料器2，所述进料斗1与螺旋进料器2相连，所述螺旋进料器2与热解腔6的下部相连。

本实施例中，如图1所示，所述热解腔6的底部与热气仓4相连的部分布置有锥形布气器5。如图2所示，布气器5的锥角为45度至60度，锥面布满孔，孔直径为5mm，相邻孔之间的间距为8 mm。

本实施例中，所述热解腔6的腔体内壁布置有耐火砖。

本实施例中，如图3和图4所示，所述催化裂解腔11内设有催化填充管11-4、导热油腔11-5和搅拌装置11-1；所述导热油腔11-5位于催化裂解腔11的中部，所述导热油腔11-5的下部设有进油口，上部设有出油口；所述催化填充管11-4位于导热油腔11-5内侧，所述催化填充管11-4的底部为催化剂托板11-6，所述搅拌装置11-1的搅拌叶片11-1-4位于催化填充管11-4的内部，所述搅拌装置11-1上设有填充管盖板11-1-3且填充管盖板11-1-3盖合在催化填充管11-4的顶部开口处（即与催化填充管11-4的顶部相平）；如图6和图7所示，所述催化剂托板11-6的表面和填充管盖板11-1-3的表面均设有若干个气孔（催化剂托板11-6上打孔大小保证催化剂11-3不漏，打孔率60%以上），所述催化裂解腔11的顶部与上盖板12密封连接。

本实施例中，如图5所示，所述搅拌装置11-1包括电机、减速机11-1-1、主轴11-1-2、填充管盖板11-1-3和搅拌叶片11-1-4，所述电机通过减速机11-1-1与主轴11-1-2连接，所述主轴11-1-2的中部固定连接有填充管盖板11-1-3，所述主轴11-1-2的中下部固定连接有搅拌叶片11-1-4，所述搅拌叶片11-1-4埋于催化填充管11-4内的催化剂11-3中；所述电机和减速机11-1-1位于催化裂解腔11的外部，所述主轴11-1-2位于催化裂解腔11的内部，所述上盖板12上设有用于使搅拌装置11-1穿出的预留孔，所述搅拌装置11-1与预留孔的连接位置密封设置。本实施例的搅拌装置11-1用于在高温条件，通过搅拌催化剂11-3清除积碳。

本实施例中，所述催化裂解腔11内设有热电偶11-2，所述热电偶11-2用于测量导热油腔11-5内流动的导热油的温度。

本实施例中，所述脱碳腔8的中部设有细粉分离部件8-1，所述脱碳腔8底部的脱碳口与螺旋出炭器8-2相连，所述螺旋出炭器8-2与星型关风机8-3相连，实现气体中碳粉的高效分离并密闭排出。

本实施例的催化裂解腔11由除积碳的搅拌装置11-1、热电偶11-2、催化填充管11-4、催化剂11-3、导热油腔11-5以及催化剂托板11-6等组成。通过导热油腔11-5内流动的导热油并观察热电偶11-2采集的温度可精确控制催化剂11-3的温度以满足催化剂11-3的催化温度，实现催化裂解；除积碳的搅拌装置11-1上设有填充管盖板11-1-3，防止催化剂在鼓风的作用下被吹出催化剂腔室外；定期提高催化剂腔体温度，开动搅动装置实现清除催化剂11-3积碳，保证催化剂11-3持续、稳定的催化作用。

本实施例还提供一种木质素催化裂解装置的催化裂解方法，包括：

外界高温热风依次从热气进口3、热气仓4和布气器5进入热解腔6内；

同时，木质素通过进料装置送入热解腔6内，在热解腔6内发生热解反应，热解产生混合气体通过热解气出气口9进入脱碳腔8内脱碳；

脱碳后的混合气体通过脱碳气出气口10被送入带有催化剂的催化裂解腔11内定向催化，定期开动搅拌装置11-1，并通过向导热油腔11-5的进油口输送导热油来提升催化剂的温度，清理积碳；

