CN102876388A

CN102876388A - 以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统及气化工艺

Info

Publication number: CN102876388A
Application number: CN2012104296551A
Authority: CN
Inventors: 曹小玲; 罗志; 张航
Original assignee: HUNAN OUJI ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd; Changsha University of Science and Technology
Current assignee: HUNAN OUJI ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd; Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明公开了一种以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，包括气化器、流化床反应器、气固分离器、生物质供给装置和氧化钙供给装置，生物质供给装置的出料端与气化器相连，氧化钙供给装置的出料端与流化床反应器相连，流化床反应器的输入端与气化器相连，流化床反应器的输出端与气固分离器相连。本发明还公开了一种气化工艺，包括气化反应、重整反应和气固分离过程。本发明具有气化效率高、耗能少、成本低、生成的燃气品质高等优点。

Description

以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统及气化工艺

技术领域

本发明涉及生物质气化领域，具体涉及一种以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统及气化工艺。

背景技术

生物质气化技术是燃料利用和能源供应领域内的一项高新技术，对缓解能源危机和改善环境质量具有重要的意义，在日本、美国、西欧等一些发达国家已受到学术界和工业界的高度重视。我国在这方面的研究工作刚刚起步，对生物质高温气化过程本身缺乏足够的研究，目前还没有一个较完善的可用于生物质高温气化研究的实验系统。

燃烧部分燃料来提供气化所需的热量的气化技术目前被广泛采用，但由于这项技术会产生不燃烧气体二氧化碳，导致合成气的低位发热量有限，同时，二氧化碳占了一部分压力，不利于一些重要的反应，如水煤气转换反应，因而氢气在合成气中的浓度受到影响；使用纯蒸汽作气化介质能提高合成气的品质，但是纯蒸汽作为气化剂的气化反应是极其吸热的反应，如果气化热量是都是由气化剂的显热的提供，那么气化剂的温度必须非常高，考虑到碳与蒸汽之间的理论化学反应速度，蒸汽的温度至少在1802℃以上，在这个温度下，生物质的碳转化率也只有70-80％。如果蒸汽达不到这个温度，那就必须要增加生物质在气化器中的停留时间或在气化器中必须加入大量的过剩的蒸汽，这样就会导致气化系统效率低下及气化成本升高。然而，目前使用的热交换器所得到的蒸汽温度一般在700至1250℃之间，难达到1802℃以上温度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术存在的不足，提供一种气化效率高、耗能少、成本低、生成的燃气品质高的以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统及气化工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，包括气化器、流化床反应器、气固分离器、生物质供给装置和氧化钙供给装置，所述生物质供给装置的出料端与气化器相连，所述氧化钙供给装置的出料端与流化床反应器相连，所述流化床反应器的输入端与气化器相连，所述流化床反应器的输出端与气固分离器相连。

上述技术方案中，优选的，所述气化器与流化床反应器之间设有一用于降低气化生成物温度的热交换器。

上述技术方案中，优选的，所述气化系统还包括气化剂发生装置，所述气化剂发生装置包括锅炉、风机和气化剂发生器，所述锅炉通过输气管道与气化剂发生器相连，所述风机的出风口与气化剂发生器连通，所述气化剂发生器通过输气管道与气化器相连。

上述技术方案中，优选的，所述气化剂发生器和气化器之间设有用于提高气化剂温度的燃烧器。

上述技术方案中，优选的，所述气化剂发生器连接有用于将气化剂通入流化床反应器中的输气管道。

上述技术方案中，优选的，所述氧化钙供给装置包括氧化钙再生煅烧炉、储存器和输送机构，所述氧化钙再生煅烧炉的进料端与气固分离器的碳酸钙排料端相连，所述氧化钙再生煅烧炉的出料端与储存器相连，所述储存器通过所述输送机构与流化床反应器相连。

上述技术方案中，优选的，所述气固分离器为旋风分离器。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用上述气化系统进行生物质高温气化的工艺，该工艺包括：

