CN102206515A - 一种生物质的多联产综合利用方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物质的多联产综合利用方法及装置，生物质原料经过自然干燥、粗破碎后送至微波热解室进行微波加热裂解，微波加热裂解产生的热解气(焦油)和固体半焦导入到微波重整室，在半焦催化作用下，对热解气(焦油)进一步微波加热重整转化为合成气；催化重整后的半焦经活化再生后送到微波重整室继续催化反应。本发明借助微波辐照方式实现了生物质到合成气的定向转化，利用热解生成的半焦作为重整催化剂，集成了微波热解和微波重整双重技术，而且半焦可微波辐射下活化再生循环利用。不宜循环利用的半焦还可直接还田或与化肥混合后作为复合肥料还田，提高土壤碳汇，改善土壤肥力。与其他工艺相比，本方法合成气的转化率提高10％左右，制备的合成气用途广泛，可以用于合成氨、二甲醚以及化肥等化工产品。本方法能够实现生物质资源化多联产综合利用。

Description

一种生物质的多联产综合利用方法及装置
技术领域
本发明涉及一种生物质的多联产综合利用方法及装置，不仅实现了生物质到合成气的定向转化，还综合利用了微波热解生成的半焦以及微波重整制取的合成气，提出了一种资源化利用生物质的新思路。
背景技术
生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，极有可能成为未来可持续能源的重要组成部分。热解是生物质热化学转化的一种方式，是制取生物质替代燃料的重要途径之一，可以将生物质能量全部转化气液固能源产品，因而受到了全世界的广泛关注。富含氢气和一氧化碳的合成气在化学工业中具有极为重要的地位，应用非常广泛，如制氨及其衍生品(如尿素、硝酸等)、甲醇及其产品(如醋酸、甲醛等)、费托合成产品、氢甲酰化产品以及制氢等；同时合成气本身也是一种较好的燃料。
微波加热具有即时性、整体性、选择性和高效性的特点，是替代常规加热的很好的选择。近年来，国外对于生物质微波热解制取合成气的研究逐渐升温。A.Domín-guez等开展了常规和微波热解生物质制取合成气的试验研究。研究发现，微波热解所得气体产物中合成气比例明显高于常规热解。Fei Yu等研究发现，添加NaOH作为催化剂，会大幅度提高微波热解玉米秸秆的合成气产率。国内对生物质微波热解制取合成气的研究处于起步阶段。王同华等和方琳等对微波热解污泥气相产物成分的分析表明，气相产物中合成气可作为洁净燃气使用或合成气的原料。
然而，生物质初级热解生成的组分中含有较多的焦油以及CO2、CH4和水蒸气，若上述产物最大限度地转化为合成气不仅可以大大提高合成气产率，而且利于减少温室气体排放。目前，生物质初级热解后的固体产物半焦未能实现充分利用。如果生物质初级热解的全部产物都能用作转化合成气，不仅能大幅提高生物质的整体利用效率，而且节省能源，同时将生物质的资源化多联产利用技术引向深入，对生物质利用技术的推广带来广阔的前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质的多联产综合利用方法及装置，该种方法不仅大大提高合成气的产率，而且有效利用生物质初级裂解产物半焦，提高了生物质的综合利用效率，同时节约了能源，保护了环境。
本发明采取的技术方案为：
一种生物质的多联产综合利用方法，步骤如下：
(1)将生物质原料先经过自然干燥、粗破碎，然后送料至微波热解室，通惰性气体置换空气后进行微波加热裂解；
(2)微波加热裂解产生的热解气(包括焦油)和固体半焦导入到微波重整室，在微波辐射和半焦催化作用下，对热解气(包括焦油)进一步微波加热重整转化为合成气；
(3)催化重整后的半焦经活化再生后送到微波重整室继续催化反应，或者不经活化再生而直接用作燃料或肥料；生成的合成气用作燃料或经脱碳、H2/CO比值调节处理后用于合成化工原料。
所述的生物质主要是农作物秸秆，粗破碎平均粒径1-10cm。
所述的微波加热裂解和微波加热重整的反应温度均控制在600-800℃。
