一種生物質合成氣製取液體燃料漿態床反應裝置及其使用方法與流程
2023-05-05 17:13:51
本發明涉及費託合成領域，尤其是涉及一種適用於生物質合成氣製取液體燃料漿態床反應裝置及使用方法。
背景技術：
能源是現代社會賴以生存和發展的基礎，清潔燃料的供給能力關係著國民經濟的可持續性發展，是國家戰略安全保障的基礎之一。生物質是可再生能源中唯一可以轉化為液體燃料的碳資源，可從規模上彌補石油資源的短缺。利用生物質製取液體燃料，不僅可以減輕對化石能源的依賴，而且能源降低大氣汙染和溫室氣體的排放。
生物質氣化合成液體燃料技術，是指通過熱化學方法將生物質氣化產生粗燃氣，再經燃氣淨化、組分調變獲得高質量的合成氣，進而增壓後採用催化技術合成液體燃料和化學品的一整套集成技術，產品主要包括烴類燃料（如汽油、柴油等）和含氧化合物液體燃料（如低碳混合醇和二甲醚等），費託合成技術是其中的關鍵。費託合成反應器是生物質合成液體燃料技術的核心反應器，已公開報導的費託合成反應器有多種形式，包括有固定床、流化床和漿態床等。由於費託合成反應是一個放熱量大的反應，而固定床反應器存在散熱困難，容易造成催化劑結焦，使得固定床反應器放大相對困難。流化床反應器則存在流化過程難以控制，催化劑利用率低且易磨損等問題。相比之下，漿態床反應器具有溫度均勻可控，氣速操作容易控制，催化劑可在線裝卸的優點而被廣泛應用於煤/生物質基合成氣的費託合成反應。漿態床反應涉及到氣-液-固三相之間的傳熱傳質，因此催化劑顆粒在漿液中的均勻混合和懸浮是高效反應的基礎。目前漿態床反應器存在著催化劑顆粒易於在漿態床反應器漿料床層底部沉積和團聚，造成催化劑在漿料中的密度分布不均勻，影響漿態床反應器的傳熱、傳質和反應。另外，在費託合成反應過程中液體產物由於分子量大且具有較高的沸點，通常以液體狀態在反應器內部積累，需要定期將其從反應器中排出，以確保漿態床反應器的正常運轉。為了避免催化劑的損失，需要將催化劑顆粒從液態產物蠟中分離出來，再返回到反應器中。因此，對固液分離器的設計就變得非常重要。而目前常見的固液分離器容易存在催化劑顆粒破損而堵塞分離器過濾構件造成反應器停車等問題。
因此，為了提高費託合成反應效率，降低催化劑的損失，開發一種漿態床反應器，使其具有良好的催化劑-漿料混合、懸浮效果和固-液分離效率是十分必要的。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述缺陷，提供一種能夠有效增強生物質合成氣在漿態床反應器中的循環流動，促進催化劑顆粒在漿料中的均勻混合和懸浮，以及費託合成液體產品與催化劑顆粒易於分離的漿態床反應裝置及方法。
本發明是通過以下技術方案予以實現的：
一種生物質合成氣製取液體燃料漿態床反應裝置，包括漿態床反應器殼體，所述漿態床反應器殼體內從上之下依次設置有固液分離器，中層氣體分布器和底層氣體分布器；所述漿態床反應器殼體上、靠近固液分離器底端處設置有催化劑進料口；所述漿態床反應器殼體與中層氣體分布器連接處設有合成氣上端進氣口；所述漿態床反應器殼體頂端設置有頂部排氣口，底端設置有漿料排出口，下端設置有合成氣下端進氣口；所述漿態床反應器殼體內、催化劑進料口下方、底層氣體分布器上方設置有冷卻盤管；所述冷卻盤管的冷卻水進口和冷卻水出口均位於漿態床反應器殼體外部，且冷卻水出口位於冷卻水進口上方；所述固液分離器上設置有與外界連通的出液管；所述位於漿態床反應器殼體外部的出液管的出口端處設置有高壓N2反吹口。
所述的漿態床反應器殼體包括圓柱形主體，圓柱形主體上下兩端分別設置有球形蓋。
