一種生物質氧載體氣化製備合成氣的裝置的製作方法
2023-04-30 06:05:36
本實用新型屬於生物質合成氣技術領域，具體涉及一種利用生物質氧載體氣化製備合成氣H2/CO的裝置。
背景技術：
人類面臨著越來越大的能源與環境的雙重壓力，而生物質能源作為一種潔淨又可以再生的能源，是唯一可以代替化石能源轉化成氣態、液態、固態燃料以及其他化工原料或者產品的碳資源。我國是一個農業大國，有著豐富的生物質能源，大量的秸稈、木屑被焚燒，嚴重汙染大氣，同時又浪費了大量的資源。
生物質是一種資源十分豐富的可再生能源，就其能量當量而言，是僅次於煤、石油、天然氣而列第4位的能源。相比於傳統化石燃料，生物質具有來源廣泛、產量大、可再生、價格低廉；使用過程中產生的二氧化碳可被植物或微生物通過光合作用再吸收利用，二氧化碳的淨排放量為零，不會引起溫室效應；生物質中氮、硫、灰分等含量低，汙染排放少。採用生物質製備二甲醚合成氣，將秸稈等生物質原料轉化為清潔燃料，不但能夠解決秸稈焚燒帶來的環境汙染問題，而且可以彌補化石燃料的不足，緩解過分依賴大量進口石油的被動局面，以保障我國能源安全戰略。同時，生物質轉化二甲醚過程中產生的固體及液體廢物經處理後可以作為農作物的肥料及灌溉用水，實現廢物循環利用。
製備的合成氣主要應用於合成二甲醚。二甲醚作為一種基本化工原料，由於其良好的易壓縮、冷凝、汽化特性，使得二甲醚在製藥、燃料、農藥等化學工業中有許多獨特的用途。如高純℃的二甲醚可代替氟裡昂用作氣溶膠噴射劑和致冷劑，減少對大氣環境的汙染和臭氧層的破壞。由於其良好的水溶性、油溶性，使得其應用範圍大大優於丙烷、丁烷等石油化學品。代替甲醇用作甲醛生產的新原料，可以明顯降低甲醛生產成本，在大型甲醛裝置中更顯示出其優越性。作為民用燃料氣，其儲運、燃燒安全性，預混氣熱值和理論燃燒溫℃等性能指標均優於石油液化氣，可作為城市管道煤氣的調峰氣、液化氣摻混氣。也是柴油發動機的理想燃料，與甲醇燃料汽車相比，不存在汽車冷啟動問題。它還是未來製取低碳烯烴的主要原料之一。
技術實現要素：
本實用新型目的在於克服現有技術缺陷，提供一種工藝簡單、操作簡便的利用生物質氧載體氣化製備合成氣H2/CO的裝置。
為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案：
一種生物質氧載體氣化製備合成氣的裝置，其包括熱解管、氣化重整室、旋風分離器、氣體輸送裝置，以及順次連接的焦油裂解室、冷凝器和乾燥器；所述熱解管的下部伸入氣化重整室內，氣化重整室的頂部開設有可封閉的第一加料口，氣化重整室的側壁由加熱板製成；所述旋風分離器的進口與氣化重整室的頂部相連通，旋風分離器的出氣口通過管路與焦油裂解室的頂部相連通，旋風分離器的出灰口通過管路與氣化重整室的側壁相連通且出灰口所在的管路上設置有卸灰閥；所述焦油裂解室套設在氣化重整室外，氣化重整室裸露在外的側壁包裹有保溫層，所述焦油裂解室包括下端開口的殼體、和蓋設在殼體開口上的底板，所述底板與殼體滑動連接，殼體的頂部開設有可封閉的第二加料口，殼體內設有催化劑層；所述氣體輸送裝置包括端部設有風帽的支管、連接管、空氣管和水蒸氣管，連接管的一端與支管遠離風帽的端部相連通，連接管的另一端同時與空氣管和水蒸氣管相連通，所述支管設有風帽的一端自底部伸入氣化重整室內。
