CN102226107A

CN102226107A - 二段式生物质高温气化制备合成气工艺及设备

Info

Publication number: CN102226107A
Application number: CN2011101380273A
Authority: CN
Inventors: 应浩; 涂军令; 蒋剑春; 李琳娜; 孙云娟; 许玉
Original assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Current assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2011-10-26

Abstract

本发明涉及二段式生物质高温气化制备合成气工艺及设备。该工艺的气化反应分二段进行：初级气化反应和高温气化反应。经初级气化反应产生的生物质燃气、未反应的固体物和焦油等在高温下直接输入高温气化炉，并通入水蒸气、空气，进行高温气化反应，从而提高了热能效率、碳转化率和焦油裂解率；热能自给，通过热量回收提高热能效率；制得合成气热值可达7~8MJ/m3。实现该工艺的设备，包括生物质进料装置、气化反应器、除尘装置、热量回收装置、洗涤装置、空气压缩机等。本发明可用于将农林废弃物等生物质原料转化成热值高、焦油低的合成气，应用于生物质燃气供热、燃气发电或液体燃料合成。

Description

二段式生物质高温气化制备合成气工艺及设备

技术领域

本发明涉及生物质气化技术领域，特别是一种利用生物质原料制备可用于合成液体燃料的原料气的工艺及所用设备。

背景技术

生物质是人类社会发展过程中最先利用的一种能源，具有清洁性和可再生性，是唯一可以转化为固体燃料、气体燃料、液体燃料和电力等多种高品位能源的可再生能源。我国是能源消费大国，一次能源消费量仅次于美国，为世界第二大能源消费国，面对化石资源日益枯竭、CO₂排放量的日益增加的严峻形势，开发可再生能源、调整能源结构是实现我国可持续发展战略的重要保障。我国有丰富的生物质资源，据统计，每年农村秸秆产量约6亿吨，林木采集和加工剩余物也达上亿吨，其中大部分可以加以利用，约折合4亿吨标准煤，还有其它一些能源作物、城市生活垃圾等。

生物质气化是利用热化学方法使生物质原料在高温条件下与气化剂（空气、氧气、水蒸气等）发生化学反应并转化为燃气的工艺过程。生物质气化技术可利用的生物质原料非常广泛，包括农作物秸秆、稻壳，林业废弃物，加工剩余物以及城市垃圾等。生物质气化是生物质利用过程中热效率最高的过程，在世界第15次能源大会上，生物质气化技术被确定为优先开发的新能源技术之一。

利用生物质制取合成气用于生产高品质液体燃料和化学品，已经引起国内外学者的关注。气化工艺的开发是实现生物质高效利用的关键，现有生物质气化装置生产的燃气存在热值偏低、焦油量过高、燃气中杂质较多等问题，不适合用于后续合成液体燃料。

发明内容

本发明目的在于提供一种二段式生物质高温气化制备合成气工艺及设备，工艺简洁、高效可行，运行成本低，碳转化率和合成气热值较高，并获得较为洁净的合成气；在相关设备上，满足高温气化过程，不但提高生产能力，同时增加产气量，减少焦油含量，并且能够连续稳定可靠运行。

本发明的技术方案为：二段式生物质高温气化制备合成气工艺，所述工艺包括如下步骤：将细颗粒或粉末状的草本或木本类生物质原料连续、定量地由设在气化炉Ⅰ下部的进料口输入到气化炉Ⅰ内，与由下而上的气化介质空气在700~800℃的温度下，进行初级气化反应生成气固混合物，所述的气固混合物的成分包括生物质燃气、未反应的含碳固体物和焦油，气固混合物由气化炉Ⅰ的顶部排出，从气化炉Ⅱ的顶部通过气固燃料喷嘴进入，气固混合物与从气化炉Ⅱ顶部进入的水蒸气和空气在1000~1200℃下进行高温裂解与气化反应，由上向下气体流速逐渐变快，最后从气化炉Ⅱ下部的气体出口进入净化冷却装置，净化、冷却后制得生物质合成气。

气化炉Ⅱ内， S/B（steam/ biomass，水蒸气/生物质的质量比）比值为1.00~1.65；ER（Equivalence Ratio；空气当量比＝实际供给每 kg 生物质燃烧空气的质量/每 kg 生物质完全燃烧所需空气的质量）比值为0.18~0.32；气化炉内反应压力维持在0.1～1.2MPa的状态下进行。

