專利名稱：生物質離子催化裂解氣化的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及含纖維素物料或固態(tài)原物料加熱的氣化方法裝置，特別是涉及一種用于含纖 維素物料或固態(tài)原物料(生物質物料)催化加熱產(chǎn)牛燃氣的方法及裝置。
背景技術：
含纖維素物料或固態(tài)原物料(生物質物料)熱氣化是人們利用和開發(fā)自然能源的方法， 它以植物纖維、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)秸稈或有機廢棄物為燃料，在缺氧狀態(tài)下燃燒，產(chǎn)生以CO、 H2、 CH4為主要成份的可燃性氣體，在石油煤炭資源逐漸減少的今天開始受到人們的重視，目前 所見的氣化裝置(爐)產(chǎn)品眾多，形狀、結構各異，各有優(yōu)點，但共同存在的問題是產(chǎn)出的 燃氣熱值低，燃氣中含焦油、水份較多，低溫時容易凝結成粘稠的液體，堵塞輸氣管道和灶 具，影響氣化爐的正常運行，還浪費了焦油可以生產(chǎn)的部分能源，這樣就增加了生物質氣化 的成本。
在發(fā)現(xiàn)原先涉及的生物質物料熱氣化裝置的缺點以后人們對其又進行了改進，主要是解 決焦油分離和回收問題，有的將分離出來的焦油回收以后導入爐體內(nèi)的高溫區(qū)與水蒸氣發(fā)生 反應生成一氧化碳和氫氣，有的將焦油進行裂化，有的還加入催化劑，例如公開的中國專利 報道的生物質熱氣化裝置如下-
1、 申請?zhí)?0101428.5，名稱熱裂解除焦生物質氣化爐，公開(公告)號CN1303905
申請(專利權)人中國科學技術大學，地址安徽省合肥市金寨路96號，發(fā)明(設計)人 朱錫鋒，摘要本發(fā)明涉及農(nóng)作物廢棄物處理利用及由固態(tài)含碳物料生產(chǎn)燃氣的設備制造。 它包括現(xiàn)有固定床下吸式氣化爐的爐體、爐排，上料口、配風口、排渣口、燃氣出口等，其 特征在于爐排下方設有設置有一個燃氣氣流迂回流道。也能夠在爐底上增設裂解催化床，本 發(fā)明強迫燃氣流在流道中緩行，延長了燃氣在高溫環(huán)境中的停留吋間，使燃氣中的部分焦油 被裂解。在設置催化床的情形下，其裂解反應更為充分，進一步提高了焦油裂解率、氣化效 率和燃氣熱值。
2、 申請?zhí)?00720103902.3名稱 一種多功能生物質氣化裝置，公開(公告)號 CN201031216申請(專利權)人華北電力大學，地址北京市德勝門外朱辛莊華北電力大學 發(fā)明(設計)人董長青;楊勇平;朱榜榮;徐二樹;張俊姣，摘要 一種多功能生物質氣化裝置。
由爐體、焦油催化裂解裝置、產(chǎn)品氣凈化器和儲氣罐構成。在爐體的外腔內(nèi)固定內(nèi)膽，內(nèi)膽下部為倒方臺/圓臺，爐柵下面為灰室，其側面設有一排渣口。氣化裝置有兩套配風系統(tǒng)， 可根據(jù)不同的生物質原料選擇上吸或下吸式進行工作，得到的產(chǎn)品氣進入焦油催化裂解裝置 進行除焦處理，經(jīng)凈化后可送至儲氣罐，或直接送給用戶使用。該氣化爐具有結構簡單，安 仝可靠等特點，適用于多種類的生物質燃料，可廣泛使用于生物質資源豐富的地區(qū)。
3、 申請?zhí)?00510037835. 5名稱復合式生物質氣化爐及熱裂解裝置公開(公告)號 CN1664066申請(專利權)人許慶華，地址江蘇省淮安市盱眙縣盱城鎮(zhèn)沙崗村石橋路5-1
