CN109652147B - 循环流化床热解-气化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种循环流化床热解‑气化装置及方法，主要解决了现有技术焦油产率低、低阶煤难以利用以及对热载体的过度依赖等问题。本发明通过采用循环流化床，并由热解炉及气化炉两部分组成，主要包括以下步骤：原料煤与生物质的混合物于热解炉上部加入，被来自于气化炉的高温循环半焦加热，发生热解反应并产生热解气、焦油以及半焦；通过分离，半焦被依次送入返料器及气化炉发生气化反应，从而获得大量的高温半焦颗粒以及合成气产品，高温循环半焦被送入热解炉继续为原料提供热量进行热解，可用于煤化工技术领域。
Description
技术领域
本发明属于生物质和煤热解气化分级利用技术领域，具体涉及循环流化床热解-气化装置及方法。
背景技术
煤、石油、天然气是世界三大一次能源，其中煤炭在世界能源储量中约占79％，煤是产生动力、热、煤焦加工和副产柏油的主要燃料资源之一。我国是一个以煤炭为主要能源结构的国家，在未来很长一段时间内不会改变，据统计，我国的一次能源消费结构中，煤炭达到了66％。随着石油资源的日益紧缺，有效利用煤炭资源已成为我国能源可持续发展的一项策略。我国低阶煤储量占煤炭资源总量的55％以上，但其含水分高、煤化程度低，直接燃烧的效率低，不仅浪费资源而且污染环境，造成了酸雨、PM2.5，以及SOx和NOx等温室气体的排放。因此，以减少污染为目的的煤炭转化技术受到了极大的重视。在众多的煤炭利用技术中，煤气化是煤炭能源转化的基础技术，也是煤化工发展中最重要的工艺过程。实现煤炭的高效洁净利用是我国实现能源可持续发展的关键，也是解决全球面临的能源和环境问题的有效途径。
生物质主要有植物光合作用固定太阳能而形成的碳水化合物，具有分布广泛、储量巨大、环境友好，尤其是温室气体零排放等特点，并且是唯一可以同时转化为气体、液体和固体燃料的可再生资源。相比煤炭，其结构较为疏松，氢、氧等元素的含量也较高，热解可产生富氢气体或丰富的焦油，且生物质的气化反应活性也相对较高。据报道，生物质与煤炭共气化或共热解过程中，还存在一定的协同作用，因此，生物质与煤共热解或共气化不仅克服了两者单独气化或热解过程中的一些问题，而且提高了气化或热解的效率，是一种非常经济、环保的能源利用方式。
煤或生物质气化制合成气，能够进而合成出多种化工产品(如甲醇、乙烯、丙烯等)，是热化学转化技术中最具发展情景的技术。另外生物质闪速热解，可以获得大量的生物质油，能降低对环境的污染和提高资源的利用双重效果，研究发现，生物质油是极好的液体燃料和化工产品原料，因此，生物质制油技术也同样受到了广泛的关注。
传统的生物质或煤气化制合成气工艺，通常采用空气-水蒸气、空气、空气-二氧化碳等作为气化介质，于高温条件下与原料进行气化反应，从而获得合成气，其能保证连续生产的同时，且处理效率较高。但是由于生成的气体中多夹杂焦油，一般需要后续设备来处理焦油和重整合成器等问题，致使操作繁琐，流程复杂。而传统的生物质闪速热解制油通常是指在生物质完全缺氧或有限供氧的条件下热解，其热解产物以可冷凝气体为主，最后冷凝变成生物质油，其制油工艺过程简单、液体产物收率高，但在该工艺过程中需要配套热源以供原料热解所需的热量。在现有技术中通常采用加热后的沙粒等物质作为热载体，供给原料热解所需的热量。但是，热载体的加入，不但增大了原料成本，同时也给后续分离处理带来了诸多困难，使得整个工艺流程的操作变得繁琐，且存在对设备造成磨损、动力消耗大等问题。
为解决上述传统工艺中的困难，中国发明专利CN102504842A提出了一种热解-气化-燃烧三流化床装置，旨在实现合成气-焦油联产，但该工艺热解装置采用鼓泡床反应器，中低阶煤在该反应器中停留时间分布广，且停留时间较长，降低了对目标产物焦油的选择性，不利于高品质焦油的生成。日本东京大学(Chemical Engineering Journal,164(2010)221-229；Chemical Engineering Science,66(2011)4212-4220)提出了气化热解分级利用工艺，实现了对热解时间的精确控制，同时在气化炉前实现了热解气固产物分离，避免了挥发分对半焦气化制合成气的抑制作用，但该工艺采用石英砂作为载热物质，导致设备严重磨损。
现有的热解-气化分级利用技术虽然从一定程度上解决了传统气化制合成气以及热解制油的缺点，但是由于工艺流程限制，致使焦油的产率明显降低，或由于外加热载体的原因，致使能耗过大、设备受损等问题出现。因此，如何进一步提高焦油产率、合理运用或简化热载体，实现真正意义上的合成气-焦油联产成为热解-气化分级利用技术的发展关键。
发明内容
