CN101921625A - 双筒燃烧气化制合成气的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种双筒燃烧气化制合成气的方法与装置，包括双筒结构的燃烧炉和气化炉，以及配套的供料系统、气固分离系统与热量回收利用系统等组成的间接气化装置，其中燃烧炉为装置的内筒，气化炉处于外筒与内筒之间的环形空间，可分区实施气化炉反应控制。物料的供应由料斗、送料器、驱动齿轮和转盘等组成，并由送料器将料斗内物料送至气化炉内的转盘上，由转盘分别送至燃烧炉和气化炉供料阀口，实现物料的分配与运输。本发明提供了一个更加高效的间接气化方法和紧凑的一体化装置，装置可靠性高，能源利用效率高，可用于煤炭或生物质定向气化，或者作为煤炭和生物质燃烧制取可燃高热值气体的配套装备。

Description

双筒燃烧气化制合成气的方法与装置
技术领域
本发明涉及一种利用燃烧气化制取合成气的技术，尤其涉及一种以煤或生物质半焦为原料的燃烧气化制合成气的方法与一体化装置。
背景技术
由于石油资源的日渐匮乏，利用煤炭资源或生物质资源，气化合成高品位的液体燃料和化学品正逐渐成为一种资源高效利用方式。煤或生物质转化为液体燃料的技术方法很多，有直接液化转化、酶催化转化、热化学转化等，其中燃烧气化技术并借助催化合成将低品位能源产品转化为高价值高热值液体燃料的热化学转化技术成为其核心技术，其中燃烧气化制取合成气是其中关键的步骤之一。降低装备与系统运行成本，提高燃料转化率，是推广煤炭或生物质高效气化转化的关键要素。
较早的煤炭或生物质燃烧气化技术主要有直接气化，即将煤炭或生物质等固体原料在同一炉内完成燃烧、氧化、气化、氢化与甲烷化等多过程，其主要化学基元反应为：
    C+O2—→CO2(燃烧放热)
H2+1/2O2—→H2O(燃烧放热)
 C+1/2O2—→CO(部分氧化放热)
   C+CO2—→2CO(气化吸热)
   C+H2O—→CO+H2(水蒸汽气化吸热)
   C+2H2—→CH4(氢化放热)
   CO+3H2—→CH4+H2O(甲烷化放热)
  CH4+H2O—→CO+3H2(重整吸热)
从上述化学反应可以看出，燃烧气化通过燃烧过程发出热量推动后续吸热反应的进行，并使反应产物向CO和H2等化学合成原料气转化。
直接气化过程中，上述反应过程在燃烧气化炉内进行，炉内温度高、气化反应速度快、物料转化效率高、装备与系统简单。但其主要问题有：气体产物成份复杂，CO2气体在产物中比例偏高，以空气为助燃气体时，空气中的氮气、惰性气体排放会带走大量的反应热量。由于有效成份少，热量损失大，后续气体合成的难度、成本均较大，也会影响了催化剂的使用环境与寿命，反应过程控制难度大。实践证明，直接气化技术并不是最优的煤或生物质燃烧气化转化合成技术。
目前煤或生物质热化学转化为合成气，其大量采用的是更高效的间接气化技术。间接气化采用外部间接加热的方式提供生成CO、H2等合成气所需要的反应热。在间接气化中，外部热源提供了合成气生成反应所需要的温度，促使高分子烃类与气化剂反应转化生成H2、CO、CH4等小分子气体。间接气化技术由于将燃烧过程与气化过程在不同反应器内分开进行，燃烧过程中产生的CO2气体与合成气分开排出炉体，提高了特定成份合成气和可燃气浓度。间接气化得到的高燃值、高浓度反应产物H2、CO、CH4，不仅可以作为合成气的原料气，或者精制后作为燃料电池的燃料气，也可直接通入汽轮机、气体引擎、锅炉等作为高热值工质和燃料。
典型的间接气化装置如美国双流化床气化BCL(美国Battelle Columbus Laboratory，R.T.Weeks：Tappi.J.，Vol.80，No.5，pp.147-152(1997))装置，两个流化床分别承担气化炉和燃烧炉的功能，供给到气化炉的生物质在高温流动材料和从流动床底部的喷上来的气化剂作用下进行热分解，到达炉顶生成的气体通过螺旋分离器将炭黑和流动材料从气体中分离出来，精制气体引出体系，炭黑和流动材料则送至燃烧炉，炭黑与空气混合燃烧，加热流动材料并通过燃烧炉顶部的螺旋分离器，将高温流动材料送回气化炉，提供气化反应所需热量。根据报导，按BLC工艺以木材为原料所生产的气体组成为H2 21％、CO 43％、CH4 16％、CO2 13％，高位发热量达到17.8MJ/m3。
