CN101967398A - 生物质气化并联反应工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质气化并联反应工艺，其包括：(1)并行设置两个或两个以上流化床气化反应器，每个流化床气化反应器连接一套两级或两级以上的分离装置；(2)在每个流化床气化反应器中独立地加入生物质原料及气化介质；(3)使每个流化床气化反应器独立地进行反应。本发明的并联反应工艺为了装置适应不同产量要求以及独立检修提供了巨大的灵活性。

Description

生物质气化并联反应工艺

技术领域

本发明涉及一种生物质气化工艺，更具体地讲，本发明涉及一种生物质气化并联反应工艺。

背景技术

化石和矿物能源的危机使得人们更加重视可再生能源的利用。而生物质能就是一种可再生、可储存与替代、储量巨大、碳平衡的绿色能源。

生物质能的本质是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能。据统计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗量的10倍，而作为能源的利用量还不到其总量的1％。

生物质能源原料分布广、储量大、成本低、应用范围广，理论上说，取之不尽，用之不竭。它还是唯一可以转化为清洁燃料的可再生能源，其有害物质(硫和氮等)含量仅为中质烟煤的1/10，同时其能源利用可实现温室气体CO2零排放。

每年通过光合作用生成的生物质能约为50亿吨干物质。目前我国秸秆资源量已超过7.2亿吨，折合约3.6亿吨标准煤，除约1.2亿吨作为饲料、造纸、纺织和建材等用途外，其余6亿吨均可作为能源用途。

生物质气化已有一百多年的历史了。最初的气化反应器产生于1883年，它以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机。在二次世界大战期间，德国大力发展了用于民用汽车的车载气化器，并形成了与汽车发动机配套的完整技术。当时的生物质气化主要采用固定床气化反应器，其技术水平达到了相当完善的程度。

生物质气化是指将生物质原料加工处理后，送入气化炉中，在缺氧的条件下进行气化裂解，得到可燃气体，有时根据应用需要还要对产出气经行净化处理从而得到优质的产品气。

生物质气化原理是在一定的热力学条件下，借助于气化介质如空气、氧气或水蒸气等的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原、重整反应，热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化成为小分子碳氢化合物，获得CO、H2和CH4等可燃气体。生物质气化主要包括气化反应、合成气催化变换和气体分离净化过程(直接燃用的不用分离净化)。以空气为气化介质为例，生物质气化化学反应通式可以表示为：

CH1.4O0.6+0.4O2+1.5N2＝0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+(1.5N2)

一般而言，生物质由纤维素、半纤维素、木质素、惰性灰等组成，含氧量和挥发份高，焦炭的活化性强，因此生物质与煤相比，具有更高的气化活性，更适合气化。

从所采用的气化炉的角度来看，生物质气化技术可以分为两大类，一类是固定床气化炉技术，一类是流化床气化炉技术。其中，固定床气化炉又可以分为上吸式固定床气化炉、下吸式固定床气化炉、横吸式固定床气化炉、以及开心式固定床气化炉等；流化床气化炉又可以分为流化床气化炉、双流化床气化炉、以及循环流化床气化炉等。

中国专利ZL 200410027427.7(CN 1232614C)中公开了一种生物质混合气化工艺及其装置，其包括前气化阶段和后气化阶段。其中，在前气化阶段，生物质物料采用循环流化床气化工艺进行热解气化，在后气化阶段，生物质物料采用下吸式气化工艺进行热解气化。该专利的气化装置是一种由循环流化床气化炉和下吸式固定床气化炉组成的复合式气化炉。其特点是能够同时处理不同形态如粒状和块状的生物质物料，但其缺点也很明显：气化炉结构复杂，而且不适合大规模制气的场合。

中国专利ZL 98122264.1(CN 1098911C)公开了一种生物质循环流化床气化净化系统，其采用空气预热式循环流化床作为燃气生成和空气预热系统，由旋风分离器、文丘里管和水洗塔构成燃气净化系统。但这种装置由于采用循环流化床，而循环流化床采用惯性分离器对产物和未完全反应的物料进行分离，因而其炭回流难以控制；而且，该专利中所采用的旋风分离器，将分离出的未反应完全的物料被直接排放，既浪费，又带来了后处理或环保问题。

