CN101418239B - 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统，包括原料给料、炭化、木炭制粉、将炭粉输送到气化炉气化，炭化是利用外供的可燃气体和氧气在炭化炉内发生直接燃烧反应，反应放出的热量直接用于提供生物质热解所需的热量，炭化炉的产物为热解气和木炭。通过调整氧气量，控制炭化炉温度在400～600℃，按照可燃气体与氧气完全燃烧时可燃气体摩尔量为1计算，可燃气体加入摩尔量大于1小于5，调整进入炭化炉的外供可燃气体量，控制炭化炉烧嘴火焰温度在1800℃～1200℃之间。木炭制粉通过木炭降温、降压、制粉、增压、流化，通过控制输送用的热解气量，将炭粉输送到气化炉。

Description

利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统

技术领域

本发明涉及一种利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统。该方法属于由生物质制造合成气或可燃气体技术领域。其中合成气为含有CO、H₂以及各种含碳、氢、氧的碳水化合物气体的混合物。利用该发明所产生的合成气能够用于燃气轮机发电系统、燃料电池、合成油、冶金等系统。

背景技术

随着传统化石能源(煤、石油、天然气)储量的日益减少，以及由于使用化石能源带来的环境污染问题，直接威胁着人类的生存和发展，重视和发展可再生、环保能源已成为各国政府的共识。生物质是植物通过光合作用生成的有机物质，其分布广泛、可利用量大、较化石能源清洁，具有CO₂零排放的特征，是一种重要的可再生能源。通过热化学、生物化学等方法，能够将生物质转变为清洁的气体或液体燃料，用以发电、生产工业原料、化工产品等，具有全面替代化石能源的潜力，成为世界各国优先发展的新能源。

将生物质转变为清洁气体或液体燃料的方法很多，在这其中生物质气化技术与其它技术相比能够适应生物质的种类更加宽广，且具有很强的扩展性。生物质的气化过程是一种热化学过程，是生物质原料与气化剂(空气、氧气、水蒸气、二氧化碳等)在高温下发生化学反应，将固态的生物质原料转变为由碳、氢、氧等元素组成的碳水化合物的混合气体的过程，该混合气体通常被称为合成气。气化过程产生的合成气组成随气化时所用生物质原料的性质、气化剂的类别、气化过程的条件以及气化炉的结构不同而不同。气化的目标在于尽量减少生物质原料和气化剂的消耗量以及合成气中的焦油含量，同时最大化系统的气化效率、碳转化率以及合成气中有效成分(CO和H₂)的含量。影响气化目标的因素很多，包括气化工艺所使用的气化炉的类型、气化剂的种类、生物质原料的粒径、气化压力和温度、生物质原料中含有的水分和灰份等。

气化所使用的气化炉大致可以分为三类：固定床、流化床和气流床。固定床气化结构简单、操作便利，运行模式灵活，固体燃料在床中停留时间长，碳转化率较高，运行负荷较宽，可以在20～110％之间变动，但固定床中温度不均匀换热效果较差，出口合成气热值较低，且含有大量焦油；流化床气化在向气化炉加料或出灰都比较方便，整个床内温度均匀、易调节，但对原料的性质很敏感，原料的黏结性、热稳定性、水分、灰熔点变化时，易使操作不正常，此外，为了保证气化炉的正常流化，运行温度较低，出口合成气中焦油含量较高。由于固定床和流化床含有大量的焦油，在后续设备中不得不安装焦油裂解和净化装置，使得气化工艺变得十分复杂；气流床的运行温度较高，炉内温度比较均匀，焦油在气流床中全部裂解，同时气流床具有很好的放大特性，特别适用于大型工业化的应用，但气流床气化对原料的粒径有着严格的限制，进入气流床的原料需要磨成超细的颗粒，然而按照现有的破碎或制粉技术，无法将含纤维较多的生物质原料磨制成满足气流床运行所需的粒径，这就导致无法将气流床用于生物质原料的气化。焦油的裂解和处理以及生物质气化之前的预处理是阻碍生物质气化工艺进一步发展的最大问题。

