CN105586095A - 一种生物质微波热解气化反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物质微波热解气化反应装置，包括料仓、微波热解反应器、排灰罐、旋风分离器和气体提升管；料仓一侧连接螺旋加料器，另一侧设置气体出口，料仓下部出口通过星型阀门与微波热解反应器顶部连接；微波热解反应器一侧器壁中部设置气体出口，微波热解反应器底部与排灰罐通过炉篦相隔，微波热解反应器底部一侧连接螺旋排渣器；旋风分离器内嵌于排灰罐中，上部与气体提升管进口端相连，底端连接星型阀门；气体提升管位于反应装置的中轴线上，气体提升管出口端与料仓通过气体分布板相隔。该装置生物质气化率高，碳转化率高，得到合成气产品品质高，能够满足合成液体燃料的要求，具有良好应用前景。

Description

一种生物质微波热解气化反应装置

技术领域

本发明涉及一种生物质微波热解气化反应装置。

背景技术

在生物质能源众多利用技术中，生物质气化技术由于原料要求低、气化产物利用率高且污染少，所得气体产品可直接作为燃料，也可用作化工原料，是生物质能利用技术的主要方法之一。目前生物质气化技术按照采用的气化介质分为空气气化、富氧气化、空气-水蒸气气化和水蒸气气化四种方法，使用的反应器包括固定床（上吸式和下吸式）、鼓泡床、流化床、外/内循环流化床、喷动床、气流床等。相比于煤气化，生物质气化技术尚有一些核心技术没有解决：首先是气化产物H/C摩尔比偏低（H₂/CO<1.5），还达不到合成气的要求；其次气化效率偏低，而且大量气化介质的使用，燃气被稀释，热值降低（<10MJ/m³）；再次，缺乏适宜的焦油脱除方法，虽然在气化过程中通入空气/氧气等氧化介质发生燃烧反应虽然能解决焦油脱除的问题，但焦油更多被转化成CO₂，实际上碳有效转化率降低。究其原因，这种传统的由外向内的热传导作用机制导致了热解反应的不可控。一般认为，较大颗粒（毫米级）的热解反应不由可控的化学效应主导，而是以热的传导使生物质发生多次裂解，而生物质组成的差异性更是加剧了热解反应产物组成复杂多变。

微波加热是一种截然不同的方式，它不需要外部热源，也不是由表及里的热传导，而是向被加热物料内部辐射微波电磁场，推动其偶极子运动，使其相互碰撞、摩擦而生热。微波加热是在不同深度同时产生热，这种“体加热”，不仅使加热更快速，而且更均匀，大大改善了加热的质量。与传统的热裂解相比，微波裂解产生的气体组成具有独特的优势，可以概括为以下几点：1)产气为富氢气体；2)生成的产品中H₂/CO的比例较高；3)气体组分中稠环烃的含量很少；4)低灰分。

CN201210401809.6公开了一种微波场下生物质与焦炭热解气化的方法，热解气化率大于80%，气体产物中氢气含量可达到70%，但使用简单的水冷系统并没不能完全脱除焦油，而且以氯化锌作为催化剂存在回收循环使用的问题。

CN201110148095.8公开了一种微波气流床两段式生物质气化工艺，先利用微波炭化生物质，然后将热解气和炭化生物质送入气流床气化，降低了合成气中焦油的含量，提高了气化效率和碳的转化率。CN201110449413.4公开了一种微波等离子生物质气化工艺，合成气含量高达85%，且合成气中无焦油、酚类物质。但上述两种方法采用的气流床温度高达1100℃，最高接近2000℃，不仅能耗较高，而且设备要求较高。

CN201010246886.X公开了一种生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法，生物质经过流化床气化得到气体产物和生物焦，然后生物焦进入微波场加热活化，气体产物再通过经过处理的生物质焦层，催化裂解其中的焦油，气体中焦油含量从17.3g/m³降低8mg/m³。但该法使用流化床气化，气体流速较快，通过炭层容易携带大量颗粒物，需要后续的脱灰除杂处理。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种生物质微波热解气化反应装置，该装置生物质气化率高，碳转化率高，得到合成气产品品质高，能够满足合成液体燃料的要求，具有良好应用前景。

