CN107805510B - 一种固体有机质热解气化耦合重整净化反应器 - Google Patents

一种固体有机质热解气化耦合重整净化反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，包括热解气化反应区、设置在热解气化反应区侧端的重整反应区以及重整过滤区；所述热解气化反应区顶部设有物料进口和第一催化剂进口，底部设有第一返料阀；所述热解气化反应区与重整反应区之间上部通过隔板分离，下部通过格栅分离，所述隔板和格栅相互连接；所述重整反应区顶部分别设有气体产物出口和第二催化剂进口，底部设有第二返料阀；所述重整过滤区设置在重整反应区与气体产物出口之间，顶部设有第三催化剂进口，下部设有调节阀。该反应器集热解气化、重整与过滤功能于一体，无需流化风，具有气相产物不含焦油、热值高，组成易于控制，反应器结构紧凑，易于布置的显著优点。

Description

一种固体有机质热解气化耦合重整净化反应器
技术领域
本发明属于能源利用领域，具体涉及一种固体有机质热解气化耦合重整净化反应器。
背景技术
煤炭、生物质、城市生活垃圾等固体有机质在不同的反应条件下进行热解时，都会生成气体、液体和固体三相产物。采用气化的方式制取合成气，再进行后续的合成转化是最具有发展潜力技术之一，被称为间接液化。其中气化技术是间接液化的基础和关键。
气化技术按是否使用气化剂可分为使用气化剂和不使用气化剂两种。使用气化剂气化可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、二氧化碳气化和混合气化等。研究发现，使用气化剂的气化反应过程是个复杂的多组分多类型的化学反应体系，包括氧化反应、还原反应以及固体物质的裂解等。由于气化反应总体是一个吸热反应，必须提供足够热量才能维持反应进行，因此，选择气化剂一般包括空气或者氧气。使用空气作气化剂，由于空气中含有大量的氮气，导致产品中合成气热值低，后续分离成本高；使用氧气作气化剂，则需要增加一套空分设备。不用气化剂气化只有热解气化一种，它是在完全无氧的情况下进行的气化反应，具有产物热值高、反应过程简单的优点，但是如何提供外部热源成为了关键问题，因此，气化反应器和反应工艺的设计成为了重点。
气化反应器主要分为固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉根据气体出口及炉型结构的不同，可分为下吸式、上吸式、横吸式和开心式等，其优点是装置结构简单，坚固耐用，运行方便可靠，操作和投资费用低；缺点是内部反应过程难以控制，传热和传质较差，易产生焦油和架桥，生产强度小，不适应规模化发展的要求。流化床气化炉根据流化状态可分为鼓泡流化床、循环流化床和气流床等，其优点是传热传质均匀，气化反应速度快，碳转化率高，易工业放大；缺点是设备结构复杂，固定投资大，原料需粉碎细化，可燃气中灰分含量高且存在焦油。
目前限制气化技术发展和工业化的主要障碍是副产物焦油的消除问题。焦油的存在容易导致气化***的堵塞、腐蚀和设备的损坏，引起下游催化剂的失活以及严重的环境污染等。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，该反应器集热解气化、重整与过滤功能于一体，无需流化风，具有气相产物不含焦油、热值高，组成易于控制，反应器结构紧凑，易于布置的显著优点。
本发明所提供的技术方案为：
一种固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，包括热解气化反应区、设置在热解气化反应区侧端的重整反应区以及重整过滤区；
所述热解气化反应区顶部设有物料进口和第一催化剂进口，底部设有第一返料阀；所述热解气化反应区与重整反应区之间上部通过隔板分离，下部通过格栅分离，所述隔板和格栅相互连接；所述重整反应区顶部分别设有气体产物出口和第二催化剂进口，底部设有第二返料阀；所述重整过滤区设置在重整反应区与气体产物出口之间，顶部设有第三催化剂进口，下部设有调节阀。
上述技术方案中，原料固体有机质颗粒由物料进口进入，热解气化催化剂由第一催化剂进口进入，两者通过相互碰撞在热解气化反应区实现快速混合升温并剧烈反应，热解气化反应区生成的气相产物通过格栅进入重整反应区内，与重整反应区内的重整催化剂接触继续进行重整反应，重整后的气体通过重整过滤区进行进一步地重整并起到了过滤气相产物中粉尘的作用。反应后的催化剂通过返料阀进入催化剂再生***。
优选的，所述固体有机质颗粒包括煤、生物质、城市生活垃圾等。
优选的，所述重整过滤区与重整反应区和气体产物出口接触的壁面采用筛网；所述筛网的孔径小于重整过滤区内催化剂的粒径。
优选的，所述重整过滤区内反应状态为移动床，催化剂下落速度通过调节调节阀来控制。
优选的，所述热解气化反应区内设有若干物料混合板；所述物料混合板的形状为三菱柱，相互之间平行设置且分层错位排列，所述物料混合板的层数为8-30层。物料混合板能够增加固体有机质颗粒与催化剂之间接触面积，促进反应完全。进一步优选为8～11层。
优选的，所述重整反应区内设有若干物料混合板；所述物料混合板的形状为三菱柱，相互之间平行设置且分层错位排列，所述物料混合板的层数为3-10层。物料混合板能够增加气相产物与催化剂之间接触面积，促进反应完全。进一步优选为3～5层。