(1)将生物质原料和包含高温蒸汽的高温混合气体(一般为800℃～1600℃)送入所述气化器中进行气化，气化在常压且反应温度为800℃～1600℃的条件下进行，得到成分包括CO、H₂和CO₂的生成物；

(2)将气化反应得到的生成物送入所述流化床反应器中，同时向该流化床反应器中加入氧化钙进行重整反应，重整反应在常压且反应温度为600℃～900℃的条件下进行，得到成分包括H₂和CaCO₃的生成物。

(3)将重整反应得到的生成物送入所述气固分离器进行分离，得到富氢合成气。

上述工艺中，优选的，所述气化器中蒸汽和碳的摩尔比为0～1.2。所述高温蒸汽的温度优选为900℃～1300℃。

上述工艺中，优选的，所述气化器中的反应温度由高温混合气体的显热和燃烧部分燃料联合提供。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，与现有技术相比，不需要或只需燃烧很少的燃料来提供气化所需的热量，耗能少，使生产成本得到大大降低；该气化系统不易受生物质粒子尺寸、热值、含水量的影响；系统工作时不需要加压，其设备成本低；燃气的产量高、氢气浓度高、热值大，且焦油含量低，残留物少。本发明的气化工艺可得到最大可利用、高品质、富氢的可燃气体，其气化效率高、生产成本低、易于实施。

附图说明

图1为本发明以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统的工作原理图。

图2为本发明以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统的结构示意图。

图3为本发明气化系统的流程示意图。

图4为本发明气化工艺不同运行参数与气化生成物LHV值关系图，其中，氧气与高温蒸汽的比值为摩尔比，TFG表示空气与蒸汽组成的混合气体的温度。

图5为本发明气化工艺中气化生成物的焦油浓度与气化剂温度的关系图。

图例说明：

1、气化器；2、流化床反应器；3、气固分离器；4、生物质供给装置；41、料斗；42、链条给料机构；5、氧化钙供给装置；51、氧化钙再生煅烧炉；52、储存器；53、输送机构；6、气化剂发生装置；61、锅炉；62、风机；63、气化剂发生器；7、热交换器；8、燃烧器。

具体实施方式

实施例：

如图1和图2所示，一种以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，该气化系统包括气化器1、流化床反应器2、气固分离器3、生物质供给装置4以及氧化钙供给装置5，生物质供给装置4的出料端与气化器1相连，其根据需要将生物质送入气化器1中，氧化钙供给装置5的出料端与流化床反应器2相连，其根据需要将氧化钙送入流化床反应器2中，流化床反应器2的输入端与气化器1相连，流化床反应器2的输出端与气固分离器3相连，使气化器1中产生的生成物先进入流化床反应器2中进行反应，再从流化床反应器2的输出端送出至气固分离器3。其中，气固分离器3采用普通金属的旋风式气固分离器，气化器1采用上吸式固定床式气化器1，例如，由Calderys Refractory Solutions公司生产的固定床气化器，该气化器1是圆筒型的，由耐高温陶瓷材料制成，工作温度可以达到1500℃，生物质供给装置4包括料斗41和链条给料机构42，链条给料机构42安装在料斗41和气化器1之间，其由电机驱动并根据需要将置于料斗41中的生物质送入到气化器1中；氧化钙供给装置5包括氧化钙再生煅烧炉51、储存器52和输送机构53，氧化钙再生煅烧炉51的进料端通过虹吸管与气固分离器3连接，气固分离器3分离得到的CaCO₃粒子可通过虹吸管进入氧化钙再生煅烧炉51，氧化钙再生煅烧炉51的出料端通过管道与储存器52相连，并将煅烧CaCO₃粒子得到的氧化钙输送至储存器52中，输送机构53装设在储存器52与流化床反应器2之间，输送机构53采用螺旋给料机，螺旋给料机根据需要将储存器52中的氧化钙输送至流化床反应器2。氧化钙再生煅烧炉51在煅烧时温度必须维持在950℃以上，其煅烧的热量由燃烧部分合成气和气化器1中残留的焦炭提供。

