一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法与流程

本发明涉及生物质资源化利用技术领域，尤其涉及一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法。

背景技术：

生物质能作为可再生能源的重要组成部分，是唯一可以转化为液体燃料的含碳可再生能源。相比于传统化石航煤，航空生物燃料可在生命周期内减少60-80%的碳排放。航空煤油由链烷烃、环烷烃和芳烃三大化学成分及必要的添加剂组成，其中环烷烃和芳烃质量分数分别为20-50wt%和8-25wt%，碳数范围主要集中于c8-c15。目前，利用生物质资源制备航空煤油的技术路线主要有动植物油脂加氢脱氧-裂化/异构技术、生物质液化（气化-费托合成）-加氢提质技术和生物质水热转化技术等。上述工艺路线可以制备航煤组分中的链烷烃，但无法直接合成航煤中芳烃和环烷烃关键组分。在c8-c15芳烃加氢饱和过程中，主要以贵金属为活性金属负载到载体上作为催化剂，贵金属的使用提高了生产成本。在李全新等人的研究中，贵金属pd负载在活性炭上催化加氢还需要额外添加溶剂（正己烷），增加了产物分离的难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法，将生物质复杂聚合体定向解聚并转化为c8-c15环烷烃航油关键组分，实现了生物质的高值化利用，为生物质制备航空燃油环烷烃组分提供了科学依据和技术储备。

一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置，该装置包括：生物质定向解聚反应系统、芳烃烷基化系统、加氢饱和反应系统、精馏系统和余热回收利用系统。

生物质定向解聚反应系统，用于将生物质快速热解—催化重整制备c6-c8低碳芳烃；

芳烃烷基化系统，用于将生物质定向解聚反应系统产生的低碳芳烃通过烷基化反应转化为c8-c15芳烃；

加氢饱和反应系统，用于将芳烃烷基化反应系统产生的c8-c15芳烃通过加氢反应转化为c8-c15环烷烃；

精馏系统，用于分离加氢饱和系统产物中的c6-c7环烷烃和c8-c15环烷烃；

余热回收利用系统，将芳烃烷基化系统、加氢饱和反应系统和烟气释放的热量将水加热为过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机发电提供电量。

生物质定向解聚反应系统，用于将生物质快速热解—催化重整制备c6-c8低碳芳烃；包括预处理器、流化床反应器、旋风分离器、固定床反应器、冷凝器、燃烧器、换热器和风机；所述预处理器第一出口与所述流化床反应器进料口连接，所述预处理器的入口通过换热器与燃烧器的烟气出口连接，所述流化床反应器上端出口与所述旋风分离器连接，所述旋风分离器将高温热解蒸汽与焦炭分离，所述旋风分离器上端出口与所述固定床反应器的入口端连接，所述固定床反应器出口端与所述冷凝器入口端连接，所述冷凝器第一出口与所述预热器连接，所述冷凝器第二出口与燃烧器的第一入口端连接，所述风机的出口与所述燃烧器的第二入口端连接。

芳烃烷基化系统，用于将生物质定向解聚反应系统产生的低碳芳烃通过烷基化反应转化为c8-c15芳烃；包括压缩机、预热器、液相催化反应器、冷却器和分离器；所述压缩机出口与所述预热器入口端连接，所述预热器出口端与所述液相催化反应器入口端连接，所述液相催化反应器出口端与所述冷却器入口端连接，所述冷却器出口端与所述分离器连接，所述分离器第二出口与所述预热器第一入口连接。

加氢饱和反应系统，用于将芳烃烷基化反应系统产生的c8-c15芳烃通过加氢反应转化为c8-c15环烷烃；包括压缩机、预热器、固定床反应器和冷却器；所述预热器的第二入口与所述压缩机出口连接，所述预热器出口与所述固定床反应器入口端连接，所述固定床反应器出口端与所述冷却器入口连接。

精馏系统，用于分离加氢饱和系统产物中的c6-c7环烷烃和c8-c15环烷烃；包括精馏塔；所述精馏塔进料口与所述冷却器的第二出口连接。

余热回收利用系统，将芳烃烷基化系统、加氢饱和反应系统和烟气释放的热量将水加热为过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机发电提供电量；包括水泵、换热器和汽轮机；所述水泵出口与所述汽轮机入口通过三个换热器连接。