所述的微波加热裂解过程中物料的停留时间约为20-30s，微波加热重整过程的停留时间约为2-5s，微波再生过程中物料的停留时间约为2-5s。
所述的微波加热裂解过程中微波加热功率为0.2-0.4kW/kg生物质原料。
所述的微波加热重整，若是微波加热裂解生成的半焦不满足重整反应需要，可以由外界补给部分半焦或其他碳基材料，如活性炭，补给量不超过20％。若是微波加热裂解生成的半焦量超过重整反应需要，可以排出一部分。
所述的微波加热重整，若是微波加热裂解生成的水蒸气不满足重整反应需要，可以由外界补给，补给量根据生物质的成分和反应条件确定。一般情况下，微波加热裂解生成的水蒸气量不会过剩。
所述的微波加热重整，若是气体含氧量不满足重整反应需要，可以由外界补给，补给量根据生物质的成分和反应条件确定。一般情况下，微波加热裂解生成的氧气量不会过剩。
生物质的多联产综合利用装置，包括螺旋进料器，螺旋进料器连接微波热解室，微波热解室分别通过气体管道和固体管道与微波重整室相连，微波重整室上端连有合成气储罐，下端连有半焦收集室和再生室。
所述的微波重整室上设有半焦补充口。
所述的微波重整室上设有水蒸气补充口。
所述的微波重整室上设有氧气补充口。
本发明利用热解产生的半焦作为重整催化剂，实现微波热解和微波重整的集成优化，使生物质定向转化为合成气，而且高效利用热解制取的半焦以及重整转化的合成气，资源化多联产化肥、氨等产品；同时节省催化剂制备成本，而且半焦还可直接还田或与化肥混合后作为复合肥料还田，同时提高土壤碳汇和肥力。
本发明的积极效果：借助微波辐照方式实现了生物质到合成气的定向转化，集成了微波热解和微波重整双重技术，利用热解生成的半焦作为重整催化剂，大大节省了常规燃气重整所需的贵金属催化剂使用成本，而且半焦可活化再生循环利用，提高了生物质的整体利用效率和工艺经济性。由于生物质半焦是微波的良好吸收体，因此微波辐射下半焦作为吸波介质和重整反应催化剂非常匹配，同时微波辐射对生物质半焦的再生也具有显著优势，可大大提高系统热量利用率和反应转化率。除了充当重整催化剂，半焦可直接还田或配使化肥还田，用于提高土壤碳汇改善土壤肥力。半焦还可作为辅助燃料使用以及制备吸附剂等碳基材料。与常规的生物质热解气化制取合成气方法相比，本方法合成气的转化率提高10％左右，制备的合成气用途广泛，可以用于合成氨、二甲醚以及化肥等化工产品。本方法能够实现生物质资源化多联产综合利用。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为本发明装置图。
其中：1.生物质料仓，2.螺旋进料器，3.微波热解室，4.微波重整室，5.合成气储罐，6.半焦收集室，7.再生室，8.半焦补充口，9.水蒸气补充口，10.氧气补充口。
具体实施方式
生物质的多联产综合利用装置，包括螺旋进料器2，螺旋进料器2连接微波热解室3，微波热解室3分别通过气体管道和固体管道与微波重整室4相连，微波重整室4上端连有合成气储罐5，下端连有半焦收集室6和再生室7。
所述的微波重整室4上设有半焦补充口8、水蒸气补充口9、氧气补充口10。
实施例1
生物质的多联产综合利用方法步骤如下：
(1)生物质原料首先经过自然干燥、粗破碎(平均粒径大约1-10cm)，经螺旋进料装置输送到微波热解室。微波发生器于微波热解室四周均匀布置，激励枪嵌于热解室内壁，内壁采用不吸波材料。微波发生器启动前，通入一定量氮气，以置换微波热解室内的空气。
(2)启动微波后，生物质的热解反应开始进行，产生的热解气(包括焦油)由微波热解室尾部直接导入到微波重整室，产生的半焦直接送入微波重整室。在半焦作用下，热解气(包括焦油)进一步重整转化为合成气。若是微波热解生成的半焦不能满足重整反应需要，可以由外界补给部分半焦或其他碳基材料。根据计算，补给量不超过20％。若是微波热解生成的水蒸气或氧气不能满足重整反应需要，可以由外界补给部分水蒸或氧气。根据计算，补给量一般均不超过20％。微波热解室和微波重整的反应温度分别控制在800℃，合成气产率为60％、半焦产率为10％；所述的微波加热裂解过程中物料的停留时间约为20s，微波加热重整过程的停留时间约为2s，微波再生过程中物料的停留时间约为2s。所述的微波加热裂解过程中微波加热功率为0.4kW/kg生物质物料。
