一种生物质合成气制取液体燃料浆态床反应装置及其使用方法与流程

本发明涉及费托合成领域，尤其是涉及一种适用于生物质合成气制取液体燃料浆态床反应装置及使用方法。

背景技术：

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，清洁燃料的供给能力关系着国民经济的可持续性发展，是国家战略安全保障的基础之一。生物质是可再生能源中唯一可以转化为液体燃料的碳资源，可从规模上弥补石油资源的短缺。利用生物质制取液体燃料，不仅可以减轻对化石能源的依赖，而且能源降低大气污染和温室气体的排放。

生物质气化合成液体燃料技术，是指通过热化学方法将生物质气化产生粗燃气，再经燃气净化、组分调变获得高质量的合成气，进而增压后采用催化技术合成液体燃料和化学品的一整套集成技术，产品主要包括烃类燃料（如汽油、柴油等）和含氧化合物液体燃料（如低碳混合醇和二甲醚等），费托合成技术是其中的关键。费托合成反应器是生物质合成液体燃料技术的核心反应器，已公开报道的费托合成反应器有多种形式，包括有固定床、流化床和浆态床等。由于费托合成反应是一个放热量大的反应，而固定床反应器存在散热困难，容易造成催化剂结焦，使得固定床反应器放大相对困难。流化床反应器则存在流化过程难以控制，催化剂利用率低且易磨损等问题。相比之下，浆态床反应器具有温度均匀可控，气速操作容易控制，催化剂可在线装卸的优点而被广泛应用于煤/生物质基合成气的费托合成反应。浆态床反应涉及到气-液-固三相之间的传热传质，因此催化剂颗粒在浆液中的均匀混合和悬浮是高效反应的基础。目前浆态床反应器存在着催化剂颗粒易于在浆态床反应器浆料床层底部沉积和团聚，造成催化剂在浆料中的密度分布不均匀，影响浆态床反应器的传热、传质和反应。另外，在费托合成反应过程中液体产物由于分子量大且具有较高的沸点，通常以液体状态在反应器内部积累，需要定期将其从反应器中排出，以确保浆态床反应器的正常运转。为了避免催化剂的损失，需要将催化剂颗粒从液态产物蜡中分离出来，再返回到反应器中。因此，对固液分离器的设计就变得非常重要。而目前常见的固液分离器容易存在催化剂颗粒破损而堵塞分离器过滤构件造成反应器停车等问题。

因此，为了提高费托合成反应效率，降低催化剂的损失，开发一种浆态床反应器，使其具有良好的催化剂-浆料混合、悬浮效果和固-液分离效率是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种能够有效增强生物质合成气在浆态床反应器中的循环流动，促进催化剂颗粒在浆料中的均匀混合和悬浮，以及费托合成液体产品与催化剂颗粒易于分离的浆态床反应装置及方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种生物质合成气制取液体燃料浆态床反应装置，包括浆态床反应器壳体，所述浆态床反应器壳体内从上之下依次设置有固液分离器，中层气体分布器和底层气体分布器；所述浆态床反应器壳体上、靠近固液分离器底端处设置有催化剂进料口；所述浆态床反应器壳体与中层气体分布器连接处设有合成气上端进气口；所述浆态床反应器壳体顶端设置有顶部排气口，底端设置有浆料排出口，下端设置有合成气下端进气口；所述浆态床反应器壳体内、催化剂进料口下方、底层气体分布器上方设置有冷却盘管；所述冷却盘管的冷却水进口和冷却水出口均位于浆态床反应器壳体外部，且冷却水出口位于冷却水进口上方；所述固液分离器上设置有与外界连通的出液管；所述位于浆态床反应器壳体外部的出液管的出口端处设置有高压N₂反吹口。

所述的浆态床反应器壳体包括圆柱形主体，圆柱形主体上下两端分别设置有球形盖。

（一）所述固液分离器底端位于浆态床反应器高度的2/3–3/4处；所述固液分离器为由球形网格构成的密封的圆柱形结构，所述球形网格孔径为0.1-0.2 um；

（二）所述中层气体分布器由若干个同心环状管道组成；所述每个同心环上均匀分布有开口朝上的布气孔；所述中层气体分布器上设置有与同心环状管道相通的十字形主进气管；所述中层气体分布器位于浆态床反应器高度的1/4 – 1/3处；

（三）所述底层气体分布器为圆形，包括上下两层筛网和位于上下两层圆形筛网之间的净化层；所述筛网孔径为0.2-0.5 um；净化层内填装有陶瓷环，陶瓷环内径为1-3 mm。

