CN114317025A - 一种焦油热催化裂解装置与催化剂持续气化再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焦油热催化裂解装置与催化剂持续气化再生方法，具体适用于新能源生物质燃气中焦油催化剂积碳再生；属于新能源领域。该装置的催化装置壳体呈纵向放置的筒状罐体结构，催化装置壳体内由上至下依次布置相互通的催化剂再生还原剂生成区、催化剂裂解气化再生区；催化剂再生还原剂生成区的顶端设有燃气入口，催化剂裂解气化再生区设有床篦，并连接填料出口导流管，导流填料至填料出口阀门，催化装置壳体侧壁上设有清洁燃气出口；催化剂再生还原剂生成区的侧壁设有气化气入口；催化剂裂解与气化再生区内填充焦油裂解催化剂与生物质炭。本发明实现热裂解与催化裂解双重作用的同时对催化剂持续气化再生，实现了彻底脱除焦油的目的。

Description

一种焦油热催化裂解装置与催化剂持续气化再生方法

技术领域

本发明涉及一种焦油热催化裂解装置与催化剂持续气化再生方法，具体适用于新能源生物质燃气中焦油脱除催化剂积碳再生；属于新能源领域。

背景技术

作为新能源的生物质能是实现碳中和与碳达峰目标的重要支撑力量之一。生物质气化是生物质能源开发利用的重要方式。生物质气化燃气中富含焦油，若与燃气中的颗粒物粘结成核易造成后续设备的堵塞。目前，生物质气化生产中多采用焦油催化裂解/重整工艺，该工艺具有高焦油转化率、催化温度低以及催化过程可控性高等方面的优势。但长期使用的催化剂要面临表面积碳失活需要再生。

目前常用的焦油裂解催化剂积碳再生方法是在氧气、空气中氧化烧碳法，该方法有两方面重要缺点，一方面，氧化烧炭法很难控制再生反应器内各处均匀升温，温度过低处，积碳不能完全消除干净，甚至导致烧焦装置熄火；温度过高使积碳石墨化甚至出现催化剂烧结、飞温现象。另一方面，由于积碳不易直接燃烧，为提高再生效率，多采用生物质燃气或天然气辅助燃烧的方式产生热量，消耗了能量再生成本提高。

发明内容

本发明这对上述问题提供了一种焦油热催化裂解装置与催化剂持续气化再生方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的焦油热催化裂解装置，包括催化装置壳体、催化剂再生还原剂生成区、催化剂裂解气化再生区，燃气入口，填料出口导流管，填料口，填料出口，清洁燃气出口；所述的催化装置壳体呈纵向放置的筒状罐体结构，催化装置壳体内由上至下依次布置相互通的催化剂再生还原剂生成区、催化剂裂解气化再生区；催化剂再生还原剂生成区的顶端设有燃气入口，催化剂裂解气化再生区的底端与填料出口导流管相连通，催化剂裂解气化再生区与填料出口导流管之间设有床篦，填料出口导流管的底端设有填料出口，床篦下方的催化装置壳体侧壁上设有清洁燃气出口；所述的催化剂裂解与气化再生区内填充焦油裂解催化剂与生物质炭。

本发明所述的焦油热催化裂解装置，所述的催化剂再生还原剂生成区与催化剂裂解气化再生区之间设有与催化剂裂解气化再生区直径相同的空挡区。

本发明所述的焦油热催化裂解装置，所述的催化装置壳体内的上部设有供料区，所述的供料区与催化剂再生还原剂生成区相连通；所述的供料区与催化剂再生还原剂生成区的连通端直径相同；所述的供料区的侧壁设有防爆口。

本发明所述的焦油热催化裂解装置，所述的燃气入口连接防回火器，防回火器连接燃气旋流布风口；所述的燃气旋流布风口布置在催化装置壳体内的供料区内。

本发明所述的焦油热催化裂解装置，所述的填料出口导流管呈倒圆锥形结构，倒圆锥形结构的填料出口导流管的顶部为气料导入端，倒圆锥形结构的填料出口导流管的底部为气料导出端；倒圆锥形结构的填料出口导流管的气料导入端连通至床篦，倒圆锥形结构的填料出口导流管位于床篦的中心部；底端与填料出口阀门连接。

