一種垃圾焦油催化裂解催化劑活性測(cè)試的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及催化裂解催化劑活性的測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及的是一種垃圾焦油催化裂解催化劑活性測(cè)試的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展和居民生活水平的提高，城市生活垃圾產(chǎn)量與日倶增。這些垃圾不但污染環(huán)境和破壞城市景觀(guān)，而且還傳播疾病、威脅人們的生命安全。
[0003]生活垃圾所造成的生態(tài)環(huán)境污染已成為一個(gè)社會(huì)問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行減量化、無(wú)害化和資源化處理，既是人類(lèi)環(huán)境保護(hù)的需要，也是社會(huì)發(fā)展對(duì)有價(jià)值物質(zhì)回收利用的需要。
[0004]垃圾氣化處理是實(shí)現(xiàn)垃圾減量化、無(wú)害化和資源化綜合利用的重要技術(shù)。垃圾在氣化過(guò)程中，因部分原料的不完全裂解而產(chǎn)生一些高分子有機(jī)物，即焦油。所謂焦油是指垃圾或生物質(zhì)氣化過(guò)程所產(chǎn)生的分子量大于苯(分子量為78)而存在于可燃?xì)庵械奶細(xì)浠衔?。焦油是生物質(zhì)氣化中不可避免的副產(chǎn)物。
[0005]為減少可燃?xì)庵薪褂偷暮?，?guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的研究，其中催化裂解被認(rèn)為是消除焦油最具有潛力的技術(shù)。
[0006]當(dāng)前采用的焦油裂解催化劑雖然能在很大程度上減少氣相產(chǎn)物中焦油的含量，但大多數(shù)催化劑都存在著容易失活或價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，需經(jīng)常性的更換催化劑，不但增加了垃圾處理成本，而且使垃圾處理裝置不能連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，所以尋找一種合適的催化劑和設(shè)計(jì)一個(gè)正確的反應(yīng)器對(duì)垃圾焦油裂解工藝來(lái)說(shuō)非常重要。
[0007]催化劑的活性是指在給定的溫度、壓力和反應(yīng)物流速(或空間速度)下，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的能力。
[0008]測(cè)定催化劑裂解垃圾焦油活性最直接的方法就是對(duì)催化裂解反應(yīng)器的進(jìn)口和出口的焦油含量進(jìn)行測(cè)定，就可以計(jì)算出催化劑的活性。
[0009]目前對(duì)焦油采樣大體有二類(lèi)方法:冷捕集方法(C.T)和固相吸收法(S.P.A)。冷態(tài)捕集方法是指利用低溫和溶劑吸收焦油，常用的溶劑有丙酮、甲醇、二氯甲烷和甲苯等等。固相吸收方法是指利用固體吸附劑，例如各種材質(zhì)的纖維和其他吸附劑，吸收焦油。
[0010]對(duì)于化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)一般要求聯(lián)立求解4類(lèi)基本方程組:I，物料衡算方程組;2，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程組;3，能量衡算方程組;4，動(dòng)量衡算方程組。在實(shí)際工作中很少同時(shí)求解4類(lèi)方程組，而是針對(duì)不同的催化劑和反應(yīng)物系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。但是，I和2方程組通常是不能少的。對(duì)微型反應(yīng)器，方程組4可省略，對(duì)于等溫反應(yīng)器，則方程組3可省略。
[0011]在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域存在著兩種觀(guān)點(diǎn)。一種是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)具體化的觀(guān)點(diǎn)，即試圖通過(guò)化學(xué)分析的手段對(duì)有機(jī)物熱裂解的詳細(xì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行剖析，研究有機(jī)物的所有化學(xué)成分及其在熱裂解過(guò)程中的反應(yīng)，通過(guò)對(duì)分過(guò)程的認(rèn)識(shí)來(lái)達(dá)到對(duì)總體過(guò)程的理解。