目前，采用的生物质气化工艺主要存在如下几个问题：

(1)燃气产量少。不能满足冶金、发电、陶瓷及玻璃生产等大规模用气的下游装置的需求。

(2)流量不可控。尤其是大规模制气设备，其产量恒定，当下游装置需求较小时，多余的燃气形成浪费。

(3)故障检修时停机。当设备发生故障进行检修时，通常要关闭设备，这样能够避免发生安全事故，但同时，设备检修的时候不能进行生产，等同于设备闲置，形成了浪费。

(4)气化炉气化效率低。生物质原料不能很好地被气化，能量利用率低，能源浪费较严重，易使气化炉积灰及结渣较多；

(5)燃气发热量偏低。较低的发热量不仅造成储气成本升高，而且造成每户用气量升高，增加了用户支出，限制了用户用气的积极性；

(6)杂质含量高。焦油和灰尘沉积严重，集中供气系统不能进行长期安全运行。不仅影响了生产的连续性，而且造成厂房内火焰上窜，管道形成负压回火爆炸；

(7)二次污染问题。市场上部分生物质气化机组采用湿式净化技术，这样不可避免地向外界排放洗涤过的冷却水，导致冷却水中含有多种有害物质，如酚、氨等。它们对动植物生长及安全构成危害，从而造成二次污染。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种生物质气化并联反应工艺，以提高燃气产量、实现流量可控及故障检修时不影响生产、提高气化效率和燃气发热量，减少焦油和灰尘等杂质的生成，减少二次污染。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种生物质气化并联反应工艺，其包括如下步骤：

(1)并行地设置两个或两个以上流化床气化反应器，每个流化床气化反应器各自连接一套两级或两级以上的分离装置，该分离装置至少包括第一分离装置和第二分离装置；

(2)在每个流化床气化反应器独立地加入生物质原料及气化介质；

(3)使每个流化床气化反应器独立地进行反应，生成燃气；

(4)使包括燃气与生物质原料的流化床气化反应器的反应产物进入对应的第一分离装置中进行分离，分离为较轻的第一轻物流和较重的第一重物流；

(5)使每个第一分离装置所得到的第一重物流返回其对应的流化床反应器继续反应，使每个第一分离装置所得到的第一轻物流进入其对应的第二分离装置；

(6)使第一轻物流在第二分离装置中进行分离，分离为较轻的第二轻物流和较重的第二重物流；

(7)使每个第二分离装置所得到的第二重物流返回其对应的流化床反应器继续反应，使每个第二分离装置所得到的第二轻物流进入其对应的第三分离装置或直接进入其对应的燃气分管道。

在本发明的生物质气化并联反应工艺中，每个流化床气化反应器对应设有单独的分离装置；两个或两个以上的流化床气化反应器对应两套或两套以上的分离装置，其可以共用一套生物质原料供给系统和一套气化介质供给系统，也可以是每个流化床气化反应器对应设有单独的分离装置、每个流化床气化反应器对应设有单独的生物质原料供给系统和/或气化介质供给系统。一方面，这种方法可以节省公用设备，另一方面，这种方法提供了巨大的灵活性，例如可以根据具体情况，低负荷时可以关闭部分流化床气化反应器极其对应的下游设备，高负荷时可开启所有的流化床气化反应器。

生物质原料的分配通过分料装置进行，该分料装置可为多通阀，其顶部具有一个进料口，其底部具有多个出料口，其出料口数目与流化床气化反应器数目相同，其各个出料口对应于每个流化床气化反应器的炉前进料装置，准备参加反应的生物质颗粒通过该分料装置进入不同的炉前进料装置。例如，当本发明的流化床气化反应器有两个时，分料装置可为三通阀，其顶部具有一个进料口，其底部具有两个出料口，该两个出料口分别与每个炉前进料装置的进料口对应。

为了使每个流化床气化反应器的气化反应更加可控，上述分料装置的每个出料口均具有电动阀门，以控制对应的流化床气化反应器的进料量。

生物质原料如颗粒状的生物质原料在流化床气化反应器与气化介质发生反应，生物质的聚合物如纤维素等发生热解、氧化、还原、重整等复杂的系列反应，得到CO、H2和CH4等燃气，其中，热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化成为小分子碳氢化合物。

流化床气化反应器可以是气化炉，例如可以是塔状的气化塔；气化介质可以空气，也可以是在空气中添加了其它成分的气化介质，或者是对空气中各成分进行了调节的气化介质，例如，根据不同的生物质原料、场合以及目的，可以适当地增加或减少氧气、氮气、水蒸气、以及二氧化碳的含量，以控制转化率、产率以及产物如燃气的组成。