本发明所解决的技术问题之一是克服现有技术原料适应性差以及液态产物无法高效利用的问题，提供一种循环流化床热解-气化装置，该装置由气化炉及热解炉两部分组成，通过分级利用的方式，实现了产品多样化的特点，使高效产合成气的过程中，附产高品质焦油及富氢、甲烷的热解气。通过生物质与煤炭在共热解、共气化的协同作用，提高了气化效率以及产品产率。
本发明所解决的技术问题之二，是与技术问题一相对应的一种循环流化床热解-气化方法。
为解决技术问题一，本发明提供了一种循环流化床热解-气化装置，其特征在于：包括给料机(1)、热解炉(2)、惯性分离器(3)、第一旋风分离器(4)、下行循环返料器(5)、渣池(6)、气体分布器(7)、气化炉(8)、第二旋风分离器(9)；热解炉(2)中上部设有原料入口给料机(1)，热解炉(2)底部连接惯性分离器(3)；惯性分离器(3)侧面连接第一旋风分离器(4)，惯性分离器(3)底部连接下行循环返料器(5)；下行循环返料器(5)中上部与第一旋风分离器(4)相通，下行循环返料器(5)下部侧面连接气化炉(8)；气化炉(8)顶部设有高温循环半焦出口并通往第二旋风分离器(9)，第二旋风分离器(9)连接下行床热解炉(2)；气化炉(8)底部设有气体分布器(7)以提供气化剂，气体分布器(7)底部与渣池(6)相连接，由气化炉(8)燃尽的灰渣经由气体分布器(7)，并最终于渣池(6)中收集、排出。
上述技术方案中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用L阀、U阀或J阀中的任意一种。
上述技术方案中，下行循环返料器(5)下部侧面设置松动风II(C)，第一旋风分离器(4)下部侧面设置松动风I(B)进气口，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈80-100°角布置。
上述技术方案中，热解炉(2)的管径小于气化炉(8)管径，两者管径比为1:(2.5-4)。
上述技术方案中，给料机(1)置设置于距热解炉(2)顶部1/30-1/10处。
为解决技术问题二，本发明提供了一种循环流化床热解-气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
原料(A)由给料机(1)输送至下行床热解炉(2)中，并与来自上行床快速气化炉(8)中的高温循环半焦混合，原料(A)被高温循环半焦所携带的热量快速加热，实现快速热解，析出挥发分并生成热解半焦，挥发分在加热的过程中进一步分解产生高品质的焦油及富含氢气、甲烷的热解气；热解半焦、焦油以及气体通过惯性分离器(3)进行分离，大部分热解半焦被直接送入下行循环返料器(5)，剩余少量热解半焦与焦油被气体携带至第一旋风分离器(4)，其中焦油及气体经分离后进行冷凝处理，冷凝部分为液态高品质焦油，未冷凝部分即中高热值的热解煤气，而少量热解半焦经分离后，经松动风I(B)后被送入下行循环返料器(5)，并与松动风II(C)中的氧气、水蒸气发生反应生成少量合成气以及半焦、灰渣等固体，并通过下行循环返料器(5)下部侧面的返料管进入至气化炉(8)；半焦、灰渣等固体与来自气化炉(8)下部的气化剂(D)中的氧气发生于气化炉(8)中下部发生剧烈燃烧反应，获得大量高温循环半焦；该高温循环半焦随气体携带快速上升至气化炉(8)中上部，并随着氧气的耗尽，与气化剂(D)中水蒸气发生气化反应，形成大量合成气与未反应完全的高温循环半焦；气化产生的合成气与未反应完全的高温循环半焦通过第二旋风分离器(9)分离，分离后，高温循环半焦进入热解炉(2)反应，合成气经净化、冷却等处理后作为化工原料。
所述原料为煤与生物质的混合物，煤为低阶煤，生物质为秸秆、稻草、木屑等草本或木本植物废弃物，原料煤与生物质的质量配比为(0.2-0.4):1。
所述的松动风(B)由氧气和水蒸气组成，松动风I(B)和松动风II(C)均由氧气和水蒸气组成，所述水蒸气与氧气体积比控制在1:(0.20-0.25)；气化剂(D)由氧气和水蒸气组成，所述水蒸气与氧气体积比控制在1:(0.05-0.10)。
所述的上行床快速气化炉(8)的运行温度为850-950℃，下行床热解炉(2)的运行温度为650-750℃。
所述的热解炉(2)为下行床热解炉，气化炉(8)为上行床快速气化炉，气化炉(8)中线速为2-5m/s。
本发明的优点在于：
本发明将气化和热解耦合于一体，在热解炉进行原料热解，在气化炉中进行热解半焦颗粒的气化反应，并且通过气化后的高温循环半焦颗粒作为载热体，循环进入到热解炉中作为热解的热源，降低了整个循环系统的能耗，也节省了传统工艺外加载热体的成本。循环系统的原料采用低阶煤与生物质的混合物，通过两者的合理配比在确保煤与生物质在热解及气化过程中的协同效应，提高了碳转化率(达98％)的同时，也解决了低阶劣质煤难以利用的现状。
