专利名称：一种利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法
技术领域：
本发明涉及合成气制备技术领域，尤其涉及一种利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法。
背景技术：
随着石油化工资源的日趋枯竭，生物柴油作为可替代能源而备受青睐。生物柴油生产过程中副产大量甘油，每生产10吨生物柴油就副产I吨甘油，其纯度为80 90%。由于生物柴油的产量不断增加，甘油作为生物柴油的副产物，产量也在不断增加，必将造成甘油供应的大量过剩，打乱原有甘油市场的平衡。以甘油为原料制备合成气是甘油利用的一种有效途径。合成气是一氧化碳和氢气的混合气，是一种非常重要的化工原料，可以用来合成许多化工产品及对环境友好的燃料，例如:氨、甲醇、乙酸、甲酸甲酯、二甲醚、合成汽油、柴油等。目前利用甘油裂解制备合成气的方法主要有蒸汽重整、催化部分氧化及自热重组等，但这些方法均需要添加催化剂催化反应的进行，存在催化剂失活的问题。如授权公告号为CN100462299C的专利公开了一种以生产生物柴油的副产物甘油蒸汽重整制合成气的方法，其首先向反应器中装填Ni/Zr02或Ni/Ce02或Ni/Ce02-Zr02催化齐U，该催化剂活性组分镍的质量含量为10% 15%，采用氢气体积含量为5%的氢气和氮气的混合气，以流量为100mL/min，在400 600°C下预还原催化剂1.5 2h，然后向反应器以空速5000 200001^通入 水分子和碳原子个数比为1:1 5:1的甘油水溶液蒸汽，在常压，300 600°C的条件下进行蒸汽重整反应，得到H2/C0摩尔比在1.1 2.5范围内的合成气产物。该方法需进行较长时间的催化剂预还原，且催化剂使用一段时间后由于积碳造成催化剂失活，反应效率较低，不利于合成气的高效制备。
发明内容
本发明提供了一种利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，此法克服了传统制备合成气的方法中催化剂失活及制备效率低的问题，应用此种方法可绿色、高效的制备合成气，有很好的经济效益和环境效益。—种利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，包括以下步骤:(I)将电离气体通入等离子体炬中电离生成热等离子体；(2)将纯甘油或甘油水溶液加入等离子体炬中进行裂解反应，反应时间为0.1 50ms，裂解产物为合成气。热等离子体具有高温和富含活性粒子的特点，在热等离子体存在的环境下能高效诱导发生气相化学反应，其富含的大量高能活性粒子能极大的提高反应速率，相当于催化剂的作用，但与传统添加催化剂的催化反应相比，由于热等离子体的热化学反应机理，其裂解的转化率和选择性更高，而且可以有效避免催化剂积碳，更加适宜于大规模的生产应用。本发明首先将电离气体导入等离子体炬中产生热等离子体射流，然后再将纯甘油或甘油水溶液加入等离子体炬中与热等离子体混合发生高温裂解反应，甘油分子将与热等离子体碰撞生成一些活跃的自由基，如HO2 、CH2 、CH 、C 、H 、HO 、O 等，生成的自由基进行反应生成主要成分为氢气和一氧化碳的合成气，裂解产物合成气中还包含少量的水、二氧化碳、甲烷、积碳等副产物。步骤(I)中，优选所述等离子体炬的输入功率为5kw lMw。其中，5kw IOOkw适合小试研究，IOOkw IMw适合工业上的应用放大。优选通入所述等离子体炬的电离气体为氩气、氢气、水蒸气中的一种或多种，氩气、氢气、水蒸气为常用的电离气体，为避免产物中生成氢氰酸，本发明不使用氮气作为电离气体。步骤(2)中，优选所述甘油水溶液的浓度大于10%，甘油水溶液的浓度太低将导致大部分的电能被用来电离水，能耗较高。加入等离子体炬中的纯甘油或甘油水溶液与步骤(I)中通入电离气体的摩尔量比为0.5 2，摩尔量比太小会造成能量的浪费，合成气中电离气体的比例过高；摩尔量比太大则会由于电离气体的不足导致反应的温度不高，反应不充分从而浪费原料。