为了控制燃气的通和关，每条燃气分管道上设置有水封阀，该水封阀包括盆体、外罩、内罩、拉杆。盆体底部开有一个通孔，燃气管道从该通孔穿过，该通孔的形状、尺寸与穿过该通孔的燃气管道相匹配，且二者的接触部焊接。外罩罩于盆体上部，二者的接触部焊接，外罩上设有燃气出口，外罩顶部设有一通孔。燃气管道的自由端位于盆体和外罩包围的空间内，且高于盆体内的水面。内罩罩在燃气管道的自由端上，内罩上设有一拉杆，该拉杆从外罩顶部的一通孔伸出。

生产中产生的大量燃气通过燃气管道送到下游的用户。若下游用户需要的燃气较少，而反应装置中产生的燃气较多，多余的燃气会通过燃气管道返回反应装置，这种情况会导致爆炸等危重事故。为了避免这种情况的发生，本发明的气化并联反应工艺还包括放散多余燃气的步骤。该放散多余燃气的步骤具体为燃烧多余的燃气。其具体包括如下步骤：

(1)在燃气分管道上设置竖直设立的放散管道，放散管道为燃气分管道的分支管道；

(2)在放散管道的出口端设置点火装置；

(3)点火装置进行点火，点燃放散管道中的燃气。

结合前述水封阀，燃气分管道与放散管道连接的放散口，位于水封阀之前。

上述放散管道和点火装置组成了放散装置，多余的燃气通过放散装置燃烧掉，避免了燃气回流可能导致的爆炸事故。

生物质气化反应生成的燃气中通常挟裹有生物质原料如生物质细小颗粒或粉末，为了使这部分生物质原料得到充分反应，本发明的气化并联反应工艺将从流化床气化反应器的物料出口得到的物料进行多次分离，以降低燃气中的生物质原料成分。其优选为两次分离，即包括燃气与生物质原料的物料依次进入两个分离装置进行两次分离，各次分离中被分离的生物质原料返回流化床气化反应器，继续参加反应。为了更大程度地降低燃气中的生物质原料成分，也可以进行三次分离，即包括燃气与生物质原料的物料依次进入三个分离装置进行三次分离，各次分离中被分离的生物质原料返回流化床，继续参加反应。上述多次分离所使用的装置可为旋风分离器或其它分离装置。

由于生物质的气化反应速度与温度有关，温度越高，反应速度越快。为了提高反应速度，本发明的气化并联反应工艺还包括加热气化介质的步骤，即参加反应的气化介质在进入流化床气化反应器进行反应之前先被加热。

一方面，加热气化介质需要消耗一定的热量；另一方面，气化反应后生成的燃气温度极高，直接利用其进行燃烧容易破坏相关燃烧设备和输送管道。因而，上述加热气化介质的步骤具体可为气化介质和反应生成的燃气进行热交换。这样既给使参加反应的气化介质升温，提高了反应速度；又降低了燃气温度，保护了相关燃烧设备和输送管道。

上述加热气化介质的步骤具体可通过热交换装置进行。在每条燃气分管道上，热交换装置位于水封阀之后。气化反应生成的燃气和气化介质流经该热交换装置，并发生热交换，气化介质被预热，燃气被冷却；之后，被预热的气化介质则经由流化床气化反应器的气化介质入口，送入流化床气化反应器，而被冷却的燃气则送至生物质气化反应系统的下游装置。这种设计一方面可以使离开反应系统的产物如燃气降温，以便其进一步被利用；另一方面，可以利用高温燃气预热气化介质，使得进入流化床气化反应器的气化介质达到一定温度，便于流化床气化反应器中的反应平稳进行，充分回收产物所携带的热量。

与现有技术相比，本发明设置了并行的多个流化床气化反应器，一方面增加了燃气的产量，使燃气产量得到数倍的提升；另一方面，通过控制每个流化床气化反应器的燃气输出管道开和关，实现了输出燃气流量的可控；另外，当一个流化床气化反应器及其相应的附属装置发生故障进行检修时，不会影响其它流化床气化反应器的正常运行；由于每个流化床气化反应器都设置了多级分离装置，使生物质颗粒能够充分反应，提高了气化效率，节约了能源，产生了更多燃气，提高了燃气发热量；由于生物质颗粒反应充分，减少了焦油和灰尘的产生，避免了焦油和灰尘在流化床气化反应器内形成的安全隐患，同时减少了处理焦油和灰尘带来的环境污染问题。

以下结合附图和实施例，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明气化并联反应工艺的流程图；

图2是应用本发明工艺的生物质气化并联反应系统第一实施例的前视图；

图3是图2所示并联系统的俯视图；

图4是图2所示并联系统的侧面结构示意图；

图5是应用本发明工艺的生物质气化并联反应系统第二实施例的侧面结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明的气化并联反应工艺包括如下步骤：

