CN102766480B

CN102766480B - 固体有机燃料两级串联流化床热解气化装置和方法

Info

Publication number: CN102766480B
Application number: CN 201210243751
Authority: CN
Inventors: 朴桂林; 梁灼林; 梁赐鸿
Original assignee: SHAOGUAN HAIYUE BIOLOGICAL Technology DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: Shaoguan Haiyue Agricultural Development Co.,Ltd.
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102766480A

Abstract

本发明公开了一种固体有机燃料两级串联流化床热解气化装置，其包括串联连接的一级流化床反应器及二级流化床反应器、气固分离装置和气液分离装置。本发明使有机固体燃料通过两级串联流化床，先在一级流化床反应器中进行燃烧或气化，排出的高温烟气或燃气送入二级流化床反应器中气化或热解。热解反应中不需要消耗其他热量而且能提高热解气质量，还能够生产高品质高热值的固体燃料、燃气和焦油产物。

Description

固体有机燃料两级串联流化床热解气化装置和方法

技术领域

本发明涉及固体有机燃料热解气化制取油、气技术领域。

背景技术

固体有机燃料是指木材、农业秸秆、城市固体废弃物（固体有机物）、污泥等通过热化学反应能够释放热量的有机物固体。

公开号为CN102191088A，公开日为2011年9月21日，发明名称为“固体燃料双流化床热解气化分级转化装置及方法”的中国发明专利公开了一种固体燃料双流化床热解气化分级转化的装置及方法，该装置由常压或加压流化床热解炉和流化床气化炉组成，加压运行时压力为1~5MPa。该方法是先将固体燃料在流化床热解炉中进行中低温热解，以焦油和热解煤气的形式提取固体燃料中所含的挥发分，再将热解产生的半焦送至流化床气化炉，以水蒸气和氧气为气化剂进行气化，生产合成气，同时产生高温循环物料，高温循环物料作为热载体被输送至热解炉，为固体燃料热解提供所需的热量，从而实现焦油、热解煤气和合成气的联产。

公开号为CN101220298，公开日为2008年7月16日，发明名称为“循环流化床热解气化方法及装置”的中国发明专利公开了一种循环流化床热解气化方法及装置，涉及煤气化技术，用于煤、生物质及其它多种含碳废弃物的热解或气化。该方法为：燃料在热解气化室中进行热解或气化反应，产生煤气和半焦；半焦在燃烧室中燃烧产生的高温循环灰送入热解气化室，为热解气化反应提供热量；热解气化室产生的半焦经设置于该室底部的半焦返料器相通。

公开号为CN101624531,公开日为2010年1月13日，发明名称为“生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置”的中国发明专利公开了一种生物质喷动流化床热解分级冷凝制取生物油装置。其中，组合式加料系统可保证生物质原料顺畅、稳定地进入反应器；采用喷动流化床作为热解反应器，可很好地满足生物质快速热解技术对高加热速率、良好的传热效果和短气相停留时间的要求；气固分离及炭惧系统可清洁热解气并收集副产品焦炭；直接接触和间接换热相结合的两级冷凝系统可实现生物油重质组分和轻质组分的分离，不仅可以提高生物油的产率和品质，同时也将制取液体燃料与提取化工产品结合起来，增加经济性；热解尾气循系统可保证热解载气的连续供给，降低了装置运行成本，使得整套热解装置更便于工业放大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的固体有机燃料的热解气化装置，其通过两级串联流化床的方式，能达到较佳的热能利用效果，获得多联化产品。

本发明的另一目的还在于提供一种固体有机燃料的热解气化方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种固体有机燃料两级串联流化床热解气化装置，其包括串联连接的一级流化床反应器及二级流化床反应器、至少一级气固分离装置和至少一级气液分离装置，一级流化床反应器的出气口管路连接于二级流化床反应器的进气口，二级流化床反应器的出气口管路连接于气固分离装置的进气口，气固分离装置的出气口管路连接于气液分离装置的进气口，一级流化床反应器及二级流化床反应器分别设置有溢流口，溢流口与气固分离装置的出料口通过管路汇集连接至一级流化床反应器的回料口。

所述一级流化床反应器和二级流化床反应器内部分别包括位于下部的浓相反应区和位于上部的稀相反应区，所述溢流口设置于浓相反应区上部的物料浓相和稀相过度段，所述回料口设置于浓相反应区。

