一种利用KMnO4改性生物质焦炭去除气化焦油的系统及方法

一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的系统及方法
技术领域
1.本发明属于小型气化炉焦油去除及固态产物回收利用技术领域，具体涉及一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的系统及方法。


背景技术：

2.生物质气化在化工合成、金属冶炼、电力供应和热能生产等领域均有广泛应用。但是，在过程中会不可避免地产生一些副产物，例如焦油和焦炭。这些副产物可能会破坏气化系统并污染自然环境，尤其是焦油带来的不利影响更严重。焦油产量大约在0.5～100g
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，主要受气化炉、操作条件和生物质种类的影响。焦油的危害如下：在200℃以下凝结成粘稠状的液体，长期积累会腐蚀和堵塞下游管道；所含能量占生物质总能量的5％～10％，若不能得到有效利用，会造成能量上的浪费和降低气化效率；成分中含有大量的pah(多环芳烃)，这种物质有致癌的危险性，酚类化合物有刺激性气味，若得不到有效去除，会污染环境，给人和动物带来危害；燃烧比较困难，很容易产生炭黑等。因此，焦油的危害性严重限制了生物质气化的大规模应用，如何有效地去除气化产生的焦油引发了广泛的关注。
3.由于活性炭或焦炭(源自生物质或煤)具有多孔结构的特性，被广泛用作焦油裂解的催化剂载体，其大孔和中孔的结构能极大地改善碳纳米管的分散性。然而目前关于利用焦炭去除焦油的研究主要集中在选取热解焦炭为催化剂。专利“一种新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法及其应用”(申请公布号：cn 113426448 a)和“生物质炭负载镍铜纳米合金催化剂的制备方法及其在催化裂解焦油中的应用”(申请公布号：cn 112536037 a)中均单独利用生物质原料制备热解焦炭作为催化剂载体对焦油进行去除，都是选取热解焦炭为催化剂，这将会导致焦油去除系统的复杂化和额外的生物质原料及催化剂的消耗，不利于生物质气化产生的生物质焦炭的回收利用和资源化管理。另外，焦炭本身的催化活性有限，导致焦油的催化裂解反应效率低下。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的系统及方法，能够有效的实现对焦油的催化裂解反应，同时实现生物质焦炭的回收利用。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
6.一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的系统，包括生物质气化炉、第一焦油去除装置、第二焦油去除装置、焦油冷凝管和生物质焦炭改性装置，所述第一焦油去除装置设置在所述生物质气化炉的炉膛外，所述生物质气化炉的气体输出口与所述第一焦油去除装置的第一输入口连接，所述第一焦油去除装置的输出口与所述焦油冷凝管的输入口连接，所述第二焦油去除装置设置在所述生物质气化炉的炉膛内，所述焦油冷凝管的焦油输出口与所述第二焦油去除装置的第一输入口连接；所述生物质气化炉的灰渣输出口与所述生物质焦炭改性装置的第一输入口连接，所述生物质焦炭改性装置的第二输入口用于输入
用于改性生物质焦炭的kmno4溶液，所述生物质焦炭改性装置用于制备kmno4改性生物质焦炭，所述生物质焦炭改性装置的输出口分别与所述第一焦油去除装置和所述第二焦油去除装置的第二输入口连接，所述第一焦油去除装置和所述第二焦油去除装置内设置有所述kmno4改性生物质焦炭。
7.进一步地，还包括气化剂供气装置、气体预热器和焦油导流管，所述焦油导流管嵌套在所述气体预热器中，所述焦油导流管的一端与所述焦油冷凝管的焦油输出口连接，所述焦油导流管的另一端与所述第二焦油去除装置的第一输入口连接；所述气化剂供气装置的输出口与所述气体预热器的输入口连接，所述气体预热器的输出口与所述生物质气化炉的气化剂输入口连接。
