CN110437857A - 一种催化剂可再生的高温催化热解生活垃圾滤氢装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化剂可再生的高温催化热解生活垃圾滤氢装置及方法。所述装置包括流化床热解炉、微波发生器、催化剂可再生的催化剂床、燃烧炉和旋风分离器；流化床热解炉底部设置气体入口，微波发生器设置在流化床热解炉的侧壁和催化剂可再生的催化剂床的底部或侧壁，旋风分离器的入口连接至流化床热解炉的热解气出口，底部连接至流化床热解炉下部，旋风分离器的气体出口连接至催化剂床，催化剂可再生的催化剂床的气体出口连接至燃烧炉。本发明可进行微波辅助高温热解生活垃圾、实现催化剂再生和氢气的滤除，提高催化热解的效率，减少外部能量供给，在实现生活垃圾的资源化利用的同时节约能源，且能有效提高装置的使用年限，经济环保。

Description

一种催化剂可再生的高温催化热解生活垃圾滤氢装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制取过程连续的高温热解生活垃圾制取气体燃料的***，尤其涉及一种催化剂可再生的高温催化热解生活垃圾滤氢装置及方法。

背景技术

现如今，经济社会快速发展，城市化进程不断加快，城市生产与生活中产生的垃圾废物也迅速增加。研究发现，城市垃圾具有资源性和危害性并存的特点。一方面，城市生活垃圾的大量增加，给生态环境带来严重影响，导致垃圾处理用地问题非常严峻；另一方面，生活垃圾中蕴含有大量的生物质能，生物质因其清洁可再生等优点成为制备可再生清洁能源的最佳原料，若能将生活垃圾进行产业化、资源化、减量化和无害化的技术性处理，则有利于解决能源危机和环境恶化问题，其生态效益与经济效益必将十分可观。

对于生活垃圾的无害化处理，国内目前主要的方式为填埋、焚烧、堆肥和热解。相比于其他处理方式，热解能够使生活垃圾中的有机固体废物在无氧或缺氧条件下进行高温分解，其分解产物无害化显著，二次污染小，且可进行资源化的充分利用，响应了节能减排的号召，十分符合现如今生态环境保护先行的大环境。

在现阶段的热解技术中，微波辅助高温热解作为一种新兴技术应用于生物质转化制备可再生能源领域优势突出，但仍存在加热不均匀、催化剂利用效率低下、热解后因有氢气产生而使得运行过程在高温环境下存在安全隐患等缺陷，其中催化剂利用率不高及装置的安全性问题尤为突出。在催化热解过程中，若升温速率较低，催化反应窗口温度不高，会使得热解产物易发生碳化，造成催化剂床孔道堵塞，使其钝化、失活，从而导致催化剂利用效率低，使催化剂床的运行维护费用升高，经济性降低，严重影响了反应装置处理生活垃圾的效率及气体燃料的产量和产率。故如何在催化热解过程中实现催化剂床的优化升级以及提高装置的安全性成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的微波辅助催化高温热解技术中催化效率低下及安全性不高的难题，从而提供一种催化剂可再生的高温催化热解生活垃圾滤氢装置及方法，其能够改善因热解产物碳化导致催化剂床失活的催化剂可再生且可进行滤氢处理。

本发明的目的至少通过以下技术方案之一实现。

一种催化剂可再生的高温催化热解生活垃圾滤氢装置，包括流化床热解炉、微波发生器、催化剂可再生的催化剂床、燃烧炉和旋风分离器；流化床热解炉底部设置气体入口，内部有床料，微波发生器设置在流化床热解炉的侧壁和催化剂可再生的催化剂床的底部或侧壁，旋风分离器的入口连接至流化床热解炉的热解气出口，旋风分离器的底部连接至流化床热解炉的下部，旋风分离器的气体出口连接至催化剂可再生的催化剂床，催化剂可再生的催化剂床的气体出口连接至燃烧炉。

