一种垃圾焦油催化裂解催化剂活性测试的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及催化裂解催化剂活性的测试技术领域，尤其涉及的是一种垃圾焦油催化裂解催化剂活性测试的装置及其方法。
【背景技术】
[0002]随着我国城市建设的发展和居民生活水平的提高，城市生活垃圾产量与日倶增。这些垃圾不但污染环境和破坏城市景观，而且还传播疾病、威胁人们的生命安全。
[0003]生活垃圾所造成的生态环境污染已成为一个社会问题，对其进行减量化、无害化和资源化处理，既是人类环境保护的需要，也是社会发展对有价值物质回收利用的需要。
[0004]垃圾气化处理是实现垃圾减量化、无害化和资源化综合利用的重要技术。垃圾在气化过程中，因部分原料的不完全裂解而产生一些高分子有机物，即焦油。所谓焦油是指垃圾或生物质气化过程所产生的分子量大于苯(分子量为78)而存在于可燃气中的碳氢化合物。焦油是生物质气化中不可避免的副产物。
[0005]为减少可燃气中焦油的含量，国内外研究人员进行了大量的研究，其中催化裂解被认为是消除焦油最具有潜力的技术。
[0006]当前采用的焦油裂解催化剂虽然能在很大程度上减少气相产物中焦油的含量，但大多数催化剂都存在着容易失活或价格昂贵等缺点，需经常性的更换催化剂，不但增加了垃圾处理成本，而且使垃圾处理装置不能连续稳定的运行，所以寻找一种合适的催化剂和设计一个正确的反应器对垃圾焦油裂解工艺来说非常重要。
[0007]催化剂的活性是指在给定的温度、压力和反应物流速(或空间速度)下，反应物转化为产物的能力。
[0008]测定催化剂裂解垃圾焦油活性最直接的方法就是对催化裂解反应器的进口和出口的焦油含量进行测定，就可以计算出催化剂的活性。
[0009]目前对焦油采样大体有二类方法:冷捕集方法(C.T)和固相吸收法(S.P.A)。冷态捕集方法是指利用低温和溶剂吸收焦油，常用的溶剂有丙酮、甲醇、二氯甲烷和甲苯等等。固相吸收方法是指利用固体吸附剂，例如各种材质的纤维和其他吸附剂，吸收焦油。
[0010]对于化学反应器设计一般要求联立求解4类基本方程组:I，物料衡算方程组;2，反应动力学方程组;3，能量衡算方程组;4，动量衡算方程组。在实际工作中很少同时求解4类方程组，而是针对不同的催化剂和反应物系统进行简化。但是，I和2方程组通常是不能少的。对微型反应器，方程组4可省略，对于等温反应器，则方程组3可省略。
[0011]在化学反应动力学研究领域存在着两种观点。一种是反应动力学具体化的观点，即试图通过化学分析的手段对有机物热裂解的详细反应过程进行剖析，研究有机物的所有化学成分及其在热裂解过程中的反应，通过对分过程的认识来达到对总体过程的理解。这种研究思想很快就被一些研究结果证明是不现实的。另一种是反应动力学表观化的观点，由于微观研究的不现实性，表观反应动力学成为近几年来有机物热裂解过程研究的主要方向，其主要研究思想是寻求表观动力学模型，而不关注其中的详细反应机理。
[0012]例如西南科技大学将裂解气相色谱-质谱仪应用于生物质焦油的组成分析。
[0013]生物质焦油样品首先被送入裂解器，在设定的温度下快速裂解成各种能够反映焦油特性的小分子挥发性产物，这些小分子产物被载气(通常为氦)带入色谱柱进行分离，并依次进入质谱系统，然后通过这些裂解产物的质谱数据进行结构鉴定，最后得到生物质焦油的组成成分。
[0014]将热裂解技术与气相色谱质谱法联用，对分析复杂的有机物具有较大的优越性。但是，由于垃圾成分及其在热作用下的反应机理十分复杂，要从微观角度全面描述反应过程所包含的众多物理化学过程是十分困难的。为了获得相对简单的反应模型，用于指导实际应用，通常用表观动力学特性来解释反应过程的规律。
[0015]有机质在隔绝空气或少量空气条件下受热会分解为三种形态的物质，一部分是常温下不凝结的简单气体，如C0、H2、C02和CH4等；另一部分则在常温下会凝结的液体，其中包括水和各种较大分子的烃类物质，称之为焦油。剩余部分为固定碳和灰分。由于垃圾或生物质在不同的温度条件和加热速度下，可以沿不同的路线分解，形成产物和组成比例非常不同的物质，因此生物质原料的热分解成分不具备唯一性。
