一种生物质气化焦油的炉外微波催化裂解的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种生物质气化焦油的炉外微波催化裂解的方法及其装置；采用微波加热技术，在裂解装置中设置微波反应炉，微波反应炉内搭建石英反应器和催化床，将生物质焦油通入裂解装置，液态的焦油先在混合蒸发室内蒸发为气体状态，再随载气进入石英反应器；开启微波并调节功率，使焦油分子通过由微波加热至高温的催化床，选用生物质焦作为双效催化剂，进行裂解反应变为了小分子产物；反应过后，产物随载气导出反应器，通过过滤装置后进入冷凝器冷凝，收集液体产物；剩余气体产物由气体收集装置收集。本发明专利技术节电量35％～50％，操作简单，更便于实际应用。

Method and apparatus for microwave catalytic cracking of biomass gasification tar outside furnace

The method of microwave catalytic cracking furnace of the invention relates to a biomass gasification tar and its device; using microwave heating technology, microwave reactor set in ethylene cracking unit, microwave reactor built in quartz reactor and catalytic bed, will pass into the tar cracking device, liquid tar first in the evaporation chamber is evaporated into gas mixture state, then with the carrier gas into the quartz reactor; open the microwave and power regulation, the tar molecules through the catalytic bed by microwave heating to a high temperature, using biomass char as bifunctional catalyst, pyrolysis reaction into small molecule reaction product; after the product with the carrier gas derived reactor, through the filter after entering the condenser condensation, collection of liquid products; residual gas products by gas collecting device. The power consumption of the invention is 35% to 50%, the operation is simple, and the utility model is more convenient for practical application.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物质气化焦油处理领域，具体包括适用型微波装置的设计加工、双效催化剂的制备、焦油微波催化裂解最优化工艺的设计。提出一种结合微波加热技术以及适用微波条件的催化剂制备技术的高效焦油裂解工艺，可用于实际生物质气化的炉外焦油脱除，并产生可利用的高热值合成气。
技术介绍
