CN102703131B - 一种用于宽粒径分布燃料的两段气化方法及其气化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于宽粒径分布燃料的两段气化方法及其气化装置。本发明的用于宽粒径分布燃料的两段气化方法，包括以下步骤：1）将燃料经加料装置加入到流化床热解器内，同时向流化床热解器内加入气化剂，在热解器的半焦和气化剂的加热下对燃料进行干燥/热解或部分气化；2）将步骤1）生成的固体和气体产物一起送入气流床气化炉内，同时向气流床气化炉内加入气化剂，完成半焦的完全气化，并同时利用气流床内的高温热解、部分氧化和半焦的催化重整作用来脱除焦油，生产出洁净的燃气。本发明将传统的燃料气化过程分为原料热解和半焦气化两个子过程，并分别在上游的流化床热解器和下游的气流床气化炉内进行。

Description

一种用于宽粒径分布燃料的两段气化方法及其气化装置

技术领域

本发明涉及洁净能源技术领域，具体地，本发明涉及一种用于宽粒径分布燃料的两段气化方法及其气化装置。

背景技术

气化是煤炭、生物质等含碳燃料转化的主导途径之一，是实现其综合洁净利用的重要技术手段。该技术广泛应用于化工、冶金、民用和工业燃气、建材、陶瓷等领域，是这些行业发展的龙头技术，也是减少环境污染、节能、发展工业的重要举措。目前国内燃气行业内常用的固定床气化炉，技术水平落后，普遍存在着原料适用性差、处理量小、放大困难、气体转化效率较低、生产的燃气中焦油含量高等问题，严重困扰了气化技术的进一步放大和终端用户的清洁使用。

煤炭气化技术的研究和开发已有上百年的历史，生物质和有机质固体废弃物的气化技术自上世纪80年代以来也得到了快速发展。目前已经工业化的气化技术主要有固定床气化、流化床气化和气流床技术。

固定床是最简单的气固反应器，其优点是操作简单，设备成本低，投资少。早期开发的气化炉，特别是中小型气化炉，几乎均使用固定床反应器。按照床内物料和气体流动方向的差异可分为上吸式和下吸式两种。由于上吸式固定床的合成气最后通过低温燃料床层，所以焦油含量极高，在实际中已很少被单独采用。而下吸式固定床气化炉的产品气经过高温半焦和渣灰层的裂解和重整后能有效除去生成的焦油。但是，由于缺乏对流传热，下吸式固定床内燃料的升温速率较慢，反应时间较长，单位床体积的燃料处理量低。此外，由于下行气流的影响，固定床内底层半焦燃烧所产生的高温区通常也不会太厚，实际运行时脱除的焦油量往往有限。另外，固定床气化多使用优质块状原料，无疑增加了燃料的成本，且难以适应大的燃料处理量。流化床气化炉具有较高的传热、传质速率，能够处理小粒径原料，适合大规模生产，生成的燃气组成和热值都比较稳定。但是生成的气体中焦油含量大、热值不高。此外，由于灰分中较高的含碳量，造成碳转化率较低。气流床气化反应温度高，气化强度大，碳转化率高，适合大型的煤化工基地使用，然而其原料灵活性较差，较难用来处理大颗粒的生物质等原料。

上述气化技术各有优劣，但从大规模处理宽粒径分布燃料的可行性来看，流化床气化技术最具竞争力。该技术设备简单，适合放大。但是流化床气化技术的各种缺点（参见前文所述）使得其并未受到实际应用的青睐。为此，为克服流化床气化方法的缺点，在其他气化方法中结合流化床反应器（主要是为了除去焦油和提高碳的转化率）的两段式气化方法和工艺越来越受到关注。

国外自上世纪80年代已经开始进行两段气化的实验研究，其中较典型的是丹麦Technical.University of Denmark(DTU)开发的联合外热式螺旋加料器（热解器）和下吸式固定床反应器（气化炉）的两段气化技术。木头碎片热解生成的含焦油的热解气和高温半焦一起进入下吸式气化炉，当热解气通过高温半焦气化层时脱除其中的焦油。通过在75kW的中试装置上气化木材颗粒3017小时，发现该工艺能将气化炉出口气中的焦油含量降低到50mg/Nm³以下，充分说明了两段气化装置在焦油脱除方面的优势。此外，韩国首尔大学（University of Seoul）开发了一个耦合流化床气化炉和上吸式固定床焦油处理器的两段气化技术，生物质颗粒在流化床内气化，生产的气化气最后通过放置活性炭的上吸式固定床床层，利用活性炭的吸附作用脱除焦油，从而降低了焦油的含量。