国内专利公开号为CN101255987的发明申请材料“双流化床燃烧气化物料循环系统”，其特征在于包括流化床气化炉和循环流化床燃烧炉，流化床气化炉的中部与返料器的进料室连接，经返料器出料室与循环流化床燃烧炉下部连接，循环流化床燃烧炉上部经高温分离器与双向控料器的进料室连接，然后分成两路，一路经高温锥型阀与流化床气化炉的下部相连接，另一路经双向控料器的返料室与循环流化床燃烧炉的下部连接。该专利与上述美国BCL技术有些类似，同样采用流动材料实现燃烧炉对气化炉进行间接加热气化，不同的只是采用了结构复杂的双向控料器、返料器和高温锥形阀去控制物料在两炉间的循环流动。
从已公开的间接气化方案中，流化床燃烧炉与流化床气化炉分开独立布置，利用高温流动材料在燃烧炉与气化炉间循环，将燃烧炉内热量传递到气化炉，以维持气化炉内反应温度成为该技术的显著特征之一。也就是说，燃烧炉对气化炉的加热过程是借助流动材料在两炉间的循环流动实现的。固体的高温流动材料在两炉间的流动需要借助螺旋分离器和控料器实施。这类装置存在的主要不足之处主要有：
1)燃烧炉向气化炉的热量传递是以流动材料在一定的气流速度并借助螺旋分离器和控料器在两炉间的循环流动实现的，能源传递效率取决于流动材料的热容和在两炉间的循环流动情况，相对于直接的热辐射传热或对流换热效率要低；
2)独立的燃烧炉与气化炉等高温炉体均存在对外散热，散热面积大，系统的热损失大；
3)为保证固体流动材料在燃烧炉与气化炉之间的流动转运，需要的高温控制部件多，设备故障率高，系统使用与维护存在一定的困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种双筒燃烧气化制合成气的方法与装置。即采用燃烧与气化分区控制，使物料在燃烧炉内燃烧产生高温，直接通过燃烧炉壁的热辐射和对流换热向气化炉供应热量，加热气化炉内反应物料和炉区温度，提高气化反应温度，维持物料在气化炉内的气化反应正常进行；而由于燃烧炉与气化炉的分区运行，物料的热解、气化、燃烧过程相对独立，便于实现燃烧炉与气化炉内参数的分区控制与优化，即通过分区给料与温度控制，提高气化效率；通过气体条件控制，实现气体组分的定向调控；利用结构、物料流动优化设计与热利用优化设计，实现装置高效低能耗运行。
为达到以上目的，本发明提供的双筒燃烧气化制合成气的方法包括以下步骤：(1)煤或生物质半焦等物料经料斗由送料器送入气化炉内转盘，在一定温度下转盘内的物料热解并释放出挥发气体；(2)供料系统根据气化炉内气化反应需要和燃烧炉内温度控制需要，控制转盘转速或供料阀口的大小，由转盘将物料转运至气化炉和燃烧炉供料阀口，物料的供应量由转盘转动速度、供料阀口大小与外部给料速度控制；(3)在气化炉内物料与通入的气化剂的反应生成合成气体，在燃烧炉内物料燃烧放热，提供气化炉反应所需要的热量；(4)物料在热解区释放出的细小焦炭颗粒或焦油，在气化炉上部高温和催化剂的作用下，与气化剂反应进一步转化为合成气体；(5)气化炉产生的气体和燃烧炉产出的气体，分别进入旋风分离器，将气体中的焦炭和催化剂等颗粒分离出来，由旋风分离器下部的固体回流装置，回流到气化炉内继续反应，提高系统的炭转化率。
本发明的双筒燃烧气化制合成气的方法可通过以下所述的装置来实现，所述的双筒燃烧气化制合成气的装置包括燃烧炉、气化炉、供料系统、气固分离系统与热量回收利用系统等组成，其中燃烧炉与气化炉呈双筒套装一体结构，燃烧炉为装置的内筒，气化炉处于外筒与内筒之间的环形空间，可分区实施气化炉反应控制。燃烧炉外壁可以有肋片以强化燃烧炉向气化炉的热传递过程。
所述的燃烧炉和气化炉与供料系统连接。供料系统包括料斗、送料器、驱动齿轮、转盘、气化剂和助燃气输入通道及温度控制系统等组成；用于反应的物料由外界输送到料斗，经由送料器送入气化炉内的转盘上；转盘安装于燃烧炉外壁上的固定支架上，由固定于送料器上的驱动齿轮带动转盘绕燃烧炉转动，将物料供应至燃烧炉供料阀口和气化炉供料阀口；燃烧炉供料阀口的开度大小可由调节阀单独控制，或者与燃烧炉可燃气体供应调节阀联动控制；气化炉供料阀口的开度大小可由调节阀单独控制，或者与气化炉气化剂供应调节阀联动控制；供料系统还负责向燃烧炉供应空气等，向气化炉供应气化剂如水蒸汽等。
