CN113307226A - 一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置及方法 - Google Patents

一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置及方法，所述装置包括：水换热器；水加热器，水加热器的入口与水换热器的冷流出口相连通；部分氧化混合反应器，部分氧化混合反应器的水入口与水加热器的出口相连通；催化反应器，催化反应器的入口与部分氧化混合反应器的反应物出口相连通；冷却换热器，冷却换热器的热流入口与催化反应器的出口相连通；冷却换热器的冷流出口与水换热器的热流入口相连通；气液分离器，气液分离器的入口与冷却换热器的热流出口相连通。本发明提供的技术方案，能够减轻重整过程中积碳，可利用生物质焦油产出富氢可燃气体，可提高气化效率。

Description

一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置及方法
技术领域
本发明属于生物质资源利用技术领域，涉及生物质焦油转化的装置及方法领域，特别涉及一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置及方法。
背景技术
生物质气化是一种生物质清洁利用的重要途径，气化制得的合成气可直接燃烧利用，也可以作为生产化工产品的原料。然而，生物质在气化过程中产生的焦油会影响气化效率，且焦油在气化过程中容易堵塞管道影响设备的运行安全；焦油本身成分非常复杂，其产业化转化的成本较高且工序复杂。
利用水汽重整技术处理焦油制备富氢可燃气体是一种简单有效的处理生物质焦油的方法，水汽重整焦油可以提高生物质气化的产率，同时有效利用焦油这种难以处理的副产物，有助于实现生物质的高效气化利用；然而，水汽重整处理方法中存在的缺陷是，反应过程中容易在容器内积碳进而导致催化剂失活，增大工艺成本，同时也严重影响效率。
综上，亟需一种新的防积碳的生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，能够减轻重整过程中积碳，可利用生物质焦油产出富氢可燃气体，可提高气化效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置，包括：
水换热器；
水加热器，所述水加热器的入口与所述水换热器的冷流出口相连通；
部分氧化混合反应器，所述部分氧化混合反应器设置有水入口、空气入口、生物质焦油入口和反应物出口，所述部分氧化混合反应器的水入口与所述水加热器的出口相连通；
催化反应器，所述催化反应器的入口与所述部分氧化混合反应器的反应物出口相连通；
冷却换热器，所述冷却换热器的热流入口与所述催化反应器的出口相连通；所述冷却换热器的冷流出口与所述水换热器的热流入口相连通；
气液分离器，所述气液分离器设置有入口、气相出口和液相出口；所述气液分离器的入口与所述冷却换热器的热流出口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：空压机，所述空压机的入口用于通入空气，所述空压机的出口与所述部分氧化混合反应器的空气入口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：水泵，所述水泵的入口用于通入水，所述水泵的出口与所述水换热器的冷流入口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：焦油泵，所述焦油泵的入口用于通入生物质焦油，所述焦油泵的出口与所述部分氧化混合反应器的生物质焦油入口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：冷却水泵，所述冷却水泵的入口用于通入冷却水，所述冷却水泵的出口与所述冷却换热器的冷流入口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：背压装置，所述背压装置设置于所述冷却换热器的热流出口与所述气液分离器的入口之间。
本发明的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的方法，基于本发明上述的装置，包括以下步骤：
将通过水换热器预热、水加热器加热后的水输入部分氧化混合反应器，将生物质焦油和空气输入部分氧化混合反应器；
水、生物质焦油和空气在部分氧化混合反应器混合、初步水热反应，获得初步水热反应产物；其中，通过空气消耗掉生物质焦油在部分氧化混合反应器内升温过程中生成的碳量；
将初步水热反应物送入催化反应器中进行充分催化反应，催化反应产物在冷却换热器中与冷却水充分换热后在气液分离器中分离出产物合成气与反应残余液体，所述合成气为富氢可燃气；
其中，换热后的冷却水用于在水换热器中对水进行预热。
本发明的进一步改进在于，所述水加热器加热后的水的温度为500℃～600℃。
本发明的进一步改进在于，所述部分氧化混合反应器内的温度范围为300℃～500℃。