国内从上世纪90年代中期开始进行两段气化方面的研究，并取得了一定的进展。中国专利94190559.4公布了一种结合流化床热解和上吸式固定床气化炉的褐煤或泥煤两段气化工艺。燃料首先在流化床热解器中热解（400-700°C，＜50atm），生产的半焦被送入到上吸式固定床气化炉内气化（＜1200°C，＜50atm）。从热解器和气化炉中生产的气体各自排出，经混合后被送向终端的发电装置。中国专利CN1583956A公开了一种联合循环流化床气化炉和下吸式固定床气化炉的生物质两段气化工艺。前段生成的气化气与后段供入的生物质燃料在下吸式固定床中共气化。中国专利CN101440307A公布了一种耦合上吸式固定床气化炉和流化床气化炉的两段气化工艺。前段气化炉生产的气化气通过喉管进入到流化床气化炉中，利用流化床气化炉内的高温使得固定床气化炉产生的煤气中富含的焦油在流化床气化炉内部进一步裂解。中国科学院过程工程研究所开发了一种耦合流化床和下吸式固定床的两段气化工艺（CN1916123），该工艺结合了流化床和下吸式固定床的优点，适合放大，通过半焦床层的催化重整作用，能有效地降低焦油含量。

目前，国内外开发的两段气化技术基本上都处于中试或工业示范阶段，至今仍无大规模的商业化运行装置，在装置放大、原料适用性、装置运行稳定性等方面还有待突破。丹麦DTU开发的技术由于受外热螺旋热解器的限制，该工艺很难进一步放大。此外，该工艺仅适合用来处理大颗粒尺寸的原料（25mm×35mm×6mm），对原料尺寸的要求较高。韩国首尔大学（University of Seoul）开发的两段气化技术，虽然可以大量的处理原料，然而由于没有充分利用气化炉自身生产的半焦（使用大量商业化的活性炭），大大增加了原料成本。中国专利94190559.4所公布的两段气化技术由于流化床生成的热解气直接排出，造成了混合气中焦油含量过大，实际应用中仍然需要配备后置的气体净化施设，无疑增加了设备的成本。中国专利CN1583956A公开的生物质两段气化工艺，由于缺少前气化段所生产半焦的催化作用，其最终合成气产品仍将具有较高的焦油含量，且可能达到的碳转化率也不会特别高。中国专利CN101440307A所公布的两段气化工艺，由于高温热裂解对焦油脱除的效果有限，况且热裂解后气体中烟灰含量较大，不可避免的降低了碳的转化率，也增加了后续净化设备的投资。中国专利CN191612公布的两段气化工艺，在实际应用过程中，由于流化床生产小颗粒半焦直接进入下吸式固定床内，造成固定床层通气性变差、床层压降较大，对装置的长期稳定运行有影响。相对国外的两段气化技术，公布的4个中国专利更适合放大，但是在焦油脱除效率或操作稳定性方面还有待进一步的提高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于宽粒径分布燃料的两段气化方法，主要用于气化煤、生物质、城市垃圾、高含水固体废弃物、石油焦中的一种或多种固体燃料、或上述固体燃料与其他气、液态燃料的混合物，使其能够克服上述两段气化装置存在的弊端，提高气化效率，改善原料适用性，使装置规模易于放大，提高操作稳定性，生产出几乎不含焦油的洁净可燃气或合成气产品。

本发明的目的还在于提供实施上述两段气化方法的气化装置，展示所发明方法的可行性和其具体应用，依此确切表明所发明气化方法可灵活对应不同的燃料处理量，且比相同规模的上述DTU装置更具低设备成本和运转成本，比中国专利CN191612公布的两段气化工艺更具操作性。

