CN101225315A - 一种生物质复合气化的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质复合气化的方法和装置，通过将流化床和气流床相耦合，将热解、气化、部分氧化过程在同一反应器内复合。生物质首先在500－600℃条件下发生热解反应，生成焦炭；大颗粒焦炭在焦炭气化区发生部分氧化反应和气化反应，为热解区提供热量并生成可燃气体；热解区释放出的带细小焦炭颗粒的反应气体和催化剂向上快速流经重组分气化区，在二次气化剂作用下发生部分氧化反应，焦油重组分在1000℃以上高温和催化剂作用下同时发生热裂解和催化裂解反应，转化为轻质可燃气体；未反应的焦炭通过气固分离和固体回流装置返回炉内。本发明具有气化效率高、焦油含量低、气体组分调控能力强、运行稳定、易于放大的特点。

Description

一种生物质复合气化的方法及装置

技术领域

本发明涉及生物质气化技术领域，尤其是涉及到一种炉内去除焦油的一体化生物质复合气化的方法及装置。

背景技术

由于石油资源的日渐匮乏，环境污染及温室效应问题的日益严重，从丰富的生物质农林废弃物资源(如秸秆等)获取高品位液体燃料和化学品正逐渐成为一种发展趋势，在国内外引起高度关注。生物质气化技术可将各种废弃的生物质转化成为高品位的气体燃料，是通过热化学转化途径制取液体燃料、化学品，并用于发电、供气和供热的主要核心技术。生物质基液体燃料和化学品的市场前景将最终取决于成本的竞争性，而高效、经济的生物质气化工艺是发展生物质间接液化技术的关键环节，所以必须解决目前气化技术存在的瓶颈问题，减少焦油含量、提高气化效率和产气质量。

针对不同的工业用途，国内外对生物质气化技术进行了大量的研究开发工作，开发出固定床、流化床、气流床等不同的生物质气化工艺。固定床气化工艺反应速度慢、处理量小，不易放大；流化床气化工艺反应速度快，处理量大，有利于大规模生产，所以得到了广泛的应用；而气流床的研究主要停留在试验验证阶段。不论采用哪种气化工艺，焦油的产生是气化技术的共性问题。焦油在高温时呈气态，与可燃气体完全混合，而在低温时凝结为液态，其分离和处理极为困难。焦油的存在不仅降低了气化效率、气体热值，更严重的是焦油在低温时凝结为液态，容易和水、焦炭等结合，堵塞输气管道，影响气化设备的正常运行；凝结为细小液滴的焦油难以燃烬，在燃烧时容易产生碳黑等颗粒，对燃气设备造成极大的损害。焦油的存在大大降低了合成气的利用价值，阻止了气化技术的高端应用，是气化技术高效大规模应用的瓶颈问题。

目前工业上常用的焦油去除方法主要是炉外去除，如干式过滤、湿式洗涤、催化裂解等。过滤和水洗方法虽然操作简单、成本较低，但是效率不高，为防止二次污染，需要增加额外的净化设备和废水处理设备，不仅占地较大，也增加了投资成本，而且处理掉的焦油不能利用，造成能源的浪费。催化裂解因系统简单、能量利用率高，且对生物质燃气组分具有调变作用而成为国内外研究的热点，但需要消耗大量的额外能量，还需要额外的辅助设备，增加了系统的复杂性和投资；同时，由于催化剂失活、机械磨损和应用成本等问题，目前主要用于试验研究，还未形成商业化的专用催化剂系列，尤其在催化剂的使用寿命方面离商业化还存在较大的距离。

焦油也可通过炉内去除的方法即在气化炉内抑制焦油产生并将产生的焦油原位转化为目标产物气，实现气化炉内粗合成气中不含焦油。炉内脱除可以通过优化气化炉结构设计、优化气化过程操作参数、气化炉内添加催化剂等方法实现，从而达到减少气化炉出口燃气中焦油含量的目的。这种方法是目前研究的热点和今后发展方向。

国内外气化技术的发展趋势是开发高效、低焦油、燃气组份调控能力较强的气化工艺。针对焦油的有效脱除和燃气的高端利用，国内外开展了新型气化工艺的研究。如：丹麦技术大学设计了两段式气化炉，所得燃气中焦油含量大大降低；德国Choren公司提出了温和热解和高温热解两步法制高质量合成气的工艺，合成气中几乎不含焦油。这些装置的特点是将诸多的反应器串联在一条连续的流程上，燃料先在间接加热式裂解器中干燥和热解，裂解的产物紧接着在裂解器及焦炭气化器间的狭窄地带进行部分氧化，产物气流经热的焦碳床，从而使产物气中的焦油裂解并达到较低的含量。