本发明的生物质微波热解气化反应装置，包括料仓、微波热解反应器、排灰罐、旋风分离器和气体提升管；料仓一侧连接螺旋加料器，另一侧设置气体出口，料仓下部出口通过星型阀门与微波热解反应器顶部连接；微波热解反应器一侧器壁中部设置气体出口，微波热解反应器底部与排灰罐通过炉篦相隔，微波热解反应器底部一侧连接螺旋排渣器；旋风分离器内嵌于排灰罐中，上部与气体提升管进口端相连，底端连接星型阀门；气体提升管居于反应装置的中轴线上，气体提升管出口端与料仓通过气体分布板相隔。

本发明中，微波热解反应器在器壁设置一定数量的微波石英窗口，每个窗口对应一个微波发生器，单个微波发生器的功率为500~2000W，根据反应器的容积等情况设置具体的窗口数量，一般设置4~16个，保证反应器内的功率密度在0.1×10⁵~10×10⁵W/m³。

本发明中，微波热解反应器采用纵向固定床，根据床层温度区间，共分为预热区、热解区、气化区和重整区。预热区的温度120~260℃、热解区的温度260~600℃、气化区的温度600~800℃、重整区的温度800~1200℃。每个区的温度由所对应的微波发生器控制，为了避免因温度控制导致的生物质受热不均甚至存在夹生的问题，本发明中所有微波控温机构皆采用连续功率调节以保证物料全时吸收微波而加热。

本发明中，微波热解反应器气体入口，介于热解区和气化区之间，主要通入水蒸气参与联合重整、焦油裂解、半焦转化等反应，而螺旋排渣器设置在微波热解反应器的底部，位于重整区内。螺旋排渣器根据重整区内反应料堆积情况控制排渣速率，在确保物料充分反应的同时，提高整个系统的生物质处理量。

本发明中，气体提升管居于反应装置的中轴线上，贯穿料仓、微波反应器和旋风分离器，气体提升管的内径为反应器内径的1/21~1/5，其中气体进口端位于旋风分离器上部，而气体出口端设置在料仓。气体提升管从微波反应器进入料仓时单管变为“Y”型双管，Y型双管的夹角为15~165°，优选30~120°，Y型双管的内径为反应器内径的1/31~1/5。气体提升管下部与炉篦通过轴承相连，为了避免反应系统中颗粒物污染轴承，轴承外部采用焊接方式进行包封，焊接面在气体提升管，包封面与轴承之间使用高温润滑脂进行润滑。上述炉篦采用水平旋转的方式进行排渣，通过电动控制旋转频率。

本发明中，料仓底部斜面设置气体分布板，垂直向上均匀布孔，气体分布板两侧与气体提升管相连；料仓连接生物质螺旋加料器，通过螺旋推送的方式进料；料仓与气体出口管路相连，保证气体从气体提升管通过气体分布板释放并送入气体出口管路。

本发明中，排灰罐中的灰分来源于两个部分，一是通过旋转炉篦的转动将重整区内的灰分直接排出，另外，气体携带入旋风分离器内的部分灰分通过离心沉降从分离器中排出，这两部分灰分通过螺旋排灰器排出。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、生物质微波热解气化反应装置在一个反应器内实现了生物质的热解、气化和重整等反应过程，省去了以往各反应器间复杂的管路设计，显著降低装置的热损耗，结合微波加热的低能耗高效率，具有很好的工业应用前景。

2、针对目前微波热解装置多采用横向移动床存在反应器负载较低、微波反射较强并不利于提高微波加热效应的问题，将微波反应器采用纵向固体床设计，根据生物质重力下落的基本原理，显著增加了微波反应器的负载率，不仅提高了微波加热的利用效率，而且放宽了生物质尺寸要求，有利于降低生物质的预处理功耗。

3、针对生物质气化过程中存在的焦油难以脱除的问题，采用内部气体提升管设计，对可能携带焦油的气体在提升管内进行再次裂解和重整反应，同时提升管与旋风分离器的组合应用，也有利于降低提升管内固体颗粒浓度，避免提升管长期使用存在管路堵塞的问题。

4、气体提升管与料仓的“Y”型连接设计也有利于获得高品质合成气产品。一方面从提升管放出的合成气能够利用与生物质的接触和吸附作用进一步脱除可能存在的焦油以及部分固体颗粒物，另一方面高温合成气通过热交换预热（干燥）生物质原料，减少合成气的热量携带，也有利于降低后续冷凝能耗。

5、气体提升管位于微波反应器内部，通过物料传热即能达到较高温度，无需额外能源加热，提高了整个系统的能源利用效率。

6、生物质微波热解气化装置利用生物质自身的焦炭产物进行生物质的热解、气化、重整反应，降低生物质气化的生产成本，同时内部气体提升管能够进一步降低气化过程的焦油含量，提高生物质的碳转化率，为生物质的内部碳循环技术利用提供了有效途径。

