CN101328423A - 超绝热部分氧化焦油焦碳清除及气体重整方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热解及气化过程中焦油焦碳的清除方法及可燃气体重整方法与装置。其特征是：热解、气化气体进入一段带有喷嘴的多孔陶瓷超绝热部分氧化清除焦油、焦碳装置，在多孔陶瓷前端或者陶瓷体内部进行部分燃烧，燃烧产生的高温对多孔陶瓷体进行蓄热。在这个过程中，可燃气体中的焦油在多孔陶瓷的超绝热环境中被裂解形成小分子气体；可燃气体中的烷烃类气体成分在多孔陶瓷内部发生重整反应。焦碳在多孔陶瓷中被完全氧化，从而达到清除焦碳的目的。本发明的效果和益处是：多孔陶瓷或者多孔陶瓷催化剂表面无焦油和焦碳附着，不会发生因焦碳以及焦油的附着而失活的现象，重整后气体的中焦油和焦碳含量几乎为零，燃气热值提高。

Description

超绝热部分氧化焦油焦碳清除及气体重整方法与装置
技术领域
本发明属于焦油焦碳清除及气体重整方法技术领域，涉及一种超绝热部分氧化焦油焦碳清除及气体重整方法及装置。特别涉及到将有机燃料包括煤、生物质、普通废弃物、工业有机废物、废塑料、废橡胶、垃圾衍生燃料等固体可燃物在热解、气化装置内进行热化学转化，对过程中产生的焦油和焦碳进行清除、对产生的粗可燃气体进行重整的方法和装置。
背景技术
有机固体废弃物产量巨大，储量丰富，对其能源回收再利用具有重要意义。焚烧、热解及气化等热化学转化技术是处理有机固体废弃物的有效方法之一。热解、气化技术是固体废弃物热化学转化的主要方法。其原理是将有机固体废弃物在气化介质(空气、氧气、水蒸气及其混合物)的参与下(热解是在无氧条件下)，通过热化学的方法转化为可燃气体、焦油以及焦碳的过程，已经成为当前发展最为迅速的能源化利用技术之一。按照炉型分类主要有固定床、流化床、鼓泡床等。
但是在有机固体废弃物的热解、气化等热化学转化过程中存在很多问题，其主要表现为产生的可燃气体热值较低，可燃气体中焦油和焦碳含量较高等问题。燃气热值较低导致燃气的高值利用降低，不能作为燃料大规模应用于工业生产、汽轮机、内燃机等设备；而产生的焦油是一种大分子烃类有机物，低温时(200℃以下)易凝结为液体或固体，易与水、灰以及碳黑结合形成固体粘状或块状物，给过程设备、内燃机和汽轮机的运行带来严重问题。
目前对焦油的解决方法主要有两种：一是水洗脱除焦油方法。这种方法通过将气化、热解产生的可燃气体通过水溶液达到清除的目的，虽然对可燃气体的净化有一定效果，但是造成了严重的环境污染和资源浪费。二是焦油的催化裂解方法。这种方法是利用不同的催化剂对焦油进行催化裂解达到消除焦油的目的。这种方法具有处理成本低，清洁无污染以及改善可燃气体产率和燃气热值的优点。但是，其存在的问题是燃气中的焦油和碳黑对催化剂的表面覆盖能力较强，造成了催化剂活性丧失较快，催化效率下降等问题。近年来，虽然有的学者利用贵金属作为催化剂对焦油清除效果能有一定改善，但催化剂昂贵的价格造成了生产成本的增加。另外由于实际的热解、气化产生的粗可燃气体中含带有大量的碳黑，这些碳黑对催化剂表面具有较强的吸附性，而催化剂本身对碳黑没有清除功能，这就大大影响了催化剂的催化性能和催化效果。当前使用的催化剂，在形态上绝大多数为颗粒状或者粉体状催化剂，这些催化剂比表面积小，对环境要求高，分散不紧凑等问题，其受工艺条件以及催化效率的限制，催化剂的实用性受到较大的限制。
发明内容
本发明目的是提供了一种超绝热部分氧化焦油焦碳清除及气体重整方法与装置。解决了基于多孔陶瓷重整催化的，广泛应用于气化、热解热化学转化过程的焦油、焦碳清除及可燃气体重整方法和装置。
本发明的技术方案包括多孔陶瓷催化剂的制备方法和焦油焦碳清除方法及装置，以下分别叙述两种方案的具体步骤。
方案一
本发明的多孔陶瓷催化剂的制备方法主要有两种：