采用本发明的技术方案通过低阶煤和生物质混合物气化和热解分级利用的设置，实现了真正意义上的合成气与焦油联产。可使产品中存在高品质油品，使焦油含量达到35％，气体产品中有效气H2+CH4+CO的含量达68％，且碳转化率高达98％，同时具有气化强度大、能量利用率高、低污染等特点，很大程度上降低了生产成本，具有良好的应用前景。
附图说明
附图图1为本发明循环流化床热解-气化装置的结构示意图。
图中，1-给料机；2-热解炉；3-惯性分离器；4-第一旋风分离器；5-下行返料管；6-渣池；7-气体分布器；8-气化炉；9-第二旋风分离器；A-原料；B-松动风I；C-松动风II；D-气化剂。
原料A由给料机1输送至下行床热解炉2中，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦混合，实现快速热解，析出挥发分并生成热解半焦，挥发分在加热的过程中进一步分解产生高品质的焦油及富含氢气、甲烷的热解气；热解半焦、焦油以及气体通过惯性分离器3进行分离，大部分热解半焦被直接送入下行循环返料器5，剩余少量热解半焦与焦油被气体携带至第一旋风分离器4，其中焦油及气体经分离后进行冷凝处理，冷凝部分为液态高品质焦油，未冷凝部分即中高热值的热解煤气，而少量热解半焦经分离后，经松动风IB后被送入下行循环返料器5，并与松动风IIC中的氧气、水蒸气发生反应生成少量合成气以及半焦、灰渣等固体，并通过下行循环返料器5下部侧面的返料管进入至气化炉8；半焦、灰渣等固体与来自气化炉8下部的气化剂D中发生气化反应，形成大量合成气与未反应完全的高温循环半焦；气化产生的合成气与未反应完全的高温循环半焦通过第二旋风分离器9分离，分离后，高温循环半焦进入热解炉2反应，合成气经净化、冷却等处理后作为化工原料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详述本发明的特点。
【实施例1】
原料A煤与生物质以2:10配比的混合物通过给料机1加入至下行床热解炉2中(给料机1位于下行床热解炉2距炉顶1/10处)，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦充分混合，下行床热解炉2的运行温度为750℃，且其管径与气化炉8的管径比为1:2.5。原料A在热解炉中被高温循环半焦颗粒所携带的热量加热，逐渐析出气体、焦油，并生成半焦。由于煤与生物质共热解的过程中存在协同作用，在一定程度上提高了热解速率并增强了产气效率，且在常压条件下能够生成富氢气产品。另外，热解所产生的焦油被高温循环半焦表面的孔道所吸附，由于高温循环半焦孔道内存在一定数量的催化活性位，所吸附的焦油在催化活性位上迅速发生解聚反应，缩短了焦油碳链的长度，促进了焦油向轻质油的转化过程，提高了油品。
热解后的大部分半焦则经由惯性分离器3后进入到下行循环返料器5，而剩余少量的半焦及焦油被气体所携带进入第一旋风分离器4进行分离，气体及焦油经分离后并送至第一旋风分离器4出口，并进一步进行净化及加工，并形成富氢气的热解气及高品质焦油产品。
进入到下行循环返料器5的煤焦与松动风B中的氧气、水蒸气在发生微弱气化反应，并随之被送入上行床快速气化炉8与气化剂D发生反应。当上行床快速气化炉8运行温度为950℃以及2m/s的线速下，半焦与气化剂D中的氧气在上行床快速气化炉8中下部发生剧烈的燃烧反应，产生大量的CO2。随着氧气逐渐消耗殆尽，生成的CO2以及气化剂D中的水蒸气与半焦颗粒于上行床快速气化炉8中上部发生剧烈的气化反应，并生成大量合成气。随后，气体携带未反应完全的高温半焦进入第二旋风分离器9进行气固分离，气体分离后通过第二旋风分离器9出口，进一步净化及加工，形成合成气；分离后的高温循环半焦颗粒被送入到下行床热解炉2反应。大量半焦在上行床快速气化炉8反应的过程中，随着可燃物的消耗，形成灰渣，由于灰渣的密度高于半焦，因此，灰渣通过自身重力，将会落入到渣池6中。在整个循环流化热解-气化过程中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用L阀，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈80°角布置。系统碳转化率达到98％，且有效气体H2、CO以及CH4含量分别为42.1％、15.3％、10.2％，焦油产率为16％，其结果详见表1。
【实施例2】
原料A煤与生物质以2:10配比的混合物通过给料机1加入至下行床热解炉2中(给料机1位于下行床热解炉2距炉顶1/10处)，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦充分混合，下行床热解炉2的运行温度为650℃，且其管径与气化炉8的管径比为1:2.5。原料A在热解炉中被高温循环半焦颗粒所携带的热量加热，逐渐析出气体、焦油，并生成半焦。由于煤与生物质共热解的过程中存在协同作用，在一定程度上提高了热解速率并增强了产气效率，且在常压条件下能够生成富氢气产品。另外，热解所产生的焦油被高温循环半焦表面的孔道所吸附，由于高温循环半焦孔道内存在一定数量的催化活性位，所吸附的焦油在催化活性位上迅速发生解聚反应，缩短了焦油碳链的长度，促进了焦油向轻质油的转化过程，提高了油品。
