CN115851296A - 一种基于卡门涡流的热解气提质方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热解气提质技术领域，公开了一种基于卡门涡流的热解气提质方法，包括S1、生物质热解，生物质经过粉碎后热解，得到挥发性物质；S2、挥发性物质在载流气作用下进入热解气催化重整反应器，在涡流发生片背面形成涡流，涡流在催化剂承载床和涡流发生器之间呈旋涡状流动，促进中大分子物质转化为小分子物质；S3、热解气气化重整：小分子物质随着载流气进入热解气气化重整区，再次经过涡流发生器，增加小分子之间的碰撞；本发明利用卡门涡流效应，增加热解挥发性大分子物质与催化剂充分接触，促进大分子物质向小分子物质的转化，提高热解气与催化剂混合的均匀性和接触时间，提高催化剂的使用效率，为生物质气化重整提供了新思路、新方法。
Description
技术领域
本发明涉及热解气提质技术领域，具体为一种基于卡门涡流的热解气提质方法。
背景技术
热解是解决秸秆等生物质的最优方法之一，可将其转化为气、液、固三相产物，热解产物经过提质、改性后可实现产品的高值利用。热解技术具有原料适用范围广、工艺成熟等优势。其中，热解气是热解的主要产物之一，热解气的主要成分有CO、CO2、CH4和H2等，可作为燃气当作日常用能。然而，目前在利用热解技术热解秸秆等生物质时，会产生约20~30%的热解油，即人们常说的焦油，焦油的化学成分包括苯酚类化合物、酸类、糖类等。因此热解得到的热解油具有腐蚀性大、高黏度等特点，极大程度影响了热解油的输送及存储，限制了热解油被进一步的应用。
研究表明，催化重整技术可将生物质热解油转化为热解气，实现了油向气的转化，即可使得热解油能够通过催化方式完成向高值化学品的转化。但现阶段对热解油的转化效率低、催化剂使用寿命短、提纯和精炼工序复杂等问题。此外，在催化重整的过程中，热解的气态物质与催化剂接触不充分、不均匀或接触时间短也是影响其催化重整效果的主要因素之一。
发明内容
本发明意在提供一种基于卡门涡流的热解气提质方法，利用卡门涡流效应，增加热解挥发性大分子物质与催化剂充分接触，促进大分子物质向小分子物质的转化，提高焦油转化率；而且能够增加热解气在恒定温度场的滞留时间，使得热解气各组分与催化剂之间的碰撞效率提高，提高了热解气与催化剂混合的均匀性和接触时间，提高了催化剂的使用效率，为生物质气化重整技术提供了新思路、新方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于卡门涡流的热解气提质方法，包括以下步骤：
S1、生物质热解，将粉碎后的生物质在550~600 ℃条件下热解，热解得到挥发性物质；
S2、热解气催化重整：将S1得到的挥发性物质，在载流气作用下沿着螺旋管进入热解气催化重整反应器内，热解气催化重整区温度为700~800℃，在催化重整反应器中的内侧设有涡流发生器和催化剂承载床，涡流发生器上设有涡流发生片；催化剂承载床可使得挥发分子自由通过；涡流发生器和催化剂承载床间隔设置，保证两者之间留有足够孔隙，能够产生涡流，挥发性物质在涡流发生器的作用下，在涡流发生器和催化剂承载床之间形成涡流，增加挥发性物质和催化剂的有效接触面积，提高催化剂的催化效果，同时将挥发性物质中的焦油大分子物质转化为小分子物质，小分子物质在载流气的作用下，进入下一反应阶段；
S3、热解气气化重整：将S2得到的小分子物质，在载流气作用下进入热解气气化重整反应器，气化重整反应器温度为850~950℃，热解气气化重整器为环状盘管结构，螺旋管内部设有多个均布的涡流发生器，外部设有气化剂入口，气化剂和小分子物质被载流气带入热解气重整器的挥发性物质在涡流发生器的作用下，在涡流发生片背面形成气流旋涡，在气流旋涡的作用下，小分子物质各组分碰撞加聚，促进水煤气变换、甲烷CO2重整以及甲烷蒸汽重整化学反应，从而促进CO、H2的生成，实现对热解气的提质。
进一步地，在S1中，热解时升温速率为10℃/min，挥发性物质包括可冷凝物质和非冷凝物质；可冷凝物质包括焦油大分子物质和水蒸气；非冷凝物质包括CO、CO2、H2、CH4、C2+烃类物质。
