CN101906323A - 一种生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法及装置，其步骤为生物质经破碎后气化，得到气化气体产物和生物质焦并快速分离；生物质焦进入微波场加热并活化；气体产物通过经过处理的生物质焦层，催化裂解其中的焦油，并使气化气与生物质焦进行二次反应，生成可燃气。装置包括由管道相连的旋流气化器1、固定床反应器2、微波发生器3，固定床反应器中部通过微波导管11跟微波发生器3相连。本发明将微波技术应用到焦油裂解上，弥补生物质焦因为多孔疏松导致的热量传导速率低的问题。同时利用微波的“热点效应”，提高焦油裂解率和焦与气化气的二次反应活性。装置适应性较强，且结构简单、紧凑，易于放大。

Description

一种生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法及装置

技术领域

本发明涉及生物质能源利用技术领域，尤其涉及一种生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法及装置。

技术背景

能源危机和环境污染是当今世界所面临的双重挑战，合理利用生物质能源是解决这一问题的有效途径。生物质经过气化后能直接满足供热、发电和合成化学工业的需要，是开发生物质能的一个重要方向。在生物质热解气化技术中，焦油是不可避免的副产品。焦油的存在有许多不利的影响，为此许多研究者对于焦油的处理提出了不同的方法，焦油的催化裂解技术，既能够有效地降低气化气中焦油含量，又能充分利用焦油的能量，提高气化气的产率，较之水洗法和热裂解方法更具先进性和有效性。

中国专利CN200910116777.3公开了一种焦油炉内裂解式生物质气化炉。其特征是燃气一次出口，多孔介质，燃气管道，燃气出口组成燃气输送管道，安装在料仓中；燃气输送管道为U型管或螺旋盘管；燃气通过燃气管道经过燃烧区；燃烧区可通过燃气管道对燃气进行加热，多孔介质的蓄热、过滤、催化作用能使燃气中含有的焦油进一步转化，降低生物质燃气中焦油含量。但该炉结构复杂，同时由于燃气管道直接置于燃烧区，管道容易腐蚀，长期运行稳定性差；中国专利CN 200510037837.4公开了一种生物质气化炉净化系统其技术方案的要点是，生物质气化炉净化系统由催化器、催化剂、迷宫式储气柜、吸附过滤器、吸附过滤剂、废焦油和废水的收集池组成。当生物质气化炉的燃气气流，流经催化器内的催化剂后，输送到迷宫式储气柜，再输送到吸附过滤器的吸附剂中，经过三次净化的燃气气流，输送到燃烧器，完成整个净化过程。但该方法需要增加大量附属设备，并且需要经常更换催化剂，投资和运行成本较高。中国专利CN 200510043836.0公开了一种低焦油生物质气化方法和装置，通过将固体生物质热解和热解产物的裂解气化两个过程分开，将生物质转变成焦油含量极低的可燃气体。该方法热解反应速度较慢，同时碳层的反应活性不高，使得设备处理效率不高。

上述专利均未涉及利用微波活化生物质气化产生的生物质焦及焦中的催化活性物质，促进二次反应、裂解气化焦油，生产低焦油含量可燃气。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、工艺适应性强的生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法及装置。

本发明先将生物质气化，再通过微波辅助加热催化裂解其中的焦油，制备低焦油含量可燃气。

为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明一种生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)生物质经破碎后气化，得到气化气体产物(包括气化气和焦油)和生物质焦，并将气体产物与生物质焦快速分离；

(2)将步骤(1)分离出来的生物质焦进入微波场加热，在生物质焦表面形成局部热点，使生物质焦活化；

(3)将步骤(1)分离出来的气体产物通过经步骤(2)处理的生物质焦层，催化裂解其中的焦油。并使气化气与生物质焦进行二次反应，生成可燃气。

所述步骤(1)中生物质细颗粒被气化介质携带进入旋流气化器(1)内，气流速度在15～20m/s之间，可以使气化产生的气、固产物快速高效分离；

所述步骤(1)中生物质气化的气化温度在650～750℃之间，既能保证足够的气化速度，又可以使得生物质中的碱金属大部分停留在生物质焦中，保证生物质焦对焦油的裂解活性；

所述步骤(1)中生物质气化介质为：富氧空气和二氧化碳，其体积比为1∶0.5～1.5；可以提高最终制得的可燃气热值，同时控制旋流气化气(1)中的气化温度；

所述步骤(1)中富氧空气为O₂体积百分含量为70％～100％的空气，可以提高最终制得的可燃气的品质；

所述步骤(2)中加热生物质焦的温度为850～950℃，采用微波加热弥补生物质焦因多孔疏松导致的热量传导速率低的缺点。同时通过“热点效应”可以促进气化气和生物质焦之间的非均相反应，提高生物质焦中的碱金属及碱土金属对焦油的催化裂解活性及生物质焦与气化气的二次反应活性，降低可燃气中焦油的含量，提高可燃气热值；