一种固体有机燃料两级串联流化床热解气化装置，其包括串联连接的一级流化床反应器、二级流化床反应器，至少一级气固分离器、至少一级除尘器、至少一级用于气液分离的冷却装置及液相焦油回收装置，一级流化床反应器和二级流化床反应器内部分别包括位于下部的浓相反应区和位于上部的稀相反应区，一级流化床反应器的位于顶部的出料口管路连接于二级流化床反应器的位于浓相反应区的进料口，二级流化床反应器的出料口管路连接于气固分离装置的进料口，一级流化床反应器及二级流化床反应器的稀相反应区分别设置有溢流口，所述溢流口与气固分离装置的出料口通过管路汇集连接至设于一级流化床反应器浓相反应区的回料口。

进一步来说，所述用于气液分离的冷却装置是间接冷却装置，具有容纳被冷却介质的被冷却介质腔及容纳冷却介质的冷却介质腔，所述冷却介质腔以吸热固体介质充填并以液氨或水作为流动冷却介质。

一种固体有机燃料两级串联流化床热解气化方法，其包括以下步骤：

（1）采用如上任一所述的装置，以一级流化床反应器的反应产物作为二级流化反应器的颗粒流化气体和热源；

（2）以固体燃料作为二级流化床反应器的反应原料；

（3）以一级流化床反应器和二级流化床反应器反应后的未燃尽可燃物作为一级流化床反应器的主要反应原料；

（4）二级流化床反应器的反应产物经气、固分离装置及气、液分离分离，所得气体作为燃气产品，所得液体为焦油产品。

所述一级流化床反应器还以少量固体燃料作为反应原料。

所述一级流化床反应器作为燃烧炉，在反应过程中供给空气或氧气及水蒸气，床内温度控制在700~1000℃，产生的气体作为二级流化床反应器气化反应所需热源；所述二级流化床反应器作为气化炉，在反应过程中通入空气或氧气，床内温度控制在700~1000℃。

所述一级流化床反应器作为气化炉，在反应过程中供给空气或氧气及水蒸汽，床内温度控制在700~1000℃，产生的气体作为二级流化床反应器热解反应的热源，并与二级流化床反应器的热解气混合；所述二级流化床反应器作为热解炉，在反应过程不通入空气或氧气，热解反应温度控制在550~650℃。具体来说，所述一级流化床反应器和二级流化床反应器内部分别包括位于下部的浓相反应区和位于上部的稀相反应区，所述溢流口设置于浓相反应区上部，所述回料口设置于浓相反应区。

本发明的有益效果是：使有机固体燃料通过两级串联流化床，先在一级流化床反应器中进行燃烧或气化，排出的高温烟气或燃气送入二级流化床反应器中气化或热解。热解反应中不需要消耗其他热量而且能提高热解气质量，还能够生产高品质高热值的固体燃料、燃气和焦油产物。固体燃料（半焦）可作为本系统一级流化床反应器的燃料，还可运至本系统外作为其他设备的燃料或原料；焦油产物运至本系统外作为其他化工原料或燃料；燃气作为燃气透平发电的燃料，与本系统的余热锅炉的蒸汽透平发电组合形成联合循环发电系统，填补目前生物质燃料大规模发电的空白。