进一步地，在S2中，载流气的流量为50 mL/min，固体滞留时间设置为30 min，螺旋管的直径为螺旋直径的1/3，盘管圈数设置为10，载流气的总量为50~150mL，催化剂承载床设置在涡流发生器下部，且与涡流发生器间隔为30~50mm，以确保经涡流发生器后的热解气在紊流状态下与催化剂充分接触。
进一步地，在S2中，催化剂承载床为石英材质；涡流发生片包括一片圆环状涡流发生片和八片按照圆周均布的扇形涡流发生片，八件扇形涡流发生片之间的夹角为45°；均布的八片涡流发生片与水平面的夹角30°，既减小热解挥发分与涡流发生器的阻力，也可以产生涡流，且涡流发生片由耐高温材料制成；焦油大分子物质转化为的小分子物质包括烷烃、烯烃、苯酚及其他非冷凝气体。
进一步地，在S3中，热解气气化重整器的管道为环状盘管，环状盘管的直径为螺旋直径的1/3，气化剂为水蒸气或CO2。
进一步地，在S2和S3中，涡流发生器均为圆形结构，S2中的涡流发生器直径大于S3中涡流发生器直径；在S3中，涡流发生器均匀分布在环状盘管中。
进一步地，在S2中和S3中，载流气均为外界输入的氮气、氦气、氩气中的一种或多种。
技术方案的有益效果是：
1、本发明创新性的提出螺旋管与卡门涡流效应相结合，既增加了气相滞留的时间，又增强了小分子气体混合均匀性，提高了气体分子之间的有效碰撞，提高了水煤气变换、甲烷CO2重整、甲烷蒸汽重整等反应加强，促进热解气质量和品质的提升；
2、本发明创新性的提出利用卡门涡流效应，增加热解挥发性大分子物质（焦油为主）与催化剂之间的充分接触，促进大分子物质向小分子物质的转化，大大提高焦油转化率；
3.本申请可有效提高热解气中可燃气体H2和CO含量，减少温室气体CH4和CO2含量，实现了温室气体的减排；
4、本发明能够增加热解气在恒定温度场的滞留时间，提高了热解气与催化剂混合的均匀性和接触时间，提高了催化剂的使用效率，为生物质气化重整技术提供了新思路、新方法。
附图说明
图1为本发明一种基于卡门涡流的热解气提质方法的工艺流程图；
图2为本发明一种基于卡门涡流的热解气提质方法的流程示意图；
图3为本发明一种基于卡门涡流的热解气提质方法涡流发生片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
一种基于卡门涡流的热解气提质方法，包括以下步骤：
如图1至图3所示，一种基于卡门涡流的热解气提质方法，包括以下步骤：
S1、生物质热解，生物质经过粉碎后进行热解，热解温度为550~600 ℃，热解过程中升温速率为10℃/min，热解得到挥发性物质；挥发性物质包括可冷凝物质和非冷凝物质；可冷凝物质包括焦油大分子物质和水蒸气；非冷凝物质包括CO、CO2、H2、CH4、C2+烃类物质；
S2、热解气催化重整：热解产生的挥发性物质在载流气作用下沿着螺旋管进入热解气催化重整反应器，载流气为氦气，流量为50 mL/min，固体滞留时间为30 min；螺旋管的直径约为螺旋直径的1/3，螺旋圈数为10，载流气流量设置为50~150mL，催化重整反应器中的内侧设有涡流发生器和催化剂承载床，涡流发生器上均布八片扇形涡流发生片，和一片圆环状涡流发生片，八件扇形涡流发生片之间的夹角为45°，均布的八片涡流发生片与水平面的夹角30°；催化剂承载床为石英材质，催化剂承载床可使得挥发分子自由通过，挥发性物质首先经过涡流发生器，在涡流发生片背面形成涡流，涡流在催化剂承载床和涡流发生器之间呈旋涡状流动，增加了挥发性物质与催化剂的接触面积，进而促进了热解挥发分中大分子物质如焦油等转化为小分子物质，如：烃类（烷烃、烯烃）、苯酚及其他非冷凝气体；
S3、热解气气化重整：经过热解气催化重整反应器后，大量的小分子物质（烷烃、烯烃、苯酚及其他非冷凝气体）随着载流气进入热解气气化重整区，载流气也为氦气，此外，可通入外源气化剂，如水蒸气，水蒸气和小分子物质再次经过涡流发生器，在涡流发生片背面形成涡流，在涡流的作用下，小分子挥发性物质中的CH4、CO2、H2O的碰撞概率大大增加；此外，螺旋管也进一步增加了气体在温度场的滞留时间，进而加剧类甲烷蒸汽重整、水煤气变换以及甲烷二氧化碳重整等反应，从而促进最终气态产物中CO、H2的生成，提高热解气的品质。
经计算物料在热裂解反应发生，反应器内最大气体流量增量约300 mL/min。因此，在整个反应过程中气体的滞留时间范围为2~24min之间。