8.进一步地，还包括kmno4改性生物质焦炭载气装置，所述kmno4改性生物质焦炭载气装置的第一输入口与所述生物质焦炭改性装置的输出口连接，所述kmno4改性生物质焦炭载气装置的第二输入口与所述气化剂供气装置的输出口连接，所述kmno4改性生物质焦炭载气装置的输出口分别与所述第一焦油去除装置和所述第二焦油去除装置的第二输入口连接。
9.进一步地，还包括泵送装置，所述kmno4改性生物质焦炭载气装置的输出口与所述泵送装置的输入口连接，所述泵送装置的输出口分别与所述第一焦油去除装置和所述第二焦油去除装置的第二输入口连接。
10.进一步地，还包括空气泵，所述空气泵的输出口与所述气体预热器的输入口连接，所述焦油冷凝管的气体输出口与所述气体预热器的输入口连接。
11.进一步地，还包括生物质焦炭筛分装置，所述生物质气化炉的灰渣输出口与所述生物质焦炭筛分装置的输入口连接，所述生物质焦炭筛分装置的输出口与所述生物质焦炭改性装置的第一输入口连接，所述生物质焦炭筛分装置用于筛选出预设粒径的生物质焦炭。
12.进一步地，所述焦油冷凝管的内壁间隔交错设置有若干折流板。
13.进一步地，所述生物质气化炉的进料口连接有螺旋进料器，所述螺旋进料器上连接有料斗。
14.进一步地，所述生物质气化炉的内壁设置有保温层。
15.一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的方法，应用所述的一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的系统，包括：
16.所述生物质气化炉内产生的气化焦油进入所述第一焦油去除装置内，气化焦油在所述第一焦油去除装置内的kmno4改性生物质焦炭的催化作用下发生初次催化裂解反应，初次催化裂解反应后的含气化焦油的气态产物进入所述焦油冷凝管内，进入所述焦油冷凝管内的气化焦油被冷凝呈液态焦油后进入所述第二焦油去除装置内，液态焦油在所述第二焦油去除装置内的kmno4改性生物质焦炭的催化作用下发生二次催化裂解反应；
17.所述生物质气化炉产生的生物质焦炭进入所述生物质焦炭改性装置内，生物质焦炭与用于改性生物质焦炭的kmno4溶液在所述生物质焦炭改性装置内发生反应产生kmno4改性生物质焦炭，产生的kmno4改性生物质焦炭进入所述第一焦油去除装置和所述第二焦油去除装置内，用于促进焦油发生催化裂解反应。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
19.本发明提供的一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的系统，第一焦油去除装置和第二焦油去除装置内均容纳有用于促进焦油发生催化裂解反应的kmno4改性生物质焦炭，kmno4改性生物质焦炭成功地携带了氧化锰颗粒，含氧基团数量增多，同时增强了生物质焦炭的吸附性能。生物质气化炉内产生的气化焦油进入第一焦油去除装置内，气化焦油在第一焦油去除装置内的kmno4改性生物质焦炭的催化作用下发生初次催化裂解反应，初次催化裂解反应后的含气化焦油的气态产物进入焦油冷凝管内，进入焦油冷凝管内的气化焦油被冷凝呈液态焦油后进入第二焦油去除装置内，液态焦油在第二焦油去除装置内的kmno4改性生物质焦炭的催化作用下发生二次催化裂解反应；若第二焦油去除装置内还有残余焦油存在，并逃逸而出，也会随产气再次进入到第一焦油去除装置和第二焦油去除装置，又经历反复催化裂解，实现收集的产气中基本不含焦油，产气质量更高。同时，本发明的生物质气化炉产生的生物质焦炭进入生物质焦炭改性装置内，生物质焦炭与用于改性生物质焦炭的kmno4溶液在生物质焦炭改性装置内发生反应产生kmno4改性生物质焦炭，产生的kmno4改性生物质焦炭进入第一焦油去除装置和第二焦油去除装置内，用于促进焦油发生催化裂解反应，生物质焦炭本身廉价易得，又是生物质气化过程中的副产物之一，将这种生物质气化用于去除焦油，不仅能实现生物质焦炭的回收利用，还能将焦油中残余的能量再利用起来。本发明不仅能实现生物质焦炭的回收利用，还能将焦油中残余的能量再利用起来，提高气化效率，同时有利于减少环境污染。
20.进一步地，本发明利用焦油携带的热量对气化剂进行预热，实现了热能的循环利用。