本发明的工艺原理如图1所示。该工艺是利用解耦思想将燃料的干燥/热解/部分气化和半焦气化/焦油重整两个子过程分离。燃料由加料装置1加入到流化床热解器2内，经流化床底部气化剂入口A通入气化剂、从流化床上部返料料腿3返回热态半焦，在气化剂和半焦的联合加热下使燃料进行干燥/热解或部分气化，生成的热解产物通过溢流管5进入到下游的气流床气化炉6内，气流床气化炉6底部气化剂入口B通入气化剂，使半焦在气化炉内气化，同时利用气流床气化炉内的高温裂解、部分气化、半焦对焦油的催化重整作用来脱除焦油，未反应完半焦经旋风分离器4分离后回到流化床热解器2，生产出的洁净燃气从出口D排出，多余的灰渣从气流床的出口C处排出。

本发明的用于宽粒径分布固体燃料的两段气化方法，包括以下步骤：

1）将燃料经加料装置加入到流化床热解器内，同时向流化床热解器内加入气化剂，在热解器的半焦和气化剂的加热下对燃料进行干燥/热解或部分气化，生成含有半焦的固体产物和含有热解气、焦油或水蒸汽的气体产物；

2）将步骤1）生成的固体和气体产物一起送入气流床气化炉内，同时向气流床气化炉内加入气化剂，完成半焦的完全气化，并同时利用气流床内的高温热解、部分氧化和半焦的催化重整作用来脱除焦油，生产出洁净的燃气，未反应完全的半焦经旋风分离器分离后返回到流化床热解器继续反应。

根据本发明的两段气化方法，其中，在加料装置与流化床热解器之间可以利用热空气或气化炉出口高温气化气的显热对燃料进行干燥及预热。

根据本发明的两段气化方法，其中，可以在气流床气化炉上部再次加入气化剂，未反应完全的半焦在气流床上部进行再气化，充分利用再气化作用来降低燃气中的焦油含量。

根据本发明的两段气化方法，其中，将未反应完全的半焦经旋风分离器分离后通过分配颗粒阀返回到流化床热解器继续反应，设置分配颗粒阀可以调节进入流化床热解器的颗粒量，便于调节返回到流化床热解器内的半焦量。

根据本发明的两段气化方法，其中，所述燃料为煤、生物质、城市垃圾、高含水固体废弃物、石油焦中的一种或多种固体燃料，或所述固体燃料与气、液态燃料的混合物，其中，所述固体燃料粒径小于10mm。

根据本发明的两段气化方法，其中，所述气化剂为纯氧、富氧空气、空气、水蒸汽或二氧化碳中的一种或多种。

本发明的用于上述用于宽粒径分布燃料的两段气化方法的气化装置，包括加料装置1、流化床热解器2、返料料腿3、旋风分离器4、溢流管5、气流床气化炉6，流化床热解器2的出料口与气流床气化炉6下方进料口通过溢流管5相连通；气流床气化炉6上方出料口依次连接旋风分离器4、返料料腿3；返料料腿3经流化床热解器2上方伸入其内部；所述加料装置1与流化床热解器2的进料口相连。

根据本发明的气化装置，其中，加料装置1与流化床热解器2之间可以设置有加热器7。

根据本发明的气化装置，其中，气流床气化炉6上部可以设置有二次气化剂入口。

根据本发明的气化装置，其中，所述旋风分离器4可以通过一返料料腿3与颗粒分配阀8进料口相连，所述颗粒分配阀8一侧出料口用过另一返料料腿3与流化床热解器2相连，另一侧出料口通过溢流管5与气流床气化炉6相连。

根据本发明的气化装置，其中，所述气流床气化炉可以为两个气流床上下串联组成的复合床气化炉9，其中，下段气流床气化炉的直径小于上段。复合床气化炉，下段气化炉尺寸较小，气流较大，小颗粒半焦迅速被输送到上段气流床气化炉，大颗粒半焦在下段气化加速。

本发明的技术优点如下：将传统的燃料气化过程分为原料热解和半焦气化两个子过程，并分别在上游的流化床热解器和下游的气流床气化炉内进行。由于充分整合了流化床和气流床反应器的优势，本发明具有以下突出的技术效果：

1、原料来源广，粒度分布宽，适用性强。本发明可以用来处理煤、生物质、城市垃圾、高含水固体废弃物、石油焦，或一种或数种这些固体燃料、或与其他气液态燃料的混合物，可同时处理粒状和粉末状物料。此外，由于流化床热解器内的高温、有氧气氛对原料的预氧化作用，大大降低了进入气流床气化炉内物料的粘性，使得整个系统能够处理一般粘性的原料。

