CN101845328A - 一种生物质复合气化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质复合气化装置。包括复合气化炉，复合气化炉由内部依次连通的上流段、横流段和下流段组成；横流段为方形截面，生物质在气化炉上流段热解气化产生的燃气夹带细小固体颗粒经气化炉横流段切向进入气化炉下流段；在上流段设置有生物质进料口和一次气化剂入口，横流段设置有二次气化剂入口，下流段的下部设置有燃气出口，底部为灰分分离区，设置有灰分出口。本发明装置将热解、气化、裂解、重整、部分氧化过程在同一反应器内复合，实现参数分区控制和优化。具有气化效率高、焦油含量低、气体组分调控能力强、负荷适应能力强、原料适用性强、运行稳定、易于放大的特点，可广泛应用于发电、供热、供气、合成液体燃料等领域。

Description

一种生物质复合气化装置
技术领域
本发明涉及生物质气化技术领域，尤其是涉及一种炉内去除焦油的生物质复合气化装置。
技术背景
由于石油资源的日渐匮乏，环境污染及温室效应问题的日益严重，从丰富的生物质农林废弃物资源(如秸秆等)获取高品位燃料和化学品正逐渐成为一种发展趋势，在国内外引起高度关注。生物质气化技术可将各种废弃的生物质转化成为高品位的气体燃料，用于工业发电、热电联产、集中供气、工业采暖供热，以及作为合成气合成液体燃料以及为燃料电池提供气源等。生物质气化过程由于技术灵活、产物品位高、用途广泛等特点，成为利用低品位生物质中最有前景的技术之一。国内外生物质气化技术已受到广泛重视，相关研究也取得了显著的进展。但目前气化技术仍然存在瓶颈问题，尤其用于低品位生物质时，常规的气化方式不论从焦油含量、气化效率、燃气成分等方面都无法满足需要，因此，迫切需要研究焦油含量低、燃气组份调控能力强以及操作方便的气化工艺，解决目前存在的瓶颈，使生物质气化工艺实现新的突破，在新的应用领域凸显其优势地位。
针对不同的工业用途，国内外对生物质气化技术进行了大量的研究开发工作，开发出固定床、流化床、气流床等不同的生物质气化工艺。不论采用哪种气化工艺，焦油的产生是气化技术的共性问题。焦油在高温时呈气态，与可燃气体完全混合，而在低温时凝结为液态，其分离和处理极为困难。焦油的存在不仅降低了气化效率、气体热值，更严重的是焦油在低温时凝结为液态，容易和水、焦炭、灰等结合，堵塞输气管道，影响气化设备的正常运行；凝结为细小液滴的焦油难以燃烬，在燃烧时容易产生碳黑等颗粒，对燃气设备造成极大的损害。焦油的存在大大降低了合成气的利用价值，阻止了气化技术的高端应用，是气化技术高效大规模应用的瓶颈问题。
目前工业上常用的焦油去除方法主要是炉外去除，如干式过滤、湿式洗涤、催化裂解等。过滤和水洗方法虽然操作简单、成本较低，但是效率不高，为防止二次污染，需要增加额外的净化设备和废水处理设备，不仅占地较大，也增加了投资成本，而且处理掉的焦油不能利用，造成能源的浪费。催化裂解系统简单、能量利用率高，且对生物质燃气组分具有调变作用而成为国内外研究的热点，但需要消耗大量的额外能量，还需要额外的辅助设备，增加了系统的复杂性和投资。同时，由于催化剂失活、机械磨损和应用成本等问题，目前主要用于试验研究，还未形成商业化的专用催化剂系列，尤其在催化剂的使用寿命方面离商业化还存在较大的距离。
焦油也可通过炉内去除的方法即在气化炉内抑制焦油产生并将产生的焦油原位转化为目标产物气，实现气化炉内粗合成气中不含焦油。炉内脱除可以通过优化气化炉结构设计、优化气化过程操作参数、气化炉内添加催化剂等方法实现，从而达到减少气化炉出口燃气中焦油含量的目的。这种方法是目前研究的热点和今后发展方向。