具體的，所述焦油裂解室的殼體內設有豎直放置的折流板且折流板向下穿過並伸出催化劑層外，折流板的上端與殼體頂部固定連接，折流板的下端與底板間隔有距離，從而將焦油裂解室由內到外分為第一腔室和第二腔室，且第一腔室的底部和第二腔室的底部相連通；所述旋風分離器的出氣口通過管路與第一腔室的頂部相連通。
具體的，所述加熱板由雲母板和填充在雲母板內的電加熱絲製成。雲母板起到絕緣的作用，同時起到很好的導熱作用。
焦油裂解室內設置有催化劑層（焦油裂解室的殼體內卡接有若干層濾網，上下層濾網之間用以放置催化劑，此為本領域嘗試，故不再贅述），催化劑採用鎳基催化劑，利用加熱板產生的餘熱可供鎳基催化劑將焦油很好的裂解，未被裂解的物質落入底板進行富集，當反應結束時，向外滑動抽出底板，未分解成分被排出。乾燥器內的乾燥劑採用礦物乾燥劑，其主要成分吸溼性高、去異味能力強，無毒無味、無接觸性腐蝕，無環境汙染；吸溼率比矽膠類乾燥劑高出50%～100%以上。風帽的作用是將空氣或水蒸氣通入氣化重整室，風帽的位置高於熱解氣化室的下埠，當水蒸氣或者空氣通入時形成負壓，從而引導熱解管內產生的粗合成氣進入氣化重整室。旋風分離器可以使合成氣和固體物質分離。
利用上述裝置進行生物質氧載體氣化製備合成氣的方法，其包括如下步驟：
1）向氣化重整室內加入60-100目的三氧化二鐵顆粒作為氧載體，向焦油裂解室的殼體內加裝鎳基催化劑；啟動加熱板8使其溫度保持在800±50℃，通過熱量傳遞，保持熱解管3內的溫度在600±50℃，保持焦油裂解室內鎳基催化劑溫度在700±50℃；向熱解管內加入生物質，生物質在下降過程中發生熱解反應產生粗合成氣，同時打開水蒸汽管上的閥門向氣化重整室內通入水蒸氣；
2）產生的粗合成氣自熱解管底部進入氣化重整室內，在水蒸氣氛圍下發生反應從而進行粗合成氣的重整，在此過程中氣化重整室內的氧載體晶格氧通過水蒸氣得到補充；
3）重整後的氣體自氣化重整室的頂部進入旋風分離器進行淨化，淨化後的氣體自旋風分離器頂部通過管路進入焦油裂解室內，在穿過催化劑層的過程中焦油發生裂解反應，進一步提高合成氣的產率，未被裂解的灰分在重力作用下落入底板上；
4）焦油裂解室內的氣體再依次通過冷凝器和乾燥器，最後經乾燥器的出氣口排出，即可得到較為純淨的合成氣。
具體的，在合成氣製備完成後，關閉水蒸氣管上的閥門，打開空氣管上的閥門，向氣化重整室內通入空氣，對氧載體進行氧化，從而實現氧載體的多次循環使用。
和現有技術相比，本實用新型裝置的有益效果：
本裝置結構簡單，易加工實現工業化，耗能較低，能夠實現使用加熱板作為單一熱源為生物質熱解加熱、氣化重整加熱及催化重整加熱，氧載體可以循環利用。
附圖說明：
圖1為本實用新型所述生物質氧載體氣化製備合成氣裝置的結構示意圖；
圖2為圖1中風帽的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合實施例對本實用新型的技術方案作進一步地詳細介紹，但本實用新型的保護範圍並不局限於此。
實施例1