21.进一步地，本发明产生的kmno4改性生物质焦炭在kmno4改性生物质焦炭载气装置内与气化剂供气装置提供的气体混合，气化剂作为气力输送，携带kmno4改性生物质焦炭颗粒，方便运输，且最终加载的气化剂进入炉膛后也可以参与气化反应，不用引入其他的气体。
22.进一步地，本发明在kmno4改性生物质焦炭载气装置输出端设置了泵送装置，通过泵送装置能够更好的将kmno4改性生物质焦炭送入第一焦油去除装置和第二焦油去除装置中。
23.进一步地，本发明在生物质气化炉的灰渣输出口设置了生物质焦炭筛分装置，生物质焦炭筛分装置能够筛选出预设粒径的生物质焦炭，以便输入生物质焦炭改性装置更好的完成改性。
24.进一步地，焦油冷凝管的内壁间隔交错设置有若干折流板，折流板的设置可对未被催化裂解的气态焦油进行充分冷凝。
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的系统的示意图。
28.图中：1-生物质气化炉；2-第一焦油去除装置；3-第二焦油去除装置；4-焦油冷凝管；5-生物质焦炭改性装置；6-气化剂供气装置；7-气体预热器；8-焦油导流管；9-kmno4改性生物质焦炭载气装置；10-泵送装置；11-生物质焦炭筛分装置；12-折流板；13-空气泵；14-螺旋进料器；15-保温层；16-料斗；17-热电偶；18-温度显示器；19-阀门。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.作为本发明的某一具体实施方式，如图1所示，一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的系统，包括生物质气化炉1、第一焦油去除装置2、第二焦油去除装置3、焦油冷凝管4、生物质焦炭改性装置5、气化剂供气装置6、气体预热器7、焦油导流管8、kmno4改性生物质焦炭载气装置9、泵送装置10、生物质焦炭筛分装置11、折流板12和空气泵13。生物质气化炉1的进料口位置连接有螺旋进料器14，螺旋进料器14上连接有料斗16，生物质颗粒通过料斗16和螺旋进料器14被送进生物质气化炉1的炉膛内发生气化反应，生物质气化炉1的内壁设置有保温层15，在生物质气化炉1的侧壁上设置有热电偶17，热电偶17伸出炉膛外的一端连接有温度显示器18。
31.第一焦油去除装置2和第二焦油去除装置3内均容纳有用于促进焦油发生催化裂解反应的kmno4改性生物质焦炭，kmno4改性生物质焦炭成功地携带了氧化锰颗粒，含氧基团数量增多，同时增强了生物质焦炭的吸附性能，是一种优良的焦炭改性方式。
32.第一焦油去除装置2设置在生物质气化炉1的炉膛外，优选的，在第一焦油去除装置2内设置有热电偶17，热电偶17伸出第一焦油去除装置2外的一端连接有温度显示器18。生物质气化炉1的气体输出口与第一焦油去除装置2的第一输入口连接，第一焦油去除装置2的输出口与焦油冷凝管4的输入口连接。生物质气化炉1内产生的气化焦油进入第一焦油去除装置2内，气化焦油在第一焦油去除装置2内的kmno4改性生物质焦炭的催化作用下发生初次催化裂解反应，初次催化裂解反应后的含气化焦油的气态产物进入焦油冷凝管4内，进入焦油冷凝管4内的气化焦油被冷凝呈液态焦油。优选的，在焦油冷凝管4的内壁间隔交错设置有若干折流板12，可对未被催化裂解的气态焦油进行充分冷凝，对焦油和合成气进行充分的分离，分离后的合成气从焦油冷凝管4的气体输出口输出用于燃烧或合成液体燃料等。
33.第二焦油去除装置3设置在生物质气化炉1的炉膛内，焦油导流管8嵌套在气体预热器7中，焦油冷凝管4的焦油输出口与焦油导流管8的一端连接，焦油导流管8的另一端与第二焦油去除装置3的第一输入口连接。进入焦油冷凝管4内的气化焦油被冷凝呈液态焦油后通过焦油导流管8进入第二焦油去除装置3内，液态焦油在第二焦油去除装置3内的kmno4改性生物质焦炭的催化作用下发生二次催化裂解反应。
34.焦油冷凝管4的气体输出口与气体预热器7的输入口连接，空气泵13的输出口与气体预热器7的输入口连接，气化剂供气装置6的第一输出口a1与气体预热器7的输入口连接，
