一种用于脱除生物质气化焦油的滤芯、过滤系统及方法与流程

本发明涉及生物质能源净化处理技术领域，具体涉及一种用于脱除生物质气化焦油的滤芯、过滤系统及方法。

背景技术：

生物质热解和气化技术是一种热化学处理技术，通过热解或气化将固态生物质转化为使用方便而且清洁的可燃气体，用作燃料或生产动力。但是在生物质热解或气化过程中会生成焦油，焦油是一种有害成分，易引起冷凝、形成浮质、聚合产生更复杂的结构，这会给过程设备、内燃机和汽轮机的运行带来很大问题。焦油的能量占可燃气能量的5％-15％，在低温下难以与燃气一起被燃烧利用，会造成能量的浪费。由此可见，可燃气中的焦油具有相当大的危害，是生物质热解和气化应用的主要障碍。所以焦油问题一直是国内外重点研究和解决的问题。

目前已经工业化的焦油脱除方法主要是湿法和干法。其中湿法主要为水洗法，该过程存在能量浪费及二次污染问题，净化效果只能勉强达到内燃机的要求。而干法是采用过滤技术净化燃气，使可燃气穿过吸附材料，或者使可燃气穿过过滤器，将可燃气中的焦油过滤出来。然而在实际应用过程中，干法的净化效果并不理想，焦油沉积严重且粘附焦油的滤料难以处理。现有的焦油过滤产品只能将焦油吸附到吸附材料的表面，并不能实现焦油的转化，不仅会造成焦油能量的浪费，还会因焦油沉积问题严重而缩短滤芯的使用寿命。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于脱除生物质气化焦油的滤芯、过滤系统及方法，可解决现有的焦油过滤产品无法转化焦油的问题，可以将焦油转化为小分子可燃气体，既提高了生物质气化气中可燃气的比例，又可以缓解焦油沉积问题，延长滤芯的使用寿命。

为达上述目的，本发明采取的具体技术方案是：

一种用于脱除生物质气化焦油的滤芯，包括一基体，所述基体材质为泡沫陶瓷；

所述泡沫陶瓷的外表面具有一催化剂层，所述催化剂层的材质为氧化镍。

进一步地，所述泡沫陶瓷的材质选自氧化铝或氧化锆。

进一步地，所述催化剂层与所述滤芯的质量百分比为0.5-30％，优选5-15％。

一种用于脱除生物质气化焦油的过滤系统，包括：

一热解/气化装置，用以将生物质在600-1000℃的条件下进行热解或气化，获得高温产气；

一输送管道，用以将高温产气输送至一催化过滤装置，经过吸附与催化反应，获得纯净的可燃产气；

所述催化过滤装置，装载有前述滤芯。

进一步地，所述输送管道和催化过滤装置外部设有保温层，保温材料选自例如岩棉板。

进一步地，所述催化过滤装置内设置支撑所述滤芯的固定支撑结构。

进一步地，还包括一焚烧净化装置，用以通过焚烧处理去除附着在所述滤芯表面的焦油和焦炭。

进一步地，所述高温产气在催化过滤装置内的体积空速为5000-20000h^-1。

一种用于脱除生物质气化焦油的过滤方法，包括以下步骤：

将生物质在600-1000℃的条件下进行热解或气化，获得高温产气；

将高温产气输送至一催化过滤装置，经过吸附与催化反应，获得纯净的可燃产气；

所述催化过滤装置，装载有前述滤芯。

进一步地，所述生物质优选在700-800℃的条件下进行热解或气化。

进一步地，还包括通过焚烧处理去除附着在所述滤芯表面的焦油和焦炭。

通过采取上述技术方案，在泡沫陶瓷表面负载了氧化镍，不仅可以通过吸附脱除生物质气化气中的焦油，因氧化镍的引入，还可以将焦油催化转化为小分子气体，既提高了生物质气化气中可燃气的比例，又可以缓解焦油沉积问题，延长滤芯的使用寿命。此外，通过焚烧的方式来处理粘附在滤芯表面的焦油和焦炭，对滤芯表面的氧化镍进行再生，进一步延长滤芯的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一实施例中用于脱除生物质气化焦油的滤芯的外形示意图。

