一种制备烃类液体燃料的多气氛加压流化床装置及方法

1.本发明属于可再生能源领域，具体涉及一种制备烃类液体燃料的多气氛加压流化床装置及方法。


背景技术：

2.废弃生物质原料直接热解产生的液态产物，产率低、品质差，严重制约了热解技术的发展和应用，通过加压热解在线催化的方式可以生产高品质的清洁液体燃料，代替或者部分代替化石燃料，达到保障能源安全和减少环境污染的目的。通过调节加压热解反应器反应条件，利用在线催化的方式生产液体燃料，可以克服直接热解时大分子物质裂解不充分，化学键随机断裂所造成的液态产物含水率高、热值低、目标产物含量低等缺点，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
3.中国专利申请号为：cn201310128528.2，名称为：煤炭气化的加压流化床工艺及加压流化床系统。该项技术的不足之处在于：采用输送气加压给料，如果采用高温输送气，则物料会在料仓中或者输送管路中气化；如果采用低温输送气，则可以避免物料在未达到流化床是热解，但是大量低温气体携带物料进入流化床，会形成造成流化床内气流扰动较大，难以形成稳定的流化状态和难以维持设定的反应温度。采用水洗进行除尘，会产生一定量的废水，可能造成潜在的环境污染风险。中国专利申请号为：cn201380016610.4，名称为：用于起动加压流化床焚烧炉系统的方法。该项技术的不足之处在于：利用含水物料燃烧供应系统启动的所需的部分能量和载气，增加了系统的复杂性、操作难度和运转的不稳定性。并且物料中含有的70％
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85％水的温度也是常温，进入高温的加压流化床同样会引起床料的热震，造成床料破裂和耗损。中国专利申请号为：cn201910744203.4，名称为：一种加压流化床高湿污泥焚烧供料系统及焚烧供料方法。该项技术的不足之处在于：污泥的供料过程中，需要加入调制药剂(硫酸亚铁、醋酸)来使物料脱水。这些药剂可能进入加压流化床及其管路中，造成设备的腐蚀和老化；也可能进入生物发酵污水处理设备，对生物发酵效果造成负面影响。
4.因此，亟需提供一种能利用生物质废弃物制备烃类液体燃料的工艺。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种制备烃类液体燃料的多气氛加压流化床装置及方法。
6.本发明所采用的具体技术方案如下：
7.本发明的第一目的在于提供一种制备烃类液体燃料的多气氛加压流化床装置，其包括供气装置、流化床反应器、固定床催化反应器和分级冷凝单元；
8.所述供气装置经气体混配器调节后，分别连通有两路气路；第一气路依次经气体预热器和气体缓冲罐后，通入流化床反应器的底部；第二气路依次与用于储存生物质废弃物的料仓和内置进料螺旋的进料管道相连通；所述进料管道为竖直方向倾斜的管道，外部
设有冷凝水套管，其位于高处的一端与料仓底部相连通，位于低处的一端与流化床反应器相连通以用于送料；
9.所述流化床反应器的顶部通过管路经旋风分离器后与固定床催化反应器的顶部相连通，固定床催化反应器的底部通过管路连通分级冷凝单元；所述分级冷凝单元包括依次连通的多级油浴冷凝器和外接静电高压发生器的静电捕集冷凝器；分级冷凝单元的出口端与气体过滤器的底部相连通，气体过滤器的顶部出气口外接用于检测气体组分的气相色谱仪。
10.作为优选，所述供气装置为气瓶；气体混配器经气路开关后分为两路气路；多级油浴冷凝器为三级油浴冷凝器。
11.作为优选，所述冷凝水套管的下部设有冷凝水进口，上部设有冷凝水出口。
12.作为优选，所述气体缓冲罐的出气端设有第一测温测压装置，流化床反应器的顶部设有第二测温测压装置，催化固定床上设有第三测温测压装置。
13.作为优选，所述第一测温测压装置、第二测温测压装置和第三测温测压装置均为热电偶和压力表组合而成的测量装置。
14.作为优选，所述旋风分离器的底部连通有固态产物收集器。
15.作为优选，所述多级油浴冷凝器和静电捕集冷凝器的底部均设有液态产物收集器。
16.作为优选，所述气体过滤器的出气口通过设有流量计的管路与废气处理单元连通。
17.作为优选，所述气体过滤器的出气口通过设有流量计的管路经由气体增压机作用后回用至气体缓冲罐中。
18.本发明的第二目的在于提供一种根据上述任一所述的多气氛加压流化床装置制备烃类液体燃料的方法，其具体如下：
19.首先进行冷态试验，具体如下：
