一种生物质快速催化热解的装置与方法转让专利
申请号 : CN201810487288.8
文献号 : CN108587671B
文献日 : 2021-05-21
发明人 : 陆强 , 谢文銮 , 郭浩强 , 张镇西 , 杨勇平
申请人 : 华北电力大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种生物质快速催化热解装置,包括料斗(1)、进料系统(2)、旋转床热解反应器(3)、气固分离系统(4)、热解气冷凝系统(5)、可燃气储罐(6)、液体收集箱(7)、固体焦炭收集箱(8)、燃烧系统(9)和载气换热系统(10);其中,所述旋转床热解反应器(3)包括旋转床体(3.1)、进料口(3.2)、气体出口(3.3)、密闭外壳(3.4)、气体入口(3.5)、出料口(3.6)、换热烟道(3.7)、驱动系统(3.8)和球形载体(3.9);
料斗(1)的出口与进料系统(2)的入口相连;进料系统(2)的出口与旋转床热解反应器(3)上方的进料口(3.2)相连;旋转床热解反应器(3)下方的出料口(3.6)与固体焦炭收集箱(8)的入口相连,侧上方的气体出口(3.3)与气固分离系统(4)的入口相连;气固分离系统(4)下方的固体出口与固体焦炭收集箱(8)的入口相连,上方的气体出口与热解气冷凝系统(5)的入口相连;热解气冷凝系统(5)的液相出口与液体收集箱(7)的入口相连,气相出口分为三路:第一路与可燃气储罐(6)的入口相连,第二路与燃烧系统(9)的燃烧器相连,第三路与载气换热系统(10)的载气入口相连;固体焦炭收集箱(8)的出口与燃烧系统(9)的燃烧器相连;燃烧系统(9)的热烟气出口与旋转床热解反应器(3)的换热烟道(3.7)入口相连;换热烟道(3.7)的出口与载气换热系统(10)的烟气入口相连;载气换热系统(10)的载气出口与旋转床热解反应器(3)侧下方的气体入口(3.5)相连;其特征在于:所述旋转床体(3.1)为空心圆筒状结构,其底面直径为0.5‑5m,高与底面直径比为0.2‑
5,侧面由筛网组成,筛孔直径为1‑3cm;旋转床体(3.1)内部填充堆积体积为床体容积2/3‑
3/4的球形载体(3.9),球形载体(3.9)的球径为1‑10cm,用于供热或负载催化剂;旋转床体(3.1)中心设有一转轴,转轴与置于密闭外壳(3.4)之外的驱动系统(3.8)相连,转动速度为
0.1‑10r/min;换热烟道(3.7)从密闭外壳(3.4)外,于气体出口(3.3)和入口(3.5)之间的位置穿过,且该段密闭外壳(3.4)的外表面设置有若干肋片。
2.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置,其特征在于:所述进料系统(2)为螺旋进料器或带式输送机。
3.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置,其特征在于:所述的旋转床体(3.1)与密闭外壳(3.4)之间的空隙为2‑5cm。
4.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置,其特征在于:所述气固分离系统(4)为旋风分离器或重力沉降室中的一种。
5.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置,其特征在于:所述的热解气冷凝系统(5)为喷雾冷凝系统、降膜冷凝系统或喷雾与降膜复合冷凝系统。
6.根据权利要求1所述的生物质快速催化热解装置,其特征在于:所述的燃烧系统(9)为小型的室燃炉、旋风炉或沸腾炉。
7.一种基于权利要求1‑6任一所述装置的生物质快速催化热解方法,包括以下步骤:预处理后的生物质原料经由料斗(1)与进料系统(2)从旋转床热解反应器(3)上方的进料口(3.2)透过筛网进入旋转床体(3.1),由球形载体(3.9)搅匀迅速升温,发生催化热解,反应温度为200‑700℃,固相滞留时间为6‑60s,气相滞留时间为0.2‑3s;其中生成的大部分固体焦炭通过下方的出料口(3.6)进入固体焦炭收集箱(8),少部分随着热解气体从气体出口(3.3)进入气固分离系统(4);分离出的固体焦炭颗粒进入固体焦炭收集箱(8),而气体进入热解气冷凝系统(5);经过冷凝后得到的液体产物进入液体收集箱(7),而不可冷凝的可燃气从出口流出后分为三路:一部分作为载气通过载气换热系统(10)吸收热量后进入旋转床热解反应器(3),另一部分作为燃料进入燃烧系统(9),剩余部分进入可燃气储罐(6);燃烧系统燃烧产生热烟气,通过换热烟道(3.7)让密闭外壳(3.4)吸热升温进而使球形载体(3.9)蓄热,用于热解所需;经过换热烟道(3.7)换热后的次热烟气流出后分为两路,一路入载气换热系统(10)用于加热载气,另一路可在生物质原料预处理时用于干燥。
