一種磁穩定催化重整裝置與方法
2023-06-15 13:31:11
專利名稱：一種磁穩定催化重整裝置與方法
技術領域：
本發明屬於大分子有機氣體重整方法與磁穩定場綜合應用領域，具有很強的學科交叉性，涉及一種磁穩定催化重整方法與裝置，特別涉及到對有機垃圾、工業有機廢物、普通生物質、普通固體廢棄物等固體有機燃料的 熱解、氣化產氣、焚燒氣、工業尾氣、VOCs、有機氣體等粗氣進行重整的裝置。
背景技術：
工業過程產生的廢氣、可揮發性有機物(VOCs )、有機氣體以及有機固體燃料在熱化學轉化過程中產生的熱解、氣化產氣以及燃燒尾氣每年產量巨大，對這些氣體的回收、利用以及轉化具有重要的現實意義，也對環境保護有重要價值。目前關於這些工業工程中產生的氣體的轉化方法較多，但這些方法大多針對某一種特定的氣體成分進行轉化，轉化設備也各不相同，轉化過程中的能耗以及轉化率，轉化強度等指標差異較大。特別是在有關有機固體燃料熱解、氣化、焚燒等方面，產氣及尾氣的轉化方法還存在很多不足，產生的氣體熱值低，過程焦油對儀器、設備和環境也都有一定危害，在一定程度上阻礙了這些方法的大規模工業化的發展。目前常用的氣體轉化重整方法多以粉狀、整體式催化以及淋洗式轉化為主。如中國專利CN200710304595.X公開了一種揮發性有機氣體汙染的處理裝置。其主要採用淋洗和光催化的方法對VOCs氣體進行催化轉換。這種方法存在淋洗液需要再回收處理的問題。中國專利200810012601. 9公開了一種熱解及氣化過程中焦油焦碳的清除方法及可燃氣體重整方法。其主要以整體式蓄熱蜂窩陶瓷為載體，通過負載催化劑的方法，在氧化劑的作用下進行轉化重整。中國專利CN 200710067288. 4也公開了一種整體式催化裝置，金屬絲網型催化燃燒催化劑及其製備。其主要方法是將催化劑包覆於金屬絲網上。這種方法存在的問題是催化劑的比較面積較小，與氣體的接觸時間短。另外中國專利CN 200410099199. 4公開了一種有機氣體淨化催化劑的製備方法，以Y -Al2O3為載體，利用MnO2和CuO按一定比例製備得到粉體催化劑，用於對有機氣體的催化轉化。這種粉體式催化劑主要存在催化劑為堆積狀態，流體通過時會產生阻力，通透性不好。在熱化學轉化過程中，產生的煙氣中往往含有大分子的氣態有機物，這些有機物經冷凝後會形成焦油，對儀器和設備往往產生不利的影響。因此，如何解決焦油的問題也是一個熱點。目前的脫焦油的方法主要分為物理脫除和熱化學轉化法。現主要應用的具體有以下幾種一、水洗除焦法利用噴射水和氣化、熱解產氣進行氣液接觸，焦油被吸附及凝結順流而下以達到清除目的，雖然有一定效果但是效率較低，並且對環境汙染嚴重。二、催化裂解法。利用催化劑使焦油發生裂解從而達到除去焦油，提升可燃氣熱值的目的。但是粗燃氣中焦油焦碳對催化劑表面的覆蓋能力較強，催化劑易失活，表面難處理。即使用高溫加熱的方法除去部分黏附焦油，也會損傷載體壽命，例如陶瓷基在加熱處理後質地變脆。另外在製作催化劑方面也存在著工序繁瑣、有效物質負載困難，載體比表面積較小，孔隙易堵塞等問題，這些問題都對現有的催化裂解裝置提出了挑戰。
發明內容