(1)两个或两个以上流化床气化反应器并行设置，每个流化床气化反应器连接一套两级以上的分离装置；

(2)使生物质原料及气化介质分别加入每个流化床气化反应器；

(3)使生物质原料与气化介质在每个流化床气化反应器内进行反应，生成燃气；

(4)使包括燃气与生物质原料的流化床气化反应器的反应产物进入对应的第一分离装置中进行分离，分离为较轻的第一轻物流和较重的第一重物流；

(5)使每个第一分离装置所得到的第一重物流返回其对应的流化床反应器继续反应，使每个第一分离装置所得到的第一轻物流进入其对应的第二分离装置；

(6)使第一轻物流在第二分离装置中进行分离，分离为较轻的第二轻物流和较重的第二重物流；

(7)使每个第二分离装置所得到的第二重物流返回其对应的流化床反应器继续反应，使每个第二分离装置所得到的第二轻物流进入其对应的第三分离装置或直接进入其对应的燃气分管道。

其中，每条燃气分管道上设置有水封阀，水封阀位于热交换装置之前，每条燃气分管道上设置有一个放散口，放散口位于水封装置之前，放散口连接放散管道，放散管道的出口端设有点火装置。

图2-4是应用本发明工艺的并联气化系统第一实施例的示意图，该实施例包括两个流化床气化反应器、每个流化床气化反应器包括一套两级分离装置、每个流化床气化反应器包括其单独的气化介质供给系统。

图5所示是应用本发明工艺的并联气化系统第二实施例的侧面结构示意图，该实施方式与图2-4所示的实施方式类似，但图5中进一步示出了料仓系统。

图5所示为应用本发明工艺的生物质气化并联反应系统，其包括并行的两个流化床气化反应器1、料仓8、水平输送带91、大倾角输送带92、分料装置如三通阀7，以及分别与每个流化床气化反应器1相连的两个第一分离装置如旋风分离器2、分别与每个第一分离装置如旋风分离器2相连的两个第二分离装置如旋风分离器3、分别与每个第二分离装置如旋风分离器3的燃气出口相连的两个水封阀12、设于每个水封阀12上的放散管道111和点火装置112、分别与每个水封阀12的燃气出口相连的两个热交换装置5、气化介质供给系统、分别与每个流化床气化反应器1对应的两个缓冲仓61及两个工作仓62、分别与每个流化床气化反应器1相连的两个炉前送料装置如螺旋输送机63和两个废弃物管道101以及两个排渣装置如螺旋输送机102、废弃物存储装置103。本实施方式中，气化介质供给系统为分别与每个热交换装置5相连的两个风送装置(如鼓风机4)及相应的管道；当然，在其它实施方式中完全可以采用其它形式的气化介质供给系统。

其中，料仓8的顶部具有进料口，底部具有出料口；水平输送带91位于料仓8的底部出料口下方，大倾角输送带92的起始端与水平输送带91的末端相接合，大倾角输送带91的末端位于分料装置如三通阀7的顶部进料口上方。分料装置如三通阀7的底部出料口位于缓冲仓61的顶部进料口上方。

缓冲仓61的顶部具有进料口，底部具有出料口；工作仓62的顶部具有进料口，底部具有出料口；缓冲仓61和工作仓62上下排布，工作仓62的顶部进料口位于缓冲仓61的底部出料口的下方；缓冲仓61的底部出料口处设有旋转阀。炉前送料装置如螺旋输送机63的起始端位于工作仓62的底部出料口下方，其终端通入流化床1的第一进料口。

流化床1中部具有第一进料口和第二进料口；其底部具有气化介质入口和废弃物出口；其上部具有物料出口。废弃物出口连接废弃物管道101，废弃物管道101出口处置有排渣装置如螺旋输送机102。螺旋输送机102向上倾斜，即其出料端高于其进料端。螺旋输送机102的出料端置有废弃物存储装置103。

第一分离装置如旋风分离器2的上部具有物料入口，该物料入口与流化床1的物料出口通过管道相连；其中部具有物料出口；其底部具有循环出口；该循环出口通过管道连接一回收物暂存装置21，回收物暂存装置21的底部出口外具有通向流化床1第二进料口的第一输送装置如螺旋输送机。

第二分离装置如旋风分离器3的上部具有物料入口；其顶部具有燃气出口，燃气出口连接燃气分管道；其底部具有循环出口；循环出口外具有通向回收物暂存装置21的第二输送装置如螺旋输送机。

