CN202625832U

CN202625832U - 一种生物油与含烃原料混合气化制备高品位合成气的装置

Info

Publication number: CN202625832U
Application number: CN 201220178941
Authority: CN
Inventors: 陈新德; 郭海军; 熊莲; 李尚贵; 张海荣; 谢羽娜
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2022-04-24

Abstract

本实用新型公开了一种利用生物质热解后所得生物油和含烃原料如废机油为原料，经混合气化制备高品位合成气的装置，由原料乳化部分和气化反应部分组成，其原料乳化部分主要是将生物油、水、乳化剂和含烃原料按一定质量配比导入一配备有搅拌头的高速剪切乳化机进行混合、均质和乳化，获得乳化完全、分散均匀的乳化液，其气化反应部分主要是将所述乳化液经预热器预热后，与气化剂汇合导入流体动力式超声波雾化喷嘴内进行雾化，并在气化反应器内进行气化、重整变换反应，将所得产物经所述气化反应器出口设置的洗气瓶和干燥塔处理后获得高品位的合成气。本实用新型不仅开辟了一条来源于化石燃料以外的合成气生产路径，而且有效减少了有机废弃物的排放。

Description

一种生物油与含烃原料混合气化制备高品位合成气的装置

技术领域

本实用新型涉及到一种有机废弃物热化学法制备合成气的装置，尤其是一种利用生物质热解后所得生物油和含烃的混合原料，经混合气化制备高品位合成气的装置。

技术背景

能源与环境是实现人类社会可持续发展的最重要的两大课题。当前87％能源需求以及化工原料来自不可再生的化石燃料，人类对于化石燃料的极大依赖，不仅对人类赖以生存的环境带来了严重的污染，而且由于这种能源的匮乏，成为未来社会的潜在危机。合成气是富含H₂、CO和少量CO₂的混合气体，它可以作为中间体用于精制或合成各种高品质液体燃料和化工品。目前，合成气主要是通过成熟的煤、天然气和石油等化石燃料的气化技术生产的，随着这些资源的枯竭，发展有机废弃物(农、林、工业)制备合成气技术，对于促进经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境具有重大战略意义。

生物质等有机废弃物，因其大量、广泛的存在，而且是一种环境友好的绿色能源越来越受到重视。目前，在我国农村，每年都有大量的农业秸秆、谷物壳皮被白白废弃或自行腐烂，而在田间直接焚烧处理废弃秸秆和稻谷壳皮，则是近年来出现的一种新的、越来越突出的环境污染现象。如果采用热化学方法将生物质转化为高品位合成气，代替化石资源，不仅可以缓解我国(特别是农村)能源短缺的现状，还可以减少污染，改善生态环境，使其成为最具吸引力的可再生能源。生物质热化学法制备合成气有两种技术途径：一是生物质直接气化制备合成气；二是生物质先快速裂解为生物油，生物油再气化制备合成气。比较这两种技术，无论从经济还是技术方面，采用生物质快速热裂解制生物油-生物油气化两步法制合成气均显现出了更为明显的优势：(1)液体生物油具有易收集、易存储、易运输的特点，可将其集中到某一地点进行气化，这解决了生物质原料大规模收集、存储和运输的问题；(2)可以通过油泵实现带压连续进料，降低合成气的后续合成工艺的能耗；(3)可以避免生物质高温气化灰分熔化所带来的排渣问题，获得比生物质气化所得气体品味更高的合成气；(4)生物油气化制备的气体纯净，后续气体变换的技术难度较小。因此，生物油气化制备合成气技术具有巨大的应用前景。

除生物质外，我国每年有大量的含烃原料如废机油产生于机械、化工和交通运输等行业。据统计，截至2009年底，全国机动车保有量已超过1.86亿辆，产生废机油700万t左右，对环境造成很大的污染压力。目前，多数废机油回收后用作燃料，这不仅造成了资源浪费，而且由于其中含有重金属化合物，燃烧后进入自然环境中造成非常严重的污染。因此，从节能和环保的角度来讲，如何对含烃原料废机油进行有效的回收利用，已成为当前急需解决的问题。目前，国外许多石油公司都在研究和开发新的含烃原料废机油回收技术，国内也在积极开展这方面的研究。迄今为止，具有代表性的技术有：(1)、酸-白土精制型；(2)、蒸馏-溶剂精制-白土精制型；(3)、蒸馏-溶剂精制-加氢精制型；(4)、脱金属-固定床加氢精制型；(5)、悬浮床加氢处理-蒸馏-吸附精制型等废油回收工艺。对于这些工艺，回收后的润滑油馏分一般作为润滑油基础油使用，所以在工艺反应中避免润滑油大分子的分解裂解是回收再生技术的关键。另外，为避免工艺中产生二次污染，使得工艺馏程越来越庞大复杂，不利于中小型企业的技术转型和技术推广改造。采用气化技术，在一定的温度条件下使废机油发生裂解和结构重组，由大分子裂解成小分子烃，进而转化为合成气，为废机油的回收利用提供了一种新的方法。

