一種用生物質和乙炔制取苯的系統及方法
【專利摘要】本發明提供了一種用生物質和乙炔制取苯的系統和方法。該系統包括旋轉床熱解反應器、乙炔存儲裝置、冷卻裝置和苯分離裝置；旋轉床熱解反應器包括進料區、預熱區、反應區和出料區，進料區設有進料口，反應區設有乙炔入口和熱解油氣出口，出料區設有出料口；乙炔存儲裝置設有乙炔出口，乙炔出口與乙炔入口相連；冷卻裝置設有熱解油氣入口和生物油出口，熱解油氣入口與熱解油氣出口相連；苯分離裝置設有生物油入口和苯出口，生物油入口與生物油出口相連。本發明所提供的系統及方法具有投資小、工藝流程簡單、經濟效益好等優點。
【專利說明】
一種用生物質和乙炔制取苯的系統及方法
技術領域
[0001] 本發明屬于生物質化工技術領域，具體涉及一種用生物質和乙炔制取苯的系統及 方法。
【背景技術】
[0002] 我國生物質資源十分豐富，隨著石油、煤炭等化石資源儲量的逐漸減少，將低值生 物質資源進行品位升級轉化為生物油及化工原料以補充和替代部分化石原料，成為生物質 能開發利用的重要方向。生物質熱解技術可以將生物質轉化為生物油、生物炭和可燃氣，具 有廣闊的前景和重要的社會價值。
[0003] 生物質熱解是生物質在惰性氣氛下進行高溫加熱，產生可燃氣體、生物油和固體 炭的過程。生物油組成中含有多種復雜不穩定的化合物，具有芳烴含量少，品位低的特點， 增加生物油中的芳烴含量，尤其是其中苯的含量，對提升生物油作為新型燃料油及化工原 料的意義重大。
[0004] 生物質熱解時，其反應器內部是高溫環境，而且生物質熱解后產生的熱解炭可以 作為乙炔反應生成苯的催化劑。因此，生物質熱解時的環境非常適合乙炔發生反應生成苯。
【發明內容】
[0005] 本發明旨在提供一種用生物質和乙炔制取苯的系統及方法。
[0006] 根據本發明的一個方面，一種用生物質和乙炔制取苯的系統，其包括旋轉床熱解 反應器、乙炔存儲裝置、冷卻裝置和苯分離裝置；
[0007] 所述旋轉床熱解反應器包括進料區、預熱區、反應區和出料區，所述進料區設有進 料口，所述反應區設有乙炔入口和熱解油氣出口，所述出料區設有出料口；
[0008] 所述乙炔存儲裝置設有乙炔出口，所述乙炔出口與所述乙炔入口相連；
[0009] 所述冷卻裝置設有熱解油氣入口和生物油出口，所述熱解油氣入口與所述熱解油 氣出口相連；
[0010] 所述苯分離裝置設有生物油入口和苯出口，所述生物油入口與所述生物油出口相 連。
[0011] 在本發明的一個實施方案中，所述乙炔入口設置在所述反應區底面上。
[0012] 在本發明的一個實施方案中，所述熱解油氣出口設置在所述反應區的側壁上，且 位于所述反應區的加熱裝置的下方。
[0013] 在本發明的一個實施方案中，所述預熱區和所述反應區的加熱裝置為蓄熱式輻射 管燃燒器，所述蓄熱式輻射管燃燒器設置在所述旋轉床熱解反應器的外側壁上，其高度在 料層高度以上，且輻射管燃燒器表面噴涂陶瓷涂層。
[0014] 在本發明的一個實施方案中，所述反應區的料板采用氣體分布板。
[0015] 根據本發明的另一個方面，本發明還提供了一種利用上述系統制取苯的方法，所 述方法包括如下步驟：
[0016] 將生物質送入所述旋轉床熱解反應器進行熱解，制得熱解油氣和熱解炭，所述熱 解油氣包括不凝氣體和生物油；
[0017] 將所述乙炔存儲裝置中的乙炔送入所述旋轉床熱解反應器中，所述乙炔在所述不 凝氣體氣氛中以及在所述熱解炭的催化作用下反應生成苯；
[0018] 將包含苯的熱解油氣送入所述冷卻裝置進行冷卻，制得生物油；
[0019] 將所述生物油送入所述苯分離裝置中進行分離，制得苯。
[0020] 在本發明的一個實施方案中，所述反應區的反應溫度為550-800°C。
[0021] 在本發明的一個實施方案中，所述生物質的粒徑為10-30mm。
[0022] 在本發明的一個實施方案中，所述生物質的水分含量<5wt %。