热交换装置5包括燃气入口、燃气出口及空气入口、空气出口；燃气入口和燃气出口分别连接燃气管道；空气入口和空气出口分别连接空气管道。

第二分离装置如旋风分离器3的燃气出口设有水封阀12，水封阀12位于热交换装置5之前。水封阀12上设有一个放散口，该放散口连接放散管道111，放散管道111的出口端设有点火装置112。

风送装置如鼓风机4通过空气管道连接于热交换装置5的空气入口，热交换装置5的空气出口连接于流化床1底部的气化介质入口，将空气从流化床1的底部吹入。流化床1的底部置有多个通风管道，通风管道的进风口与流化床1的空气入口相通，通风管道的出风口上罩有斗笠形的风帽，风帽上置有多个小孔。

本实施例的工作过程如下：

生物质颗粒从料仓8经水平输送带91及大倾角输送带92进入分料装置如三通阀7，从三通阀7底部的两个出料口进入两个缓冲仓61，然后经缓冲仓61进入工作仓62，然后经螺旋输送机63进入每个流化床气化反应器1。鼓风机4向流化床气化反应器1中送风。在流化床气化反应器1中生物质颗粒与空气作用生成CO、H₂和CH₄等燃气和固体废弃物。固体废弃物经废弃物管道101及螺旋输送机102进入废弃物存储装置103。

燃气和未完全反应的生物质颗粒进入旋风分离器2，经分离后燃气和较轻的生物质颗粒进入旋风分离器3，较重的生物质颗粒通过螺旋输送机返回流化床1继续参加反应。

在旋风分离器3内，燃气和较轻的生物质颗粒进一步分离，燃气进入燃气管道，通过热交换装置5加热用于反应的空气，同时燃气被冷却，被冷却的燃气送至生物质气化并联反应系统的下游装置。多余的燃气进入放散管道111，在放散管道111的端部点燃。

经过热交换之后，对应于两个流化床气化反应器1的燃气分管道汇成一条燃气总管道，向下游装置输出燃气。

Claims (8)

1.一种生物质气化并联反应工艺，其包括如下步骤：

(1)并行设置两个或两个以上流化床气化反应器，每个流化床气化反应器各自连接一套两级或两级以上的分离装置，该分离装置至少包括第一分离装置和第二分离装置；

(2)在每个所述流化床气化反应器中独立地加入生物质原料及气化介质；

(3)使每个所述流化床气化反应器独立地进行反应，生成燃气；

(4)使包括燃气与生物质原料的流化床气化反应器的反应产物进入对应的第一分离装置中进行分离，分离为较轻的第一轻物流和较重的第一重物流；

(5)使每个所述第一分离装置所得到的第一重物流返回其对应的流化床反应器继续反应，使每个所述第一分离装置所得到的第一轻物流进入其对应的第二分离装置；

(6)使所述第一轻物流在所述第二分离装置中进行分离，分离为较轻的第二轻物流和较重的第二重物流；

(7)使每个所述第二分离装置所得到的第二重物流返回其对应的流化床反应器继续反应，使每个所述第二分离装置所得到的第二轻物流进入其对应的第三分离装置或直接进入其对应的燃气分管道。

2.根据权利要求1所述的气化并联反应工艺，其特征在于，各条燃气分管道汇成一条燃气总管道，每条燃气分管道汇入燃气总管道之前均有一个阀门装置。

3.根据权利要求1所述的气化并联反应工艺，其特征在于，所述的第一重物流和第二重物流主要为生物质原料和未完全反应的生物质原料，所述的第一轻物流则包括燃气、未完全反应的生物质原料和生物质原料。

4.根据权利要求1所述的气化并联反应工艺，其特征在于，所述的第一、第二和第三分离装置均为旋风分离装置。

5.根据权利要求1所述的气化并联反应工艺，其特征在于，所述的第二轻物流在所述第三分离装置中进行分离，分离为较轻的第三轻物流和较重的第三重物流，所得到的第三重物流返回所述流化床反应器继续反应，所得到的第三轻物流进入第四分离装置或直接进入燃气管道。

6.根据权利要求5所述的气化并联反应工艺，其特征在于，所述的第三重物流主要为生物质原料和未完全反应的生物质原料。

7.根据权利要求1所述的气化并联反应工艺，其进一步包括利用燃气管道中的气流在热交换装置中加热气化介质的步骤。

8.根据权利要求1所述的气化并联反应工艺，其特征在于，其进一步包括放散多余燃气的步骤，该放散多余燃气的步骤为燃烧多余的燃气。

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