Biomassa para Produção de hidrocarboneto líquido combustível Via Hot-vapor filtrada pirólise rápida e Catalytic Hidrotratamento

1. A pirólise rápida com Hot Vapor Filtration Preparação de biomassa de matéria-prima Moer a biomassa para um tamanho de partícula de <2 mm. Armazenar em local fresco e seco. Montar sistema de pirólise Montar reactor de pirólise. reactor Mount dentro do forno. Ligue nitrogênio fluidificação, nitrogênio trado, e linhas de ar para o reator. Insira trado na porta trado encamisado. Conectar-se ar de arrefecimento para casaco. Mount e motor sem-fim de conexão. Montagem alimentador de sólidos de 30 a 60 cm directamente por cima da abertura vertical da porta sem-fim. Montagem de bloqueio entre a saída do funil alimentador de sólidos e a abertura vertical do porta verruma. Conectar à porta sem-fim com nylon-trança, reforçada tubo de vinil com um diâmetro interno de 25 mm. Fixe a tubulação para o porto sem-fim com uma braçadeira. Conectar-se a alimentador com um peso-leve, clara, solto plástico slip-fit. </li> Montar ciclone e filtro quente. Montar ciclone e conectar entrada de ciclone a saída do reactor. Primeiro casal receptor para ciclone. filtro quente montagem (feita de aço inoxidável com um tamanho de poro de 2 mm) no invólucro do filtro. Ligue saída do ciclone a entrada de filtro quente. Ligue purga de azoto e de alívio de pressão de saída do ciclone. Use fita de calor e cobertores de isolamento para aquecer o rastreio a partir da entrada de ciclone para a entrada do condensador. Montar o sistema de condensador. NOTA: Monte as peças do sistema de condensação em um exaustor usando laboratório-jacks, anel-stands e braçadeiras de laboratório. Para o primeiro condensador, casal de 15 a 30 cm de tubos de aço inoxidável de 1,2 cm (diâmetro externo) ao borossilicato tubo com uma junta cônica padrão. Ligue o primeiro condensador a uma de 500 ml, duas tubuladuras (cone standard), frasco de fundo redondo (receptor) colocado em um recipiente de thaT irá servir como um banho de gelo. Fazer conexões entre navios jusante desse ponto com tubulação clara vinil de 9 a 12 mm fixada com braçadeiras de mangueira na esmerilagem, juntas esféricas, e espigão sobre o vidro. Ligue a saída do primeiro balão de condensador para a porta do lado inferior (entrada) do precipitador electrostático (ESP). Ligue o lado superior da porta (saída) do ESP para o pequeno ligação superior da armadilha de gelo seco (cold-finger condensador). Ligue um tubo em U para a linha entre o ESP ea armadilha de gelo seco. Encha a metade U-tubo cheio com água. Ligar a armadilha de gelo seco para uma de 500 ml, com duas tubuladuras, balão de fundo redondo (receptor) colocada num recipiente que vai servir como um banho de gelo seco. Ligue a saída de um balão de 500 mL, para a entrada (porta de centro) da caixa do filtro de coalescência. Coloque um recipiente para conter gelo seco em torno da parte inferior da caixa do filtro. Ligue o filtro outlet para o medidor de teste seco e outros instrumentos de análise de gases (por exemplo, infra-vermelho não dispersivo analisadores de CO, CO 2 e CH 4, detector de condutividade térmica para o hidrogénio, e cromatografia de micro-gás (micro-GC) para o CO , CO 2, azoto, hidrogénio e C1-C4 hidrocarbonetos) e depois para desabafar. NOTA: Representação esquemática do sistema de reactor de pirólise é mostrado na Figura 1. Imagens do alimentador de biomassa, pirolisador, ciclone, filtro de vapor quente, e os condensadores do sistema de reactor de pirólise são mostrados nas Figuras S1 a S5 no ficheiro suplementar. Reactor de pirólise Carga Pour 200 ml de areia (330 g) no reactor. Despeje 2 kg de biomassa do solo para o funil de alimentação. Sistema de verificação de pirólise Leak Coroar sistema na entrada do condensador. Pressurizar a 0,05 MPa ou pressão máxima esperada, o queé maior que. Certifique-se de que o fluxo necessária para manter a pressão é <200 ml / min. Se não, localizar e corrigir vazamento, e repita esta etapa. Aliviar a pressão, sistema de Destape, conectar o sistema de condensação, tampa na extremidade de saída do sistema de condensação. Pressurizar