所述的燃烧炉和气化炉出气口分别与气固分离系统连接。燃烧炉和气化炉的上部出气口连接气固分离器和固体回流装置，分离的固体颗粒回流到气化炉进一步反应。
所述的热量回收利用系统包括利用燃烧炉烟气和合成气余热制造水蒸汽气化剂和热空气的换热器和加热器等。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1)由于本发明采用燃烧炉和气化炉双筒一体化结构，燃烧炉内物料燃烧产生的高温，通过燃烧炉壁向气化炉散热，加热并维持气化炉内温度。燃烧炉与气化炉热交换过程通过热辐射与对流换热直接完成，省去了流动材料在两炉间循环流动的热传递过程，装置热损失较少，运行热效率高。
2)本发明的气化炉内有一活动转盘，活动转盘与供料系统连接，由供料系统控制转盘转动速度、供应阀口开度与物料供应量，进而控制向燃烧炉和气化炉内物料供应量，较好地解决了炉内物料输送与分配技术难题，实现炉内反应过程与温度控制目标，装置运行可控性能高。
3)本发明中燃烧炉与气化炉及供料系统实现结构与功能一体化集成设计，装置结构紧凑，集成度高，安装占地面积小，维护管理方便。
该系统装置可广泛地用于燃烧、气化、冶金、催化合成和再生工艺中。
附图说明
图1是本发明实施例装置的组成结构示意图。
附图标记说明：1.燃烧炉，2.气化炉，3.转盘，4.驱动齿轮，5.送料器，6.料斗，7.燃烧炉供料阀口，8.气化炉供料阀口，9.气固分离器，10.气固分离器，11.固体回流装置，12.加热器，13.换热器，14.气气换热器，15.气气换热器
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说明：
如附图1所示，一种双筒燃烧气化制合成气的方法，将煤或生物质半焦产品由料斗6经过送料器5送入安装于气化炉2内的转盘3上，转盘3由固定于送料器5上的驱动齿轮4驱动转动，转盘3转动过程中，物料在转盘3上热解释放出挥发气体，同时转盘3将物料转运至燃烧炉供料阀口7进入燃烧炉1、或者将物料转运至各分区气化炉供料阀口8进入气化炉2内。物料在气化炉2内受热发生热解并释放出挥发气体，同时在水蒸汽气化剂的作用下高温物料中的碳反应得到合成气体；反应过程中所需要的热量由燃烧炉1向气化炉2内辐射传热和对流换热提供。在需要时，可在气化炉2内直接加入催化剂，对物料热解气体和气化中产生的焦油转化为合成气体；燃烧炉1燃烧产生的烟气经过气固分离器9将固体颗粒分离出来，由固体回流装置11回到气化炉2中继续反应生成合成气体，分离后的烟气则经过加热器12将热量传递给水蒸汽，或者将烟气经过气气换热器14将热量传递给助燃空气，使烟气余热得以回收利用；而气化炉2中产生的合成气经过气固分离器10将固体颗粒分离出来，由固体回流装置11回到气化炉2中继续反应生成合成气体，精制后的合成气经过换热器13加热给水以获取气化剂水蒸汽，并将剩余的热量通过气气换热器15加热空气，使余热得到回收利用。
一种双筒燃烧气化制合成气的装置，其特征包括由燃烧炉1和气化炉2组成的双筒体结构，以及由转盘3、驱动齿轮4、送料器5、料斗6等组成的供料部件，以及由气固分离器9、气固分离器10和固体回流装置11等组成的气固分离系统，以及由加热器12、换热器13、气气换热器14和15等组成的热量回收利用系统组成。其特征还包括双筒结构的内筒为燃烧炉1，双筒结构的内外筒间的环形空间为气化炉2。转盘3安装于气化炉2内的固定支架上，转盘3内有多个料仓并开有多个出料口，转盘3内侧出料口与燃烧炉1上供料阀口7匹配，当转盘3内侧出料口转至供料阀口7处时，转盘3内的物料便由供料阀口7进入燃烧炉1内；转盘3外侧出料口分别与气化炉2内不同区块的供料阀口8匹配，当转盘3外侧出料口转至其对应供料阀口8处时，转盘3内的物料便由其供料阀口8进入相应区块的气化炉2内。