（一）所述固液分離器底端位於漿態床反應器高度的2/3–3/4處；所述固液分離器為由球形網格構成的密封的圓柱形結構，所述球形網格孔徑為0.1-0.2 um；
（二）所述中層氣體分布器由若干個同心環狀管道組成；所述每個同心環上均勻分布有開口朝上的布氣孔；所述中層氣體分布器上設置有與同心環狀管道相通的十字形主進氣管；所述中層氣體分布器位於漿態床反應器高度的1/4 – 1/3處；
（三）所述底層氣體分布器為圓形，包括上下兩層篩網和位於上下兩層圓形篩網之間的淨化層；所述篩網孔徑為0.2-0.5 um；淨化層內填裝有陶瓷環，陶瓷環內徑為1-3 mm。
（一）所述固液分離器底端位於漿態床反應器高度的2/3處；所述球形網格孔徑為0.1 um；
（二）所述中層氣體分布器位於漿態床反應器高度的1/3處。
（三）所述篩網孔徑大小為0.2 um，陶瓷環內徑為2 mm。
所述冷卻盤管冷卻水進口靠近底層分布器的殼體處，冷卻水出口在漿態床反應器高度的1/2處。
一種利用上述的生物質合成氣製取液體燃料漿態床反應器進行費託合成的方法，利用中層氣體分布器和底層氣體分布器對生物質合成氣進行循環流動，促進催化劑顆粒在漿液中的均勻分布，利用所述的冷卻盤管移出費託合成反應放出的熱量，利用固液分離器進行漿液中液體產物與催化顆粒的分離，利用高壓N2對固液分離器進行反吹，移出固液分離器中殘留的催化劑顆粒。
包括如下步驟：
一、打開漿態床反應器殼體的上蓋，注入漿液，使其高度位於反應器高度的1/2–2/3處，蓋上上蓋；
二、將生物質合成氣分成兩股氣體，分別通過合成氣上端進氣口，合成氣下端進氣口通入漿態床反應器內，所述合成氣上端進氣口，合成氣下端進氣口流量比在1/5–1/3之間，調節上端進氣口與下端進氣口的流量比控制合成氣在漿液中的流動速度使催化劑顆粒在漿液中均勻混合併處於懸浮狀態；
三、合成氣在漿態床反應器中發生費託合成反應生成氣體產物和液體產物；
四、氣態產物通過漿態床反應器頂部排氣口排出，液態產物逐漸在漿態床反應器中累積；
五、當漿料高度達到反應器高度的2/3 – 3/4之間時，打開固液分離器管道出口閥門，在反應器壓力的作用下，液態產物通過固液分離器排出反應器；當反應器中漿料高度下降到反應器高度的2/3處以下時，關閉固液分離器管道出口閥門；
六、打開高壓N2反吹口閥門，使管道壓力略高於反應器中壓力，通過N2吹掃固液分離器中殘留的催化劑，使催化劑顆粒進入反應器漿液中；
上述過程中，冷卻水從冷卻盤管進口進入，從冷卻盤管出口移出，通過冷卻水調節反應器反應過程中的溫度；
七、反應完畢後，從漿料排出口排出漿料。
所述步驟一中漿液高度位於反應器高度的1/2處。
所述步驟二中合成氣上端進氣口，合成氣下端進氣口流量比為1/4。
本發明的有益效果如下：
1）本發明的漿態床反應器設置有兩個氣體分布器，底層氣體分布器為篩網狀結構，可使生物質合成氣均勻的通過底層氣體分布器，在氣流的帶動作用下，漿料中的催化劑顆粒也隨之流動並懸浮在漿料中；在漿料上部的催化劑顆粒由於重力作用會逐漸沉降，容易造成催化劑顆粒在漿料中密度不均勻；通過在漿態床反應器中設置中層氣體分布器，中層氣體分布器呈同心環結構，可將漿料中下降的催化劑顆粒再次流動起來，通過控制合成氣上端進口和下端進口的流量，可調節合成氣在反應器中漿料內的流動狀態，使催化劑在漿料中處於均勻分布和懸浮狀態，促進了漿態床反應器的傳熱、傳質和反應效率。