a 0,01 MPa. Assegure-se que um fluxo de <200 ml / min mantém a pressão. Se não, localizar e corrigir o vazamento, e repita esta etapa. Despressurizar e volte a ligar o sistema de condensação de instrumentos. Aqueça reactor Ligue arrefecimento do ar, definir um fluxo de azoto de fluidificação a 3 fluxo de azoto L / min e broca padrão para um padrão L / min. Conjunto de temperatura alvo do forno para 500 ° C e outros aquecedores a 400 a 500 ° C. temperatura rampa até atingir temperaturas a uma taxa de 1 a 10 ° C / min. Prepare-se para operar Aumentar a taxa de fluxo de nitrogênio de fluidificação a 14 L / min, flo trado de azoto padrãoW taxa de 1,4 L padrão / min, e introduzir gás de purga a uma velocidade de fluxo de 0,5 padrão L / min. A maior parte da purga entra na porta de rotura de disco na saída do ciclone. Encha o banho sob a primeiro condensador com gelo. Preencha armadilha de gelo seco, recipiente sob o seu receptor, e recipiente em torno filtro coalescente com gelo seco. Monitorar a temperatura no interior do filtro coalescente com termopar colocado sobre a superfície do filtro e ajustar o nível de gelo seco de modo que é de 0 ° C. Realizar experimento pirólise Ligue válvulas lock-hopper (Use 4 segundo ciclo) e broca. Ligue ESP. Definir a tensão de 5 a 10 kV, conforme necessário para observar um arco, pelo menos, uma vez a cada 2 segundos. Use micro-GC para verificar se há oxigênio está presente. Verificar se ligar a verruma e bloqueio tremonha não causou uma diminuição na taxa de fluxo do gás de saída, o que indicaria a presença de uma fuga. Ligue alimentador a 100 g / h. Observe a temperatura do leito eaumentar o set point, conforme necessário para compensar o aumento de carga de calor. Quando a temperatura foi recuperado para dentro de 2 ° C a 500 ° C, aumentar a taxa de alimentação de 100 g / hr. Repita este procedimento até uma taxa de alimentação de 420 g / h é atingida. A cada 15 minutos, ficha temperatura do leito, taxa de alimentação no controle do alimentador, as concentrações de gás por micro-GC, a taxa de medidor de teste seco e pressões do sistema de medidores de pressão. Verifique se ESP ainda está formando arcos corretamente. Responder às mudanças em qualquer um destes, conforme necessário. gelo recarga e gelo seco. Escorra o ESP em um frasco de recolha do produto, conforme necessário. Desligar Depois de alimentar 1 kg de biomassa, parar de alimentar. Após os níveis de gás ter se deteriorado para menos de 10% dos valores de estado estacionário, desligue todos os aquecedores, abaixe fluidificação fluxo para 3 fluxo L / min e broca padrão para um padrão L / min. Desligue ESP, válvulas lockhopper e broca. Permitir que o sistema arrefecer (4-6 horas), antes de abrir as secções quentes. </ Ol> Recolha produtos líquidos e carvão. Pesam-se os componentes do sistema de condensador para se obter um rendimento líquido total. Despeje líquidos dos receptores de condensador em um frasco comum ou garrafa. Como alternativa, use acetona, para limpar o vidro. receptor de char vazio em um frasco. Retire o filtro quente, esvaziar a caixa e escove o filtro dentro do frasco de char. Pesa-se o filtro. Remoção e pesagem do material do leito. Use um aspirador HEPA com um vaso de knock-out para este serviço. Oxidar o sistema. Selar o reator, receptor ciclone e filtro de água quente limpa. Verifique se há vazamentos, como descrito acima na Seção 1.4. Instalar uma linha de metal do condensador de entrada para a saída do filtro de coalescência para ignorar o sistema de condensação. Aquecer o reactor até 550 ° C com 3 padrão L / min de azoto como gás de fluidização e um fluxo sem fim de azoto L / min padrão. Adicionar ar para a fluidificaçãogás. Comece a 0,2 padrão L / min e aumentar gradualmente a 4 L / min. Continuar até concentrações de CO + CO 2 são menos do que 0,1%. Calcular rendimentos. Calcular o rendimento líquido como a alteração total na massa do sistema de condensação. Calcular o rendimento de char como a soma da alteração de peso no leito, a alteração de peso do filtro quente, e o carvão animal recolhida a partir do ciclone e receptor-invólucro