號發(fā)明(設計)人許慶華，摘要 一種復合式生物質氣化爐及熱裂解裝置，其技術方案的 要點是由二座生物質氣化爐、四套U型催化器、催化劑、 一臺鼓風機和風量調節(jié)器組成。 當氣化爐產(chǎn)氣后，進入催化劑中，參加第一次熱裂解，通過鼓風機的風量調整， 一部分燃氣 氣流，進入氣化爐中的催化劑，參加第二次熱裂解，隨新產(chǎn)生的燃氣氣流，再次進入催化劑， 參加第三次熱裂解，另一部分燃氣氣流，輸入氣化爐的催化劑中，參加第四次熱裂解，并進 入上部的催化劑，進行第五次熱裂解，因此，焦油得到了充分的熱裂解。本發(fā)明制作生產(chǎn)成 本低廉、使用方便，焦油裂解率、氣化率、燃氣熱值在原基礎上得到了較大的提高。
4、 申請?zhí)?00720033297. 7名稱 一種固體生物質內(nèi)燃式低壓熱裂解氣化爐，公開(公 告)號CN200992537，申請(專利權)人合肥天焱綠色能源開發(fā)有限公司，地址安徽省合 肥市廬陽區(qū)大楊鎮(zhèn)林業(yè)科技園，發(fā)明(設計)人劉勇；陳楓;李家民；王家俊，摘要 一種
內(nèi)燃式低壓熱裂解氣化爐是一臺臥式壓力容器，進、出料口位于爐體的兩端，使生物質原料 在爐內(nèi)有足夠的滯留時間使反應完全，帶葉片的軸向攪拌推進器將物料自進料端推向出料
端，燃燒的混合燃氣提供溫度400 800'C和壓力0.5 4Kg/cra2，通過調節(jié)燃氣和壓縮空氣的 混合比控制溫度，通過調壓閥控制壓力。原料在不完全燃燒和逐步攪拌推移過程中被連續(xù)不 斷地熱解和干餾，生成含焦油和C02的氣相和炭，炭催化裂解焦油生成可燃的碳氫化合物， 同吋還原C02生成C0，可燃氣體最后由出氣口引入貯氣柜，灰渣自排渣門排出。
上述公開的生物質熱氣化裝置也還存在一些不足之處，主要是熱量利用還不夠充分，催 化裂解過程催化劑的作用未能夠充分發(fā)揮，氣化層反應溫度還不夠高， 一般在80(TC左右， 按照有機物氣化的熱值效率還有較多上升空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服現(xiàn)有生物質熱氣化裝置存在的不足之處，進一步提 高生物質氣化氣的氫氣含量、熱值以及減少焦油含量，能夠充分利用熱量的生物質氣化的方 法及裝置。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供的技術方案是
生物質離子催化裂解氣化的方法是在生物質加熱過程中，通過在熱氣化爐的燃燒室內(nèi)涂 覆稀土層和加入催化劑并安裝波頻發(fā)射器進行催化反應；所述的稀土層是鑭系的15個元素其中一種或多種的稀土氧化礦或稀土硝酸鹽；所述的波頻發(fā)射器是微波；所述的催化劑是焦 油裂解催化劑。
根據(jù)以上生物質離子催化裂解氣化的方法設計的氣化裝置，包括爐體、進料口、氣化氣 (燃氣)出口、氣化室、燃燒室、配風口、爐排和排渣口，其特點是爐體為雙層結構，內(nèi) 部設有反向熱交換器，爐體頂部有進料裝置，上部是預熱干燥段，中部是預還原段，下部是 還原段，燃燒室在還原段內(nèi)，位于爐排的上方，爐排為換熱式爐排，爐排底部是排渣口，爐 壁內(nèi)有稀土耐火泥層，燃燒室內(nèi)設有催化裂解器，燃燒室內(nèi)的爐壁上設有波頻發(fā)射器。
以上所述的反向熱交換器，是在將爐壁的外層設冷空氣進口管，內(nèi)部是燃氣出口通道， 冷空氣(或氧氣)從爐體的氣化室上端進入，與高溫的燃氣出口通道的熱量進行熱交換，然 后通入爐體下部的換熱式爐排，再進入燃燒室；換熱式爐排是將爐排做成管狀結構，管內(nèi)是 落灰口以及氣化氣通道，管間是冷空氣或氧氣通道，生物質燃料燃燒后的灰塵從管內(nèi)落到爐 底的儲灰室，冷空氣(或氧氣)進入爐排的管間換熱后導入燃燒室。