进一步的，所述催化剂可再生的催化剂床分为催化区和壁式换热区，催化剂床为圆盘状，壁式换热区位于圆盘的外周，催化区被壁式换热区包围，催化区设置有盲孔管，盲孔管为具有选择性透过氢气的微孔陶瓷过滤管，防止氢在高温下与空气中的氧结合而发生***，提高装置的安全性。

进一步的，壁式换热区设置有U型管道，便于实现均匀加热，用于加热催化区实现催化剂再生和催化反应。

进一步的，述流化床热解炉外壁设置夹套，且夹套中填充换热流体。本发明中使用经过催化剂床余热利用后的烟气作为换热流体。

进一步的，还包括便于进料的螺旋给料器和料斗，料斗连接至螺旋给料器的进料口，螺旋给料器的出料口连接至流化床热解炉，为流化床热解炉输送物料。

进一步的，所述燃烧炉的烟气出口连接至催化剂可再生的催化剂床的U型管道的入口，U型管道的出口连接至流化床热解炉的夹套。

进一步的，流化床热解炉的顶部设置烟气出口，底部设置排渣口，热解时产生的固体残渣到达热解炉排渣口并排出；燃烧炉底部设置辅助燃料进口。

采用上述装置进行高温催化热解生活垃圾滤氢的方法，包括如下步骤：

（1）经过干燥处理后的生活垃圾通过螺旋给料器进入流化床热解炉进行热解，从底部气体进口通入的惰性气体与床料形成流化态，使热解反应置于无氧的环境；为改善加热的均匀性，所述流化态的流化数可调，且微波发生器可改善升温速率，实现流化床热解炉内的快速、均匀升温，以确保催化床层在催化反应温度窗口内；

（2）经热解后生成的热解气送入旋风分离器进行气固分离，得到的固体生成物通过返料输送回流化床热解炉，气态产物进入催化剂可再生的催化剂床进行催化；

（3）经催化、滤氢后得到的气体用真空抽气泵抽出并送入燃烧炉内进行燃烧；

（4）燃烧炉引出的高温烟气对催化剂可再生的催化剂床提供热量，催化剂可再生的催化剂床上附着的焦炭可与氧气在高温条件下生成二氧化碳并逸出，从而改善催化剂床因碳化而导致的钝化失活，促使催化剂再生；然后烟气携带的剩余热量进入流化床热解炉（5）为流化床热解炉换热，减少外部能量的供给。

进一步的，再生后的催化剂在使用之前，先用真空抽气泵将盲孔管内的气体抽出，避免氧气进入催化剂床内。

进一步的，所述床料为石英砂，且在热解炉和催化剂床中添加SiC，其作为微波吸收剂，便于吸收微波，达到更好的热解效果。

进一步的，催化剂可再生的催化剂床中催化温度为700-850℃。

进一步的，余热利用后的烟气通过与热解炉相连接的烟气管通向烟气处理装置，洁净后向外界排出。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

（1）本发明公开了一种更为高效、清洁的方式处理生活垃圾，减少了污染物的排放，将生活垃圾资源化利用，可缓解能源危机及环境恶化问题。

（2）利用微波辅助高温热解，微波热解工艺对水的耐受性强，无需预干燥，能有效调控反应温度并致使快速升温，且便于通过控制操作条件如微波功率、加热温度等来提高热解速率。同时，微波辅助催化热解生活垃圾中的生物质，可减少生物质低温阶段的碳化过程，避免物料与催化剂混合而导致的催化剂失活，有利于提高气体的产率和品质。