申请号为200510043836.0的中国专利发明了一种低焦油生物质气化方法和装置，该技术通过将固体生物质热解和热解产物的裂解气化两个过程分开，将生物质转变成焦油含量较低的可燃气体。该方法存在以下几个问题：首先，热解产生的热解气和木炭全部被输送到裂解气化器的燃烧区，在1000℃左右发生不完全燃烧反应，将热解产生的焦油通过高温的方式进行裂解，虽然能降低焦油的含量，但会损失大量的木炭，导致后续还原反应产生的CO数量较低，进而使得合成气中的CO₂含量较高；其次，燃烧反应温度较低，在后续的还原反应中温度会进一步降低，还原区的平均温度将低于700℃，使得有效合成气(CO和H₂)的产量降低(约为30％左右)；再次，经还原反应的灰渣和未反应完全的残碳直接排出系统，造成碳转化率降低；最后，该方法所采用的裂解气化器是固定床的一种形式，燃烧产生的气化剂(主要是CO₂和H₂O)在穿过底部炽热的碳层的时候，由于还原反应是吸热反应，导致床层上下温差较大(顶部1000℃左右，底部500℃左右)，这是固定床固有的缺陷。

美国专利6,863,878B2发明了一种利用含碳原料制取合成气的方法和设备，该方法也采用了炭化(或热解)和裂解气化过程相分离的方法，通过将炭化温度控制在450℉以下，减少热解反应产生的焦油。该方法存在以下几个问题：首先，在炭化阶段产生的气态和固态产物同时被输送到后续的裂解气化炉的反应盘管，并没有对固态产物进行研磨，将影响气化反应的速率和程度；其次，由于气化反应是在盘管中进行，需要使用较多的输送气体保证反应物在盘管内的移动速度，因此输送气体会带走大量的热量，降低系统的气化效率，也使后续的余热利用系统较为庞大，同时在盘管中进行反应的方式也无法做到温度均匀化和易于工程放大的目标；再次，从合理用能的角度来看，燃烧系统产生的洁净合成气作为气化和炭化所需热量的方式不够经济，另外，燃烧产物(主要为CO₂和H₂O)直接排放到环境中，没有充分利用其中的CO₂和水分，造成系统的气化效率较低；最后，合成气中携带的飞灰和未反应完的残碳经两次旋风分离后没有进一步利用，直接排出系统，造成系统的碳转化率较低。

申请号为200610124638.1的中国专利发明了一种利用生物质制造合成气的复合循环式高温气化工艺方法，该方法也采用了炭化和高温气化相结合的方法。该方法存在以下几个问题：首先，采用炭化炉自热或循环合成气间接加热的方式，在工业化实现过程中，存在较大的安全性隐患，同时炭化炉热解升温速率很慢、系统有效合成气的原料消耗量较高、整体气化效率较低；其次，采用两级引射的合成气送粉系统较为复杂，送粉用的合成气对高温气化系统来说也是一种惰性气体，由于惰性气体进入到高温气化系统必然消耗更多的氧气和有效合成气，与无惰性气体进入高温气化系统的输送方式相比，冷气化效率将降低5～10％左右；最后，炭化炉产生的高压木炭没有经过降压，经冷却后直接送入高压制粉机制粉，这种高压制粉过程在工业化时很难实现。

从上可见，在现有的生物质或含碳固体燃料气化技术中，都无法做到高效、低成本的生物质气化目的。同时，即便采用了热解和气化相分离的过程，能够适应生物质原料性质的变化、降低合成气中焦油含量，但反应器温度的均匀化、反应器放大、降低余热利用规模、降低外部资源消耗、提高气化效率和碳转化率等问题制约着生物质气化大型工业化的应用。特别是针对气流床的生物质气化目前还没有一种有效的工艺方法。

发明内容

本发明的目的是给出一种高效、低成本的利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统。

本发明技术方案：

本发明的利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法包括原料给料、炭化、木炭制粉、将炭粉输送到气化炉气化，炭化是利用外供的可燃气体和氧气在炭化炉内发生直接燃烧反应，反应放出的热量直接用于提供生物质热解所需的热量，炭化炉的产物为热解气和木炭。