20.将气体混配器的压力参数调节至目标值，开启气路开关，保证多气氛加压流化床装置不漏气且各部件运转正常；
21.其次进行热态试验，具体如下：
22.开启气路开关，通过调节气体混配器、气体预热器和静电高压发生器，对多气氛加压流化床装置中的气体流速、温度、压力和静电压强进行校准和调试；开启气相色谱仪检测气体过滤器出气口流出的气体组成，待检测结果中氧气浓度减低为零时，开启料仓对流化床反应器进料；
23.料仓中的生物质废弃物进入进料管道后，在重力作用、气动作用和进料螺旋的输送作用下，通入流化床反应器；同时，供气装置内的气体经气体预热器加热至目标温度，通过气体缓冲罐的缓冲作用后，从底部通入流化床反应器；气体和生物质废弃物在流化床反应器内发生热解反应，生成热裂解蒸汽；热裂解蒸汽通过旋风分离器除去蒸汽中夹带的固体物质，随后进入固定床催化反应器进行催化反应；经催化反应后得到的气体产物经分级冷凝单元不同温度下的冷凝液化后，得到不同馏分的生物质热解液体燃料；未能冷凝液化的残余气体经气体过滤器处理后进入气相色谱仪进行残余气体组分的检测。
24.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
25.本发明利用气体混配器进行气氛和压力的调节，可以进行多气氛条件下的加压热解研究；装置采用倾斜进料，进料口与反应器呈现一定的角度，利用重力作用、螺旋输送作用、气动作用等多种方式耦合进料，解决生物质物料架桥、阻塞等进料难题；装置采用流化床反应器与催化固定床耦合连接，使热解充分，并且实现在线催化提质操作；装置采用三级油浴系统进行冷凝，方便收集不同馏分的生物质热解液体燃料；装置可以采用气体增压机，对不可冷凝气体进行回收和资源化利用，减少生物质废弃物资源化利用对环境的不良影响。
附图说明
26.图1为本发明装置的第一种结构示意图；
27.图2为本发明装置的第二种结构示意图；
28.图中附图标记为：1供气装置，2气体混配器，3气路开关，4料仓，5进料螺旋，6冷凝水套管，7冷凝水进口，8冷凝水出口，9气体预热器，10气体缓冲罐，11第一测温测压装置，12流化床反应器，13第二测温测压装置，14旋风分离器，15固态产物收集器，16固定床催化反应器，17第三测温测压装置，18多级油浴冷凝器，19液态产物收集器，20静电高压发生器，21静电捕集冷凝器，22气体过滤器，23气相色谱仪，24流量计，25废气处理单元，26气体增压机。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
30.本发明提供了一种制备烃类液体燃料的多气氛加压流化床装置，该多气氛加压流化床装置包括供气装置1、流化床反应器12、固定床催化反应器16和分级冷凝单元。
31.供气装置1通过管路与气体混配器2连接，气体混配器2用于调节本发明整个装置的气氛和压力。气体混配器2后连接有气路开关3，随后气路开关3的出口分为两路气路。其中，第一气路依次与气体预热器9和气体缓冲罐10相连通，随后通入流化床反应器12的底部，该气路用以提供流化床反应器12所需的流化气体。第二气路依次与料仓4和进料管道相连通，用于为流化床反应器12提供进料所需的压力和气体。料仓4内储存有生物质废弃物。进料管道为竖直方向倾斜的笔直管道，其内部沿轴向布设有用于输送生物质废弃物的进料螺旋5。进料管道的外部设有冷凝水套管6，冷凝水套管6上开设有冷凝水进口7和冷凝水出口8，冷凝水进口7设置于冷凝水套管6的下部，冷凝水出口8设置于冷凝水套管6的上部。进料管道位于高处的一端与料仓4底部相连通，位于低处的一端与流化床反应器12相连通以用于送料。
32.在本实施例中，供气装置1可以采用常见的气瓶。在气体缓冲罐10的出气端可以设置用于测温测压的第一测温测压装置11，第一测温测压装置11可以采用热电偶和压力表组合而成的测量装置，以分别对气体缓冲罐10出气端处的温度和压力进行测量。
33.流化床反应器12的顶部通过管路与旋风分离器14连通，旋风分离器14的底部还连通有用于收集固态产物的固态产物收集器15。从流化床反应器12顶部流出的气体进入旋风分离器，除去气体中夹带的固体物质，且固体物质由固态产物收集器15收集处理。经旋风分
离器处理后的气体通过管路与固定床催化反应器16的顶部相连通。
34.在本实施例中，流化床反应器12的顶部可以设置第二测温测压装置13，催化固定床16上可以设置第三测温测压装置17，第二测温测压装置13和第三测温测压装置17均可以采用与第一测温测压装置11相同的装置，即热电偶和压力表组合而成的测量装置，以便分别对所处位置处的温度和压力进行测量。