转盘3一侧边有与驱动齿轮4配对的齿轮副，驱动齿轮4由固定于送料器5内的驱动轴驱动，并带动转盘3转动，供料系统根据驱动齿轮4转动情况，判断转盘3中料仓的对应位置，并根据需要由供料器5给出物料；料斗6内的物料，经过送料器5送入转盘3的料仓内，在需要转盘3转动时，固定在送料器5上的驱动齿轮4带动转盘3转动，并完成物料的转运和分配。燃烧炉供料阀口7的开度大小可由调节阀单独控制，或者与燃烧炉1可燃气体供应调节阀联动控制；气化炉供料阀口8的开度大小可由调节阀单独控制，或者与气化炉2气化剂供应调节阀联动控制；燃烧炉1上部出口的烟气经过气固分离器9将未完全燃烬的小颗粒物料分离出来进入固体回流装置11，净化后的烟气可用于加热器12加热给水获取高温水蒸汽作为气化剂使用，余热进一步经过气气换热器14加热空气；气化炉2上部出口的合成气经过气固分离器10将未完全反应的小颗粒物料和催化剂分离出来进入固体回流装置11，净化后的高温合成气可利用换热器13将热量输送到给水获取气化剂水蒸汽使用，余热进一步加热空气得到利用；固体回流装置11内回收的物料，被送回气化炉内参与反应，得到合成气，提高系统的炭转化率。

Claims (5)

1.双筒燃烧气化制合成气的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(1)煤或生物质半焦等物料经料斗由送料器送入气化炉内转盘上，在一定温度下转盘内的物料热解并释放出挥发气体；
(2)供料系统根据气化炉内气化反应需要和燃烧炉内温度控制需要，控制转盘转速和供料量，由转盘将物料送至气化炉和燃烧炉的物料供料阀口；
(3)在气化炉内物料与气化剂的反应生成可燃合成气，在燃烧炉内物料燃烧放热，热量通过炉壁向气化炉传递，提供气化炉气化反应所需要的热量；
(4)物料在热解区释放出的细小焦炭颗粒或焦油，在气化炉上部区高温和催化剂的共同作用下，与气化剂反应转化为轻质可燃气体；
(5)气化炉和燃烧炉产出的气体经过旋风分离器，将气体中的焦炭和催化剂等颗粒分离出来，由旋风分离器下部的固体回流装置，回流到气化炉内继续反应，提高系统的炭转化率。
2.用于实现权利要求1所述方法的一种双筒燃烧气化制合成气的装置，其特征在于：所述的双筒燃烧气化制合成气的装置包括呈双筒结构的燃烧炉(1)和气化炉(2)，以及与燃烧炉(1)和气化炉(2)配套的供料系统、气固分离系统和热量回收利用系统等组成。其特征还包括，燃烧炉(1)为内筒，气化炉(2)分布于内筒与外筒间的环形空间，并可分隔为几个气化区；供料系统由料斗(6)、送料器(5)、驱动齿轮(4)、转盘(3)和供气管道及附件等组成，送料器(5)将料斗(6)内的物料，输送到转盘(3)内，转盘(3)为安装于气化炉(2)内并可绕燃烧炉(1)转动的环形物料托盘，转盘(3)与固定于送料器(5)上的驱动齿轮(4)啮合，并由驱动齿轮(4)带动转动，将物料送至燃烧炉(1)和气化炉(2)内。
3.如权利要求2所述的一种双筒燃烧气化制合成气的装置，其特征在于：转盘(3)内有多个料仓并开有多个出料口，转盘(3)内侧出料口与燃烧炉(1)上供料阀口(7)匹配，当转盘(3)内侧出料口转至供料阀口(7)处时，转盘(3)内的物料便由供料阀口(7)进入燃烧炉(1)内；转盘(3)外侧出料口分别与气化炉(2)内不同区块的供料阀口(8)匹配，当转盘(3)外侧出料口转至其对应供料阀口(8)处时，转盘(3)内的物料便由其供料阀口(8)进入相应区块的气化炉(2)内。
4.如权利要求2所述的一种双筒燃烧气化制合成气的装置，其特征在于：转盘(3)一侧边有与驱动齿轮(4)配对的齿轮副，驱动齿轮(4)由固定于送料器(5)内的驱动轴驱动，并带动转盘(3)转动。
5.如权利要求2所述的一种双筒燃烧气化制合成气的装置，其特征在于：燃烧炉供料阀口(7)的开度大小可由调节阀单独控制，或者与燃烧炉(1)可燃气体供应调节阀联动控制；气化炉供料阀口(8)的开度大小可由调节阀单独控制，或者与气化炉(2)气化剂供应调节阀联动控制。
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