一種垃圾焦油催化裂解催化劑活性測試的裝置及其方法
【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試的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國城市建設(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，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)境污染已成為一個社會問題，對其進行減量化、無害化和資源化處理，既是人類環(huán)境保護的需要，也是社會發(fā)展對有價值物質(zhì)回收利用的需要。
[0004]垃圾氣化處理是實現(xiàn)垃圾減量化、無害化和資源化綜合利用的重要技術(shù)。垃圾在氣化過程中，因部分原料的不完全裂解而產(chǎn)生一些高分子有機物，即焦油。所謂焦油是指垃圾或生物質(zhì)氣化過程所產(chǎn)生的分子量大于苯(分子量為78)而存在于可燃氣中的碳氫化合物。焦油是生物質(zhì)氣化中不可避免的副產(chǎn)物。
[0005]為減少可燃氣中焦油的含量，國內(nèi)外研究人員進行了大量的研究，其中催化裂解被認為是消除焦油最具有潛力的技術(shù)。
[0006]當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格昂貴等缺點，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)定的運行，所以尋找一種合適的催化劑和設(shè)計一個正確的反應(yīng)器對垃圾焦油裂解工藝來說非常重要。
[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]測定催化劑裂解垃圾焦油活性最直接的方法就是對催化裂解反應(yīng)器的進口和出口的焦油含量進行測定，就可以計算出催化劑的活性。
[0009]目前對焦油采樣大體有二類方法: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]對于化學反應(yīng)器設(shè)計一般要求聯(lián)立求解4類基本方程組:I，物料衡算方程組;2，反應(yīng)動力學方程組;3，能量衡算方程組;4，動量衡算方程組。在實際工作中很少同時求解4類方程組，而是針對不同的催化劑和反應(yīng)物系統(tǒng)進行簡化。但是，I和2方程組通常是不能少的。對微型反應(yīng)器，方程組4可省略，對于等溫反應(yīng)器，則方程組3可省略。
[0011]在化學反應(yīng)動力學研究領(lǐng)域存在著兩種觀點。一種是反應(yīng)動力學具體化的觀點，即試圖通過化學分析的手段對有機物熱裂解的詳細反應(yīng)過程進行剖析，研究有機物的所有化學成分及其在熱裂解過程中的反應(yīng)，通過對分過程的認識來達到對總體過程的理解。這種研究思想很快就被一些研究結(jié)果證明是不現(xiàn)實的。另一種是反應(yīng)動力學表觀化的觀點，由于微觀研究的不現(xiàn)實性，表觀反應(yīng)動力學成為近幾年來有機物熱裂解過程研究的主要方向，其主要研究思想是尋求表觀動力學模型，而不關(guān)注其中的詳細反應(yīng)機理。
[0012]例如西南科技大學將裂解氣相色譜-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)帶入色譜柱進行分離，并依次進入質(zhì)譜系統(tǒng)，然后通過這些裂解產(chǎn)物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)進行結(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，對分析復雜的有機物具有較大的優(yōu)越性。但是，由于垃圾成分及其在熱作用下的反應(yīng)機理十分復雜，要從微觀角度全面描述反應(yīng)過程所包含的眾多物理化學過程是十分困難的。為了獲得相對簡單的反應(yīng)模型，用于指導實際應(yīng)用，通常用表觀動力學特性來解釋反應(yīng)過程的規(guī)律。
[0015]有機質(zhì)在隔絕空氣或少量空氣條件下受熱會分解為三種形態(tài)的物質(zhì)，一部分是常溫下不凝結(jié)的簡單氣體，如C0、H2、C02和CH4等；另一部分則在常溫下會凝結(jié)的液體，其中包括水和各種較大分子的烴類物質(zhì)，稱之為焦油。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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種可以正確地測定催化劑的活性和動力學參數(shù)，優(yōu)選合適的催化劑對垃圾焦油進行催化裂解。
[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試的裝置，包括順序連接的空氣壓縮機、空氣過濾器、空氣流量控制器、氣化爐、催化反應(yīng)器、冷卻器、過濾器、氫氣濃度檢測器、一氧化碳濃度檢測器、二氧化碳濃度監(jiān)測器、甲烷濃度檢測器和乙烷以上烴類濃度檢測器;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)裝有用于對垃圾焦油進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度與催化劑顆粒的當量直徑之比I 100。
[0020]應(yīng)用于各個上述技術(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)物不起化學反應(yīng)作用的惰性氣體稀釋氣體。
[0022]應(yīng)用于各個上述技術(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量直徑比之2 8。
[0023]應(yīng)用于各個上述技術(shù)方案，一種垃圾焦油催化裂解催化劑活性測試的方法，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，對氣化爐進行加熱使垃圾或生物質(zhì)產(chǎn)生氣化焦油，使氣化焦油進入催化反應(yīng)器內(nèi)，通過催化反應(yīng)后的氣體分別進行冷卻和過濾;B:分別檢測催化反應(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的濃度;C:計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:利用熱量方程式計算其熱值，累計這些瞬間熱值，即為催化劑顆粒對焦油裂解的貢獻，并將瞬間熱值除以累計熱值，得到焦油裂解反應(yīng)進程隨時間的變化曲線；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為乙烷以上烴類的摩爾數(shù);E:對反應(yīng)進程一一時間曲線進行曲線擬合，并對其微分，得到焦油裂解轉(zhuǎn)化率，再取轉(zhuǎn)化率為10%—80%之間的進行加權(quán)平均值Mf均;其中:Μ.= [ (dx/dt)/(l-x)]；F:據(jù)焦油裂解動力學總包一級反應(yīng)方程:dx/dt =K (l-χ);以及根據(jù)化學反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗公式:k=A*exp(-Ea/RT)，其中，k為化學反應(yīng)速率常數(shù)，I/秒;R為摩爾氣體常量，8.314 J/(mol.K);T為絕對溫度，K;Ea為表觀活化能，J/mol;A為指前因子;從而可以得到催化劑的表觀活化能Ea和指前因子Α。
[0024]應(yīng)用于各個上述技術(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度與催化劑顆粒的當量直徑之比2 100。
[0025]應(yīng)用于各個上述技術(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)用于各個上述技術(shù)方案，所述的方法中，步驟A中:還對催化反應(yīng)器內(nèi)的催化劑進行稀釋，或者，還對催化反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物進行稀釋。
[0027]應(yīng)用于各個上述技術(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量直徑之比I 8
采用上述方案，本發(fā)明通過測試裝置的結(jié)構(gòu)，在線測定有機物在規(guī)定條件下產(chǎn)生的熱裂