附图说明

图1是实施例1的两级串联流化床热解气化系统设备流程图。

图2是实施例2的两级串联流化床热解气化系统设备流程图。

图3是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，现对本发明中的术语进行定义。

固体有机原料是指木材、农业秸秆、城市固体废弃物（固体有机物）、污泥等可通过热化学反应能释放热量的有机物固体。

烟气是指固体燃料与空气或氧气发生热化学反应生成以氮气和二氧化碳为主成分的气体物质。

燃气是指固体燃料与空气或氧气发生热化学反应生成一氧化碳、氢气、甲烷、二氧化碳为主要成分的具有热量的可燃气体。

热解气是指固体燃料靠外界给予的热量作用下固体中的挥发性物质析出的以甲烷、高分子化合物、氢气、一氧化碳为主成分的可燃性气体。

木质生物质是指木材、木屑、树皮、树枝、树叶、木材加工边角料等，非草本系生物质（如秸秆）。

流化床反应器是指利用反应气体通过固体燃料层而使固体燃料颗粒处于悬浮运动状态，并进行气、固相反应过程的反应器。

实施例1

本例是以一级流化床反应器作为燃烧反应器，二级流化床作为气化反应器的应用实施例。

如图1所示，本发明的固体有机燃料两级串联流化床热解气化装置由一级流化床反应器1、二级流化床反应器2、气固相分离器3、除尘器4、冷却器5及液相回收器6组成。

一级流化床反应器1内部包括位于下部的浓相反应区11和位于上部的稀相反应区12组成。反应器壳体在浓相反应区开设有固体燃料进口1.1、水蒸汽喷嘴1.2、空气或氧气进口1.3及回料进口1.4，稀相反应区开设有溢流口1.5，反应器顶部设有烟气出口1.6。

二级流化床反应器2包括位于下部的浓相反应区21和位于上部的稀相反应区22组成。反应器壳体在浓相反应区开设有固体燃料进口2.1、水蒸汽喷嘴2.2、空气或氧气进口2.3、烟气进口2.4，稀相反应区开设有溢流口2.5，烟气出口2.6设于反应器顶部。

如图1所示，二级流化床反应器2的出料口即烟气出口2.6管路连接于气固相分离器3的进料口，气固相分离器3的出料口管路连接于除尘器4的进料口，除尘器4的出料口管路连接于冷却器5。

流程如图3所示。

如果一级流化床反应器热量仅依靠回料管13的固体物不足于达到所需热量时，其不足部分热量由固体有机原料或化石固体燃料通过固体燃料进口1.1加入一级流化床反应器1。在一级流化床反应器作为燃烧炉，空气或氧气及水蒸汽同时被送入一级流化床反应器1中，在一级流化床反应器1中发生以燃烧反应为主、气化反应为次的部分氧化燃烧反应。在本例中，通入的水蒸汽为382.8℃，4.0MPa，流量为2050kg/h,通入的空气为348℃，2.8MPa，流量为16960kg/h。一级流化床反应器1中控制反应压力1～5MPa、床内温度控制在870℃，气体产物中N₂、CO₂及H₂O组分占90%以上作为二级流化床气化反应所需热量的携带介质，烟气通过烟气出口1.6排出，被输送至二级流化床反应器2,直接作为二级流化床反应器中热解反应热源和反应介质。

固体有机原料通过固体燃料进口2.1加入二级流化床反应器2，空气或氧气及水蒸汽也同时被送入二级流化床反应器2，而来自于一级流化床反应器1的高温烟气通过烟气进口2.4进入二级流化床反应器2作为二级流化床反应器2的气化反应所需的热量。反应器2中发生气化反应，反应条件在压力1～5MPa、温度950℃，在气化反应过程中，木质生物质及空气被送入二级流化床反应器2中，反应后得到的烟气或燃气通过烟气出口2.6排出。在例中，通入的空气为348℃，2.8MPa，流量为23300kg/h，木质生物质为10420kg/h。从二级流化床反应器2出来的烟气成份可见下表：

表1气体组分

CO	Vol.%	23.88
			H₂	Vol.%	11.59
CO₂	Vol.%	5.28
			H₂O	Vol.%	3.93
O₂	Vol.%	0.00
			N₂	Vol.%	54.33
CH₄	Vol.%	0.85
			H₂S	ppmv	910
NH₃	ppmv	1200

二级流化床反应器2中未燃尽物从溢流口2.5流出输送至一级流化床反应器2的回料进口1.4。此处的未燃尽物是焦炭，主要成份是～86%的固定碳和14%的灰分，其温度在600℃左右。

从二级流化床反应器2出来的烟气被送往气固相分离器3进行气、固分离，所得到的气体被进一步送至除尘器4，经气固相分离器3后气、固分离得到的固体通过回流管13被送至一级流化床反应器1中作为燃料。

