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CN113322102A - 一种生物质分级气化制富氢合成气的系统 - Google Patents

一种生物质分级气化制富氢合成气的系统 Download PDF

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CN113322102A CN202110584380.8A CN202110584380A CN113322102A CN 113322102 A CN113322102 A CN 113322102A CN 202110584380 A CN202110584380 A CN 202110584380A CN 113322102 A CN113322102 A CN 113322102A
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唐家斟
贺亚京
谢兴
林丹
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Abstract

本发明公开了一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，生物质经预处理改性后定向热解得到挥发分和高产率热解焦，热解焦经水蒸气气化制洁净富氢合成气，挥发分则全部燃烧获得高温烟气，高温烟气通过间接换热依次为气化、热解过程供热，并加热水产水蒸气；本发明通过将热解、气化过程分级，仅利用高产率热解焦气化而规避挥发分气化来制富氢合成气，从源头上抑制焦油的形成；通过预处理改性和热解过程调控提高热解焦产率和气化反应活性，以提高生物质制富氢合成气的碳原子利用经济性和选择性；挥发分则全部燃烧用来供热以实现过程热量自维持；所制得的气体品位高、更清洁，有效突破了当前生物质热解气化技术面临的瓶颈，具有很好的技术经济性。

Description

一种生物质分级气化制富氢合成气的系统
技术领域
本发明属于生物质能技术领域，尤其涉及一种生物质分级气化制富氢合成气的系统。
背景技术
生物质是一种重要的清洁、可再生能源，具有CO2近零排放的优点，在2050年碳中和愿景下有望发挥更加重要的作用。然而，我国目前的各种生物质能转化利用技术仍不太成熟，一定程度上均存在利用效率低、产物品位低、技术经济性不高等问题，企业盈利能力弱而难以为继，大大限制了其进一步推广应用。生物质的利用必须走高效转化与高值化利用的道路，以实现其高附加值利用。
生物质是自然界唯一可再生的碳资源，其高效转化与高值化利用必须充分考虑其碳资源属性，通过适当技术手段将其转化为高附加值的燃料、炭材料或含碳化学品是当前生物质转化利用技术的研究重点和发展方向。在生物质的各种转化利用技术中，热解气化技术可方便快速地将低品位的生物质转化为高品位的燃气、富氢合成气或生物炭等，从而显著拓展其应用范围，并提高其附加值。但相关技术应用目前仍面临瓶颈，比如生物质热解炭化技术尽管所得的生物炭是一种优质燃料或炭材料，还可用作土壤改良或炭基肥，但其产品相对单一、技术经济性提升有限，且另一主要产物生物油目前还难以利用，存在潜在的环境风险；而生物质气化技术目前仍以空气气化为主，产气热值低而焦油含量高，严重限制了其推广应用。
在生物质转化利用过程中，应充分考虑其物理化学特性及热转化行为特征，比如农作物秸秆类生物质含有较高的灰分以及碱金属、碱土金属含量，其作为燃料使用时往往面临受热面的积灰、结渣与腐蚀以及颗粒物排放超标等问题；作为原料进行快速热解时难以获得单相的生物油，不利于后续进一步改质提升；且因其高的挥发分含量，秸秆热解气化产气中焦油含量较高，这对于其高值化利用提出了很大的挑战。
发明内容
本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种生物质分级气化制富氢合成气的方法与系统，也即通过热解、气化过程分级，将生物质先热解制挥发分和高产率热解焦，再采用热解焦水蒸气气化制洁净富氢合成气，而挥发分全部燃烧为气化、热解过程供热和供水蒸气。
本发明所采用的技术方案如下：