2、灵活的燃料处理量，易于放大。流化床反应器适合放大，物料在热解器内的停留时间可以在较大的幅度内自由调节，保证了灵活的原料处理量。原料在高温、有氧的流化床热解器内干燥/热解/部分气化后生成半焦的体积远小于初始的原料体积，这无疑降低了下游气化炉的处理负荷，提高了气化炉的处理量。

3、设备构造简单、操作控制容易。在本发明的气化方法中，流化床热解器使用广泛，技术成熟，操作简单。气体和物料的扰动增强了物料的传热，物料热解充分。生成的高温半焦、热解气和焦油直接进入下游的气流床气化炉内，使得气化炉内物料升温速率更快，半焦的气化速率更高。

4、生成气体中焦油含量低，燃气不需要净化（或需简单净化）即可使用。焦油在流化床热解器中大量生成并在床内经过初步的二次裂解，然后进入气流床气化炉内，经过气化炉内的高温裂解、部分氧化和半焦的催化重整作用，最终被转化为气体，提高了燃气的洁净程度和用途。

5、较高的碳转化率和气化效率。本发明所述的方法几乎可以对生成的焦油进行全部转化，生成CO和H₂，提高了气化效率。此外，在流化床内生成的CO₂充分参与下游的气流床气化炉内的半焦气化反应，降低了气体中CO₂的浓度，减少了气化炉中空气等其他气化剂的供应量，达到提高燃气热值和碳转化率的效果。

附图说明

图1为本发明的适合宽粒径分布固体燃料的两段气化方法的基本原理示意图。

图2为本发明的适合宽粒径分布固体燃料的两段气化装置结构示意图。

图3本发明的适合宽粒径分布固体燃料的两段气化装置（含加热器）结构示意图。

图4本发明的适合宽粒径分布固体燃料的两段气化装置结构示意图；其中，气流床气化炉上部设置有气化剂入口

图5本发明的适合宽粒径分布固体燃料的两段气化装置（含颗粒分配阀）结构示意图。

图6本发明的适合宽粒径分布固体燃料的两段气化装置（复合床气化炉）结构示意图。

附图标识

1、加料装置      2、流化床热解器      3、返料料腿

4、旋风分离器    5、溢流管            6、气流床气化炉

7、预热器        8、颗粒分配阀        9、复合床气化炉

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明，这些实施例仅用于说明本发明的目的，其不以任何方式限制本发明的范围。

本发明的用于宽粒径分布固体燃料的两段气化方法，包括以下步骤：

1）将燃料经加料装置加入到流化床热解器内，同时向流化床热解器内加入气化剂，在热解器的半焦和气化剂的加热下对燃料进行干燥/热解或部分气化，生成含有半焦的固体产物和含有热解气、焦油或水蒸汽的气体产物；

2）将步骤1）生成的固体和气体产物一起送入气流床气化炉内，同时向气流床气化炉内加入气化剂，完成半焦的完全气化，并同时利用气流床内的高温热解、部分氧化和半焦的催化重整作用来脱除焦油，生产出洁净的燃气，未反应完全的半焦经旋风分离器分离后返回到流化床热解器继续反应。

根据本发明的两段气化方法，在加料装置与流化床热解器之间可以利用热空气或气化炉出口高温气化气的显热对燃料进行干燥及预热。

根据本发明的两段气化方法，可以在气流床气化炉上部再次加入气化剂，未反应完全的半焦在气流床上部进行再气化，充分利用再气化作用来降低燃气中的焦油含量。

根据本发明的两段气化方法，可以将未反应完全的半焦经旋风分离器分离后通过分配颗粒阀返回到流化床热解器继续反应，设置分配颗粒阀可以调节进入流化床热解器的颗粒量，便于调节返回到流化床热解器内的半焦量。

本发明的用于宽粒径分布燃料的两段气化装置，如图2所示，包括加料装置1、流化床热解器2、返料料腿3、旋风分离器4、溢流管5、气流床气化炉6；流化床热解器2的出料口与气流床气化炉6下方进料口通过溢流管5相连通；气流床气化炉6上方出料口依次连接旋风分离器4、返料料腿3；返料料腿3经流化床热解器2上方伸入其内部；所述加料装置1与流化床热解器2的进料口相连。