生物油含氧量高，热值比石油燃料低，分子间作用力大，粘度大，pH值低，分子间受热易于聚合，热稳定性差。废机油含碳量高，沸点高，具有良好的导热性能，把废机油用做生物油气化的导热剂，利用两种物料的混合气化，不仅可以改善生物油气化的传质传热条件，解决生物油气化工艺中的结焦技术难题，而且可以提高合成气的产率和品质。要实现生物油与含烃的废机油的有效混合气化，配制分散均匀、粒度较小的气化油滴颗粒是关键。目前，乳化技术已被广泛应用于生物油的精炼提质。通过添加一定的乳化剂和水，对生物油与汽油、柴油、煤油、废机油或渣油等烃类原料的混合液进行乳化，形成油为连续相、水为分散相的油包水(water in oil)或水为连续相、油为分散相的水包油型态，使燃油的油滴颗粒变得细小而获得更多氧气助燃，提高燃烧性能，从而减少油耗、节约能源。与之同理，通过在生物油和废机油等烃类原料混合液中，加入一定的乳化剂和水，也可获得气化反应性能优良的乳化液。

然而，生物油和含烃类原料性质上的较大差异，决定了合适的乳化装置对于形成乳化完全、分散均匀的乳化液的重要性。当前的乳化装置大致都包含有搅拌器，该搅拌器大多为低速搅拌器，因搅拌速度低，易导致乳化不完全，从而降低了乳化液的气化效率。国内专利CN201848221U公开了一种燃油乳化装置，其主要是由低速搅拌槽结设一具有高速搅拌效果的离心式洁油机，然而该装置仅限于单一物料的乳化，并没有提及对两种不同性质物料进行混合乳化的应用。国内专利CN201454475U则公开了一种连续制备甲醇乳化柴油的装置，该装置首先利用原料槽中的搅拌作用，再利用乳化器内的撞击接触方式初步乳化和多孔填料旋转方式精度乳化作用，乳化效果好，但该装置结构复杂，成本较高，不利于提高整个有机废弃物气化制备合成气***的经济性。

除原料乳化装置外，进料口的喷嘴设计也是提高乳化液气化效率，获得高品位合成气的关键。超声波雾化喷嘴因具有雾化粒径小、雾化液滴均匀性好的特点在众多领域得到了应用。超声波雾化喷嘴按发生超声波的声源不同，分为电动式和流体动力式。电动式超声波雾化喷嘴需要外装电气设备，成本较高，相对而言，流体动力式超声波雾化喷嘴雾化处理量大，成本较低，比电动式超声波雾化喷嘴具有更好的发展前景，这种结构的超声波雾化喷嘴的研究以中科院声学研究所为主。目前，国内还未见报道超声波雾化喷嘴在生物油气化过程中的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对大量有机废弃物的排放，提供一种由生物油和含烃的废机油进行混合气化以获得适宜于后续合成反应的高品位合成气的装置。

为达到以上目的，本实用新型采取了以下技术方案：一种生物油和废机油等含烃原料混合气化制备高品位合成气的装置，由原料乳化部分和气化反应部分组成。其原料乳化部分主要是将生物油、水、乳化剂和含烃原料按一定质量配比导入一配备有搅拌头的高速剪切乳化机进行混合、均质和乳化，获得乳化完全、分散均匀的乳化液，其气化反应部分主要是将所述乳化液经预热器预热后，与气化剂汇合导入流体动力式超声波雾化喷嘴内进行雾化，并在气化反应器内进行气化、重整变换反应，将所得产物经所述气化反应器出口设置的洗气瓶和干燥塔处理后获得高品位的合成气。

在所述原料乳化部分中，设有一高速剪切乳化机对应盛接经计量泵由生物油储罐、水储罐、乳化剂储罐和废机油储罐所分别导入的生物油、自来水、乳化剂和废机油，其中：

所述高速剪切乳化机，包括用于配制乳化液的反应釜和位于反应釜内部中央的搅拌头，所述搅拌头在与之相连接的传动电机作用下，进行高速转动，产生强烈的液力剪切、液压磨擦、碰撞，使由反应釜顶部左、右两端分别设置的废机油与乳化剂、生物油与水的进料口所导入的两组物料充分分散、乳化、均质，形成乳化完全、分散均匀的乳化液，并经所述反应釜底部开设的乳化液输出口与气化反应部分的乳化液输入管路相连通。