一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，包括生物质预处理单元、热解反应装置、气化装置、挥发分燃烧单元和换热单元；热解反应装置的生物质入口与生物质预处理单元之间通过给料装置连接，通过给料装置将预处理后的生物质输入热解反应装置进行热解；热解反应装置的固体出口和气体出口分别连接气化装置和挥发分燃烧单元；挥发分燃烧单元的高温烟气出口通过管路依次连接气化装置、热解反应装置和换热单元，形成换热通路；
水依次经过换热单元、挥发分燃烧单元和气化装置，形成水蒸气生成单元，为气化装置内热解焦与水蒸气混合进行水蒸气气化反应提供水蒸气。
进一步，生物质的预处理包括烘焙、成型、离子注入或加入酸催化剂处理以及上述方法的组合，通过改变生物质理化特性以提高热解时固体焦的产率及气化反应活性，同时改性处理能强化热解过程中的脱水、脱羧反应以及促进成焦反应来提高热解焦产率；
进一步，挥发分全部燃烧获得高温烟气，高温烟气通过间接换热依次为气化、热解过程供热，并加热水产水蒸气，实现热量的梯级综合利用。
进一步，所述热解过程通过调控反应条件来提高热解焦的产率及气化反应活性，热解温度保持在300-500℃；采用慢速热解的方式降低生物质升温速率。
进一步，热解反应装置采用固定床或移动床；
进一步，所述热解焦和水蒸气的气化温度为800℃以上；
进一步，所述气化装置选用固定床、流化床或者悬浮床。
进一步，在热解焦与水蒸气气化过程中引入催化剂，以提高焦的气化反应活性及其对合成气的选择性，所述催化剂包括碱金属和碱土金属类催化剂、天然矿石类催化剂、镍基催化剂等。
本发明的有益效果：
本发明的有益效果是通过将热解、气化过程分级，仅利用热解焦气化来制富氢合成气，规避了挥发分气化产生大量的焦油，从源头上抑制了焦油的形成；通过预处理改性和热解过程调控提高热解焦产率和气化活性，以提高生物质制富氢合成气的碳原子利用经济性；挥发分全部燃烧供热避免了焦油形成，并实现过程热量自维持；所制得的气体品位高、更清洁，有效突破了当前生物质热解气化技术面临的瓶颈，具有很好的技术经济性。
附图说明
图1是本发明一种生物质分级气化制富氢合成气的系统的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明所设计的一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，包括生物质预处理单元、热解反应装置、气化装置、挥发分燃烧单元和换热单元。
在本实施例中所述的生物质具体包括麦秆、稻秆、棉秆、木屑等，但不限于上述生物质材料。
生物质预处理单元，用于对生物质进行破碎和成型预处理，获得尺寸均一、流动性好的成型生物质颗粒；还能够改变生物质理化特性以提高热解时固体焦的产率及气化反应活性，同时改性处理能够强化热解过程中的脱水、脱羧反应以及促进成焦反应来提高热解焦产率，预处理方法包括但不限于烘焙、成型、离子注入或加入酸催化剂以及上述方法的组合等。
热解反应装置的生物质入口与生物质预处理单元之间通过给料装置连接，通过给料装置将预处理后的生物质输入热解反应装置进行热解；热解反应装置的固体出口和气体出口分别连接气化装置和挥发分燃烧单元；挥发分燃烧单元的高温烟气出口通过管路依次连接气化装置、热解反应装置和换热单元，形成换热通路；
水依次经过换热单元、挥发分燃烧单元和气化装置，形成水蒸气生成单元，为气化装置内热解焦与水蒸气混合进行水蒸气气化反应提供水蒸气。
在本申请中，热解反应装置采用固定床或者移动床，比如绞龙式热解反应器，生物质颗粒在外部高温烟气加热情况下进行中低速热解，获得热解焦和挥发分；通过调节热解反应装置烟气进出口的烟气流量和温度来调节热解反应装置内的热解温度以及生物质颗粒升温速率，通过调节绞龙输送速率来改变生物质在热解装置内的固相停留时间，从而调控热解焦的产率，使得热解焦的产率高于30％；具体地，热解温度保持在300-500℃，采用慢速热解的方式降低生物质升温速率。
