CN103305285B - 一种生物质三段式气化制取低焦油高热值可燃气的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质三段式气化制取低焦油高热值可燃气的装置及方法，其中装置由流化床气化反应器、旋风重整反应器、移动床催化反应器和返料器组成，流化床气化反应器上部与旋风重整反应器上部相联通，流化床气化反应器下部通过返料器与移动床催化反应器下部相联通，旋风重整反应器顶部与移动床催化反应器顶部相联通；流化床气化反应器下部还设有生物质颗粒加料口及第一富氧/水蒸气进气口；旋风重整反应器上部为第二富氧/水蒸气进气口；返料器底部为第三富氧/水蒸气进气口。本发明可有效解决目前生物质气化工艺中存在的产气热值低、焦油浓度高的问题，制取多种可直接应用于燃气设备的高品质可燃气。系统可自热式运行，气化成本低，能量利用率高。

Description

一种生物质三段式气化制取低焦油高热值可燃气的装置及方法

技术领域

 本发明涉及一种生物质三段式气化制取低焦油高热值可燃气的装置及方法，属于固体废弃物资源化处置领域。

背景技术

随着我国城镇化水平的提高，农村能源需求量增大且能源结构出现改变，农村家庭能源消费由秸秆、薪柴等传统燃料向清洁的天然气、液化石油气燃料转变，生物质资源出现地区性、季节性和结构性过剩。大量生物质直接焚烧处理，既浪费了宝贵的资源，又严重污染了环境。因此，如何解决生物质的处理处置出路，实现生物质能源的高效回收利用，已成为我国社会主义新农村建设中亟待解决的重大问题。

气化是固体燃料通过热化学方式转化为可燃气的过程。生物质气化技术只需少量农林废弃物就能产生可燃性气体，能针对性解决农村生物质处理难、天然气普及难等问题，对于缓解当前农村经济发展过程中的能源紧缺问题，减轻环境污染和资源浪费具有重要的战略意义。

现有的生物质气化反应器包括固定床、流化床及气流床等型式。固定床气化炉结构简单、投资少、操作方便，但生产规模较小且连续运行性能差；气流床氧气气化可生成含焦油量中等的可燃气并具有较高的碳转化率，投资成本较高，适用于十分大规模的气化装置。相比固定床或气流床气化，流化床气化具有传热传质速率高、燃料适用性广、经济性高、容易放大和规模化等优势，受到越来越多的关注。

现有的流化床气化反应器存在产气焦油浓度高、热值低的问题，气化产气需添加昂贵的后续净化处理设备才可使用。提高气化温度可促进焦油裂解，但同时增加了灰分结渣的风险并降低气化效率；通过优化气化剂成分可降低焦油浓度，但仍不能满足可燃气直接替代使用的要求；催化剂在流化床内受流体动力学影响以及催化剂机械强度低、热稳定性差、易中毒失活问题的限制，应用较困难；分段式气化目前主要在固定床气化系统中应用，但流化床分段式气化更有利于提高气化产气量和产气品质。

发明内容

技术问题：

针对目前生物质气化技术中存在的产气热值低、焦油浓度高的问题，本发明提出一种将生物质热解、焦油重整和焦炭气化分隔开的三段式气化装置及方法，可制取低焦油高热值可燃气，且气化效率高。

技术方案：

本发明的生物质三段式气化制取低焦油高热值可燃气的装置，由流化床气化反应器、旋风重整反应器、移动床催化反应器和返料器组成，流化床气化反应器上部与旋风重整反应器上部相联通，流化床气化反应器下部通过返料器与移动床催化反应器下部相联通，旋风重整反应器顶部与移动床催化反应器顶部相联通；流化床气化反应器下部还设有生物质颗粒加料口及第一富氧/水蒸气进气口，流化床气化反应器底部设有排渣口；旋风重整反应器上部为第二富氧/水蒸气进气口，旋风重整反应器底部为液态排渣口；移动床催化反应器下部设有焦炭进口及可燃气出口，移动床催化反应器底部设有排灰口；返料器底部为第三富氧/水蒸气进气口。

