CN204824722U - 一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的装置，由微波发生装置和激发放电装置组成，所述微波发生装置产生的微波通过波导输入激发放电装置，所述激发放电装置内具有金属介质Fe、Ni、Co或其合金，所述激发放电装置设置在生物质气化热解装置的烟道上温度为200℃-800℃的区域。该方法实施方便，不需要对生物质热解气化工艺进行大的调整或变动，不需要高温区域，只需要设置一个金属放电区域。不需要使用催化剂，避免了催化剂失活等问题。焦油的高效转化既可以减少或消除焦油引起的设备堵塞或腐蚀等问题，还可以提高生物质气的产率和品质，提高能量利用效率。

Description

一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用微波和金属相互作用产生的放电现象来强化生物质热解气化过程中焦油脱除的新方法，具体涉及一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的装置。

背景技术

(焦油的产生)

随着社会能源需求的日益增长，作为能源主要来源的化石燃料却迅速的减少，因此，开发和利用可持续且环境友好的替代能源已经成为一项全球性的重大课题，生物质能源作为相对稳定的可再生能源已日渐成为世界各国重视的焦点。生物质能源化利用技术包括直燃、气化和液化三种主要途径，其中的生物质气化是生物质能高品味利用的一种主要转换技术，它可以将固态生物质燃料转换成高品味的可燃气体，便于传输、再加工和利用；而热化学转换技术具有能量转化率高、易于工业化的优点，是主要的技术发展方向之一。但是，在目前应用最广泛的固定床气化和流化床气化工艺中，热解气化温度大多数都低于1000℃，致使气体产物中大分子焦油的存在难以避免。焦油的产生和存在不但会造成能源的浪费还会严重危害工艺设备。一方面，焦油的产生降低了生物质的能量转化利用效率，焦油的能量一般占生物质总能量的5％-15％，这部分能量因难以被利用而浪费；另一方面，焦油是在燃气输送过程中冷凝下来而形成的粘稠状液体，附着于管道和设备的壁面上，将造成管道的堵塞和腐蚀，严重影响到设备的正常运行；再者，焦油在燃烧时产生的碳黑也会造成进一步的污染和设备损害。因此，焦油的产生、控制和形态转化是生物质热解气化技术发展中的关键性问题。

(现有技术的问题，控制难)

在生物质热解气化工艺中，除了从焦油生成角度发展源头控制技术之外，当前常见的气化后焦油脱除方法包括机械方法、热裂解法和催化裂解法。机械方法主要依靠惯性、吸收、吸附、冷凝等物理过程实现焦油成分的捕捉和转移，是将焦油从气态转移到冷凝态以降低对工艺系统的影响，并非焦油成分的根本去除。热裂解和催化裂解方法通常是创造反应条件促使焦油成分发生裂解或重整反应，从根本上减少焦油成分存在。热裂解需要1200℃甚至更高的温度条件，提高了操作成本，从平衡能源利用率角度出发，催化裂解虽然所需的温度较低但存在催化剂易积碳、磨损、失活等问题。当前，各种焦油去除方法均处于不断的研究和改进过程中。

实用新型内容

本实用新型的目的是，提供一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的装置，为解决上述焦油脱除问题提供新型技术途径。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的装置，由微波发生装置和激发放电装置组成。所述微波发生装置产生的微波通过波导输入激发放电装置；所述激发放电装置内具有过渡态金属或其合金或其纳米/微米态颗粒，所述激发放电装置设置在生物质气化热解装置的烟道上温度为200℃-800℃的区域，所述激发放电装置由金属材料和非吸波材料配合制成。

所述过渡态金属为Fe、Ni、Co、Cu。

所述金属形态为长条状、锯齿状、球状、针状、芒刺状或者纳米/微米颗粒分散负载于介质上，所述介质为SiO₂或Al₂O₃等微波透射性耐高温材料。

所述激发放电装置内还可以布置负载型铁基材料、负载型铜基、活性碳或活性焦等以强化微波作用。

所述非吸波材料为石英类、刚玉类等吸波性能弱而耐高温性能强的材料。

所述激发放电装置采用多边形或螺旋形。

所述微波发生装置可为多个1KW左右的小功率磁控管组合，也可为10KW以上的大功率磁控管。

一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的模拟装置，由气瓶、实验室推拉注射泵、数显恒温电热套、微波炉、石英反应器组成，所述气瓶、数显恒温电热套、石英反应器通过管道顺次连接，所述数显恒温电热套与实验室推拉注射泵连接，所述石英反应器设置在所述微波炉内，所述石英反应器底部铺有与其口径相同的形状的玻璃棉，在所述玻璃棉上平铺一层石英砂(为起到保护反应器和保温的作用，石英砂的量要适中，太少蓄热有限，气体吸热膨胀过度，太多则占据反应器太多容积，压缩了反应气体的量)，所述石英反应器用法兰固定。

