CN108753365A - 一种回流式催化重整制备合成气装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回流式催化重整制备合成气装置及工艺，其包括合成气反应室、合成气收集组件以及氧载体回收组件；所述合成气反应室的侧壁上设有加热板且由沿竖直设置的隔板分为气化室和重整室；所述气化室顶部设有生物质燃料进料斗、氧载体进料口以及合成气出口，所述气化室侧壁的上部设有水蒸气进气口、底部设有氧载体排放口，所述气化室的底部为倾斜的筛网；所述重整室顶部设有合成气入口，所述合成气出口和合成气入口通过回流管连通，所述重整室内沿水平方向设置若干层催化剂反应层，所述重整室底部为过滤网。本发明所述装置结构合理，工艺中的催化剂和氧载体都可循环使用，有效利用了灰分并重整了合成气，提高了产率和一氧化碳产量。

Description

一种回流式催化重整制备合成气装置及工艺

技术领域

本发明属于合成气制备技术领域，具体涉及一种回流式催化重整制备合成气装置及工艺。

背景技术

能源消耗速度在近现代迅速增长，由于矿物质燃料资源的有限性和不可再生性，特别是化石燃料使用所引起的环境污染，温室效应等问题已经不容小视，使得我们不得不注重可再生能源利用的研发与推广。目前人们所认识到的清洁可再生能源中生物质能是最理想的。清洁可再生能源中生物质能是唯一能够固定碳的清洁能源，以其储量多，分布广，开发潜力大等特点一直吸引着众多研究者。

我国是一个农业大国，生物质能资源非常丰富，全国每年农作物秸秆的产量约为7亿吨。然而这些秸秆只有一部分被用作燃料、饲料，剩余绝大部分直接被燃烧，一方面未得到充分合理的利用，另一方面秸秆的燃烧也污染了大气环境。如今全球变暖，空气污染等环境问题已经严重影响我们的生活，寻找一种清洁能源是解决问题的关键。生物质能是一种资源十分丰富的可再生能源。在其使用过程中产生的二氧化碳能被植物或微生物通过光合作用有效利用，从而达到二氧化碳净排放量为零，缓解温室效应。

生物质气化制备的合成气可以合成各种各样的化工产品的重要原料，可以替代传统的利用石油合成化工产品原料，减少了石油的使用量，尤其是在化石能源日益枯竭的今天，具有非常重要的意义，在化工行业中也具有十分重要的地位。制备的合成气成分以H₂和CO为主，主要用于合成二甲醚。

二甲醚是一种基本的化工原料，在制药、燃料、农药等许多领域有着独特的用途。由于其易压缩、冷凝、汽化特性，使得高纯度的二甲醚可代替氟里昂用作气溶胶喷射剂和致冷剂，减少对大气环境的污染和臭氧层的破坏。作为民用燃料气，其储运、燃烧安全性，预混气热值和理论燃烧温度等性能指标均优于石油液化气，可作为城市管道煤气的调峰气、液化气掺混气。也是柴油发动机的理想燃料，与甲醇燃料汽车相比，不存在汽车冷启动问题。它还是未来制取低碳烯烃的主要原料之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回流式催化重整制备合成气装置及工艺，所述装置结构设置简单合理，操作简便，容易实现加工生产。工艺中的催化剂和氧载体都可循环使用。有效利用生物质气化后的灰分进行重整，更大限度的使生物质气化，而且有助于合成气的后续在二甲醚生产中的应用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种回流式催化重整制备合成气装置，包括合成气反应室、合成气收集组件以及氧载体回收组件；所述合成气反应室的侧壁上设有加热板且由沿竖直设置的隔板分为气化室和重整室；

所述气化室顶部设有生物质燃料进料斗、氧载体进料口以及合成气出口，所述气化室侧壁的上部开设有水蒸气进气口、侧壁的下部设有氧载体排放口，所述气化室的底部为倾斜放置的筛网，所述筛网将气化室的下部分为氧载体暂存区和第一集灰区；所述重整室顶部设有合成气入口，所述气化室的合成气出口和重整室的合成气入口通过回流管连通，所述回流管上设有计量泵，所述重整室内沿水平方向设置若干层催化反应层，所述重整室底部为过滤网，所述过滤网将重整室的下部分为第二集灰区和集气区，所述第一集灰区与第二集灰区相连通；