所述的制造合成气的高温气化工艺方法，通过调整氧气量，控制炭化炉温度在400～600℃，按照外供的可燃气体与氧气完全燃烧时可燃气体摩尔量为1计算，可燃气体加入摩尔量大于1小于5，在此范围内调整进入炭化炉的外供可燃气体量，控制炭化炉烧嘴火焰温度在1800℃～1200℃之间。

所述的制造合成气的高温气化工艺方法，炭化炉的最佳温度在450～550℃，按照外供可燃气体与氧气完全燃烧时可燃气体摩尔量为1计算，外供可燃气体加入最佳摩尔量为1.5～3，在此范围内调整进入炭化炉的外供可燃气体量。

所述的将木炭制粉的过程是：通过木炭降压给料装置将木炭降到常压，然后送往制粉机制成炭粉，再用常压输送气体将炭粉送到炭粉增压给料系统。

所述的制造合成气的高温气化工艺方法，采用炭化炉产生的热解气作为输送气体将炭粉输送到气化炉；通过控制输送用的热解气量，将炭粉输送管路的固气比控制在0.03～0.45m³/m³。

所述的制造合成气的高温气化工艺方法，在制粉后的输送过程中，增设流化工艺，流化气体为外供的可燃气体。

所述的制造合成气的高温气化工艺方法，其特征在于：炭化炉顶部有热解气出口并与气化炉连接，热解气出口装有过滤器，在正常运行时采用外供的可燃气体作为过滤器的反吹气体。

用于所述工艺方法的利用生物质制造合成气的高温气化系统包括生物质原料的增压给料系统、炭化炉、制粉系统、炭粉输送系统、气化炉及其连接管路和气力输送系统，炭化炉烧嘴与外供的可燃气体的管路和氧气管路连接。

所述的利用生物质制造合成气的高温气化系统，在炭化炉木炭出口至气化炉的管路上依次设有木炭冷却器、木炭降压给料系统、制粉机、炭粉增压给料系统。

所述的利用生物质制造合成气的高温气化系统，炭化炉顶部有热解气出口并与气化炉连接，热解气出口装有过滤器，过滤器的反吹气体接口与外供的可燃气体管路连接。

本发明的优点：

第一，本发明采用了外供可燃气体与氧气直接燃烧的炭化炉加热技术。外供可燃气体可以是系统外部提供的天然气或者是其他系统产生的含有碳氢化合物的废气。本发明采用的炭化炉加热技术主要有以下三个特点：其一，可燃气体由系统外部提供；其二，炭化所需热量由外供可燃气体与氧气直接燃烧提供，利用的是可燃气体的化学能；其三，由于采用直接燃烧，使炭化炉加热效率高，因而可以采用快速热解的方式进行炭化。与申请号为200610124638.1的中国专利发明的利用生物质制造合成气的复合循环式高温气化工艺方法(以下简称复合循环式气化方法)的最大区别有三个：其一，复合循环式气化方法用于给炭化炉提供热量的可燃气体(即合成气)由系统自身产生；其二，复合循环式气化方法利用的是可燃气体的显热，通过间接换热方式提供给生物质炭化所需热量；其三，这种间接加热方式的换热效率较低、实现工艺复杂导致原料升温速率慢，其炭化过程为慢速热解。因此本发明中的炭化炉加热技术与复合循环式气化方法的炭化炉加热方式有着本质的不同，利用本技术解决了复合循环式气化方法热解速率慢、炭化炉加热性能较低等问题。同时，与传统燃气设备利用可燃气体的方式和目的也有着本质的不同。总之，本发明打破了行业习惯势力，大胆地采用外供可燃气体、直接燃烧、快速热解的炭化方式，同时，解决了采用该方式所带来的一系列技术问题，冲破了制约利用生物质制造合成气的技术瓶颈，实现了大幅度地提高气化系统的气化效率、降低有效合成气耗氧量、提高整个系统的能量转化率等。