8.根据权利要求7所述的一种生物质快速催化热解方法,其特征在于:所述催化热解反应所用的催化剂为金属盐类催化剂、金属氧化物类催化剂、微孔和介孔分子筛类催化剂、贵金属基催化剂、类贵金属催化剂或强酸。
9.根据权利要求7所述的一种生物质快速催化热解方法,其特征在于:所述催化剂的引入形式为在生物质预处理时使用催化剂溶液喷淋浸渍原料或负载在球形载体上作为球形催化剂。
10.根据权利要求9所述的一种生物质快速催化热解方法,其特征在于:所述的球形催化剂的制备方式为浸渍法、成型法或喷涂法。
说明书 :
一种生物质快速催化热解的装置与方法
技术领域
背景技术
途径的选择性很差,生成的生物油化学组成极为复杂,会形成超过400种有机物,且具有氧
含量高、热值低、腐蚀性强、稳定性差等缺点,一般只能作为低品位的液体燃料,用于窑炉等
要求不高的热力设备中。而且常规生物油中绝大部分物质的含量都很低,导致分离提纯较
为困难。如果通过适当的手段对生物质的热解实现定向控制,促进某些特定的反应途径,并
抑制其他反应途径,则能够实现生物质选择性的热解液化,从而控制热解产物的分布。针对
目前的研究,通过引入催化剂并调整热解条件,可提高热解效率,并控制热解产物的分布,
获得高品质的生物油。
而催化热解反应目前主要有两种实施方式:(1)将生物质原料和催化剂混合后进行快速热
解;(2)对生物质进行快速热解后,再利用催化剂对热解气进行催化转化。但是这两种实施
方式要么催化剂回收困难,要么初级产物已经生成,对于催化转化的要求较为严格。因此如
何实现既能直接调控生物质快速热解反应途径,又能方便回收利用催化剂是工业推广应用
必须解决的技术难题。
大量载气、气体滞留时间长、热量损失大、热解气冷凝困难、反应器磨损严重、结构庞大等问
题;对于运动机械式的反应器,虽然结构紧凑、能耗低、可以不使用载气,但是也存在温度分
布不均、运动部件材料要求高、机构磨损严重、密封性差等问题。所以催化热解反应器既保
证能均匀迅速地使生物质达到热解所需温度,又能保证结构紧凑、减轻磨损,是工业推广应
用必须解决的另一个技术难题。
发明内容
器包括旋转床体、进料口、气体出口、密闭外壳、气体入口、出料口、换热烟道、驱动系统和球
形载体。
体出口与气固分离系统的入口相连;气固分离系统下方的固体出口与固体焦炭收集箱的入
口相连,上方的气体出口与热解气冷凝系统的入口相连;热解气冷凝系统的液相出口与液
体收集箱的入口相连,气相出口分为三路,第一路与可燃气储罐的入口相连,第二路与燃烧
系统的燃烧器相连,第三路与载气换热系统的载气入口相连;固体焦炭收集箱的出口与燃
烧系统的燃烧器相连;燃烧系统的热烟气出口与旋转床热解反应器的换热烟道入口相连;
换热烟道的出口与载气换热系统的烟气入口相连;载气换热系统的载气出口与旋转床热解
反应器侧下方的气体入口相连。
间的位置穿过,该段密闭外壳的外表面设置有若干肋片。
同时,筛网与支架均由耐腐蚀且高强度的材料制造而成,筛孔直径为1‑3cm。
700℃,固相滞留时间为6‑60s,气相滞留时间为0.2‑3s。其中生成的大部分固体焦炭通过下
方的出料口进入固体焦炭收集箱,少部分随着热解气体从气体出口进入气固分离系统;分
离出的固体焦炭颗粒进入固体焦炭收集箱,而气体进入热解气冷凝系统;经过冷凝后得到
的液体产物进入液体收集箱,而不可冷凝的可燃气从出口流出后分为三路,根据需要,一部
分作为载气通过载气换热系统吸收热量后进入旋转床热解反应器,另一部分作为燃料进入
燃烧系统,剩余部分进入可燃气储罐;收集的固体焦炭颗粒,如果其中参杂的催化剂不会对
燃烧造成显著影响,则可作为燃料,通过风机气力输送进入燃烧系统;根据所采用催化剂的
种类,燃烧系统可选择热解产生的焦炭、可燃气或其他外加的辅助燃料,如煤粉、石油燃料
或天然气,进行燃烧产生热烟气,通过换热烟道让密闭外壳吸热升温进而使球形载体蓄热,
