CN205109602U - 生物芳烃的制备设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种生物芳烃的制备设备，可用于处理所有农林废弃物类生物质和生物质原料的混合物；生物燃气可作为反应进料载气和提升蒸汽，除开工阶段外，系统不需要外供气体；采用油剂快速分离设备，使油气进入沉降器稀相空间后不再和催化剂接触；失活的催化剂在再生器中烧焦再生所需要的热量由炭粉燃烧发热提供；油浆中的一部分作为回炼油返回至反应器，提高了催化剂的利用率和液体产品产率；燃料油馏分中的一部分以及生物燃气中的一部分作为再生器的辅助补充燃料备用；再生烟气除尘后用于生产中压过热蒸汽和驱动烟气轮机发电；工艺过程无废渣、废水、废气等工业污染物排放，属于环保型绿色工艺技术。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种生物芳烃的制备，尤其涉及一种以非粮类生物质为原料生产生物芳烃的制备设备。
背景技术
在现有技术中，芳烃是一种重要的化工原料，用于生产药物、沥青、办公设备、化妆品、电视机壳、个人电脑、冰箱、食品包装、运动器材、汽车和飞机部件、绝缘材料、涂料、化妆品和家居护理产品等。目前国内外芳烃生成主要依赖石油资源，在芳烃联合生产装置中，在催化剂和高温高压的条件下经过加氢、重整、芳烃转换、分离等过程获得苯、甲苯、二甲苯，工艺复杂。石油等化石燃料储量有限，随着化石燃料大量消耗，原油价格不断上升，以石油为主导的化工工业成本也不断攀升。不仅如此，石油炼化工程中产生大量副产物及其它有毒气体和废料，严重污染环境。因此，寻找可再生、环保型的替代原料并将其转化为芳烃产品便引起了国内外许多公司和研究机构的关注。
生物质能源是可再生能源的重要组成部分，对于能源的持久供应有着至关重要的作用，相对于石化资源而言储量更加丰富，并且可再生。生物质通过高效炼制技术可以生产多种有机化学品和燃料，利用生物质，尤其是非粮类生物质制备芳烃技术的开发和应用，不仅可以减少芳烃生产对石化与燃料的依赖性，也是缓解全球石油资源短缺的替代工艺。
近年来，全球多家石油化工公司、生物化学品公司和高校均对生物法制苯、甲苯、二甲苯工艺产生浓厚兴趣，开发了多种制备技术，并取得实验室研究成果。美国Gevo公司开发了以生物质为原料，先通过发酵制醇工艺生产生物质异丁醇，再以异丁醇为原料生产生物芳烃的技术(WO，2012061372[P]；US，20110087000[P])。美国UOP公司采用生物质原料合成二甲基甲酰胺，并与乙烯通过催化环加成生成二甲基甲酰胺的呋喃环，然后与双环庚烯衍生物开环并脱水得到生物芳烃产品(中国，102482177[P]；US，20100331568[P])。德国BASF公司将生物质原料通过热裂解技术得到生物质热解油，以其为原料经过临氢催化裂解反应转换为烯烃和芳烃(US，20110275868[P])。上述几种生物质制芳烃工艺是目前发展前景较好的工艺路线，但普遍存在工艺设备组成复杂、工艺过程副产物难于处理以及最终产品单一造成原料利用率较低等的缺点，不利于其工业化大规模生产，另外有的工艺技术还需要以粮作物类生物质如玉米等为原料，受采收季节影响较大。
实用新型内容
针对上述现有技术中的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种可适用于各种生物质原料、工艺流程简单、操作简便、所有工艺副产物都能合理应用且无污染物排放的生物质流化床催化裂化制备生物芳烃的制备设备。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
一种生物芳烃的制备设备，包括流化床反应器、再生器、取热器、分馏塔和气液分离器，流化床反应器下部设有入口，上部设有催化剂出口，顶部设有油气出口，所述催化剂出口通过管道连通再生器，所述油气出口连通分馏塔；再生器底部设有进气口，顶部设有再生烟气出口，通过管道和取热器的介质入口和介质出口连通；所述分馏塔包括设置在底部的油浆出口以及设置在侧壁上的燃料油馏分出口和柴油馏分出口，分馏塔顶部出口与气液分离器连通；所述气液分离器上设置有生物燃气出口、生物芳烃馏分出口和水出口。