本发明制取低焦油高热值可燃气的方法，包括如下步骤：

（1）向流化床气化反应器送入生物质原料、富氧/水蒸气，在600~800℃条件下生成粗质可燃气及热解焦炭，粗质可燃气由流化床气化反应器上部输送到旋风重整反应器，热解焦炭由流化床气化反应器下部经返料器输送到移动床催化反应器，返料器底部通入富氧/水蒸气保证焦炭颗粒的连续输送，气化生成的底渣由流化床气化反应器排渣口排出；

（2）粗质可燃气进入旋风重整反应器后，同时向第二富氧/水蒸气进气口中通入富氧/水蒸气，在1200~1400℃的条件下，粗质可燃气脱除其中的焦油和灰分得到净化的高温可燃气，由旋风重整反应器上部输送到移动床催化反应器，反应生成的熔渣由旋风重整反应器的液态排渣口排出；

（3）热解焦炭在移动床催化反应器内堆积形成焦炭床层，重整后的高温可燃气进入移动床催化反应器后，焦油在700~900℃的焦炭催化气氛下进一步裂解脱除，热解焦炭被高温可燃气中的CO₂及水蒸气还原生成CO，经催化还原后获得的低焦油高热值可燃气由移动床催化反应器下部可燃气出口排出，气化产生灰分由底部排灰口排出。

所述流化床气化反应器的反应温度为750℃，旋风重整反应器反应温度为1200℃，移动床催化反应器反应温度为880℃。

通入的富氧/水蒸气为富氧气体和水蒸气的混合气体，混合气体的比例为1:1~5:1，富氧气体浓度为40%；水蒸气温度400~500℃。

本发明的三段式气化制取低焦油高热值可燃气的方法，将生物质颗粒加入流化床内，生物质颗粒和水蒸气、富氧气体剧烈混合，发生强烈的热量和质量交换，使得床内的生物质颗粒迅速升至床内温度，生物质中纤维素热解析出挥发性物质和焦油，木质素则分解产生焦炭颗粒。携带着大量焦油及灰分的粗质可燃气由流化床上部送至旋风重整反应器，焦炭则由流化床下部经返料器输送至移动床催化反应器用作催化剂。返料器底部通入富氧气体和水蒸气调节输送量，保证焦炭颗粒的连续传送并避免气体反窜。旋风重整反应器中部分粗质可燃气与富氧气体发生燃烧反应维持重整高温气氛，初级焦油经过高温裂解及水蒸气重整反应被彻底裂解脱除，灰分高温熔融形成液态灰渣后由排渣口排出。灰分中的重金属可稳定固熔于熔渣中，熔渣可直接填埋或用作建筑和路基材料。热解焦炭送入移动床催化反应器中堆积成为焦炭床层，重整后的高温可燃气由移动床顶部送入并将热量传递至移动床内。焦油与焦炭充分接触并被催化裂解为小分子气体，同时焦炭被可燃气中的水蒸气及CO₂重整生成CO，产气洁净度及热值均得到提高。在发明装置中，通过对三段式气化各段的气化剂组分及运行参数的调节，可获得性质不同的可燃气，满足发动机、燃气轮机以及化工合成等多种燃气应用的要求。富氧气体与可燃气燃烧可为系统供热，实现系统的自热式运行。

有益效果：

常规流化床气化技术的碳转化率低且燃气焦油浓度偏高，气体的后续净化处理困难。本发明结合现有高温气化、富氧/水蒸气重整、分段式气化及催化裂解的技术优势，提出一种新型三段式生物质气化制取低焦油高热值可燃气的装置及方法，将生物质热解、焦油重整及焦炭气化过程分隔开来，可有效提高焦油和焦炭转化率。三段式气化模拟结果显示，当流化床温度为750℃，旋风重整反应器温度为1200℃，移动床温度为880℃时，三段式气化效率可达81%，焦炭转化率为98%，产气中焦油含量低至10mg/Nm³。因此，本发明可减少可燃气二次净化成本，实现产气在燃气设备上的直接应用。

1、流化床气化适用于多种不同品质的燃料并容易放大，通过中低温热解气化可避免生物质中灰分结渣导致的流化床运行不稳定，采用富氧/水蒸气气化生成含焦油较多的粗质可燃气及热解焦炭。富氧气化可改善气化反应速率及气化效率，并为水蒸气重整反应供热，减少外加热源的使用，水蒸气重整有助于降低焦油产量。热解焦炭含碳量高，可用作良好的焦油裂解催化剂。