用于热解所需;球形载体作为热载体的同时还可负载催化剂,如果针对目标产物是采用催
化剂溶液喷淋物料,则球形载体仅作为惰性的热载体;经过换热烟道换热后的次热烟气流
出后分为两路,一路入载气换热系统用于加热载气,另一路可在生物质原料预处理时用于
干燥。
酸。
热解反应器,预处理后的生物质颗粒进入旋转床体内,由球形热载体充分搅匀、吸热升温并
在催化剂的作用下迅速发生热解,产生的热解气经快速冷凝,获得特定的生物油。其优点主
要包括:
果,所以减轻了反应器内物料、催化剂以及筛网面的碰撞磨损程度,从而减小了负载在热载
体上催化剂的损失和金属构件的磨损;
球形载体与惰性球形载体的比例,即可调整热解反应温度、反应时间、催化剂的用量等参
数,从而根据不同的物料及所需的目标产物,调控热解反应,实现高效热解转化;
杂在一起,易于回收催化剂,且焦炭也能直接燃烧供热。而如果催化剂无法直接负载在球形
载体上,也能以溶液的形式直接喷淋浸渍生物质原料,而这时球形载体仅作为惰性蓄热体;
性也更高;
附图说明
具体实施方式
的入口相连,侧上方的气体出口3.3与旋风分离系统4的入口相连;旋风分离系统4下方的固
体出口与固体焦炭收集箱8的入口相连,上方的气体出口与喷雾与降膜式冷凝系统5的入口
相连;喷雾与降膜式冷凝系统5的液相出口与液体收集箱7的入口相连,气相出口分为三路,
第一路与可燃气储罐6的入口相连,第二路与小型室燃炉9的燃烧器相连,第三路与管式载
气换热器10的载气入口相连;固体焦炭收集箱8的出口与小型室燃炉9的燃烧器相连;小型
室燃炉9的热烟气出口与旋转床热解反应器3的换热烟道3.7入口相连;换热烟道3.7的出口
与管式载气换热器10的烟气入口相连;管式载气换热器10的载气出口与旋转床热解反应器
3侧下方的气体入口3.5相连;旋转床体3.1内部填充一定量的球形载体3.9;旋转床体3.1的
上下箍圈稍大于床体侧面的直径,用于防止物料滑落,同时密闭壳体3.4上设置有刮板,用
于将筛网上的残余物料拨入床体内;旋转床体3.1中心的转轴与置于密闭壳体3.4的外壳之
外的电机3.8相连;换热烟道3.7从密闭壳体3.4的外壳外,于气体出口3.3和入口3.5之间的
位置穿过;过量空气通过鼓风机送入小型气固混燃炉9中,辅助燃料使用天然气,外部各种
燃料管道均设有阀门,用于选择燃料的种类;管式载气换热器10的烟气出口与净化装置相
连。
1000mm,高为250mm,旋转速度为5.21r/min;换热烟道内的烟气温度为560℃,热解反应温度
为300℃,采用固体磷酸挤出成型的球径为40mm的催化剂,填充量为旋转床体的三分之二;
热解产物经气固分离与热解气冷凝后,获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物,各自的产率
为39%、49%和12%。其中目标产物左旋葡萄糖酮的产率为13.8wt%。
旋床体的底面直径为1000mm,高为250mm,旋转速度为5.21r/min;换热烟道内的烟气温度为
740℃,热解反应温度为500℃,采用固体磷酸钾挤出成型的球径为30mm的催化剂,填充量为
旋转床体的三分之二;热解产物经气固分离与热解气冷凝后,获得焦炭、液体和可燃气三相
热解产物,各自的产率为30%、47%和23%。其中目标产物酚类混合物在热解液中的相对含
量为62.8%(相对含量为扣除水含量后的相对含量,即在有机液体中的含量)。
径为1000mm,高为250mm,旋转速度为5.21r/min;换热烟道内的烟气温度为580℃,热解反应
温度为310℃,采用水蒸汽活化活性炭挤压成型的球径为40mm的催化剂,填充量为旋转床体
的三分之二;热解产物经气固分离与热解气冷凝后,获得焦炭、液体和可燃气三相热解产
物,各自的产率为51%、36%和13%。其中目标产物4‑乙基苯酚的产率为3.4wt%。
进料量为150kg/h;旋转床热解反应器3中旋转床体的底面直径为1000mm,高为250mm,旋转
速度为5.21r/min;换热烟道内的烟气温度为610℃,热解反应温度为340℃,采用球径为
40mm的惰性球体为热载体,填充量为旋转床体的三分之二;热解产物经气固分离与热解气
冷凝后,获得焦炭、液体和可燃气三相热解产物,各自的产率为47%、43%和10%。其中目标
产物糠醛的产率为7.8%。
含在本发明的范围之内。