以上所述的催化裂解器是放置有催化劑的篩網(wǎng)，所述的催化劑可以選用白云石、橄欖石、 黏土礦石、堿金屬化合物、氧化鈣、LZ-Y82和Ni-3、 RNCe02/Si02復合催化劑，也可以是鐵、 鎳、鎘或鉻為主要成分的金屬和金屬高價氧化物，如四氧化三鐵。催化劑的原理是將焦油中 的有機碳轉變成一氧化碳和氫氣，進一步將一氧化碳轉變成氫氣。具體元素成分和含量在公 開文獻有較多報道，例如同濟大學材料科學與工程學院的楊修春、韋亞南、李偉捷發(fā)表的文 章"焦油裂解用催化劑的研究進展"《化工進展.2007， 26(3),326-330》分析了不同催化劑 的優(yōu)缺點及催化機理，討論了催化劑的組成、結構以及催化裂解條件對催化效果的影響。
以上所述的波頻發(fā)射器是微波，發(fā)射器安裝在燃燒室的爐壁上，根據(jù)爐子大小，發(fā)射器 可以是一至若干個，頻率為915兆赫和2450兆赫，發(fā)射頭對準催化裂解器。
以上所述的稀土耐火泥層是將耐火泥與5-15%的稀土氧化礦或稀土硝酸鹽混合后涂抹在 爐體下部的燃燒室爐壁內(nèi)，所述的稀+氧化礦或稀土硝酸鹽是含有鑭系的15個元素的耐火 泥，包括鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、軋、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧和釔的其中 一種或多種的稀土氧化礦或稀土硝酸鹽，耐火泥采用偏堿性的高鋁質粘土型原料。
本發(fā)明的氣化氣出口有兩個通道，大部分從爐排管內(nèi)下到儲灰室，經(jīng)過反向熱交換器出 去；少部分從爐體的預熱干燥段引出，與反向熱交換器出口的氣體混合后接到氣體凈化器， 然后進入工業(yè)或民用燃氣儲罐。
本發(fā)明的生物質離子催化裂解氣化裝置工作原理是
在氣化過程中，生物質原料從氣化爐頂部加入，經(jīng)過交換的熱空氣(或氧氣)從底部氣 口通入，在高溫和催化劑的作用下，生物質原料轉變成CO、 H2 、 CH4的混合物， 一氧化碳 再與水反應，轉化成二氧化碳及制造更多的氫氣。產(chǎn)生的氣化氣從氣化爐膛下部引出。為了提高生物質氣化氣的氫氣含量、熱值以及減少焦油含量， 一種有效的辦法是在氣化過程中提 高氣化介質的溫度，并加入金屬氧化物催化劑，另外由于安裝波頻發(fā)射器以及爐壁涂抹了稀 土耐火泥，催化劑在微波、稀土作用下和加熱的條件產(chǎn)生強的熱輻射，大大提高生物質氣化 率。
為什么爐壁涂抹了稀土耐火泥能夠使生物質原料在燃燒狀態(tài)下能產(chǎn)生高溫呢，本發(fā)明人 認為是稀土在微波作用下激發(fā)離子，提高催化劑的效果，《稀土離子的光譜學——光譜性質 和光譜理論》作者張思遠(科學出版社，ISBN: 9787030212634， 7030212630)的書中提 到稀土離子的光譜發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)一個世紀，在1906年，Becquerel研究礦石的光譜時就發(fā)現(xiàn) 一種含稀土和過渡元素的礦石中有一種特別尖銳的光譜線，這種光譜線和氣體化學元素的吸 收和發(fā)射線相似，但是還沒有認識很充分，直到1913年Bohr的原子理論，1926年的量子力 學和1929年Bethe的晶體場理論以及Condon—Shortley的原子光譜理論出現(xiàn)后人們才能利 用這些基礎理論深入地研究稀土元素的這種新鮮的光譜現(xiàn)象，后來人們已經(jīng)可以利用化學方 法合成已知組分的人造晶體，開展了廣泛的光譜研究工作，通過各國科學家的努力終于確認 在晶體屮稀土離子的這種銳線型的吸收光譜是來自稀土離子4f殼層內(nèi)的禁戒躍遷，近年來 人們利用微波技術和順磁共振技術，可以洋細研究稀土離子的基態(tài)能級在磁場中產(chǎn)生的 Zeeman分量，利用光譜儀器研究較高能級的信息，再加上Slater原子結構理論和Racah復 雜光譜理論的出現(xiàn)，得到了很多稀土的研究成果。本發(fā)明人由此得到啟示，在爐子的燃燒室 同時有稀土、微波和催化的作用下，激發(fā)離子使生物質原料的氣化更為充分。