這種研究思想很快就被一些研究結(jié)果證明是不現(xiàn)實(shí)的。另一種是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表觀(guān)化的觀(guān)點(diǎn)，由于微觀(guān)研究的不現(xiàn)實(shí)性，表觀(guān)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)成為近幾年來(lái)有機(jī)物熱裂解過(guò)程研究的主要方向，其主要研究思想是尋求表觀(guān)動(dòng)力學(xué)模型，而不關(guān)注其中的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理。
[0012]例如西南科技大學(xué)將裂解氣相色譜-質(zhì)譜儀應(yīng)用于生物質(zhì)焦油的組成分析。
[0013]生物質(zhì)焦油樣品首先被送入裂解器，在設(shè)定的溫度下快速裂解成各種能夠反映焦油特性的小分子揮發(fā)性產(chǎn)物，這些小分子產(chǎn)物被載氣(通常為氦)帶入色譜柱進(jìn)行分離，并依次進(jìn)入質(zhì)譜系統(tǒng)，然后通過(guò)這些裂解產(chǎn)物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，最后得到生物質(zhì)焦油的組成成分。
[0014]將熱裂解技術(shù)與氣相色譜質(zhì)譜法聯(lián)用，對(duì)分析復(fù)雜的有機(jī)物具有較大的優(yōu)越性。但是，由于垃圾成分及其在熱作用下的反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜，要從微觀(guān)角度全面描述反應(yīng)過(guò)程所包含的眾多物理化學(xué)過(guò)程是十分困難的。為了獲得相對(duì)簡(jiǎn)單的反應(yīng)模型，用于指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，通常用表觀(guān)動(dòng)力學(xué)特性來(lái)解釋反應(yīng)過(guò)程的規(guī)律。
[0015]有機(jī)質(zhì)在隔絕空氣或少量空氣條件下受熱會(huì)分解為三種形態(tài)的物質(zhì)，一部分是常溫下不凝結(jié)的簡(jiǎn)單氣體，如C0、H2、C02和CH4等；另一部分則在常溫下會(huì)凝結(jié)的液體，其中包括水和各種較大分子的烴類(lèi)物質(zhì)，稱(chēng)之為焦油。剩余部分為固定碳和灰分。由于垃圾或生物質(zhì)在不同的溫度條件和加熱速度下，可以沿不同的路線(xiàn)分解，形成產(chǎn)物和組成比例非常不同的物質(zhì)，因此生物質(zhì)原料的熱分解成分不具備唯一性。
[0016]因此，現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，需要改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種可以正確地測(cè)定催化劑的活性和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，優(yōu)選合適的催化劑對(duì)垃圾焦油進(jìn)行催化裂解。
[0018]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:提供一種垃圾焦油催化裂解催化劑活性測(cè)試的裝置，包括順序連接的空氣壓縮機(jī)、空氣過(guò)濾器、空氣流量控制器、氣化爐、催化反應(yīng)器、冷卻器、過(guò)濾器、氫氣濃度檢測(cè)器、一氧化碳濃度檢測(cè)器、二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)器、甲烷濃度檢測(cè)器和乙烷以上烴類(lèi)濃度檢測(cè)器;其中，氣化爐內(nèi)裝有用于熱裂解的垃圾或生物質(zhì)，催化反應(yīng)器內(nèi)裝有用于對(duì)垃圾焦油進(jìn)行催化裂解的催化劑顆粒;并且，氣化爐和催化反應(yīng)器內(nèi)分別設(shè)置有溫度控制器。
[0019]應(yīng)用于上述技術(shù)方案，所述的裝置中，催化反應(yīng)器內(nèi)催化床及催化床前后的惰性物料的填充長(zhǎng)度與催化劑顆粒的當(dāng)量直徑之比I 100。
[0020]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的裝置中，催化反應(yīng)器內(nèi)裝有的催化劑顆粒若為活性組分不均勻分布的顆粒則保留其活性組分原始分布的催化劑顆粒，若為活性組分呈均勻分布的顆粒則粉碎到30-40目的催化劑顆粒。