所述合成气收集组件与集气区连通，所述氧载体回收组件与氧载体排放口连通。

进一步地，所述合成气反应室外套设有保温层；所述合成气反应室内竖直方向的隔板两侧叠设有加热板。

进一步地，所述气化室内壁上间隔均布有若干层向下倾斜的折流板，上层的折流板的末端位于下层折流板上方；所述折流板上开设有通孔，所述水蒸气进气口位于折流板上方。

进一步地，所述合成气收集组件包括顺次连接的水洗装置以及干燥管，所述水洗装置和重整室集气区通过第一管道连接，所述第一管道上设有排气泵且第一管道的出口位于水洗装置内的下部，所述水洗装置与干燥管通过第二管道连接，所述第二管道的入口位于水洗装置顶部。

进一步地，所述氧载体回收组件包括管壁上包覆有加热板的氧载体再生管以及旋风分离器，所述氧载体再生管的入口与氧载体排放口相连通、出口与旋风分离器的入口相连接，所述氧载体再生管靠近入口处设有空气进气口，所述旋风分离器的出口与氧载体进料口相连通。

进一步地，所述水蒸气进气口连接有水蒸气发生器，所述水蒸汽发生器与进气口之间设有恒流泵。

使用所述的回流式催化重整制备合成气工艺，包括以下步骤：

1）气化反应：将气化室温度控制在800-900℃，将生物质燃料、氧载体以及水蒸气送入气化室中，在物料下落过程中发生气化反应，反应过程中产生灰分通过筛网落入集灰区，大颗粒产物由筛网滑落到氧载体暂存区，反应生成的合成气由顶部排气口排出；

2）气化重整：将重整室温度控制在800-900℃，反应生成的合成气经回流管输送入重整室，输送流量由计量泵控制，所述合成气向下穿过催化反应层和落在集灰区的灰分并由重整室底部输出，所述回流管气体输送流量为4-6 L/min；

3）合成气收集：由重整室底部输出的气体经过水洗，干燥进行收集。

进一步地，所述步骤1）中大颗粒产物通过氧载体再生管并与空气混合一起输送入旋风分离器中，所述氧载体加热管温度为850-950℃，送入旋风分离器中的氧载体再经过氧载体进料口送入气化室。

进一步地，所述生物质燃料、水蒸气以及氧载体的添加量的比例为1:1:(1-2)。

进一步地，所述催化反应层中填充的催化剂为镍基催化剂；所述氧载体为三氧化二铁颗粒，所述生物质燃料为玉米秸秆或水稻秸秆，所述三氧化二铁颗粒粒径大于等于生物质燃料粒径，所述氧载体粒径40-60目，生物质燃料粒径60-100目。

本发明所述回流式催化重整制备合成气装置可以应用于二甲醚的合成中。

本发明的有益效果：

1）本发明设置折流板以及控制进料量，一方面增加了气化反应时间，使得生物质燃料和氧载体能够在水蒸气的作用下反应的更加彻底，而且折流板上开设有通孔，保证了气体流通的顺畅；另一方面保证了气化反应后的合成气的和成分含量的合理性。

2）本发明本装置结构设置简单合理，操作简便，容易实现加工生产。催化剂和氧载体都可循环使用。有效利用生物质气化后的灰分进行重整，更大限度的使生物质气化。

3）本申请通过回流管的设置使得初步气化反应的合成气中的二氧化碳通过第二集灰区后还原成一氧化碳，提高了一氧化碳的含量，二氧化碳和甲烷的含量明显地降低，一方面降低了温室气体的排放，另一方面有利于后期合成气在合成二甲醚中的应用。

附图说明

图1为本发明所述一种回流式催化重整制备合成气装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。

实施例1

本发明中所用回流式催化重整制备合成气装置，如图1所示，包括合成气反应室1、合成气收集组件以及氧载体回收组件。

所述合成气反应室1的侧壁上设有加热板4且由沿竖直设置的隔板分为气化室2和重整室3；本实施例中，所述合成气反应室1外套设有保温层5以保证气化室2和重整室3中温度的稳定也防止了热量的流失；所述合成气反应室1内竖直方向的隔板两侧叠设有加热板4。