图2为本发明一实施例中用于脱除生物质气化焦油的过滤系统的组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1

在本实施例中，提供一种用于脱除生物质气化焦油的滤芯，包括一基体，该基体材质为泡沫陶瓷；泡沫陶瓷的外表面具有一催化剂层，催化剂层的材质为氧化镍。

具体地，泡沫陶瓷的材质选自氧化铝或氧化锆。

本实施例中，滤芯的外形为圆柱形，如图1所示，其制备方法如下：按照等体积浸渍法，量取1.4g的硝酸镍(Ni(NO3)₂·6H₂O)溶于16mL去离子水中，将16g直径为20mm的氧化铝泡沫陶瓷加入上述硝酸镍溶液中，超声处理1h并静置2h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中450℃焙烧3h(程序升温速度为2℃/min，保温时间为3h)，然后冷却至室温，即得到16.36g载镍泡沫陶瓷的滤芯，其中NiO的含量为2.2％。

同时提供一种过滤系统，如图2所示，包括：热解/气化装置10，用以将生物质在600-1000℃的条件下进行热解或气化，获得高温产气；

输送管道，用以将高温产气输送至催化过滤装置20，经过吸附与催化反应，获得纯净的可燃产气；

其中，催化过滤装置20，装载有载镍泡沫陶瓷滤芯21，即前述滤芯。

另外，输送管道和催化过滤装置外部设有保温层，保温材料选自例如岩棉板，从而保证从热解/气化装置出来的高温产气可以在较高温度下到达催化过滤装置，进而提高焦油的转化效率，减少焦油在滤芯上的沉积量，延长滤芯使用寿命。

具体地，催化过滤装置20内设置支撑滤芯的固定支撑结构。例如具有与滤芯外形契合的孔板或支撑架。

长期使用后的载镍泡沫陶瓷滤芯会有大量焦油和焦炭附着在其表面，此时可以将滤芯取出并对其进行焚烧再生，经过灼烧后的滤芯可以继续使用。此外，还可采用更加方便的再生方式，如图2所示，本实施例中，过滤系统还包括焚烧净化装置30，通过管道连接所述催化过滤装置，连接管道上设置有截止阀，前述输送管道上也设置截止阀，在需要对滤芯进行再生时，关闭输送管道的截止阀，打开连接管道的截止阀，焚烧净化装置30能够产生高温空气，并首先吹送高温空气至催化过滤装置中，使附着在滤芯表面上的焦油和焦炭燃烧，然后可再通过一吹扫装置(图未示)将焚烧残留吹出并根据需要进行处理，例如通过过滤装置收集或直接进行尾气净化。

另外，高温产气在催化过滤装置内的体积空速为5000-20000h^-1。

基于前述滤芯及系统的过滤方法，包括以下步骤：

将生物质在600-1000℃的条件下进行热解或气化，获得高温产气；

将高温产气输送至催化过滤装置，经过吸附与催化反应，获得纯净的可燃产气；

所述催化过滤装置，装载有前述滤芯。

其中，生物质优选在700-800℃的条件下进行热解或气化。

实施例2

本实施例中，采用另一种方法制备载镍泡沫陶瓷：按照等体积浸渍法，量取3.0g的醋酸镍(Ni(CH₃COO)₂·4H₂O)溶于16mL去离子水中，将16g直径为20mm的氧化锆泡沫陶瓷加入上述醋酸镍溶液中，超声处理3h并静置4h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中550℃焙烧3h(程序升温速度为3℃/min，保温时间为3h)，然后冷却至室温，即得到16.90g的载镍泡沫陶瓷，其中NiO的含量为5.3％。