本发明还提供了一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的方法，包括如下步骤：

一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的方法，其特征在于，包括：

步骤一：将生物质定向解聚转化为c6-c8低碳芳烃；

步骤二：将低碳芳烃通过烷基化反应转化为c8-c15芳烃；

步骤三：将芳烃烷基化反应系统产生的c8-c15芳烃通过加氢反应转化为c8-c15环烷烃；

步骤四：精馏塔将加氢产物中的c6-c7环烷烃和c8-c15环烷烃分离。

步骤一具体方法如下：将干燥处理后的生物质从流化床（2）中热解，获得含氧化合物高温蒸汽和固态焦炭；高温蒸汽和固态焦炭进入第一分离器（3）；分离出的高温蒸汽进入固定床（4），在催化剂下发生重整反应，并进入冷凝器（5）冷凝得到的c6-c8低碳芳烃；不凝性气体送入燃烧器（6）进行燃烧，为催化热解过程和预处理过程提供热量。

步骤二具体方法如下：将c6-c8低碳芳烃送入至液相催化反应器（12），在离子液体催化剂作用下与烷基化试剂发生烷基化反应；产物由第一冷却器（13）冷却，再经第二分离器（14）分离获得c8-c15芳烃；

步骤三具体方法如下：c8-c15芳烃在第二预热器（16）中气化后送至第二固定床反应器（17）中，与氢气在固定床中进行加氢反应。

步骤五：余热回收使用3个换热器将给水加热为过热蒸汽，利用液相催化反应器释放的热量预热给水，高温烟气冷却释放的热量将预热后的给水加热为饱和蒸汽，饱和蒸汽由高压反应釜释放的热量加热为过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮机做功产生的电力作为系统的副产品输出。

本发明的有益效果在于：

1）本发明公开的一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法，以生物质为原料，经热解催化重整制备c6-c8低碳芳烃、c6-c8低碳芳烃烷基化制备c8-c15芳烃、c8-c15芳烃加氢饱和直接制得航空燃油范围内的环烷烃组分。

2）本发明公开的一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法，催化重整过程中在hzsm-5分子筛的基础上加入cao（hzsm-5:cao=1:1），提高了苯和甲苯等目标产物的产率，单环芳烃也进一步富集到液相产物中，有利于后续的精制提纯；cao和hzsm-5的组合能够有效抑制分子筛内积碳的形成，从而延长催化剂的使用寿命。

3）本发明公开的一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法，3ni/γ-al2o3作为固定床加氢过程的催化剂，具有良好的加氢能力，反应物几乎不裂解，所有c8-c15芳烃单体都可以转化为环烷烃且转化率为100%，各成分所对应的环烷烃选择性均大于99%。

4）本发明公开的一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法，以贱金属ni为活性金属负载到氧化铝载体上，既控制了芳烃加氢饱和的程度，实现了特定环烷烃产物的定向制取，又降低了生产的成本。

5）本发明公开的一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法，加氢过程中不需要额外添加溶剂，反应后产物与催化剂的分离更易实现。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置示意图。

图中：1-预处理器；2-流化床反应器；3-分离器；4-固定床反应器；5-冷凝器；6-燃烧器；7-换热器；8-换热器；9-风机；10-压缩机；11-预热器；12-液相催化反应器；13-冷却器；14-分离器；15-压缩机；16-预热器；17-固定床反应器；18-冷却器；19-精馏塔；20-水泵；21-换热器；22-换热器；23-换热器；24-汽轮机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合以下附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将参照附图1对本发明的具体实施方式进一步的说明。

实施例1

本发明提供了一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法。该方法以生物质为原料，经热解、催化重整制备c6-c8低碳芳烃、c6-c8低碳芳烃烷基化制备c8-c15芳烃、c8-c15芳烃加氢饱和直接制得航空燃油范围内的环烷烃组分。

如图1所示，该装置由五个系统组成，包括生物质定向解聚反应系统、芳烃烷基化系统、加氢饱和反应系统、精馏系统和余热回收利用系统。上述五个系统之间相互连通，共同组成了生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置。