本發明提供了一種磁穩定催化重整裝置與方法，綜合利用電磁技術和化學催化方法。用小粒徑的磁介質在穩定電磁場中產生的沿軸向排列的介質網，取代了常規化工意義上的催化劑載體，並在進氣前端添加脈衝式點火器使氣化、熱解氣在進行催化重整前進行部分燃燒，成為小分子氣體分子，同時與溫控設備一起作用，從而在溫度達到一定範圍時關閉點火迴路。解決了粗燃料氣低熱值含焦油等大分子有機物的問題，以及傳統催化劑負載難、負載不均勻、難以維護的技術瓶頸。此裝置將廣泛用於固體燃料在熱化學轉化過程中產生的熱解、氣化氣、燃燒尾氣、工業廢氣、VOCs、有機氣體等氣體重整的過程當中，也可以用於具有可催化特性的其他流體的催化轉化中。本發明的技術要點包括磁介質催化劑的製備及網狀催化網結構形成，磁穩定催化 重整裝置。本發明的技術方案如下一種磁穩定催化重整裝置，該裝置包括物料介質混合單元、部分氧化單元、磁化單元、加熱電阻絲和保溫層；該重整裝置豎直放置，裝置末端與氣體檢測設備相連接；其最外層為線圈，重整裝置的中層為保溫層，內層為由絕緣陶瓷包裹的加熱電阻絲；最外層的線圈非全包裹，上部留有一段無線圈包裹部分，形成緩衝空腔；物料介質混合單元主要由進料口、進料口的壓力流量計、重整介質入口、介質入口的壓力流量計、氣體混合器和噴嘴組成；進料口通過進料口的壓力流量計連接到噴嘴的其中一個進氣口 ；氣體混合器設在重整介質入口一端，重整介質入口通過介質入口的壓力流量計後，由氣體混合器將不同介質充分混合再連接到噴嘴的另一個進氣口，伸入到爐膛中；部分氧化單元由錐形紊流裝置和脈衝式高壓包電極組成；噴嘴上方l-3cm處設置錐形紊流裝置，紊流裝置上方3-5cm處設置脈衝高壓包電極，構成部分氧化裝置；磁化單元由磁介質催化劑、線圈和爐膛構成，磁化單元的底部設置一個能夠覆蓋爐膛橫截面的網狀支撐板；磁介質催化劑填鋪在網狀支撐板上；爐膛內部和保溫層都與熱電偶、溫控儀相連；通常情況下，在裝置上部留有一段無線圈包裹部分，其約佔總長度1/4，使具有一定速度的磁介質能脫離磁場區後，在重力的作用下，再次進入磁化區域。使用上述裝置的磁穩定催化重整方法，具體如下(I)待重整氣體為固體燃料在熱化學轉化過程中產生的熱解、氣化氣、燃燒尾氣、工業廢氣、VOCs、有機氣體；(2)磁介質的選擇鐵、鈷、鎳、氧化鐵、鐵矽合金、鐵氧體、釹鐵硼、鋁鎳鈷；在進行催化劑負載時，製備的金屬催化劑與磁介質為同一種金屬時，則不需要負載該催化劑；(3)在沙礫狀的粒徑約O. 01-0. 5mm的不規則鐵、鈷、鎳、氧化鐵、鐵矽合金、鐵氧體、釹鐵硼、鋁鎳鈷磁介質的表面，通過浸潰、煅燒等方法按一定比例負載如Ti02、Ni0、Ca0、CeO、Pt等活性物質。具體步驟以浸潰法將顆粒浸泡於10-30%濃度的不同組分金屬鹽溶液中，主要包括Ni (NO3)2' Fe (NO3) 3、Mg (NO3) 2、Cu(NO3)2 ;在 105_120°C條件下烘乾，再於300-1000°C條件下在馬弗爐中進行煅燒1-2小時，而後以99%的氫氣在300°C條件下進行還原，從而製備針對不同進料的特異性磁介質催化劑，實現對磁介質催化性能的改性同時不影響其磁性，製成具有磁化性能、催化性能的微粒狀磁介質。在進行催化劑負載時，製備的金屬催化劑與磁介質為同一種金屬時，則不需要負載該催化劑。(4)磁介質催化重整不超過以下控制溫度鐵、鈷、鎳、鐵氧體、鐵矽合金、釹鐵硼、鋁鎳鈷分別為 1080 V、700 V、300 V、400°C、650°C、300°C、850°C。