国内外气化技术的发展趋势是开发高效、低焦油、燃气组份调控能力较强的气化工艺。针对焦油的有效脱除和燃气的高端利用，国内外开展了新型气化工艺的研究。如：丹麦技术大学设计了两段式气化炉，所得燃气中焦油含量大大降低；德国Choren公司提出了温和热解和高温热解两步法制高质量合成气的工艺，合成气中几乎不含焦油。这些装置的特点是将诸多的反应器串联在一条连续的流程上，燃料先在间接加热式裂解器中干燥和热解，裂解的产物紧接着在裂解器及焦炭气化器间的狭窄地带进行部分氧化，产物气流经热的焦碳床，从而使产物气中的焦油裂解并达到较低的含量。
由上可见，目前炉内脱除焦油的气化工艺多是利用几个反应器的串联实现，只有公开号为“CN101225315A”的中国专利提出了一体化的生物质复合气化装置，但由于受到结构空间的限制，颗粒停留时间短，炉内二次反应不充分，组分调变能力不强。
发明内容
本发明提供一种生物质复合气化装置，可将热解、燃烧、气化、焦油裂解、重整和组分调控等反应相对分开，实现参数分区控制和优化匹配，同时所有过程在一套装置中完成，即使不使用催化剂也可达到降低焦油含量、调节气体组分的目的。
为达到以上目的，本发明采取了以下的技术方案：
本发明装置包括复合气化炉，所述复合气化炉由内部依次连通的气化炉上流段、气化炉横流段和气化炉下流段组成。在所述气化炉上流段设置有生物质进料口和一次气化剂入口；在气化炉横流段上设置有二次气化剂入口；气化炉下流段的下部设置有燃气出口，气化炉下流段底部为灰分分离区，设置有灰分出口。
所述气化炉上流段和下流段直径可以相同，下流段高度大于或等于上流段高度的2/3，上流段和下流段内的流体流动方向相反，上流段截面积和横流段截面积之比大于10。
所述一次气化剂入口可设置在气化炉上流段的底部，使一次气化剂由气化炉上流段的底部进入气化炉。
所述一次气化剂和二次气化剂为空气或氧气或富氧空气，并可根据反应需要加入的水蒸气。所述气化炉上流段和下流段为圆截面，横流段为方形截面，上流段和下流段由横流段切向连接，生物质在气化炉上流段热解气化产生的燃气夹带细小固体颗粒经气化炉横流段切向进入气化炉下流段。由于部分燃气与二次气化剂在横流段发生氧化反应，温度迅速升高，体积迅速膨胀，而且上流段截面积和横流段截面积之比大于10，所以横流段流速可达到上流段流速的10倍以上，燃气切向进入下流段时形成高速旋风，有利于燃气混合及固体灰粒分离，同时延长了气化炉下流段的焦油裂解、重整、二次反应时间。
生物质在气化炉上流段内发生热解、气化和生物质焦炭部分燃烧反应，在气化炉横流段内发生生物质燃气部分燃烧反应，在气化炉下流段内发生焦油裂解、重整、二次反应。
在本装置中，气化炉上流段作为生物质热解气化区，温度为500-900℃，其中气化炉上流段的中、上部为生物质热解区，温度为500-700℃，气化炉上流段的下部为生物质焦炭气化和部分燃烧区，温度800-900℃；气化炉下流段作为焦油裂解、重整、二次反应区为高温区，温度可达到1000-1300℃；气化炉下流段下部燃气出口处的燃气出口管可伸入下流段内约1/4-1/2气化炉下流段圆截面直径的位置，防止沿下流段壁面下旋分离的固体灰粒进入燃气出口管，下流段的底部为灰分分离区，设置有灰分出口。通过加入不同的气化剂，控制炉内不同区的温度，调节燃气的组分，在一个炉内实现不同工况的控制和优化。
本发明生物质复合气化装置将热解、气化、裂解、重整、部分氧化过程在同一反应器内复合，实现参数分区控制和优化。该装置具有气化效率高、焦油含量低、气体组分调控能力强、负荷适应能力强、原料适用性强、运行稳定、易于放大的特点。该装置用于生物质气化可以使燃气中的焦油含量≤20mg/Nm3，而且运行稳定、连续，可应用于多种领域，如发电、供热、供气、合成液体燃料等。
附图说明
图1为本发明装置实施例结构示意图(正视图)；
图2为图1的俯视结构示意图。
附图标记说明：