热解焦从热解反应装置的固体出口出来后被送入气化装置，气化装置的类型可选择固定床、流化床或悬浮床等，热解焦与给入的水蒸气在气化装置内混合进行水蒸气气化反应，气化温度在800℃以上(一般在800-900℃)，在热解焦与水蒸气气化过程中引入催化剂，以提高焦的气化反应活性及其对合成气的选择性，所述催化剂包括碱金属和碱土金属类催化剂、天然矿石类催化剂、镍基催化剂等。通过热解焦的水蒸气气化反应可获得非常洁净的富氢合成气，从源头上抑制了焦油的形成，产气中焦油含量可低至30mg/m3，合成气的H2/CO比在2左右，或产气中H2的产率能达到400L/kg以上。
挥发分从热解反应装置的气体出口出来后全部被送入燃烧装置中燃烧产生高温烟气，高温烟气依次流经气化装置、热解反应装置通过间接换热为气化、热解过程供热，换热出来后的烟气通过换热装置加热水产水蒸气，水蒸气可进一步进入挥发分燃烧装置换热产生过热蒸汽供给热解焦水蒸气气化过程所需的水蒸气，实现热量的梯级综合利用。
本发明所设计的生物质分级气化制富氢合成气的系统可从原理上抑制焦油的形成，并通过预处理、热解、气化过程调控来获得高产率、洁净的富氢合成气，产气中H2/CO比在2左右，H2浓度可达60％以上；而且整个分级气化过程的热量是自维持的，能源利用效率高，生物质的碳综合转化率可达到80-85％以上，能源利用折算效率能达到55-60％，具有很好的技术经济性。
本发明所设计的生物质分级气化制富氢合成气的系统，其中所涉及的预处理、热解、气化、燃烧等工艺，可选取多种不同工艺形式进行组合，本实施例仅提供了一种可行的实施方式。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，其特征在于，包括生物质预处理单元、热解反应装置、气化装置、挥发分燃烧单元和换热单元；热解反应装置的生物质入口与生物质预处理单元之间通过给料装置连接，通过给料装置将预处理后的生物质输入热解反应装置进行热解；热解反应装置的固体出口和气体出口分别连接气化装置和挥发分燃烧单元；挥发分燃烧单元的高温烟气出口通过管路依次连接气化装置、热解反应装置和换热单元，形成换热通路；
水依次经过换热单元、挥发分燃烧单元和气化装置，形成水蒸气生成单元，为气化装置内热解焦与水蒸气混合进行水蒸气气化反应提供水蒸气。
2.根据权利要求1所述的一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，其特征在于，生物质的预处理包括烘焙、成型、离子注入或加入酸催化剂处理以及上述方法的组合，通过改变生物质理化特性以提高热解时固体焦的产率及气化反应活性，同时改性处理能强化热解过程中的脱水、脱羧反应以及促进成焦反应来提高热解焦产率。
3.根据权利要求1所述的一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，其特征在于，挥发分全部燃烧获得高温烟气，高温烟气通过间接换热依次为气化、热解过程供热，并加热水产水蒸气，实现热量的梯级综合利用。
4.根据权利要求1所述的一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，其特征在于，所述热解过程通过调控反应条件来提高热解焦的产率及气化反应活性，热解温度保持在300-500℃；采用慢速热解的方式降低生物质升温速率。
5.根据权利要求1所述的一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，其特征在于，热解反应装置采用固定床或移动床。
6.根据权利要求1所述的一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，其特征在于，所述热解焦和水蒸气的气化温度为800℃以上。
7.根据权利要求1所述的一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，其特征在于，所述气化装置选用固定床、流化床或者悬浮床。
8.根据权利要求1所述的一种生物质分级气化制富氢合成气的系统，其特征在于，在热解焦与水蒸气气化过程中引入催化剂，以提高焦的气化反应活性及其对合成气的选择性，所述催化剂包括碱金属和碱土金属类催化剂、天然矿石类催化剂、镍基催化剂。
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