由气化炉Ⅱ出来的气体与热量回收器换热，回收的热量用于加热水成为水蒸气，输入设在气化炉Ⅱ顶部的气固燃料喷嘴内作为气化剂。

一种用于所述的二段式生物质高温气化制备合成气工艺的设备，包括：空气或氧气压缩机、进料装置、气化装置、净化冷却装置；进料装置、气化装置、净化冷却装置串联设置，空气或氧气压缩机分别和进料装置、气化装置连接，所述的气化装置由气化炉Ⅰ、气化炉Ⅱ串联组成，气化炉Ⅰ底部设有压缩空气或氧气进口、下部设有进料口、顶部设有气固混合物出口，气化炉Ⅱ的上部设有气固燃料喷嘴，气固燃料喷嘴上设有气固混合物进口、压缩空气进口和水蒸气进口，气化炉Ⅱ的下部设有气体出口，底部设有灰渣出口。

所述的净化冷却装置主要由气固分离器、热量回收换热器、洗涤装置串联组成，热量回收换热器的冷却水进口与水泵连接，水蒸气出口与气化炉Ⅱ连接。

有益效果：

本发明的生物质高温气化制备合成气工艺和设备，适用于生物质原料在高温条件下的气化，本发明采用二段式气化工艺，不仅提高了设备生产能力、生物质碳转化率和焦油裂解率，而且明显提高合成气热值，合成气热值可达7~8MJ/m3。同时，本发明的设备能够实现热能自给，提高了热能效率。目前生物质气化技术逐渐向高温高压方向发展，提高气化反应温度有利于焦油裂解和提高碳转化率，而增加气化反应压力可以提高气化强度和生产能力，同时可以减小设备尺寸，降低设备制造成本，有着突出的技术优势和应用前景。

初级气化反应在气化炉Ⅰ内进行，其反应温度控制为700～800℃；第二级气化反应在气化炉Ⅱ内进行，在1000~1200℃下发生高温气化反应，焦油裂解与气化反应同时进行；

初级气化反应在气化炉Ⅰ所获得的气固混合物，在高温下从气化炉Ⅱ顶部的气固燃料喷嘴直接进入，固体炭和燃气均未进行冷却，有利于气化炉Ⅱ内反应温度的提高，并减少热能损失；

气化炉Ⅱ内气化反应温度高于1000℃而低于生物质原料灰熔点温度，使得反应过程以固体灰的形式排渣，而且气流方向是由上向下的，气流速度逐渐加快，可以有效避免炉内结渣，同时气化炉Ⅰ输入的气固混合物中的燃气焦油被充分裂解，使燃气更为洁净。

由气化炉Ⅱ出来的高温气体与热量回收器换热，回收的热量用于加热水成为水蒸气，输入设在气化炉Ⅱ顶部的气固燃料喷嘴内作为气化剂；有效实现了热量回收，提高了系统的热能效率。

附图说明

图1为生物质高温气化制备合成气工艺流程示意图。

其中，1为空气或氧气压缩机，2为螺旋加料器，3为贮料仓Ⅰ，4为贮料仓Ⅱ，5为气化炉Ⅰ，6为气化炉Ⅱ，7为气固燃料喷嘴，8为灰渣仓Ⅰ，9为灰渣仓Ⅱ，10为气固分离器，11为热量回收换热器，12为水泵，13为循环水洗涤器，14为水罐，15为循环泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种二段式生物质高温气化制备合成气工艺，所述方法包括以下步骤：

将稻壳、秸秆、木屑等生物质原料粉碎成粉末状，采用两个串联的贮料仓Ⅰ和贮料仓Ⅱ进行加料，实现连续加料的同时保证系统密封。两个密封的贮料仓之间设有阀门；所述贮料仓与空气压缩机1通过管道连接，提供平衡气。然后通过螺旋加料器2将原料输入气化炉Ⅰ内进行初级气化反应，进料速率通过螺旋加料器2的转速控制和调节；

气化反应分两段进行，原料先由设在气化炉Ⅰ下部的进料口进入炉内，在700~800℃温度下参加初次气化反应，由空气压缩机1提供气化介质也就是压缩空气由炉子的底部进入，气流方向由下向上，气体流量通过管道上的流量计计量；初次气化产生的生物质燃气、未反应的固体物和焦油（高温下呈气态）等气固混合物在高温下直接由顶部的气固混合物出口进入气化炉Ⅱ内。气固混合物从气化炉Ⅱ顶部的气固燃料喷嘴7进入气化炉Ⅱ，同时从气化炉Ⅱ顶部加入适量的水蒸气和空气，在气化炉Ⅱ内与空气混合后高温燃烧，并和水蒸气进行高温气化反应，生成合成气燃料；高温气化反应温度在1000~1200℃之间，高于焦油裂解温度同时低于灰熔融温度，这样可以避免灰分熔融或结渣，同时通入的高温水蒸气促使气化炉Ⅰ输入的气固混合物质中的焦油在高温下可以裂解的更完全，水蒸气的通入量通过水蒸气输入管道上的流量计计量；气化反应过程须控制适宜的S/B，比值为1.00~1.65；ER比值为0.18~0.32；反应压力在0.1～1.2MPa的状态下，进行气化反应；在此过程中，含碳固体物与空气和水蒸气发生高温气化反应，同时在1000~1200℃高温下焦油发生裂解并与水蒸气反应，均可生成CO、H₂等可燃气体，从而提高了燃气热值和降低燃气中焦油的含量。