1.气化炉上流段    2.气化炉下流段    3.生物质进料口    4.生物质热解区    5.焦炭气化和部分燃烧区    6.一次气化剂入口    7.气化炉横流段    8.二次气化剂入口    9.灰分分离区10.燃气出口
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明内容做进一步的说明。
如图1、2所示，本发明装置包括复合气化炉，所述复合气化炉由内部依次连通的气化炉上流段1、气化炉横流段7和气化炉下流段2组成。在气化炉上流段1设置有生物质进料口3，底部设置有一次气化剂入口6；气化炉上流段1的中、上部为生物质热解区4，下部为焦炭气化和部分燃烧区5。气化炉上流段和下流段为圆截面，气化炉上流段1和气化炉下流段2的直径可以相同，下流段高度大于或等于上流段高度的2/3，气化炉横流段7为方形截面，上流段1的截面积和横流段7的截面积之比大于10，生物质在气化炉上流段1热解气化产生的燃气夹带细小固体颗粒经气化炉横流段7切向进入气化炉下流段2。在所述气化炉横流段7入口设置有二次气化剂入口8。气化炉下流段2的下部设置有燃气出口10，燃气出口管伸入下流段内约1/4-1/2气化炉下流段圆截面直径的位置，底部为灰分分离区9，设置有灰分出口。
实施例1：
生物质木屑从进料口3加入复合气化炉上流段1内的热解区4，在500-700℃温度下发生热解反应，生物质释放出挥发气体，并生成固体焦炭；焦炭大颗粒向下流入气化炉上流段1内的焦炭气化和部分燃烧区5，在一次气化剂入口6加入的富氧空气(O2浓度90％)的作用下，少部分焦炭发生氧化反应，使焦炭气化和部分燃烧区5温度达到800-900℃，大部分焦炭则发生气化反应生成可燃气体；自焦炭气化和部分燃烧区5向上流动的高温气体为生物质热解区4提供生物质热解所需的热量，维持热解区4的温度在500-700℃；生物质在气化炉上流段1内反应产生的气体夹带细小固体颗粒经气化炉横流段7切向进入气化炉下流段2内。从二次气化剂进气口8加入适量二次富氧空气，使部分可燃气体发生氧化反应，温度迅速升高，体积迅速膨胀，而且由于上流段1的截面积和横流段7的截面积之比大于10，所以横流段7的流速可达到上流段1的流速的10倍以上，燃气切向进入下流段2时形成高速旋风。气化炉下流段2内的局部温度可达到1200℃左右，焦油在此高温条件下发生裂解反应转化成可燃气体，同时燃气夹带的颗粒中的残碳还可通过二次反应转化成可燃气体；在燃气切向高速旋转进入气化炉下流段2的过程中，其携带的固体灰粒在离心力作用下从气体中分离出来向下流入气化炉下流段2的下部连接的灰分分离区9，可燃气体则从气化炉下流段2下部的燃气出口10进入下游装置。富氧空气当量比ER＝0.21-0.29时，得到的燃气成分为H221.4％-25.4％，N22.9％-3.8％，CO 38.8％-45.2％，CH44.9％-7.0％，CO218.5％-25.1％，气化效率74.9％-85.0％，碳转化率91.8％-99.6％。在气化炉下流段2内没有通入二次富氧空气气化剂的情况下，燃气出口10可燃气体中焦油的含量为900mg/m3；当通入二次富氧空气气化剂时，焦油在高温区发生裂解反应，燃气出口10的可燃气体中焦油的含量降至20mg/m3以下。焦油裂解后燃气中各组分的含量无明显变化，因为焦油裂解除N2外其他气体都有产生，但焦油裂解成可燃气体使生物质产气率由1.07Nm3/kg提高到1.21Nm3/kg。
实施例2：