对反应所得热解气进行检测发现，采用本发明所提供的方法所得热解气、热解油，与常规热解、催化热解、气化重整所得热解气、热解油对比，如表1、2所示：
表1 不同方法所得热解气对比
表2 不同方法所得热解油对比
由表1和表2可知，本发明所提供的方法热解气的产率约为95%，其中，可燃气体H2和CO含量分别约占50%和45%，温室气体CH4、CO2及其他气体整体含量约为5%；同时，本发明所提供的方法热解油的产率仅约为3%，极大的实现了对热解气的提质。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (7)
1.一种基于卡门涡流的热解气提质方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、生物质热解，将粉碎后的生物质在550~600℃条件下热解，热解得到挥发性物质；
S2、热解气催化重整：将S1得到的挥发性物质，在载流气作用下沿着螺旋管进入热解气催化重整反应器内，热解气催化重整区温度为700~800℃，在催化重整反应器中的内侧设有涡流发生器和催化剂承载床，涡流发生器上均布有涡流发生片；催化剂承载床可使得挥发分子自由通过；涡流发生器和催化剂承载床间隔设置，保证两者之间留有足够孔隙，能够产生涡流，挥发性物质在涡流发生片的作用下，在涡流发生器和催化剂承载床之间形成涡流，增加挥发性物质和催化剂的有效接触面积，提高催化剂的催化效果，同时将挥发性物质中的焦油大分子物质转化为小分子物质，小分子物质在载流气的作用下，进入下一反应阶段；
S3、热解气气化重整：将S2得到的小分子物质，在载流气作用下沿着螺旋管进入热解气气化重整反应器，气化重整反应器温度为850~950℃，热解气气化重整器为环状盘管结构，螺旋管内部设有多个均布的涡流发生器，螺旋管外部设有气化剂入口，气化剂和小分子物质被载流气带入热解气重整器的挥发性物质在涡流发生器的作用下，在涡流发生片背面形成气流旋涡，在气流旋涡的作用下，小分子物质各组分碰撞加聚，促进水煤气变换、甲烷CO2重整以及甲烷蒸汽重整化学反应，从而促进CO、H2的生成，实现对热解气的提质。
2.根据权利要求1所述的一种基于卡门涡流的热解气提质方法，其特征在于：在S1中，热解时升温速率为10℃/min，挥发性物质包括可冷凝物质和非冷凝物质；可冷凝物质包括焦油大分子物质和水蒸气；非冷凝物质包括CO、CO2、H2、CH4、C2+烃类物质。
3.根据权利要求1所述的一种基于卡门涡流的热解气提质方法，其特征在于：在S2中，载流气的流量为50 mL/min，固体滞留时间设置为30 min，螺旋管的直径为螺旋直径的1/3，盘管圈数设置为10，载流气的总量为50~150mL，催化剂承载床设置在涡流发生器下部，且与涡流发生器间隔为30~50mm，以确保经涡流发生器后的热解气在紊流状态下与催化剂充分接触。
4.根据权利要求1所述的一种基于卡门涡流的热解气提质方法，其特征在于：在S2中，催化剂承载床为石英材质；涡流发生片包括一片圆环状涡流发生片和八片按照圆周均布的扇形涡流发生片，八件扇形涡流发生片之间的夹角为45°；均布的八片涡流发生片与水平面的夹角30°，既减小热解挥发分与涡流发生器的阻力，也可以产生涡流，且涡流发生片由耐高温材料制成；焦油大分子物质转化为的小分子物质包括烷烃、烯烃、苯酚及其他非冷凝气体。
5.根据权利要求1所述的一种基于卡门涡流的热解气提质方法，其特征在于：在S3中，热解气气化重整器的管道为环状盘管，环状盘管的直径为螺旋直径的1/3，气化剂为水蒸气或CO2。
6.根据权利要求1所述的一种基于卡门涡流的热解气提质方法，其特征在于：在S2和S3中，涡流发生器均为圆形结构，S2中的涡流发生器直径大于S3中涡流发生器直径；在S3中，涡流发生器均匀分布在环状盘管中。
7.根据权利要求1所述的一种基于卡门涡流的热解气提质方法，其特征在于：在S2中和S3中，载流气均为外界输入的氮气、氦气、氩气中的一种或多种。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115851296B (zh) | 2024-06-21 |
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