授权公告号为CN1116383的发明专利“一种复合式生物质气化炉及其燃气制备方法”揭示了一种农作物废弃物处理设备及由固态含碳物料生产燃气的方法，其发明目的是提供一种农村地区适用的、小型的燃气制备装置和方法，如说明书中内容所述，固定床下吸式气化炉的近处设置有一个生物质干馏炉，然而专利说明书中公开的这种复合气化炉仅是多种装置的简单叠加。

授权公告号为CN1272404C的发明专利“一种低焦油生物质气化方法和装置”，其特征在于该装置包括一个热解反应器和一个裂解气化器，热解反应器中的热解产物进入一个串联的裂解气化器。所述气化器为一个固定床下吸式气化炉。该发明通过两个串联的反应器实现将热解和气化两个过程分开，得到焦油含量较低的可燃气体，但在反应器放大，运行稳定性等方面都无法满足工业应用的需要。

公开号为CN1664066的发明申请“复合式生物质气化炉及热裂解装置”公开了一种复合式的气化炉装置，但从该专利说明书中可以知悉，该复合气化炉也仅是多个装置的简单叠加，如专利说明书中所述，其主要的技术方案是该主体设备由两座气化炉构成，还包括四套U型催化器，一台鼓风机和风量调节器等组成。

公开号为CN101021336的发明申请“一种生物质复合式气化炉”是一种使生物质气化燃烧的小型炉具。如该专利发明目的所述，其将全气化及半气化两种炉具的技术优势进行有机结合，提供一种不需使用风机的生物质复合式气化炉，从该专利的附图中不难看出，该复合式气化炉也是多个装置的简单叠加。

由上可见，目前炉内脱除焦油的气化工艺多是利用几个反应器的串联实现，还没有一体化的生物质复合气化装置，即使目前存在所谓的复合气化炉结构，也只是几种装置的简单叠加和串接，没有创造性。

发明内容

本发明的目的是针对焦油的脱除和燃气高端利用，提供一种低焦油的一体化生物质复合气化方法和装置，即利用“多级”气化概念，将生物质热解、焦炭气化、重组分气化过程相对分开，实现参数分区控制和优化匹配。即通过重组分气化过程控制，降低焦油含量；生物质焦炭气化过程控制，提高气化效率；通过气化条件分区控制，实现气体组分的定向调控。并利用流化床和气流床相耦合的结构，实现生物质多级气化过程的一体化设计，使所有反应能在一套反应装置中进行。

为达到以上目的，本发明通过以下的技术方案来实现：一种生物质复合气化的方法，该方法包括下列步骤：(1)生物质原料从位于热解区的进料口加入复合气化炉内，在500-600℃温度下发生热解反应，生物质释放出挥发气体，并生成固体焦炭；(2)焦炭大颗粒向下流入复合气化炉内的焦炭气化区，在一次气化剂的作用下，少部分焦炭发生氧化反应，使焦炭气化区温度达到1000℃以上，大部分焦炭则发生气化反应生成可燃气体；(3)自焦炭气化区向上流动的高温气体为生物质热解区提供生物质热解所需的热量，维持热解区温度在500-600℃；(4)生物质热解区释放出的带细小焦炭颗粒的反应气体和催化剂向上快速流经重组分气化区，在二次气化剂作用下，发生部分氧化反应，重组分气化区温度达到1000℃以上，使挥发分中的焦油重组分在高温和催化剂作用下同时发生热裂解和催化裂解反应，焦油重组分转化为轻质可燃气体，既降低了粗合成气中焦油的含量，又提高了气体产量和气化效率。(5)重组分气化区未反应的焦炭以及夹带在气体中的催化剂细颗粒通过上部的出气管接到旋风分离器进行气固分离，同时通过旋风分离器下部回流装置，将固体颗粒送回焦炭气化区，提高系统的碳转化率。

所述一次气化剂和二次气化剂为空气或氧气或水蒸气或富氧中的一种或几种。

在上述步骤(1)中，在热解区的加料口加入催化剂，催化剂的加入有利于气体组分的定向生成。

本发明生物质复合气化方法可通过以下所述的装置来实现，一种低焦油生物质复合气化装置，所述复合气化装置包括复合气化炉，所述复合气化炉内包括由热解区和焦炭气化区组成的流化床以及由重组分气化区构成的气流床。所述重组分气化区和焦炭气化区的截面积小于所述热解区的截面积。在所述热解区上设置有生物质进料口，在所述焦炭气化区上设置有一次气化剂输入口，在所述重组分气化区上设置有二次气化剂输入口。所述的生物质复合气化装置还包括有与所述复合气化炉连接的气固分离和固体回流装置。在本装置中，重组分气化区和焦炭气化区为高温区，温度达到1000℃以上，生物质热解区为中温区，温度约为500℃-600℃，通过加入不同的气化剂，控制炉内不同区的温度，调节燃气的组分，在一个炉内实现不同工况的控制和优化。