本实施例中，气化器1与流化床反应器2之间还设有一个热交换器7，热交换器7对气化器1输出的生成物进行降温，以满足流化床反应器2中的反应温度要求。

本实施例中，还包括一个气化剂发生装置6，该气化剂发生装置6包括锅炉61、风机62和气化剂发生器63，气化剂发生器63可以从日本Nippon公司买到，该气化剂发生器63包括三个部分：一个热交换器、一个燃烧器和一个混合器，它们之间可以单独使用，也可联合使用。锅炉61通过输气管道与气化剂发生器63相连，其产生的水蒸气可通过输气管道送入气化剂发生器63，风机62的出风口与气化剂发生器63相连，其可向气化剂发生器63内鼓风。气化剂发生器63和气化器1之间的输气管道上还设有一个燃烧器8，燃烧器8对气化剂发生器63送出的水蒸气和空气的混合气体进行加热，以进一步提高进入气化器1的水蒸气和空气的混合气体温度(可到达1600℃)。此外，在气化剂发生器63与流化床反应器2之间还连接有输气管道，该输气管道可选择性的将气化剂发生器63输出的高温气化剂送入流化床反应器2中，当将高温气化剂通入流化床反应器2时，可更好的满足流化床反应器2需要高温来促成重整反应发生的要求。

本发明以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统工作时，锅炉61将水预热变成饱和水蒸气(180℃，压力2.5巴)，水蒸气通过输气管道送至气化剂发生器63，同时风机62向气化剂发生器63中注入空气，气化剂发生器63将水蒸气和空气混合并进行预热，预热后温度可达1200℃。预热升温后的水蒸气和空气的混合气体通过输气管道通入气化器1中。同时向气化器1中加入生物质原料，使其与水蒸气和空气的混合气体反应得到成分包括CO、H₂和CO₂的生成物，生成物从气化器1输出后依次通过热交换器、流化床反应器2和气固分离器3，在这个过程中，热交换器对生成物进行降温，降温后的生成物在流化床反应器2中与由储存器52送入的氧化钙进行反应，得到包括H₂和CaCO₃的生成物，包括H₂和CaCO₃的生成物进入气固分离器3进行分离后，最终得到富氢合成气。

如图3至图5所示，一种上述气化系统的气化工艺，该工艺包括：

(1)将生物质原料(木屑颗粒，木屑颗粒的平均粒径在6mm～12mm之间)、显热为1000℃的包含高温蒸汽的高温混合气体(蒸汽和空气的混合物或者蒸汽和氧气的混合物)送入气化器1中混合进行气化，使气化器1中蒸汽和碳的摩尔比为0.5(0～1.2均可)，气化在常压、温度为800℃～1600℃的条件下进行，主要产生如下反应：

C_nH_m+H₂O→nCO+(m+n/2)H₂ (1)

C_nH_m+(n/2+m/2)O₂→nCO+m/2H₂O (2)

反应得到成分包括过剩的蒸汽、CO、H₂、CO₂、轻重烃类(如焦油)和固体物质的生成物，反应残留的焦炭则落入气化器1的底部进行集中处理。

(2)将气化反应得到的生成物送入流化床反应器2中，同时向该流化床反应器2中加入氧化钙(颗粒平均粒径在300μm～400μm之间)进行重整反应，氧化钙加入的质量根据CO₂的浓度(该浓度具体可通过检测气化器1的出口端和气固分离器3的出口端的分压力和温度得到)调整，重整反应在常压且反应温度为700℃的条件下进行，主要产生如下反应：

CO+H₂O→CO₂+H₂-41.5KJ/mol (3)

反应得到成分包括H₂、CaCO₃及其它固体杂质的生成物。在该过程中，90％的CO₂被CaO吸收，焦油基本被裂解，氢气浓度在40～80％之间，重整反应得到的生成物LHV值在12～16MJ/Nm³之间。由于CO₂被氧化钙吸收，能促进水煤气转换反应的进行(水煤气转换反应能在一个相对温度要求较低(大约650℃)的环境中发生)，因而获得的生成物中氢气浓度很高。