所述气化室2顶部设有生物质燃料进料斗6、氧载体进料口以及合成气出口，所述气化室2侧壁的上部开设有水蒸气进气口、侧壁的下部设有氧载体排放口，所述气化室2的底部为倾斜放置的筛网10，所述筛网10将气化室2的下部分为氧载体暂存区和第一集灰区，筛网10将颗粒产物按照颗粒大小分离，分离出了灰分即反应完成的灰分、以及氧载体；本实施例中，所述气化室2内壁上间隔均布有5层向下倾斜的折流板9，折流板9能够降低物料下落速度，提高反应效率，上层的折流板9的末端位于下层折流板9上方；所述折流板9上开设有通孔用以保证气体回流的顺畅，所述水蒸气进气口位于折流板9上方。

本实施例中，所述水蒸气进气口连接有水蒸气发生器7，所述水蒸汽发生器7与进气口之间设有恒流泵8，通过恒流泵8控制水蒸气的进量，来保证合成气的产率。

所述重整室3顶部设有合成气入口，所述气化室2的合成气出口和重整室3的合成气入口通过回流管13连通，所述回流管13上设有计量泵20，所述重整室3内沿水平方向设置三层催化反应层14，所述重整室3底部为过滤网18，所述过滤网18将重整室3的下部分为第二集灰区和集气区，所述第一集灰区与第二集灰区相连通以保证第一集灰区的灰分能够分布并逐渐填满第二集灰区，所述过滤网18能够将灰分与气体分离。重整室3的底部设有排灰管15可在反应完成后整体清理集灰区灰分。过滤网18为常规设置，所述过滤网18为过滤布，为了使过滤布具有承重功能，将过滤布固定于硬质材料外框中，所述过滤布上叠设有金属网。

所述合成气收集组件与集气区连通；本实施例中，所述合成气收集组件包括顺次连接的水洗装置16以及干燥管17，所述水洗装置16和重整室3集气区通过第一管道连接，所述第一管道上设有排气泵19且第一管道的出口位于水洗装置16内的下部水中，所述水洗装置16与干燥管17通过第二管道连接，所述第二管道的入口位于水洗装置16顶部，水洗装置16内顶部留有空气。所述水洗装置16为储水罐。

所述氧载体回收组件与氧载体排放口连通；所述氧载体回收组件包括管壁上包覆有加热板的氧载体再生管11以及旋风分离器12，所述氧载体再生管11的入口与氧载体排放口相连通、出口与旋风分离器12的入口相连接，所述氧载体再生管11靠近入口处设有空气进气口，所述旋风分离器12的出口与氧载体进料口相连通。

使用所述回流式催化重整制备合成气装置制备合成气工艺，包括以下步骤：

1）气化反应：将气化室2温度控制在800℃，将生物质燃料通过生物质燃料进料斗、氧载体通过氧载体进料口以及水蒸气送入气化室2中，物料沿着折流板9下落，在下落过程中混合发生气化反应，反应过程中产生灰分通过筛网10落入第一集灰区等待后续反应，大颗粒产物由筛网上滑落到氧载体暂存区，反应生成的粗合成气由顶部排气口排出；所述水蒸气作为气化剂，由水蒸气发生器产生通过恒流泵8控制流量并输送水蒸气进入气化室2。

其中，所述生物质燃料、水蒸气以及氧载体的添加量的比例1:1:1。

其中，所述氧载体为三氧化二铁颗粒，所述生物质燃料为玉米秸秆，所述三氧化二铁颗粒粒径为40-60目，生物质燃料粒径为60-100目。

2）气化重整：将重整室3温度控制在800℃，反应生成的粗合成气经回流管13输送入重整室3，输送流量由计量泵20控制，所述回流管13气体输送流量为5L/min；所述粗合成气向下先穿过催化反应层14，所述催化反应层14中填充的催化剂为镍基催化剂（本申请所述镍基催化剂利用浸渍法把纳米氧化镍负载在γ-Al2O3上），在镍基催化剂层的催化作用下进行催化重整反应以及焦油的裂解反应，提高合成气的产率。由于第一集灰区和第二集灰区相连通，因此在气化室2反应生成的小颗粒产会分布并填充满第一集灰区和第二集灰区，所述粗合成气再穿过落在集灰区的灰分，粗合成气与灰分再次接触，进行二次气化和重整，提高了粗合成气中CO的含量。最后由重整室3底部输出。