（3）催化剂床接有微波发生器，以确保催化床层在催化反应温度窗口，有利于改善其失活问题。

（4）催化剂床分为催化、抽气区和壁式换热区，可实现一床多用。催化、抽气区附有一根根陶瓷材质的盲孔管，管上有滤氢微孔，微孔形状取决于氢气分子结构，热解气经过盲孔管可将其中的氢气过滤出，防止氢在高温下与空气中的氧结合而发生***，提高装置的安全性；间壁式换热区为一圈U型的高温烟气管道，由于碳和氧气能在高温条件下生成一氧化碳并逸出，故可有效改善因热解蒸汽碳化而导致的催化剂床钝化失活、催化效率低下等问题，有利于使反应过程长期、稳定地高效进行，提高了设备的使用年限，降低了设备的运行维护费用，经济性高。同时，高温烟气的加热可促进催化剂的再生，降低了催化剂床实现可再生的成本。

（5）利用燃烧炉燃烧收集的催化热解气而产生的高温烟气，向催化剂床和流化床热解炉辅助提供所需要的热量，减少了外部能量的供给，可实现资源的充分利用。

综合以上，本发明技术简便易行、催化热解效率高、节能环保的优点，可广泛地适用于生活垃圾的处理，应用前景较广。

附图说明

图1是本发明一种催化剂可再生的高温催化热解生活垃圾制氢的工艺流程示意图；

图2是催化剂床的详细结构示意图；

图中：1 螺旋给料器；2料斗；3微波发生器；4夹套；5流化床热解炉；6物料；7床料；8旋风分离器；9催化剂床；10辅助燃料进口；11燃烧炉，12催化、抽气区；13高温烟气管道；14间壁式换热区；15盲孔管。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施做进一步说明。

实施例

如图1所示，一种催化剂可再生的高温催化热解生活垃圾制氢的装置，包括流化床热解炉5、微波发生器3、催化剂可再生的催化剂床9、燃烧炉11和旋风分离器8；流化床热解炉5底部设置气体入口，内部有床料7，微波发生器3设置在流化床热解炉5的侧壁和催化剂可再生的催化剂床9的底部或侧壁，旋风分离器8的入口连接至流化床热解炉5的热解气出口，旋风分离器5的底部连接至流化床热解炉5的下部，旋风分离器5的气体出口连接至催化剂可再生的催化剂床9，催化剂可再生的催化剂床9的气体出口连接至燃烧炉10。还包括便于进料的螺旋给料器1和料斗2，料斗2连接至螺旋给料器1的进料口，螺旋给料器1的出料口连接至流化床热解炉5，为流化床热解炉5输送物料。

如图2所示，所述催化剂可再生的催化剂床9分为催化区12和壁式换热区14，催化剂床为圆盘状，壁式换热区14位于圆盘的外周，催化区12被壁式换热区14包围，催化区12设置有盲孔管15，盲孔管15为具有选择性透过氢气的微孔陶瓷过滤管，防止氢在高温下与空气中的氧结合而发生***，提高装置的安全性。壁式换热区14设置有U型管道13，便于实现均匀加热，用于加热催化区12实现催化剂再生和催化反应。所述燃烧炉11的烟气出口连接至催化剂可再生的催化剂床9的U型管道13的入口，U型管道13的出口连接至流化床热解炉5的夹套4。流化床热解炉5的顶部设置烟气出口，底部设置排渣口，热解时产生的固体残渣到达热解炉排渣口并排出；燃烧炉11底部设置辅助燃料进口10。

所述流化床热解炉5外壁设置夹套，且夹套中填充换热流体。本发明中使用经过催化剂床余热利用后的烟气作为换热流体。

当热解炉5内热量供给不足时，可用辅助燃料10进行助燃。

采用上述装置进行热解生活垃圾制气的方法，如图1 所示包括如下步骤：

（1）经过干燥处理后的生活垃圾通过螺旋给料器1进入流化床热解炉5进行热解，热解温度控制在800℃，热解炉5内有床料7（包括不限于催化剂、石英砂）和微波吸收剂（适量的SiC），从底部气体进口通入的惰性气体与床料形成流化态，使所述热解反应置于无氧的条件下；