(3)将重整反应得到的生成物送入气固分离器3进行分离，气固分离器3将CaCO₃及其它固体杂质分离，得到高品质富氢合成气，分离出的CaCO₃粒子则从气固分离器3的碳酸钙排料端送至氧化钙再生煅烧炉51中煅烧生成氧化钙，生成的氧化钙送入储存器52中，再输送至流化床反应器2中循环使用。

采用本发明的气化系统及气化方法，生物质在气化器1中不同运行参数(具体可参见图4)下经热分解后所获得的生成物的LHV值在7～9MJ/Nm³之间，H₂的浓度可以达到25％～30％，并且H₂的浓度随气化介质温度升高而增大。由图4可以确定，高温蒸汽和碳的摩尔比优选为0～1.2，氧气与高温蒸汽的摩尔比为0～4，高温混合气体的温度优选在1400℃～1600℃。

固相吸附是表征气化过程中生成物的焦油含量，焦油浓度越高，气化效率就越低，因为气化中焦油产物会携带部分的能量，而这部分能量在低温时难以与可燃气体一起被利用的，大部分都被浪费。其次，焦油在低温时容易凝结(与水、焦炭等结合在一起)，堵塞送气管道。此外，焦油在燃烧时易产生炭黑颗粒，对设备的损害相当大。本发明的气化器1中生成物的焦油浓度与气化剂温度的关系如图5所示，由图5可以看出，随着气化剂的温度的升高可以减少焦油含量。因此本发明中高温蒸汽的温度优选为900℃～1300℃。

Claims

1.一种以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，其特征在于：包括气化器、流化床反应器、气固分离器、生物质供给装置和氧化钙供给装置，所述生物质供给装置的出料端与气化器相连，所述氧化钙供给装置的出料端与流化床反应器相连，所述流化床反应器的输入端与气化器相连，所述流化床反应器的输出端与气固分离器相连。

2.根据权利要求1所述的以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，其特征在于：所述气化器与流化床反应器之间设有一用于降低气化生成物温度的热交换器。

3.根据权利要求1所述的以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，其特征在于：所述气化系统还包括气化剂发生装置，所述气化剂发生装置包括锅炉、风机和气化剂发生器，所述锅炉通过输气管道与气化剂发生器相连，所述风机的出风口与气化剂发生器连通，所述气化剂发生器通过输气管道与气化器相连。

4.根据权利要求3所述的以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，其特征在于：所述气化剂发生器和气化器之间设有用于提高气化剂温度的燃烧器。

5.根据权利要求4所述的以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，其特征在于：所述气化剂发生器连接有用于将气化剂通入流化床反应器中的输气管道。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，其特征在于：所述氧化钙供给装置包括氧化钙再生煅烧炉、储存器和输送机构，所述氧化钙再生煅烧炉的进料端与气固分离器的碳酸钙排料端相连，所述氧化钙再生煅烧炉的出料端与储存器相连，所述储存器通过所述输送机构与流化床反应器相连。

7.根据权利要求6所述的以包含高温蒸汽的混合气体作为气化剂的生物质高温气化系统，其特征在于：所述气固分离器为旋风分离器。

8.一种用上述权利要求1至7中任一项所述的气化系统进行生物质高温气化的工艺，该工艺包括：

(1)将生物质原料和包含高温蒸汽的高温混合气体送入所述气化器中进行气化，气化在常压且反应温度为800℃～1600℃的条件下进行，得到成分包括CO、H₂和CO₂的生成物；

(2)将气化反应得到的生成物送入所述流化床反应器中，同时向该流化床反应器中加入氧化钙进行重整反应，重整反应在常压且反应温度为600℃～900℃的条件下进行，得到成分包括H₂和CaCO₃的生成物；

9.根据权利要求8所述的工艺，其特征在于：所述气化器中高温蒸汽和碳的摩尔比为0～1.2；所述高温蒸汽的温度为900℃～1300℃。

10.根据权利要求8或9所述的工艺，其特征在于：所述气化器中的反应温度由高温混合气体的显热和燃烧部分燃料联合提供。