[0023] 在本發明的一個實施方案中，所述乙炔的用量為所述不凝氣體體積的5-10%。
[0024] 本發明所提供的系統及方法，將乙炔通入旋轉床熱解反應器中，在生物質熱解產 生的甲烷、氫氣和二氧化碳氣氛中，以及在生物質熱解產生的熱解炭的催化作用下，乙炔反 應生成苯。本發明所提供的系統及方法將生物質熱解和乙炔制苯的反應結合在一起，生物 質熱解為乙炔制苯的反應提供了所需的條件，節約了能耗也節省了投資和運行成本，而且 工藝流程也非常簡單。
[0025] 此外，本發明所提供的系統及方法也提高了生物質生物油中芳烴的含量，使所得 的生物質生物油的品質得到提升，明顯的提高了生物質生物油的經濟價值。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明實施例的一種用生物質和乙炔制取苯的系統的結構示意圖。
[0027] 圖2為本發明實施例的一種旋轉床熱解反應器的結構示意圖。
[0028]圖3為本發明實施例的一種用生物質和乙炔制取苯的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0029]以下結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】進行更加詳細的說明，以便能 夠更好地理解本發明的方案及其各個方面的優點。然而，以下描述的【具體實施方式】和實施 例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。
[0030] 本發明首先提供了一種熱解生物質制備苯的系統，該系統包括旋轉床熱解反應 器、乙炔存儲裝置、出料裝置、冷卻裝置和苯分離裝置。
[0031] 旋轉床熱解反應器是本系統的核心裝置，是生物質熱解、乙炔反應的反應器。如圖 2所示，旋轉床熱解反應器的外形為圓形，其包括進料區、預熱區、反應區和出料區。其中，進 料區設有進料口，反應區設有乙炔(C 2H2)入口和熱解油氣出口，出料區設有出料口。
[0032] 乙炔入口可以設置在反應區的任何位置，其最優的位置為反應區的底面上。在相 同的壓力下，乙炔的密度小于空氣的密度，乙炔從下往上進入反應區，能與生物質熱解產生 熱解炭(C)充分的接觸，并在生物質熱解產生的不凝氣體（甲烷(CH4)、氫氣(H 2)、二氧化碳 (C02)等)的氛圍中反應生成苯。
[0033] 熱解油氣的出口可以設置在反應區的任意位置，其最優的位置為反應區的側壁 上，且位于反應區的加熱裝置的下方。這樣熱解油氣不經過加熱裝置所在的高溫區，避免油 氣發生二次裂解，有利于提高熱解油收率。
[0034] 預熱區和反應區的加熱裝置不需要特別限定，其最優的選擇為蓄熱式輻射管燃燒 器。蓄熱式輻射管燃燒器能夠產生均勻分布的溫度場，使熱解物料均勻受熱，并能實現熱解 氣與加熱裝置產生煙氣的隔絕，簡化了后續工藝流程。蓄熱式輻射管燃燒器設置在旋轉床 熱解反應器的外側壁上，其高度在料層高度以上，且蓄熱式輻射管燃燒器的表面噴涂有陶 瓷涂層。蓄熱式輻射管燃燒器的數量不限，需要根據不同區域所需要的溫度進行設置。
[0035] 反應區的料板不需要特別限定，其最優的選擇為氣體分布板。選用氣體分布板可 以讓乙炔在反應區內分布更加均勻，有利于提高其反應效果。
[0036] 反應區的數量可以設置多個，以控制不同的反應溫度。圖2所示的旋轉床熱解反應 器設有兩個反應區。
[0037] 旋轉床熱解反應器的底部設有轉動機械，轉動機械帶動環形底面轉動，位于底面 上的物料隨之轉動，經過各個區域受熱發生熱解。
[0038]乙炔存儲裝置設有乙炔出口，乙炔出口與乙炔入口相連。乙炔存儲裝置用于為旋 轉床熱解反應器提供乙炔。
[0039] 出料裝置設有入口和出口，出料裝置的入口與旋轉床熱解反應器的出料口相連。 出料裝置用于將生物質熱解后產生的熱解炭送出旋轉床熱解反應器。
