一種生物質可燃氣焦油分離脫除裝置的製作方法
2024-03-06 10:50:15
本發明涉及燃氣焦油領域，確切地說是一種生物質可燃氣焦油分離脫除裝置。
背景技術：
目前，生物質可燃氣體中焦油分離去除，主要應用物理方法和物理化學方法兩大類。大致分為：溼式、乾濕、乾濕混合式、高溫裂解、催化裂解、靜電場吸附等方法，但都存在這樣那樣的不足。
目前應用的生物質可燃氣體焦油分離去除技術方法簡介及其不足：
1、溼式水洗法。該方法是在設置的容器內，配置多個水噴淋頭，類似浴室的蓮蓬頭，不間斷的噴出水滴，可燃氣經過時對氣體進行洗滌，焦油隨水流走，達到脫除焦油的目的。存在的問題是：水洗過程中對大量水體的汙染和焦油難以收集造成能量損失等。
2、乾式濾料過濾脫除法。該方法是在設置的容器內放置過濾材料，可燃氣體經過時濾料吸附過濾掉焦油。但在脫除過程中存在焦油嚴重地粘附沉積於濾料上、粘附焦油的濾料難以處理、收集利用焦油困難造成能量損失和環境汙染、以及經濟成本高等問題。
3、乾濕混合式除焦油方法。乾濕混合式就是先對可燃氣體水洗降溫去除部分焦油，再應用乾式過濾法，利用濾料過濾去除可燃氣中殘餘的焦油。同樣存在產生大量水體汙染、治理成本高、濾料難以處理、焦油損失等問題。
4、高溫熱裂解焦油方法，焦油在1100℃以上高溫才能裂解轉化，目前生物質熱裂解爐溫度大都在600-700℃，如果將爐溫提高到1100℃以上，需要消耗大量能量，同時對技術、材料、工藝提出更高要求，成本大幅上升，得不償失，實際使用困難，行業中很少使用該項技術脫除焦油。
5、催化裂解方法。該方法是在生物質熱裂解過程中，將催化劑均勻地混合到生物質原料中，在熱的作用下催化劑與焦油分子發生反應，催化焦油裂解，脫除可燃氣體中的焦油。但是這種方法中所使用的催化劑一般資源有限、價格較貴，同時工藝程序複雜，增加了成本，不適合大面積的工業生產應用。
6、靜電除焦油方法。該方法是在相應的設備腔體內設置高壓靜電場，攜帶焦油的可燃氣經過高壓靜電場時，產生大量的離子和電子，氣體中的焦油、灰塵等粒子與離子或電子結合而帶電，在電場力作用下向兩極運動，最後依靠靜電引力和分子間凝聚力吸附沉澱下來。但該方法要求可燃氣體中氧氣含量不能超過2%，否則高壓靜電作用易引起燃氣爆炸；生物質在熱裂解氣化過程中需要氧氣助燃產生高溫，氣化爐內氧氣進入量隨時波動，很難將可燃氣體中氧氣含量控制在2%以內，因此該方法存在潛在的危險，在生物質熱裂解實際工業生產中很少應用。
與本發明最接近的現有的裝置結構或方法：水洗法。有採用冷卻洗滌塔裝置來脫除焦油。冷卻塔內有多排霧化噴嘴，燃氣從下而上，經過一排排向下噴淋的液滴後帶走氣體中的焦油和灰塵，經過此過程，氣體中重質焦油被完全冷凝下來，而一般意義的焦油液滴和煙霧還留在氣體中，需要在冷卻塔後面加洗滌塔來去除這一部分焦油，應用文丘裡效應，洗滌塔內壓力突變原理來除去氣態中較重的物質。水洗冷卻塔和文丘裡洗滌塔聯合使用能提高氣體中焦油的脫除效果。存在的缺點是：需要大量的水，造成二次汙染或治理，治理成本高，設備投資大。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種生物質可燃氣焦油分離脫除裝置，簡單、方便、成本低、使用可靠、操作簡便的分離去除生物質可燃氣體中焦油的技術工藝，使可燃氣中攜帶的焦油達到分離脫除收集的效果。