燃料由加料装置1加入到流化床热解器2内，经流化床底部气化剂入口A通入气化剂、从流化床上部返料料腿3返回热态半焦，在气化剂和半焦的联合加热下使燃料进行干燥/热解或部分气化，生成的热解产物通过溢流管5进入到下游的气流床气化炉6内，气流床气化炉6底部气化剂入口B通入气化剂，使半焦在气化炉内气化，同时利用气流床气化炉内的高温裂解、部分气化、半焦对焦油的催化重整作用来脱除焦油，未反应完半焦经旋风分离器4分离后回到流化床热解器2，生产出的洁净燃气从出口D排出，多余的灰渣从气流床的出口C处排出。

根据本发明的气化装置，其中，在加料装置1与流化床热解器2的进料口之间可以设置有加热器7，如图3所示，利用热空气或气化炉出口高温气化气的显热对燃料进行干燥及预热。

根据本发明的气化装置，其中，在气流床气化炉6上部可以设置有二次气化剂入口E，如图4所示，在气流床气化炉上部再次加入气化剂，未反应完全的半焦在气流床上部进行再气化，充分利用再气化作用来降低燃气中的焦油含量。

根据本发明的气化装置，其中，所述旋风分离器4可以通过一返料料腿3与颗粒分配阀8进料口相连，如图5所示，所述颗粒分配阀8一侧出料口通过另一返料料腿3与流化床热解器2相连，另一侧出料口通过溢流管5与气流床气化炉6相连。将未反应完全的半焦经旋风分离器4分离后通过分配颗粒阀8返回到流化床热解器继续反应，设置分配颗粒阀可以调节进入流化床热解器的颗粒量，便于调节返回到流化床热解器内的半焦量。分配颗粒阀下部设置有气化剂入口F，可通入气化剂，使半焦在分配颗粒阀内反应，反应后产物通过溢流管5进入到下游的气流床气化炉6内。

根据本发明的气化装置，所述气流床气化炉可以为两个气流床上下串联组成的复合床气化炉9，如图6所示，其中，下段气流床气化炉的直径小于上段。复合床气化炉，下段气化炉尺寸较小，气流较大，小颗粒半焦迅速被输送到上段气流床气化炉，大颗粒半焦在下段气化加速。

Claims (5)

1.一种用于宽粒径分布燃料的两段气化装置，包括加料装置（1）、流化床热解器（2）、返料料腿（3）、旋风分离器（4）、溢流管（5）、气流床气化炉（6），其特征在于，流化床热解器（2）的出料口与气流床气化炉（6）下方进料口通过溢流管（5）相连通；流化床热解器内生成的含有半焦的固体产物和含有热解气、焦油或水蒸汽的气体产物经溢流管（5）进入气流床气化炉（6）；气流床气化炉（6）上方出料口依次连接旋风分离器（4）、返料料腿（3）；返料料腿（3）经流化床热解器（2）上方伸入其内部；所述加料装置（1）与流化床热解器（2）的进料口相连；所述加料装置（1）用于加入燃料进入流化床热解器（2），所述气流床气化炉为两个气流床气化炉上下串联组成的复合床气化炉（9），其中下段气流床气化炉的直径小于上段。

2.根据权利要求1所述的气化装置，其特征在于，加料装置（1）与流化床热解器（2）之间设置有加热器（7）。

3.根据权利要求1所述的气化装置，其特征在于，气流床气化炉（6）上部设置有二次气化剂入口。

4.根据权利要求1所述的气化装置，其特征在于，所述旋风分离器（4）通过一返料料腿（3）与颗粒分配阀（8）进料口相连，所述颗粒分配阀（8）一侧出料口通过另一返料料腿（3）与流化床热解器（2）相连，另一侧出料口通过溢流管（5）与气流床气化炉（6）相连。

5.根据权利要求1所述的气化装置，所述燃料为煤、生物质、城市垃圾、高含水固体废弃物、石油焦中的一种或多种固体燃料，或所述固体燃料与气、液态燃料的混合物，其中，所述固体燃料粒径小于10mm。