（一）所述固液分离器底端位于浆态床反应器高度的2/3处；所述球形网格孔径为0.1 um；

（二）所述中层气体分布器位于浆态床反应器高度的1/3处。

（三）所述筛网孔径大小为0.2 um，陶瓷环内径为2 mm。

所述冷却盘管冷却水进口靠近底层分布器的壳体处，冷却水出口在浆态床反应器高度的1/2处。

一种利用上述的生物质合成气制取液体燃料浆态床反应器进行费托合成的方法，利用中层气体分布器和底层气体分布器对生物质合成气进行循环流动，促进催化剂颗粒在浆液中的均匀分布，利用所述的冷却盘管移出费托合成反应放出的热量，利用固液分离器进行浆液中液体产物与催化颗粒的分离，利用高压N₂对固液分离器进行反吹，移出固液分离器中残留的催化剂颗粒。

包括如下步骤：

一、打开浆态床反应器壳体的上盖，注入浆液，使其高度位于反应器高度的1/2–2/3处，盖上上盖；

二、将生物质合成气分成两股气体，分别通过合成气上端进气口，合成气下端进气口通入浆态床反应器内，所述合成气上端进气口，合成气下端进气口流量比在1/5–1/3之间，调节上端进气口与下端进气口的流量比控制合成气在浆液中的流动速度使催化剂颗粒在浆液中均匀混合并处于悬浮状态；

三、合成气在浆态床反应器中发生费托合成反应生成气体产物和液体产物；

四、气态产物通过浆态床反应器顶部排气口排出，液态产物逐渐在浆态床反应器中累积；

五、当浆料高度达到反应器高度的2/3 – 3/4之间时，打开固液分离器管道出口阀门，在反应器压力的作用下，液态产物通过固液分离器排出反应器；当反应器中浆料高度下降到反应器高度的2/3处以下时，关闭固液分离器管道出口阀门；

六、打开高压N₂反吹口阀门，使管道压力略高于反应器中压力，通过N2吹扫固液分离器中残留的催化剂，使催化剂颗粒进入反应器浆液中；

上述过程中，冷却水从冷却盘管进口进入，从冷却盘管出口移出，通过冷却水调节反应器反应过程中的温度；

七、反应完毕后，从浆料排出口排出浆料。

所述步骤一中浆液高度位于反应器高度的1/2处。

所述步骤二中合成气上端进气口，合成气下端进气口流量比为1/4。

本发明的有益效果如下：

1）本发明的浆态床反应器设置有两个气体分布器，底层气体分布器为筛网状结构，可使生物质合成气均匀的通过底层气体分布器，在气流的带动作用下，浆料中的催化剂颗粒也随之流动并悬浮在浆料中；在浆料上部的催化剂颗粒由于重力作用会逐渐沉降，容易造成催化剂颗粒在浆料中密度不均匀；通过在浆态床反应器中设置中层气体分布器，中层气体分布器呈同心环结构，可将浆料中下降的催化剂颗粒再次流动起来，通过控制合成气上端进口和下端进口的流量，可调节合成气在反应器中浆料内的流动状态，使催化剂在浆料中处于均匀分布和悬浮状态，促进了浆态床反应器的传热、传质和反应效率。

2）本发明在浆态床反应器内部上方设有固液分离器，可直接进行浆态床反应器中液体产物和催化剂颗粒的分离，固液分离器的网格结构小于催化剂颗粒，可使大部分催化剂与液体产物进行分离而返回到反应器浆料中，在浆态床反应器中由于碰撞而破碎的催化剂粉末则通过高压N₂反吹进入反应器中，不会造成催化剂粉末滞留在固液分离器而导致固液分离器堵塞，提高了催化剂利用率和固-液分离效果。

附图说明

图1为本发明的浆态床反应器的结构示意图；

图2为图1中的固液分离器的结构示意图；

图3为图1中的底层气体分布器；

图4为图1中的中层气体分布器；

其中，1、浆态床反应器壳体，2、固液分离器，3、催化剂进料口，4、合成气上端进气口，5、合成气下端进气口，6、底层气体分布器,7、中层气体分布器,8、浆料排出口，9、冷却水进口，10、冷却水出口，11、顶部排气口，12、液体出口，13、高压N2反吹口，14、冷却盘管，21、球形网格，61、圆形筛网，62、陶瓷环，71、主进气管，72、布气孔。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

一种生物质合成气制取液体燃料浆态床反应装置，包括浆态床反应器壳体1，所述浆态床反应器壳体1内从上之下依次设置有固液分离器2，中层气体分布器7和底层气体分布器6；所述浆态床反应器壳体1上、靠近固液分离器2底端处设置有催化剂进料口3；所述浆态床反应器壳体1与中层气体分布器7连接处设有合成气上端进气口4；所述浆态床反应器壳体1顶端设置有顶部排气口11，底端设置有浆料排出口8，下端设置有合成气下端进气口5；所述浆态床反应器壳体1内、催化剂进料口3下方、底层气体分布器6上方设置有冷却盘管14；所述冷却盘管14的冷却水进口9和冷却水出口10均位于浆态床反应器壳体1外部，且冷却水出口10位于冷却水进口9上方；所述固液分离器2上设置有与外界连通的出液管12；所述位于浆态床反应器壳体1外部的出液管12的出口端处设置有高压N2反吹口13。