本发明所述的焦油热催化裂解装置，所述的催化剂再生还原剂生成区的侧壁设有气化气入口。

本发明所述的焦油热催化裂解装置，还包括探测口，所述的探测口位于催化剂裂解气化再生区的上部，探测口延伸至催化装置壳体的外侧。

本发明所述的焦油热催化裂解装置的催化剂持续气化再生方法，步骤如下：

步骤一、从催化装置壳体的填料口向催化剂裂解气化再生区内填充焦油裂解催化剂及生物质炭；当填充焦油裂解催化剂及生物质炭填充至探测口处停止填充；

步骤二、通过催化装置壳体燃气入口向催化剂再生还原剂生成区内注入高温生物质燃气，此时通过气化气入口同时向催化剂再生还原剂生成区内注入氧气或空气；高温生物质燃气与氧气或空气中的氧气发生临氧氧化反应产生再生高温二氧化碳，高温二氧化碳是催化剂再生还原剂；

步骤三、高温二氧化碳进入催化剂裂解气化再生区；通过催化剂裂解气化再生区中的焦油裂解催化剂及生物质炭持续的催化裂解焦油反应引起催化剂表面积碳，催化剂表面积碳一旦产生达到一定表面覆盖率时与催化剂再生还原剂发生气化反应，生成气体一氧化碳，达到脱除积碳持续再生的目的；

步骤四、脱除焦油后的燃气由催化装置壳体上的清洁燃气出口排出。

本发明的焦油热催化裂解装置的催化剂持续气化再生方法，所述的步骤二中高温生物质燃气与气化气之间的比例为临氧，当高温生物质燃气进入催化剂再生还原剂生成区与气化混合后，混合物中氧气含量低于2%。

有益效果

本发明提供的一种焦油热催化裂解装置，为热裂解、催化裂解双重脱除焦油作用，同时，催化剂再生还原剂生成区产生的热量提高催化效率，实现了彻底脱除焦油的目的。

本发明提供的一种焦油热催化裂解装置，在催化剂再生还原剂生成区与催化剂裂解气化再生区之间设置空挡区，由于催化剂再生还原剂生成区温度过高，该空挡区防止催化填料与催化剂再生还原剂生成区直接接触导致填料温度过高；导致催化剂烧结；生物质炭消耗过快。

本发明提供的一种焦油热催化裂解装置与及催化剂持续气化再生方法；催化剂再生还原剂生成区热裂解与催化剂裂解与气化再生区的催化裂解双重脱除焦油作用。

本发明提供的一种焦油热催化裂解装置与及催化剂持续气化再生方法；采用催化剂表面积碳、生物质炭与二氧化碳发生气化还原吸热反应，起到了持续再生与持续催化的目的，

本发明提供的一种焦油热催化裂解装置与及催化剂持续气化再生方法；催化装置壳体内由于催化剂再生还原剂生成区产生的热量多则会引起催化剂裂解气化再生区温度的过快升高，利用生物质炭与二氧化碳反应为吸热反应，起到了降温作用，达到同时控制催化剂裂解气化再生区温度恒定的效果。

本发明有效防止了飞温与催化剂烧结彻底失效的现象，另一方面，二氧化碳与积碳和生物质炭发生气化反应吸收了热量。生成一氧化碳，提高了燃气热值。

附图说明

图1是本发明的一种焦油热催化裂解装置示意图。

图2是本发明催化填料区填料示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：一种焦油热催化裂解装置，包括燃气入口1，防回火器2，燃气旋流布风口3，催化装置壳体4、气化气入口5，催化剂再生还原剂生成区6、测温孔8，保温层7，催化剂裂解气化再生区9，填料出口导流管10，填料口11，床篦16，清洁燃气出口17，填料出口阀门18；

含有焦油的生物质燃气从燃气入口1进入装置，燃气入口1接防回火器2，防回火器2接燃气旋流布风口3，生物质燃气从燃气旋流布风口3出来后进入催化剂再生还原剂生成区6，流出催化剂再生还原剂生成区6后进入催化剂裂解与气化再生区9，催化裂解后的生物质燃气最终从清洁燃气出口17排出。催化剂裂解气化再生区9中布置焦油裂解催化剂14与生物质炭15混合填料。催化剂再生还原剂生成区6布置气化气入口5。催化装置壳体4上部接燃气旋流布风口3与填料口11，催化装置壳体4下部接填料出口导流管10，填料出口导流管10顶端与床篦16相接，填料出口导流管10底端与填料出口阀门18相接，催化装置壳体4与催化剂再生还原剂生成区6、催化剂裂解气化再生区9之前设有保温层7。催化剂裂解与气化再生区9布置测温孔8与料层位置探测口13。焦油裂解催化剂14与生物质炭15混合填料从填料口11进入装置。