为了使甘油分子与热等离子体在等离子体炬中充分混合均匀，便于裂解反应的进行，提高反应效率，纯甘油或甘油水溶液可经雾化后再通入等离子体炬中，所述雾化可采用气体雾化喷嘴实现，气体雾化喷嘴采用的加速气体为氩气、氢气或水蒸气。可将纯甘油或甘油水溶液经雾化后从热等离子体射流的上部或侧面通入等离子体炬中，这样可保证甘油分子快速的汇入热等离子体射流中，与其充分混合，能够保证裂解反应快速充分的进行。经裂解反应生成的合成气温度较高，为了较快的对合成气进行冷却，便于后续利用，可采用淬冷装置对合成 气进行冷却降温至360 600k。为了避免淬冷装置带入新的杂质污染合成气，优选所述淬冷装置采用的淬冷介质为水。米用该方法制备的合成气的主要成分为氢气和一氧化碳，若要控制合成气中氢气和一氧化碳的比例，可通过改变步骤(I)中通入的电离气体流量、等离子体炬的输入功率及步骤(2)中的等离子体炬中的甘油含量来进行调控。例如:如果电离气体氢气的流量越大，那么生成的合成气中氢气的比例也将提高；功率的大小会影响反应的平衡温度，不同温度下气体的组成的是不一样的，从而影响合成气中氢气和一氧化碳的比例；甘油含量越高，原料中碳的含量越高，那么产物中一氧化碳的比例也将相应提高。与现有技术相比，本发明的有益技术效果为:本发明的合成气制备方法采用高温热等离子体进行甘油裂解，不用添加催化剂，有效避免了传统合成气制备方法中的催化剂老化问题，反应速度快，效率高，副产物少，可高效的进行合成气的制备，适用于大规模工业化生产。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进一步阐述。实施例1:(I)将氢气通入输入功率为IOkw的等离子体炬中电离生成热等离子体；
(2)将纯甘油通过雾化喷嘴雾化后从热等离子体射流的上部加入等离子体炬中进行裂解反应，雾化喷嘴的雾化采用氢气进行加速，加入的纯甘油与步骤(I)通入氢气的摩尔量比为1:1，反应时间约为0.2ms，裂解产物为合成气；(3)将生成的合成气经淬冷装置急冷到400K，合成气中氢气含量为60.9%，一氧化碳含量为35.2%，其余为少量的二氧化碳、甲烷和积碳。实施例2:(I)将氩气通入输入功率为IOkw的等离子体炬中电离生成热等离子体；(2)将纯甘油通过雾化喷嘴雾化后从热等离子体射流的侧面加入等离子体炬中进行裂解反应，雾化喷嘴的雾化采用氩气进行加速，加入的纯甘油与步骤(I)通入氩气的摩尔量比为1:1，反应时间为5ms，裂解产物为合成气；(3)将生·成的合成气经淬冷装置急冷到370K，合成气中氢气含量为54.2%，一氧化碳含量为36.7%，其余为少量的水、二氧化碳、甲烷和积碳。实施例3:(I)将水蒸气通入输入功率为IOkw的等离子体炬中电离生成热等离子体；(2)将纯甘油通过雾化喷嘴雾化后从热等离子体射流的上部加入等离子体炬中进行裂解反应，雾化喷嘴的雾化采用水蒸气进行加速，加入的纯甘油与步骤(I)通入氩气的摩尔量比为1:1，反应时间约为10ms，裂解产物为合成气；(3)将生成的合成气经淬冷装置急冷到373K，合成气中氢气含量为50.4%，一氧化碳含量为33.5%，水含量约为11.2%，二氧化碳含量3.0%，其余为少量的甲烷和积碳。实施例4:(I)将氩气通入输入功率为30kw的等离子体炬中电离生成热等离子体；(2)将35%的甘油水溶液通过雾化喷嘴雾化后从热等离子体射流的侧面加入等离子体炬中进行裂解反应，雾化喷嘴的雾化采用水蒸气进行加速，加入的甘油水溶液与步骤
(I)通入氩气的摩尔量比为1:0.5，反应时间为0.1ms，裂解产物为合成气；(3)将生成的合成气经淬冷装置急冷到450K，扣除氩气后，合成气中氢气含量30.7%，一氧化碳含量约为16.8%，水含量约为50.1%，其余为少量二氧化碳、甲烷和积碳。实施例5:(I)将氢气通入输入功率为870kw的等离子体炬中电离生成热等离子体；(2)将纯甘油通过雾化喷嘴雾化后从热等离子体射流的上部加入等离子体炬中进行裂解反应，雾化喷嘴的雾化采用氢气进行加速，加入的纯甘油与步骤(I)通入氢气的摩尔量比为1:2，反应时间约为50ms，裂解产物为合成气；(3)将生成的合成气经淬冷装置急冷到550K，合成气中氢气含量66.4%，一氧化碳含量31.8%，其余为少量的甲烷和二氧化碳。