气化反应产生的高温燃气首先经过气固分离器10除去较大颗粒的固体，固体灰落入气固分离器10下接的两个串联的灰渣仓Ⅰ和灰渣仓Ⅱ，灰渣仓之间设有阀门，实现连续排渣并确保系统密封；然后气体经过热量回收换热器11，和水泵12泵入的冷却水进行热交换，气体冷却的同时产生高温水蒸气，高温水蒸气经管道输入气化炉Ⅱ，实现热量回收；经过冷却的气体最后通过循环水洗涤器13，进一步冷却和除去较小的粉尘和杂质，制得洁净合成气。

所述工艺的系统压力通过气体出口处的阀门调节和控制。

另外，本发明制得的合成气不仅可以用于液体燃料合成，由于其热值较高，还可以用作气体燃料用于供热或发电。

一种用于二段式生物质高温气化制备合成气工艺的设备，包括：空气压缩机、进料装置、气化装置、净化冷却装置；进料装置、气化装置、净化装置串联设置，空气压缩机分别和进料装置、气化装置连接，所述的气化装置由气化炉Ⅰ、气化炉Ⅱ串联组成，气化炉Ⅰ底部设有压缩空气进口、下部设有进料口、顶部设有气固混合物出口，气化炉Ⅱ的上部设有气固燃料喷嘴，气固燃料喷嘴上设有气固混合物进口、压缩空气进口和水蒸气进口，气化炉Ⅱ的下部设有气体出口，底部设有灰渣出口。

所述的净化冷却装置主要由气固分离器、热量回收换热器、洗涤装置串联组成，热量回收换热器的冷却水进口与水泵连接，水蒸气出口与气化炉Ⅱ连接。所述的洗涤装置包括循环水洗涤器13、水罐14和循环泵15，上述装置通过管道联通。

Claims

1.一种二段式生物质高温气化制备合成气工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：将细颗粒或粉末状的草本或木本类生物质原料连续、定量地由设在气化炉Ⅰ下部的进料口输入到气化炉Ⅰ内，与由下而上的气化介质空气在700~800℃的温度下，进行初级气化反应生成气固混合物，所述的气固混合物的成分包括生物质燃气、未反应的含碳固体物和焦油，气固混合物由气化炉Ⅰ的顶部排出，从气化炉Ⅱ的顶部通过气固燃料喷嘴进入，气固混合物与从气化炉Ⅱ顶部进入的水蒸气和空气在1000~1200℃下进行高温裂解与气化反应，由上向下气体流速逐渐变快，最后从气化炉Ⅱ下部的气体出口进入净化冷却装置，净化、冷却后制得生物质合成气。

2.根据权利要求1所述的二段式生物质高温气化制备合成气工艺，其特征在于，气化炉Ⅱ内，S/B比值为1.00~1.65；ER比值为0.18~0.32；气化炉内反应压力维持在0.1～1.2MPa的状态下进行。

3.根据权利要求1所述的二段式生物质高温气化制备合成气工艺，其特征在于，由气化炉Ⅱ出来的气体与热量回收器换热，回收的热量用于加热水成为水蒸气，输入设在气化炉Ⅱ顶部的气固燃料喷嘴内作为气化剂。

4.一种用于权利要求1所述的二段式生物质高温气化制备合成气工艺的设备，包括：空气或氧气压缩机、进料装置、气化装置、净化冷却装置；进料装置、气化装置、净化冷却装置串联设置，空气或氧气压缩机分别和进料装置、气化装置连接，其特征在于，所述的气化装置由气化炉Ⅰ、气化炉Ⅱ串联组成，气化炉Ⅰ底部设有压缩空气或氧气进口、下部设有进料口、顶部设有气固混合物出口，气化炉Ⅱ的上部设有气固燃料喷嘴，气固燃料喷嘴上设有气固混合物进口、压缩空气进口和水蒸气进口，气化炉Ⅱ的下部设有气体出口，底部设有灰渣出口。

5.如权利要求4所述的用于二段式生物质高温气化制备合成气工艺的设备，其特征在于，所述的净化冷却装置主要由气固分离器、热量回收换热器、洗涤装置串联组成，热量回收换热器的冷却水进口与水泵连接，水蒸气出口与气化炉Ⅱ连接。