一种变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法技术

本发明专利技术公开了一种变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，属于水煤气反应制合成气技术领域。该方法以生物质炭为吸波剂和反应物、水经预热炉气化后通入微波反应器，水蒸气自上而下通过炭床层发生水煤气反应生成合成气；微波频率为3550

【技术实现步骤摘要】
一种变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法


[0001]本专利技术属于水煤气反应制合成气
，具体涉及一种变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法。

技术介绍

[0002]合成气是以H2、CO为主要组分的一种可燃气体，既可以直接作为气体燃料，用以供电或供热，也可以作为合成甲醇、甲烷、二甲醚(DME)等燃料和化学品的原料气。制备合成气的方法众多，可从固体原料转化获得，如生物质、煤炭、焦炭等，也可通过天然气重整制取。当前制备合成气的工艺主要是以天然气重整以及煤气化发展而来。利用煤气化制取合成气，会产生SO2等有害气体污染空气，制合成气的同时排放CO2，需要后续处理对环境的污染。虽然天然气重整过程无环境污染问题，但是天然气价格高，使用的催化剂昂贵，且转化过程中容易存在催化剂失活等问题。使用清洁、储量丰富的水资源制备合成气，有潜能替代煤或天然气制取合成气，可实现合成气制备工艺过程的清洁及高效转化。
[0003]目前水制备合成气的方法主要包括水电解，光催化水裂解及水煤气反应，其中电解水工艺相对成熟，产物纯净，但需要贵金属催化剂的引入，催化剂活性和稳定性是难以解决的瓶颈；光催化的研究在近年来成为热点，但同样对催化剂的选择性高。水煤气反应制备合成气的反应式包括：
[0004]C+H2O
→
CO+H2ΔH＝131kJ/mol(1)；
[0005]C+2H2O
→
CO2+2H2ΔH＝90.2kJ/mol(2)；
[0006]C+CO2→
2COΔH＝173.8kJ/mol(3)。
[0007]上述反应均为吸热反应，反应温度大于800℃，能耗高；受反应的热力学控制，H2与COx的摩尔比难以达到理论值2；且制备合成气的主反应为式(1)，副反应(2)和(3)的发生使得水炭气化效率低，由于反应(2)发生所需热量更低，受传统加热方式的限制，合成气中含有大量CO2气体，产物中组分比例难以调控，影响合成气的品质，并且炭未实现完全利用。论文(10.19912/j.0254
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0096.2020.08.047)报道了玉米秸秆焦炭水蒸气强化气化制取富氢气体的实验研究，将Fe2O3、CaO和Na2CO3以一定比例压缩混合到玉米秸秆中，使用经过热解得到改性的生物质炭作为水蒸气气化的原料，在750
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950℃进行水蒸气气化实验，所得气体产物中CO2的体积分数均高于20％。专利CN112063394A公开了一种废弃生物质气化生产富氢合成气的方法，通过水热处理将生物质提质为水热炭，然后水热炭在Al2O3、黏土矿物、分子筛等负载的Ni、Fe金属催化剂催化下在750
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900℃气化制备富氢气体，最高的H2体积分数为72.56％，CO为22.7％，CO2为2.1％，CH4为2.64％。该专利中，氢气的体积分数较高，但氢碳摩尔比调控性较差，氢碳摩尔比接近1时，CO2和CH4的体积分数相应增加。
[0008]微波加热也被用来进行水炭气化制氢，专利CN114958434A公开了一种生物质微波热解气化制氢的方法，在生物质中混入活性炭和NiO/CaO催化剂进行微波裂解并水蒸气气化，所得气体产物主要以H2、CO2和CH4为主。专利CN103387853A公布了一种生物炭微波气化制合成气的方法，生物质原料在微波反应器中炭化后，在500
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900℃进行水蒸气气化，
在K2O、SiO2、MgCO3、CuO和CaO等催化剂催化下所得气体产物中H2+CO的值最高为99.35％，CO2体积分数为0.74％，CH4的体积分数为0.21％。该技术中合成气杂质较少，合成气比例极高，氢碳摩尔比接近理论值1，但该效果通过碱性金属作为催化剂和CO2吸收剂实现，增加催化剂消耗，由于反应高温进行，需要考虑催化剂稳定性；气化脱除挥发分的时间为20
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50min。现有的微波技术中微波频率固定为2450MHz，只能对部分吸波材料产生作用，从而对吸波剂提出较高要求；另外通常需要500
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1000W的功率，能量利用率低，不能实现水煤气反应向高品质合成气的完全转化。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，提高反应速率，调节气体组分，定向调控合成气品质。
[0010]为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0011]一种变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，以生物质炭为吸波剂和反应物、水经预热炉气化后通入微波反应器，水蒸气自上而下通过炭床层，发生水煤气反应C+H2O＝CO+H2，生成合成气；微波频率为3550
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5700MHz，功率为200
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500W，反应器温度为700
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880℃。
[0012]所述变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，生物质炭为杉木炭、稻壳炭或竹炭中的任一种。
[0013]所述变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，以杉木炭为吸波剂和反应物时，微波频率为3550
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4225MHz、功率为200W，反应温度800
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880℃；优选，微波频率为4225MHz，反应器温度为880℃。
[0014]所述变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，以稻壳炭为吸波剂和反应物时，微波频率为4400MHz、功率为200W，反应器温度为713℃。
[0015]所述变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，以竹炭为吸波剂和反应物时，微波频率为4225MHz、功率为500W，反应器温度为746℃。
[0016]所述变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，包括以下步骤：
[0017]第一步，在内径8mm的石英管中装填石英棉，将3g活性炭缓慢装入石英管内，装填石英棉固定；
[0018]第二步，将石英管接入反应系统，检查气密性，通入氮气吹扫反应系统并保持反应器为惰性气氛；
[0019]第三步，开启微波电源，将变频微波通过微波馈口输入微波谐振腔，反应物不同频率微波后开始升温，通过石英管轴截面的红外测温仪及热成像仪实时检测催化剂温度变化；
[0020]第四步：到达反应温度并保持稳定后，停止氮气通入，水经预热炉气化后通入反应器；
[0021]第五步：反应结束后，利用气体采样袋收集气态产物在气相色谱中离线分析。
[0022]相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0023]1、本专利技术基于微波频率可连续调节的特性，对不同种类生物质炭提供最佳微波吸
收频率，首次研究了生物炭在变频微波中的吸波特性，减少了微波加热对吸波剂种类的限制，提高微波利用率，有利于降低生物质炭的预处理能耗。
[0024]2、微波频率与生物质炭材料的适应性降低了反应活化能，根据反应吸热放热效应，进行微波频率和功率的双本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，其特征在于，以生物质炭为吸波剂和反应物、水经预热炉气化后通入微波反应器，水蒸气自上而下通过炭床层，发生水煤气反应生成合成气；微波频率为3550
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5700MHz，功率为200
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500W。2.根据权利要求1所述变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，其特征在于，生物质炭为杉木炭、稻壳炭或竹炭中的任一种。3.根据权利要求1所述变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，其特征在于，以杉木炭为吸波剂和反应物时，微波频率为3550
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4225MHz、功率为200W，反应温度800
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880℃。4.根据权利要求1所述变频微波定向调控水煤气反应高效制合成气的方法，其特征在于，以稻壳炭为吸波剂和反应物时，微波频率为4400MH...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋剑春，王佳，任菊荣，王傲，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：