以下再敘述生物質離子催化裂解氣化裝置具體各個部件的作用如下
(1) 催化裝置，在爐體內(nèi)爐柵的上部設置催化氣化裝置，當生物質氣化氣通過催化劑 裝置時，催化劑通過產(chǎn)生熱輻射加強了氣化有機物能力，同時發(fā)生焦油裂解反應和氣體的催 化重整反應，使氣化質量得以改善。
(2) 波頻發(fā)射器，通過定向發(fā)射所設定的微波，在爐內(nèi)加熱的條件下，爐壁上的稀土 耐火泥及催化劑發(fā)出共振而促進熱輻射，微波激化離子輻射和加催化劑氣化以及稀土的離子 化，有效裂解碳鏈，提高氣化率。
(3) 氣化介質與爐壁的反向熱交換器。氣化介質(空氣或氧氣)從反向熱交換器進氣 口進入，在與高溫氣化氣進行熱交換，使生物質熱氣化的溫度提高，改善生物質氣化工況。
(4) 設計換熱式爐排，氣化氣體經(jīng)過爐排向下出氣，能夠使出灰不容易堵塞，反向熱 交換器預熱的空氣或氧氣進一步從爐排的高溫熱加熱，將高溫空氣或氧氣送入燃燒室。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是由于爐壁內(nèi)有稀土耐火泥層，燃燒室內(nèi)設有催 化裂解器，燃燒室內(nèi)的爐壁上設有波頻發(fā)射器和稀土耐火層，波頻激化離子輻射和加催化劑 氣化以及稀土的離子化，可以實現(xiàn)大大提高生物質熱氣化的溫度；設計反向換熱器，能夠回收出口氣體的部分熱量；使用換熱式爐排，能夠使出灰不容易堵塞，也能夠使爐排的高溫熱 得到有效的利用，提高熱效率。此外，整個設備的熱能損耗降低到底位極限，因而節(jié)省了外 熱源，降低了生物質氣化制燃料氣的成本，同時改善了氣化爐裝置的應用效果和擴大了應用 范圍，如可用于生物質催化制氫等。


圖1是本發(fā)明生物質離子催化裂解氣化裝置的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明離子催化裂解氣化裝置，包括爐體，爐體由稀土耐火泥層7及保溫 8及鋼體結構構成。爐體的頂部有一螺旋加料裝置15，上部側面有一排氣管(出氣口) 11， 爐壁上設有測溫孔管13，爐體內(nèi)設置有氣化介質、波頻發(fā)射器16和催化氣化室4，其中氣 化介質提溫交換缸與10分散在爐底和爐壁外側，催化氣化室4設于爐體內(nèi)爐排2的上方， 波頻發(fā)射器16設在燃燒室爐壁中，連接外部電路。反向熱交換器10都與進氣口 12和出氣 口11連接，并內(nèi)側進氣口 6和出氣口 17連通。催化氣化裝置4設在燃燒室中間，為具有一 定密度的篩網(wǎng)18，篩網(wǎng)18里放置催化劑，催化劑可以是白云石、橄欖石、黏土礦石、堿金 屬化合物、氧化鈣、LZ-Y82和Ni-3、 RNCe02/Si02復合催化劑，也可以是鐵、鎳、鎘或鉻為 主要成分的金屬和金屬高價氧化物。
爐體頂部安裝螺旋進料裝置15和料位測量桿14，上部的預熱干燥段設有上出氣口 20和 壓料爪9，生物質原料由螺旋進料裝置15進入氣化爐內(nèi)，首先將攜帶的水分蒸發(fā)；再發(fā)生熱 解反應，產(chǎn)生固定碳，氫氣， 一氧化碳等氣體，還有一部分焦油；氣化劑(空氣或氧氣)經(jīng) 流量計計量后，從進氣口12進入，經(jīng)過反向熱交換氣10與出氣換熱，然后從爐子下部的換 熱式爐排2進一步提高溫度后進入氣化爐內(nèi)，與生物質分解產(chǎn)物發(fā)生氧化反應，放出熱量； 生物質氣化氣發(fā)生蒸汽重整反應，使反應氣中的氫氣含量提高；生物質氣化氣經(jīng)過催化劑裝 置時發(fā)生焦油裂解反應，使反應氣中的氫氣含量提高和焦油減少；產(chǎn)生的較潔凈的燃料氣經(jīng) 過排氣管ll流出，燃氣中攜帶的灰渣經(jīng)重力作用落入灰室19，灰渣自動從排渣口l排出。
