一种热解及生物质气体催化重整反应器及其应用的制作方法

本发明属于热解气化技术领域，特别涉及一种热解及生物质气体催化重整反应器及其应用。

背景技术：

热解气化是处理生活垃圾、城市污泥、生物质废弃物等的一个重要技术手段，由于可将固体废弃物转化为清洁燃气，且二次污染风险低，成为固体废弃物处理与能源化利用领域中具有较好环境友好性的应用技术，且呈现出良好的发展和应用前景。

在热解气化技术中，已经发开出三种典型的热解反应器技术，分别是固定床、移动床和流化床类型的热解气化炉。这些热解气化炉在处理物性特征较为单一的物料时能有较好的运行结果，但在处理诸如城市生活垃圾等组成特征变化波动较大的物料时，则往往难以正常工作，主要表现为：混合类物料在反应器内的运动状态难以控制，无法使不同类型的物料都按设计的运动轨迹运动，造成物料在反应器内的运动过程难以有效控制；由于物料特性波动，易使反应器内的传热过程劣化，造成反应物温度不均匀度增大，易于出现局部温度过高、过低现象，使得热解反应难以充分、高效进行；另外，热解气焦油含量偏高，使得后续的热解气脱焦油净化处理的负担很大，若不能及时净化处理，将会导致热解气输送管路以及热解气利用设备（如燃气内燃机发电机组）的堵塞。由于上述这些典型问题的存在，使得热解气化技术对于物性较为复杂的废弃物的处理还难以满足工业化应用的要求。

针对上述问题，本发明提出一种具有新型特征的热解气化炉，能较好地适应对物性较为复杂的废弃物的热解气化处理要求。本发明采用直燃式内热管以及与其相连接的金属填料，置于热解气化炉内，可在热解气化炉建立分布合理且可控的温度场，为热解气化炉内物料热解建立起有利的反应温度条件；与此同时，在金属填料上分段涂覆有催化剂，可促进有机物的热解以及对热解气的重整脱焦油处理，从而整体提高热解气化转化效率以及作为热解产物的生物质气的燃气品质。

技术实现要素：

本发明提供一种热解及生物质气体催化重整反应器及其应用，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种热解及生物质气体催化重整反应器，包括：

热解气化炉，所述热解气化炉竖直设置，所述热解气化炉为管状结构，管状结构内自上而下依次为第一反应区、第二反应区和第三反应区，所述热解气化炉内纵向贯穿有若干根内热管，所述内热管与管状结构之间填充有整体式金属填料，所述整体式金属填料位于第二反应区内；

烟气旋风分离器，所述烟气旋风分离器与内热管的顶端相通，所述内热管的底部通入空气，所述烟气旋风分离器顶部接烟气管道，所述烟气旋风分离器底部接飞灰管道；

解热气旋风分离器，所述解热气旋风分离器的进气端与热解气化炉顶部侧壁的热解气出口端相连，所述解热气旋风分离器的底部与整体式金属填料下方的内热管相连，解热气旋风分离器顶部的出气端接有热解气管道；

进料器，所述进料器接于整体式金属填料下方的管状结构上。

进一步的，所述热解气化炉内横向设置有隔板作为布风装置，所述隔板位于进料器与管状结构相接处的下方。

进一步的，所述隔板与热解气化炉底部之间为气化剂室，所述气化剂室的侧壁上连通有气化剂通道，鼓入的气化剂在气化剂室中通过隔板上设置有若干个孔或风帽进入隔板上方的热解气化炉内。

进一步的，所述内热管中的气体流速为1.0～5.0m/s，温度650～950℃；所述热解气化炉中的气体流速为0.6～4.2m/s，温度550～820℃。

进一步的，所述整体式金属填料为蜂窝板式、波纹板式或丝网式，所述内热管与内热管之间、内热管与管状结构之间均填充有整体式金属填料，所述内热管与整体式金属填料之间以及金属填料与金属填料之间通过金属箔带或金属板焊接连接，所述整体式金属填料的孔径范围为20～50mm。

进一步的，所述整体式金属填料自上而下分为上中下三段，其中下段的整体式金属填料表面不涂覆催化剂材料，中段的整体式金属填料表面涂覆碱金属及过渡金属氧化物催化剂材料，上段的整体式金属填料表面涂覆分子筛基催化剂。

