新型焦油裂解装置的制作方法

本发明涉及生物质气化设备领域，特别是涉及一种新型焦油裂解装置，适用于生物质烟气、低阶煤烟气等物质内焦油裂解。

背景技术：

煤、石油等不可再生化石能源的过度利用，使得当今社会面临着严重的能源问题与环境问题。生物质能源作为一种可再生能源，通过一定的能源转换技术，可转换为可直接利用的能源，例如秸秆等农林固体废弃物、城镇固体生活垃圾及污水处理脱水污泥等通过一系列工艺可转换为能够直接利用的燃气，因此成为解决能源和环境问题的重要途径。

目前的生物质利用多以生物质裂解/热解气化技术生成可燃性气体产物，但在气化过程中会产生少量焦油，焦油的存在对于热解气化过程以及相关的设备都产生不利的影响。①首先，燃气中焦油不能直接燃烧，降低了生物质的再利用率，气化中焦油能量一般占总能量的5％～15％，这部分能量在低温时难于被利用，造成浪费；②其次，焦油存在于高温可燃气中，在管道输送过程中冷凝下来，形成粘稠的液体物质，附着于管道内壁和有关设备的壁面上，并与气流中飞灰、碳等颗粒物质相互作用，严重时堵塞管道，影响系统运行和安全；③凝结为细小液滴的焦油比气体难于燃尽，在燃烧时容易产生碳黑，容易造成污染，并对气化裂解设备系统和热解气的利用设备，如内燃机、燃气轮机、压缩机等产生严重损害。

综上所述，如何能够使焦油在热解气化过程中进行裂解，使焦油尽可能转化为具有较高热值的可燃气，提高生物质的再利用率，对于洁净高效利用低阶煤和生物质具有重要的意义。

目前，除去有机物分解过程中产生的焦油的工艺主要有冷法除焦和热法除焦两种。冷法除焦由于采用冷凝喷淋的方法，工艺复杂，产生大量污水，并且焦油以废弃物处理难以再利用，造成能源浪费和环境污染；热法除焦主要有高温裂解和催化裂解两种方法，在焦油的分解利用方面应用比较广泛。催化裂解能耗较低且催化效率较高，是当前解决焦油问题最有效的方法，但是存在催化剂更换(催化剂由于积碳附着失活并难以更换)及催化裂解装置的连续运行等难题；高温裂解是通过900℃以上的高温使焦油中化学键断裂，形成小分子燃气的过程，但是目前的高温裂解装置能耗较高，且裂解效果不佳；焦油裂解装置中温度难以保持恒定，导致裂解效率较低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种裂解效率高、流动阻力小、能耗低、结构简单、成本低的新型焦油裂解装置。

本发明新型焦油裂解装置，包括壳体和设置在壳体内的蓄热体，壳体的两端分别设有裂解气入口和裂解气出口，蓄热体上设有互不连通的裂解气管路和高温气体管路，高温气体管路贯通一组相对平面，裂解气管路贯通连接另一组相对平面，裂解气管路的两端分别与裂解气入口和裂解气出口连通。

本发明新型焦油裂解装置，其中所述蓄热体设为蜂窝陶瓷体。

本发明新型焦油裂解装置，其中所述蜂窝陶瓷体在壳体内设有若干个，且相互无缝连接。

本发明新型焦油裂解装置，其中所述裂解气管路和高温气体管路均分布在相互平行的平面且截面相互垂直。

本发明新型焦油裂解装置，其中所述蓄热体上连接有电加热板。

本发明新型焦油裂解装置，其中所述蓄热体上连接有燃气加热装置。

本发明新型焦油裂解装置，其中所述壳体上包覆有保温层。

本发明新型焦油裂解装置，其中所述裂解气管路和高温气体管路的截面设为圆形、正方形、六边形。

本发明新型焦油裂解装置与现有技术不同之处在于：本发明新型焦油裂解装置包括壳体和设置在壳体内的蓄热体，壳体的两端分别设有裂解气入口和裂解气出口，蓄热体上设有互不连通的裂解气管路和高温气体管路，高温气体管路贯通一组相对平面，裂解气管路贯通连接另一组相对平面，裂解气管路的两端分别与裂解气入口和裂解气出口连通；裂解气沿裂解气入口进入壳体，在蓄热体内的裂解气管路内进行催化裂解后沿裂解气出口排出，外接热源持续向蓄热体的高温气体管路供热，使蓄热体的温度保持在900℃，维持稳定的裂解反应；蓄热体选用蜂窝陶瓷材料，质量轻，体积小，比表面积大，耐磨损、耐高温。