[0016]因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
【发明内容】
[0017]本发明所要解决的技术问题是:提供一种可以正确地测定催化剂的活性和动力学参数，优选合适的催化剂对垃圾焦油进行催化裂解。
[0018]本发明的技术方案如下:提供一种垃圾焦油催化裂解催化剂活性测试的装置，包括顺序连接的空气压缩机、空气过滤器、空气流量控制器、气化炉、催化反应器、冷却器、过滤器、氢气浓度检测器、一氧化碳浓度检测器、二氧化碳浓度监测器、甲烷浓度检测器和乙烷以上烃类浓度检测器;其中，气化炉内装有用于热裂解的垃圾或生物质，催化反应器内装有用于对垃圾焦油进行催化裂解的催化剂颗粒;并且，气化炉和催化反应器内分别设置有温度控制器。
[0019]应用于上述技术方案，所述的装置中，催化反应器内催化床及催化床前后的惰性物料的填充长度与催化剂颗粒的当量直径之比I 100。
[0020]应用于各个上述技术方案，所述的装置中，催化反应器内装有的催化剂颗粒若为活性组分不均匀分布的颗粒则保留其活性组分原始分布的催化剂颗粒，若为活性组分呈均匀分布的颗粒则粉碎到30-40目的催化剂颗粒。
[0021 ]应用于各个上述技术方案，所述的装置中，催化反应器内还装有催化剂稀释颗粒，或者，选择使用与反应物和产物不起化学反应作用的惰性气体稀释气体。
[0022]应用于各个上述技术方案，所述的装置中，催化反应器中催化床层直径与催化剂颗粒当量直径比之2 8。
[0023]应用于各个上述技术方案，一种垃圾焦油催化裂解催化剂活性测试的方法，包含如下步骤:A:在气化炉中加入要热裂解的垃圾或生物质，并在催化反应器中加入催化剂颗粒，对气化炉进行加热使垃圾或生物质产生气化焦油，使气化焦油进入催化反应器内，通过催化反应后的气体分别进行冷却和过滤;B:分别检测催化反应后的气体中氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和乙烷以上烃类的浓度;C:计算每一瞬间催化反应产生的氢气、一氧化碳、甲烷和烃类的浓度减去空白或惰性载体热裂解所产生这些气体的浓度，求出每一瞬间催化剂颗粒催化焦油裂解所产生的各气体净产量;D:利用热量方程式计算其热值，累计这些瞬间热值，即为催化剂颗粒对焦油裂解的贡献，并将瞬间热值除以累计热值，得到焦油裂解反应进程随时间的变化曲线；其中，热量方程式为:H = 285.8*Y氢气+ 283.0*Υ^植+ 890.3*Y甲焼+ 1558.3*Yg，其中，H为热量(千焦)，Y氛气为氢气的摩尔数，Ynf墟为氧化碳的摩尔数，YWi为甲烷的摩尔数，Yg为乙烷以上烃类的摩尔数;E:对反应进程一一时间曲线进行曲线拟合，并对其微分，得到焦油裂解转化率，再取转化率为10%—80%之间的进行加权平均值Mf均;其中:Μ.= [ (dx/dt)/(l-x)]；F:据焦油裂解动力学总包一级反应方程:dx/dt =K (l-χ);以及根据化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式:k=A*exp(-Ea/RT)，其中，k为化学反应速率常数，I/秒;R为摩尔气体常量，8.314 J/(mol.K);T为绝对温度，K;Ea为表观活化能，J/mol;A为指前因子;从而可以得到催化剂的表观活化能Ea和指前因子Α。
[0024]应用于各个上述技术方案，所述的方法中，步骤A中:使催化反应器内催化床及催化床前后的惰性物料的填充长度与催化剂颗粒的当量直径之比2 100。
[0025]应用于各个上述技术方案，所述的方法中，步骤A中:催化反应器内装有的催化剂颗粒为若活性组分不均匀分布的则保留其活性组分原始分布的催化剂颗粒，或者若为活性组分呈均匀分布的则粉碎到30-40目的催化剂颗粒。
[0026]应用于各个上述技术方案，所述的方法中，步骤A中:还对催化反应器内的催化剂进行稀释，或者，还对催化反应器内的反应物进行稀释。
[0027]应用于各个上述技术方案，所述的方法中，步骤A中:使催化反应器中催化床层直径与催化剂颗粒当量直径之比I 8
采用上述方案，本发明通过测试装置的结构，在线测定有机物在规定条件下产生的热裂