新型焦油裂解裝置的制作方法

本發明涉及生物質氣化設備領域，特別是涉及一種新型焦油裂解裝置，適用于生物質煙氣、低階煤煙氣等物質內焦油裂解。

背景技術：

煤、石油等不可再生化石能源的過度利用，使得當今社會面臨著嚴重的能源問題與環境問題。生物質能源作為一種可再生能源，通過一定的能源轉換技術，可轉換為可直接利用的能源，例如秸稈等農林固體廢棄物、城鎮固體生活垃圾及污水處理脫水污泥等通過一系列工藝可轉換為能夠直接利用的燃氣，因此成為解決能源和環境問題的重要途徑。

目前的生物質利用多以生物質裂解/熱解氣化技術生成可燃性氣體產物，但在氣化過程中會產生少量焦油，焦油的存在對于熱解氣化過程以及相關的設備都產生不利的影響。①首先，燃氣中焦油不能直接燃燒，降低了生物質的再利用率，氣化中焦油能量一般占總能量的5％～15％，這部分能量在低溫時難于被利用，造成浪費；②其次，焦油存在于高溫可燃氣中，在管道輸送過程中冷凝下來，形成粘稠的液體物質，附著于管道內壁和有關設備的壁面上，并與氣流中飛灰、碳等顆粒物質相互作用，嚴重時堵塞管道，影響系統運行和安全；③凝結為細小液滴的焦油比氣體難于燃盡，在燃燒時容易產生碳黑，容易造成污染，并對氣化裂解設備系統和熱解氣的利用設備，如內燃機、燃氣輪機、壓縮機等產生嚴重損害。

綜上所述，如何能夠使焦油在熱解氣化過程中進行裂解，使焦油盡可能轉化為具有較高熱值的可燃氣，提高生物質的再利用率，對于潔凈高效利用低階煤和生物質具有重要的意義。

目前，除去有機物分解過程中產生的焦油的工藝主要有冷法除焦和熱法除焦兩種。冷法除焦由于采用冷凝噴淋的方法，工藝復雜，產生大量污水，并且焦油以廢棄物處理難以再利用，造成能源浪費和環境污染；熱法除焦主要有高溫裂解和催化裂解兩種方法，在焦油的分解利用方面應用比較廣泛。催化裂解能耗較低且催化效率較高，是當前解決焦油問題最有效的方法，但是存在催化劑更換(催化劑由于積碳附著失活并難以更換)及催化裂解裝置的連續運行等難題；高溫裂解是通過900℃以上的高溫使焦油中化學鍵斷裂，形成小分子燃氣的過程，但是目前的高溫裂解裝置能耗較高，且裂解效果不佳；焦油裂解裝置中溫度難以保持恒定，導致裂解效率較低。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種裂解效率高、流動阻力小、能耗低、結構簡單、成本低的新型焦油裂解裝置。

本發明新型焦油裂解裝置，包括殼體和設置在殼體內的蓄熱體，殼體的兩端分別設有裂解氣入口和裂解氣出口，蓄熱體上設有互不連通的裂解氣管路和高溫氣體管路，高溫氣體管路貫通一組相對平面，裂解氣管路貫通連接另一組相對平面，裂解氣管路的兩端分別與裂解氣入口和裂解氣出口連通。

本發明新型焦油裂解裝置，其中所述蓄熱體設為蜂窩陶瓷體。

本發明新型焦油裂解裝置，其中所述蜂窩陶瓷體在殼體內設有若干個，且相互無縫連接。

本發明新型焦油裂解裝置，其中所述裂解氣管路和高溫氣體管路均分布在相互平行的平面且截面相互垂直。

本發明新型焦油裂解裝置，其中所述蓄熱體上連接有電加熱板。

本發明新型焦油裂解裝置，其中所述蓄熱體上連接有燃氣加熱裝置。

本發明新型焦油裂解裝置，其中所述殼體上包覆有保溫層。

本發明新型焦油裂解裝置，其中所述裂解氣管路和高溫氣體管路的截面設為圓形、正方形、六邊形。

本發明新型焦油裂解裝置與現有技術不同之處在于：本發明新型焦油裂解裝置包括殼體和設置在殼體內的蓄熱體，殼體的兩端分別設有裂解氣入口和裂解氣出口，蓄熱體上設有互不連通的裂解氣管路和高溫氣體管路，高溫氣體管路貫通一組相對平面，裂解氣管路貫通連接另一組相對平面，裂解氣管路的兩端分別與裂解氣入口和裂解氣出口連通；裂解氣沿裂解氣入口進入殼體，在蓄熱體內的裂解氣管路內進行催化裂解后沿裂解氣出口排出，外接熱源持續向蓄熱體的高溫氣體管路供熱，使蓄熱體的溫度保持在900℃，維持穩定的裂解反應；蓄熱體選用蜂窩陶瓷材料，質量輕，體積小，比表面積大，耐磨損、耐高溫。