进一步的，所述整体式金属填料7高度为热解气化炉自隔板以上高度的1/2～4/5，且整体式金属填料7自上而下分为上中下三段，每段高度分别占填料总高度的1/5～1/2，其中下段的整体式金属填料7表面不涂覆催化剂材料；中段的整体式金属填料7表面涂覆碱金属（Na、K、Ca、Mg等）及过渡金属（Ni、Mn、Co、Cu等）氧化物催化剂材料；上段的整体式金属填料7表面涂覆分子筛基催化剂（活性组分包括Zr、Fe、Cu、La等金属氧化物，分子筛载体包括ZSM-5、MCM-41、5A、13X、活性氧化铝等）。

优选的，所述的碱金属及过渡金属氧化物催化剂材料，为含有Na、K、Ca、Mg中的一种或两种（若为两种，则其金属元素的摩尔比为5:1～1:4）的碱金属氧化物与含有Ni、Mn、Co、Cu中的一种或两种（若为两种，则其金属元素的摩尔比为3:1～1:2）的过渡金属氧化物的混合物，其中碱金属氧化物与过渡金属氧化物的质量比范围为0.2:1～4:1。

优选的，所述的分子筛基催化剂材料，其中活性组分为含有Zr、Fe、Cu、La中的一种或两种金属氧化物（若为两种，则其金属元素的摩尔比为4:1～1:4），活性组分负载在分子筛载体上，分子筛载体为ZSM-5、MCM-41、5A、13X、活性氧化铝中的一种，活性组分与分子筛载体的质量比为0.01:1～0.15:1。

进一步的，所述气化剂是空气、氧气、水蒸气中的任意一种或几种。

进一步的，所述进料器上安装有料斗，所述料斗呈上大下小的漏斗状。

一种热解及生物质气体催化重整反应器的应用，用于热解气化物料，所述热解气化物料为生活垃圾、城市污泥、生物质原料或废弃物、废弃电子线路板的高分子材料、废弃轮胎塑料。

进一步的，所述热解气化物料在进入热解气化炉之前需要进行破碎、脱水前处理，控制进料的粒径在20mm以下，含水率不高于30%。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出一种具有新型特征的热解气化炉，能较好地适应对物性较为复杂的废弃物的热解气化处理要求。本发明采用直燃式内热管以及与其相连接的金属填料，置于热解气化炉内，可在热解气化炉内建立分布合理且可控的温度场，为热解气化炉内物料热解建立起有利的反应温度条件；与此同时，在金属填料上分段涂覆有催化剂，可促进有机物的热解以及对热解气的重整脱焦油处理，从而整体提高热解气化转化效率以及作为热解产物的生物质气的燃气品质。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

其中：1-热解气化炉，2-烟气旋风分离器，3-解热气旋风分离器，4-气化剂室，5-内热管，6-气化剂通道，7-整体式金属填料，8-进料器，9-料斗，10-烟气管道，11-飞灰管道，12-热解气管道，13-隔板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种热解及生物质气体催化重整反应器，包括：

热解气化炉1，所述热解气化炉1竖直设置，所述热解气化炉1为管状结构，管状结构内自上而下依次为第一反应区、第二反应区和第三反应区，所述热解气化炉1内纵向贯穿有若干根内热管5，所述内热管5与内热管5之间、内热管5与管状结构之间均填充有整体式金属填料7；

烟气旋风分离器2，所述烟气旋风分离器2与内热管5的顶端相通，所述内热管5的底部通入由风机鼓入的空气，所述烟气旋风分离器2顶部接烟气管道10，所述烟气旋风分离器2底部接飞灰管道11；

解热气旋风分离器3，所述解热气旋风分离器3的一端接于热解气化炉出气的管状结构上，另一端与整体式金属填料下方的内热管5相连，所述解热气旋风分离器3顶部的出气端还接有热解气管道12；

进料器8，所述进料器8接于整体式金属填料7下方与隔板13上方的管状结构上。

所述热解气化炉1内横向设置有隔板13，所述隔板位于进料器8与管状结构相接处的下方。

所述隔板13与热解气化炉1底部之间为气化剂室4，所述气化剂室4的侧壁上连通有气化剂通道6，鼓入的气化剂在气化剂室中通过隔板上设置有若干个孔或风帽进入隔板上方的热解气化炉内。气化剂室4通过隔板向热解气化炉1内通入气化剂，所述隔板13上设置有若干个孔或风帽。

所述内热管5中的气体流速为1.0～5.0m/s，温度650～950℃；所述热解气化炉1中的气体流速为0.6～4.2m/s，温度550～820℃。

所述整体式金属填料7为蜂窝板式、波纹板式或丝网式，所述内热管与整体式金属填料7以及金属填料与金属填料之间通过金属箔带或金属板焊接连接，所述整体式金属填料的孔径范围为20～50mm。