优选地，所述流化床反应器为上行式流化床反应器，所述上行式流化床反应器包括设置在底部的反应釜、油剂快速分离器和旋风分离器，所述旋风分离器位于流化床反应器的顶部，所述油剂快速分离器位于旋风分离器的下方，所述反应釜位于油剂快速分离器的下方，所述反应釜、油剂快速分离器和旋风分离器依次导通，所述旋风分离器出口连通油气出口，反应釜的投入口为流化床反应器的入口，所述油剂快速分离器的出口为催化剂出口。
优选地，所述再生器为上下重叠式再生系统，包括位于上部的第一再生器和位于下部的第二再生器，所述第一再生器和取热器的介质入口连通，第二再生器和取热器的介质出口连通，在第一再生器顶部开有再生烟气出口，在第二再生器上开有催化剂投入口。
优选地，所述催化剂为分子筛，所述催化剂的孔径为4-5.5nm，粒径为70-150目；所述流化床反应器下方的入口包括原料进口、提升蒸汽进口、回炼油进口、急冷剂进口和再生催化剂进口。
一种生物芳烃的制备方法，包括如下步骤：
S1，将生物质原料粉碎成颗粒，颗粒粒径小于50目；
S2，将粉碎后的生物质原料在转筒烘干炉中以90℃的温度烘焙3小时以上，使其含水量低于5wt％；
S3，将经S2处理得到的生物质原料混合进料载气、提升蒸汽和催化剂通过流化床反应器的入口投入至反应釜内，在催化剂的作用下，生物质原料发生裂化、脱氧和异构化反应，生成气相的油气、固相的失活催化剂和炭粉，其中，进料载气温度为230℃，提升蒸汽温度为370℃，催化剂的温度为670℃，流化床反应器的入口操作压力为0.3-0.8MPa，操作温度500-590℃，平均操作气速为18-25m/s，反应时间为2-4s；
S4，气相的油气和固相的失活催化剂和炭粉经过快速分离器分离出65-75wt％的固相物质，然后气固相混合物进入旋风分离器进行分离，经分离的油气由底部进入到分馏塔内，旋风分离器的操作压力为0.21-0.71MPa，操作温度为520-600℃，操作气速为20-29m/s；
S5，失活的催化剂干粉和炭粉从流化床反应器上部离开进入第一再生器烧焦再生，得到再生的催化剂、草木灰和再生烟气，再生烟气由再生烟气出口排出，再生的催化剂和草木灰由取热器的介质入口进入，经取热后由取热器的介质出口进入到第二再生器内，第一再生器操作压力为0.2-0.5MPa，操作温度为600-700℃，第二再生器操作压力为0.3-0.9MPa，操作温度为650-750℃；
S6，再生的催化剂和草木灰从第二再生器内通过再生斜管再次进入到反应釜内，再生的催化剂温度进入到反应釜内的温度为670℃；每120-160小时从第二再生器下端卸料口取出催化剂循环量的2wt％，同时补充同量的新鲜催化剂，由于催化剂和草木灰的密度不同，通过沉降的方式分离取出的催化剂和草木灰的混合物，分离效率可达到99.99％，分离提纯的纯催化剂循环利用；
S7，进入到分馏塔内的油气经分馏后得到油浆、燃料油馏分、柴油馏分、水、生物芳烃馏分和生物燃气，其中生物芳烃馏分、水和生物燃气通过气液分离器处理后分别收集，油浆通过分馏塔底部的油浆出口排出，燃料油馏分和柴油馏分通过分馏塔侧壁上的燃料油馏分出口和柴油馏分出口排出；
S8，将油浆作为回炼油、生物芳烃馏分或水作为急冷剂，将生物燃气经压缩机升压后作为提升蒸汽和进料载气，通过管道和油泵将回炼油和急冷剂分别泵至回炼油进口和急冷剂进口。
优选地，在步骤S3中，进料载气与提升蒸汽的体积流量比为1∶10-1∶15，生物质原料与催化剂质量流量比为1∶20-1∶30。
优选地，在步骤S8中，回炼油与反应进料的质量流量比为0.1∶1-0.3∶1；急冷剂与原料的质量流量比为0.05∶1-0.2∶1。
优选地，对第一再生器内产生的再生烟气经除尘处理，将处理后的再生烟气送入烟气轮机驱动烟气轮机发电。
优选地，所述的生物质原料为农林废弃物。
优选地，所述农林废弃物为农作物的秸秆、皮壳或木屑的一种或其中任意两种或三种混合物。
与现有技术相比，本实用新型实施例至少具有以下优点：
1、本实用新型可用于处理所有农林废弃物类生物质，如秸秆、稻壳、棉花杆、玉米芯、木屑等，也可处理此类生物质原料的混合物，对原料的适应性强。
2、工艺副产物之一的生物燃气可作为反应进料载气和提升蒸汽，除开工阶段外，系统不需要外供气体。