2）本發明在漿態床反應器內部上方設有固液分離器，可直接進行漿態床反應器中液體產物和催化劑顆粒的分離，固液分離器的網格結構小於催化劑顆粒，可使大部分催化劑與液體產物進行分離而返回到反應器漿料中，在漿態床反應器中由於碰撞而破碎的催化劑粉末則通過高壓N2反吹進入反應器中，不會造成催化劑粉末滯留在固液分離器而導致固液分離器堵塞，提高了催化劑利用率和固-液分離效果。
附圖說明
圖1為本發明的漿態床反應器的結構示意圖；
圖2為圖1中的固液分離器的結構示意圖；
圖3為圖1中的底層氣體分布器；
圖4為圖1中的中層氣體分布器；
其中，1、漿態床反應器殼體，2、固液分離器，3、催化劑進料口，4、合成氣上端進氣口，5、合成氣下端進氣口，6、底層氣體分布器,7、中層氣體分布器,8、漿料排出口，9、冷卻水進口，10、冷卻水出口，11、頂部排氣口，12、液體出口，13、高壓N2反吹口，14、冷卻盤管，21、球形網格，61、圓形篩網，62、陶瓷環，71、主進氣管，72、布氣孔。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明做進一步說明。
一種生物質合成氣製取液體燃料漿態床反應裝置，包括漿態床反應器殼體1，所述漿態床反應器殼體1內從上之下依次設置有固液分離器2，中層氣體分布器7和底層氣體分布器6；所述漿態床反應器殼體1上、靠近固液分離器2底端處設置有催化劑進料口3；所述漿態床反應器殼體1與中層氣體分布器7連接處設有合成氣上端進氣口4；所述漿態床反應器殼體1頂端設置有頂部排氣口11，底端設置有漿料排出口8，下端設置有合成氣下端進氣口5；所述漿態床反應器殼體1內、催化劑進料口3下方、底層氣體分布器6上方設置有冷卻盤管14；所述冷卻盤管14的冷卻水進口9和冷卻水出口10均位於漿態床反應器殼體1外部，且冷卻水出口10位於冷卻水進口9上方；所述固液分離器2上設置有與外界連通的出液管12；所述位於漿態床反應器殼體1外部的出液管12的出口端處設置有高壓N2反吹口13。
所述的漿態床反應器殼體1包括圓柱形主體，圓柱形主體上下兩端分別設置有球形蓋。
所述固液分離器2底端位於漿態床反應器高度的2/3 – 3/4處；所述固液分離器2為由球形網格構成的密封的圓柱形結構，所述球形網格孔徑為0.1-0.2 um；
所述中層氣體分布器7由若干個同心環狀管道組成；所述每個同心環上均勻分布有開口朝上的布氣孔72；所述中層氣體分布器7上設置有與同心環狀管道相通的十字形主進氣管71；所述中層氣體分布器7位於漿態床反應器高度的1/4–1/3處；
所述底層氣體分布器6為圓形，包括上下兩層篩網61和位於上下兩層圓形篩網61之間的淨化層；所述篩網61孔徑為0.2-0.5 um；淨化層內填裝有陶瓷環，陶瓷環內徑為1-3 mm。
所述固液分離器底端位於漿態床反應器高度的2/3處；所述球形網格孔徑為0.1 um；
所述中層氣體分布器7位於漿態床反應器高度的1/3處。
所述篩網61孔徑大小為0.2 um，陶瓷環內徑為2 mm。
所述冷卻盤管14冷卻水進口9靠近底層分布器的殼體處，冷卻水出口10在漿態床反應器高度的1/2處。
一種利用上述的生物質合成氣製取液體燃料漿態床反應器進行費託合成的方法，利用中層氣體分布器和底層氣體分布器對生物質合成氣進行循環流動，促進催化劑顆粒在漿液中的均勻分布，利用所述的冷卻盤管移出費託合成反應放出的熱量，利用固液分離器進行漿液中液體產物與催化顆粒的分離，利用高壓N2對固液分離器進行反吹，移出固液分離器中殘留的催化劑顆粒。
包括如下步驟：
一、打開漿態床反應器殼體的上蓋，注入漿液，使其高度位於反應器高度的1/2–2/3處，蓋上上蓋；