本發明的技術方案如下：
一種生物質可燃氣焦油分離脫除裝置，包括有結構相同的一次冷卻焦油分離器、二次冷卻焦油分離器，一次冷卻焦油分離器、二次冷卻焦油分離器分別包括有設備腔冷凝器、焦油收集上側板、焦油收集下側板；所述的設備腔頂部設有輸送管接口進氣口，輸送管接口進氣口與輸送管相連，設備腔上部設有設備腔冷凝器，設備腔冷凝器兩端分別為循環冷卻水進口、循環冷卻水出口，設備腔中部設有交叉疊置的焦油收集上側板、焦油收集下側板，焦油收集下側板頂端與焦油收集上側板之間間隙為可燃氣過流斷面，焦油收集下側板上表面與設備腔內壁之間形成冷凝液收集腔，冷凝液沿著焦油收集下側板上表面逐漸向下匯集，並通過冷凝液出口排出，設備腔下端連接有焦油收集腔，焦油收集腔底端設有焦油排出口，設備腔底部側壁設有可燃氣出口。
所述一次冷卻焦油分離器脫除氣體中90%以上的焦油。
所述二次冷卻焦油淨化器冷卻後，氣體溫度降至40℃，可燃氣體中的焦油基本分離脫出乾淨。
所述輸送管輸送生物質可燃氣體風速的為6-11m∕s，設備腔內風速為0.4-0.6m∕s。
所述可燃氣過流斷面風速10-80m∕s之間。
本發明的有益效果為：
（1）本發明技術在脫除可燃氣體中焦油時未使用大量水，避免了二次水汙染問題；並且脫除、收集的焦油比較純淨，方便下一步利用焦油中所含有的化學能，有效減少能量的損失。本發明技術在脫除焦油過程中未使用濾料，不存在焦油沉積及粘附在濾料上的處理問題，而且收集脫除的焦油純淨，可有效利用，減少能量的損失浪費。
（2）本發明方法無需大量利用其它的外來物質， 在整個工藝過程中，未使用大量的水，也不需要大量過濾吸附材料，更不需要超高爐溫及催化劑等，同時無需嚴格控制燃氣中氧氣含量以免發生爆炸，既避免了後續水洗廢液的處理過程，又降低了能耗，節約了成本，而且能夠將從氣體中脫除出來的焦油收集起來，便於焦油的進一步開發利用。
（3）本發明方法是一種既簡便實用又經濟安全的焦油脫除技術，具有重大的經濟效益、社會效益和環保效益。
（4）本發明利用多項物理原理，在這個過程中沒有像傳統水洗法那樣使用大量的水，也沒有像傳統過濾法那樣用到大量過濾吸附材料，同時無需嚴格控制燃氣中氧氣含量以免發生爆炸，更不需要高溫及催化劑，這樣既避免了後續水洗廢液的處理過程，又提高了脫除效果，降低了能耗，節約了成本，而且能夠將從氣體中脫除出來的焦油收集起來，便於焦油的進一步開發利用。
附圖說明
圖1為本發明的冷卻焦油分離器結構示意圖。
具體實施方式
參見附圖，一種生物質可燃氣焦油分離脫除裝置，包括有結構相同的一次冷卻焦油分離器、二次冷卻焦油分離器，一次冷卻焦油分離器、二次冷卻焦油分離器分別包括有設備腔冷凝器2、焦油收集上側板5、焦油收集下側板6；設備腔頂部設有輸送管接口進氣口1，輸送管接口進氣口1與輸送管相連，設備腔上部設有設備腔冷凝器2，設備腔冷凝器2兩端分別為循環冷卻水進口3、循環冷卻水出口4，設備腔中部設有交叉疊置的焦油收集上側板5、焦油收集下側板6，焦油收集下側板6頂端與焦油收集上側板5之間間隙為可燃氣過流斷面7，焦油收集下側板6上表面與設備腔內壁之間形成冷凝液收集腔8，冷凝液沿著焦油收集下側板6上表面逐漸向下匯集，並通過冷凝液出口9排出，設備腔下端連接有焦油收集腔11，焦油收集腔11底端設有焦油排出口12，設備腔底部側壁設有可燃氣出口10。