在300-1000°C下，將固體燃料的熱化學轉化過程中產生的熱解、氣化氣、焚燒氣、工業尾氣、VOCs、有機氣體通入上述磁穩定催化重整裝置，並通過設置在氣體入口處的噴嘴通入重整介質到反應爐中；重整介質是空氣、氧氣、水蒸汽及其混合物；重整介質與待重整氣體一起進入噴口，以高速噴在錐形紊流裝置上，進而其後形成渦流；氣體在脈衝點火器處 發生部分燃燒，或者不開啟點火器並且不發生燃燒，反應區磁介質催化劑表面的沉積物被氧化；大分子有機氣體在高溫條件下裂解為h2、co和co2、ch4以及小分子烷烴類氣體；爐膛內磁介質被加熱，待重整氣體中的大分子碳氫化合物被有效分解，生成H2、CO、CH4以及其他高熱值低碳化合物。爐膛豎直放置，磁介質堆積於下半部爐膛，在打開電源後，鼓入氮氣，外繞線圈在爐膛內產生軸向穩恆磁場，爐膛內部磁介質受磁場作用，從而軸向排布，形成大量相間的絲狀結構，其縱向存在的大量微小空隙、間隙可以提供可燃重整氣體通過的通道，待磁介質穩定後，停止輸入N2，更換為重整介質，重整介質可以是空氣、氧氣、水蒸氣，也可以是它們的混合物。在待重整氣體的流通過程中，磁介質會由於外部的不穩定力的作用而不斷產生微小震動，實現了氣體與催化劑表面的充分接觸。本發明的效果和益處是以磁介質代替傳統整體型載體，具有易分離、易負載、增大比表面積、不易堵塞、分布密度可控等優點。磁介質催化劑具有反應充分、安全高效、環境友好、反應選擇性顯著等優點。通過高溫清除附著在催化劑表面的焦油焦炭，解決了催化劑失活催化性能下降的問題，從而延長了催化劑和載體的壽命，提升催化效果。
附圖是磁穩定催化重整裝置示意圖。圖中1進料口 ；2重整介質入口 ；3壓力流量計；4氣體混合器；5噴嘴；6錐形紊流裝置；7高壓包電極；8熱電偶；9溫控儀；10磁介質催化劑；11加熱電阻絲；12保溫層；13線圈；14爐膛；15網狀支撐板；16待重整氣體；17空氣、氧氣、水蒸氣及其混合物；18氣體出口。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。實施例I該重整裝置豎直放置，裝置末端與氣體檢測設備相連接；其最外層為線圈13，重整裝置的中層為保溫層12，內層為由絕緣陶瓷包裹的加熱電阻絲11 ;最外層的線圈非全包裹，上部留有一段無線圈包裹部分，形成緩衝空腔；物料介質混合單元主要由進料口、進料口的壓力流量計3、重整介質入口、介質入口的壓力流量計3、氣體混合器4和噴嘴5組成；進料口 I通過進料口的壓力流量計3連接到噴嘴5的其中一個進氣口 ；氣體混合器4設在重整介質入口一端，重整介質入口 2通過介質入口的壓力流量計3後，由氣體混合器4將不同介質充分混合再連接到噴嘴5的另一個進氣口，伸入到爐膛14中；部分氧化單元由錐形紊流裝置6和脈衝式高壓包電極7組成；噴嘴5上方l-3cm處設置錐形紊流裝置6，紊流裝置上方3-5cm處設置脈衝高壓包電極7，構成部分氧化裝置；磁化·單元由磁介質催化劑10、線圈13和爐膛14構成，磁化單元的底部設置一個能夠覆蓋爐膛14橫截面的網狀支撐板15 ;磁介質催化劑10填鋪在網狀支撐板上；爐膛內部和保溫層都與熱電偶8、溫控儀9相連；實施例2將能夠使磁介質催化劑重力與磁力等力平衡的流速定義為臨界流速，則進氣流速應稍大於臨界流速，使磁介質在燃料氣通過時產生微小擾動，在裝置上部留出一段無線圈包裹部分約佔總長1/4，使具有一定速度的磁介質能在此區域內受重力作用緩衝再加速的過程重新回到磁場區內。