附图说明

图1生物质微波热解气化反应装置结构示意图。

其中，A，料仓；B，微波热解反应器；C，气体提升管；D，排灰罐；E，旋风分离器；A1，螺旋加料器；A2，气体出口；A3，气体分布板；A4，星型阀门；B1，微波发生器；B2，气体进口；B3，螺旋排渣器；D1，炉篦；D2，螺旋排灰器；E1，旋风入口；E2，旋风星型阀门。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明方案进行详细说明，但本发明不受下述实施例的限制。

如图1所示的生物质微波热解气化反应装置，包括料仓A、微波热解反应器B、气体提升管C、排灰罐D、旋风分离器E。料仓A位于装置最上部，一侧连接螺旋加料器A1，另一侧连接气体出口A2，底部斜面设置气体分布板A3，气体分布板两侧与气体提升管C相连，底端通过星型阀门A4与微波热解反应器B相连；微波热解反应器B一侧设有气体进口B2和螺旋排渣器B3，其中气体进口B2位于反应器B中部，螺旋排渣器B3设置在底部一侧，微波热解反应器壁设置一定数量的微波石英窗口供微波发生器加热B1，微波热解反应器B底部与排灰罐D通过炉篦D1相隔；排灰罐D内嵌一旋风分离器E，下部设置螺旋排灰器D2；旋风分离器E上部有入口E1，底端连接星型阀门E2；气体提升管C进口端与旋风分离器E相连，出口端与料仓A通过气体分布板A3相隔。

本发明的生物质微波热解气化反应装置的工作过程如下：生物质原料通过螺旋加料器A1送入料仓A内，然后开启星型阀门A4，原料通过重力作用下落到微波热解反应器B，当微波热解反应器充满原料后开启微波发生器B1，通过连续调节各微波发生器的功率来实现预热区、热解区、气化区和重整区的温度精确控制。原料依次经过预热区、热解区、气化区和重整区，在预热区脱水以及活化后，在热解区进行热裂解反应形成的气液固产物，在气化区水蒸气（从气体进口B2通入）的作用下气化，部分固体（半焦）发生气化反应，部分焦油发生裂解反应，此时产物中以气体为主及少量的固体和液体。上述产物进入重整区在焦炭/水蒸气的联合作用下进行重整反应，主要对气体中的C_xH_y和CO₂进行合成气的转化反应，同时通过水煤气变换反应和焦油裂解反应进一步降低固液含量，提高生物碳转化率。经过重整后的气体与部分焦炭和灰分通过炉篦D1送入排灰罐，其他部分焦炭被螺旋排渣器B3排出反应器。排灰罐内D的气体通过入口E1进入内嵌的旋风分离器E脱除掉大部分的焦炭和灰分后进入气体提升管C，气体携带的少量焦油和焦炭在提升管内再次发生裂解反应，从气体提升管C放出的气体通过气体分布板A3进入料仓A，并与料仓A内新鲜生物质热交换和吸附作用后得到高品质的合成气产品，通过气体出口A2释放。由旋风分离器星型阀门E2排出的焦炭和灰分以及排灰罐内D的焦炭和灰分通过螺旋器D2排出。