下面结合附图对本发明的新型焦油裂解装置作进一步说明。

附图说明

图1为本发明新型焦油裂解装置的结构示意图；

图2为本发明新型焦油裂解装置的内部结构示意图；

图3为本发明新型焦油裂解装置的蓄热体的结构示意图；

图4为本发明新型焦油裂解装置的蓄热体的内部结构示意图。

附图标注：1、壳体；2、裂解气入口；3、蓄热体；4、裂解气出口；5、裂解气管路；6、高温气体管路；

其中，实线箭头指示高温气体流动方向，虚线箭头指示裂解气流动方向。

具体实施方式

结合图1-图4所示，本发明新型焦油裂解装置，包括壳体1和设置在壳体1内的蓄热体3，壳体1的两端分别设有裂解气入口2和裂解气出口4，蓄热体3上设有互不连通的裂解气管路5和高温气体管路6，裂解气管路5和高温气体管路6均分布在相互平行的平面且截面相互垂直，裂解气管路5与高温气体管路6形成交叉换热的结构；高温气体管路6贯通一组相对平面，裂解气管路5贯通连接另一组相对平面，裂解气管路5的两端分别与裂解气入口2和裂解气出口4连通。壳体1的两端连接有封盖，裂解气入口2和裂解气出口4分别开设在壳体1两端的封盖上，壳体1内设有蓄热体3；裂解气沿裂解气入口2进入壳体1，在蓄热体3内的裂解气管路5内进行催化裂解后沿裂解气出口4排出。蓄热体3上连通有高温气体发生装置，高温气体发生装置产生的高温气体通入高温气体管路6，高温气体与蓄热体3换热，即加热裂解气管路5，使蓄热体3的温度保持恒定，进而提高裂解效率。

在生物质热转换过程中，焦油的数量主要取决于转换温度和气相停留时间，与加热速率也密切相关，气体中的焦油只有当气化温度稳定在900℃以上时才能大部分裂解成可燃气体。裂解反应过程中，要求裂解温度保持在900℃以上，因此，要求高温气体发生装置产生的高温气体的温度保持在1000℃以上。在这种高温环境下，蓄热体3设为蜂窝陶瓷体，陶瓷材料耐高温、导热性好，适用于高温裂解环境。高温气体发生装置可以选用燃气加热装置，燃气加热装置燃烧燃气，持续加热蓄热体3，使蓄热体3内的空气温度维持在1000℃以上，即蓄热体3的温度维持在900℃；还可以选用电加热板，电加热板连接在蓄热体3上，电加热板贴合在蓄热体3的两个相对壁面上，电加热板的加热温度维持在1200℃左右，以保证裂解温度达到900℃，进而裂解含焦油的燃气；依靠陶瓷体的蓄热能力，可维持蓄热体3内温度恒定在900℃以上。

蜂窝陶瓷体的工作原理是高温流体和低温流体交替流过蓄热体进行热量交换。具体表现为，当高温流体流过蓄热体时，高温流体把自身的热量传给蓄热体，同时蓄热体的温度升高，即高温流体的显热热量被存储至蓄热体。当低温流体流过蓄热体时，低温流体从蓄热体获得热量，同时蓄热体冷却温度降低。这两个加热和冷却过程循环往复、形成一个非稳态的传热过程。

将生物质气化后的含有焦油的燃气、低阶煤烟气等由裂解气入口2通入蜂窝陶瓷体，蜂窝陶瓷体相当于多孔介质裂解器，燃气中存在的少量焦油在高温状态下(900℃以上)发生裂解反应，化学链断裂，形成CO、H₂、CH₄、小分子碳氢化合物等可燃气体，裂解后的燃气由裂解气出口4排出。