所述气瓶与数显恒温电热套之间的管道上设置玻璃转子流量计。

所述管道为硅胶管。

所述石英反应器内反应后的气体通过管道上的三通分别与红外光谱仪与气相色谱仪连接。

一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的方法，在生物质热解气化装置中烟气温度200℃-800℃的区段，利用微波场和金属相互作用产生的放电现象强化焦油裂解，所述微波频率为2450MHz或915MHz。

根据生物质焦油性质的不同以及生产过程的需要，还可以在放电区域通入不同浓度的水蒸气、二氧化碳或空气等，以控制焦油裂解气体的化学组成。

微波功率控制根据气体成分及焦油性质可以选择0.1W-100W/cm³。

本实用新型的有益效果：

本实用新型在生物质热解气化装置中使用一种新型方法实现焦油的选择性强化裂解，降低生物质气中焦油的成分含量，促进生物质热解气化工艺的改进和完善。本实用新型的方法利用微波场和金属相互作用产生的放电现象来塑造一种局部强化反应环境，实现生物质焦油成分的快速、高强度裂解。特定类型、特定形态的金属置于微波场中，在微波电磁场作用下会产生强度不一的，包含有电晕放电、弧光放电、辉光放电、暗放电等多种形式的综合放电现象，该放电过程一方面可直接产生高温热点效应，在放电区域可形成1000-2000℃的高温，另一方面会在局部产生等离子体，体现为等离子体效应，还会伴随着光催化反应。热效应、等离子体效应和光催化效应这三种作用耦合叠加，能够共同促使生物质焦油成分的快速裂解。该方法实施方便，不需要对生物质热解气化工艺进行大的调整或变动，不需要高温区域，只需要设置一个金属放电区域；不需要使用催化剂，避免了催化剂失活等问题。焦油的高效转化既可以减少或消除焦油引起的设备堵塞或腐蚀等问题，还可以提高生物质气的产率和品质，提高能量利用效率。

附图说明

图1为生物质气化热解过程中强化焦油裂解的模拟装置的结构示意图；

图2为本实用新型微波金属放电裂解生物质焦油工艺流程图。

其中，1-气瓶，2-玻璃转子流量计，3-实验室推拉注射泵，4-XYE数显恒温电热套，5-格兰仕家用微波炉，6-石英反应器，7-三通阀，8-傅立叶红外光谱仪，9-Clarus500GC气相色谱仪。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1、2所示，一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的模拟装置，将气瓶1、实验室推拉注射泵3、XYE数显恒温电热套4、格兰仕家用微波炉5、石英反应器组成6通过硅胶管顺次连接，气瓶1与XYE数显恒温电热套1之间设置玻璃转子流量计2，实验室推拉注射泵3通过硅胶管与XYE数显恒温电热套4连接，石英反应器6放置于格兰仕家用微波炉5内，石英反应器6的进气管的位置要高于出气管，石英反应器6的出气管通过三通阀7与傅立叶红外光谱仪8和Clarus500GC气相色谱仪9连接。剪取与石英反应器6口径相同的圆形玻璃棉铺在石英反应器6底部。依据石英反应器6尺寸称取石英砂，平铺在石英反应器6底部的玻璃棉上。为起到保护石英反应器6和保温的作用，石英砂的量要适中，太少蓄热有限，气体吸热膨胀过度，太多则占据反应器太多容积，压缩了反应气体的量。

按照实验要求截取一定长度的不锈钢金属条数根，按一定排列方式(金属条在反应器中一般呈米字形()排列)平整的摆放于石英反应器6的石英砂之上，并用法兰将石英反应器6固定。为了规避在实验过程中的不确定因素，并尽最大可能使每组实验除考察对象以外的其他反应条件都一致，并保证石英反应器6放在格兰仕家用微波炉5内的同一位置。