本发明利用外供可燃气体，通过调整进入炭化炉的外供可燃气体与氧气的比例实现控制炭化炉温度、炭化炉烧嘴火焰温度、升温速率等。此技术达到的目的主要有三个：其一，利用可燃气体与氧气燃烧放出的热量提供给生物质进行炭化(或热解)；其二，当可燃气体过量时，过量的那部分可燃气体对燃烧反应来说相当于惰性气体，因此，可以利用过量的这部分可燃气体的显热变化来吸收燃烧放出的部分热量，由此来降低炭化炉烧嘴的火焰温度，如果采用其他不含有碳氢化合物的惰性气体来降低炭化炉烧嘴火焰温度，会导致大量惰性气体进入气化系统，降低系统效率以及合成气品质；其三，从可燃气体化学能的利用方式来看，由于可燃气体过量，因此在炭化炉内仅利用了可燃气体化学能的一部分，另外一部分可燃气体的化学能在气化炉中继续加以利用。因此，通过引入外供可燃气体，可以有效提高气化系统的气化效率、降低有效合成气耗氧量、提高整个系统的能量转化率。通过与复合循环式气化方法的对比，采用本发明的技术，气化效率增加1％以上，有效合成气耗氧量(每生产1摩尔的CO和H₂消耗的氧气摩尔量)降低到0.3mol/mol以下。

第二、本发明采用了热解气输送炭粉的技术，避免传统干粉煤气化时，采用惰性气体(二氧化碳或氮气)输送煤粉，将使大量惰性气体进入气化炉，导致气化炉必须消耗更多的氧气和有效合成气来保持气化温度，使得气化效率降低、有效合成气耗氧量增加，与Shell煤气化相比，有效合成气耗氧量降低10～20％，与复合循环式气化方法相比，冷气化效率可以提高5～10％

第三，本发明采用了可燃气体流化炭粉的技术。一方面避免炭粉在流动过程中搭桥、阻塞；其次，避免炭粉在下料过程中，惰性的充压气体进入到高温气化系统，降低合成气品质及气化效率，还可以防止输送炭粉的热解气反串到炭粉增压给料系统引起热解气冷凝；此外，通过引入高品质的燃气，避免传统干粉煤气化时，采用惰性气体流化煤粉时导致惰性气体进入气化炉，可以有效提升合成气品质及气化效率；

第四，本发明采用了可燃气体作为正常运行时设备的吹扫气体。传统煤气化系统通常采用惰性气体作为正常运行时设备的吹扫、反吹气体，如果吹扫频率过高，会导致较多的惰性气体被带入气化炉，降低合成气的品质，如果采用外供的可燃气体作为吹扫气体，不仅避免了以上问题，还可有助于提升合成气的品质。

第五，本发明采用了木炭降压给料、常压制粉的技术。与申请号为200610124638.1的中国专利发明的利用生物质制造合成气的复合循环式高温气化工艺方法采用的高压制粉技术相比，高压制粉技术在理论上是可行的，但在工程实现上存在很多技术难点，如高压密封问题、震动引起的高压设备安全问题等，因此很难实现，本技术在工程上更容易实现，并且安全可靠。

附图说明

图1为本发明的系统及工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的最佳实施方式、工艺过程和系统布置结构。

