CN112280594A - 一种高温气化生物基质的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及再生能源领域，具体公开了一种高温气化生物基质的设备及其方法。通过对猪粪等生物基质干燥、高温裂解、淬火、洗涤、净化、水洗、分离等步骤得到可利用的再生能源，解决了猪粪等生物基质污染环境，不易被利用的难题。本发明的高温裂解方法更加高效，搭配相应的高温气化生物基质的设备，尤其是对裂解炉和空气分离装置进行了改进，使得再生能源纯度和利用率更高。

Description

一种高温气化生物基质的设备及其方法

技术领域

本发明涉及再生能源领域，具体涉及一种高温气化生物基质的设备及其方法。

背景技术

我国作为粮食生产大国，在生产过程中，有较多的可再生能源未被充分挖掘，其相应的基础原料的经济价值也被低估。例如种植业产生的秸秆和畜牧业产生的畜禽粪便等，其中畜牧业畜禽粪便的处理甚是棘手。

养殖业的粪尿排泄物及废水中含有大量有机物、氮、磷、悬浮物及致病菌并产生恶臭，对环境质量造成极大影响，养殖粪污的主要特征是：有机物浓度高、悬浮物多、色度深；目前国内外畜禽粪便资源化，推荐的第四代厌氧气化工艺技术与工艺流程最终将废水处理达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)要求。

国内外已有部分养殖场对畜禽类粪便等生物质资源进行了再利用，可其利用率和普及率并不高，大部分用作化肥原料，将其气化生成合成气或烃类产物的较少，并且缺乏对其高温裂解细加工的方法，与此同时，生物基质高温裂解过程需要大量的高浓度氧气的混入，少部分氮气作激冷塔的冷源。

就目前情况来看，亟需一种高温气化生物基质的方法，不用固液分离，并且不用进行长时间发酵处理，对其高温裂解更加精细化，与此同时需要一种包含供氧供氮装置的高温气化生物基质的设备。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种高温气化生物基质的设备及其方法，对热解步骤进行了精细的区域控温加工，并改进空气分离装置，为生产过程提供氧气和氮气。

本发明目的之一提供了一种高温气化生物基质的方法，具体技术方案如下：

一种生物基质高温热裂解气化的方法，具体步骤包括：

(1)将动物排泄物和秸秆类纤维素通过螺旋挤压机挤压到进料斗仓；

(2)将所述进料斗仓里的生物基质经干燥反应炉干燥后输入裂解反应炉；

(3)向所述裂解反应炉输入氧气反应得到裂解产物，所述裂解反应炉包括裂解反应层、热解触溶层和气化反应层；

(4)所述裂解产物经淬火、洗涤、净化、水洗、分离得到合成气体、固体盐和锌，所述合成气体为一氧化碳、二氧化碳和氢气。

进一步的，步骤(3)中所述裂解反应层温度为2000±200℃，所述热解触溶层温度为1600±200℃，所述气化反应层温度为1200±200℃。

本发明目的之二在于提供了一种生物基质高温热裂解气化的方法，具体技术方案如下：

一种高温热裂解气化生物基质的装置，包括螺旋挤压机、进料斗仓、干燥反应炉、裂解反应炉、淬火塔、洗涤塔、净化塔、水洗塔、气体分离塔和空气分离装置，其特征在于，所述螺旋挤压机出料口与进料斗仓进料口连接，所述进料斗仓出料口和干燥反应炉的进料口连接，所述干燥反应炉的出料口和裂解反应炉的进料口连接，所述裂解反应炉包括裂解反应层、热解触溶层和气化反应层，所述空气分离装置分离得到的氧气从所述裂解反应层通入，所述气化反应层出料口与淬火塔进料口连接，所述淬火塔淬火所得的气体依次经洗涤塔、净化塔、水洗塔和气体分离塔处理，所述淬火塔淬火所得的固体物料经水洗塔处理。