下面通过实施例进一步说明本发明的效果，其中的百分含量为质量百分含量。

实施例

生物质原料通过螺旋加料器A1送入料仓A内，然后开启星型阀门A4，原料通过重力作用下落到微波热解反应器B，先将微波热解反应器充满原料后开启微波发生器B1，设置预热区、热解区、气化区和重整区的温度分别为160℃、550℃、700℃和1000℃，对应的微波功率分别为1×10⁵W/m³、4×10⁵W/m³、6×10⁵W/m³、8×10⁵W/m³。当反应器达到设置温度后，调整进料速率0.5kg/h，首先原料在预热区处理5min进行脱水和活化，然后进入热解区反应5min，形成的气液固产物中半焦为15%，热解挥发分为85%，热解挥发分中包括约20%可冷凝性组分。接着气液固产物在气化区开始气化，同时控制水蒸气（从气体进口B2通入）流量0.3m³/h，在水蒸气作用下部分固体（半焦）发生气化反应，部分焦油发生裂解反应，此时产物中热解挥发分为90%，其中可冷凝性组分5%，而半焦10%，气化过程持续5min。将上述产物和水蒸气送入重整区进行重整反应，处理2min，重点对气体中的C_xH_y和CO₂进行合成气的转化反应，同时通过水煤气变换反应和焦油裂解反应进一步降低固液含量，提高生物碳转化率。经过重整处理后的热解挥发分占95%，其中可冷凝性组分0.04%，而半焦5%。重整气体与部分焦炭、灰分通过炉篦D1送入排灰罐，而部分焦炭被螺旋排渣器B3排出反应器且可重复使用。排灰罐D内的气体通过入口E1进入内嵌的旋风分离器E脱除掉大部分的焦炭和灰分后进入气体提升管C，气体提升管的内径为反应器内径的1/13，气体携带的少量焦油和焦炭在提升管内再次发生裂解反应，气体提升管从微波反应器进入料仓时单管变为“Y”型双管，Y型双管的夹角为80°，Y型双管的内径为反应器内径的1/21，从Y型双管放出的气体通过气体分布板A3进入料仓A，并与料仓A内新鲜生物质热交换和吸附作用后得到高品质的合成气产品，其中H₂/CO为1.9，而焦油含量为0.0008%（约8mg/m³），整个过程生物碳的有效转化率达到98%，并通过气体出口A2释放。由旋风分离器星型阀门E2排出的焦炭和灰分以及排灰罐D内的焦炭和灰分通过螺旋器D2排出。

Claims (9)

1.一种生物质微波热解气化反应装置，其特征在于：包括料仓、微波热解反应器、排灰罐、旋风分离器和气体提升管；料仓一侧连接螺旋加料器，另一侧设置气体出口，料仓下部出口通过星型阀门与微波热解反应器顶部连接；微波热解反应器一侧器壁中部设置气体出口，微波热解反应器底部与排灰罐通过炉篦相隔，微波热解反应器底部一侧连接螺旋排渣器；旋风分离器内嵌于排灰罐中，上部与气体提升管进口端相连，底端连接星型阀门；气体提升管位于反应装置的中轴线上，气体提升管出口端与料仓通过气体分布板相隔。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：微波热解反应器器壁上设置4~16个微波石英窗口，每个窗口对应一个微波发生器，单个微波发生器的功率为500~2000W，反应器内的功率密度为0.1×10⁵~10×10⁵W/m³。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：微波热解反应器采用纵向固定床，根据床层温度区间，共分为预热区、热解区、气化区和重整区；其中预热区的温度120~260℃、热解区的温度260~600℃、气化区的温度600~800℃、重整区的温度800~1200℃。

4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：气体提升管贯穿料仓、微波反应器和旋风分离器，气体提升管的内径为反应器内径的1/21~1/5，其中气体进口端位于旋风分离器上部，而气体出口端设置在料仓。

5.按照权利要求1或4所述的装置，其特征在于：气体提升管从微波反应器进入料仓时单管变为“Y”型双管，Y型双管的夹角为15~165°。

6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于：Y型双管的内径为反应器内径的1/31~1/5。

7.按照权利要求5所述的装置，其特征在于：Y型双管的夹角为30~120°。

8.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：料仓底部斜面设置气体分布板，垂直向上均匀布孔，气体分布板两侧与气体提升管相连。

9.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的生物质微波热解气化反应装置的工作过程如下：生物质原料通过螺旋加料器（A1）送入料仓（A）内，然后开启星型阀门（A4），原料通过重力作用下落到微波热解反应器（B），当微波热解反应器充满原料后开启微波发生器（B1），通过连续调节各微波发生器的功率来实现预热区、热解区、气化区和重整区的温度精确控制；原料依次经过预热区、热解区、气化区和重整区，在预热区脱水以及活化后，在热解区进行热裂解反应形成的气液固产物，从气体进口（B2）通入水蒸气，气液固产物在气化区水蒸气的作用下进行气化反应，在重整区气化产物在焦炭/水蒸气的联合作用下进行重整反应，经过重整后的气体与部分焦炭和灰分通过炉篦（D1）送入排灰罐（D），其他部分焦炭被螺旋排渣器（B3）排出反应器；排灰罐（D）内的气体通过入口（E1）进入内嵌的旋风分离器（E）脱除掉大部分的焦炭和灰分后进入气体提升管（C），气体携带的少量焦油和焦炭在提升管内再次发生裂解反应，从气体提升管（C）放出的气体通过气体分布板（A3）进入料仓（A），并与料仓（A）内新鲜生物质热交换和吸附作用后得到高品质的合成气产品，通过气体出口（A2）释放；由旋风分离器星型阀门（E2）排出的焦炭和灰分以及排灰罐（D）内的焦炭和灰分通过螺旋器（D2）排出。