(1)在多孔陶瓷的最初生产加工过程中，通过在多孔陶瓷的基本组成成分，如氧化铝、堇青石或碳化硅中添加不同比例的金属或金属氧化物，如NiO、CeO、MgO、CaO、ZnO、Fe2O3、Co、Pt、Rh、Ru或Pd，从而实现对陶瓷催化性能的改性，然后通过对多孔陶瓷进行烧制，制成具有催化剂性能的多孔陶瓷体；
(2)以普通的商业多孔陶瓷作为催化剂载体，将多孔陶瓷浸泡于不同金属盐化合物溶液中，如硝酸盐化合物、碳酸盐化合物、硫酸盐化合物等，并对其进行干燥处理，然后再将其在400-1200℃温度下进行煅烧，从而达到将金属的氧化物均匀涂敷于多孔陶瓷空隙内壁面以及陶瓷外表面上的目的，实现多孔陶瓷的催化剂功用。
方案二
不同热化学转化过程中的焦油焦碳清除方法及装置。
从不同热解、气化反应炉排出的热解、气化可燃气体，直接进入超绝热部分氧化清除焦油、焦碳装置。该装置为一段带有喷嘴的多孔陶瓷重整装置，热解、气化气体在通过多孔陶瓷体前，在多孔陶瓷前端或者陶瓷体内部进行部分燃烧，燃烧产生的高温对多孔陶瓷体进行加热，由于多孔陶瓷本身特有的蓄热性，充分吸收反应放出的热量，通过热电偶的温度监控，自动调解空气、氧气、水蒸气或者由这些气体所组成的混合气的供给量；由于供给的空气或者氧气量很少，在高温及氧化的条件下，局部形成一个高温燃烧区，在气体通过多孔陶瓷体的过程中，实现多孔陶瓷体的蓄热，使多孔陶瓷体的温度保持恒定，温度恒定在500-1200℃。
以普通的商用多孔陶瓷或者以所述的多孔陶瓷催化剂为焦油催化裂解重整载体，在500-1200℃的温度下，含有焦油的热解、气化气体通过上述多孔陶瓷体，气体中的焦油在部分氧化高温和催化作用下被裂解，焦油中的大分子碳氢化合物被迅速分解，形成H2、CO、CO2、CH4、H2O以及其它C2-C3气体；通过设置于多孔陶瓷前端或多孔陶瓷体内部的喷嘴，将氧气或空气输入气化、热解气中，可燃气体在流经多孔陶瓷的过程中发生部分燃烧，多孔陶瓷体被加热，可燃气体中含有的焦碳被氧化为CO和CO2；被多孔陶瓷中的细孔捕获的焦油和焦碳附着于多孔陶瓷孔隙内壁面，被多孔陶瓷管腔捕获的焦油和焦碳在高温陶瓷体的微小管径中被氧化、分解，生成H2、CO、CO2、CH4，H2O以及小分子碳氢化合物等气体，从而达到对焦油和焦碳脱除的目的。
热解、气化产生的可燃气体与氧气、空气、水蒸气以及由这些气体组成的混合气进行接触反应，10-30％可燃气体经过氧化反应被消耗用以保持陶瓷体热量的稳定，剩余70-90％可燃气体以及氧化产物在水蒸气的作用下发生重整反应，可燃气体中的烷烃类气体成分在水蒸气以及多孔陶瓷体催化剂的作用下，在多孔陶瓷内部发生重整反应生成H2、CO、CO2和CH4。
本发明的效果和益处是：多孔陶瓷催化剂具有结构紧凑，安全高效，环境友好，催化效率高、反应选择性显著，以及良好的蓄热性，较大的比表面积，焦油焦碳脱除率高等优点。通过清除多孔陶瓷表面附着的焦油和焦碳，解决了因焦油、焦碳吸附于多孔陶瓷表面而造成多孔陶瓷催化剂的催化性能下降的问题，从而大大延长催化剂寿命，增强催化效果。
附图说明
附图是超绝热部分氧化焦油焦碳清除及可燃气体重整装置示意图。
图中：1热解、气化产气；2进气口管；3点火装置；4保温层；5普通多孔陶瓷或多孔陶瓷催化剂；6耐火材料炉管；7出气口管；8出口可燃气流；9氧气或者重整介质气源；10调节阀；11气体流量计；12燃烧喷嘴；13热电偶；14温度控制器；15不锈钢管。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的一种超绝热部分氧化焦油焦碳清除及可燃气体重整装置。