进一步的，所述气体分离塔能将分离得到的非目标气体通入洗涤塔或净化塔或水洗塔循环处理，所述气体分离塔同时能将分离得到的非目标气体通入所述裂解反应炉循环处理。

进一步的，所述裂解反应炉的所述裂解反应层温度可调控范围为2000±200℃，所述热解触溶层温度可调控范围为1600±200℃，所述气化反应层温度可调控范围为1200±200℃。

进一步的，所述裂解反应层的压力为0.6MPa；所述热解触溶层的压力为0.5MPa，所述气化反应层的压力为0.3MPa。

进一步的，所述干燥反应炉的温度范围为1-150℃，压力为0.5MPa。

进一步的，所述空气分离装置分离得到的氮气可通入所述干燥反应炉中。

进一步的，所述空气分离装置包括，空气过滤器系统：可自动定时反吹，用于过滤空气；预冷系统：用于预冷气体；纯化系统：吸附空气中的杂质；分馏塔系统：用于分馏；控制系统：控制所述空气分离装置，保证其正常运行，并提供应急保护措施。

进一步的，所述预冷系统包括，空冷塔：用于改善分子筛的工作环境，同时洗涤空气中的机械杂质和酸性气体；水冷塔：采用高效低阻散堆填料塔，充分回收污氮的冷量；冷冻水泵。

进一步的，所述纯化系统包括，

分子筛吸附子系统：用于吸附空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷、重烃、一氧化二氮；

分子筛纯化子系统：用分子筛吸附器净化、分离混合气体；

再生用蒸汽加热器：用蒸汽加热污氮气。

进一步的，所述分子筛吸附器为双层床结构，其中底层为活性氧化铝床层，上层为分子筛床层。

本发明的有益之处在于：

(1)整个工艺流程设备占地面积少，不需固液分离，反应时间低至不足一天，并且全程系高温反应，无二次污染源。

(2)对热解步骤进行了精细化控温分段反应，使生物基质热解更加充分，提高生物基质的利用率。

(3)淬火塔里进行淬火，使其合成气更纯；还可分离出固体物质，进行后续提成得到相应产物，充分利用生物基质资源。

(4)空气分离装置的改进，高效节能的为反应提供了氧气和氮气。

附图说明

图1为本发明高温气化生物基质的设备连接示意图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的结构思路、使用范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1高温气化生物基质的方法

本发明的高温气化生物基质的方法，具体步骤如下：

(1)将储备库的非粪便类生物基质诸如秸秆等和猪粪储备池里的生物基质通过螺旋挤压机混合挤压，传送至进料斗仓。

(2)将进料斗仓里的生物基质传送至温度可调控范围为1-150℃的干燥反应炉进行干燥，随后将干燥后的生物基质传送至裂解反应炉。

(3)向裂解反应炉输入氧气参与反应，生物基质先通过温度范围为1800℃-2200℃，压力为0.6MPa的裂解反应层进行裂解反应，随后经过温度范围为1400℃-1800℃,压力为0.5MPa的热解触溶层进行反应，最后通过温度范围为1000℃-1400℃,压力为0.3MPa的气化反应层得到裂解产物。具体操作中选取的裂解反应层的温度为2000℃，热解触溶层为1600℃，气化反应层为1200℃。

(4)裂解产物经淬火塔进行淬火分离，淬火塔分离出的固液态物质经四个水洗塔分离出锌、纯水和盐。气态物质经过洗涤塔、净化塔、水洗塔和气体分离塔，最终得到合成气体，主要包括一氧化碳、二氧化碳和氢气，气体分离塔产生的固态物质可循环回裂解反应炉进行再反应，其分离得到的气态产物可经洗涤塔、净化塔、水洗塔进行多次循环处理。

其中空气分离装置为裂解反应炉提供氧气，为干燥反应炉提供保护气体——氮气，其分离出的氧气浓度为94.5％，3000Nm³/d；氮气浓度为94.5％，6000Nm³/d，输出的气体压力为0.5Mpa。