3）合成气收集：由重整室3底部输出的气体中灰分以及其他杂质经水洗除去，再经过干燥进行收集，最后得到较为纯净的合成气。

4）氧载体回收重复利用：所述氧载体再生管11温度控制为850-950℃，所述步骤1）中大颗粒产物通过氧载体再生管11并与空气混合一起输送入旋风分离器12中，送入旋风分离器12中的氧载体再经过氧载体进料口送入气化室2重复利用。

使用时，将气化室2加热后将生物质燃料、氧载体以及水蒸气送入气化室2中，物料沿折流板9下落，在下落过程中发生气化反应，反应过程中产生灰分通过筛网10落入集灰区，大颗粒产物由筛网10滑落到氧载体暂存区，反应生成的粗合成气由顶部排气口排出；将重整室加热，粗合成气经回流管输送入重整室，所述合成气向下穿过催化反应层14和落在集灰区的灰分并由重整室3底部输出；由重整室3底部输出的气体经过水洗，干燥进行收集。大颗粒产物通过氧载体再生管11并与空气混合一起输送入旋风分离器12中，送入旋风分离器12中的氧载体再经过氧载体进料口送入气化室2重复利用。

本实施例中，合成效果：纯净的合成气的产率为1L/g，步骤3）中最后收集到的纯净合成气中CO含量为40%，氢气41%，其他气体中主要是甲烷和二氧化碳。

收集到的合成气一氧化碳含量高，减小了二氧化碳和甲烷的含量，合成气中一氧化碳和氢气含量的比例适宜应用于二甲醚的合成。

实施例2

使用同实施例1所述的回流式催化重整制备合成气装置制备合成气工艺，包括以下步骤：

1）气化反应：将气化室2温度控制在800℃，将生物质燃料通过生物质燃料进料斗、氧载体通过氧载体进料口以及水蒸气送入气化室2中，物料沿着折流板9下落，在下落过程中混合发生气化反应，反应过程中产生灰分通过筛网10落入第一集灰区等待后续反应，大颗粒产物由筛网上滑落到氧载体暂存区，反应生成的粗合成气由顶部排气口排出；所述水蒸气作为气化剂，由水蒸气发生器产生通过恒流泵8控制流量并输送水蒸气进入气化室2。

其中，所述生物质燃料、水蒸气以及氧载体的添加量的比例1:1:2。

其中，所述氧载体为三氧化二铁颗粒，所述生物质燃料为玉米秸秆，所述三氧化二铁颗粒粒径为40-60目，生物质燃料粒径为60-100目。

2）气化重整：将重整室3温度控制在800℃，反应生成的粗合成气经回流管13输送入重整室3，输送流量由计量泵20控制，所述回流管13气体输送流量为5L/min；所述粗合成气向下先穿过催化反应层14，所述催化反应层14中填充的催化剂为镍基催化剂（本申请所述镍基催化剂利用浸渍法把纳米氧化镍负载在γ-Al2O3上），在镍基催化剂层的催化作用下进行催化重整反应以及焦油的裂解反应，提高合成气的产率。由于第一集灰区和第二集灰区相连通，因此在气化室2反应生成的小颗粒产会分布并填充满第一集灰区和第二集灰区，所述粗合成气再穿过落在集灰区的灰分，粗合成气与灰分再次接触，进行二次气化和重整，提高了粗合成气中CO的含量。最后由重整室3底部输出。

3）合成气收集：由重整室3底部输出的气体中灰分以及其他杂质经水洗除去，再经过干燥进行收集，最后得到较为纯净的合成气。

4）氧载体回收重复利用：所述氧载体再生管11温度控制为850-950℃，所述步骤1）中大颗粒产物通过氧载体再生管11并与空气混合一起输送入旋风分离器12中，送入旋风分离器12中的氧载体再经过氧载体进料口送入气化室2重复利用。

