一種基於卡門渦流的熱解氣提質方法
2024-04-14 15:40:05
1.本發明涉及熱解氣提質技術領域，具體為一種基於卡門渦流的熱解氣提質方法。
背景技術：
2.熱解是解決秸稈等生物質的最優方法之一，可將其轉化為氣、液、固三相產物，熱解產物經過提質、改性後可實現產品的高值利用。熱解技術具有原料適用範圍廣、工藝成熟等優勢。其中，熱解氣是熱解的主要產物之一，熱解氣的主要成分有co、co2、ch4和h2等，可作為燃氣當作日常用能。然而，目前在利用熱解技術熱解秸稈等生物質時，會產生約20~30%的熱解油，即人們常說的焦油，焦油的化學成分包括苯酚類化合物、酸類、糖類等。因此熱解得到的熱解油具有腐蝕性大、高黏度等特點，極大程度影響了熱解油的輸送及存儲，限制了熱解油被進一步的應用。
3.研究表明，催化重整技術可將生物質熱解油轉化為熱解氣，實現了油向氣的轉化，即可使得熱解油能夠通過催化方式完成向高值化學品的轉化。但現階段對熱解油的轉化效率低、催化劑使用壽命短、提純和精煉工序複雜等問題。此外，在催化重整的過程中，熱解的氣態物質與催化劑接觸不充分、不均勻或接觸時間短也是影響其催化重整效果的主要因素之一。
技術實現要素：
4.本發明意在提供一種基於卡門渦流的熱解氣提質方法，利用卡門渦流效應，增加熱解揮發性大分子物質與催化劑充分接觸，促進大分子物質向小分子物質的轉化，提高焦油轉化率；而且能夠增加熱解氣在恆定溫度場的滯留時間，使得熱解氣各組分與催化劑之間的碰撞效率提高，提高了熱解氣與催化劑混合的均勻性和接觸時間，提高了催化劑的使用效率，為生物質氣化重整技術提供了新思路、新方法。
5.為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種基於卡門渦流的熱解氣提質方法，包括以下步驟：s1、生物質熱解，將粉碎後的生物質在550~600 ℃條件下熱解，熱解得到揮發性物質；s2、熱解氣催化重整：將s1得到的揮發性物質，在載流氣作用下沿著螺旋管進入熱解氣催化重整反應器內，熱解氣催化重整區溫度為700~800℃，在催化重整反應器中的內側設有渦流發生器和催化劑承載床，渦流發生器上設有渦流發生片；催化劑承載床可使得揮發分子自由通過；渦流發生器和催化劑承載床間隔設置，保證兩者之間留有足夠孔隙，能夠產生渦流，揮發性物質在渦流發生器的作用下，在渦流發生器和催化劑承載床之間形成渦流，增加揮發性物質和催化劑的有效接觸面積，提高催化劑的催化效果，同時將揮發性物質中的焦油大分子物質轉化為小分子物質，小分子物質在載流氣的作用下，進入下一反應階段；s3、熱解氣氣化重整：將s2得到的小分子物質，在載流氣作用下進入熱解氣氣化重
整反應器，氣化重整反應器溫度為850~950℃，熱解氣氣化重整器為環狀盤管結構，螺旋管內部設有多個均布的渦流發生器，外部設有氣化劑入口，氣化劑和小分子物質被載流氣帶入熱解氣重整器的揮發性物質在渦流發生器的作用下，在渦流發生片背面形成氣流旋渦，在氣流旋渦的作用下，小分子物質各組分碰撞加聚，促進水煤氣變換、甲烷co2重整以及甲烷蒸汽重整化學反應，從而促進co、h2的生成，實現對熱解氣的提質。
6.進一步地，在s1中，熱解時升溫速率為10℃/min，揮發性物質包括可冷凝物質和非冷凝物質；可冷凝物質包括焦油大分子物質和水蒸氣；非冷凝物質包括co、co2、h2、ch4、c
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烴類物質。
7.進一步地，在s2中，載流氣的流量為50 ml/min，固體滯留時間設置為30 min，螺旋管的直徑為螺旋直徑的1/3，盤管圈數設置為10，載流氣的總量為50~150ml，催化劑承載床設置在渦流發生器下部，且與渦流發生器間隔為30~50mm，以確保經渦流發生器後的熱解氣在紊流狀態下與催化劑充分接觸。
8.進一步地，在s2中，催化劑承載床為石英材質；渦流發生片包括一片圓環狀渦流發生片和八片按照圓周均布的扇形渦流發生片，八件扇形渦流發生片之間的夾角為45
°
；均布的八片渦流發生片與水平面的夾角30
°
，既減小熱解揮發分與渦流發生器的阻力，也可以產生渦流，且渦流發生片由耐高溫材料製成；焦油大分子物質轉化為的小分子物質包括烷烴、烯烴、苯酚及其他非冷凝氣體。
9.進一步地，在s3中，熱解氣氣化重整器的管道為環狀盤管，環狀盤管的直徑為螺旋直徑的1/3，氣化劑為水蒸氣或co2。
10.進一步地，在s2和s3中，渦流發生器均為圓形結構，s2中的渦流發生器直徑大於s3中渦流發生器直徑；在s3中，渦流發生器均勻分布在環狀盤管中。