热解后的大部分半焦则经由惯性分离器3后进入到下行循环返料器5，而剩余少量的半焦及焦油被气体所携带进入第一旋风分离器4进行分离，气体及焦油经分离后并送至第一旋风分离器4出口，并进一步进行净化及加工，并形成富氢气的热解气及高品质焦油产品。
进入到下行循环返料器5的煤焦与松动风B中的氧气、水蒸气在发生微弱气化反应，并随之被送入上行床快速气化炉8与气化剂D发生反应。当上行床快速气化炉8运行温度为800℃以及2m/s的线速下，半焦与气化剂D中的氧气在上行床快速气化炉8中下部发生剧烈的燃烧反应，产生大量的CO2。随着氧气逐渐消耗殆尽，生成的CO2以及气化剂D中的水蒸气与半焦颗粒于上行床快速气化炉8中上部发生剧烈的气化反应，并生成大量合成气。随后，气体携带未反应完全的高温半焦进入第二旋风分离器9进行气固分离，气体分离后通过第二旋风分离器9出口，进一步净化及加工，形成合成气；分离后的高温循环半焦颗粒被送入到下行床热解炉2反应。大量半焦在上行床快速气化炉8反应的过程中，随着可燃物的消耗，形成灰渣，由于灰渣的密度高于半焦，因此，灰渣通过自身重力，将会落入到渣池6中。在整个循环流化热解-气化过程中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用L阀，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈80°角布置。系统碳转化率达到95％，且有效气体H2、CO以及CH4含量分别为37.0％、21.9％、9.0％，焦油产率为20％，其结果详见表1。
【实施例3】
原料A煤与生物质以2:10配比的混合物通过给料机1加入至下行床热解炉2中(给料机1位于下行床热解炉2距炉顶1/30处)，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦充分混合，下行床热解炉2的运行温度为650℃，且其管径与气化炉8的管径比为1:2.5。原料A在热解炉中被高温循环半焦颗粒所携带的热量加热，逐渐析出气体、焦油，并生成半焦。由于煤与生物质共热解的过程中存在协同作用，在一定程度上提高了热解速率并增强了产气效率，且在常压条件下能够生成富氢气产品。另外，热解所产生的焦油被高温循环半焦表面的孔道所吸附，由于高温循环半焦孔道内存在一定数量的催化活性位，所吸附的焦油在催化活性位上迅速发生解聚反应，缩短了焦油碳链的长度，促进了焦油向轻质油的转化过程，提高了油品。
热解后的大部分半焦则经由惯性分离器3后进入到下行循环返料器5，而剩余少量的半焦及焦油被气体所携带进入第一旋风分离器4进行分离，气体及焦油经分离后并送至第一旋风分离器4出口，并进一步进行净化及加工，并形成富氢气的热解气及高品质焦油产品。
进入到下行循环返料器5的煤焦与松动风B中的氧气、水蒸气在发生微弱气化反应，并随之被送入上行床快速气化炉8与气化剂D发生反应。当上行床快速气化炉8运行温度为800℃以及2m/s的线速下，半焦与气化剂D中的氧气在上行床快速气化炉8中下部发生剧烈的燃烧反应，产生大量的CO2。随着氧气逐渐消耗殆尽，生成的CO2以及气化剂D中的水蒸气与半焦颗粒于上行床快速气化炉8中上部发生剧烈的气化反应，并生成大量合成气。随后，气体携带未反应完全的高温半焦进入第二旋风分离器9进行气固分离，气体分离后通过第二旋风分离器9出口，进一步净化及加工，形成合成气；分离后的高温循环半焦颗粒被送入到下行床热解炉2反应。大量半焦在上行床快速气化炉8反应的过程中，随着可燃物的消耗，形成灰渣，由于灰渣的密度高于半焦，因此，灰渣通过自身重力，将会落入到渣池6中。在整个循环流化热解-气化过程中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用U阀，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈80°角布置。系统碳转化率达到95％，且有效气体H2、CO以及CH4含量分别为36.8％、22.4％、8.9％，焦油产率为21％，其结果详见表1。
【实施例4】
原料A煤与生物质以2:10配比的混合物通过给料机1加入至下行床热解炉2中(给料机1位于下行床热解炉2距炉顶1/30处)，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦充分混合，下行床热解炉2的运行温度为650℃，且其管径与气化炉8的管径比为1:2.5。原料A在热解炉中被高温循环半焦颗粒所携带的热量加热，逐渐析出气体、焦油，并生成半焦。由于煤与生物质共热解的过程中存在协同作用，在一定程度上提高了热解速率并增强了产气效率，且在常压条件下能够生成富氢气产品。另外，热解所产生的焦油被高温循环半焦表面的孔道所吸附，由于高温循环半焦孔道内存在一定数量的催化活性位，所吸附的焦油在催化活性位上迅速发生解聚反应，缩短了焦油碳链的长度，促进了焦油向轻质油的转化过程，提高了油品。