2、旋风重整反应器在高温+水蒸气气氛下对粗质可燃气中的焦油进行重整，水蒸气的通入可防止重整反应器结焦及焦油发生二次聚合。灰分高温熔融为液态灰渣，有效固熔重金属等污染物，熔渣可直接填埋或回收用作建筑和路基材料。反应器高温气氛通过富氧气体与部分粗质可燃气燃烧放热维持，减少了化石燃料的使用，降低了运行成本。

3、热解焦炭在移动床中直接用于催化裂解焦油，可进一步降低焦油浓度，节约催化剂使用成本，也解决了流化床气化中焦油与焦炭接触时间短、催化效果不佳的问题。同时，焦炭还可被水蒸气及CO₂进一步气化生成CO，焦油和焦炭转化率均得到提高。

4、采用返料器实现热解焦炭由流化床气化反应器到移动床催化反应器的连续传送，有效避免气体反窜。返料器底部通入富氧气体和水蒸气调节输送量，保证焦炭颗粒的连续传送。根据燃料活性及灰含量的不同，返料器可作为小型燃烧器（通富氧气体）或重整反应器（通水蒸气）使用，适应系统运行工况变化的要求。

5、采用流化床、高温重整与移动床相结合的三段式气化系统，操作灵活方便，可通过调整各段过程的气化剂组分及运行条件获取多种不同类型的可燃气，满足燃气轮机、发动机以及化工制备等不同燃气应用的要求。相比固定床分段气化生产能力更大，更适合中型或大型工业化生产，商业化应用前景良好。

6、气化及重整所用富氧气体的氧浓度在40%左右，可通过富氧膜式制氧法获得，制氧成本较低。富氧气体的通入为流化床及重整反应器提供了所需热量，重整后高温可燃气的热量传递至移动床维持催化所需温度，整个气化系统可实现自热式运行。

附图说明

图1为本发明的生物质三段式气化工艺流程示意图。

图2是气化特性随温度变化的曲线图。

其中有流化床气化反应器1，螺旋加料器1-1，风室1-2，布风板1-3，旋风重整反应器2，移动床催化反应器3，返料器4，第一富氧/水蒸气进气口A，生物质颗粒加料口B，排渣口C，第二富氧/水蒸气进气口D，液态排渣口E，焦炭进口F，可燃气出口G，排灰口H，第三富氧/水蒸气进气口I。

具体实施方式

本发明提供的生物质三段式气化制取低焦油高热值可燃气装置，主要由流化床气化反应器1、旋风重整反应器2、移动床催化反应器3、以及返料器4组成。流化床气化反应器1上部与旋风重整反应器2上部相联通，下部通过返料器4与移动床催化反应器3下部相联通，旋风重整反应器2顶部与移动床催化反应器3顶部相联通。流化床气化反应器1的下部还设有生物质颗粒加料口B以及第一富氧/水蒸气进气口A，底部设有排渣口C；旋风重整反应器2上部为第二富氧/水蒸气进气口D，底部为液态排渣口E；移动床催化反应器3下部设有焦炭进口F及可燃气出口G，底部设有排灰口H；返料器4底部为第三富氧/水蒸气进气口I。

制取方法的具体过程为：生物质颗粒经螺旋加料器1-1由生物质颗粒加料口B加入，富氧/水蒸气气化剂由第一富氧/水蒸气进气口A通入，生物质颗粒与富氧/水蒸气在流化床气化反应器1内进行热解气化反应。生物质中纤维素热解析出挥发分和焦油，木质素则分解生成焦炭颗粒，灰渣经排渣口C排出。气化生成的粗质可燃气携带着焦油和灰分由流化床气化反应器1上部离开，进入旋风重整反应器2中。气化生成的焦炭颗粒流入返料器4，在从第三富氧/水蒸气进气口I通入的富氧/水蒸气的作用下，焦炭颗粒由焦炭进口F送入移动床催化反应器3中用作催化剂。由旋风重整反应器2的第二富氧/水蒸气进气口D通入的富氧/水蒸气，与粗质可燃气充分混合重整，焦油可在高温下裂解或进一步与水蒸气发生重整反应而脱除，可燃气中的飞灰高温熔融生成的液态灰渣经液态排渣口E排出。从旋风重整反应器2出来的高温可燃气，进入移动床催化反应器3，流经焦炭堆积的床层并被进一步净化。焦油与焦炭充分接触并被催化裂解，焦炭在水蒸气及CO₂的作用下被还原生成CO，洁净的可燃气由移动床下部可燃气出口G排出，残余灰分由底部排灰口H排出。