生物质定向解聚反应系统，用于将生物质快速热解—催化重整制备c6-c8低碳芳烃，该系统包括预处理器1、流化床反应器2、分离器3、固定床反应器4、冷凝器5、燃烧器6、换热器7、换热器8和风机9。预处理器1第一出口与流化床反应器2进料口连接，预处理器1的入口通过换热器7、8与燃烧器6的烟气出口连接，流化床反应器2上端出口与分离器3连接，分离器3将高温热解蒸汽与焦炭分离，分离器3上端出口与固定床反应器4的入口端连接，固定床反应器4出口端与所述冷凝器5入口端连接，冷凝器5第一出口与预热器11连接，冷凝器5第二出口与燃烧器6的第一入口端连接，风机9的出口与所述燃烧器6的第二入口端连接。

在一个实施例中，分离器3采用旋风分离器。

芳烃烷基化系统，用于将生物质定向解聚反应系统产生的低碳芳烃通过烷基化反应转化为c8-c15芳烃，该系统包括压缩机10、预热器11、液相催化反应器12、冷却器13和分离器14。压缩机10出口与预热器11入口端连接，预热器11出口端与液相催化反应器12入口端连接，液相催化反应器12出口端与冷却器13入口端连接，冷却器13出口端与分离器14连接，分离器14第二出口与预热器17第一入口连接。

加氢饱和反应系统，用于将芳烃烷基化反应系统产生的c8-c15芳烃通过加氢反应转化为c8-c15环烷烃，该系统包括压缩机15、预热器16、固定床反应器17和冷却器18。预热器16的第二入口与压缩机15的出口连接，预热器16出口与固定床反应器17入口端连接，固定床反应器17出口端与冷却器18入口连接。

精馏系统，用于分离加氢饱和系统产物中的c6-c7环烷烃和c8-c15环烷烃，该系统包括精馏塔19。精馏塔19进料口与冷却器18的第二出口连接。

余热回收利用系统，将芳烃烷基化系统、加氢饱和反应系统和烟气释放的热量将水加热为过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机发电提供电量，该系统包括水泵20、换热器21、换热器22、换热器23和汽轮机24。水泵20的出口与汽轮机24的入口通过三个换热器（21、22、23）连接。

实施例2

本实例提供一种生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的方法，包括：

步骤一：将生物质定向解聚转化为c6-c8低碳芳烃；

在一个实施例中，生物质原料是初始含水量为15%的杉木颗粒，将干燥处理后的生物质从流化床底部加入，在常压、500~600℃条件下快速热解获得含氧化合物高温蒸汽和固态焦炭；高温蒸汽和固态焦炭进入旋风分离器，焦炭停留在旋风分离器中；高温蒸汽进入固定床，在常压、催化剂、以及500~800℃条件下发生重整反应，催化剂采用hzsm-5或者cao/hzsm-5分子筛；催化重整后的产物进入冷凝器冷凝得到的c6-c8低碳芳烃；不凝性气体送入燃烧器进行燃烧，为催化热解过程和预处理过程提供热量。

步骤二：将低碳芳烃通过烷基化反应转化为c8-c15芳烃；

在一个实施例中，将c6-c8低碳芳烃送入至液相催化反应器，在60℃和离子液体催化剂作用下与烷基化试剂发生烷基化反应；产物由冷却器冷却，再经分离器分离获得c8-c15芳烃。

步骤三：将芳烃烷基化反应系统产生的c8-c15芳烃通过加氢反应转化为c8-c15环烷烃。

c8-c15芳烃在预热器中气化后送至固定床中，在合适的催化剂和温度条件下与氢气在固定床中进行加氢反应，3ni/zsm-5、3ni/mil-53或者3ni/γ-al2o3，反应温度为150~300℃，反应压力1~3mpa。在一个实施例中，催化剂为3ni/γ-al2o3，反应温度为200℃，反应压力2mpa。

精馏塔将加氢产物中的c6-c7环烷烃和c8-c15环烷烃分离，精馏塔塔板数46，摩尔回流比2.84，进料板数24，冷凝器压力30kpa，塔板压力降5kpa，c8-c15环烷烃产率为11.7wt%。

余热回收使用3个换热器将给水加热为过热蒸汽，利用液相催化反应器释放的热量预热给水，高温烟气冷却释放的热量将预热后的给水加热为饱和蒸汽，饱和蒸汽由高压反应釜释放的热量加热为过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮机做功产生的电力作为系统的副产品输出。

本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。本发明经反复操作验证，取得了满意的适用效果。以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的生物质定向解聚并转化为航油环烷烃组分的装置和方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。