热解后的大部分半焦则经由惯性分离器3后进入到下行循环返料器5，而剩余少量的半焦及焦油被气体所携带进入第一旋风分离器4进行分离，气体及焦油经分离后并送至第一旋风分离器4出口，并进一步进行净化及加工，并形成富氢气的热解气及高品质焦油产品。
进入到下行循环返料器5的煤焦与松动风B中的氧气、水蒸气在发生微弱气化反应，并随之被送入上行床快速气化炉8与气化剂D发生反应。当上行床快速气化炉8运行温度为800℃以及5m/s的线速下，半焦与气化剂D中的氧气在上行床快速气化炉8中下部发生剧烈的燃烧反应，产生大量的CO2。随着氧气逐渐消耗殆尽，生成的CO2以及气化剂D中的水蒸气与半焦颗粒于上行床快速气化炉8中上部发生剧烈的气化反应，并生成大量合成气。随后，气体携带未反应完全的高温半焦进入第二旋风分离器9进行气固分离，气体分离后通过第二旋风分离器9出口，进一步净化及加工，形成合成气；分离后的高温循环半焦颗粒被送入到下行床热解炉2反应。大量半焦在上行床快速气化炉8反应的过程中，随着可燃物的消耗，形成灰渣，由于灰渣的密度高于半焦，因此，灰渣通过自身重力，将会落入到渣池6中。在整个循环流化热解-气化过程中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用U阀，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈80°角布置。系统碳转化率达到95％，且有效气体H2、CO以及CH4含量分别为39.1％、20.4％、7.9％，焦油产率为26％，其结果详见表1。
【实施例5】
原料A煤与生物质以2:10配比的混合物通过给料机1加入至下行床热解炉2中(给料机1位于下行床热解炉2距炉顶1/30处)，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦充分混合，下行床热解炉2的运行温度为650℃，且其管径与气化炉8的管径比为1:4。原料A在热解炉中被高温循环半焦颗粒所携带的热量加热，逐渐析出气体、焦油，并生成半焦。由于煤与生物质共热解的过程中存在协同作用，在一定程度上提高了热解速率并增强了产气效率，且在常压条件下能够生成富氢气产品。另外，热解所产生的焦油被高温循环半焦表面的孔道所吸附，由于高温循环半焦孔道内存在一定数量的催化活性位，所吸附的焦油在催化活性位上迅速发生解聚反应，缩短了焦油碳链的长度，促进了焦油向轻质油的转化过程，提高了油品。
热解后的大部分半焦则经由惯性分离器3后进入到下行循环返料器5，而剩余少量的半焦及焦油被气体所携带进入第一旋风分离器4进行分离，气体及焦油经分离后并送至第一旋风分离器4出口，并进一步进行净化及加工，并形成富氢气的热解气及高品质焦油产品。
进入到下行循环返料器5的煤焦与松动风B中的氧气、水蒸气在发生微弱气化反应，并随之被送入上行床快速气化炉8与气化剂D发生反应。当上行床快速气化炉8运行温度为800℃以及5m/s的线速下，半焦与气化剂D中的氧气在上行床快速气化炉8中下部发生剧烈的燃烧反应，产生大量的CO2。随着氧气逐渐消耗殆尽，生成的CO2以及气化剂D中的水蒸气与半焦颗粒于上行床快速气化炉8中上部发生剧烈的气化反应，并生成大量合成气。随后，气体携带未反应完全的高温半焦进入第二旋风分离器9进行气固分离，气体分离后通过第二旋风分离器9出口，进一步净化及加工，形成合成气；分离后的高温循环半焦颗粒被送入到下行床热解炉2反应。大量半焦在上行床快速气化炉8反应的过程中，随着可燃物的消耗，形成灰渣，由于灰渣的密度高于半焦，因此，灰渣通过自身重力，将会落入到渣池6中。在整个循环流化热解-气化过程中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用U阀，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈80°角布置。系统碳转化率达到95％，且有效气体H2、CO以及CH4含量分别为39.1％、21.1％、7.8％，焦油产率为31％，其结果详见表1。
【实施例6】