蜂窝陶瓷材料质量轻，体积小，比表面积大，耐磨损、耐高温，裂解气管路5与高温气体管路6相互垂直且为直通道结构；现有的陶瓷球材料，陶瓷球材料组成的蓄热体3的空隙通道不规则，长期使用后易粘渣，导致流动阻力大，相对于陶瓷球材料，蜂窝陶瓷体的气流阻力非常小，提高余热回收率。裂解气管路5设为相互平行的直通道，高温气体管路6也设为相互平行的直通道，裂解气管路5和高温气体管路6的截面主要有圆形、三角形、正方形和正六边形等格孔结构，正方形格孔更有利于单位体积换热面积的提高。裂解气管路5和高温气体管路6的截面选用三角形、正方形或正多边形结构时，相邻两个内壁面的连接边进行倒角，防止烟尘在连接边处堆积，也减小连接边对气体流动的阻力，加快气体流动。

蜂窝陶瓷体在壳体1内设有若干个，且相互无缝连接，即蓄热体3由若干个蜂窝陶瓷体无缝拼接堆叠而成，根据蓄热体3体积、裂解气体流量选择蜂窝陶瓷体的多少及堆叠方式，既能充分利用壳体1内空间，节省占地空间，又能充分利用高温气体的热量。

壳体1上包覆有保温层，保温层材料选用岩棉保温毡、硬质聚氨酯、珍珠岩材料等耐高温的保温材料，既能减少热量的散失，又能防止高温烫伤工作人员，还能减小火灾发生的概率，提高设备的安全性能。

本发明提供的新型焦油裂解装置，使得烟气中大部分焦油在900℃的高温环境中发生反应，最终烟气中的焦油全部转换为可燃气体，即将生物质在气化过程中产生的焦油转换为可燃气体，增加可燃气体产量，进而提高了生物质的再利用率。而且燃气中无焦油，二氧化碳被充分还原，提高了燃气热值也避免了焦油对环境的二次污染。

为验证本发明新型焦油裂解装置的工作效率，进行以下试验进行验证。

试验材料：矩形罐体，蜂窝陶瓷体(孔隙率0.51)，蜂窝陶瓷体(孔隙率0.57)，蜂窝陶瓷体(孔隙率0.64)，陶瓷球(粒径10mm)，生物质裂解气，热电偶(最大量程1200℃)。

试验方案：

(1)燃气加热装置，燃气加热装置加热的热空气进入矩形罐体的流动速度为1.0m/s；

(2)热电偶检测到蜂窝陶瓷内的温度维持在900℃时，裂解气入口通入待处理的烟气；

(3)待处理的烟气在进入裂解气管路前，测量气体中的H₂、CO、CH₄、C_nH_m、CO₂和焦油的含量，并且检测燃气热值；

(4)待处理的烟气在裂解气管路内高温裂解后检测气体中的H₂、CO、CH₄、C_nH_m、CO₂和焦油的含量，并且检测燃气热值；

(5)每组试验至少重复5次，进行数据处理，去除最高和最低数据组，求解平均值。

试验过程：待处理的烟气进入裂解气管路前测量其H₂、CO、CH₄、C_nH_m、CO₂和焦油的含量以及烟气热值，测量完毕；待处理的烟气通入裂解气管路内，反应稳定后，每间隔10min采样，经冷凝净化后采用气体分析仪进行分析。

试验结论：试验得出，不同孔隙率蜂窝陶瓷体对处理效果影响：随着孔隙率增大，气体产物中的焦油含量不断降低，气体产率逐渐上升，通过进一步对气体成分的分析，表明气体中增加的组分主要是H₂和CO。而CO₂、CH₄和C_nH_m成分则随着孔隙率增大而减少，整体热值上升。这是因为当蓄热体孔型和蓄热体横截面积一定时，随着孔隙率增大，蓄热体的当量直径也会增加，从而使蓄热体内高温气体的流通性能增强，进而使蓄热体的蓄高温能力增强，提高裂解效率。

待处理的烟气裂解前后成分对比，具体参照下表：

表1烟气成分对比表

烟气经过充满陶瓷粒的管路裂解反应的焦油含量、烟气热值均小于经过蜂窝陶瓷体内的裂解气管路反应的烟气，并且通过以上试验数据证明，蜂窝陶瓷体的裂解效率高于陶瓷粒催化裂解的裂解效率，因而，应用蜂窝陶瓷体进行烟气裂解相对于现有的陶瓷球等材料，裂解效率提高，节约成本，提高产值，应用前景广阔，是催化裂解开发研究的一个新方向。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。