本发明的高温气化生物质的方法对热解步骤进行了精细化控温分段反应，且不需要固液分离处理，使生物质热解更加充分，提高生物基质的利用率，并且全程系高温反应，无二次污染源。

实施例2高温气化生物基质的设备

本发明的高温热裂解气化生物基质的装置，包括螺旋挤压机、进料斗仓、干燥反应炉、裂解反应炉、淬火塔、洗涤塔、净化塔、水洗塔、气体分离塔和空气分离装置，其连接方式如图1所示。

螺旋挤压机出料口与进料斗仓进料口连接，进料斗仓出料口和干燥反应炉的进料口连接，干燥反应炉的出料口和裂解反应炉的进料口连接，空气分离装置产生的氮气通入干燥反应炉中起到保护作用，干燥炉的可控温度范围为1-150℃，压力为0.5MPa。

裂解反应炉包括裂解反应层：温度范围为1800℃-2200℃，压力为0.6MPa。

热解触溶层：温度范围为1400℃-1800℃,压力为0.5MPa。

气化反应层：温度范围为1000℃-1400℃,压力为0.3MPa。

空气分离装置分离得到的氧气从裂解反应层通入，气化反应层出料口与淬火塔进料口连接。

淬火塔淬火所得的气体依次经洗涤塔、净化塔、水洗塔和气体分离塔处理，淬火塔淬火所得的固体物料洗塔处理。搭配本发明的制备方法，淬火塔分离出的固液态物质经四个水洗塔分离出锌、纯水和盐。气态物质经过洗涤塔、净化塔、水洗塔和气体分离塔，最终得到合成气体，主要包括一氧化碳、二氧化碳和氢气，气体分离塔产生的固态物质可循环回裂解反应炉进行再反应，其分离得到的气态产物可经洗涤塔、净化塔、水洗塔进行多次循环处理。

空气分离装置：采用内压缩空气膨胀流程，本装置采用液氧内压缩空气膨胀流程，即采用增压空压机+液体泵+空气增压透平膨胀机并通过换热器系统的合理组织来取代外压流程氧压机。针对用氧压力不高，装置规模不大的特点，选择这一流程是最安全可靠的，同时也是经济合理的，其主要原因有：

⑴安全性好

内压缩流程取消了氧压机，减少由于氧压机带来的安全隐患。主冷大量抽取液氧，保证碳氢化合物的积聚可能性降到最低程度。产品液氧在高压下蒸发，使烃类物质积累的可能性大大降低。

⑵可靠性高

低温液体泵，一台工作另一台低速运转作备用，若运行泵出现故障，备用泵在15秒种内自动达到工作负荷。

⑶操作维护方便。

⑷投资成本低，配置更合理氧压机则需要有足够多的安全距离，占地面积大，且基建费用高。

成套设备机组特点：

A空气过滤器系统：

自洁式空气过滤器设有自动控制系统，可以自动定时反吹，并可以根据过滤器阻力大小调整程序。

B预冷系统：

(1)空冷塔：节能型、防带水型

采用直接接触空冷塔，降低空气温度，改善分子筛的工作环境，同时洗涤空气中的机械杂质和酸性气体。

采用高效低阻散堆填料塔，既保证了塔的换热性能，又减少了阻力，降低了空压机出口压力，从而降低了能耗。

液体分布装置采用新型、高效、先进的分布器，使水与空气充分的接触，保证塔的换热性能，减少冷冻水量，从而降低了能耗。

采用三位一体防带水结构，使液体分布更加均匀，而气体通量在50％以上，大大降低了带水可能性；分布器上端设有两段自由分离游离水空间；在顶部设有丝网除雾器，确保空气出空冷塔不带水。