生物质木屑从进料口3加入复合气化炉上流段1内的热解区4，在500-700℃温度下发生热解反应，生物质释放出挥发气体，并生成固体焦炭；焦炭大颗粒向下流入气化炉上流段1内的焦炭气化和部分燃烧区5，在从一次气化剂入口6加入的富氧空气(O2浓度90％)的作用下，少部分焦炭发生氧化反应，使焦炭气化和部分燃烧区5温度达到800-900℃，大部分焦炭则发生气化反应生成可燃气体；自焦炭气化和部分燃烧区5向上流动的高温气体为生物质热解区4提供生物质热解所需的热量，维持热解区4的温度在500-700℃；生物质在气化炉上流段1内反应产生的气体夹带细小固体颗粒经气化炉横流段7切向进入气化炉下流段2内。从二次气化剂进气口8加入适量二次富氧空气，使部分可燃气体发生氧化反应，温度迅速升高，体积迅速膨胀，而且由于上流段1的截面积和横流段7的截面积之比大于10，所以横流段7的流速可达到上流段1的流速的10倍以上，燃气切向进入下流段2时形成高速旋风。为提高燃气出口10可燃气体中H2/CO比，即提高H2含量，降低CO含量，提高合成气质量，在二次气化剂中加入水蒸气，通过水气变换反应CO+H2O→CO2+H2以及水蒸气重整反应，对气体组分进行调控。在二次气化剂反应条件下气化炉下流段2内的局部温度可达到1100℃左右，焦油在此高温条件下发生裂解反应转化成可燃气体，水汽变换反应使燃气中的H2和CO组分受到定向调控；同时燃气夹带的粒中的残碳还可通过二次反应转化成可燃气体；在燃气切向高速旋转进入气化炉下流段2的过程中，其携带的固体灰粒在离心力作用下从气体中分离出来向下流入气化炉下流段2的下部连接的灰分分离区9，可燃气体则从气化炉下流段2下部的燃气出口10进入下游装置。在富氧空气当量比ER＝0.26情况下，当水蒸气/生物质原料比(质量)S/B＝0.1-0.5时，得到的燃气成分为H224.6％-28.7％，N22.8％-3.8％，CO 27.1％-33.8％，CH43.9％-4.1％，CO229.3％-32.7％，气化效率73.9％-78％，碳转化率97.5％-98.4％。与实施例1比较可知，通过添加水蒸气使H2/CO平均值由0.56提高到0.88，最高已达到1.0以上，有利于后续的合成反应应用，但是CO2含量增加，合成前需要进行脱除。

Claims (6)

1.一种生物质复合气化装置，包括复合气化炉，其特征在于：所述复合气化炉由内部依次连通的气化炉上流段、气化炉横流段和气化炉下流段组成；在所述气化炉上流段设置有生物质进料口和一次气化剂入口；在气化炉横流段上设置有二次气化剂入口；气化炉下流段的下部设置有燃气出口，气化炉下流段底部为灰分分离区，设置有灰分出口；所述气化炉上流段作为生物质热解气化区，温度为500-900℃，其中气化炉上流段的中、上部为生物质热解区，温度为500-700℃，气化炉上流段的下部为生物质焦炭气化和部分燃烧区，温度800-900℃；气化炉下流段作为焦油裂解、重整、二次反应区，温度可达到1000-1300℃；所述气化炉上流段和下流段为圆截面，横流段为方形截面，上流段和下流段由横流段切向连接，生物质在气化炉上流段热解气化产生的燃气夹带细小固体颗粒经气化炉横流段切向进入气化炉下流段。
2.如权利要求1所述的生物质复合气化装置，其特征在于，所述气化炉上流段和气化炉下流段的直径相同，下流段高度大于或等于上流段高度的2/3；所述上流段截面积和横流段截面积之比大于10。
3.如权利要求1所述的生物质复合气化装置，其特征在于，所述燃气出口管伸入气化炉下流段内1/4-1/2气化炉下流段圆截面直径的位置。
4.如权利要求1所述的生物质复合气化装置，其特征在于，所述二次气化剂入口设置在横流段入口。
5.如权利要求1所述的生物质复合气化装置，其特征在于，所述一次气化剂和二次气化剂为空气或氧气或富氧空气。
6.如权利要求5所述的生物质复合气化装置，其特征在于，所述一次气化剂和二次气化剂中根据反应需要可添加水蒸气。
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