本实施例中，滤芯的外形为长方形，对于将滤芯应用于过滤系统实施过滤方法的具体过程与实施例1一致。

通过上述实施例描述的技术方案，高温产气中的焦油会吸附到载镍泡沫陶瓷的孔道中，并被泡沫陶瓷表面的氧化镍催化转化为小分子气体产物，从而达到净化生物质气化气的目的。载镍泡沫陶瓷构成的滤芯以氧化铝或氧化锆泡沫陶瓷为基体，滤芯的形状除了前述两种形状，还可以为正方体、球体等，另外，除了上述实施例描述的两种NiO含量，泡沫陶瓷滤芯的表面负载氧化镍的质量百分比为0.5-30％。优选5-15％。通过实验验证，在该范围内，能够将生物质气化后的气体中大量焦油转化为小分子可燃气体，并且滤芯的性能和结构都趋于稳定。

下面通过具体的实验过程进行说明：

实验1

将实施例1中的载镍泡沫陶瓷滤芯，全部装入一个固定床反应器中，用于在线催化裂解实验。

以粒径为2mm左右的干燥杨木为原料，于氮气氛围900℃下进行热解，经气固分离后，将高温热解气直接通入装有实施例1中的载镍泡沫陶瓷滤芯的固定床反应器中，控制热解气在反应器内的体积空速为6000h^-1，经催化转化后的焦油量从28％降为0.73％，并且滤芯在4h之内未见明显失效。

实验2

将实施例1中制备得到的载镍泡沫陶瓷滤芯，全部装入一个流化床反应器中，用于在线催化裂解实验。

以粒径为2mm左右的自然风干的杨木(水分含量8％)为原料，于水蒸气氛围800℃下进行气化，经气固分离后，将高温产气直接通入装有滤芯的流化床反应器中，控制热解气在反应器内的体积空速为15000h^-1，经催化转化后的焦油量从25％降为0.42％，并且滤芯在4h之内未见明显失效。

实验3

将实施例2中的载镍泡沫陶瓷滤芯，全部装入一个固定床反应器中，用于在线催化裂解实验。

以粒径为2mm左右的干燥杨木为原料，于当量比为0.1的空气氛围750℃下进行气化，经气固分离后，将高温产气直接通入装有载镍泡沫陶瓷滤芯的固定床反应器中，控制热解气在反应器内的体积空速为8000h^-1，经催化转化后的焦油量从11％降为0.42％，并且滤芯在4h之内未见明显失效。

实验4

将实施例2中制备得到的载镍泡沫陶瓷滤芯，全部装入一个流化床反应器中，用于在线催化裂解实验。

以粒径为2mm左右的自然风干的杨木(水分含量8％)为原料，于二氧化碳氛围800℃下进行气化，经气固分离后，将高温产气直接通入装有滤芯的流化床反应器中，控制热解气在反应器内的体积空速为15000h^-1，经催化后的焦油量从21％降为1.01％，并且催化剂在4h之内未见明显失活。

上述实施例仅用以说明滤芯的构成及过滤系统的结构、工作原理及工作效果，在实际工程应用中，本领域技术人员在了解本申请公开内容的基础上，应可了解如何根据生物质热解或气化后的产气量和具体的工作环境按比例制作模块化的滤芯，滤芯的重量、规格均不限于上述实施例描述。在实际对生物质气化气中的焦油进行去除的过程中，催化过滤装置的规格将远大于上述实施例所描述的规格，滤芯的重量也将重达0.5kg以上，但是其作用原理与前述实施例是相同的，因此对于涉及工程实例的滤芯、过滤系统的具体结构在此不再赘述。

综上，本发明提供的滤芯不仅可以有效脱除生物质气化气中的焦油，还可以将焦油转化为小分子可燃气体，既提高了生物质气化气中可燃气的比例，又可以缓解焦油沉积问题，延长滤芯的使用寿命。此外，还可以通过灼烧的方式来处理粘附在滤芯表面的焦油和焦炭，对滤芯表面的氧化镍进行再生，进一步延长滤芯的使用寿命。也就是说明，采用本发明的滤芯、过滤系统及方法不仅能够大幅度降低焦油含量，降低生物质热解/气化产气污染，提高其利用率，并且由于滤芯性能、结构稳定，可反复使用，大幅降低维护费用，非常有利于推广生物质能源的普及和利用。

显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。