二、將生物質合成氣分成兩股氣體，分別通過合成氣上端進氣口4，合成氣下端進氣口5通入漿態床反應器內，所述合成氣上端進氣口4，合成氣下端進氣口5流量比在1/5 – 1/3之間，調節上端進氣口與下端進氣口的流量比控制合成氣在漿液中的流動速度使催化劑顆粒在漿液中均勻混合併處於懸浮狀態；
三、合成氣在漿態床反應器中發生費託合成反應生成氣體產物和液體產物；
四、氣態產物通過漿態床反應器頂部排氣口11排出，液態產物逐漸在漿態床反應器中累積；
五、當漿料高度達到反應器高度的2/3 – 3/4之間時，打開固液分離器管道出口閥門，在反應器壓力的作用下，液態產物通過固液分離器排出反應器；當反應器中漿料高度下降到反應器高度的2/3處以下時，關閉固液分離器管道出口閥門；
六、打開高壓N2反吹口閥門，使管道壓力略高於反應器中壓力，通過N2吹掃固液分離器中殘留的催化劑，使催化劑顆粒進入反應器漿液中；
上述過程中，冷卻水從冷卻盤管進口進入，從冷卻盤管出口移出，通過冷卻水調節反應器反應過程中的溫度；
七、反應完畢後，從漿料排出口排出漿料。
所述步驟一中漿液高度位於反應器高度的1/2處。
所述步驟二中合成氣上端進氣口4，合成氣下端進氣口5流量比為1/4。
如圖1所示，一種生物質合成氣製取液體燃料漿態床反應裝置，由漿態床反應器殼體1，固液分離器2，冷卻盤管14，底層氣體分布器6，中層氣體分布器7等部分組成；所述漿態床反應器殼體1主體結構為圓柱形，上下兩端為球形蓋，在殼體內部上方設有固液分離器2，內部下方設有中層氣體分布器7和底層氣體分布器6，在殼體內部漿液與氣體分布器之間設有冷卻盤管14。
所述的漿態床反應器殼體1呈豎直放置，下端有底座固定。在漿態床反應器殼體1上端側壁設有催化劑進料口3，進料口位於固液分離器低端附近的殼壁，在漿態床反應器高度的2/3 – 3/4處。催化劑顆粒和液體石蠟在混合均勻後通過催化劑進料口3進入漿態床反應器中。在反應器殼體與中層氣體分布器7連接處設有合成氣上端進氣口4，在底層氣體分布器6下部球形蓋側壁設有合成氣下端進氣口5，通過流量控制器控制生物質合成氣在上端進氣口和下端進氣口的流量，使上端進氣口與下端進氣口流量比在1/5 – 1/3之間，在優選實施方式中上端進氣口與下端進氣口流量比為1/4。在漿態床反應器殼體頂端和底端分別設有頂部排氣口11和漿料排出口8，通過頂部排氣口11排出費託合成反應生成的氣體產物，漿態床反應器中的漿料則通過漿料排出口8排出。
所述的固液分離器2位於漿態床反應器殼體1的內部上方，其底端在漿態床反應器高度的2/3 – 3/4處。固液分離器為圓柱形結構，由球形網格21組成，網格孔徑為0.1-0.2 um。在優選的實施方式中，固液分離器網格孔徑為0.15 um，其底端位於漿態床反應器高度的2/3處。
在固液分離器頂端連接有管道，管道通往漿態床反應器外面。所述的管道用於反應器中費託合成反應生成的液體產物的排出。在管道出口處設有液體出口12，在管道外端設有高壓N2反吹口13，通過高壓N2反吹口將殘留在固液分離器的催化劑顆粒反吹進漿態床反應器中。
所述的中層氣體分布器7位於漿態床反應器殼體內中下部，在反應器高度的1/4 – 1/3處。中層氣體分布器由同心環結構的分布器子單元組成，在每個分布器子單元的弧形分布管72上均勻分布有布氣孔73，布氣孔開口朝上。通過布氣孔生物質合成氣進入漿態床反應器中並朝上流動。在中層氣體分布器四個方向上設有主進氣管71，用於傳輸生物質合成氣。在優選的實施方式中，中層氣體分布器位於漿態床反應器高度的1/3處。