设备运作时，处理后的清洁燃气由催化剂裂解气化再生区9进入填料出口导流管10，从清洁燃气出口17排出。

排料时，焦油裂解催化剂14与生物质炭15经填料出口导流管10导流后经填料出口阀门18排出。填料出口导流管10呈圆锥漏斗结构，导流至填料出口阀门18，同时将填料与清洁燃气出口17隔开，出料时不堵塞清洁燃气出口。

本发明所述的焦油热催化裂解装置的催化剂持续气化再生方法，生物质燃气中焦油含量是非恒定状态，需要催化剂再生还原剂生成区气化气进入量与填料生物质炭的比例之间的协调。

在燃气入口之前和清洁燃气出口之后都会对焦油含量进行测量， 当焦油含量升高时，需要增加气化剂的含量同时提高填料生物质炭的比例，增加催化裂解反应速率，提升再生反应速率；反之，当焦油含量减小时，需要降低气化剂的含量同时减小填料生物质炭的比例。

本发明催化剂持续气化再生方法如下：

1)催化剂再生还原剂生成区与焦油热裂解。含焦油的高温生物质燃气从燃气入口进入，经燃气旋流布风口3均匀布风后进入催化剂再生还原剂生成区6，然后从气化气入口5进入的气化气。在催化剂再生还原剂生成区与从气化气入口5进入的气化气发生临氧氧化反应。临氧氧化反应产生催化剂再生还原剂，为后续催化剂的还原气化反应提供反应物。伴随还原剂二氧化碳生成的同时还有临氧氧化反应反应热。该反应热一小部分为催化剂再生还原剂生成区焦油裂解提供热量，其余大部分为二氧化碳升温提供能量，因此进入催化剂裂解与气化再生区9的为高温二氧化碳。高温二氧化碳就是催化剂再生还原剂。

2）催化裂解与催化剂持续气化再生。在高温二氧化碳气氛包围中，催化剂裂解与气化再生区9中发生催化剂催化裂解焦油与气化再生两类反应。持续的催化裂解焦油反应引起催化剂表面积碳，催化剂表面积碳一旦产生达到一定表面覆盖率时，与再生还原剂发生气化反应，生成气体一氧化碳，达到脱除积碳持续再生的目的。

3）催化剂再生还原剂生成区与催化剂裂解与气化再生区之间的热量传递协调。催化剂再生还原剂生成区还原剂的产生放出的大量热量，积碳再生吸收部分热量后，多余热量需要消耗掉以避免温度上升过快、过高。因此在催化剂裂解与气化再生区9是通过填料口11布置焦油裂解催化剂14与生物质炭15混合填料，

填料层高度由料层位置探测口13测量，催化剂裂解气化再生区的温度分布由在壁面的测温孔8测量。生物质炭15与二氧化碳反应，吸收多余热量，催化剂裂解气化再生区内临近催化剂再生还原剂生成区的填料区域，温度高，生物质炭迅速消耗，因此进料速度快，与催化剂裂解气化再生区温度配合，尽快消耗生物质炭。催化剂裂解气化再生区内远离催化剂再生还原剂生成区的填料区域，温度低，在催化剂裂解与气化再生区中部和下游的生物质炭比例逐渐减小，生物质炭消耗量逐渐减小，填料出口阀门18处的出料速度要慢，保证出口催化剂中没有生物质炭为最佳。入口快出口慢，一快一慢，生物质炭协调催化剂再生还原剂生成区与催化剂裂解与气化再生区之间的热量传递，有效控制了温度的高低，并保持恒定。

4）焦油稳定脱除。生物质燃气中焦油含量非恒定状态，需要催化剂再生还原剂生成区气化气进入量与填料生物质炭15的质量之间的协调。当焦油含量升高时，需要增加气化剂的进入量同时提高填料生物质炭15的质量，增加催化裂解反应速率，提升再生反应速率；反之，当焦油含量减小时，需要降低气化剂的进入量同时减小填料生物质炭15的质量。

5）燃气热值提升。脱除焦油后的燃气经清洁燃气出口17排出，并对排出后的燃气进行热值与焦油含量监测。催化剂表面积碳与生物质炭15一起，同二氧化碳发生气化反应，生成一氧化碳，以提高生物质燃气热值。