实施例6:(I)将氢气通入输入功率为640kw的等离子体炬中电离生成热等离子体；(2)将92%的甘油水溶液通过雾化喷嘴雾化后从热等离子体射流的上部加入等离子体炬中进行裂解反应，雾化喷嘴的雾化采用水蒸气进行加速，加入的纯甘油与步骤(I)通入氢气的摩尔量比为1:0.5，反应时间为30ms，裂解产物为合成气；(3)将生成的合成气经淬冷装置急冷到500K，合成气中氢气含量56.4%，一氧化碳含量约为38.7%，水含量3.1%，其余为少量二氧化碳、甲烷和积碳。
权利要求
1.一种利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将电离气体通入等离子体炬中电离生成热等离子体； (2)将纯甘油或甘油水溶液加入等离子体炬中进行裂解反应，反应时间为0.1 50ms,裂解产物为合成气。
2.如权利要求1所述的利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于:步骤(I)中，所述等离子体炬的输入功率为5kw lMw。
3.如权利要求1所述的利用热 等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于:步骤(I)中，所述电离气体为氩气、氢气、水蒸气中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于:步骤(2)中，所述甘油水溶液的浓度大于10%。
5.如权利要求1所述的利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于:步骤(2)中，加入等离子体炬中的纯甘油或甘油水溶液与步骤(I)中通入的电离气体的摩尔量比为0.5 2。
6.如权利要求1所述的利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于:步骤(2)中，纯甘油或甘油水溶液经雾化后再通入等离子体炬中，所述雾化采用气体雾化喷嘴实现，气体雾化喷嘴采用的加速气体为氩气、氢气或水蒸气。
7.如权利要求6所述的利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于:步骤(2)中，将纯甘油或甘油水溶液经雾化后从热等离子体射流的上部通入等离子体炬中。
8.如权利要求6所述的利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于:步骤(2)中，将纯甘油或甘油水溶液经雾化后从热等离子体射流的侧面通入等离子体炬中。
9.如权利要求1所述的利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于，还包括步骤(3):将步骤(2)生成的合成气经淬冷装置降温至360 600k。
10.如权利要求9所述的利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，其特征在于，所述淬冷装置采用的淬冷介质为水。
全文摘要
本发明公开了一种利用热等离子体裂解甘油制备合成气的方法，包括以下步骤首先将电离气体通入等离子体炬中电离生成热等离子体；然后，将纯甘油或甘油水溶液加入等离子体炬中进行裂解反应，反应时间为0.1～50ms，裂解产物为合成气。本发明的合成气制备方法采用高温热等离子体进行甘油裂解，不用添加催化剂，有效避免了传统合成气制备方法中的催化剂老化问题，反应速度快，效率高，副产物少，可高效的进行合成气的制备，适用于大规模工业化生产。
文档编号C01B3/24GK103204471SQ20131011932
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月8日 优先权日2013年4月8日
发明者苏宝根, 何金波, 闻光东, 邢华斌, 任其龙 申请人:浙江大学