打开载气气路将气压调节到0.2MPa，玻璃转子流量计2调节到1000ml/min。检查管路的气密性，确认气密性良好后开始排出反应器中的空气，并保持此状态吹扫30min以排净系统内的空气。吹扫空气的同时打开XYE数显恒温电热套4，将温度调节到200℃，等待温度上升。吹扫结束后使用容积为1L的集气袋收集一袋气体以备后续测试分析使用。

将甲苯注入通路连接到反应系统上，按预定流量注入甲苯。待甲苯通入到石英反应器6中时，打开格兰仕家用微波炉5开关进行催化裂解反应。每次实验都保证反应器在格兰仕家用微波炉5内的中心位賈，且高度一定。使用三通阀7安装在反应气体的出口，一端使用容积为3L的集气袋收集产物气体，一端接到傅立叶红外光谱仪8进行气体在线检测。

待反应结束后关闭格兰仕家用微波炉5，用气相色谱仪9对所得的气体成分进行检测。以金属条不再具放电条件，石英反应器6内没有放电现象出现作为反应结束的标志。经过大量实验验证，在保证反应条件(微波功率、放电金属数量及排列位置、反应器摆放位置等)一致的情况下，虽然金属放电仍然不稳定、放电的时间点不确定，但是在整个过程中总的放电时间和强度是差不多的。

裂解反应开始后甲苯的裂解率最高能够达到100％，裂解产物成分主要是H₂、C₂H₂、CH₄等。

实施例2

生物质热解气化气模拟系统中，以甲苯作为模化焦油产物，以N₂作为载气，N₂流量为1000ml/min，甲苯输入量为1ml/min，甲苯的加热蒸发温度为200℃。在微波场金属放电反应区域，设置固定功率700W的微波场环境，将将放电程度较强的条数的(例如8条金属材料)Ni置于微波场中以产生微波金属放电反应。使焦油模化物甲苯蒸汽通过营造的金属放电区，对裂解产物收集通过GC检测得到产物主要成分为H₂和N₂，其中H₂约占4％。

实施例3

生物质热解气化气模拟系统中，以甲苯作为模化焦油产物，以N₂作为载气，N₂流量为1000ml/min，甲苯输入量为1ml/min，甲苯的加热蒸发温度为200℃。在微波场金属放电反应区域，设置固定功率700W的微波场环境，将放电程度较弱的条数的(例如3条金属材料)Ni置于微波场中以产生微波金属放电反应。使焦油模化物甲苯蒸汽通过营造的金属放电区，对裂解产物收集通过GC检测得到产物主要成分为H₂和N₂，其中H₂约占1.2％。

在保证其他实验条件完全相同的情况下，使用同一种类金属条，只改变金属条的数目进行实验。结果发现，同种金属的数量越多，放电现象越明显。在裂解气成分的检测中，H₂的含量最高。而C₂H₂、CO、CH₄的含量则相对较少。因此用H₂的含量来表征甲苯的裂解程度，发现金属数量越多，裂解程度越强。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的装置，其特征在于，由微波发生装置和激发放电装置组成，所述微波发生装置产生的微波通过波导输入激发放电装置，所述激发放电装置内具有过渡态金属或其合金或其纳米/微米态颗粒，所述激发放电装置设置在生物质气化热解装置的烟道上温度为200℃-800℃的区域，所述激发放电装置由非吸波材料制成。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述过渡态金属为Fe、Ni、Co、Cu。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属形态为长条状、锯齿状、球状、针状、芒刺状。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激发放电装置内还布置负载型铁基材料、负载型铜基、活性碳或活性焦。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非吸波材料为石英类、刚玉类材料。

6.一种生物质气化热解过程中强化焦油裂解的模拟装置，其特征在于，由气瓶、实验室推拉注射泵、数显恒温电热套、微波炉、石英反应器组成，所述气瓶、数显恒温电热套、石英反应器通过管道顺次连接，所述数显恒温电热套与实验室推拉注射泵连接，所述石英反应器设置在所述微波炉内，所述石英反应器底部铺有与其口径相同的形状的玻璃棉，在所述玻璃棉上平铺一层石英砂，所述石英反应器用法兰固定。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述气瓶与数显恒温电热套之间的管道上设置玻璃转子流量计。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述管道为硅胶管。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述石英反应器内反应后的气体通过管道上的三通分别与红外光谱仪与气相色谱仪连接。