[0040] 冷卻裝置設有熱解油氣入口和生物油出口，熱解油氣入口與熱解油氣出口相連。 冷卻裝置用于分離生物油和熱解氣。
[0041 ]苯分離裝置設有生物油入口和苯出口，生物油入口與生物油出口相連。苯分離裝 置用于從生物油中將苯提取出來。
[0042] 本發明還提供了一種利用上述系統制取苯的方法。如圖3所示，本方法包括如下步 驟：
[0043] 熱解:首先，將生物質送入旋轉床熱解反應器進行熱解，制得熱解油氣和熱解炭， 熱解油氣包括不凝氣體(如甲烷、氫氣、二氧化碳等)和生物油。然后，將乙炔存儲裝置中的 乙炔送入旋轉床熱解反應器中，乙炔在不凝氣體氣氛中以及在熱解炭的催化作用下反應生 成苯。
[0044] 所用生物質的粒徑不需要特別限定。生物質熱解后的產生熱解炭在本發明中是乙 炔反應的催化劑，生物質的粒徑越小，熱解所得的熱解炭粒徑也越小，其比表面積越大，催 化效果越好。但將生物質加工得越小，所需工藝越復雜。發明人經過大量實驗發現，生物質 的粒徑為10_30mm時為最優條件。
[0045] 所用生物質的水分含量不需要特別限定。發明人經過大量實驗發現，所用生物質 的最優水分含量<5wt%。
[0046]從乙炔入口通入的乙炔經氣體分布板進入旋轉床熱解反應器后向上流動，與生成 的熱解炭接觸，在熱解炭的催化作用下，乙炔發生反應，生成苯。
[0047]乙炔生成苯的反應需要在高溫和催化劑存在的條件下才能進行，旋轉床熱解反應 器在熱解生物質時，其內部正好是高溫環境，而且生物質熱解后產生的熱解炭可以作為乙 炔反應生成苯的催化劑。
[0048]乙炔在生成苯的同時，自身也會發生分解反應：
[0049] 2C.?H?^3C+CH4
[0050] C2H.盧 H2+2C
[0051]上述反應為可逆反應。生物質熱解后產生的不凝氣體中含有甲烷、氫氣，因此能在 一定程度上抑制乙炔發生分解反應。此外，生物質熱解后產生的不凝氣體中還含有二氧化 碳，二氧化碳不僅能調節甲烷的分壓，二氧化碳還具有與分解生成的炭反應消除積碳的功 能。
[0052]反應溫度并不需要特別限定。溫度越高，煤熱解的速度越快，乙炔自身發生加成反 應生成的苯更多，但能耗越大;溫度越低，熱解速度越慢，乙炔的反應效果較差。發明人經過 大量實驗發現，550-800°C為反應區的最佳反應溫度。
[0053]乙炔的用量并不需要特別限定。通入旋轉床熱解反應器的乙炔太多，其反應不完 全，而若太少，制得的生物油中苯的含量也相應很少，不滿足本發明的目的。發明人經過大 量實驗發現，乙炔的用量為生物質熱解后產生的不凝氣體體積的5-10%是最佳的。
[0054]冷卻:將包含苯的熱解油氣送入冷卻裝置進行冷卻，制得生物油。
[0055] 分離:將生物油送入苯分離裝置中進行分離，制得苯。
[0056] 下面參考具體實施例，對本發明進行說明。下述實施例中所取工藝條件數值均為 示例性的，其可取數值范圍如前述
【發明內容】
中所示。下述實施例所用的測試方法均為本行 業中常用的測試方法。
[0057] 實施例1
[0058]本實施例提供一種用生物質和乙炔制取苯的系統。
[0059] 如圖1所示，本系統包括進料裝置、旋轉床熱解反應器、出料裝置、乙炔存儲裝置、 冷卻裝置和苯分離裝置。
[0060] 如圖2所示，旋轉床熱解反應器的外形為圓形，其包括進料區、預熱區、反應區和出 料區。其中，進料區設有進料口，反應區設有乙炔入口和熱解油氣出口，出料區設有出料口。 [0061 ]乙炔入口設置在反應區底面上。熱解油氣出口設置在反應區的側壁上，且位于反 應區的加熱裝置的下方。預熱區和反應區的加熱裝置為蓄熱式輻射管燃燒器，蓄熱式輻射 管燃燒器設置在旋轉床熱解反應器的外側壁上，其高度在料層高度以上，且輻射管燃燒器 表面噴涂陶瓷涂層。反應區的料板采用氣體分布板。旋轉床熱解反應器的底部設有轉動機 械。