⑵水冷塔：节能型、防带水型

水冷塔采用高效低阻散堆填料塔，充分回收污氮的冷量。

采用三位一体防带水结构，类似空冷塔。

⑶冷冻水泵、冷却水泵采用国内可靠产品，且均为一用一备，保证装置的可靠性。

C纯化系统：

(1)分子筛吸附系统：采用长周期，双层床净化，切换系统采用无冲击切换控制技术。作用：吸附空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷、重烃、N₂O等杂。

分子筛纯化系统的性能计算与吸附器的结构计算采用专用软件进行设计，确保系统的先进性，可靠性。

(2)分子筛纯化系统采用长周期设计，即单个吸附器吸附时间为4小时，从而使分子筛及阀门使用寿命延长，切换损失减小，同时减少因切换引起的压力波动次数，保持主塔工况稳定，对于空冷系统带水冷塔的流程，采用长周期设计可以减少再生污氮量，这样更有利于空冷系统的工作，使二者之间形成良好的匹配，彼此良性循环，使二个系统保持长期可靠稳定运行。分子筛吸附器采用双层床结构：活性氧化铝+分子筛，底层活性氧化铝床层可有效地保护分子筛，延长分子筛使用寿命，同时采用双层床也使吸附器再生阻力下降，再生温度降低，节约了再生能耗。

(3)再生用蒸汽加热器，采用先进的双管板结构蒸汽加热器，从结构和工艺上确保分子筛吸附器的安全工作。

D分馏塔系统

整套工艺流程计算采用国际先进的ASPEN和HYSYS软件模拟计算，来保证模拟计算结果与实际运行的参数吻合。

上塔采用规整填料，提高效率，降低空压机排压，提高装置提取率，降低能耗。下塔采用高效筛板塔，降低了冷箱高度，减少了投资。主冷安全是空分装置的安全重点，主冷板束设计采用独特的防爆结构，防止C_nH_m和NO₂等杂质的翅片中的积聚。

E控制系统

采用DCS集散型控制系统

确保空分装置的正常运行外，还可以在装置出现事故停车时提供以下保护措施：所有控制阀门的故障位置处于一个安全的位置，保证设备安全。

本发明的整个工艺流程设备占地面积少，反应时间低至不足一天，并且全程系高温反应，无二次污染源。淬火塔里进行淬火，使其合成气更纯；还可分离出固体物质，进行后续提成得到相应产物，充分利用生物基质资源。空气分离装置的改进，高效节能的为反应提供了氧气和氮气。

实施例3实际生产案例

1、入方(A)：每年生产连续运行时间：8000小时合334天，猪粪平均每小时计量参数为20833.3公斤(kg)＝＝20.834t/h，每24小时/d＝＝500000公斤(kg)/d＝＝500t/d，年平均计量参数为166666666.6(kg)＝＝1666.7×10⁴t/a。

输入压力：0.5MPa，输入形势：机械+氮气带入。

入方(B):气化热裂解介质采用了氧气(0₂)为介质，由空气分离(空分)单元提供，每1小时需0₂氧气量3000Nm³氧气，氧气浓度95(％)摩尔百分数。压力；0.5MPa。每1小时/h需0₂氧气量3000Nm³，每24小时/d需0₂氧气量7.2×10⁴Nm³，8000小时/a(年)需0₂氧气量2400×10⁴Nm³。

输入压力：0.5Mpa，输入形势：氧气带入。

2.岀方；合成气体

由上表得出：

(1)有效合成气体比例：CO 41.84％、+H₂ 39.37％＝81.21％

(2)无效合成气体比例：CO₂ 15.99(％)、N₂ 2.43(％)、灰0.37＝18.79％

(3)有效合成气体：8854.1×0.8186＝＝7247.96Nm³/h(G)

7247.96Nm³/h(G)×24＝＝173951.19Nm³/d(G)

7247.96Nm³/h(G)×8000/h＝＝57983680Nm³/a(G)