35.固定床催化反应器16的底部通过管路连通分级冷凝单元，其中，分级冷凝单元包括依次连通的多级油浴冷凝器18和静电捕集冷凝器21，在多级油浴冷凝器18和静电捕集冷凝器21的底部均设有液态产物收集器19。在本实施例中，多级油浴冷凝器18为三级油浴冷凝器，通过调节各级油浴的不同温度，能够实现对不同馏分下生物质热解液体燃料的收集。静电捕集冷凝器21通过管路外接有静电高压发生器20，通过静电高压发生器20使静电捕集冷凝器21内形成静电场，当气体大分子进入静电捕集冷凝器21内的电场后，在静电场的作用下，它们可以载上不同电荷，并驱向极板，在被捕集后聚集成液体状，并靠自身重力作用顺板流下，从而实现对目标产物的捕集冷凝。
36.分级冷凝单元的出口端与气体过滤器22的底部相连通，气体过滤器22出口分为两路，一路连接气相色谱仪23，另一路连接流量计24。如图1所示，流量计24出口可以直接为废气出口25，将所产生的废气通入外部的废气处理单元25中以进行废气收集无害化处理。如图2所示，流量计24出口也可以连接气体增压机26，经由气体增压机26作用后回用至气体缓冲罐10中，实现废气的循环再利用。
37.本发明的装置可以进行多气氛条件下的加压热解研究、在线催化提质研究，利用三级油浴冷凝系统，收集不同馏分液体，进行资源化利用，并对排放尾气进行回收，进行资源化无害化处理。本发明的利用生物质废弃物制备烃类液体燃料的多气氛加压流化床方法，包括调试、组装、气密性试验、冷态试验、热态试验、运转等步骤。目标实现生物质废弃物的多气氛加压催化热解，制备高品质烃类液体燃料。
38.利用上述多气氛加压流化床装置制备烃类液体燃料的方法，具体如下：
39.首先调试各个组成部件，保证各个部件单独运转正常，按照图1或2所示，连接各个部件，组成一套完整的反应装置，保证电路完整、气路顺畅、螺旋运转正常、静电高压达到预设值。
40.其次，进行冷态试验，将气体混配器2的压力参数调节至目标值，开启气路开关3，保证多气氛加压流化床装置不漏气且各部件运转正常。即保证装置可以达到预设压力，并且在承压条件下不漏气，稳定进料，反应器达到流化状态，各个部件在组装后运转正常，开启在线气相色谱，测定气体组分，监测气体混配器是否工作正常、系统是否漏气等。
41.最后进行热态试验，收集气体流速、温度、压力、静电压强、气体组分等数据，进行装置的校准和调试后，开启在线气相色谱，监测气体组成，待氧气浓度减低为零时，开启进料，根据设定的实验条件，进行生物质废弃物多气氛加压热解研究。热态试验的具体操作如下：
42.开启气路开关3，通过调节气体混配器2、气体预热器9和静电高压发生器20，对多气氛加压流化床装置中的气体流速、温度、压力和静电压强进行校准和调试。开启气相色谱仪23，检测此时气体过滤器22出气口流出的气体组成，待检测结果中氧气浓度减低为零时，开启料仓4对流化床反应器12进料。
43.由于进料管道的特殊设置，且不断向进料管道中通入一定流速和压力的气体，因此，当料仓4中的生物质废弃物进入进料管道后，生物质废弃物会在重力作用、气动作用和进料螺旋5的输送作用等三重作用下，通入流化床反应器12。同时，供气装置1内的气体经气体预热器9加热至目标温度，通过气体缓冲罐10的缓冲作用后，从底部通入流化床反应器12。气体和生物质废弃物在流化床反应器12内发生热解反应，生成热裂解蒸汽。也就是说，流化床反应器12把固态的生物质废弃物转变为气态的热裂解蒸汽。热裂解蒸汽通过旋风分离器14除去蒸汽中夹带的固体物质，随后进入固定床催化反应器16进行催化反应，即通过催化剂的作用，把热裂解蒸汽中化合物的氧含量降低，氢含量升高，以提高产物的品质。经催化反应后得到的气体产物经分级冷凝单元不同温度下的冷凝液化后，得到不同馏分的生物质热解液体燃料。分级冷凝单元由四级冷凝系统构成：前三级为油浴冷凝器，最后一级为静电捕集冷凝器。其中，前三级油浴冷凝器的温度设置，由高到低，收集不同馏分的冷凝液体。未能冷凝液化的残余气体经气体过滤器22处理后进入气相色谱仪23进行残余气体组分的检测。
44.若是装置如图1所示，则直接将残余气体通入外部的废气处理单元25，在废气处理单元25实现残余气体的收集和无害化处理。若是装置如图2所示，则将残余气体通过管道通入气体增压机26中，经由气体增压机26作用后回用至气体缓冲罐10中，实现废气的循环再利用。
45.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。