do filtro quente. NOTA: char adicional pode ser estimada a partir da oxidação do sistema, mas esta é normalmente insignificante. Calcular o rendimento de gás como o peso total dos produtos gasosos a partir das concentrações de gás medidos no GC e a taxa de fluxo do medidor de teste seco. 2. Catalytic Hidrotratamento de Bio-óleo Nota: As amostras bio-petróleo produzidos em NREL foram enviados para PNNL para hidrotratamento catalítico em um sistema de hidrotratamento. sistema de hidrotratamento Certifique-se de que o sistema de hidrotratamento está em condições operacionais, verificando cada componente. NOTA: O sistema de reactor de hidrotratamento usado é configurado como uma passagem única, em co-corrente, contínuo reactor catalítico, para baixo fluxo. O sistema é constituído por três componentes principais: 1) um componente de gás e líquido de alimentação, 2) um reactor aquecido, e 3) um componente de separação de produto de gás-líquido (Figura 2). O sistema é concebido para funcionar a até 13,6 MPa (2000 psig; pressão máxima de funcionamento), com uma temperatura máxima do catalisador de 500 ° C (apenas no reactor é classificado a esta temperatura). Certifique-se de que o monitoramento de hidrotratamento e sistema de controlo eo sistema de controle de segurança estão em condição operacional. NOTA: O sistema é monitorado e parcialmente controlado por um programa de computador em casa construída com vários sensores. Sensores incluem termopares e transdutores de pressão para o reactor, bem como hidrogênio e senso de ventilaçãors no recinto onde o reator está localizado. Os dados são gravados pelo programa para monitorar o reator. A taxa de fluxo do gás de saída é medido por um medidor de fluxo, e os dados são registados por seu software que acompanha. O programa também controla a fonte de alimentação do equipamento principal do reactor. Durante uma experiência, se o reactor sofre uma mudança não desejada em condições de funcionamento em termos de alterações específicas de pressão e / ou as mudanças de temperatura, ou um gás combustível estiver presente acima do limite de segurança, e / ou se o sistema de ventilação falhar, o programa pode automaticamente desligar o sistema para garantir a segurança. As válvulas de alívio de pressão e um disco de ruptura também são instalados no sistema de hidrotratamento para proteger contra excesso de pressurização. Carga de catalisador e de pré-tratamento preparação do catalisador Esmagamento ambos os catalisadores, Ru / C, como catalisador de fase-I e CoMo / Al 2 O 3, tal como o catalisador de fase-II, epeneira para reter 0,25-0,60 mm (30-60 malhas) grãos. NOTA: catalisador Ru / C foi preparado em casa e CoMo / Al catalisador 2 O 3 foi um produto comercial. Carga de catalisador para dentro do reactor Use tubos de aço inoxidável e telas como a mídia de apoio para as camas de catalisador. Lentamente despeje os grãos de fase-II de catalisador, os grãos de catalisador de fase-I, e os extrudidos de catalisador fase-I originais, que foram utilizados como distribuidor, na sequencialmente reactor enquanto "tocar" no lado de fora do reactor para formar leitos catalíticos embalados . Carregar 32 ml de cada catalisador para formar um leito de catalisador de duas fases com 24 mL de cada catalisador localizados na zona isotérmico (Figura 3). Instalar o reactor para o sistema de hidrotratamento Coloque do reactor para o sistema de hidrotratamento, instalando dois aquecedores e, em seguida, ligar o reactor para o gás e o líquidocomponente de alimentação e o componente de separação de gás-líquido. NOTA: bainhas de alumínio aquecido-tape Dois de calor colocar o reator tubular para fornecer calor. Cada bainha aquecida é usada de forma independente para aquecer a porção de reactor durante o pré-tratamento e durante o teste catalisador de hidrotratamento. Cada bainha de alumínio é embrulhado com uma fita de calor de alta temperatura e isolamento e aquecida usando um controlador de temperatura. O reactor catalítico de leito fixo tubular é feito de aço inoxidável 316 e com um diâmetro interno de 13 mm e um comprimento de 64 cm. Um termopar