(3)经过微波重整反应后的半焦由于活性降低，在微波再生室中活化再生，再生后的半焦回送到微波重整室中实现循环利用。
(4)除了作为重整催化剂，半焦还可直接还田或配使化肥还田，用以增加土壤碳汇和改良土壤肥力，另外半焦也可作为锅炉辅助燃料使用以及用于制备吸附剂等碳基材料。
(5)从微波重整室排出的合成气本身就是良好燃料，还可对合成气进行脱碳、H2/CO比值调节等处理，用于合成二甲醚、合成氨以及化肥等化工产品。
实施例2
生物质的多联产综合利用方法步骤如下：
(1)生物质原料首先经过自然干燥、粗破碎(平均粒径大约1-10cm)，经螺旋进料装置输送到微波热解室。微波发生器于微波热解室四周均匀布置，激励枪嵌于热解室内壁，内壁采用不吸波材料。微波发生器启动前，通入一定量氮气，以置换微波热解室内的空气。
(2)启动微波后，生物质的热解反应开始进行，产生的热解气(包括焦油)由微波热解室尾部直接导入到微波重整室，产生的半焦直接送入微波重整室。在半焦作用下，热解气(包括焦油)进一步重整转化为合成气。若是微波热解生成的半焦不能满足重整反应需要，可以由外界补给部分半焦或其他碳基材料。根据计算，补给量不超过20％。若是微波热解生成的水蒸气或氧气不能满足重整反应需要，可以由外界补给部分水蒸或氧气。根据计算，补给量一般均不超过20％。微波热解室和微波重整的反应温度分别控制在600℃，合成气产率为50％、半焦产率为20％；所述的微波加热裂解过程中物料的停留时间约为30s，微波加热重整过程的停留时间约为5s，微波再生过程中物料的停留时间约为5s。所述的微波加热裂解过程中微波加热功率为0.2kW/kg生物质物料。
(3)经过微波重整反应后的半焦由于活性降低，在微波再生室中活化再生，再生后的半焦回送到微波重整室中实现循环利用。
(4)除了作为重整催化剂，半焦还可直接还田或配使化肥还田，用以增加土壤碳汇和改良土壤肥力，另外半焦也可作为锅炉辅助燃料使用以及用于制备吸附剂等碳基材料。
(5)从微波重整室排出的合成气本身就是良好燃料，还可对合成气进行脱碳、H2/CO比值调节等处理，用于合成二甲醚、合成氨以及化肥等化工产品。

Claims (8)

1.一种生物质的多联产综合利用方法，其特征是，步骤如下：
(1)生物质原料先经过自然干燥、粗破碎，然后送料至微波热解室，通惰性气体换气后进行微波加热裂解；
(2)微波加热裂解产生的热解气导入到微波重整室，产生的固体半焦也送入微波重整室，在微波辐射和半焦催化作用下，对热解气进一步微波加热重整转化为合成气；
(3)催化重整后的半焦经活化再生后送到微波重整室继续催化反应，或者不经活化再生而直接用作燃料或肥料；生成的合成气用于燃料或经进行脱碳、H2/CO比值调节处理后用于合成化工原料。
2.根据权利要求1所述的生物质的多联产综合利用方法，其特征是，所述的微波加热裂解和微波加热重整的反应温度均控制在600-800℃。
3.根据权利要求1所述的生物质的多联产综合利用方法，其特征是，所述的微波加热裂解过程中物料的停留时间为20-30s，微波加热重整过程的停留时间为2-5s，微波再生过程中物料的停留时间约为2-5s。
4.根据权利要求1所述的生物质的多联产综合利用方法，其特征是，所述的微波加热重整，微波加热裂解生成的半焦不能满足重整反应需要的部分由外界补给，补给量不超过20％。
5.生物质的多联产综合利用装置，其特征是，包括螺旋进料器，螺旋进料器连接微波热解室，微波热解室分别通过气体管道和固体管道与微波重整室相连，微波重整室上端连有合成气储罐，下端连有半焦收集室和再生室。
6.根据权利要求5所述的生物质的多联产综合利用装置，其特征是，所述的微波重整室上设有半焦补充口。
7.根据权利要求5所述的生物质的多联产综合利用装置，其特征是，所述的微波重整室上设有水蒸气补充口。
8.根据权利要求5所述的生物质的多联产综合利用装置，其特征是，所述的微波重整室上设有氧气补充口。
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