本实施例中，合成效果：纯净的合成气的产率为1.2L/g，步骤3）中最后收集到的纯净合成气中CO含量为35%，氢气43%，其他气体中主要是甲烷和二氧化碳。

收集到的合成气一氧化碳含量高，减小了二氧化碳和甲烷的含量，合成气中一氧化碳和氢气含量的比例适宜应用于二甲醚的合成。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种回流式催化重整制备合成气装置，其特征在于，包括合成气反应室、合成气收集组件以及氧载体回收组件；所述合成气反应室的侧壁上设有加热板且由沿竖直设置的隔板分为气化室和重整室；

所述气化室顶部设有生物质燃料进料斗、氧载体进料口以及粗合成气出口，所述气化室侧壁的上部开设有水蒸气进气口、侧壁的下部设有氧载体排放口，所述气化室的底部为倾斜放置的筛网，所述筛网将气化室的下部分为氧载体暂存区和第一集灰区；所述重整室顶部设有粗合成气入口，所述气化室的粗合成气出口和重整室的粗合成气入口通过回流管连通，所述回流管上设有计量泵，所述重整室内沿水平方向设置若干层催化反应层，所述重整室底部为过滤网，所述过滤网将重整室的下部分为第二集灰区和集气区，所述第一集灰区与第二集灰区相连通；

所述合成气收集组件与集气区连通，所述氧载体回收组件与氧载体排放口连通。

2.根据权利要求1所述的一种回流式催化重整制备合成气装置，其特征在于，所述合成气反应室外套设有保温层；所述合成气反应室内竖直方向的隔板两侧叠设有加热板。

3.根据权利要求2所述的一种回流式催化重整制备合成气装置，其特征在于，所述气化室内壁上间隔均布有若干层向下倾斜的折流板，上层的折流板的末端位于下层折流板上方；所述折流板上开设有通孔，所述水蒸气进气口位于折流板上方。

4.根据权利要求3所述的一种回流式催化重整制备合成气装置，其特征在于，所述合成气收集组件包括顺次连接的水洗装置以及干燥管，所述水洗装置和重整室集气区通过第一管道连接，所述第一管道上设有排气泵且第一管道的出口位于水洗装置内的下部，所述水洗装置与干燥管通过第二管道连接，所述第二管道的入口位于水洗装置顶部。

5.根据权利要求4所述的一种回流式催化重整制备合成气装置，其特征在于，所述氧载体回收组件包括管壁上包覆有加热板的氧载体再生管以及旋风分离器，所述氧载体再生管的入口与氧载体排放口相连通、出口与旋风分离器的入口相连接，所述氧载体再生管靠近入口处设有空气进气口，所述旋风分离器的出口与氧载体进料口相连通。

6.根据权利要求5所述的一种回流式催化重整制备合成气装置，其特征在于，所述水蒸气进气口连接有水蒸气发生器，所述水蒸汽发生器与进气口之间设有恒流泵。

7.使用权利要求1所述的一种回流式催化重整制备合成气工艺，其特征在于，

1）气化反应：将气化室温度控制在800-900℃，将生物质燃料、氧载体以及水蒸气送入气化室中，在物料下落过程中发生气化反应，反应过程中产生灰分通过筛网落入集灰区，大颗粒产物由筛网滑落到氧载体暂存区，反应生成的粗合成气由顶部排气口排出；

2）气化重整：将重整室温度控制在800-900℃，粗合成气经回流管输送入重整室，输送流量由计量泵控制，所述合成气向下穿过催化反应层和落在集灰区的灰分并由重整室底部输出，所述回流管气体输送流量为4-6 L/min；

3）合成气收集：由重整室底部输出的气体经过水洗，干燥进行收集。

8.根据权利要求1所述的一种回流式催化重整制备合成气工艺，其特征在于，所述步骤1）中大颗粒产物通过氧载体再生管并与空气混合一起输送入旋风分离器中，所述氧载体加热管温度为850-950℃，送入旋风分离器中的氧载体再经过氧载体进料口送入气化室。

9.根据权利要求1所述的一种回流式催化重整制备合成气工艺，其特征在于，所述生物质燃料、水蒸气以及氧载体的添加量的比例为1:1:(1-2)。

10.根据权利要求1所述的一种回流式催化重整制备合成气工艺，其特征在于，所述催化反应层中填充的催化剂为镍基催化剂；所述氧载体为三氧化二铁颗粒，所述生物质燃料为玉米秸秆或水稻秸秆，所述三氧化二铁颗粒粒径大于等于生物质燃料粒径。