所述整体式金属填料7高度为气化炉自隔板以上高度的1/2～4/5，且整体式金属填料7自上而下分为上中下三段，每段高度分别占填料总高度的1/5～1/2。所述整体式金属填料7自上而下分为上中下三段，其中下段的整体式金属填料7表面不涂覆催化剂材料，中段的整体式金属填料7表面涂覆碱金属（Na、K、Ca、Mg等）及过渡金属（Ni、Mn、Co、Cu等）氧化物催化剂材料，上段的整体式金属填料7表面涂覆分子筛基催化剂（活性组分包括Zr、Fe、Cu、La等金属氧化物，分子筛载体包括ZSM-5、MCM-41、5A、13X、活性氧化铝等）。

优选的，所述的碱金属及过渡金属氧化物催化剂材料，为含有Na、K、Ca、Mg中的一种或两种（若为两种，则其金属元素的摩尔比为5:1～1:4）的碱金属氧化物与含有Ni、Mn、Co、Cu中的一种或两种（若为两种，则其金属元素的摩尔比为3:1～1:2）的过渡金属氧化物的混合物，其中碱金属氧化物与过渡金属氧化物的质量比范围为0.2:1～4:1。

优选的，所述的分子筛基催化剂材料，其中活性组分为含有Zr、Fe、Cu、La中的一种或两种金属氧化物（若为两种，则其金属元素的摩尔比为4:1～1:4），活性组分负载在分子筛载体上，分子筛载体为ZSM-5、MCM-41、5A、13X、活性氧化铝中的一种，活性组分与分子筛载体的质量比为0.01:1～0.15:1。

所述气化剂是空气、氧气、水蒸气中的任意一种或几种。

所述进料器8上安装有料斗9，所述料斗9呈上大下小的漏斗状。

一种热解及生物质气体催化重整反应器用于热解气化物料，所述热解气化物料为生活垃圾、城市污泥、生物质原料或废弃物、废弃电子线路板的高分子材料、废弃轮胎塑料等。

所述热解气化物料在进入热解气化炉1之前需要进行破碎、脱水前处理，控制进料的粒径在20mm以下，含水率不高于30%。

本发明的运行过程：

（1）在垂直放置的热解气化炉内部，设置1根或多根内热管，在内热管外焊接整体式金属填料，该填料层填充在热解气化炉的第二反应区内。

（2）在内热管的下端，空气鼓入，并与从热解气旋风分离器分离得到的高含碳残渣进行燃烧，携带粉尘的高温烟气从内热管内流过，在此过程中热量通过管壁传递给整体式金属填料以及热解气化炉的物料，之后通过烟气旋风分离器将飞灰与气体分离。

（3）内热管中的气体流速在1.0～5.0m/s范围，温度范围在650～950℃范围。

（4）在热解气化炉中，热解气化物料由料斗、进料器被输送到气化炉的下端部位，气化剂通过打孔的隔板或安装了风帽的隔板均匀进入气化炉中，与物料接触进行热解气化反应。在物料与气化剂进行热解气化反应的上升式流动过程中，与整体式金属填料接触，强化传热传质及反应过程，所产生的热解气以及高碳量的热解残渣在热解气旋风分离器中分离，气态组分以热解气产物形式流出，高碳量的热解残渣被收集送入内热管中进行燃烧利用。

（5）在热解气化炉中的气体流速在0.6～4.2m/s范围，温度范围在550～820℃范围。

（6）热解气化炉中的整体式金属填料可以是蜂窝板式、波纹板式、丝网式等结构形式，与内热管之间以及填料模块之间通过金属箔带或金属板焊接连接，以增加其传热能力，填料孔径在20～50mm范围。

（7）在整个整体式金属填料层中，位于热解气化炉下端部位的金属填料表面不涂覆催化剂材料，仅发挥传热作用；位于中间部位的金属填料表面涂覆碱金属（Na、K、Ca、Mg等）及过渡金属（Ni、Mn、Co、Cu等）氧化物催化剂材料，以发挥催化热解作用，促进物料在热作用下的热解气化速率；位于上部的金属填料表面涂覆分子筛基催化剂（活性组分包括Zr、Fe、Cu、La等金属氧化物，分子筛载体包括ZSM-5、MCM-41、5A、13X、活性氧化铝等），促进对焦油类组分的分解以及CO2的重整反应，从而大幅度降低焦油含量，降低热解气中的CO2含量，提高热解气的燃气品质。

（8）气化剂可以是空气、氧气、水蒸气等；热解气化物料可以生活垃圾、城市污泥、生物质原料或废弃物、废弃电子线路板等高分子材料、废弃轮胎塑料等等，这些物料在进入热解气化炉之前需要进行破碎、脱水前处理，控制进料的粒径在20mm以下，含水率不高于30%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。