本发明的进一步改进在于，所述催化反应器内的温度为300～600℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在反应物料中混合加入少量空气，可消耗生物质焦油在水汽重整制富氢燃气的过程产生的积碳，能够提高催化剂的催化效率与催化剂寿命，降低水汽重整的成本和效率。本发明利用反应产物预热与消耗积碳产热来降低对加热能源的需求量，可以使整体系统实现一个较高的热效率。
本发明公开了一种防积炭的生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气方法，该方法利用在催化反应的过程中通入少量氧气对水汽重整过程中产生的积碳进行消耗防止催化剂失活，同时利用一个冷却水的循环充分利用催化反应产生的热能提高系统的整体效率，实现高效低积碳生成的生物焦油重整产富氢可燃气。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种防积炭的生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气装置的结构示意图；
图1中，1、空压机；2、水泵；3、焦油泵；4、水换热器；5、水加热器；6、部分氧化混合反应器；7、催化反应器；8、冷却换热器；9、冷却水泵；10、气液分离器；11、背压装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种防积炭的生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气装置，包括：焦油泵3、水泵2、空压机1、水换热器4、水加热器5、部分氧化混合反应器6、催化反应器7、冷却换热器8、冷却水泵9、背压装置11和气液分离器10。
本发明实施例的装置中，水通过所述水泵推动依次进入所述水换热器4、水加热器5和部分氧化混合反应器6；优选的，在所述水泵2和所述水换热器4之间设有流量控制阀门。生物质焦油、空气分别通过所述焦油泵3、空压机1送入所述部分氧化混合反应器6；优选的，在所述焦油泵3、所述空压机1与所述部分氧化混合反应器6之间的管道上分别设有流量控制阀门。部分氧化混合反应器6的反应产物在流出所述部分氧化混合反应器6后依次通过催化反应器7、冷却换热器8、背压装置11和气液分离器10，在所述气液分离器10中分离得到合成气和反应残余物质。
优选的，所述部分氧化混合反应器6、所述催化反应器7和所述冷却换热器8之间有阀门控制系统内的物质的流动。冷却水在冷却换热器8中吸收所述催化反应器7中产出的反应产物的热量后进入所述水换热器4中加热从所述水泵2中泵出的水，冷却水在流出所述水换热器4后被所述冷却水泵9泵入所述冷却换热器8中完成循环，其中在冷却水泵9前方设有冷却水的补给入口。
本发明实施例的装置，通过在反应物料中混合加入少量空气，可消耗生物质焦油在水汽重整制富氢燃气的过程产生的积碳，能够提高催化剂的催化效率与催化剂寿命，降低水汽重整的成本和效率。本发明利用反应产物预热与消耗积碳产热来降低对加热能源的需求量，可以使整体系统实现一个较高的热效率。
本发明实施例的一种防积碳的生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置进行防积碳的生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气方法，在催化重整过程中，升温过程生成的积碳量较高，在催化重整初步的升温过程中适量通入空气将重整过程中生成的积碳消耗掉，降低催化剂的失活速度，也即通过在部分氧化混合反应器中通入氧气，使得积碳和氧气反应，消耗掉积碳，使得积碳不会在催化剂表面累积，造成催化剂失活。
本发明实施例方法具体包括以下步骤：
步骤一，将水泵入换热设备中，利用冷却水的预热和加热器提供的热量将水加热到反应所需的水温和压力(可选的，水热处理常见压力13～19Mpa)，水在经过换热装置的过程中达到指定工况后进入部分氧化混合反应器中，同时利用焦油泵和空压机将生物质焦油和少量空气送入部分氧化混合反应器中与水进行混合,使得反应物在部分氧化混合反应器中进行升温的过程中利用空气消耗掉生成的碳量。反应物指的是生物质焦油，初步反应指的是焦油在反应器中与水充分混合并升温到反应温度的过程，此过程中焦油已经开始水热反应，但是在反应器中停留时间短，因此称为进行初步反应。消耗是在反应釜中将空气和焦油与水充分混合，由于焦油的水热反应在升温阶段产生积碳最多，因此在混合反应器中通过充分混合空气于焦油与水之中，在较高的温度下，空气会和产生的积碳进行反应，并且提供热量，让焦油与水的混合物达到下一反应器要求的反应温度。
步骤二，水、焦油、空气在部分氧化混合反应其中充分混合并初步反应后送入催化反应器中进行充分催化反应，反应产物在冷却换热器中充分换热后在气液分离器中分离出产物合成气与反应残余液体。本发明实施例中，在高温高压的水环境中，焦油会发生水解和热解反应，热解反应会促进焦油中长链的大质量有机分子断裂为小分子有机物，水解会促进有机分子中的氧原子脱离，提高有机物的氢元素含量，催化是利用催化剂降低反应的活化能，推进反应平衡向产生更多小分子的方向前进。
本发明实施例中，所述部分氧化混合反应器内的温度在300～500℃；所述催化反应器内的温度在300～600℃。