（2）经热解后生成的热解气送入旋风分离器8进行分离气固分离，得到的固体生成物通过返料输送回流化床热解炉5，气态产物进入催化剂可再生的催化剂床9进行催化；

（3）经催化、滤氢后得到的气体用真空抽气泵抽出并送入燃烧炉11内进行燃烧；

（4）用真空抽气泵将催化剂床9内的气体抽出并用于燃烧炉11内的燃烧，与辅助燃料10如天然气一同进行燃烧；同时高温烟气由管道输送至催化剂床9，可使其内的积炭在高温条件下氧化，促进催化剂再生；旋风分离器分离出的气态产物进入催化剂床9进行催化重整，催化温度控制在700-850℃，与之接入的微波发生器3为催化剂床9辅助提供所需要的热量，以确保催化床层在催化反应温度窗口内；再输送到流化床热解炉5，若其所携带的剩余热量可满足为热解炉5的工作运行进行供给，则再次辅助供热，减少外部能量的供给。余热利用后的烟气通过与热解炉相连接的烟气管通向烟气处理装置，洁净后向外界排出。

再生后的催化剂在使用之前，先用真空抽气泵将盲孔管内的气体抽出，避免氧气进入催化剂床内。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种催化剂可再生的高温催化热解生活垃圾滤氢装置，其特征在于，包括流化床热解炉（5）、微波发生器（3）、催化剂可再生的催化剂床（9）、燃烧炉（11）和旋风分离器（8）；流化床热解炉（5）底部设置气体入口，内部有床料（7），微波发生器（3）设置在流化床热解炉（5）的侧壁和催化剂可再生的催化剂床（9）的底部或侧壁，旋风分离器（8）的入口连接至流化床热解炉（5）的热解气出口，旋风分离器（5）的底部连接至流化床热解炉（5）的下部，旋风分离器（5）的气体出口连接至催化剂可再生的催化剂床（9），催化剂可再生的催化剂床（9）的气体出口连接至燃烧炉（10）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述催化剂可再生的催化剂床（9）分为催化区（12）和壁式换热区（14），催化剂床为圆盘状，壁式换热区（14）位于圆盘的外周，催化区（12）被壁式换热区（14）包围，催化区（12）设置有盲孔管（15），盲孔管（15）为具有选择性透过氢气的微孔陶瓷过滤管。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，间壁式换热区（14）设置有U型管道（13），用于加热催化区（12）实现催化剂再生和催化反应。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述流化床热解炉（5）外壁设置夹套，且夹套中填充换热流体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括螺旋给料器（1）和料斗（2），料斗（2）连接至螺旋给料器（1）的进料口，螺旋给料器（1）的出料口连接至流化床热解炉（5），为流化床热解炉（5）输送物料。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述燃烧炉（11）的烟气出口连接至催化剂可再生的催化剂床（9）的U型管道（13）的入口，U型管道（13）的出口连接至流化床热解炉（5）的夹套（4）。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，流化床热解炉（5）的顶部设置烟气出口，底部设置排渣口；燃烧炉（11）底部设置辅助燃料进口（10）。

8.一种权利要求1-7任一项所述的装置进行高温催化热解生活垃圾滤氢的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）经过干燥处理后的生活垃圾通过螺旋给料器（1）进入流化床热解炉（5）热解，从底部气体进口通入的惰性气体与床料形成流化态；

（2）经热解后生成的热解气送入旋风分离器（8）进行分离气固分离，得到的固体生成物通过返料输送回流化床热解炉（5），气态产物进入催化剂可再生的催化剂床（9）进行催化；

（3）经催化、滤氢后得到的气体用真空抽气泵抽出并送入燃烧炉（11）内进行燃烧；

（4）燃烧炉（11）引出的烟气对催化剂可再生的催化剂床（9）提供热量，促使催化剂再生；然后烟气进入流化床热解炉（5）为流化床热解炉换热。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述床料为石英砂。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，催化剂可再生的催化剂床（9）中催化温度为700-850℃。