如图1，利用生物质制造合成气的高温气化系统包括：1是生物质原料、2是生物质原料的增压给料系统、3是炭化炉、4是去炭化炉烧嘴的可燃气体管路、5是去炭化炉烧嘴的氧气管路、6是炭化炉烧嘴、7是过滤器、8是过滤器反吹气体管路、9是过滤器出口热解气管路、10是热解气缓冲罐、11是输送炭粉的热解气管路、12是去气化炉烧嘴的热解气管路、13是调节阀、14是热解气加热器、15是加热后的热解气管路、16是炭粉引射器、17是炭粉和热解气混合气体管路、18是炭化炉木炭出口管路、19是木炭冷却器、20是冷却后的木炭管路、21是木炭降压给料系统、22是常压木炭管路、23是制粉机、24是炭粉管路、25是常压输送气体管路、26是常压气力输送系统、27是常压输送气体和炭粉混合物管路、28是炭粉增压给料系统、29是高压炭粉管路、30是炭粉流化装置、31是流化气体管路、32是流化后的炭粉管路、33是去气化炉烧嘴的氧气管路、34是气化炉烧嘴、35是气化炉、36是合成气管路、37是灰渣管路、38是除盐除氧水管路、39是饱和水蒸气管路、40是原料增压系统的充压气体管路、41是原料增压系统的卸压气体管路、42是木炭降压给料系统的充压气体管路、43是木炭降压给料系统的卸压气体管路、44是炭粉增压给料系统的充压气体管路、45是炭粉增压给料系统的卸压气体管路、46是炭化炉出口热解气管路、47是气化炉水冷壁。

炭化炉烧嘴6与可燃气体的管路4和氧气管路5连接。在炭化炉木炭出口至气化炉的管路上依次设有木炭冷却器19、木炭降压给料系统21、制粉机23、炭粉增压给料系统28。炭粉输送采用炭粉引射器16，炭粉引射器16与输送用的热解气管路和炭粉管路连接。炭化炉顶部有热解气出口并与气化炉连接，热解气出口装有过滤器7，过滤器7的反吹气体接口与可燃气体管路8连接。

干燥脱水后的生物质原料1进入原料增压给料系统2中，通过气力增压技术将生物质原料输送到炭化炉3；通过管路4和管路5向炭化炉3内通入外供的可燃气体和氧气，发生燃烧反应，反应放出的热量作为生物质原料热解所需的热量，通过控制氧气的量，将炭化炉3温度控制在400～600℃，按照外供可燃气体与氧气完全燃烧时可燃气体摩尔量的1～5倍调整进入炭化炉的可燃气体量，控制炭化炉烧嘴火焰温度低于1800℃。炭化炉3的产物为含有CO、H₂、CO₂、H₂O、CH₄和焦油等组分的热解气和木炭。粗热解气经管路46至滤器7分离后，粗热解气中的含碳固体颗粒通过管路46返回到炭化炉3，纯净的热解气通过管路9输送到热解气缓冲罐10。

从热解气缓冲罐10出来的一部分纯净热解气经过管路11和调节阀13进入到热解气加热器14，将热解气的温度提升到550～650℃，作为炭粉输送气体，通过管路15送入炭粉引射器16，通过调整阀门13的开度，将炭粉输送管路17的固气比控制在0.03～0.45m³/m³；

热解气缓冲罐10出来的另外一部分纯净热解气经过管路12与管路33的氧气一起被送入气化炉烧嘴34，炭粉和输送热解气的混合气体经管路17也被送入气化炉烧嘴34，在气化炉35内发生高温气化反应，通过调整氧气的量以及内部通有除盐除氧水的水冷壁47的换热量，将气化炉出口36温度控制在1200～1600℃。气化产物主要为CO和H₂，少量的CO₂、H₂O以及微量的CH₄。其中，除盐除氧水经水冷壁47吸热后产生次高压饱和水蒸气由管路39进入到后续系统，气化产生的灰渣由管路37排出。

炭化炉3产生的木炭，先经木炭冷却器19将其温度降到木炭降压给料系统21所要求的工作温度后，再由木炭降压给料系统21将其降压后送到制粉机23磨成炭粉，通过管路24输送到常压气力输送系统26，然后，利用管路25的常压输送气体(二氧化碳或氮气)将炭粉输送到炭粉增压给料系统28，通过气力增压技术，在炭粉增压给料系统28中将炭粉压力提高到气化炉35的工作压力，高压炭粉经管路29进入到流化装置30，使用外供可燃气体31对下料管路29中的炭粉进行流化，再经过管路32后进入炭粉引射器16，送到气化炉35。