气体在除尘器4中被进一步进行气、固分离，分离所得到的气体被净化后送至送至燃气轮机或内燃机等发电装置。分离所得固体为灰颗粒，该灰颗粒按相关规定和标准进行处置。

本系统工艺最后所得产物为~85%的燃气（燃气热值：～12MJ/Nm3）和~15%的半焦，燃气可以作为民用或工业燃气，也可作为燃气轮机发电燃料；半焦送至燃烧炉。

一级反应器和二级反应器以及下游工艺均设置余热回收系统，通过水回收热量，水变成蒸汽，推动蒸汽轮机发电。

本例中，一级流化床反应器作为燃烧反应器运行时，产生高温烟气（CO₂、N₂、H₂O、少量O₂等），作为二级流化床反应器的热源，此时，二级流化床反应器作为气化反应器运行。

实施例2

本例为一级流化床反应器作为气化反应器而二级流化床反应器作为热解反应器的应用实施例。

如图2所示为本例的设备流程图，其管路连接方式与实施例1基本相同。

如果一级反应器热量仅依靠回料管13的固体物不足于达到所需热量时，其不足部分热量由固体有机原料或化石固体燃料通过固体燃料进口1.1加入一级流化床反应器1。在一级流化床反应器作为气化炉的反应过程中，空气或氧气及水蒸汽同时被送入一级流化床反应器1中，在一级流化床反应器1中发生以气化反应为主的反应。在本例中，通入的水蒸汽为382.8℃，4.0MPa，流量为885kg/h,通入的空气为348℃，2.8MPa，流量为10062kg/h，同时加入木质生物质4500kg/h。一级流化床反应器1中控制反应压力1～5MPa、床内温度控制在870℃。反应后得到的烟气温度在700~1000℃，组成为:25.60%的CO、10.40%的CO₂、0.73%的CH₄、13.23%的H₂、2.15%的H₂O，其热值达到,反应后得到的燃气通过烟气出口1.6排出，被输送至二级流化床反应器2,直接作为二级流化床反应器中热解反应热源和反应介质。一级流化床反应器出来的烟气成份如下表2：

表2

CO	Vol.%	25.60
			H₂	Vol.%	13.23
CO₂	Vol.%	10.40
			H₂O	Vol.%	2.15
O₂	Vol.%	0.00
			N₂	Vol.%	47.89
CH₄	Vol.%	0.73
			H₂S	ppmv	850
NH₃	ppmv	1210

固体有机原料或化石固体燃料通过固体燃料进口2.1加入二级流化床反应器2，空气或氧气及水蒸汽也同时被送入二级流化床反应器2，而来自于一级流化床反应器1的高温烟气通过烟气进口2.4进入二级流化床反应器2作为二级流化床反应器2的热解反应所需的热量。在反应器2中气化反应时的操作温度一般控制在500~650℃，如600℃左右。二级流化床反应器2中发生气化反应，压力控制在1～5MPa，在反应全过程中不加入氧气或空气等，热解反应得到～20%的焦炭和～80%的热分解气体（烟气）。反应后得到的烟气或燃气通过烟气出口2.6排出。从二级流化床反应器2出来的烟气的主要成份～30%的燃气和～50%的凝缩液体（其中：焦油成分～20%、～水分30%）。其中燃气组分中，34.2%的CO、4.19%的CO₂、5.6%的CH₄、20.3%的H₂和0.71%的C₂H₄、C₂H₆等低分子碳氢化合物；燃气组分具体见下表3：

表3

CO	Vol.%	34.20
			H₂	Vol.%	20.30
CO₂	Vol.%	4.19
			H₂O	Vol.%	5.30

O₂	Vol.%	0.00
			N₂	Vol.%	30.41
CH₄	Vol.%	5.60
			热值	MJ/Nm³	7.53
焦油	Kg/h	3000

二级流化床反应器2中未燃尽物从溢流口2.5流出输送至一级流化床反应器2的回料进口1.4。二级流化床反应器2中未燃尽物（半焦）也可从溢流口，以半焦形式，作为活性炭原料或替代煤等作为固体燃料产品。此处的未燃尽物是焦炭，主要成份是～70%的固定碳、～16%的挥发分和14%的灰分，其温度～600℃，可作为一级流化床反应器的主要燃料或被送至其他场所作为燃烧原料，比如排出的半焦作为活性炭原料等。

从二级流化床反应器2出来的烟气被送往气固相分离器3进行气、固分离，所得到的气体被进一步送至除尘器4，经气固相分离器3后气、固分离得到的固体通过回流管13被送至一级流化床反应器1中作为燃料，所得的气体主要成份为～80%的热分解挥发物，其中主要成份～40%的燃气和～60%的凝缩液体。