一次冷卻焦油分離器脫除氣體中90%以上的焦油。二次冷卻焦油淨化器冷卻後，氣體溫度降至40℃，可燃氣體中的焦油基本分離脫出乾淨。輸送管輸送生物質可燃氣體風速的為6-11m∕s，設備腔內風速為0.4-0.6m∕s。可燃氣過流斷面風速10-80m∕s之間。
本發明的工作原理為：
本發明主要是應用物理方法脫除生物質可燃氣體中的焦油。根據生物質可燃氣體分子和焦油分子之間的性質差異，確定解決問題的理論依據和具體方法。
可燃氣主要成分是CO、H2、CH4和低分子烴類等可燃小分子，在常溫下呈氣態。而焦油主要是可冷凝的多核芳香族、酚類和烯烴類物質，在低於200℃時開始凝結，這些分子結構雖不完全相同且種類繁多，但都具有相同的有機基團，這就決定了這些分子具有相似的性質，受外力作用，易於碰撞粘合聚集在一起。根據可燃氣分子和焦油分子的物理化學性質的差異，通過溫度、速度、動能等物理因素的改變,促進焦油分子碰撞聚集，從而與氣體分子分離。
根據流體力學中伯努利原理，利用文丘裡效應，設置相應的容器腔體，根據溫度的變化，配置對應的流體速度，形成流體動能，流體速度不斷高低劇烈變化，造成流體中的分子劇烈碰撞，利用可燃氣分子與焦油分子的性質差異，加劇焦油分子的碰撞聚集，形成焦油聚集體。在流體運動速度急劇變化碰撞中，焦油小聚集體不斷凝聚成更大的焦油團簇聚集體，此時高速運動的流體通過容器腔體過流斷面時，流體流速增大，流速的增大伴隨流體壓力的降低，也就是伯努利原理，高速流動的流體附近會產生低壓，進而產生壓強差，從而產生吸附效應。這樣氣體中攜帶的焦油團簇聚集體就被吸附在焦油收集板上，實現可燃氣與焦油分離的目的。
生物質可燃氣體中焦油的脫除，主要是通過冷卻器和一次冷卻焦油分離器實現的。攜帶焦油分子的氣體進入冷卻器後，得到逐步冷凝降溫，氣體溫度降至40℃左右，其中焦油類分子大部分變為液態。溫度降低時可燃氣體分子的粘滯力變小，而液態焦油分子的粘滯力變大。這就使得可燃氣體分子彼此不易粘連在一起，而焦油液態分子更易粘結。因此，通過冷卻器之後焦油類分子易粘結聚集在一起形成分子聚集體。通過降溫使分子熱運動減弱，經過焦油分離容器腔時，施加外力對氣體做功，給予含有焦油的可燃氣更多的能量，使焦油分子獲得更大的動能，加劇這些分子的無規則運動，進而加大了這些有機分子間的接觸、碰撞、粘結機率。而且這種碰撞粘結機率隨分子無規則運動劇烈程度的增強而增加，從而加大焦油分子聚集體形成的機率。這樣攜帶著焦油分子聚集體的可燃氣體，在到達焦油收集板前，就有效地通過高速運動使小的焦油分子聚集體粘合成更大的團簇聚集體，快速地通過兩側焦油收集板中的過流斷面，利用文丘裡效應產生負壓使焦油分子聚集在兩側收集板向下的側面。同時焦油收集板表面儘可能的光滑，以便於焦油分子團簇聚集體液滴的收集滴落，這樣就實現了可燃氣與焦油的分離。整個流程中，流體的速度根據不同時段參數，從0.5m/s至80m/s之間高低波動，形成流體震蕩波，在伯努利原理和文丘裡效應作用下，加劇分子之間的碰撞粘合，促進焦油同類分子的集聚，最終形成液態焦油體並與可燃氣體分離。