优选的，所述物料混合板的横截面为等腰三角形，顶角范围为45-90°。
优选的，所述格栅由倒V字形格栅板间隔排列组成；所述倒V字形格栅板为不对称结构，位于热解气化反应区一侧板边与竖直方向的夹角小于位于重整反应区的一侧板边与竖直方向的夹角。
优选的，位于热解气化反应区一侧板边与竖直方向的夹角范围为15-45°；位于重整反应区一侧板边与竖直方向的夹角范围为15-75°。
优选的，所述倒V字形格栅板位于热解气化反应区一侧板边的底部位置低于下一层倒V字形格栅板的顶部位置；所述倒V字形格栅板位于重整反应区一侧板边的底部位置齐平于下一层倒V字形格栅板的顶部位置。
优选的，所述倒V字形格栅板之间的间隔距离小于热解气化反应区中催化剂的粒径。
优选的，所述第一催化剂进口竖直设置于热解气化反应区顶部；所述物料进口包括二个，分别倾斜设置于热解气化反应区顶部。
优选的，二个所述物料进口对称设置在热解气化反应区顶部，且物料进口与第一催化剂进口的夹角为15-75°。
优选的，所述第二催化剂进口和第三催化剂进口并联竖直设置于重整反应区顶部。
优选的，所述重整反应区包括两个，对称设置在热解气化反应区两侧。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明所提供的反应器集热解气化、重整与过滤功能于一体，无需流化风，具有气相产物不含焦油、热值高，组成易于控制，反应器结构紧凑，易于布置的显著优点。
附图说明
图1为实施例中固体有机质热解气化耦合重整净化反应器的结构示意图。
其中，1、热解气化反应区；2、重整反应区；3、重整过滤区；4、隔板；5、格栅；6、物料混合板；7、第一催化剂进口；8、物料进口；9、第二催化剂进口；10、第三催化剂进口；11、筛网；12、气体产物出口；13、第一返料阀；14、第二返料阀；15、调节阀。
具体实施方式
如图1所示，固体有机质热解气化耦合重整净化反应器包括热解气化反应区1、设置在热解气化反应区1两侧的重整反应区2以及重整过滤区3。
其中，热解气化反应区1的整体形状实际生产中可以为竖直长方体，顶部设有两个物料进口8和第一催化剂进口7，底部设有第一返料阀13。第一催化剂进口7竖直设置于热解气化反应区1顶部，而两个物料进口8则分别对称倾斜设置在热解气化反应区1顶部，物料进口8与第一催化剂进口7的夹角为40°。
由于热解气化反应区1两侧的重整反应区2为对称设置，此处仅介绍一侧的重整反应区2。热解气化反应区1和两侧的重整反应区2均设置在反应器内。热解气化反应区1与重整反应区2之间上部通过隔板4分离，下部通过格栅5分离，隔板4和格栅5相互连接将两个区域分开。
隔板4采用实心板，将热解气化反应区1与两侧的重整反应区2隔离开。而格栅5由倒V字形格栅板间隔排列组成，倒V字形格栅板为不对称结构，位于热解气化反应区1一侧板边与竖直方向的夹角小于位于重整反应区2的一侧板边与竖直方向的夹角。位于热解气化反应区1一侧板边与竖直方向的夹角范围为30°；位于重整反应区2的一侧板边与竖直方向的夹角范围为45°。倒V字形格栅板位于热解气化反应区1一侧板边的底部位置低于下一层倒V字形格栅板的顶部位置；倒V字形格栅板位于重整反应区2一侧板边的底部位置齐平于下一层倒V字形格栅板的顶部位置。此外，倒V字形格栅板之间的间隔距离小于热解气化反应区1中热解气化催化剂的粒径。
重整反应区2顶部分别设有气体产物出口12和第二催化剂进口9，而底部设有第二返料阀14。而重整过滤区3则设置在重整反应区2与气体产物出口12之间，顶部设有第三催化剂进口10，下部设有调节阀15，重整过滤区3内反应状态为移动床，重整催化剂下落速度通过调节调节阀15来控制。
重整过滤区3与重整反应区2和气体产物出口12接触的壁面采用筛网11，筛网11的孔径小于重整过滤区3内重整催化剂的粒径。此外，第二催化剂进口9和第三催化剂进口10并联竖直设置于重整反应区2顶部。
另外，热解气化反应区1和重整反应区2内均设有若干物料混合板6，物料混合板6的形状为三菱柱，两端分别固定于热解气化反应区1和重整反应区2的两侧壁面。物料混合板的横截面为等腰三角形，顶角角度为90°，相互之间平行设置且分层错位排列，热解气化反应区1中的物料混合板6的层数为11层，重整反应区2中的物料混合板6的层数为3层。
工作过程如下：
原料固体有机质颗粒通入到物料进口8，固体有机质可以为煤、生物质、城市生活垃圾等，而热解气化催化剂则通入到第一催化剂进口7，两者通过相互碰撞在热解气化反应区1实现快速混合升温并剧烈反应，热解气化反应区1内的若干物料混合板6促进原料与热解气化催化剂的接触反应。
由于热解气化反应区1与重整反应区2的“W”型结构设置，使得热解气化反应区1生成的气相产物，会从热解气化反应区1底部通过格栅5进入重整反应区2内，与重整反应区2内的重整催化剂接触继续进行重整反应，重整反应区2内的重整催化剂由第二催化剂进口9通入。而重整反应区2内的若干物料混合板6同样也促进了气相产物与重整催化剂的接触反应。
反应后的气体进入重整过滤区3进一步反应，过滤催化剂由第三催化剂进口10通入，并起到了过滤气相产物中粉尘的作用。热解气化反应区1和重整反应区2反应后的催化剂，分别通过第一返料阀13和第二返料阀14分别进入催化剂再生***。