所述的浆态床反应器壳体1包括圆柱形主体，圆柱形主体上下两端分别设置有球形盖。

所述固液分离器2底端位于浆态床反应器高度的2/3 – 3/4处；所述固液分离器2为由球形网格构成的密封的圆柱形结构，所述球形网格孔径为0.1-0.2 um；

所述中层气体分布器7由若干个同心环状管道组成；所述每个同心环上均匀分布有开口朝上的布气孔72；所述中层气体分布器7上设置有与同心环状管道相通的十字形主进气管71；所述中层气体分布器7位于浆态床反应器高度的1/4–1/3处；

所述底层气体分布器6为圆形，包括上下两层筛网61和位于上下两层圆形筛网61之间的净化层；所述筛网61孔径为0.2-0.5 um；净化层内填装有陶瓷环，陶瓷环内径为1-3 mm。

所述固液分离器底端位于浆态床反应器高度的2/3处；所述球形网格孔径为0.1 um；

所述中层气体分布器7位于浆态床反应器高度的1/3处。

所述筛网61孔径大小为0.2 um，陶瓷环内径为2 mm。

所述冷却盘管14冷却水进口9靠近底层分布器的壳体处，冷却水出口10在浆态床反应器高度的1/2处。

一种利用上述的生物质合成气制取液体燃料浆态床反应器进行费托合成的方法，利用中层气体分布器和底层气体分布器对生物质合成气进行循环流动，促进催化剂颗粒在浆液中的均匀分布，利用所述的冷却盘管移出费托合成反应放出的热量，利用固液分离器进行浆液中液体产物与催化颗粒的分离，利用高压N₂对固液分离器进行反吹，移出固液分离器中残留的催化剂颗粒。

包括如下步骤：

一、打开浆态床反应器壳体的上盖，注入浆液，使其高度位于反应器高度的1/2–2/3处，盖上上盖；

二、将生物质合成气分成两股气体，分别通过合成气上端进气口4，合成气下端进气口5通入浆态床反应器内，所述合成气上端进气口4，合成气下端进气口5流量比在1/5 – 1/3之间，调节上端进气口与下端进气口的流量比控制合成气在浆液中的流动速度使催化剂颗粒在浆液中均匀混合并处于悬浮状态；

三、合成气在浆态床反应器中发生费托合成反应生成气体产物和液体产物；

四、气态产物通过浆态床反应器顶部排气口11排出，液态产物逐渐在浆态床反应器中累积；

五、当浆料高度达到反应器高度的2/3 – 3/4之间时，打开固液分离器管道出口阀门，在反应器压力的作用下，液态产物通过固液分离器排出反应器；当反应器中浆料高度下降到反应器高度的2/3处以下时，关闭固液分离器管道出口阀门；

六、打开高压N₂反吹口阀门，使管道压力略高于反应器中压力，通过N₂吹扫固液分离器中残留的催化剂，使催化剂颗粒进入反应器浆液中；

上述过程中，冷却水从冷却盘管进口进入，从冷却盘管出口移出，通过冷却水调节反应器反应过程中的温度；

七、反应完毕后，从浆料排出口排出浆料。

所述步骤一中浆液高度位于反应器高度的1/2处。

所述步骤二中合成气上端进气口4，合成气下端进气口5流量比为1/4。

如图1所示，一种生物质合成气制取液体燃料浆态床反应装置，由浆态床反应器壳体1，固液分离器2，冷却盘管14，底层气体分布器6，中层气体分布器7等部分组成；所述浆态床反应器壳体1主体结构为圆柱形，上下两端为球形盖，在壳体内部上方设有固液分离器2，内部下方设有中层气体分布器7和底层气体分布器6，在壳体内部浆液与气体分布器之间设有冷却盘管14。

所述的浆态床反应器壳体1呈竖直放置，下端有底座固定。在浆态床反应器壳体1上端侧壁设有催化剂进料口3，进料口位于固液分离器低端附近的壳壁，在浆态床反应器高度的2/3 – 3/4处。催化剂颗粒和液体石蜡在混合均匀后通过催化剂进料口3进入浆态床反应器中。在反应器壳体与中层气体分布器7连接处设有合成气上端进气口4，在底层气体分布器6下部球形盖侧壁设有合成气下端进气口5，通过流量控制器控制生物质合成气在上端进气口和下端进气口的流量，使上端进气口与下端进气口流量比在1/5 – 1/3之间，在优选实施方式中上端进气口与下端进气口流量比为1/4。在浆态床反应器壳体顶端和底端分别设有顶部排气口11和浆料排出口8，通过顶部排气口11排出费托合成反应生成的气体产物，浆态床反应器中的浆料则通过浆料排出口8排出。

