CN102732317A

CN102732317A - 一种生物质制备合成气的工艺流程

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Publication number: CN102732317A
Application number: CN2012101935816A
Authority: CN
Inventors: 林冲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2012-10-17

Abstract

一种生物质制备合成气的工艺流程，它涉及生物质能源、生物质化工技术领域，它的工艺流程为：利用空气分离装置(1)制备氧气，然后将氧气与来自脱碳装置(6)分离出的二氧化碳按比例混合，生物质原料在气化装置(2)内与气化介质发生化学反应，生成的粗合成气经净化装置(3)除尘、脱硫后被压缩装置(4)升压，饱和蒸汽与粗合成气在变换装置(5)内混合，粗合成气的碳/氢摩尔比达到要求后，进入脱碳装置(6)，分离出的二氧化碳部分或全部分与氧气混合送入气化装置(2)。它不但提高了从生物质到合成的能量转化效率，也使产出的合成气品质能够直接达到化工合成的原料气的标准。

Description

一种生物质制备合成气的工艺流程

技术领域：

本发明涉及生物质能源、生物质化工技术领域，具体涉及一种生物质制备合成气的工艺流程。

背景技术：

生物质气化的实质是将固态能量载体转化为气态能量载体——也就是将固态生物质原料所蕴含的化学能转化到可燃气体的化学能。生物质气化主要分为两大类方法：第一类方法是在厌氧环境中，生物质经微生物发酵、分解作用，生成可燃气体的方法，此类方法是依赖微生物的化学过程，故称为“生化法”气化；第二类方法是利用生物质在受热条件下发生热裂解或不完全燃烧反应生产可燃气体的方法，这类方法被称为“热化学法”气化。“热解”气化是气化过程中没有氧化反应发生的“热化学法”气化；“不完全燃烧”气化则是由不完全燃烧反应主导的“热化学法”气化。

在我国广大农村被广泛应用的沼气生产就是“生化法”气化的典型代表，该方法产气速度慢、适用的原料种类(主要适用于禽畜粪便)有限，生产出的燃气的主要成分是甲烷(CH4体积含量达55％～70％)和二氧化碳(CO2体积含量达30％～35％)，其热值在5000kcal/Nm3左右。

生物质在隔绝氧气、加热到一定温度条件下裂解为燃气、炭和焦油的气化方法称为“热解”气化，该过程中全程没有氧的参与，并且维持反应温度的能量由外部提供。该方法在我国的主要应用是炭气(木炭+燃气)联产工艺，该工艺在生产燃气的同时还有生物质炭和焦油两种副产品，产出燃气的主要成分是一氧化碳二氧化碳(CO2体积含量35％～45％)、(CO体积含量10％～19％)、氢气(H2体积含量8％～21％)和甲烷(CH4体积含量10％～15％)，微量成分是烷烃、烯烃和氧化氮等气体，其热值在3000kcal/Nm3左右。

不完全燃烧气化法是在供给少量空气(远小于完全燃烧所需的摩尔当量比)的条件下，使生物质在缺氧燃烧条件下发生气化反应，生成的气体产物的主要成分以氮气(N2体积含量60％～65％，来自于空气)、一氧化碳(CO体积含量约14％～22％)、氢气(H2体积含量约10％～20％)、二氧化碳(CO2体积含量约8％～18％)和为主，由于空气中含有79％的氮气，所以燃气中氮气含量通常也超过60％，其热值也仅在1000kcal/Nm3左右。

合成气是合成反应的原料气，其有效成分是一氧化碳(CO)和氢气(H2)，氮气(N2)、甲烷(CH4)和其他烷烃、烯烃气体对于合成反应而言是无效成分，因而必须在进行合成反应之前被脱除。大量无效成分的存在(在被脱除之前)还会消耗更多的压缩、输送气体的电能。

一个用生物质来制备合成气的系统，其设计目标总是期望能够将原料中的碳(C)氢(H)元素尽可能多地转化为一氧化碳(CO)和氢气(H2)，而不是生成甲烷等烃类气体，“生化法”气化和“热解”气化的生成的气体产物组分显然与此目标相矛盾。以空气为气化介质的“不完全燃烧”气化法生产的产品气中有效气(CO+H2)含量可达30％以上、烃类气体含量很低(不超过5％)，基本符合要求。如果将之作为合成气利用，必须脱除其中的大量氮气(N2体积含量超过60％)，由于氮气分子与一氧化碳分子的尺寸非常接近，唯有选择深冷分离法(其他方法CO损耗过大)，导致生产单位体积有效合成气的气体分离功耗相当高。