本发明的超绝热部分氧化焦油焦碳清除及可燃气体重整装置由普通多孔陶瓷体或由多孔陶瓷催化剂为不锈钢管15的填充物、气源供应装置以及耐火材料炉管装置组成。不锈钢管15内置于耐火材料炉管6中，耐火材料炉管6外层由保温层4包裹保温，将以普通多孔陶瓷或多孔陶瓷催化剂5作为填充物放置于不锈钢管15管道内。在多孔陶瓷前端或者内部设置一个燃烧喷嘴12，氧气或者重整介质气源9通过这个喷嘴进入不锈钢管15内；在喷嘴前端带有一个用于启动反应的点火装置3，在喷嘴附近处以及多孔陶瓷内部各设置一只热电偶13，热电偶与温度控制器14连接；氧气或者重整介质气源9的供气量以及控制***由气体流量计11和调节阀10组成；进气口管2与产气装置连接，出气口管7与可燃气体出口管道连接。
根据温度控制仪显示的部分燃烧温度自动调节氧气加入量，保持多孔陶瓷体温度稳定于在500-1200℃范围之间的某一温度。多孔陶瓷或者多孔陶瓷催化剂可耐受1400℃以上的高温。反应启动时采用电子打火。整个重整器应具有良好的保温性能，防止热量损失造成重整温度下降。

Claims (4)

1.一种超绝热部分氧化焦油焦碳清除及气体重整方法，其中焦油焦碳清除以及可燃气体重整多孔陶瓷催化剂的制备方法，其特征在于：
a)在多孔陶瓷的最初生产加工过程中，通过在多孔陶瓷的基本组成成分，如氧化铝、堇青石或碳化硅中添加不同比例的金属或金属氧化物，如NiO、CeO、MgO、CaO、ZnO、Fe2O3、Co、Pt、Rh、Ru或Pd，从而实现对陶瓷催化性能的改性，然后通过对多孔陶瓷进行烧制，制成具有催化剂性能的多孔陶瓷体；
b)以普通的商业多孔陶瓷作为催化剂载体，将多孔陶瓷浸泡于不同金属盐化合物溶液中，如硝酸盐化合物、碳酸盐化合物、硫酸盐化合物，并对其进行干燥处理，然后再将其在400-1200℃温度下进行煅烧，从而达到将金属的氧化物均匀涂敷于多孔陶瓷空隙内壁面以及陶瓷外表面上的目的，实现多孔陶瓷的催化剂功用。
2.一种超绝热部分氧化焦油焦碳清除及气体重整方法，其特征在于：
c)以普通的商用多孔陶瓷或者以所述的多孔陶瓷催化剂为焦油催化裂解重整载体，在500-1200℃的温度下，含有焦油的热解、气化气体通过上述多孔陶瓷体，气体中的焦油在高温和催化作用下被裂解，焦油中的大分子碳氢化合物被迅速分解，形成H2、CO、CO2、CH4、H2O以及C2-C3气体；
d)以普通的商用多孔陶瓷或者以所述的多孔陶瓷催化剂为重整载体，在500-1200℃的温度下，含有焦碳的热解、气化气体通过上述多孔陶瓷体，通过设置在多孔陶瓷前端或多孔陶瓷体内部的喷嘴，将氧气或空气输入气化、热解气中，可燃气体在流经多孔陶瓷的过程中发生部分燃烧，多孔陶瓷体被加热，可燃气体中含有的焦碳被氧化为CO和CO2。
3.一种超绝热部分氧化焦油焦碳清除及气体重整方法，其特征在于：热解、气化产生的可燃气体与氧气、空气、水蒸气以及由这些气体组成的混合气进行接触反应，10-30％可燃气体经过氧化反应被消耗用以保持陶瓷体热量的稳定，剩余70-90％可燃气体以及氧化产物在水蒸气的作用下发生重整反应，可燃气体中的烷烃类气体成分在水蒸气以及多孔陶瓷体催化剂的作用下，在多孔陶瓷内部发生重整反应生成H2、CO、CO2和CH4。
4.一种超绝热部分氧化焦油、焦碳清除及可燃气体重整装置，其特征在于：装置由普通多孔陶瓷体或多孔陶瓷催化剂为不锈钢管(15)的填充物、气源供应装置以及耐火材料炉管装置组成；不锈钢管(15)内置于耐火材料炉管(6)中，耐火材料炉管(6)外层由保温层(4)包裹保温，将以普通多孔陶瓷或多孔陶瓷催化剂(5)作为填充物放置于不锈钢管(15)管道内；在多孔陶瓷前端或者内部设置一个燃烧喷嘴(12)，氧气或者重整介质气源(9)通过这个喷嘴进入不锈钢钢管内；在喷嘴前端带有一个用于启动反应的点火装置(3)，在喷嘴附近处以及多孔陶瓷内部各设置一只热电偶(13)，热电偶与温度控制器(14)连接；氧气或者重整介质气源(9)的供气量以及控制***由气体流量计(11)和调节阀(10)组成；进气口管(2)与产气装置连接，出气口管(7)与可燃气体出口管道连接。
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