脱碳腔8的细粉分离部件8-1脱碳后产生的高品质的炭通过螺旋出炭器8-2与星型关风机8-3送出。

本装置工作过程实例：

杏壳木质素从进料斗1的加料口加入，通过螺旋进料器2送入炉膛（即热解腔6）的同时，从装置下部的鼓入650℃的高温热风（热风可来自本装置裂解后产生的不凝性的气体经过导热油炉燃烧产生的高温烟气），高温热风通过热气仓4、布气器5，带动木质素分散在热解腔6无氧快速热解，热解后产生炭气混合气体，送入脱碳腔8，脱除炭后的高温烟气通过脱碳气出气口10被引入催化裂解腔11，裂解在通过热解腔6的导热隔板7初步预热，在催化裂解腔11的催化填充管11-4中填入HZSM-5催化剂，同时通过导热油腔11-5内流动的导热油加热（导热油的热量来自于导热油炉加热产生）至催化剂的最佳温度，混合气体通过催化剂催化后产生高品质化学品和不凝性可燃气的混合，通过分离可以得到高品质化学品和不凝性可燃气。运行过程中，定期，适当提高催化剂温度并缓慢搅拌搅拌装置11-1清除积碳。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种木质素催化裂解装置，其特征在于：包括进料装置、热气进口、热气仓、热解腔、导热隔板、脱碳腔和催化裂解腔，所述进料装置与热解腔的下部相连，热气进口与热气仓一端相连，热气仓位于热解腔底部，热气仓另一端与热解腔底部相连，热解腔与催化裂解腔通过导热隔板相连，热解腔上部的热解气出气口与脱碳腔相连，脱碳腔上部的脱碳气出气口与催化裂解腔的下部相连，所述催化裂解腔的上部设有催化气出气口和上盖板；

所述催化裂解腔内设有催化填充管、导热油腔和搅拌装置；所述导热油腔位于催化裂解腔的中部，所述导热油腔的下部设有进油口，上部设有出油口；所述催化填充管位于导热油腔内侧，所述催化填充管的底部为催化剂托板，所述搅拌装置的搅拌叶片位于催化填充管的内部，所述搅拌装置上设有填充管盖板且填充管盖板盖合在催化填充管的顶部开口处，所述催化剂托板的表面和填充管盖板的表面均设有若干个气孔，所述催化裂解腔的顶部与上盖板密封连接；

所述搅拌装置包括电机、减速机、主轴、填充管盖板和搅拌叶片，所述电机通过减速机与主轴连接，所述主轴的中部固定连接有填充管盖板，所述主轴的中下部固定连接有搅拌叶片，所述搅拌叶片埋于催化填充管内的催化剂中；所述电机和减速机位于催化裂解腔的外部，所述主轴位于催化裂解腔的内部，所述上盖板上设有用于使搅拌装置穿出的预留孔，所述搅拌装置与预留孔的连接位置密封设置；

所述热解腔的底部与热气仓相连的部分布置有锥形布气器；

所述脱碳腔的中部设有细粉分离部件，所述脱碳腔底部的脱碳口与螺旋出炭器相连，所述螺旋出炭器与星型关风机相连。

2.根据权利要求1所述的木质素催化裂解装置，其特征在于：所述进料装置包括进料斗和螺旋进料器，所述进料斗与螺旋进料器相连，所述螺旋进料器与热解腔的下部相连。

3.根据权利要求1所述的木质素催化裂解装置，其特征在于：所述布气器的锥角为45度至60度，锥面布满孔，孔直径为5mm，相邻孔之间的间距为8 mm。

4.根据权利要求1所述的木质素催化裂解装置，其特征在于：所述热解腔的腔体内壁布置有耐火砖。

5.根据权利要求1所述的木质素催化裂解装置，其特征在于：所述催化裂解腔内设有热电偶，所述热电偶用于测量导热油腔内流动的导热油的温度。

6.一种利用权利要求1所述的木质素催化裂解装置的催化裂解方法，其特征在于，包括：

外界高温热风依次从热气进口、热气仓和布气器进入热解腔内；

同时，木质素通过进料装置送入热解腔内，在热解腔内发生热解反应，热解产生混合气体通过热解气出气口进入脱碳腔内脱碳；

脱碳后的混合气体通过脱碳气出气口被送入带有催化剂的催化裂解腔内定向催化，定期开动搅拌装置，并通过向导热油腔的进油口输送导热油来提升催化剂的温度，清理积碳；

脱碳腔的细粉分离部件脱碳后产生的高品质的炭通过螺旋出炭器与星型关风机送出。

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