发明内容：

本发明的目的是提供一种生物质制备合成气的工艺流程，它采用一种新的生物质热化学气化工艺制备合成气，不但提高了从生物质到合成的能量转化效率，也使产出的合成气品质能够直接达到化工合成的原料气的标准，这种合成气也适合作为高洁净的燃气使用。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下工艺流程：首先利用空分装置1制备氧气，然后将氧气与来自脱碳装置6分离出的二氧化碳按比例混合，由此可获得一种或多种浓度的混合气参与气化反应，来自给料系统的生物质原料在一定温度下在气化装置2内与气化介质发生一系列化学反应，生成的粗合成气经净化装置3除尘、脱硫后被压缩装置4升压，来自锅炉的饱和蒸汽与粗合成气在变换装置5内混合，在催化剂的作用下粗合成气中的一氧化碳与水蒸汽发生变换反应生成二氧化碳和氢气，粗合成气的碳/氢摩尔比达到要求后，进入脱碳装置6，脱除二氧化碳的合成气进入后续合成系统，分离出的二氧化碳部分或全部分与氧气混合送入气化装置2。

所述的利用空气分离装置1制备出的氧气为纯氧。

所述的利用空气分离装置1制备出的氧气为富氧。

所述的气化装置2为任何一种采用“不完全燃烧”气化法的生物质气化装置。

所述的来自脱碳装置6的二氧化碳在进入气化装置2前，进行部分预热。

所述的来自脱碳装置6的二氧化碳在进入气化装置2前，进行全部预热。

本发明具有以下有益效果：

1、有效气产率比常规方法至少可提高20％；

2、产品气中的氮气主要来自于燃料中的氮元素，含量极低，一般不超过1％，几乎全部被易于脱除的二氧化碳所取代；

3、能够根据生物质原料特性调节气化介质的氧浓度，产品气中无效成分或有害成分所占的比例更低；

4、气化反应产物中无效成分或有害成分所带出的物理显热更低，由此获得更高的气化效率及能量转化效率；

5、分离有效气的能耗大幅降低；

6、气化反应的调节手段丰富，原料适应性更强。

附图说明：

图1为发明的工艺流程图，

图2为实施例的工艺流程图。

具体实施方式：

参看图1，本具体实施方式采用以下技术方案：首先利用空气分离装置1制备氧气，然后将氧气与来自脱碳装置6分离出的二氧化碳按比例混合，由此可获得一种或多种浓度的混合气参与气化反应，来自给料系统的生物质原料在一定温度下在气化装置2内与气化介质发生一系列化学反应，生成的粗合成气经净化装置3除尘、脱硫后被压缩装置4升压，来自锅炉的饱和蒸汽与粗合成气在变换装置5内混合，在催化剂的作用下粗合成气中的一氧化碳与水蒸汽发生变换反应生成二氧化碳和氢气，粗合成气的碳/氢摩尔比达到要求后，进入脱碳装置6，脱除二氧化碳的合成气进入后续合成系统，分离出的二氧化碳部分或全部分与氧气混合送入气化装置2。

所述的利用空气分离装置1制备出的氧气为纯氧。

所述的利用空气分离装置1制备出的氧气为富氧。

本具体实施方式的气化装置中，主要发生如下化学反应：

根据上述主要化学反应可以看出，生物质在受热条件下首先发生热解反应——生成热解气、碳和水(蒸汽态)，其中热解气主要成分是一氧化碳(CO)、甲烷(CH₄)、氢气(H₂)、二氧化碳(CO₂)和少量烷烃、烯烃气体和氧化氮(NO)等气体产物。在高温有氧条件下，热解气中的可燃气体成分将首先发生燃烧反应，然后是剩余的氧与固态碳发生反应生成二氧化碳或一氧化碳，同时的蒸汽态水(包括生物质携带的物理水、部分燃烧生成的化合水)会与碳和一氧化碳发生反应，最终气态产物的主要成分包括：二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、氢气(H₂)和水蒸汽(H₂O)。各组分所占的体积百分比则由反应条件下的物料平衡、化学平衡和能量平衡共同控制。在该反应条件下，二氧化碳(CO₂)浓度的提高有利于反应式(5)向生成一氧化碳(CO)方向进行。因此，即使气化介质中二氧化碳(CO₂)浓度与空气中的氮气浓度相同(体积浓度为79％)时，生成物中的一氧化碳(CO)含量将高于空气气化。