近年来，生物质资源作为一种相对稳定的可再生能源已经得到世界各国的重视，生物质气化技术是开发生物质能源的一个重要的方向，由生物质气化技术得到的产物可以用来直接供热或者制备合成气。但是在气化过程中产生的焦油对气化设备以及燃气利用设备都有严重的危害。因此，研究焦油的高效稳定去除工艺是生物质气化技术得以推广的关键。生物质焦油的去除技术，依据处理位置的不同分为炉内技术和炉外技术。通常认为，炉内技术可以在一定程度上减少焦油的产生量，而要想完全去除焦油，必须采用合适的炉外技术。焦油的炉外处理工艺包括物理吸附、热裂解、等离子体热解和催化裂解等。在这些技术中，催化裂解技术以其较快的反应速率、较高的去除效率和稳定性、以及对产物气体优秀的提质作用而得到广泛认可。但传统焦油裂解催化剂，存在着价格偏高、容易失活等问题，如何较长时间保持催化剂活性、降低反应能耗成为行业研究的重点。在微波场中进行的催化反应会表现出一些独特的优点，如反应速率加快、反应需要的温度降低、反应物转化率和产物选择性得到改善等。相比较于传统加热技术的由表及里的传热方式，微波加热可以快速的渗透入物料内部，迅速达到整体加热的效果。但并不是所有的物料都可以在微波条件下有效升温，物料的吸波能力取决于其自身的介电常数，介电常数越高的物料，吸波能力越强，越容易将微波能量转化为热量。因此，要将微波加热技术应用于焦油的催化裂解中，制备具有较强吸波能力的和催化能力的双效催化剂成为重中之重。本专利技术针对以上问题，结合了微波高效加热技术、微波等离子体和“热点效应”对焦油催化裂解反应的促进作用，以及微波选择性加热机制对催化剂积碳失活现象的抑制效果，设计一种新型的微波焦油处理设备，研制生物质焦负载镍作为双效催化剂，对生物质气化炉出口产气中含有的焦油进行彻底的脱除，并且实现在相对较低能量消耗的前提下，对焦油本身富含能量的高效转化。本专利技术具有设备构造简单、效率高、成本较低、环境友好等特点，因此具备良好的市场应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计一套适用于处理生物质气化焦油的炉外微波裂解装置，通过双效催化剂的制备和试验条件的选择，达到对焦油的高效转化，并使产物气体中氢气选择性更高，从而获得更高热值更清洁的气化产物，为生物质能源的利用和气化技术的推广奠定基础。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种生物质气化焦油的炉外微波催化裂解方法，采用微波加热技术，在裂解装置中设置微波反应炉，微波反应炉内搭建石英反应器和催化床，将生物质焦油通入裂解装置，液态的焦油先在混合蒸发室内蒸发为气体状态，再随载气进入石英反应器；开启微波并调节功率，使焦油分子通过由微波加热至高温的催化床，进行裂解反应变为了小分子产物；反应过后，产物随载气导出反应器，通过过滤装置后进入冷凝器冷凝，收集液体产物；剩余气体产物由气体收集装置收集。本专利技术的生物质气化焦油的炉外微波催化裂解装置，包括供气装置、气体流量计、阀门、微量注射泵、混合蒸发室、微波反应炉、石英反应器、催化床、热电偶、过滤装置、冷凝器、观测窗、微波控制与显示系统、气体收集装置和检测装置；其特征是：微波反应炉内设置有混合蒸发室、石英反应器、催化床和热电偶；混合蒸发室水平置于微波反应炉底部，与石英反应器采用磨砂石英管耦合连接；石英反应器竖直安置于微波反应炉内，其内设置网状催化床；微波反应炉上设置有观测窗和微波控制与显示系统；热电偶一端竖直插入石英反应器中，另一端通过导线与微波控制与显示系统连接。利用本专利技术的装置进行生物质气化焦油的炉外微波催化裂解方法，将生物质焦油通过微量注射泵通入混合蒸发室，液态的焦油在混合蒸发室内蒸发为气体状态；由供气装置提供载气，通过阀门和气体流量计进入混合蒸发室，与气态焦油混合后进入石英反应器；利用微波控制与显示系统开启微波并调节功率，通过热电偶进行实时测温；焦油分子通过由微波加热至高温的催化床，催化裂解反应变为了小分子产物；反应过后，产物随载气导出反应器，通过过滤装置后进入冷凝器冷凝，收集液体产物；剩余气体产物由气体收集装置收集；通过检测装置分析，得到其成分以及含量的结果。所述催化剂床中填充双效催化剂；所述的催化剂的制备方法如下:1)催化剂载体的制备：选稻壳或其他多孔性生物质材料作为原材料制备生物质焦作为催化剂载体；原材料烘干过夜以脱去水分，并粉碎；将粉碎后的原材料在500℃～900℃范围内进行绝氧热解碳化，粉碎筛分，得到生物质焦载体；2)金属镍的负载：对的生物质焦载体进行金属镍的负载，金属负载量为2wt％～8wt％；使用对应浓度的金属溶液对生物质焦浸渍过夜后，于烘箱中105℃下烘干8～10小时；随后在绝氧环境中于500℃～900℃煅烧20～40分钟；待降至室温、干燥得到催化剂。优选步骤1)中热解碳化时间需20～60分钟，粉碎筛分至20～80目。优选催化床高度应高于14cm。优选供气装置提供载气流速约为600mL/min。优选生物质焦油通过微量注射泵的焦油的液时空速0.65h-1。