poço (4,7 mm de diâmetro exterior) está localizado no centro do reactor, e dois termopares estão colocados no poço para medir a temperatura dos leitos de catalisador. Verifique a pressão do sistema de hidrotratamento de fugas através 12,0 MPa azoto gasoso, mantendo o sistema à pressão e assegurar que a queda de pressão é menor do que uma hora por psig. Pré-tratamento de catalisador. Sulfuretoos catalisadores in situ em hidrogênio e sulfiding fluxo agente. Aquecer ambos os leitos de catalisador a partir de temperatura ambiente até 150 ° C a uma velocidade de 120 ° C / h em hidrogénio a 242 ml / min. Manter tanto a temperaturas catalisador de leito a 150 ° C durante 2 h em hidrogénio a 242 ml / h e agente sulfiding a 0,128 ml / min (35% em peso de di-terc-butyldisulfide em decano alimentado por uma bomba de alimentação). Aquece-se a cama de fase-I 150-250 ° C a uma velocidade de 83,3 ° C / h, e mantida a 250 ° C durante 5,8 h. Durante o mesmo período, aquecer o leito fase-II 150-400 ° C a uma velocidade de 83,3 ° C / h, e mantida a 400 ° C durante 4 h. Durante o processo, manter a pressão do reactor a 10,3 MPa, a taxa de fluxo de agente de sulfiding a 0,128 ml / min, e a taxa de fluxo de hidrogénio a 242 ml / min. Parar o fluxo de agente sulfiding e manter o fluxo de hidrogênio. Em seguida, ajustar a temperatura de cada leito de catalisador até à temperatura de reacção desejada. Nota: A taxa de fluxo de agente de sulfiding é determinada pela quantidade de catalisador usado e o agente sulfiding horária do líquido velocidade espacial (LHSV) de 0,12 ml / ml-cat / h para os catalisadores globais. A taxa de fluxo de hidrogénio é determinado pela taxa de fluxo de agente de sulfiding e a razão de fluxo de hidrogénio-para-agente de sulfiding em 1890 ml de ácido clorídrico / ml sulfiding agente líquido. Os componentes do gás de alimentação e de líquido do sistema de hidrotratamento consistem em duas bombas de seringa de alta pressão. Uma das duas bombas é usado para alimentar o agente sulfiding. O agente de gás e sulfiding é introduzida na zona de pré-reactor do reactor, onde o líquido é misturado, antes de passar para baixo através do leito do catalisador no reactor. Hidrotratamento bio-óleo Ajustar o fluxo de hidrogénio a 152 ml / min e manter a pressão do sistema a 10,3 MPa. Ajuste as temperaturas do leito de catalisador de fase-I e o leito de catalisador fase-II para 220 e 400 ° C, respectivamente. NOTA: Thtaxa de fluxo de hidrogênio e é determinado pela quantidade de catalisador utilizado, o LHSV bio-óleo de 0,20 ml / ml-cat / h para cada fase, ea relação hidrogénio-a-bio-óleo de 1.900 ml de hidrogénio / ml bio-óleo . Grave as linhas de base de fluxo de temperatura cama e hidrogênio quando a temperatura, pressão e fluxo de hidrogênio se tornar estável. Adicionar di-terc-butil dissulfeto à alimentação bio-óleo a um montante igual a 150 ppm de enxofre no bio-óleo. Encher a alimentação de bio-óleo em uma das bombas de alimentação e de purga da linha de alimentação até que um fluxo de líquido que é livre de bolhas de ar é conseguido. Pressurizar a bomba para 10,3 MPa, e, em seguida, conectar-se ao reactor abrindo as válvulas de ligação. Iniciar a alimentação do bio-óleo, com um caudal de 4,8 ml / hr. Esta ação inicia o teste de hidrotratamento bio-óleo. NOTA: Caudal de bio-óleo é determinada pela quantidade de catalisador usado e o bio-óleo LHSV de 0,20 ml / ml-cat / h para cada fase. O gás de hidrogénio e o bio-óleo são introduzidos para a zona de pré-reactor do reactor ondeo gás e o líquido são misturados antes de eles passam para baixo num fluxo gota a gota assumido através do leito do catalisador no reactor. Verificar o estado do reactor e gravar os parâmetros, tais como temperatura, pressão, taxa de fluxo e volume, periodicamente. Assegurar que as temperaturas de catalisador de leito estão dentro de ± 2 ° C da temperatura desejada, o gás e taxas de fluxo de líquido são exactamente as mesmas que as configurações desejadas, e a pressão do reactor é de ± 0,15 MPa de pressão desejada. Assegurar a queda de pressão através do leito de catalisador é <0,35 MPa. NOTA: O