下面結合附圖對本發明的新型焦油裂解裝置作進一步說明。

附圖說明

圖1為本發明新型焦油裂解裝置的結構示意圖；

圖2為本發明新型焦油裂解裝置的內部結構示意圖；

圖3為本發明新型焦油裂解裝置的蓄熱體的結構示意圖；

圖4為本發明新型焦油裂解裝置的蓄熱體的內部結構示意圖。

附圖標注：1、殼體；2、裂解氣入口；3、蓄熱體；4、裂解氣出口；5、裂解氣管路；6、高溫氣體管路；

其中，實線箭頭指示高溫氣體流動方向，虛線箭頭指示裂解氣流動方向。

具體實施方式

結合圖1-圖4所示，本發明新型焦油裂解裝置，包括殼體1和設置在殼體1內的蓄熱體3，殼體1的兩端分別設有裂解氣入口2和裂解氣出口4，蓄熱體3上設有互不連通的裂解氣管路5和高溫氣體管路6，裂解氣管路5和高溫氣體管路6均分布在相互平行的平面且截面相互垂直，裂解氣管路5與高溫氣體管路6形成交叉換熱的結構；高溫氣體管路6貫通一組相對平面，裂解氣管路5貫通連接另一組相對平面，裂解氣管路5的兩端分別與裂解氣入口2和裂解氣出口4連通。殼體1的兩端連接有封蓋，裂解氣入口2和裂解氣出口4分別開設在殼體1兩端的封蓋上，殼體1內設有蓄熱體3；裂解氣沿裂解氣入口2進入殼體1，在蓄熱體3內的裂解氣管路5內進行催化裂解后沿裂解氣出口4排出。蓄熱體3上連通有高溫氣體發生裝置，高溫氣體發生裝置產生的高溫氣體通入高溫氣體管路6，高溫氣體與蓄熱體3換熱，即加熱裂解氣管路5，使蓄熱體3的溫度保持恒定，進而提高裂解效率。

在生物質熱轉換過程中，焦油的數量主要取決于轉換溫度和氣相停留時間，與加熱速率也密切相關，氣體中的焦油只有當氣化溫度穩定在900℃以上時才能大部分裂解成可燃氣體。裂解反應過程中，要求裂解溫度保持在900℃以上，因此，要求高溫氣體發生裝置產生的高溫氣體的溫度保持在1000℃以上。在這種高溫環境下，蓄熱體3設為蜂窩陶瓷體，陶瓷材料耐高溫、導熱性好，適用于高溫裂解環境。高溫氣體發生裝置可以選用燃氣加熱裝置，燃氣加熱裝置燃燒燃氣，持續加熱蓄熱體3，使蓄熱體3內的空氣溫度維持在1000℃以上，即蓄熱體3的溫度維持在900℃；還可以選用電加熱板，電加熱板連接在蓄熱體3上，電加熱板貼合在蓄熱體3的兩個相對壁面上，電加熱板的加熱溫度維持在1200℃左右，以保證裂解溫度達到900℃，進而裂解含焦油的燃氣；依靠陶瓷體的蓄熱能力，可維持蓄熱體3內溫度恒定在900℃以上。

蜂窩陶瓷體的工作原理是高溫流體和低溫流體交替流過蓄熱體進行熱量交換。具體表現為，當高溫流體流過蓄熱體時，高溫流體把自身的熱量傳給蓄熱體，同時蓄熱體的溫度升高，即高溫流體的顯熱熱量被存儲至蓄熱體。當低溫流體流過蓄熱體時，低溫流體從蓄熱體獲得熱量，同時蓄熱體冷卻溫度降低。這兩個加熱和冷卻過程循環往復、形成一個非穩態的傳熱過程。

將生物質氣化后的含有焦油的燃氣、低階煤煙氣等由裂解氣入口2通入蜂窩陶瓷體，蜂窩陶瓷體相當于多孔介質裂解器，燃氣中存在的少量焦油在高溫狀態下(900℃以上)發生裂解反應，化學鏈斷裂，形成CO、H₂、CH₄、小分子碳氫化合物等可燃氣體，裂解后的燃氣由裂解氣出口4排出。