如此往復，達到催化劑與待重整氣體的充分接觸，反應更充分。從而達到了對待重整氣體以及含焦油氣體的轉化和焦油焦碳的脫除、提升燃料氣熱值的目的。實施例3本實施方式磁介質催化劑的製備步驟為在沙礫狀的粒徑約O. 01-0. 5mm的不規則鐵、鈷、鎳、氧化鐵、鐵矽合金、鐵氧體、釹鐵硼、鋁鎳鈷磁介質的表面，通過浸潰、煅燒等方法按一定比例負載如Ti02、NiO, CaO、CeO、Pt等活性物質。具體步驟以浸潰法將磁介質顆粒浸泡於10-30%濃度的不同組分金屬鹽溶液中，主要包括Ni (NO3) 2、Fe (NO3) 3、Mg (NO3) 2、Cu (NO3) 2。在 105-120°C 條件下烘乾，再於300-1000°C條件下在馬弗爐中進行煅燒1-2小時，而後以99%的氫氣在300°C條件下進行還原，從而製備針對不同進料的特異性磁介質催化劑，實現對磁介質催化性能的改性同時不影響其磁性，製成具有磁化性能、催化性能的微粒狀磁介質。在進行催化劑負載時，製備的金屬催化劑與磁介質為同一種金屬時，則不需要負載該催化劑。實施例4採用實施例I連接所得磁穩定催化重整裝置用於大分子有機氣體的催化重整反應。在300-1000°C下，將固體燃料的熱化學轉化過程中產生的熱解、氣化氣、焚燒氣、工業尾氣、VOCs、有機氣體通入上述磁穩定催化重整裝置，並通過設置在氣體入口處的噴嘴通入重整介質到反應爐中；重整介質是空氣、氧氣、水蒸汽及其混合物；重整介質與待重整氣體一起進入噴口，以高速噴在錐形紊流裝置上，進而其後形成渦流；氣體在脈衝點火器處發生部分燃燒，或者不開啟點火器並且不發生燃燒。在部分氧化燃燒的條件下，爐膛內磁介質被加熱，為重整反應提供了熱量；在與電熱絲加熱的共同作用下，爐內溫度維持在500-1200°C內某一特定溫度水平實施例5
氣體經過部分氧化單元後進入爐膛上方的磁化單元，實例三中製備所得磁介質催化劑填鋪在網狀支撐板上，包裹著活性物質的磁介質在穩定軸向磁場的擾動下會形成分布 均勻緻密的介質網，相對於常規催化劑載體大大提高了比表面積。氣體與磁介質催化劑充分接觸，大分子有機氣體在高溫條件下裂解為H2、CO和C02、CH4以及小分子烷烴類氣體。
權利要求
1.一種磁穩定催化重整裝置，該裝置包括物料介質混合單元、部分氧化單元、磁化單元、加熱電阻絲(11)和保溫層(12);其特徵在於 該重整裝置豎直放置，裝置末端與氣體檢測設備相連接；其最外層為線圈(13)，重整裝置的中層為保溫層(12)，內層為由絕緣陶瓷包裹的加熱電阻絲(11);最外層的線圈非全包裹，上部留有一段無線圈包裹部分，形成緩衝空腔； 物料介質混合單元主要由進料口、進料口的壓力流量計(3)、重整介質入口、介質入口的壓力流量計(3)、氣體混合器(4)和噴嘴(5)組成；進料口(I)通過進料口的壓力流量計(3)連接到噴嘴(5)的其中一個進氣口 ；氣體混合器(4)設在重整介質入口一端，重整介質入口(2)通過介質入口的壓力流量計(3)後，由氣體混合器(4)將不同介質充分混合再連接到噴嘴(5)的另一個進氣口，伸入到爐膛(14)中； 部分氧化單元由錐形紊流裝置(6)和脈衝式高壓包電極(7)組成；噴嘴(5)上方l-3cm處設置錐形紊流裝置(6)，紊流裝置上方3-5cm處設置脈衝高壓包電極(7)，構成部分氧化裝置； 磁化單元由磁介質催化劑(10)、線圈(13)和爐膛(14)構成，磁化單元的底部設置一個能夠覆蓋爐膛(14)橫截面的網狀支撐板；磁介質催化劑(10)填鋪在網狀支撐板(15)上；爐膛內部和保溫層都與熱電偶(8 )、溫控儀(9 )相連。