Claims (7)

1.一种固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，其特征在于，包括热解气化反应区、设置在热解气化反应区侧端的重整反应区以及重整过滤区；
所述热解气化反应区顶部设有物料进口和第一催化剂进口，底部设有第一返料阀；所述热解气化反应区与重整反应区之间上部通过隔板分离，下部通过格栅分离，所述隔板和格栅相互连接；所述重整反应区顶部分别设有气体产物出口和第二催化剂进口，底部设有第二返料阀；所述重整过滤区设置在重整反应区与气体产物出口之间，顶部设有第三催化剂进口，下部设有调节阀；
所述重整过滤区与重整反应区和气体产物出口接触的壁面采用筛网；所述筛网的孔径小于重整过滤区内催化剂的粒径；
所述热解气化反应区内设有若干物料混合板；所述热解气化反应区中物料混合板的形状为三菱柱，相互之间平行设置且分层错位排列，所述热解气化反应区中物料混合板的层数为8-30层；
所述重整反应区内设有若干物料混合板；所述重整反应区中物料混合板的形状为三菱柱，相互之间平行设置且分层错位排列，所述重整反应区中物料混合板的层数为3-10层。
2.根据权利要求1所述的固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，其特征在于，所述格栅由倒V字形格栅板间隔排列组成；所述倒V字形格栅板为不对称结构，位于热解气化反应区一侧板边与竖直方向的夹角小于位于重整反应区的一侧板边与竖直方向的夹角。
3.根据权利要求2所述的固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，其特征在于，所述倒V字形格栅板位于热解气化反应区一侧板边的底部位置低于下一层倒V字形格栅板的顶部位置；所述倒V字形格栅板位于重整反应区一侧板边的底部位置齐平于下一层倒V字形格栅板的顶部位置。
4.根据权利要求2所述的固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，其特征在于，所述倒V字形格栅板之间的间隔距离小于热解气化反应区中催化剂的粒径。
5.根据权利要求1所述的固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，其特征在于，所述第一催化剂进口竖直设置于热解气化反应区顶部；所述物料进口包括二个，分别倾斜设置于热解气化反应区顶部。
6.根据权利要求1所述的固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，其特征在于，所述第二催化剂进口和第三催化剂进口并联竖直设置于重整反应区顶部。
7.根据权利要求1所述的固体有机质热解气化耦合重整净化反应器，其特征在于，所述重整反应区包括两个，对称设置在热解气化反应区两侧。
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