所述步骤(3)中焦油裂解的催化剂为生物质焦中的K、Na等碱金属及Ca、Mg等碱土金属，因此不需要另外添加催化剂。

生物质焦作为生物质气化过程中的产物，它的特点是自身灰分中含有一定量的碱金属，因而具有一定的催化活性。微波加热技术与传统的加热方式相比，它不需要由表及里的热传导，而是通过微波在吸波材料内部的能量耗散来加热物料，可在不同深度同时产生热，有升温速率快、加热效率高、易于控制等优点，而且微波加热可促进非均相催化反应。可以弥补生物质焦因为多孔疏松导致的热量传导速率低的问题。与传统加热方法比，微波加热下，达到同样转化效率，催化剂床层具有较低的体相温度，且目标产物的选择性较高，在催化领域显现出很大的优越性和巨大的发展潜力。

本发明用于生物质气化制取低焦油含量可燃气的装置，其特征在于：包括由管道相连的旋流气化器1、固定床反应器2、微波发生器3；旋流气化器1上部设有进料口6，底部通过固定床反应器2上部的固体进口12与固定床反应器2连通，固定床反应器2顶部设置有固体进口12、气体进口13，气体进口13通过管道与旋流气化器1顶部的气体产物出口相连，固定床反应器2中部通过微波导管11跟微波发生器3相连；固定床反应器2的底部设有可燃气出口10和螺旋卸料器7。

所述旋流气化器1底部可以通过储料管5及星型卸料阀4连通到固体进口12。

所述固定床反应器2可在中下部有炉篦8，炉篦8将固定床反应器2的底部分隔出一个小的储灰室9，靠近炉篦8下方设有可燃气出口10，储灰室9底部设有螺旋卸料器7。

所述旋流气化器1用于将生物质气化，固定床反应器2用于裂解气化气体产物中的焦油，微波发生器3用于产生微波。

所述进料口6位于旋流气化气圆周的切向位置，可以使进入到旋流气化器2中的气流和物料有较大的周向速度，便于气固产物的快速分离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用生物质焦自身催化裂解生物质焦油，避免传统工艺采用镍基或其他贵金属催化剂时，成本较高、容易失活的缺点；

2.将微波技术应用到焦油裂解上，弥补生物质焦因为多孔疏松导致的热量传导速率低的问题。同时利用微波的“热点效应”，提高焦油裂解率和焦与气化气的二次反应活性。

3.通过气固产物快速分离及微波加热相结合的工艺，提高生物质焦的非均相反应活性，提高最终制得可燃气的热值。

4.工艺适应性较强，且结构简单、紧凑，易于放大。

附图说明

图1是本发明生物质气化制取低焦油含量可燃气的工艺流程图；

图2是图1中进料口切向入口A-A视图；

附图标记说明：1、旋流气化器；2、固定床反应器；3、微波发生器；4、星型进料阀；5、储料管；6、进料口；7、螺旋卸料器；8、炉篦；9、储灰室；10、可燃气出口；11、微波导管；12、固体进口；13、气体进口。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实施例采取以下步骤：

(1)生物质经破碎后气化，得到气化气体产物(包括气化气和焦油)和生物质焦，并将气体产物与生物质焦快速分离；

(2)将步骤(1)分离出来的生物质焦进入微波场加热，在生物质焦表面形成局部热点，使生物质焦活化；

(3)将步骤(1)分离出来的气体产物通过经步骤(2)处理的生物质焦层，催化裂解其中的焦油。并使气化气与生物质焦进行二次反应，生成可燃气。

所述步骤(1)中生物质细颗粒被气化介质携带进入旋流气化器1内，气流速度在18m/s；生物质气化的气化温度在700℃；富氧空气为O₂体积百分含量为100％的空气，生物质气化介质为：富氧空气及二氧化碳的混合物，其体积比为1∶1。

所述步骤(2)中生物质焦的活化、加热温度为900℃；

所述步骤(3)中焦油裂解的催化剂为生物质焦中的K、Na等碱金属及Ca、Mg等碱土金属。

如图1所示，本实施例装置包括由管道相连的旋流气化器1、固定床反应器2、微波发生器3；所述旋流气化器1用于将生物质气化，旋流气化器1上部设有进料口6，底部储料管5、星型卸料阀4连通至固体进口12；所述的固定床反应器2用于裂解气化气体产物中的焦油，固定床反应器2顶部设置有固体进口12、气体进口13，气体进口13通过管道与旋流气化器1顶部的气体产物出口相连，固定床反应器2中部通过微波导管11跟微波发生器3相连，微波发生器3用于产生微波。固定床反应器2中下部有炉篦8，炉篦8将固定床反应器2的底部分隔出一个小的储灰室9，靠近炉篦8下方设有可燃气出口10，储灰室9底部设有螺旋卸料器7。