所述的固液分离器2位于浆态床反应器壳体1的内部上方，其底端在浆态床反应器高度的2/3 – 3/4处。固液分离器为圆柱形结构，由球形网格21组成，网格孔径为0.1-0.2 um。在优选的实施方式中，固液分离器网格孔径为0.15 um，其底端位于浆态床反应器高度的2/3处。

在固液分离器顶端连接有管道，管道通往浆态床反应器外面。所述的管道用于反应器中费托合成反应生成的液体产物的排出。在管道出口处设有液体出口12，在管道外端设有高压N₂反吹口13，通过高压N₂反吹口将残留在固液分离器的催化剂颗粒反吹进浆态床反应器中。

所述的中层气体分布器7位于浆态床反应器壳体内中下部，在反应器高度的1/4 – 1/3处。中层气体分布器由同心环结构的分布器子单元组成，在每个分布器子单元的弧形分布管72上均匀分布有布气孔73，布气孔开口朝上。通过布气孔生物质合成气进入浆态床反应器中并朝上流动。在中层气体分布器四个方向上设有主进气管71，用于传输生物质合成气。在优选的实施方式中，中层气体分布器位于浆态床反应器高度的1/3处。

所述的底层气体分布器6位于浆态床反应器主体结构与下端圆形盖的结合处，为圆形结构，分为三层，其中上下两层为圆形筛网61，筛网孔径大小为0.2-0.5 um，中间层填装有陶瓷环62，陶瓷环内径为1-3 mm。在优选的实施方式中，底层气体分布器筛网孔径大小为0.2 um，陶瓷环内径为2 mm。

生物质合成气经过流量控制器分成两股气体，分别从底层气体分布器和中层气体分布器进入，底层气体分布器采用筛网结构，可将合成气从底部均匀分散到反应器中，带动催化剂在浆料中流动和分散。在浆料上方的催化剂颗粒在重力作用下会向下沉积，中层气体分布器中的合成气从布气口上方流出，带动催化剂向上流动。通过调节流量控制器调节生物质合成气在底层气体分布器和中层气体分布器中的流量，促进催化剂在浆态床反应器中的均匀分布和悬浮。

所述的冷却盘管14位于浆态床反应器内部浆液与气体分布器之间，冷却盘管在靠近底层气体分布器的壳体处设有冷却水进口9，在浆态床反应器高度的1/2处设置有冷却水出口10。通过冷却盘管移出费托合成反应放出的过量热量，控制反应器的温度。

催化剂颗粒和液体石蜡混合均匀形成浆料通过浆态床反应器上端进料口进入反应器中，投入到反应器中的浆料高度位于浆态床反应器高度的1/2 – 2/3处，在优选的实施方式中，浆液高度设置为浆态床反应器高度的1/2处。

所述的生物质合成气制取液体燃料浆态床反应装置进行费托合成的实施方法，包括利用所述浆态床反应器进行费托合成反应，利用中层气体分布器和底层气体分布器对生物质合成气进行循环流动，促进催化剂颗粒在浆液中的均匀分布，利用所述的冷却盘管移出费托合成反应放出的热量，利用固液分离器进行浆液中液体产物与催化颗粒的分离，利用高压N₂对固液分离器进行反吹，移出固液分离器中残留的催化剂颗粒。

本发明中的一种生物质合成气制取液体燃料浆态床反应器的操作方法，还包括如下步骤：1）将生物质合成气分成两股气体，通过流量控制器控制每一股气体的流量，使上端进气口与下端进气口流量比在1/5 – 1/3之间；2）合成气进入浆态床反应器内部浆液中带动浆液流动，通过调节上端进气口与下端进气口的流量比控制合成气在反应器中流动的速度使催化剂颗粒在浆液中均匀混合并处于悬浮状态；3）合成气在浆态床反应器中与催化剂作用发生反应生成气体和液体产物；4）气态产物通过浆态床反应器顶部排气口排出，液态产物逐渐在浆态床反应器中累积；5）当浆料高度达到反应器高度的2/3 – 3/4之间时，打开固液分离器管道出口阀门，在反应器压力的作用下，液态产物通过固液分离器排出反应器，催化剂固体颗粒返回到浆液中；6）当反应器中浆料高度下降到反应器高度的2/3处以下时，关闭固液分离器管道出口阀门；7）打开高压N2反吹口阀门，使管道压力略高于反应器中压力，通过N2吹扫固液分离器中残留的催化剂，使催化剂粉末反吹进入反应器浆液中；上述过程中冷却水从冷却盘管进口进入，从冷却盘管出口移出，通过冷却水调节反应器反应过程中的温度；

8）反应完毕后，从浆料排出口排出浆料。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。