所述气化反应部分中的乳化液输入管路经截止阀、计量泵、预热器连通至石英管气化反应器，乳化液经所述预热器预热后，可使粘度降低，促进乳化液的雾化。

在所述气化反应器入口设置有流体动力式超声波雾化喷嘴。

另设有气化剂输入管路，所述气化剂输入管路从气体压缩机经气体开关、压力表和浮子流量计连通气化反应器，与所述乳化液输入管路并入所述流体动力式超声波雾化喷嘴汇合。

所述气化反应器可置于一耐高温电炉内，出口处***一铠装热电偶，所述气化反应器内的气化反应温度由与所述热电偶相连的一温度控制器来调节；在所述气化反应器内部中间位置处，由石棉支撑的填料床层上依次装填碎瓷环和粗粒石英砂，促进合成气的重整变换。在所述气化反应器出口可设有洗气瓶和干燥塔，可将所述气化反应器内的反应产物分别进行净化和干燥，以除去其中所含的少量焦油和水分，最后连通至获得高品位合成气。

所述流体动力式超声波雾化喷嘴，由壳体、导流器、喷嘴、中心杆和共振腔等构件组成，所述气化剂由进气口进入所述流体动力式超声波雾化喷嘴，再经导流器，从喷嘴和中心杆形成的环形通道喷出，气流在喷嘴出口处达到音速。乳化液由所述计量泵加压后由进油口进入超声波雾化喷嘴，通过壳体上的切向孔，从壳体和喷管外表面形成的环形喷孔喷出。所述气化剂以音速从喷嘴喷出，发出稳定激波，当激波下游存在钝体时，激波出现一定频率压力脉动。在激波下游设置固定频率与该脉动波的频率相同的共振腔，利用共振，可大大增强压力脉动幅值，利用激波和共振腔共同作用发出超声波。通过超声波的振动作用，使乳化液得到良好的雾化。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1、本实用新型生物油和含烃原料混合气化制备高品位合成气装置，利用农林废弃物生物质热解所得生物油和含烃原料为原料，通过两者的混合气化，即可获得高品位的合成气，不仅开辟了一条来源于化石燃料以外的合成气生产路径，而且有效减少了有机废弃物对环境的污染和破坏。

2、本实用新型生物油和含烃原料混合气化制备高品位合成气装置，藉由配备有搅拌头的高速剪切乳化机，不但实现了生物油和废机油的有效乳化，获得气化反应性能更好的乳化液，而且结构简单，减少了设备投资。

3、本实用新型生物油和含烃原料混合气化制备高品位合成气装置，藉由配备有流体动力式超声波雾化喷嘴的气化反应器的设置，利用乳化液的有效雾化和不使用催化剂而经由价格低廉的填料床层的作用，对乳化液进行有效的气化、重整变换反应，制备出H₂、CO含量高，CH₄、CO₂含量低，H/C较高的不同用途的高品位合成气。

附图说明

图1为本实用新型的流程示意图；

图2为本实用新型的架构图；

图3为本实用新型的流体动力式超声波雾化喷嘴结构示意图；

附图标记说明：1、气化剂输入管路；2、生物油储罐；3、水储罐；4、乳化剂储罐；5、含烃原料储罐；6、计量泵；7、高速剪切乳化机；71、反应釜；72、搅拌头；73、含烃原料与乳化剂进料口；74、生物油与水进料口；75、乳化液输出口；76、传动电机；8、乳化液输入管路；9、流体动力式超声波雾化喷嘴；91、壳体；92、导流器；93、喷嘴；94、中心杆；95、共振腔；96、进气口；97、进油口；10、石英管气化反应器；101、铠装热电偶；102、碎瓷环；103、粗粒石英砂；104、石棉；11、耐高温电炉；12、温度控制器；13、洗气瓶；14、干燥塔；15、高品位合成气出口；16、气体压缩机；17、气体开关；18、截止阀；19、预热器；20、压力表；21、浮子流量计。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型内容做进一步详细说明：

实施例：

首先，请参阅图1和图2，所示为本实用新型装置的流程和架构示意图，该装置由原料乳化部分和气化反应部分组成。其原料乳化部分包含有：

一生物油储罐2，用于盛装生物油，且对应接设有计量泵6；

一水储罐3，用于盛装自来水，且对应接设有计量泵6；

一乳化剂储罐4，用于盛装乳化剂，包括亲水性乳化剂和亲油性乳化剂，且对应接设有计量泵6；

一含烃原料储罐5，用于盛装含烃原料，可以使用废机油等，且对应接设有计量泵6；

一高速剪切乳化机7，主要包括反应釜71，反应釜71还设有从顶部开口处竖直***，位于反应釜71内部中央的搅拌头72，当生物油与水、废机油与乳化剂两组物料经计量泵6以一定质量配比分别由设置在反应釜71顶部的左、右两端的含烃原料与乳化剂进料口73和生物油与水进料口74导入时，开启传动电机76，使搅拌头72进行高速转动，产生强烈的液力剪切、液压磨擦、碰撞，使物料充分分散、乳化、均质，形成乳化完全、分散均匀的乳化液，并经反应釜71底部开设的乳化液输出口75与气化反应部分的乳化液输入管路8相连接。