生物质气化装置的的能量平衡式如下：

进入系统热＝带出系统热

其中：

进入系统热＝原料化学热+原料物理热+气化介质物

理热+冷却介质带入物理热

带出系统热＝粗合成气化学热+粗合成气物理热+残

碳物理热+残碳及灰的物理热+冷却介

质带出物理热

由量平衡式可知，当提高气化介质的氧浓度时，由于加热(气化介质中带入的)二氧化碳所需热量将会同比减少，在反应条件(气化装置进出口温度、反应温度、灰渣含碳量)不变的情况下，将有更多的能量转化为粗合成气的化学热，也就是粗合成气中有效气比例将升高。

虽然提高气化介质的氧浓度会有助于提高有效气产率，但并不意味着氧气浓度越高越好，过高的氧浓度会导致气化装置内的反应温度难以控制，造成结焦堵塞乃至设备无法正常运行，根据生物质原料特性的不同，需要选择对应的合理的氧浓度范围。

气化装置内的温度分布对气化效率、无效(或有害)气体生成量有重要影响，为了将气化装置的温度场控制到最合理的水平，可以将氧气和二氧化碳按不同浓度配比成分成多股送入气化装置，此项调节手段相对与常规技术具有明显优势。

本具体实施方式采用一种新的生物质热化学气化工艺制备合成气，不但提高了从生物质到合成的能量转化效率，也使产出的合成气品质能够直接达到化工合成的原料气的标准，这种合成气也适合作为高洁净的燃气使用。

实施例：

参看图2，首先利用PSA制氧装置11制备氧气(纯度可达92％以上)，氧气与加热后的二氧化碳(温度80℃～450℃)经混合器10充分混合后分两层喷入下吸式固定床气化炉7，生物质原料在其内部气化生成的粗合成气。粗合成气首先经高温除尘器8除去大部分的灰尘，然后经过二氧化碳加热器9对来自二氧化碳储罐20的常温二氧化碳放热，之后被循环水换热器10冷却到60℃～80℃。冷却后的粗合成气在洗涤塔14中再次除尘，然后进入脱硫塔15，脱硫后的粗合成气汇集到气柜16，由于变换反应需要在一定的压力下进行(具体数据由催化剂决定)，所以气柜出来的粗合成气需要经压缩机17加压，加压后的粗合成气与一定的摩尔比的水蒸汽混合后在换热器18内加热到一定温度，然后经变换反应塔19将碳/氢(C/H)摩尔比调整到设定值；为了控制催化剂床层温度，与入口原料气(粗合成气与一定的摩尔比的水蒸汽混合)进行了一次热交换，并且中间还设置了冷激喷水控制催化剂床层温度。变换反应塔出来的粗合成气经变压吸附脱碳装置22脱除二氧化碳，合格的合成气进入后续工序，分离出的二氧化碳则进入储罐2，作为气化介质的气源。

Claims

1.一种生物质制备合成气的工艺流程，其特征在于它的工艺流程为：首先利用空气分离装置(1)制备氧气，然后将氧气与来自脱碳装置(6)分离出的二氧化碳按比例混合，由此可获得一种或多种浓度的混合气参与气化反应，来自给料系统的生物质原料在一定温度下在气化装置(2)内与气化介质发生一系列化学反应，生成的粗合成气经净化装置(3)除尘、脱硫后被压缩装置(4)升压，来自锅炉的饱和蒸汽与粗合成气在变换装置(5)内混合，在催化剂的作用下粗合成气中的一氧化碳与水蒸汽发生变换反应生成二氧化碳和氢气，粗合成气的碳/氢摩尔比达到要求后，进入脱碳装置(6)，脱除二氧化碳的合成气进入后续合成系统，分离出的二氧化碳部分或全部分与氧气混合送入气化装置(2)。

2.根据权利要求1所述的一种生物质制备合成气的工艺流程，其特征在于所述的利用空气分离装置(1)制备出的氧气为纯氧。

3.根据权利要求1所述的一种生物质制备合成气的工艺流程，其特征在于所述的利用空气分离装置(1)制备出的氧气为富氧。

4.根据权利要求1所述的一种生物质制备合成气的工艺流程，其特征在于所述的气化装置(2)为任何一种采用“不完全燃烧”气化法的生物质气化装置。

5.根据权利要求1所述的一种生物质制备合成气的工艺流程，其特征在于所述的来自脱碳装置(6)的二氧化碳在进入气化装置(2)前，进行部分预热。

6.根据权利要求1所述的一种生物质制备合成气的工艺流程，其特征在于所述的来自脱碳装置(6)的二氧化碳在进入气化装置(2)前，进行全部预热。