所述的底層氣體分布器6位於漿態床反應器主體結構與下端圓形蓋的結合處，為圓形結構，分為三層，其中上下兩層為圓形篩網61，篩網孔徑大小為0.2-0.5 um，中間層填裝有陶瓷環62，陶瓷環內徑為1-3 mm。在優選的實施方式中，底層氣體分布器篩網孔徑大小為0.2 um，陶瓷環內徑為2 mm。
生物質合成氣經過流量控制器分成兩股氣體，分別從底層氣體分布器和中層氣體分布器進入，底層氣體分布器採用篩網結構，可將合成氣從底部均勻分散到反應器中，帶動催化劑在漿料中流動和分散。在漿料上方的催化劑顆粒在重力作用下會向下沉積，中層氣體分布器中的合成氣從布氣口上方流出，帶動催化劑向上流動。通過調節流量控制器調節生物質合成氣在底層氣體分布器和中層氣體分布器中的流量，促進催化劑在漿態床反應器中的均勻分布和懸浮。
所述的冷卻盤管14位於漿態床反應器內部漿液與氣體分布器之間，冷卻盤管在靠近底層氣體分布器的殼體處設有冷卻水進口9，在漿態床反應器高度的1/2處設置有冷卻水出口10。通過冷卻盤管移出費託合成反應放出的過量熱量，控制反應器的溫度。
催化劑顆粒和液體石蠟混合均勻形成漿料通過漿態床反應器上端進料口進入反應器中，投入到反應器中的漿料高度位於漿態床反應器高度的1/2 – 2/3處，在優選的實施方式中，漿液高度設置為漿態床反應器高度的1/2處。
所述的生物質合成氣製取液體燃料漿態床反應裝置進行費託合成的實施方法，包括利用所述漿態床反應器進行費託合成反應，利用中層氣體分布器和底層氣體分布器對生物質合成氣進行循環流動，促進催化劑顆粒在漿液中的均勻分布，利用所述的冷卻盤管移出費託合成反應放出的熱量，利用固液分離器進行漿液中液體產物與催化顆粒的分離，利用高壓N2對固液分離器進行反吹，移出固液分離器中殘留的催化劑顆粒。
本發明中的一種生物質合成氣製取液體燃料漿態床反應器的操作方法，還包括如下步驟：1）將生物質合成氣分成兩股氣體，通過流量控制器控制每一股氣體的流量，使上端進氣口與下端進氣口流量比在1/5 – 1/3之間；2）合成氣進入漿態床反應器內部漿液中帶動漿液流動，通過調節上端進氣口與下端進氣口的流量比控制合成氣在反應器中流動的速度使催化劑顆粒在漿液中均勻混合併處於懸浮狀態；3）合成氣在漿態床反應器中與催化劑作用發生反應生成氣體和液體產物；4）氣態產物通過漿態床反應器頂部排氣口排出，液態產物逐漸在漿態床反應器中累積；5）當漿料高度達到反應器高度的2/3 – 3/4之間時，打開固液分離器管道出口閥門，在反應器壓力的作用下，液態產物通過固液分離器排出反應器，催化劑固體顆粒返回到漿液中；6）當反應器中漿料高度下降到反應器高度的2/3處以下時，關閉固液分離器管道出口閥門；7）打開高壓N2反吹口閥門，使管道壓力略高於反應器中壓力，通過N2吹掃固液分離器中殘留的催化劑，使催化劑粉末反吹進入反應器漿液中；上述過程中冷卻水從冷卻盤管進口進入，從冷卻盤管出口移出，通過冷卻水調節反應器反應過程中的溫度；
8）反應完畢後，從漿料排出口排出漿料。
應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬於現有技術。
應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，並不能因此而認為是對本發明專利保護範圍的限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護範圍之內，本發明的請求保護範圍應以所附權利要求為準。