原料A煤与生物质以4:10配比的混合物通过给料机1加入至下行床热解炉2中(给料机1位于下行床热解炉2距炉顶1/30处)，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦充分混合，下行床热解炉2的运行温度为650℃，且其管径与气化炉8的管径比为1:4。原料A在热解炉中被高温循环半焦颗粒所携带的热量加热，逐渐析出气体、焦油，并生成半焦。由于煤与生物质共热解的过程中存在协同作用，在一定程度上提高了热解速率并增强了产气效率，且在常压条件下能够生成富氢气产品。另外，热解所产生的焦油被高温循环半焦表面的孔道所吸附，由于高温循环半焦孔道内存在一定数量的催化活性位，所吸附的焦油在催化活性位上迅速发生解聚反应，缩短了焦油碳链的长度，促进了焦油向轻质油的转化过程，提高了油品。
热解后的大部分半焦则经由惯性分离器3后进入到下行循环返料器5，而剩余少量的半焦及焦油被气体所携带进入第一旋风分离器4进行分离，气体及焦油经分离后并送至第一旋风分离器4出口，并进一步进行净化及加工，并形成富氢气的热解气及高品质焦油产品。
进入到下行循环返料器5的煤焦与松动风B中的氧气、水蒸气在发生微弱气化反应，并随之被送入上行床快速气化炉8与气化剂D发生反应。当上行床快速气化炉8运行温度为800℃以及5m/s的线速下，半焦与气化剂D中的氧气在上行床快速气化炉8中下部发生剧烈的燃烧反应，产生大量的CO2。随着氧气逐渐消耗殆尽，生成的CO2以及气化剂D中的水蒸气与半焦颗粒于上行床快速气化炉8中上部发生剧烈的气化反应，并生成大量合成气。随后，气体携带未反应完全的高温半焦进入第二旋风分离器9进行气固分离，气体分离后通过第二旋风分离器9出口，进一步净化及加工，形成合成气；分离后的高温循环半焦颗粒被送入到下行床热解炉2反应。大量半焦在上行床快速气化炉8反应的过程中，随着可燃物的消耗，形成灰渣，由于灰渣的密度高于半焦，因此，灰渣通过自身重力，将会落入到渣池6中。在整个循环流化热解-气化过程中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用J阀，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈80°角布置。系统碳转化率达到95％，且有效气体H2、CO以及CH4含量分别为40.2％、19.6％、8.3％，焦油产率为35％，其结果详见表1。
【实施例7】
原料A煤与生物质以4:10配比的混合物通过给料机1加入至下行床热解炉2中(给料机1位于下行床热解炉2距炉顶1/30处)，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦充分混合，下行床热解炉2的运行温度为650℃，且其管径与气化炉8的管径比为1:4。原料A在热解炉中被高温循环半焦颗粒所携带的热量加热，逐渐析出气体、焦油，并生成半焦。由于煤与生物质共热解的过程中存在协同作用，在一定程度上提高了热解速率并增强了产气效率，且在常压条件下能够生成富氢气产品。另外，热解所产生的焦油被高温循环半焦表面的孔道所吸附，由于高温循环半焦孔道内存在一定数量的催化活性位，所吸附的焦油在催化活性位上迅速发生解聚反应，缩短了焦油碳链的长度，促进了焦油向轻质油的转化过程，提高了油品。
热解后的大部分半焦则经由惯性分离器3后进入到下行循环返料器5，而剩余少量的半焦及焦油被气体所携带进入第一旋风分离器4进行分离，气体及焦油经分离后并送至第一旋风分离器4出口，并进一步进行净化及加工，并形成富氢气的热解气及高品质焦油产品。
进入到下行循环返料器5的煤焦与松动风B中的氧气、水蒸气在发生微弱气化反应，并随之被送入上行床快速气化炉8与气化剂D发生反应。当上行床快速气化炉8运行温度为800℃以及5m/s的线速下，半焦与气化剂D中的氧气在上行床快速气化炉8中下部发生剧烈的燃烧反应，产生大量的CO2。随着氧气逐渐消耗殆尽，生成的CO2以及气化剂D中的水蒸气与半焦颗粒于上行床快速气化炉8中上部发生剧烈的气化反应，并生成大量合成气。随后，气体携带未反应完全的高温半焦进入第二旋风分离器9进行气固分离，气体分离后通过第二旋风分离器9出口，进一步净化及加工，形成合成气；分离后的高温循环半焦颗粒被送入到下行床热解炉2反应。大量半焦在上行床快速气化炉8反应的过程中，随着可燃物的消耗，形成灰渣，由于灰渣的密度高于半焦，因此，灰渣通过自身重力，将会落入到渣池6中。在整个循环流化热解-气化过程中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用J阀，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈100°角布置。系统碳转化率达到95％，且有效气体H2、CO以及CH4含量分别为39.8％、19.7％、8.5％，焦油产率为35％，其结果详见表1。
【实施例8】