[0062] 進料裝置與進料口相連，用于將生物質送入旋轉床熱解反應器中。
[0063] 出料裝置與出料口相連，用于將生物質熱解后產生的熱解炭送出旋轉床熱解反應 器。
[0064]乙炔存儲裝置設有乙炔出口，乙炔出口與乙炔入口相連。乙炔存儲裝置用于存儲 乙炔，并將乙炔送入旋轉床熱解反應器中。
[0065] 冷卻裝置設有熱解油氣入口和生物油出口，熱解油氣入口與熱解油氣出口相連。 冷卻裝置用于分離生物油和熱解氣。
[0066] 苯分離裝置設有生物油入口和苯出口，生物油入口與生物油出口相連。苯分離裝 置用于提取苯。
[0067] 實施例2
[0068] 本實施例提供一種利用實施例1所提供的系統制取苯的方法。所用的生物質為木 塊，粒徑為10-30mm，含水量為5wt%，用量為1噸。該方法如圖3所示，具體如下：
[0069]控制反應二區溫度為700°C。木塊經進料裝置進入旋轉床熱解反應器，均勻布于旋 轉床反應器底面上，隨底面的轉動，經預熱區、反應一區和反應二區加熱至700°C進行熱解 反應，生成熱解油氣(包括不凝氣體和生物油)和熱解炭。在不通入乙炔氣的情況下，生物質 熱解得到的熱解氣(不凝氣體）中甲烷、氫氣、二氧化碳、一氧化碳的含量如表1所示。生成的 不凝氣體的體積為1187.5m 3。
[0070] 然后，往旋轉床熱解反應器通入乙炔，通入的乙炔的量為71.25m3。乙炔在向上流 動過程中與生成的熱解炭接觸，在熱解炭的催化作用下，進一步促進乙炔反應生成苯。含有 苯的熱解油氣自位于反應二區側壁的熱解油氣出口排出，之后經歷冷卻裝置得到生物油、 熱解氣。熱解得到的熱解炭經出料裝置排出，熱解氣進一步處理后收集備用，將生物油中進 一步送入苯分離裝置中，分離后得到苯。剩下的不含苯的生物油收集后備用。
[0071] 通入乙炔后，增加的苯量為木塊自身熱解產生的苯的2倍。
[0072] 實施例3
[0073]本實施例提供另一種利用實施例1所提供的系統制取苯的方法。所用的生物質為 玉米猜桿，粒徑為l〇_3〇mm，含水量為5wt%，用量為1噸。該方法如圖3所示，具體如下：
[0074]控制反應二區溫度為650°C。玉米秸桿經進料裝置進入旋轉床熱解反應器，均勻布 于旋轉床反應器底面上，隨底面的轉動，經預熱區、反應一區和反應二區加熱至650°C進行 熱解反應，生成熱解油氣(包括不凝氣體和生物油）和熱解炭。在不通入乙炔氣的情況下，生 物質熱解得到的熱解氣(不凝氣體）中甲烷、氫氣、二氧化碳、一氧化碳的含量如表1所示。生 成的不凝氣體的體積為1416.4m 3。
[0075]然后，往旋轉床熱解反應器通入乙炔，通入的乙炔的量為113.3m3。乙炔在向上流 動過程中與生成的熱解炭接觸，在熱解炭的催化作用下，進一步促進乙炔反應生成苯。含有 苯的熱解油氣自位于反應二區側壁的熱解油氣出口排出，之后經歷冷卻裝置得到生物油、 熱解氣。熱解得到的熱解炭經出料裝置排出，熱解氣進一步處理后收集備用，將生物油中進 一步送入苯分離裝置中，分離后得到苯。剩下的不含苯的生物油收集后備用。
[0076]通入乙炔后，增加的苯量為玉米秸桿自身熱解產生的苯的2.2倍。
[0077]表1熱解氣中甲燒、氫氣、二氧化碳、一氧化碳的含量
[0079] 綜上，可以得知，本發明所提供的系統及方法，將乙炔通入旋轉床熱解反應器中， 在生物質熱解產生的甲烷、氫氣和二氧化碳氣氛中，以及在生物質熱解產生的熱解炭的催 化作用下，乙炔反應生成苯。本發明所提供的系統及方法將生物質熱解和乙炔制苯的反應 結合在一起，生物質熱解為乙炔制苯的反應提供了所需的條件，節約了能耗也節省了投資 和運行成本，而且工藝流程也非常簡單。
[0080] 此外，本發明所提供的系統及方法也提高了生物質生物油中芳烴的含量，使所得 的生物質生物油的品質得到提升，從而提高了生物質生物油的經濟價值。