实施例一：

生物质原料以木材为例，干燥后木材的元素分析和特性数据如表1所示：

表1 干燥后木材的元素分析和特性数据表

外供可燃气体以天然气为例，天然气的成分分析和特性数据如表2所示：

表2 天然气成分分析和特性数据表

主要工艺操作条件设定如下：

1)生物质原料1通过原料增压给料系统2输送到炭化炉3的生物质量控制在4.07kg/s。

2)炭化炉3的压力控制在3.1MPa，温度控制在500℃；

3)按照可燃气体与氧气完全燃烧时可燃气体摩尔量的2倍调整进入炭化炉的外供可燃气体量；

4)炭化炉3中原料的热解升温速率控制在50℃/s；

5)木炭冷却器19将高温木炭冷却到80℃；

6)热解气加热器14将热解气加热到600℃；

7)炭粉输送管路17的固气比控制在0.03m³/m³；

8)气化炉35的压力控制在3.0MPa，温度控制在1300℃。

根据以上设定条件，结合附图具体说明本发明在实施过程中，系统主要物流数据和性能参数：

1)引入炭化炉3的40℃可燃气体的质量流率为0.28kg/s；

2)引入炭化炉3的160℃氧气的质量流率为0.63kg/s；

3)炭化炉烧嘴6的火焰温度为1800℃；

4)炭化炉3产生的热解气总量为3.69kg/s；

5)炭化炉3产生的木炭总量为1.19kg/s；

6)经管路31送入用于流化炭粉的可燃气体的温度为300℃、质量流率为0.03kg/s；

7)管路11中用于输送炭粉的热解气的质量流率为0.89kg/s；

8)管路17中炭粉和用于输送热解气的混合体的质量流率为2.1kg/s；

9)管路12中直接进入气化炉35的热解气的质量流率为2.8kg/s；

10)管路33中引入气化炉35的氧气温度为160℃，质量流率为1.5kg/s；

11)管路36输出的合成气总量为6.5kg/s，CO和H₂干基含量为87.2％；

12)系统的碳转化率为99.9％，有效合成气耗氧量为0.3mol/mol。

实施例二：

仍以实施例一中使用的木材作为生物质原料(见表1)，使用天然气作为可燃气体(见表2)，炭化炉3的温度控制在600℃、炭化炉3中原料的热解升温速率控制在100℃/s，其他主要工艺操作条件与实施例一相同。

根据以上设定条件，结合附图具体说明本发明在实施过程中，系统主要物流数据和性能参数：

1)引入炭化炉3的40℃可燃气体的质量流率为0.33kg/s；

2)引入炭化炉3的160℃氧气的质量流率为0.63kg/s；

3)炭化炉烧嘴6的火焰温度为1700℃；

4)炭化炉3产生的热解气总量为3.84kg/s；

5)炭化炉3产生的木炭总量为1.19kg/s；

6)经管路31送入用于流化炭粉的可燃气体的温度为300℃、质量流率为0.03kg/s；

7)管路11中用于输送炭粉的热解气的质量流率为0.89kg/s；

8)管路17中炭粉和用于输送热解气的混合体的质量流率为2.1kg/s；

9)管路12中直接进入气化炉35的热解气的质量流率为2.96kg/s；

10)管路33中引入气化炉35的氧气温度为160℃，质量流率为1.5kg/s；

11)管路36输出的合成气总量为6.6kg/s，CO和H₂干基含量为87.5％；

12)系统的碳转化率为99.9％，有效合成气耗氧量为0.308mol/mol。

实施例三：

仍以实施例一中使用的木材作为生物质原料(见表1)，使用天然气作为可燃气体(见表2)，按照可燃气体与氧气完全燃烧时可燃气体摩尔量的5倍调整进入炭化炉的外供可燃气体量，其他主要工艺操作条件与实施例一相同。