气体在除尘器4中被进一步进行气、固分离，分离所得到的气体被送至冷却器5进行气、液分离，分离所得固体为灰颗粒，该灰颗粒按相关法律、法规进行处置。经过冷却器5分离所得到的气体作为燃气产品被送至燃气轮机或内燃机等发电装置。分离所得到的液体为焦油，经液相回收器6收集，作为液体原料或化工原料。冷却器5是间接冷却装置，具有容纳被冷却介质的被冷却介质腔及容纳冷却介质的冷却介质腔，所述冷却介质腔填充有吸热固体介质，并以液氨或水作为流动冷却介质，通过连续送入液氨或水等液体作为热量携带体带出系统外。

本系统工艺最后所得产物为~40%的燃气（燃气热值：～12MJ/Nm3），~30%的半焦和~30%的焦油。燃气可以作为民用或工业燃气，也可作为燃气透平发电燃料。一级流化床反应器作为气化或部分气化反应器运行时，主要产生CO、H₂、N₂、少量CO₂和CH₄气体，作为二级流化床反应器的热源和化学反应剂（也称气化剂），此时，二级流化床反应器作为热解反应器运行。

Claims

1.一种固体有机燃料两级串联流化床热解气化装置，其特征在于：包括串联连接的一级流化床反应器及二级流化床反应器、至少一级气固分离装置和至少一级气液分离装置，所述一级流化床反应器和二级流化床反应器内部分别包括位于下部的浓相反应区和位于上部的稀相反应区，一级流化床反应器的出气口管路连接于二级流化床反应器的进气口，二级流化床反应器的出气口管路连接于气固分离装置的进气口，气固分离装置的出气口管路连接于气液分离装置的进气口，一级流化床反应器及二级流化床反应器稀相反应区分别设置有溢流口，溢流口与气固分离装置的出料口通过管路汇集连接至一级流化床反应器设置于浓相反应区的回料口。

2.一种固体有机燃料两级串联流化床热解气化装置，其特征在于：包括串联连接的一级流化床反应器、二级流化床反应器，至少一级气固分离器、至少一级除尘器、至少一级用于气液分离的冷却装置及液相焦油回收装置，一级流化床反应器和二级流化床反应器内部分别包括位于下部的浓相反应区和位于上部的稀相反应区，一级流化床反应器的位于顶部的出料口管路连接于二级流化床反应器的位于浓相反应区的进料口，二级流化床反应器的出料口管路连接于气固分离装置的进料口，一级流化床反应器及二级流化床反应器的稀相反应区分别设置有溢流口，所述溢流口与气固分离装置的出料口通过管路汇集连接至设于一级流化床反应器浓相反应区的回料口。

3.根据权利要求2所述的固体有机燃料两级串联流化床热解气化装置，其特征在于：所述用于气液分离的冷却装置是间接冷却装置，具有容纳被冷却介质的被冷却介质腔及容纳冷却介质的冷却介质腔，所述冷却介质腔以吸热固体介质充填并以液氨或水作为流动冷却介质。

4.一种固体有机燃料两级串联流化床热解气化方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）采用如权利要求1～3任一所述的装置，以一级流化床反应器的反应产物作为二级流化反应器的颗粒流化气体和热源；

（2）以固体燃料作为二级流化床反应器的反应原料；

（4）二级流化床反应器的反应产物经气、固分离装置及气、液分离装置分离，所得气体作为燃气产品，所得液体为焦油产品。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述一级流化床反应器还以少量固体燃料作为反应原料。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述一级流化床反应器作为燃烧炉，在反应过程中供给空气或氧气及水蒸汽，床内温度控制在700～1000℃，产生的气体作为二级流化床反应器气化反应的热源；所述二级流化床反应器作为气化炉，在反应过程中通入气化反应所需的空气或氧气，床内温度控制在700～1000℃。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述一级流化床反应器作为气化炉，在反应过程中供给气化反应所需的空气或氧气及水蒸汽，床内温度控制在700～1000℃，产生的气体作为二级流化床反应器热解反应的热源，并与二级流化床反应器的热解气混合；所述二级流化床反应器作为热解炉，在反应过程不通入空气或氧气，热解反应温度控制在550～650℃。