[0081] 需要說明的是，以上參照附圖所描述的各個實施例僅用以說明本發明而非限制本 發明的范圍，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下對 本發明進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明的范圍之內。此外，除非特別說明，那 么任何實施例的全部或一部分可結合任何其它實施例的全部或一部分來使用。
【主權項】
1. 一種用生物質和乙炔制取苯的系統，其特征在于，其包括旋轉床熱解反應器、乙炔存 儲裝置、冷卻裝置和苯分離裝置； 所述旋轉床熱解反應器包括進料區、預熱區、反應區和出料區，所述進料區設有進料 口，所述反應區設有乙炔入口和熱解油氣出口，所述出料區設有出料口； 所述乙炔存儲裝置設有乙炔出口，所述乙炔出口與所述乙炔入口相連； 所述冷卻裝置設有熱解油氣入口和生物油出口，所述熱解油氣入口與所述熱解油氣出 口相連； 所述苯分離裝置設有生物油入口和苯出口，所述生物油入口與所述生物油出口相連。2. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述乙炔入口設置在所述反應區底面上。3. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述熱解油氣出口設置在所述反應區的側 壁上，且位于所述反應區的加熱裝置的下方。4. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述預熱區和所述反應區的加熱裝置為蓄 熱式輻射管燃燒器，所述蓄熱式輻射管燃燒器設置在所述旋轉床熱解反應器的外側壁上， 其高度在料層高度以上，且輻射管燃燒器表面噴涂有陶瓷涂層。5. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述反應區的料板采用氣體分布板。6. -種利用權利要求1-5中任一所述系統制取苯的方法，其特征在于，所述方法包括如 下步驟： 將生物質送入所述旋轉床熱解反應器進行熱解，制得熱解油氣和熱解炭，所述熱解油 氣包括不凝氣體和生物油； 將所述乙炔存儲裝置中的乙炔送入所述旋轉床熱解反應器中，所述乙炔在所述不凝氣 體氣氛中以及在所述熱解炭的催化作用下反應生成苯； 將包含苯的熱解油氣送入所述冷卻裝置進行冷卻，制得生物油； 將所述生物油送入所述苯分離裝置中進行分離，制得苯。7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述反應區的反應溫度為550-800°C。8. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述生物質的粒徑為10-30mm。9. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述生物質的水分含量<5wt %。10. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述乙炔的用量為所述不凝氣體體積的 5-10% 〇
【文檔編號】C07C15/04GK106045807SQ201610597188
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月26日 公開號201610597188.1, CN 106045807 A, CN 106045807A, CN 201610597188, CN-A-106045807, CN106045807 A, CN106045807A, CN201610597188, CN201610597188.1
【發明人】竇從從, 鄭倩倩, 張照, 王培倫, 孟嘉樂, 吳道洪
【申請人】北京神霧環境能源科技集團股份有限公司