本发明生物质复合气化方法是利用流化床和气流床相耦合的方式，将热解、气化、部分氧化过程在同一反应器内复合，实现参数分区控制和优化。该工艺具有气化效率高、焦油含量低、气体组分调控能力强、负荷适应能力强、原料适用性强、运行稳定、易于放大的特点。该气化方法可达到如下技术指标：气化效率≥80％，碳转化率≥98％，焦油含量≤20mg/Nm³。且运行稳定、连续，可适用于多种领域，如发电、供热、供气、合成液体燃料等。

附图说明

图1为本发明实施例装置结构示意图；

附图标记说明：1、复合气化炉，2、热解区，3、重组分气化区，4、焦炭气化区，5、一次气化剂输入口，6、二次气化剂输入口，7、生物质进料口，8、气固分离和固体回流装置。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明内容做进一步的说明：

请参阅图1所示，一种生物质复合气化方法，生物质原料从位于热解区2的进料口7加入复合气化炉1内，在500-600℃温度下发生热解反应，生物质释放出挥发气体，并生成固体焦炭；焦炭大颗粒向下流入复合气化炉1内的焦炭气化区4，一次气化剂由一次气化剂输入口5加入，在一次气化剂的作用下，少部分焦炭发生氧化反应，使焦炭气化区温度达到1000℃以上，大部分焦炭则发生气化反应生成可燃气体；自焦炭气化区4向上流动的高温气体为生物质热解区2提供生物质热解所需的热量，维持热解区2的温度在500-600℃；生物质在热解区2反应后释放出的带细小焦炭颗粒的反应气体和催化剂向上快速流经重组分气化区3，二次气化剂由二次气化剂输入口6加入，在二次气化剂作用下，发生部分氧化反应，重组分气化区3温度达到1000℃以上，使挥发分中的焦油重组分在高温和催化剂作用条件下同时发生热裂解和催化裂解，焦油重组分转化为轻质可燃气体。未反应的焦炭通过气固分离和固体回流装置8返回焦炭气化区4进一步参加反应，可燃气体从气固分离和固体回流装置8的上部输出。

Claims (7)

1.一种生物质复合气化的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(1)生物质原料从位于热解区的进料口加入复合气化炉内，在500-600℃温度下发生热解反应，生物质释放出挥发气体，并生成固体焦炭；

(2)焦炭大颗粒向下流入复合气化炉内的焦炭气化区，在一次气化剂的作用下，少部分焦炭发生氧化反应，使焦炭气化区温度达到1000℃以上，大部分焦炭则发生气化反应生成可燃气体；

(3)自焦炭气化区向上流动的高温气体为生物质热解区提供生物质热解所需的热量，维持热解区温度在500-600℃；

(4)生物质热解区释放出的带细小焦炭颗粒的反应气体和催化剂向上快速流经焦油重组分气化区，在二次气化剂的作用下，发生部分氧化反应，重组分气化区温度达到1000℃以上，使挥发分中的焦油重组分在高温和催化剂作用下同时发生热裂解和催化裂解反应，焦油重组分转化为轻质可燃气体；

(5)重组分气化区未反应的焦炭以及夹带在气体中的催化剂细颗粒通过上部的出气管接到旋风分离器进行气固分离，燃气通过旋风分离器上部排出，固体颗粒通过旋风分离器下部回流装置被送回焦炭气化区。

2.根据权利要求1所述的生物质复合气化的方法，其特征在于：所述一次气化剂和二次气化剂为空气或氧气或水蒸气或富氧中的一种或几种。

3.根据权利要求1或2所述的生物质复合气化的方法，其特征在于：在上述步骤(1)中，在热解区的进料口加入催化剂。

4.一种用于实现权利要求1所述复合气化方法的复合气化装置，其特征在于：所述复合气化装置包括复合气化炉(1)，所述复合气化炉(1)内包括由热解区(2)和焦炭气化区(4)组成的流化床以及由重组分气化区(3)构成的气流床。

5.根据权利要求4所述的复合气化方法的复合气化装置，其特征在于：所述重组分气化区(3)和焦炭气化区(4)的截面积小于所述热解区(2)的截面积。

6.根据权利要求4所述的复合气化方法的复合气化装置，其特征在于：在所述热解区(2)上设置有生物质进料口(7)，在所述焦炭气化区(4)上设置有一次气化剂输入口(5)，在所述重组分气化区(3)上设置有二次气化剂输入口(6)。

7.根据权利要求4至6中任一所述的复合气化方法的复合气化装置，其特征在于：还包括有与所述复合化炉(1)连接的气固分离和固体回流装置(8)。

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