本实用新型生物油和含烃原料混合气化制备高品位合成气装置的气化反应部分包含有：

一石英管气化反应器10，入口设置一流体动力式超声波雾化喷嘴9，如图3所示，该雾化喷嘴由壳体91、导流器92、喷嘴93、中心杆94和共振腔95等构件组成，并设有进气口96及进油口97；石英管气化反应器10出口连接压力表20和浮子流量计21用于测得所制备合成气的压力和流量后，进入洗气瓶13和干燥塔14内对合成气分别进行净化和干燥，获得H₂、CO含量高，CH₄、CO₂含量低，H/C较高的高品位合成气15；气化反应器10置于一耐高温电炉11内，出口处***一铠装热电偶101，通过与热电偶101相连的温度控制器12调节气化反应器10内的气化反应温度；在气化反应器10内部中间位置处，由上至下依次装填由碎瓷环102、粗粒石英砂103和石棉104组成的填料床层，乳化液经超声波雾化喷嘴9雾化后，在该填料床层上部空间进行部分氧化、热解和气化反应产生可燃气体，然后流经该填料床层进行有效重整变换后，由气化反应器10的出口流出；

一气化剂输入管路1，连接至气体压缩机16，经由气体开关17、压力表20和浮子流量计21，调节合适的压力和流量后，由气化剂输入管路1导入超声波雾化喷嘴9的进气口96；

一乳化液输入管路8，连接至反应釜71底部所开设的乳化液输出口75，经由截止阀18和计量泵6导入预热器19，乳化液经预热器19预热到60～75℃之间，使乳化液的粘度降低，促进其雾化进料，并由乳化液输入管路8导入超声波雾化喷嘴9的进油口97，并与气化剂输入管路1汇合并入流体动力式超声波雾化喷嘴9进行超声雾化。

在本实施例中，石英管气化反应器10的温度一般在700～1100℃之间，更优选1000～1100℃；导入往复式乳化机7的生物油与水、废机油与乳化剂两组物料的质量配比，以及气化剂输入管路1所导入的气化剂的种类和流量等操作条件均可以分别通过计量泵6、气体压缩机16和浮子流量计21进行调节，从而获得不同用途的高品位合成气。

以上所述仅为本实用新型示意性的于实验室阶段的具体实施方式，并非用以限制本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种生物油和含烃原料混合气化制备高品位合成气的装置，其特征在于，该装置由原料乳化部分和气化反应部分组成；所述原料乳化部分设有一高速剪切乳化机（7）对应盛接经计量泵（6）由生物油储罐（2）、水储罐（3）、乳化剂储罐（4）和含烃原料储罐（5）所分别导入的生物油、自来水、乳化剂和含烃原料，所述高速剪切乳化机（7）包括设有位于反应釜内部中央的搅拌头的反应釜（71）；所述气化反应部分设有连通所述反应釜（71）乳化液输出口的乳化液输入管路（8），乳化液输入管路（8）通过截止阀（18）、计量泵（6）、预热器（19）连通石英管气化反应器（10）入口处设置的流体动力式超声波雾化喷嘴（9），另设有气化剂输入管路（1）从气体压缩机（16）经气体开关（17）、压力表（20）和浮子流量计（21）连通至超声波雾化喷嘴（9），所述气化反应器（10）出口经洗气瓶（13）和干燥塔（14）连通至高品位合成气出口（15）。

2.如权利要求1所述的生物油和含烃原料混合气化制备高品位合成气的装置，其特征在于，所述反应釜（71）顶部的左、右两端分别设置有含烃原料与乳化剂、生物油与水两组物料的含烃原料与乳化剂进料口（73）和生物油与水进料口（74），反应釜（71）还设有从顶部开口处竖直***，位于反应釜（71）内部中央的搅拌头（72），所述反应釜（71）底部设有乳化液的乳化液输出口（75）。

3.如权利要求1所述的生物油和含烃原料混合气化制备高品位合成气的装置，其特征在于，所述气化反应器（10）置于一耐高温电炉（11）内，出口处***与温度控制器（12）相连的铠装热电偶（101），并在所述气化反应器（10）内由石棉（104）支撑的填料床层上依次装填碎瓷环（102）或粗粒石英砂（103）。