实施例一

安徽、河北与湖南等地的生物质气化多联产工程，引入本发明提供的一种焦油热催化裂解装置与催化剂持续气化再生方法。效果如下：

1）气化式生物质气化燃气焦油含量生物质焦油初始含量为3g/m3，在热裂解、催化裂解双重脱除焦油作用下，实现燃气中焦油含量降低为7 mg/m3实现了彻底脱除焦油的目的。

2）采用催化剂表面积碳、生物质炭与二氧化碳发生气化还原吸热反应，起到了再生的目的，同时控制温度为400℃-500℃，有效防止了飞温与催化剂烧结彻底失效的现象，另一方面，二氧化碳与积碳和生物质炭发生气化反应吸收了热量。

3）由于催化剂能够持续再生，当催化剂周围生物质炭消耗完可从反应器排出，与生物质炭按比例混合，然后再进入反应器，重复利用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种焦油热催化裂解装置，其特征在于：包括催化装置壳体、催化剂再生还原剂生成区、催化剂裂解气化再生区，燃气入口，填料出口导流管，填料口，填料出口，清洁燃气出口；所述的催化装置壳体呈纵向放置的筒状罐体结构，催化装置壳体内由上至下依次布置相互通的催化剂再生还原剂生成区、催化剂裂解气化再生区；催化剂再生还原剂生成区的顶端设有燃气入口，催化剂裂解气化再生区的底端与填料出口导流管相连通，催化剂裂解气化再生区与填料出口导流管之间设有床篦，填料出口导流管的底端设有填料出口阀门，床篦下方的催化装置壳体侧壁上设有清洁燃气出口；所述的催化剂再生还原剂生成区的侧壁设有气化气入口；所述的催化剂裂解与气化再生区内填充焦油裂解催化剂与生物质炭。

2.根据权利要求1所述的焦油热催化裂解装置，其特征在于：所述的催化剂再生还原剂生成区与催化剂裂解气化再生区之间设有与催化剂裂解气化再生区直径相同的空挡区。

3.根据权利要求1所述的焦油热催化裂解装置，其特征在于：所述的催化装置壳体内的上部设有供料区，所述的供料区与催化剂再生还原剂生成区相连通；所述的供料区与催化剂再生还原剂生成区的连通端直径相同；所述的供料区的侧壁设有防爆口。

4.根据权利要求1或3所述的焦油热催化裂解装置，其特征在于：所述的燃气入口连接防回火器，防回火器连接燃气旋流布风口；所述的燃气旋流布风口布置在催化装置壳体内的供料区内。

5.根据权利要求1所述的焦油热催化裂解装置，其特征在于：所述的填料出口导流管呈倒圆锥形结构，倒圆锥形结构的填料出口导流管的顶部为气料导入端，倒圆锥形结构的填料出口导流管的底部为气料导出端；倒圆锥形结构的填料出口导流管的气料导入端连通至床篦，底端与填料出口阀门连接。

6.根据权利要求1所述的焦油热催化裂解装置，其特征在于：还包括探测口，所述的探测口位于催化剂裂解气化再生区的上部，探测口延伸至催化装置壳体的外侧。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的焦油热催化裂解装置的催化剂持续气化再生方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一、从催化装置壳体的填料口向催化剂裂解气化再生区内填充焦油裂解催化剂及生物质炭；当填充焦油裂解催化剂及生物质炭填充至探测口处停止填充；

步骤二、通过催化装置壳体燃气入口向催化剂再生还原剂生成区内注入高温生物质燃气，此时通过气化气入口同时向催化剂再生还原剂生成区内注入氧气或空气；高温生物质燃气与氧气或空气中的氧气发生临氧氧化反应产生再生高温二氧化碳，该高温二氧化碳为催化剂再生还原剂；

步骤三、高温二氧化碳进入催化剂裂解气化再生区；通过催化剂裂解气化再生区中的焦油裂解催化剂及生物质炭持续的催化裂解焦油反应引起催化剂表面积碳，催化剂表面积碳一旦产生达到一定表面覆盖率时与催化剂再生还原剂发生气化反应，生成气体一氧化碳，达到脱除积碳持续再生的目的；

步骤四、脱除焦油后的燃气由催化装置壳体上的清洁燃气出口排出。

8.根据权利要求7所述的焦油热催化裂解装置的催化剂持续气化再生方法，其特征在于：所述的步骤二中高温生物质燃气与气化气之间的比例为临氧，当高温生物质燃气进入催化剂再生还原剂生成区与气化混合后，混合物中氧气含量低于2%。

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