爐子下部設有點火頭3 (電子打火)，在初次使用爐子時，將燃氣從點火管5導入，生物 質原料通過螺旋進料裝置15進入，壓料爪9將原料送到燃燒室，點燃后即可送風工作。
本發(fā)明的生物質離子催化裂解氣化裝置在燃燒室燃燒的溫度可以達到800 — 100(TC，而 現(xiàn)有公開的生物質熱氣化裝置只有不到80(TC，燃燒效率得到大幅度的提升，焦油幾乎在燃 燒室全部轉化，出氣的焦油含量減少到最低程度，經(jīng)過本發(fā)明人試驗后計算，平均l千克生 物質原料能夠產(chǎn)生0.8 —L3i^氣化氣，氣化氣巾的可燃性成分(CO、 H2 、 CH4)占20 —32 %，生物質原料轉化率為85%以上，而現(xiàn)有公開的生物質熱氣化裝置轉化率只有不到65%。
權利要求
1、一種生物質離子催化裂解氣化的方法，其特征在于在生物質加熱過程中，通過在熱氣化爐的燃燒室內(nèi)涂覆稀土層和加入催化劑并安裝波頻發(fā)射器進行催化反應；所述的稀土層是鑭系的15個元素其中一種或多種的稀土氧化礦或稀土硝酸鹽；所述的波頻發(fā)射器是微波；所述的催化劑是焦油裂解催化劑。
2、 如權利要求l所述的生物質離子催化裂解氣化的方法采用的裝置，包括爐體、進料 口、氣化氣出口、氣化室、燃燒室、配風口、爐排和排渣口，其特征在于爐體為雙層結構， 內(nèi)部設有反向熱交換器，爐體頂部有進料裝置，上部是預熱干燥段，中部是預還原段，下部 是的還原段，燃燒室在還原段內(nèi)，位于爐排的上方，爐排為換熱式爐排，爐排底部是排渣口， 爐壁內(nèi)有稀土耐火泥層，燃燒室內(nèi)設有催化裂解器，燃燒室內(nèi)的爐壁上安裝有波頻發(fā)射器。
3、 根據(jù)權利要求l所述的生物質離子催化裂解氣化裝置，其特征在于所述的反向熱 交換器，是在將爐壁的外層設冷空氣或氧氣進口管，內(nèi)部是燃氣出口通道。
4、 根據(jù)權利要求l所述的生物質離子催化裂解氣化裝置，其特征在于所述的換熱式 爐排是將爐排做成管狀結構，管內(nèi)是落灰口以及氣化氣通道，管間是冷空氣或氧氣通道。
5、 根據(jù)權利要求l所述的生物質離子催化裂解氣化裝置，其特征在于所述的催化裂 解器是放置有焦油裂解催化劑的篩網(wǎng)。
6、 根據(jù)權利要求1所述的生物質離子催化裂解氣化裝置，其特征在于所述的波頻發(fā) 射器是微波，發(fā)射器安裝在燃燒室的爐壁上，發(fā)射器是一至若干個，發(fā)射頭對準催化裂解器。
7、 根據(jù)權利要求l所述的生物質離子催化裂解氣化裝置，其特征在于所述的稀土耐 火泥層是將耐火泥稀土氧化礦或稀土硝酸鹽混合后涂抹在爐體下部的燃燒室爐壁內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于生物質離子催化裂解氣化的方法及裝置，它包括爐體、進料口、氣化氣出口、氣化室、燃燒室、配風口、爐排和排渣口，其特點是爐體為雙層結構，內(nèi)部設有反向熱交換器，爐體頂部有進料裝置，上部是預熱干燥段，中部是預還原段，下部是的還原段，燃燒室在還原段內(nèi)，位于爐排的上方，爐排為換熱式爐排，爐排底部是排渣口，爐壁內(nèi)有稀土耐火泥層，燃燒室內(nèi)設有催化裂解器，燃燒室內(nèi)的爐壁上安裝有波頻發(fā)射器。整個設備的熱能損耗低，氣化效果好，氣化氣中的可燃性成分占20-32％，生物質原料轉化率為85％以上。
文檔編號C10B53/00GK101434846SQ200810073980
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月15日 優(yōu)先權日2008年12月15日
發(fā)明者黃榮勝 申請人:黃榮勝