原料A煤与生物质以4:10配比的混合物通过给料机1加入至下行床热解炉2中(给料机1位于下行床热解炉2距炉顶1/30处)，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦充分混合，下行床热解炉2的运行温度为650℃，且其管径与气化炉8的管径比为1:3。原料A在热解炉中被高温循环半焦颗粒所携带的热量加热，逐渐析出气体、焦油，并生成半焦。由于煤与生物质共热解的过程中存在协同作用，在一定程度上提高了热解速率并增强了产气效率，且在常压条件下能够生成富氢气产品。另外，热解所产生的焦油被高温循环半焦表面的孔道所吸附，由于高温循环半焦孔道内存在一定数量的催化活性位，所吸附的焦油在催化活性位上迅速发生解聚反应，缩短了焦油碳链的长度，促进了焦油向轻质油的转化过程，提高了油品。
热解后的大部分半焦则经由惯性分离器3后进入到下行循环返料器5，而剩余少量的半焦及焦油被气体所携带进入第一旋风分离器4进行分离，气体及焦油经分离后并送至第一旋风分离器4出口，并进一步进行净化及加工，并形成富氢气的热解气及高品质焦油产品。
进入到下行循环返料器5的煤焦与松动风B中的氧气、水蒸气在发生微弱气化反应，并随之被送入上行床快速气化炉8与气化剂D发生反应。当上行床快速气化炉8运行温度为800℃以及5m/s的线速下，半焦与气化剂D中的氧气在上行床快速气化炉8中下部发生剧烈的燃烧反应，产生大量的CO2。随着氧气逐渐消耗殆尽，生成的CO2以及气化剂D中的水蒸气与半焦颗粒于上行床快速气化炉8中上部发生剧烈的气化反应，并生成大量合成气。随后，气体携带未反应完全的高温半焦进入第二旋风分离器9进行气固分离，气体分离后通过第二旋风分离器9出口，进一步净化及加工，形成合成气；分离后的高温循环半焦颗粒被送入到下行床热解炉2反应。大量半焦在上行床快速气化炉8反应的过程中，随着可燃物的消耗，形成灰渣，由于灰渣的密度高于半焦，因此，灰渣通过自身重力，将会落入到渣池6中。在整个循环流化热解-气化过程中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用J阀，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈100°角布置。系统碳转化率达到95％，且有效气体H2、CO以及CH4含量分别为38.8％、20.5％、8.8％，焦油产率为28％，其结果详见表1。
【比较例1】
采用中国科学院工程热物理研究所提出的热解气化联合装置，原料秸秆，气化温度为900℃，热解温度为850℃，线速<10m/s，出口气体组分中CO+H2含量为58.4％，甲烷含量为7.0％，碳转化率为95％，但焦油产率仅为20％，其结果详见表1。
【比较例2】
采用传统的鲁奇炉加压固定床气化装置，原料褐煤，气化温度为850℃，线速<0.3m/s，出口气体组分中CO+H2含量为61.0％，甲烷含量为8.3％，气化虽然也能得到一定量的焦油产品，但其产率仅为11％，且碳转化率仅为90％，其结果详见表1。
【比较例3】
原料A煤与生物质以4:10配比的混合物通过给料机1加入至下行床热解炉2中(给料机1位于下行床热解炉2距炉顶1/30处)，并与来自上行床快速气化炉8中的高温循环半焦充分混合，下行床热解炉2的运行温度为650℃，且其管径与气化炉8的管径比为1:1。原料A在热解炉中被高温循环半焦颗粒所携带的热量加热，逐渐析出气体、焦油，并生成半焦。由于煤与生物质共热解的过程中存在协同作用，在一定程度上提高了热解速率并增强了产气效率，且在常压条件下能够生成富氢气产品。另外，热解所产生的焦油被高温循环半焦表面的孔道所吸附，由于高温循环半焦孔道内存在一定数量的催化活性位，所吸附的焦油在催化活性位上迅速发生解聚反应，缩短了焦油碳链的长度，促进了焦油向轻质油的转化过程，提高了油品。
热解后的大部分半焦则经由惯性分离器3后进入到下行循环返料器5，而剩余少量的半焦及焦油被气体所携带进入第一旋风分离器4进行分离，气体及焦油经分离后并送至第一旋风分离器4出口，并进一步进行净化及加工，并形成富氢气的热解气及高品质焦油产品。
进入到下行循环返料器5的煤焦与松动风B中的氧气、水蒸气在发生微弱气化反应，并随之被送入上行床快速气化炉8与气化剂D发生反应。当上行床快速气化炉8运行温度为800℃以及5m/s的线速下，半焦与气化剂D中的氧气在上行床快速气化炉8中下部发生剧烈的燃烧反应，产生大量的CO2。随着氧气逐渐消耗殆尽，生成的CO2以及气化剂D中的水蒸气与半焦颗粒于上行床快速气化炉8中上部发生剧烈的气化反应，并生成大量合成气。随后，气体携带未反应完全的高温半焦进入第二旋风分离器9进行气固分离，气体分离后通过第二旋风分离器9出口，进一步净化及加工，形成合成气；分离后的高温循环半焦颗粒被送入到下行床热解炉2反应。大量半焦在上行床快速气化炉8反应的过程中，随着可燃物的消耗，形成灰渣，由于灰渣的密度高于半焦，因此，灰渣通过自身重力，将会落入到渣池6中。在整个循环流化热解-气化过程中，下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用J阀，松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈100°角布置。系统碳转化率达到95％，且有效气体H2、CO以及CH4含量分别为40.5％、19.9％、8.7％，焦油产率为7％，其结果详见表1。