sistema é monitorado e parcialmente controlado por um programa de computador em casa construída com vários sensores. Sensores incluem termopares e transdutores de pressão para o reactor, bem como sensores de hidrogênio e de ventilação do recinto onde o reator está localizado. Analisar amostras do gás de saída a cada 2 horas, dirigindo o gás de exaustão através de um micro-GC em linha. NOTA: O micro-GC é um quatro-eláel micro-GC e calibrado usando um gás de calibração antes de cada teste de hidrotratamento. Recolha de amostras líquidas a cada 6 horas, utilizando o seguinte procedimento: alternar a armadilha de amostragem para a armadilha de bypass, reduzir a pressão da armadilha de amostragem, drenar a amostra líquida para frascos de recolha, purgar a armadilha de amostragem com azoto, pressurizar a armadilha de amostragem com azoto, e redirecionar o fluxo do produto para a armadilha de amostragem. Operar uma série de válvulas de dois e de três vias que desviam os gases e produtos nas direções desejadas. Observação: Uma vez que os reagentes passam através dos leitos de catalisador, os produtos líquidos e líquidos que não reagiram são separados a partir dos produtos gasosos e os gases que não reagiram no sistema de separação gás-líquido. Os gases quentes passam através de um dos dois, armadilhas pressurizados refrigerados, líquido / gás frio (armadilha amostra ou armadilha de bypass) colocados em downstream paralela do sistema reactor. O gás efluente passa então através do regulador de contra-pressão, onde a pressão é reduzida para ATMOSPpressão heric. O efluente gasoso é, em seguida, passados ​​através de um medidor de gás para medir o caudal. Realizar o teste durante 60 horas em operação (tempo na corrente [TOS]). Terminar o teste, interrompendo a alimentação de bio-óleo. Definir a temperatura do reactor a 100 ° C e a taxa de fluxo de hidrogénio de 100 mL / min. NOTA: O teste poderia ser operado para Toss variando de cinqüenta a várias centenas de horas. Procedimento pós-teste Use acetona, para limpar a bomba de alimentação para a alimentação de bio-óleo. Carregar a bomba de alimentação limpas com acetona. Purga-se o leito de catalisador com -400 ml de acetona a uma taxa de fluxo de acetona, de 10 a 40 ml / min e uma velocidade de fluxo de hidrogénio de 100 mL / min, quando as temperaturas de catalisador de leito são de 100 ° C. Desligar o aquecimento do reactor, despressurizar o sistema à pressão ambiente, e purgar o reactor com azoto durante pelo menos 24 h. Remover o reactor a partir do sistema e remover os catalisadores usados ​​a partir do REACTOr. O processamento do produto e análise de resultados Para o processamento de produto líquido, separar as duas fases e pesar individualmente. Os produtos líquidos são normalmente em duas fases, uma fase de óleo leve (produtos de óleo) e uma fase aquosa pesada (produto aquoso). Realizar as seguintes análises do produto de óleo: medição de densidade; Karl Fischer para conteúdo de água; análise elementar (D5291 / D5373, D5373mod e D1552 / D4239) para o carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio e enxofre; semi-micro titulação indicador de cor (D3339) para o número de acidez total; indutivamente acoplado a espectroscopia de emissão de plasma-óptico para o conteúdo inorgânico; e destilação simulada (ASTM D2887) para avaliar as quantidades relativas de produtos combustíveis na gasolina, diesel, combustível de aviação, e gamas residuais. Realizar as seguintes análises dos produtos aquosos: Karl Fischer para conteúdo de água e análise elementar (D5291 / D5373) para o carbono, hidrogênio e nitrogênio content 15. Calcular os rendimentos de produto produzido óleo, produto aquoso, e o produto gasoso; o consumo de hidrogénio; e o balanço de massa com base na taxa de entrada de reagente de fluxo e densidade, taxa de fluxo de hidrogênio entrada, saída peso do produto, de óleo, teor de água do produto de óleo tomada, tomada de peso aquosa do produto, taxa de fluxo de gás de saída, e composição do gás de saída. Analisar catalisadores usados por indutivamente acoplado a espectroscopia de emissão de plasma-óptico 15.