根据以上设定条件，结合附图具体说明本发明在实施过程中，系统主要物流数据和性能参数：

1)引入炭化炉3的40℃可燃气体的质量流率为0.78kg/s；

2)引入炭化炉3的160℃氧气的质量流率为0.604kg/s；

3)炭化炉烧嘴6的火焰温度为1200℃；

4)炭化炉3产生的热解气总量为4.3kg/s；

5)炭化炉3产生的木炭总量为1.19kg/s；

6)经管路31送入用于流化炭粉的可燃气体的温度为300℃、质量流率为0.02kg/s；

7)管路11中用于输送炭粉的热解气的质量流率为0.89kg/s；

8)管路17中炭粉和用于输送热解气的混合体的质量流率为2.1kg/s；

9)管路12中直接进入气化炉35的热解气的质量流率为3.4kg/s；

10)管路33中引入气化炉35的氧气温度为160℃，质量流率为2.05kg/s；

11)管路36输出的合成气总量为7.6kg/s，CO和H₂干基含量为90.4％；

12)系统的碳转化率为99.9％，有效合成气耗氧量为0.295mol/mol。

实施例四：

仍以实施例一中使用的木材作为生物质原料(见表1)，使用天然气作为可燃气体(见表2)，炭化炉3的温度控制在400℃、木炭冷却器19将高温木炭冷却到200℃，其他主要工艺操作条件与实施例一相同。

根据以上设定条件，结合附图具体说明本发明在实施过程中，系统主要物流数据和性能参数：

1)引入炭化炉3的40℃可燃气体的质量流率为0.23kg/s；

2)引入炭化炉3的160℃氧气的质量流率为0.44kg/s；

3)炭化炉烧嘴6的火焰温度为1800℃；

4)炭化炉3产生的热解气总量为3.55kg/s；

5)炭化炉3产生的木炭总量为1.19kg/s；

6)经管路31送入用于流化炭粉的可燃气体的温度为300℃、质量流率为0.03kg/s；

7)管路11中用于输送炭粉的热解气的质量流率为0.833kg/s；

8)管路17中炭粉和用于输送热解气的混合体的质量流率为2.04kg/s；

9)管路12中直接进入气化炉35的热解气的质量流率为2.72kg/s；

10)管路33中引入气化炉35的氧气温度为160℃，质量流率为1.5kg/s；

11)管路36输出的合成气总量为6.3kg/s，CO和H₂干基含量为87.1％；

12)系统的碳转化率为99.9％，有效合成气耗氧量为0.3mol/mol。

实施例五：

仍以实施例一中使用的木材作为生物质原料(见表1)，使用天然气作为可燃气体(见表2)，热解气加热器14将热解气加热到650℃、炭粉输送管路17的固气比控制在0.45m³/m³，其他主要工艺操作条件与实施例一相同。

根据以上设定条件，结合附图具体说明本发明在实施过程中，系统主要物流数据和性能参数：

1)管路11中用于输送炭粉的热解气的质量流率为0.63kg/s；

2)管路17中炭粉和用于输送热解气的混合体的质量流率为1.8kg/s；

3)管路12中直接进入气化炉35的热解气的质量流率为3.1kg/s；

4)管路33中引入气化炉35的氧气温度为160℃，质量流率为1.5kg/s；

5)管路36输出的合成气总量为6.5kg/s，CO和H₂干基含量为87.2％；

6)系统的碳转化率为99.9％，有效合成气耗氧量为0.3mol/mol。

结果分析：

1)炭化炉温度的调整对结果的影响：

当炭化温度低于400℃时，炭化炉产生的热解气中含有的焦油较多，采用热解气输送炭粉时，可能导致热解气发生冷凝，影响炭粉输送系统的稳定运行；当炭化温度高于600℃时，选择普通的合金钢材料可能无法承受这么高的温度，如果选择特殊的合金材料会增加炭化炉的投资成本。