本发明实施例的一种防积碳的生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的方法，该方法包括如下步骤：
(1)用水泵将水泵入由水换热器和加热器组成的加热装置中，将水加热到500℃～600℃；
(2)将水、焦油和少量空气通入部分氧化混合反应器进行充分混合和初步反应；
(3)反应原料在部分氧化混合反应器充分混合和初步反应后进入催化反应器中进行充分催化反应；
(4)催化反应产物流出催化反应器后进入冷却换热器加热冷却循环水后，通过背压装置进入气液分离器分离得到产物。
综上，本发明实施例公开了一种防积炭的生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气方法，该方法利用在催化反应的过程中通入少量氧气对水汽重整过程中产生的积碳进行消耗防止催化剂失活，同时利用一个冷却水的循环充分利用催化反应产生的热能提高系统的整体效率，实现高效低积碳生成的生物焦油重整产富氢可燃气的工艺流程。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置，其特征在于，包括：
水换热器(4)；
水加热器(5)，所述水加热器(5)的入口与所述水换热器(4)的冷流出口相连通；
部分氧化混合反应器(6)，所述部分氧化混合反应器(6)设置有水入口、空气入口、生物质焦油入口和反应物出口，所述部分氧化混合反应器(6)的水入口与所述水加热器(5)的出口相连通；
催化反应器(7)，所述催化反应器(7)的入口与所述部分氧化混合反应器(6)的反应物出口相连通；
冷却换热器(8)，所述冷却换热器(8)的热流入口与所述催化反应器(7)的出口相连通；所述冷却换热器(8)的冷流出口与所述水换热器(4)的热流入口相连通；
气液分离器(10)，所述气液分离器(10)设置有入口、气相出口和液相出口；所述气液分离器(10)的入口与所述冷却换热器(8)的热流出口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置，其特征在于，还包括：
空压机(1)，所述空压机(1)的入口用于通入空气，所述空压机(1)的出口与所述部分氧化混合反应器(6)的空气入口相连通。
3.根据权利要求1所述的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置，其特征在于，还包括：
水泵(2)，所述水泵(2)的入口用于通入水，所述水泵(2)的出口与所述水换热器(4)的冷流入口相连通。
4.根据权利要求1所述的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置，其特征在于，还包括：
焦油泵(3)，所述焦油泵(3)的入口用于通入生物质焦油，所述焦油泵(3)的出口与所述部分氧化混合反应器(6)的生物质焦油入口相连通。
5.根据权利要求1所述的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置，其特征在于，还包括：
冷却水泵(9)，所述冷却水泵(9)的入口用于通入冷却水，所述冷却水泵(9)的出口与所述冷却换热器(8)的冷流入口相连通。
6.根据权利要求1所述的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的装置，其特征在于，还包括：
背压装置(11)，所述背压装置(11)设置于所述冷却换热器(8)的热流出口与所述气液分离器(10)的入口之间。
7.一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的装置，包括以下步骤：
将通过水换热器(4)预热、水加热器(5)加热后的水输入部分氧化混合反应器(6)，将生物质焦油和空气输入部分氧化混合反应器(6)；
水、生物质焦油和空气在部分氧化混合反应器(6)混合、初步水热反应，获得初步水热反应产物；其中，通过空气消耗掉生物质焦油在部分氧化混合反应器(6)内升温过程中生成的碳量；
将初步水热反应物送入催化反应器(7)中进行充分催化反应，催化反应产物在冷却换热器(8)中与冷却水充分换热后在气液分离器(10)中分离出产物合成气与反应残余液体，所述合成气为富氢可燃气；
其中，换热后的冷却水用于在水换热器(4)中对水进行预热。
8.根据权利要求7所述的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的方法，其特征在于，所述水加热器(5)加热后的水的温度为500℃～600℃。
9.根据权利要求7所述的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的方法，其特征在于，所述部分氧化混合反应器(6)内的温度范围为300℃～500℃。
10.根据权利要求7所述的一种生物质焦油水汽重整制备富氢可燃气的方法，其特征在于，所述催化反应器(7)内的温度为300～600℃。
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