[0021 ]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的裝置中，催化反應(yīng)器內(nèi)還裝有催化劑稀釋顆粒，或者，選擇使用與反應(yīng)物和產(chǎn)物不起化學(xué)反應(yīng)作用的惰性氣體稀釋氣體。
[0022]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的裝置中，催化反應(yīng)器中催化床層直徑與催化劑顆粒當(dāng)量直徑比之2 8。
[0023]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，一種垃圾焦油催化裂解催化劑活性測(cè)試的方法，包含如下步驟:A:在氣化爐中加入要熱裂解的垃圾或生物質(zhì)，并在催化反應(yīng)器中加入催化劑顆粒，對(duì)氣化爐進(jìn)行加熱使垃圾或生物質(zhì)產(chǎn)生氣化焦油，使氣化焦油進(jìn)入催化反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)催化反應(yīng)后的氣體分別進(jìn)行冷卻和過(guò)濾;B:分別檢測(cè)催化反應(yīng)后的氣體中氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和乙烷以上烴類(lèi)的濃度;C:計(jì)算每一瞬間催化反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣、一氧化碳、甲烷和烴類(lèi)的濃度減去空白或惰性載體熱裂解所產(chǎn)生這些氣體的濃度，求出每一瞬間催化劑顆粒催化焦油裂解所產(chǎn)生的各氣體凈產(chǎn)量;D:利用熱量方程式計(jì)算其熱值，累計(jì)這些瞬間熱值，即為催化劑顆粒對(duì)焦油裂解的貢獻(xiàn)，并將瞬間熱值除以累計(jì)熱值，得到焦油裂解反應(yīng)進(jìn)程隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)；其中，熱量方程式為:H = 285.8*Y氫氣+ 283.0*Υ^植+ 890.3*Y甲焼+ 1558.3*Yg，其中，H為熱量(千焦)，Y氛氣為氫氣的摩爾數(shù)，Ynf墟為氧化碳的摩爾數(shù)，YWi為甲烷的摩爾數(shù)，Yg為乙烷以上烴類(lèi)的摩爾數(shù);E:對(duì)反應(yīng)進(jìn)程一一時(shí)間曲線(xiàn)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，并對(duì)其微分，得到焦油裂解轉(zhuǎn)化率，再取轉(zhuǎn)化率為10%—80%之間的進(jìn)行加權(quán)平均值Mf均;其中:Μ.= [ (dx/dt)/(l-x)]；F:據(jù)焦油裂解動(dòng)力學(xué)總包一級(jí)反應(yīng)方程:dx/dt =K (l-χ);以及根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式:k=A*exp(-Ea/RT)，其中，k為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，I/秒;R為摩爾氣體常量，8.314 J/(mol.K);T為絕對(duì)溫度，K;Ea為表觀(guān)活化能，J/mol;A為指前因子;從而可以得到催化劑的表觀(guān)活化能Ea和指前因子Α。
[0024]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的方法中，步驟A中:使催化反應(yīng)器內(nèi)催化床及催化床前后的惰性物料的填充長(zhǎng)度與催化劑顆粒的當(dāng)量直徑之比2 100。
[0025]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的方法中，步驟A中:催化反應(yīng)器內(nèi)裝有的催化劑顆粒為若活性組分不均勻分布的則保留其活性組分原始分布的催化劑顆粒，或者若為活性組分呈均勻分布的則粉碎到30-40目的催化劑顆粒。
[0026]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的方法中，步驟A中:還對(duì)催化反應(yīng)器內(nèi)的催化劑進(jìn)行稀釋?zhuān)蛘?，還對(duì)催化反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物進(jìn)行稀釋。
[0027]應(yīng)用于各個(gè)上述技術(shù)方案，所述的方法中，步驟A中:使催化反應(yīng)器中催化床層直徑與催化劑顆粒當(dāng)量直徑之比I 8
采用上述方案，本發(fā)明通過(guò)測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)，在線(xiàn)測(cè)定有機(jī)物在規(guī)定條件下產(chǎn)生的熱裂