2)炭化炉外供可燃气体引入量变化对结果的影响：

如果按照可燃气体与氧气完全燃烧时可燃气体摩尔量的1倍调整进入炭化炉的可燃气体量，此时，可燃气体与氧气发生完全燃烧反应，炭化炉烧嘴的火焰温度将超过2000℃，如果长时间在此温度下运行将导致炭化炉内部机械部件损坏，引发安全性事故；随着可燃气体量的增大，炭化炉烧嘴火焰温度逐步降低，当可燃气体量达到完全燃烧时可燃气体量的5倍时，炭化炉烧嘴火焰温度将降低到1200℃，如果进一步增加炭化炉可燃气体的提供量，虽可以进一步降低炭化炉烧嘴火焰温度，但是将导致炭化炉烧嘴出口气流速度增加，使燃烧不稳定；此外，将导致气化炉出口CH₄急剧增高，为了降低CH₄含量只有提高气化温度，但是过高的气化温度又会导致气化炉的投资成本增加。

3)热解气输送炭粉管路的固气比变化对结果的影响：

当固气比低于0.03m³/m³时，此时，输送炭粉的热解气占总热解气比例较大，在气化炉中与氧气发生燃烧反应的热解气量减少，可能会影响气化炉烧嘴的稳定运行；当固气比高于0.45m³/m³时，炭粉在热解气送粉的过程中可能发生沉降和栓塞，导致进入气化炉烧嘴的炭粉量出现波动，影响气化炉的稳定运行。

4)木炭冷却器出口温度变化对结果的影响：

当木炭冷却器出口木炭温度低于60℃时，将导致木炭冷却器换热面积和体积增大，投资成本增加，此外，木炭冷却的温度越低，系统效率降低的就越多；当木炭冷却器出口木炭温度高于200℃时，可能导致木炭降压给料系统中的某些设备无法正常工作。

Claims (8)

1.一种利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法，包括原料给料、炭化、木炭制粉、将炭粉引射输送到气化炉气化，其特征在于：将炭粉引射输送到气化炉是采用炭化炉产生的热解气作为输送气体，通过控制输送用的热解气量，来控制炭粉的输送；炭化是在炭化炉内通入外供可燃气体和氧气，通过调整可燃气体和氧气的比例，控制炭化炉温度和炭化炉烧嘴火焰温度；通过调整氧气量，控制炭化炉温度在400～600℃，按照外供可燃气体与氧气完全燃烧时可燃气体摩尔量为1计算，外供可燃气体加入摩尔量大于1小于5，调整进入炭化炉的外供可燃气体量，控制炭化炉烧嘴火焰温度在1800℃～1200℃之间。

2.根据权利要求1所述的制造合成气的高温气化工艺方法，其特征在于：控制炭粉输送管道的炭粉与热解气的固气比在0.03～0.45m³/m³。

3.根据权利要求1或2所述的制造合成气的高温气化工艺方法，其特征在于：炭化炉产生的热解气经过过滤、温度提升到550～650℃后，作为炭粉输送气体。

4.根据权利要求1或2所述的制造合成气的高温气化工艺方法，其特征在于：木炭制粉的过程是：冷却装置将炭化炉出口高温木炭冷却到60～200℃，通过木炭降压给料装置将木炭降到常压，然后送往制粉机制成炭粉，再用输送气体将炭粉送到炭粉增压给料系统；增压后的炭粉再进入将炭粉输送到气化炉。

5.根据权利要求1或2所述的制造合成气的高温气化工艺方法，其特征在于：在炭粉输送到气化炉之前，增设流化工艺，使用外供可燃气体对炭粉进行流化。

6.一种用于权利要求1～5之一所述高温气化工艺方法的利用生物质制造合成气的高温气化系统，包括生物质原料的增压给料系统、炭化炉、制粉系统、炭粉引射器、气化炉及其连接管路和气力输送系统，其特征在于：炭粉引射器(16)与输送用的热解气管路和炭粉输送管路连接。

7.根据权利要求6所述的利用生物质制造合成气的高温气化系统，其特征在于：炭化炉烧嘴(6)与外供可燃气体的管路(4)和氧气管路(5)连接。

8.根据权利要求6或7所述的利用生物质制造合成气的高温气化系统，其特征在于：炭化炉顶部有热解气出口与气化炉连接，热解气出口装有过滤器(7)，过滤器(7)的反吹气体接口与外供可燃气体管路(8)连接。

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