3、本实用新型反应器出口采用油剂快速分离设备，使油气进入沉降器稀相空间后不再和催化剂接触，控制催化反应深度。
4、失活的催化剂在再生器中烧焦再生所需要的热量由炭粉燃烧发热提供，使得本实用新型在工况稳定的状态下不需要消耗其它化石燃料。
5、本实用新型生焦量大，即使采用CO不完全燃烧等措施，烧焦放出的热量也超过反应再生系统热平衡的需要，因此在再生器外部设计有取热器，用于发生中压过热蒸汽。
6、本实用新型分馏塔底部产品油浆中的一部分作为回炼油返回至反应器下部的回炼油入口，提高了催化剂的利用率和液体产品产率。
7、本实用新型的流化床反应器设计有总反应深度控制区，在反应器中下部注入一定量的急冷剂(自产的汽油馏分或水)来优化停留时间、剂油比、反应温度以及剂油初始接触温度，以控制整个反应器的反应深度比较合适。
8、本实用新型分馏塔下部侧面的燃料油馏分中的一部分以及生物燃气中的一部分可作为两个再生器的辅助补充燃料备用。
9、本实用新型的再生器烟气设置能量回收系统，回收高温烟气用于生产中压过热蒸汽和驱动烟气轮机发电。且在再生器烟气排出的烟道应用补燃技术提高烟气的能量利用率。
10、本实用新型分馏塔全塔除油浆循环脱过热段外，还有中段回流和塔顶循环回流以取出全塔过剩热。
11、本实用新型的工艺过程无废渣、废水、废气等工业污染物排放，属于环保型绿色工艺技术。
附图说明
图1为本实用新型生物芳烃的制备设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合图1和实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。
一种生物芳烃的制备设备，包括流化床反应器1、再生器、取热器5、分馏塔3和气液分离器4，流化床反应器1下部设有入口，上部设有催化剂出口7，顶部设有油气出口8，所述催化剂出口7通过管道连通再生器，所述油气出口8连通分馏塔3；再生器底部设有进气口9，顶部设有再生烟气出口10，通过管道和取热器5的介质入口11和介质出口12连通；所述分馏塔3包括设置在底部的油浆出口13以及设置在侧壁上的燃料油馏分出口14和柴油馏分出口15，分馏塔3顶部出口与气液分离器4连通；所述气液分离器4上设置有生物燃气出口16、生物芳烃馏分出口17和水出口18。
所述流化床反应器1为上行式流化床反应器1，所述上行式流化床反应器1包括设置在底部的反应釜、油剂快速分离器和旋风分离器，所述旋风分离器位于流化床反应器1的顶部，所述油剂快速分离器位于旋风分离器的下方，所述反应釜位于油剂快速分离器的下方，所述反应釜、油剂快速分离器和旋风分离器依次导通，所述旋风分离器出口连通油气出口8，反应釜的投入口为流化床反应器1的入口，所述油剂快速分离器的出口为催化剂出口7。
所述再生器为上下重叠式再生系统，包括位于上部的第一再生器2和位于下部的第二再生器6，所述第一再生器2和取热器5的介质入口11连通，第二再生器6和取热器5的介质出口12连通，在第一再生器2顶部开有再生烟气出口10，在第二再生器6上开有催化剂投入口19。
所述催化剂为分子筛，所述催化剂的孔径为4-5.5nm，粒径为70-150目；所述流化床反应器下方的入口包括原料进口、提升蒸汽进口、回炼油进口、急冷剂进口和再生催化剂进口。
一种生物芳烃的制备方法，包括如下步骤：
S1，将生物质原料粉碎成颗粒，颗粒粒径小于50目；所述的生物质原料为农林废弃物，农林废弃物为农作物的秸秆、皮壳或木屑的一种或其中任意两种或三种混合物。
S2，将粉碎后的生物质原料在转筒烘干炉中以90℃的温度烘焙3小时以上，使其含水量低于5wt％；
S3，将经S2处理得到的生物质原料混合进料载气、提升蒸汽和催化剂通过流化床反应器1的入口投入至反应釜内，在催化剂的作用下，生物质原料发生裂化、脱氧和异构化反应，生成气相的油气、固相的失活催化剂和炭粉，其中，进料载气温度为230℃，提升蒸汽温度为370℃，催化剂的温度为670℃，流化床反应器1的入口操作压力为0.6MPa，操作温度540℃，平均操作气速为23m/s，反应时间为3.0s；
S4，气相的油气和固相的失活催化剂和炭粉经过快速分离器分离出65-75wt％的固相物质，然后气固相混合物进入旋风分离器进行分离，分离器效率为99.999％，经分离的油气由底部进入到分馏塔3内，旋风分离器的操作压力为0.38MPa，操作温度为530℃，操作气速为22m/s；