2.根據權利要求I所述的一種磁穩定催化重整裝置，其特徵還在於重整裝置上部留有一段無線圈包裹部分，其約佔總長度1/4。
3.使用權利要求I或2所述裝置的磁穩定催化重整方法，其特徵包括如下步驟 (1)待重整氣體為固體燃料在熱化學轉化過程中產生的熱解、氣化氣、燃燒尾氣、工業廢氣、VOC、有機氣體； (2)磁介質的選擇鐵、鑽、鎮、氧化鐵、鐵娃合金、鐵氧體、欽鐵砸、招鎮鑽；在進行催化劑負載時，製備的金屬催化劑與磁介質為同一種金屬時，則不需要負載該催化劑； (3)磁介質催化重整不超過以下控制溫度鐵、鈷、鎳、鐵氧體、鐵矽合金、釹鐵硼、鋁鎳鈷分另Ij為 10800C、7000C、300 V、400°C、650°C、300°C、850°C。
4.根據權利要求3所述的磁穩定催化重整方法，其特徵還在於， 磁介質粉碎為粒徑為0. Olmm-O. 5mm的不規則顆粒，以浸潰法將顆粒浸泡於10-30%濃度的不同組分金屬鹽溶液中，主要包括Ni (NO3)2' Fe(NO3)3' Mg(NO3)2' Cu(NO3)2 ;在105-120°C條件下烘乾，再於300-1000°C條件下在馬弗爐中進行煅燒1_2小時，而後以99%的氫氣在300°C條件下進行還原，從而製備負載不同金屬氧化物的磁介質催化劑；
5.使用權利要求I或2所述裝置的磁穩定催化重整方法，其特徵在於， 在300-1000°C下，將固體燃料的熱化學轉化過程中產生的熱解、氣化氣、焚燒氣、工業尾氣、V0C、有機氣體通入上述磁穩定催化重整裝置，並通過設置在氣體入口處的噴嘴通入重整介質到反應爐中；重整介質是空氣、氧氣、水蒸汽及其混合物；重整介質與待重整氣體一起進入噴口，以高速噴在錐形紊流裝置上，進而其後形成渦流；氣體在脈衝點火器處發生部分燃燒，或者不開啟點火器並且不發生燃燒，反應區磁介質催化劑表面的沉積物被氧化；大分子有機氣體在高溫條件下裂解為H2、C0和CO2XH4以及小分子烷烴類氣體；爐膛內磁介質被加熱，待重整氣體中的大分子碳氫化合物被有效分解，生成H2、CO、CH4以及其他高熱值低碳化合物。
全文摘要
本發明涉及一種磁穩定催化重整裝置與方法，該裝置包括物料介質混合單元、部分氧化單元、磁化單元、加熱電阻絲和保溫層；其最外層為線圈，重整裝置的中層為保溫層，內層為由絕緣陶瓷包裹的加熱電阻絲。重整介質與待重整氣體以常壓或帶壓高速通入磁穩定催化重整裝置噴口，在紊流裝置後形成渦流。氣體進入上方的重整裝置，在催化劑的作用下，包裹著活性物質的磁介質在穩定軸向磁場的擾動下會形成分布均勻緻密的介質網，氣體與磁介質催化劑充分接觸反應生成H2、CO、CH4、CO2及烷烴等氣體。本發明以磁介質代替傳統載體製備的催化劑，通過高溫清除附著在催化劑表面的焦油焦炭，解決了催化劑失活催化性能下降的問題，延長了催化劑和載體的壽命，提升了催化效果。
文檔編號B01J8/08GK102816608SQ20121032613
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者高寧博, 郝喬, 尹志凡, 李愛民 申請人:大連理工大學