11.進一步地，在s2中和s3中，載流氣均為外界輸入的氮氣、氦氣、氬氣中的一種或多種。
12.技術方案的有益效果是：1、本發明創新性的提出螺旋管與卡門渦流效應相結合，既增加了氣相滯留的時間，又增強了小分子氣體混合均勻性，提高了氣體分子之間的有效碰撞，提高了水煤氣變換、甲烷co2重整、甲烷蒸汽重整等反應加強，促進熱解氣質量和品質的提升；2、本發明創新性的提出利用卡門渦流效應，增加熱解揮發性大分子物質（焦油為主）與催化劑之間的充分接觸，促進大分子物質向小分子物質的轉化，大大提高焦油轉化率；3.本技術可有效提高熱解氣中可燃氣體h2和co含量，減少溫室氣體ch4和co2含量，實現了溫室氣體的減排；4、本發明能夠增加熱解氣在恆定溫度場的滯留時間，提高了熱解氣與催化劑混合的均勻性和接觸時間，提高了催化劑的使用效率，為生物質氣化重整技術提供了新思路、新方法。
附圖說明
13.圖1為本發明一種基於卡門渦流的熱解氣提質方法的工藝流程圖；圖2為本發明一種基於卡門渦流的熱解氣提質方法的流程示意圖；
圖3為本發明一種基於卡門渦流的熱解氣提質方法渦流發生片的結構示意圖。
具體實施方式
14.下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細說明：一種基於卡門渦流的熱解氣提質方法，包括以下步驟：如圖1至圖3所示，一種基於卡門渦流的熱解氣提質方法，包括以下步驟：s1、生物質熱解，生物質經過粉碎後進行熱解，熱解溫度為550~600 ℃，熱解過程中升溫速率為10℃/min，熱解得到揮發性物質；揮發性物質包括可冷凝物質和非冷凝物質；可冷凝物質包括焦油大分子物質和水蒸氣；非冷凝物質包括co、co2、h2、ch4、c
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烴類物質；s2、熱解氣催化重整：熱解產生的揮發性物質在載流氣作用下沿著螺旋管進入熱解氣催化重整反應器，載流氣為氦氣，流量為50 ml/min，固體滯留時間為30 min；螺旋管的直徑約為螺旋直徑的1/3，螺旋圈數為10，載流氣流量設置為50~150ml，催化重整反應器中的內側設有渦流發生器和催化劑承載床，渦流發生器上均布八片扇形渦流發生片，和一片圓環狀渦流發生片，八件扇形渦流發生片之間的夾角為45
°
，均布的八片渦流發生片與水平面的夾角30
°
；催化劑承載床為石英材質，催化劑承載床可使得揮發分子自由通過，揮發性物質首先經過渦流發生器，在渦流發生片背面形成渦流，渦流在催化劑承載床和渦流發生器之間呈旋渦狀流動，增加了揮發性物質與催化劑的接觸面積，進而促進了熱解揮發分中大分子物質如焦油等轉化為小分子物質，如：烴類（烷烴、烯烴）、苯酚及其他非冷凝氣體；s3、熱解氣氣化重整：經過熱解氣催化重整反應器後，大量的小分子物質（烷烴、烯烴、苯酚及其他非冷凝氣體）隨著載流氣進入熱解氣氣化重整區，載流氣也為氦氣，此外，可通入外源氣化劑，如水蒸氣，水蒸氣和小分子物質再次經過渦流發生器，在渦流發生片背面形成渦流，在渦流的作用下，小分子揮發性物質中的ch4、co2、h2o的碰撞概率大大增加；此外，螺旋管也進一步增加了氣體在溫度場的滯留時間，進而加劇類甲烷蒸汽重整、水煤氣變換以及甲烷二氧化碳重整等反應，從而促進最終氣態產物中co、h2的生成，提高熱解氣的品質。
15.經計算物料在熱裂解反應發生，反應器內最大氣體流量增量約300 ml/min。因此，在整個反應過程中氣體的滯留時間範圍為2~24min之間。
16.對反應所得熱解氣進行檢測發現，採用本發明所提供的方法所得熱解氣、熱解油，與常規熱解、催化熱解、氣化重整所得熱解氣、熱解油對比，如表1、2所示：表1 不同方法所得熱解氣對比
表2 不同方法所得熱解油對比由表1和表2可知，本發明所提供的方法熱解氣的產率約為95%，其中，可燃氣體h2和co含量分別約佔50%和45%，溫室氣體ch4、co2及其他氣體整體含量約為5%；同時，本發明所提供的方法熱解油的產率僅約為3%，極大的實現了對熱解氣的提質。
17.以上所述的僅是本發明的實施例，方案中公知的具體技術方案或特性等常識在此未作過多描述。應當指出，對於本領域的技術人員來說，在不脫離本發明技術方案的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些也應該視為本發明的保護範圍，這些都不會影響本發明實施的效果和專利的實用性。本技術要求的保護範圍應當以其權利要求的內容為準，說明書中的具體實施方式等記載可以用於解釋權利要求的內容。