在整个生物质三段式气化过程中，流化床气化反应器处于600~800℃的中温状态，旋风重整反应器处于1200~1400℃高温状态，移动床催化反应器通过高温可燃气传递热量维持700~900℃中温。热解气经高温水蒸气重整脱除焦油，热解焦炭送至移动床催化反应器用作催化剂，将生物质热解、焦油重整及焦炭气化过程分开，通过富氧气化为系统供热，实现系统的自热式运行。

图2所示为模拟计算的气化效率、焦炭转化率及产气中焦油含量随气化温度的变化曲线图。模拟结果显示，气化效率、焦炭转化率随温度升高逐渐增大，在温度1000℃以上气化效率达到80%以上，焦炭转化率可达到90%以上；焦油产量随温度升高显著下降，在1200℃左右降低至10mg/Nm³。由于流化床温度过高时容易结焦堵塞的限制，以往的气化过程中气化温度一般控制在820℃以下，导致气化效率和焦炭转化率低、焦油产量偏高，影响了气化气的直接使用。通过三段式气化方法可在避免结焦的同时将生物质气化温度提高至1200~1400℃，气化效率和焦炭转化率均可达到较高水平，焦油产量也将大幅下降。

Claims (4)

1.一种生物质三段式气化制取低焦油高热值可燃气的装置，由流化床气化反应器（1）、重整反应器（2）、移动床催化反应器（3）和返料器（4）组成，其特征在于：流化床气化反应器（1）上部与重整反应器（2）上部相联通，流化床气化反应器（1）下部通过返料器（4）与移动床催化反应器（3）下部相联通，重整反应器（2）顶部与移动床催化反应器（3）顶部相联通；流化床气化反应器（1）下部还设有生物质颗粒加料口（B）及第一富氧/水蒸气进气口（A），流化床气化反应器（1）底部设有排渣口（C）；重整反应器（2）上部为第二富氧/水蒸气进气口（D），重整反应器（2）底部为液态排渣口（E）；移动床催化反应器（3）下部设有焦炭进口（F）及可燃气出口（G），移动床催化反应器（3）底部设有排灰口（H）；返料器（4）底部为第三富氧/水蒸气进气口（I）。

2.一种采用权利要求1所述的装置制取低焦油高热值可燃气的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）向流化床气化反应器（1）送入生物质原料、富氧/水蒸气，在600~800℃条件下生成粗质可燃气及热解焦炭，粗质可燃气由流化床气化反应器（1）上部输送到重整反应器（2），热解焦炭由流化床气化反应器（1）下部经返料器（4）输送到移动床催化反应器（3），返料器（4）底部通入富氧/水蒸气保证焦炭颗粒的连续输送，气化生成的底渣由流化床气化反应器排渣口（C）排出；

（2）粗质可燃气进入重整反应器（2）后，同时向第二富氧/水蒸气进气口（D）中通入富氧/水蒸气，在1200~1400℃的条件下，粗质可燃气脱除其中的焦油和灰分得到净化的高温可燃气，由重整反应器（2）上部输送到移动床催化反应器（3），反应生成的熔渣由重整反应器的液态排渣口排出（E）；

（3）热解焦炭在移动床催化反应器（3）内堆积形成焦炭床层，重整后的高温可燃气进入移动床催化反应器（3）后，焦油在700~900℃的焦炭催化气氛下进一步裂解脱除，热解焦炭被高温可燃气中的CO₂及水蒸气还原生成CO，经催化还原后获得的低焦油高热值可燃气由移动床催化反应器下部可燃气出口（G）排出，气化产生灰分由底部排灰口（H）排出。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述流化床气化反应器的反应温度为750℃，重整反应器的反应温度为1200℃，移动床催化反应器的反应温度为880℃。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：通入的富氧/水蒸气为富氧气体和水蒸气的混合气体，混合气体的比例为1:1~5:1，富氧气体浓度为40%；水蒸气温度400~500℃。