气体预热器7的输出口与生物质气化炉1的气化剂输入口连接。也就是说，还有一部分从焦油冷凝管4的气体输出口输出的合成气输入气体预热器7，通过气体预热器7输入生物质气化炉1内作为气化剂。从空气泵13和气化剂供气装置6输入气体预热器7的气化剂，通过焦油导流管8内的焦油对气化剂进行预热。优选的，焦油冷凝管4的气体输出口与气体预热器7的输入口之间设置有阀门19，空气泵13的输出口与气体预热器7的输入口之间设置有阀门19。
35.生物质气化炉1的灰渣输出口与生物质焦炭筛分装置11的输入口连接，生物质焦炭筛分装置11用于筛选出预设粒径的生物质焦炭，生物质焦炭筛分装置11的输出口与生物质焦炭改性装置5的第一输入口c1连接，生物质焦炭改性装置5的第二输入口c2用于输入用于改性生物质焦炭的kmno4溶液，生物质焦炭改性装置5用于制备kmno4改性生物质焦炭，生物质焦炭改性装置5的输出口与kmno4改性生物质焦炭载气装置9的第一输入口d1连接，kmno4改性生物质焦炭载气装置9的第二输入口d2与气化剂供气装置6的第二输出口a2连接，优选的，kmno4改性生物质焦炭载气装置9的第二输入口d2与气化剂供气装置6的输出口之间设置有阀门19。kmno4改性生物质焦炭载气装置9的输出口与泵送装置10的输入口连接，泵送装置10的输出口分别与第一焦油去除装置2和第二焦油去除装置3的第二输入口连接。也就是说，生物质气化炉1产生的生物质焦炭通过生物质焦炭筛分装置11筛分后进入生物质焦炭改性装置5内，生物质焦炭与用于改性生物质焦炭的kmno4溶液在生物质焦炭改性装置5内发生反应产生kmno4改性生物质焦炭，产生的kmno4改性生物质焦炭在kmno4改性生物质焦炭载气装置9内与气化剂供气装置6提供的气体混合，气化剂作为气力输送，携带kmno4改性生物质焦炭颗粒，方便运输，且最终加载的气化剂进入炉膛后也可以参与气化反应，不用引入其他的气体。
36.生物质焦炭与kmno4溶液在生物质焦炭改性装置5内发生反应产生kmno4改性生物质焦炭，具体的操作方法为：将生物质焦炭颗粒与适量的kmno4溶液混合，在室温下搅拌后再静置4小时，再放置到60℃的恒温干燥箱中，开启通风，干燥4小时，加入适量koh固体粉末与其混合均匀，在300℃下煅烧1小时，冷却后再清洗，在60℃下通风干燥，最终重量不变，即为kmno4改性生物质焦炭。
37.本发明一种利用kmno4改性生物质焦炭去除气化焦油的方法，具体为：工作时，生物质原料颗粒物从入口e1进入料斗16，然后通过螺旋送料器14送入生物质气化炉1的炉膛中。气化剂由气化剂供气装置6提供，经管道与空气混合送入气体预热器7中进行余热，之后由炉底自下而上送入炉膛中与生物质颗粒混合。生物质颗粒在炉膛内气化产生的产气和气态焦油由炉膛顶部出口进入第一焦油去除装置2，焦油在第一焦油去除装置2内的kmno4改性生物质焦炭的催化作用下发生初步催化裂解反应，未反应完全的气态焦油在焦油冷凝管4内冷却降温，最终产气离开焦油冷凝管4后一部分与气化剂混合，作为气化剂返回炉膛，其余产气收集后可用于燃烧或合成液体燃料等，残余的气态焦油冷凝后通过焦油导流管8流入炉内第二焦油去除装置3进行二次催化裂解，炉内的温度即是气化时的温度，温度更高，同时还有气化剂从气化炉底部自下而上吹扫，使焦油和kmno4改性生物质焦炭催化剂混合充分，有助于催化裂解更充分。若第二焦油去除装置3内还有残余焦油存在，并逃逸而出，也会随产气再次进入到第一焦油去除装置2和第二焦油去除装置3，又经历反复催化裂解，将有望实现收集的产气中基本不含焦油，产气质量更高。
38.生物质气化炉1中产生的焦炭(包括灰分)在灰渣室中，沉积起来，之后经过灰渣输
出口排出。生物质焦炭筛分装置11用于将排渣口中排出的生物质焦炭收集起来，利用振动筛子将其筛分，收集适宜粒径的生物质焦炭并送入生物质焦炭改性装置5中做改性和干燥处理，之后，在将改性后的kmno4改性生物质焦炭送入kmno4改性生物质焦炭载气装置9加载气化剂，最后，将制备好的kmno4改性生物质焦炭通过泵送装置10加入到第一焦油去除装置2和第二焦油去除装置3中催化裂解焦油。
39.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。