如圖1和2所示，一種生物質氧載體氣化製備合成氣的裝置，其包括熱解管3、氣化重整室4、旋風分離器5、氣體輸送裝置，以及順次連接的焦油裂解室、冷凝器17和乾燥器18；所述熱解管3的下部伸入氣化重整室4內，氣化重整室4的頂部開設有可封閉的第一加料口16，氣化重整室4的側壁由加熱板8製成；所述旋風分離器5的進口與氣化重整室4的頂部相連通，旋風分離器5的出氣口通過管路與焦油裂解室的頂部相連通，旋風分離器5的出灰口通過管路與氣化重整室4的側壁相連通且出灰口所在的管路上設置有卸灰閥15；所述焦油裂解室套設在氣化重整室4外，氣化重整室4裸露在外的側壁包裹有保溫層（圖中未表示出）以防止加熱板的熱量損失，所述焦油裂解室包括下端開口的殼體19、和蓋設在殼體19開口上的底板9，所述底板9與殼體19滑動連接，殼體19內設有催化劑層6；所述氣體輸送裝置包括端部設有風帽12的兩個支管20、連接管21、空氣管11和水蒸氣管10，連接管21的一端與支管20遠離風帽12的端部相連通，連接管21的另一端同時與空氣管11和水蒸氣管10相連通（即空氣管11和水蒸氣管10與連接管21相併聯），所述支管20設有風帽12的一端自底部伸入氣化重整室4內。
所述焦油裂解室的殼體19內設有豎直放置的折流板7且折流板7向下穿過並伸出催化劑層6外，折流板7的上端與殼體19頂部固定連接，折流板7的下端與底板9間隔有距離，從而將焦油裂解室由內到外分為第一腔室和第二腔室，且第一腔室的底部和第二腔室的底部相連通；第一腔室的頂部和第二腔室的頂部均開設有可封閉的第二加料口14。所述旋風分離器5的出氣口通過管路與第一腔室的頂部相連通。所述加熱板8由雲母板和填充在雲母板內的電加熱絲製成。風帽12呈中空的錐臺結構，且沿外圓周壁開設有若干開口121。
一種利用上述裝置進行生物質氧載體氣化製備合成氣的方法，其包括如下步驟：
1）通過可封閉的第一加料口16向氣化重整室4內加入60-100目的三氧化二鐵顆粒作為氧載體。通過可封閉的第二加料口14向焦油裂解室的殼體19內加裝鎳基催化劑。啟動加熱板8使其溫度保持在800℃左右，通過熱量傳遞，可保持熱解管3內的溫度在600℃左右，焦油裂解室內鎳基催化劑溫度在700℃左右。通過進口1向熱解管3內加入生物質（如小麥秸稈、玉米秸稈等，需預先粉碎以利於反應燃燒完全），生物質在下降過程中在高溫條件下發生熱解，產生主要成分為H2、CO、CH4、CO2等的粗合成氣，同時打開水蒸汽管10上的閥門向氣化重整室4內通入水蒸氣（水蒸氣順次通過水蒸汽管10、連接管21、支管20，並自風帽12的開口121處進入氣化重整室4內）。
主要熱解反應式列舉如下：
。
2）產生的粗合成氣自熱解管3底部進入氣化重整室4內，在水蒸氣氛圍下發生反應從而進行粗合成氣的重整，在此過程中氣化重整室4內的氧載體晶格氧通過水蒸氣得到補充。反應式列舉如下：
。
3）重整後的氣體自氣化重整室4的頂部進入旋風分離器5進行淨化，淨化後的氣體自旋風分離器5頂部通過管路進入焦油裂解室內，在折流板7的作用下，順次通過第一腔室和第二腔室，在穿過催化劑層6的過程中焦油發生裂解反應，進一步提高合成氣的產率，未被裂解的灰分在重力作用下落入底板9上。反應式列舉如下：
。
4）焦油裂解室內的氣體再依次通過冷凝器17和乾燥器18（以除去水蒸氣），最後經乾燥器18的出氣口22排出，即可得到較為純淨的合成氣。
5）在合成氣製備完成後，關閉水蒸氣管10上的閥門，打開空氣管11上的閥門，向氣化重整室4內通入空氣，對氧載體進行氧化，從而實現氧載體的多次循環使用。