如图2所示，进料口6位于旋流气化气圆周的切向位置；

本实例具体运行过程如下：生物质经破碎成小颗粒后，被气化剂气流携带，从进料口6沿切向进入旋流气化器1。生物质小颗粒在旋流气化器1内700℃下气化，得到气化气体产物(包括气化气和焦油)和生物质焦。气体产物中焦油含量为17.3g/m³。气体产物和生物质焦在旋流气化器1内被快速分离。分离出来的生物质焦储存在储料管5内，并通过星型卸料阀4，从固体进口12进入到固定床反应器2内；分离出来的气化气体产物通过管道从气体进口13进入固定床反应器2。微波发生器3产生的微波，在微波导管11的作用下被疏导到固定床反应器2内，并形成均匀的微波场。生物质焦在微波加热下，生物质焦吸收微波，形成稳定均匀的温度场。生物质焦和生物质焦中的K、Na等碱金属和Ca、Mg等碱土金属被活化。气体产物中的焦油在碱金属和碱土金属作用下催化裂解。气体产物中的气化气里的CO₂、H₂O等物质跟焦进行二次反应，生成H₂和CO，提高气化气品质。通过活化生物质焦层的气化气最终从经靠炉篦8下方的气体出口10流出固定床反应器2，所的的气化气中焦油含量为8mg/m³(通过微波加热碳层后焦油裂解率为99.95％)，气化气经进一步后利用。生物质焦反应完后剩余的灰渣，从炉篦8的缝隙中掉落到储灰室9，并最终在螺旋卸料器7作用下排出固定床反应器2。

上述详细说明是针对本发明的可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。

Claims (10)

1.一种生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)生物质经破碎后气化，得到气化气体产物和生物质焦，并将气体产物与生物质焦快速分离；

(2)步骤(1)分离出来的生物质焦进入微波场加热，在生物质焦表面形成局部热点，使生物质焦活化；

(3)将步骤(1)分离出来的气体产物通过经步骤(2)处理的生物质焦层，催化裂解其中的焦油。并使气化气与生物质焦进行二次反应，生成可燃气。

2.根据权利要求1所述的生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法，其特征在于：所述步骤(1)中生物质细颗粒被气化介质携带进入旋流气化器(1)内，气流速度在15～20m/s之间。

3.根据权利要求1所述的生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法，其特征在于：所述步骤(1)中生物质气化的气化温度在650～750℃之间。

4.根据权利要求1所述的生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法，其特征在于：所述步骤(1)中生物质气化介质为：富氧空气和二氧化碳，其体积比为1∶0.5～1.5。

5.根据权利要求4所述的生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法，其特征在于：所述步骤(1)中富氧空气为O₂体积百分含量为70％～100％的空气。

6.根据权利要求1所述的生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法，其特征在于：所述步骤(2)中加热生物质焦的温度为850～950℃。

7.根据权利要求1所述的生物质气化制取低焦油含量可燃气的方法，其特征在于：所述步骤(3)中焦油裂解的催化剂为生物质焦中的碱金属及碱土金属。

8.一种生物质气化制取低焦油含量可燃气的装置，其特征在于：包括由管道相连的旋流气化器(1)、固定床反应器(2)、微波发生器(3)；旋流气化器(1)上部设有进料口(6)，底部通过固定床反应器(2)上部的固体进口(12)与固定床反应器(2)连通，固定床反应器(2)顶部设置有固体进口(12)、气体进口(13)，气体进口(13)通过管道与旋流气化器(1)顶部的气体产物出口相连，固定床反应器(20)中部通过微波导管(11)跟微波发生器(3)相连；固定床反应器(2)的底部设有可燃气出口(10)和螺旋卸料器(7)。

9.根据权利要求8所述的生物质气化制取低焦油含量可燃气的装置，其特征在于：所述进料口(6)位于旋流气化气圆周的切向位置。

10.根据权利要求8所述的生物质气化制取低焦油含量可燃气的装置，其特征在于：所述旋流气化器(1)底部通过储料管(5)及星型卸料阀(4)连通到固体进口(12)；所述固定床反应器(2)可在中下部有炉篦(8)，炉篦(8)将固定床反应器(2)的底部分隔出一个小的储灰室(9)，靠近炉篦(8)下方设有可燃气出口(10)，储灰室(9)底部设有螺旋卸料器(7)。