3.设计混合原料参数及热裂解物料平衡

猪粪50％+(林业资源、农业资源、污水废水资源、固体废物资源)这四类混合50％经计算猪粪250t/d+250t/d＝＝500t设计参数为；平均每小时入炉量为208334公斤(kg)＝20.8334t/h，每24小时(天)500000公斤(kg)＝500t，年平均计量参数为166666666.6(kg)＝＝1666.7×10⁴t/a。

3.1.入方:B.气化热裂解介质采用了氧气(0₂)为介质，由空气分离装置提供，每1小时需0₂氧气量3000Nm³氧气，氧气浓度95(％)摩尔百分数。压力；0.5MPa。每1小时/h需0₂氧气量3000Nm³，每24小时/d(天)需氧气(0₂)量72000Nm³，8000小时/a(年)需0₂氧气量2400×10⁴Nm³。

3.2.岀方:合成气体组分

由上表计出：综合合成气体(nm³)9500×有效合成气体0.8186＝7776.7Nm³/h。

有效合成气体7776.7Nm³/h×24/h＝186640.8Nm³/d。

有效合成气体7776.7Nm³/h×8000/h＝62213600Nm³/a。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物基质高温热裂解气化的方法，其特征在于，具体步骤包括：

(1)将生物基质通过螺旋挤压机挤压到进料斗仓；

(2)将所述进料斗仓里的生物基质经干燥反应炉干燥后输入裂解反应炉；

(3)向所述裂解反应炉输入氧气反应得到裂解产物，所述裂解反应炉包括裂解反应层、热解触溶层和气化反应层；

(4)所述裂解产物经淬火、洗涤、净化、水洗、分离得到合成气体、固体盐和锌，所述合成气体为一氧化碳、二氧化碳和氢气。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述裂解反应层温度为2000±200℃，所述热解触溶层温度为1600±200℃，所述气化反应层温度为1200±200℃。

3.一种高温热裂解气化生物基质的装置，包括螺旋挤压机、进料斗仓、干燥反应炉、裂解反应炉、淬火塔、洗涤塔、净化塔、水洗塔、气体分离塔和空气分离装置，其特征在于，所述螺旋挤压机出料口与进料斗仓进料口连接，所述进料斗仓出料口和干燥反应炉的进料口连接，所述干燥反应炉的出料口和裂解反应炉的进料口连接，所述裂解反应炉包括裂解反应层、热解触溶层和气化反应层，所述空气分离装置分离得到的氧气从所述裂解反应层通入，所述气化反应层出料口与淬火塔进料口连接，所述淬火塔淬火所得的气体依次经洗涤塔、净化塔、水洗塔和气体分离塔处理，所述淬火塔淬火所得的固体物料经水洗塔处理。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述气体分离塔能将分离得到的非目标气体通入洗涤塔或净化塔或水洗塔循环处理，所述气体分离塔同时能将分离得到的非目标气体通入所述裂解反应炉循环处理。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述裂解反应炉的所述裂解反应层温度可调控范围为2000±200℃，所述热解触溶层温度可调控范围为1600±200℃，所述气化反应层温度可调控范围为1200±200℃。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述空气分离装置分离得到的氮气可通入所述干燥反应炉中。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述空气分离装置包括，

空气过滤器系统：可自动定时反吹，用于过滤空气；

预冷系统：用于预冷气体；

纯化系统：吸附空气中的杂质；

分馏塔系统：用于分馏；

控制系统：控制所述空气分离装置，保证其正常运行，并提供应急保护措施。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述预冷系统包括，空冷塔：用于改善分子筛的工作环境，同时洗涤空气中的机械杂质和酸性气体；

水冷塔：采用高效低阻散堆填料塔，充分回收污氮的冷量；

冷冻水泵。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述纯化系统包括，分子筛吸附子系统：用于吸附空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷、重烃、一氧化二氮；

分子筛纯化子系统：用分子筛吸附器净化、分离混合气体；

再生用蒸汽加热器：用蒸汽加热污氮气。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述分子筛吸附器为双层床结构，其中底层为活性氧化铝床层，上层为分子筛床层。

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