优选微波的微波功率为600W以上、催化裂解反应温度为600～800℃。本专利技术和现有技术相比，具有明显的技术特点和有益效果。根据以上技术方案，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术选用生物质焦作为双效催化剂，一方面使得微波条件下物料升温变得更加迅速(升温速率可达到11.26℃/s以上)，缩短了反应用时，简化了反应流程，避免了现在主流电加热技术升降温过慢和能量严重损耗的缺点；另一方面，生物质焦作为一种廉价的吸波剂，是生物质气化的固体产物，易于气化再生，实现循环利用。且其孔隙结构非常发达(比表面积最大可达到100m2/g)，且其包含的碱金属以及碱土金属对焦油的裂解也具有一定的催化作用。比起常用的催化剂，更具有经济效益。2、本专利技术选用微波技术作为加热方式，并探究设计最佳反应条件，一方面大大节约能耗(可节约电量35％～50％)，另一方面，利用微波与物料形成的等离子体与“热点效应”，更有利于焦油的脱除。试验证明，微波与物料相互作用，形成击穿放电效应，产生微波等离子体，并伴随有瞬间的超高能量，有利于降低反应的活化能，促进焦油成分中C-H键和C-C键的断裂。同时，“热点效应”的出现，导致在物料床内出现相对的冷区域，有利于焦油裂解产物的转移，促进化学反应平衡的正向移动。这些优势都是一般电加热所不具备的。3、本专利技术选用生物质焦负载镍作催化剂，并在微波条件下对焦油进行催化裂解，不仅对焦油进行了更高效的脱除，并且可转化为更清洁的能源——合成气。使用镍基催化剂，可以提高气体产物中氢气的含量，而利用微波技术进行加热，则可以明显的抑制催化剂的积碳失活现象，延长催化剂的使用寿命，对镍基催化剂的经济性有了极大的提高。4、本专利技术注重于解决实际生物质气化工艺中的焦油问题，装置配备预热混合系统，使得装置可直接连接气化炉，对生物质气化产物中的焦油进行直接脱除转化；并且装置采用整体化设计，操作简单，更便于实际应用。附图说明图1为本专利技术的试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物质气化焦油的炉外微波催化裂解方法，其特征是采用微波加热技术，在裂解装置中设置微波反应炉，微波反应炉内搭建石英反应器和催化床，将生物质焦油通入裂解装置，液态的焦油先在混合蒸发室内蒸发为气体状态，再随载气进入石英反应器；开启微波并调节功率，使焦油分子通过由微波加热至高温的催化床，进行裂解反应变为了小分子产物；反应过后，产物随载气导出反应器，通过过滤装置后进入冷凝器冷凝，收集液体产物；剩余气体产物由气体收集装置收集。

【技术特征摘要】
1.一种生物质气化焦油的炉外微波催化裂解方法，其特征是采用微波加热技术，在裂解装置中设置微波反应炉，微波反应炉内搭建石英反应器和催化床，将生物质焦油通入裂解装置，液态的焦油先在混合蒸发室内蒸发为气体状态，再随载气进入石英反应器；开启微波并调节功率，使焦油分子通过由微波加热至高温的催化床，进行裂解反应变为了小分子产物；反应过后，产物随载气导出反应器，通过过滤装置后进入冷凝器冷凝，收集液体产物；剩余气体产物由气体收集装置收集。2.实现权利要求1的生物质气化焦油的炉外微波催化裂解装置；包括供气装置、气体流量计、阀门、微量注射泵、混合蒸发室、微波反应炉、石英反应器、催化床、热电偶、过滤装置、冷凝器、观测窗、微波控制与显示系统、气体收集装置和检测装置；其特征是：微波反应炉内设置有混合蒸发室、石英反应器、催化床和热电偶；混合蒸发室水平置于微波反应炉底部，与石英反应器采用磨砂石英管耦合连接；石英反应器竖直安置于微波反应炉内，其内设置网状催化床；微波反应炉上设置有观测窗和微波控制与显示系统；热电偶一端竖直插入石英反应器中，另一端通过导线与微波控制与显示系统连接。3.利用权利要求2的装置进行生物质气化焦油的炉外微波催化裂解方法，其特征是将生物质焦油通过微量注射泵通入混合蒸发室，液态的焦油在混合蒸发室内蒸发为气体状态；由供气装置提供载气，通过阀门和气体流量计进入混合蒸发室，与气态焦油混合后进入石英反应器；利用微波控制与显示系统开启微波并...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冠益，李健，颜蓓蓓，程占军，马文超，王晓华，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12