S5，失活的催化剂干粉和炭粉从流化床反应器1上部离开进入第一再生器2烧焦再生，第一再生器2中部分热催化剂进入取热器5，取热量为总烧焦放热量的5～15％，得到再生的催化剂、草木灰和再生烟气，再生烟气由再生烟气出口10排出，第二再生器6底部引入热空气，待生催化剂烧焦再生所需热量由炭粉提供，再生烟气温度670℃，成分包括CO2、CO和H2O，其中CO经补燃完全燃烧成CO2；再生的催化剂和草木灰由取热器5的介质入口11进入，经取热后由取热器5的介质出口12进入到第二再生器6内，第一再生器2操作压力为0.45MPa，操作温度为640℃，第二再生器6操作压力为0.57MPa，操作温度为720℃；
S6，再生的催化剂和草木灰从第二再生器6内通过再生斜管再次进入到反应釜内，再生的催化剂温度进入到反应釜内的温度为670℃；每120-160小时从第二再生器6下端卸料口取出催化剂循环量的2wt％，同时补充同量的新鲜催化剂，由于催化剂和草木灰的密度不同，通过沉降的方式分离取出的催化剂和草木灰的混合物，分离效率可达到99.99％，分离提纯的纯催化剂循环利用；
S7，进入到分馏塔3内的油气经分馏后得到油浆、燃料油馏分、柴油馏分、水、生物芳烃馏分和生物燃气，其中生物芳烃馏分、水和生物燃气通过气液分离器4处理后分别收集，油浆通过分馏塔3底部的油浆出口13排出，燃料油馏分和柴油馏分通过分馏塔3侧壁上的燃料油馏分出口14和柴油馏分出口15排出；分馏塔3操作条件为0.27MPa，油气进入分馏塔3后得到6种产品，分别是成分以CO、CO2、CH4、H2为主的生物燃气，110～200℃的生物芳烃馏分，水，200～350℃的生物柴油馏分12，温度大于等于350℃的燃料油馏分和油浆。
生物芳烃馏分或水中的一部分作为急冷剂，连接至反应器入口，急冷剂与生物质原料的质量流量比为0.09∶1。
油浆中的一部分作为回炼油，连接至反应器入口，回炼油与生物质原料的质量流量比为0.15∶1。
生物燃气中的一部分经压缩机升压后作为提升蒸汽和进料载气循环使用，进料载气与提升蒸汽的体积流量比为1∶12，其余部分可用于民用燃气或生产蒸汽和电力。
对第一再生器2内产生的再生烟气经除尘处理，将处理后的再生烟气进入能量回收系统，送入烟气轮机驱动烟气轮机发电。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种生物芳烃的制备设备，其特征在于，包括流化床反应器、再生器、取热器、分馏塔和气液分离器，流化床反应器下部设有入口，上部设有催化剂出口，顶部设有油气出口，所述催化剂出口通过管道连通再生器，所述油气出口连通分馏塔；再生器底部设有进气口，顶部设有再生烟气出口，通过管道和取热器的介质入口和介质出口连通；所述分馏塔包括设置在底部的油浆出口以及设置在侧壁上的燃料油馏分出口和柴油馏分出口，分馏塔顶部出口与气液分离器连通；所述气液分离器上设置有生物燃气出口、生物芳烃馏分出口和水出口。
2.根据权利要求1所述的生物芳烃的制备设备，其特征在于，所述流化床反应器为上行式流化床反应器，所述上行式流化床反应器包括设置在底部的反应釜、油剂快速分离器和旋风分离器，所述旋风分离器位于流化床反应器的顶部，所述油剂快速分离器位于旋风分离器的下方，所述反应釜位于油剂快速分离器的下方，所述反应釜、油剂快速分离器和旋风分离器依次导通，所述旋风分离器出口连通油气出口，反应釜的投入口为流化床反应器的入口，所述油剂快速分离器的出口为催化剂出口。
3.根据权利要求2所述的生物芳烃的制备设备，其特征在于，所述再生器为上下重叠式再生系统，包括位于上部的第一再生器和位于下部的第二再生器，所述第一再生器和取热器的介质入口连通，第二再生器和取热器的介质出口连通，在第一再生器顶部开有再生烟气出口，在第二再生器上开有催化剂投入口。
4.根据权利要求1-3任一所述的生物芳烃的制备设备，其特征在于，所述流化床反应器下方的入口包括原料进口、提升蒸汽进口、回炼油进口、急冷剂进口和再生催化剂进口。
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