表1
Claims (8)
1.一种循环流化床热解-气化装置，其特征在于：包括给料机(1)、热解炉(2)、惯性分离器(3)、第一旋风分离器(4)、下行循环返料器(5)、渣池(6)、气体分布器(7)、气化炉(8)、第二旋风分离器(9)；热解炉(2)中上部设有原料入口给料机(1)，热解炉(2)底部连接惯性分离器(3)；惯性分离器(3)侧面连接第一旋风分离器(4)，惯性分离器(3)底部连接下行循环返料器(5)；下行循环返料器(5)中上部与第一旋风分离器(4)相通，下行循环返料器(5)下部侧面连接气化炉(8)；气化炉(8)顶部设有高温循环半焦出口并通往第二旋风分离器(9)，第二旋风分离器(9)连接下行床热解炉(2)；气化炉(8)底部设有气体分布器(7)以提供气化剂，气体分布器(7)底部与渣池(6)相连接，由气化炉(8)燃尽的灰渣经由气体分布器(7)，并最终于渣池(6)中收集、排出，其中，热解炉(2)的管径小于气化炉(8)管径，两者管径比为1:(2.5-4)，下行循环返料器(5)下部侧面设置松动风II(C)，第一旋风分离器(4)下部侧面设置松动风I(B)进气口，松动风I(B)和松动风II(C)均由氧气和水蒸气组成，气化剂(D)由氧气和水蒸气组成；原料为煤与生物质的混合物；煤为低阶煤，生物质为秸秆、稻草、木屑的草本或木本植物废弃物，煤与生物质的质量配比为(0.2-0.4):1。
2.根据权利要求1所述的循环流化床热解-气化装置，其特征在于：下行循环返料器(5)下部侧面与气化炉(8)的连接结构以及第一旋风分离器(4)底部与下行循环返料器(5)的连接结构均采用L阀、U阀或J阀中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的循环流化床热解-气化装置，其特征在于：松动风II(C)进气口与下行循环返料器(5)下部侧面及松动风I(B)与第一旋风分离器(4)下部侧面均呈80-100°角布置。
4.根据权利要求1所述的循环流化床热解-气化装置，其特征在于：给料机(1)设置于距热解炉(2)顶部1/30-1/10处。
5.一种循环流化床热解-气化方法，采用权利要求1-4任一所述的循环流化床热解-气化装置，用于煤与生物质混合物的热解及气化，其特征在于：包括以下步骤：
原料由给料机(1)输送至下行床热解炉(2)中，并与来自上行床快速气化炉(8)中的高温循环半焦混合，原料被高温循环半焦所携带的热量快速加热，实现快速热解，析出挥发分并生成热解半焦，挥发分在加热的过程中进一步分解产生高品质的焦油及富含氢气、甲烷的热解气；热解半焦、焦油以及气体通过惯性分离器(3)进行分离，大部分热解半焦被直接送入下行循环返料器(5)，剩余少量热解半焦与焦油被气体携带至第一旋风分离器(4)，其中焦油及气体经分离后进行冷凝处理，冷凝部分为液态高品质焦油，未冷凝部分即中高热值的热解煤气，而少量热解半焦经分离后，经松动风I(B)后被送入下行循环返料器(5)，并与松动风II(C)中的氧气、水蒸气发生反应生成少量合成气以及半焦、灰渣的固体，并通过下行循环返料器(5)下部侧面的返料管进入至气化炉(8)；半焦、灰渣的固体与来自气化炉(8)下部的气化剂(D)中的氧气发生于气化炉(8)中下部发生剧烈燃烧反应，获得大量高温循环半焦；该高温循环半焦随气体携带快速上升至气化炉(8)中上部，并随着氧气的耗尽，与气化剂(D)中水蒸气发生气化反应，形成大量合成气与未反应完全的高温循环半焦；气化产生的合成气与未反应完全的高温循环半焦通过第二旋风分离器(9)分离，分离后，高温循环半焦进入热解炉(2)反应，合成气经净化、冷却处理后作为化工原料，
其中，松动风I(B)和松动风II(C)均由氧气和水蒸气组成，气化剂(D)由氧气和水蒸气组成。
6.根据权利要求5所述的循环流化床热解-气化方法，其特征在于：松动风I(B)和松动风II(C)中的水蒸气与氧气体积比控制在1:(0.20-0.25)；气化剂(D)中的水蒸气与氧气体积比控制在1:(0.05-0.10)。
7.根据权利要求5所述的循环流化床热解-气化方法，其特征在于：所述气化炉(8)的运行温度为850-950℃，热解炉(2)的运行温度为650-750℃，运行压力为0.1MPa。
8.根据权利要求5所述的循环流化床热解-气化方法，其特征在于：热解炉(2)为下行床热解炉，气化炉(8)为上行床快速气化炉，气化炉(8)中线速为2-5m/s。
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