蜂窩陶瓷材料質量輕，體積小，比表面積大，耐磨損、耐高溫，裂解氣管路5與高溫氣體管路6相互垂直且為直通道結構；現有的陶瓷球材料，陶瓷球材料組成的蓄熱體3的空隙通道不規則，長期使用后易粘渣，導致流動阻力大，相對于陶瓷球材料，蜂窩陶瓷體的氣流阻力非常小，提高余熱回收率。裂解氣管路5設為相互平行的直通道，高溫氣體管路6也設為相互平行的直通道，裂解氣管路5和高溫氣體管路6的截面主要有圓形、三角形、正方形和正六邊形等格孔結構，正方形格孔更有利于單位體積換熱面積的提高。裂解氣管路5和高溫氣體管路6的截面選用三角形、正方形或正多邊形結構時，相鄰兩個內壁面的連接邊進行倒角，防止煙塵在連接邊處堆積，也減小連接邊對氣體流動的阻力，加快氣體流動。

蜂窩陶瓷體在殼體1內設有若干個，且相互無縫連接，即蓄熱體3由若干個蜂窩陶瓷體無縫拼接堆疊而成，根據蓄熱體3體積、裂解氣體流量選擇蜂窩陶瓷體的多少及堆疊方式，既能充分利用殼體1內空間，節省占地空間，又能充分利用高溫氣體的熱量。

殼體1上包覆有保溫層，保溫層材料選用巖棉保溫氈、硬質聚氨酯、珍珠巖材料等耐高溫的保溫材料，既能減少熱量的散失，又能防止高溫燙傷工作人員，還能減小火災發生的概率，提高設備的安全性能。

本發明提供的新型焦油裂解裝置，使得煙氣中大部分焦油在900℃的高溫環境中發生反應，最終煙氣中的焦油全部轉換為可燃氣體，即將生物質在氣化過程中產生的焦油轉換為可燃氣體，增加可燃氣體產量，進而提高了生物質的再利用率。而且燃氣中無焦油，二氧化碳被充分還原，提高了燃氣熱值也避免了焦油對環境的二次污染。

為驗證本發明新型焦油裂解裝置的工作效率，進行以下試驗進行驗證。

試驗材料：矩形罐體，蜂窩陶瓷體(孔隙率0.51)，蜂窩陶瓷體(孔隙率0.57)，蜂窩陶瓷體(孔隙率0.64)，陶瓷球(粒徑10mm)，生物質裂解氣，熱電偶(最大量程1200℃)。

試驗方案：

(1)燃氣加熱裝置，燃氣加熱裝置加熱的熱空氣進入矩形罐體的流動速度為1.0m/s；

(2)熱電偶檢測到蜂窩陶瓷內的溫度維持在900℃時，裂解氣入口通入待處理的煙氣；

(3)待處理的煙氣在進入裂解氣管路前，測量氣體中的H₂、CO、CH₄、C_nH_m、CO₂和焦油的含量，并且檢測燃氣熱值；

(4)待處理的煙氣在裂解氣管路內高溫裂解后檢測氣體中的H₂、CO、CH₄、C_nH_m、CO₂和焦油的含量，并且檢測燃氣熱值；

(5)每組試驗至少重復5次，進行數據處理，去除最高和最低數據組，求解平均值。

試驗過程：待處理的煙氣進入裂解氣管路前測量其H₂、CO、CH₄、C_nH_m、CO₂和焦油的含量以及煙氣熱值，測量完畢；待處理的煙氣通入裂解氣管路內，反應穩定后，每間隔10min采樣，經冷凝凈化后采用氣體分析儀進行分析。

試驗結論：試驗得出，不同孔隙率蜂窩陶瓷體對處理效果影響：隨著孔隙率增大，氣體產物中的焦油含量不斷降低，氣體產率逐漸上升，通過進一步對氣體成分的分析，表明氣體中增加的組分主要是H₂和CO。而CO₂、CH₄和C_nH_m成分則隨著孔隙率增大而減少，整體熱值上升。這是因為當蓄熱體孔型和蓄熱體橫截面積一定時，隨著孔隙率增大，蓄熱體的當量直徑也會增加，從而使蓄熱體內高溫氣體的流通性能增強，進而使蓄熱體的蓄高溫能力增強，提高裂解效率。

待處理的煙氣裂解前后成分對比，具體參照下表：

表1煙氣成分對比表

煙氣經過充滿陶瓷粒的管路裂解反應的焦油含量、煙氣熱值均小于經過蜂窩陶瓷體內的裂解氣管路反應的煙氣，并且通過以上試驗數據證明，蜂窩陶瓷體的裂解效率高于陶瓷粒催化裂解的裂解效率，因而，應用蜂窩陶瓷體進行煙氣裂解相對于現有的陶瓷球等材料，裂解效率提高，節約成本，提高產值，應用前景廣闊，是催化裂解開發研究的一個新方向。

以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。