CN102925221A - 生物质燃气及其净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质燃气及其净化方法。一种生物质燃气净化方法，包括以下步骤：除尘：将生物质气化炉气化产生的燃气通过除尘设备进行除尘；洗涤：将经过除尘的燃气通过洗涤设备进行洗涤；脱水：将经过洗涤的燃气通过脱水设备进行脱水；除焦：将经过脱水的燃气通过除焦设备进行除焦；脱碳：将经过除焦的燃气通过脱碳设备进行脱碳，制得生物质燃气。一种生物质燃气，包含以体积分数计的以下组分：一氧化碳：35至48%，氢气：24至33%，甲烷：15至21%，氧气：0至0.01%，氮气：2至6%，二氧化碳：2至6%，乙烷：0.09至0.11%，及丙烷：0.009至0.01%。使用本发明的方法制得的生物质燃气杂质含量低、热值高。

Description

生物质燃气及其净化方法

技术领域

本发明涉及生物质燃气的净化方法。

背景技术

生物质燃气是利用农作物秸秆、林木废弃物、食用菌渣、牛羊畜粪及一切可燃性物质做为原料转换为可燃性能源。生物质燃气的成分类似煤气，主要由一氧化碳、氢气、二氧化碳、氮气等组成，目前在国内外生物燃气仍有较多瓶颈技术未攻克，如焦油含量大，二氧化碳占30%以上，热值低等。

近二十年来，美欧各国在政府的资助下，建立的生物质气化装置在运行过程中都存在一些问题。主要是所产生的合成气中含有1%至10%的焦油，它们凝结在锅炉、管道和内燃机的入口装置上，影响了设备的正常运行。近几年来，我国在各级地方政府，农业部门和科技部门的资助下，一些地区的农村建立了一批秸杆气化装置，但因焦油的脱除技术不成熟，焦油引起的环境污染越来越引起社会和政府部门的关注，生物质气化过程中产生的焦油已成为生物质气化技术推广的严重制约。经济、安全、高效的生物质燃气除焦、净化技术得到了广泛而深入研究，已研究的方法有：热解除焦法、湿法除焦、焦油催化裂解法、过滤和静电除焦。热解法温度太高（超过1000度）并产生油烟污染；湿法除焦是将焦油污染物转移到水中，易产生二次污染；焦油催化裂解法则可将焦油转化为一氧化碳、氢气和甲烷等可燃气体而增加燃气热值，无环境污染，但该法适合大型连续运行的气化装置；过滤除焦由于过滤材料阻力大，易堵塞；静电除焦则需考虑防爆和清焦等问题。

20世纪80年代中期，在市场对无焦油燃气需求的推动下，国外对生物质焦油的催化脱除开展了大量实验研究和工业化试验，在催化方法和催化剂的种类等方面做了大量工作。近几年，国内生物质焦油的催化脱除研究取得了一些值得关注的进展，其中非金属白云石催化剂和金属镍基催化剂技术得到了广泛的研究。华北电力大学教授韩璞等人深入阐述了气化过程中焦油产生的机理、影响焦油生成的因素以及焦油的脱除方法,重点探讨了目前较为有效的焦油热化学脱除方法,即焦油的热裂解和催化裂解方法；清华大学流化床燃烧专业教授吕俊复和中国工程院院士清华大学热能工程系研究员岳光溪等人对循环床锅炉循环灰对于焦油的催化裂解作用进行了研究，结果表明，随着积炭灰的增加，氧化钙颗粒的比表面积和空隙率下降，使得裂解反应速率下降；清华大学热能工程系侯斌等人对生物质热解焦油的催化裂化进行了研究，采用玉米秆屑为原料，在固定床催化裂化反应器上实验研究了煅烧白云石和石灰石催化裂解燃气的效果；中科院山西煤化所对CaO添加剂对煤裂解过程的影响进行了研究，采用的是常压流化床反应器。由此可见，生物质焦油脱除技术的工业化应用是生物质燃气能否得到广泛应用的非常重要的部分。

生物质燃气主要用于农村生活用气，燃气的热值大小对生物质燃气的应用不会产生大的影响，因此以前人们对生物质燃气中二氧化碳的去除没有引起足够的重视，在这方面的研究也鲜有报道。随着能源问题的全球化，生物质燃气的高附加值开发也引起人们广泛关注，更高品质的生物质燃气对燃气热值有更高的要求，对怎样提高生物质燃气热值包括对二氧化碳的去除将会引起越来越学者的关注和参与。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种杂质含量低、二氧化碳含量低的生物质燃气及其净化方法。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种生物质燃气净化方法，包括以下步骤：

除尘：将生物质气化炉气化产生的燃气通过除尘设备进行除尘；

洗涤：将经过除尘的燃气通过洗涤设备进行洗涤；

脱水：将经过洗涤的燃气通过脱水设备进行脱水；

除焦：将经过脱水的燃气通过除焦设备进行除焦；

脱碳：将经过除焦的燃气通过脱碳设备进行脱碳，制得生物质燃气。

作为本发明的优选方式，在上述生物质燃气净化方法中，优选的是，所述除尘设备为旋风除尘器。

作为本发明的优选方式，在上述生物质燃气净化方法中，优选的是，所述洗涤设备为洗涤塔。

作为本发明的优选方式，在上述生物质燃气净化方法中，优选的是，进入所述洗涤塔的燃气的流速为0.5至3米/秒。

作为本发明的优选方式，在上述生物质燃气净化方法中，优选的是，所述洗涤塔的喷淋液为水，喷淋水量为8至12立方米/小时。

作为本发明的优选方式，在上述生物质燃气净化方法中，优选的是，所述脱水设备为离心式气水分离器。

作为本发明的优选方式，在上述生物质燃气净化方法中，优选的是，所述除焦设备为高压静电捕焦器，所述高压静电捕焦器中通有直流电，所述直流电的电压为29.5至60千伏。

作为本发明的优选方式，在上述生物质燃气净化方法中，优选的是，所述脱碳设备由气体压缩机、真空泵及变压吸附塔三部分组成。

作为本发明的优选方式，在上述生物质燃气净化方法中，优选的是，所述生物质是含纤维素物料中的一种或多种。

一种生物质燃气，包含以体积分数计的以下组分：

一氧化碳：35至48%，

氢气：24至33%，

甲烷：15至21%，

氧气：0至0.01%，

氮气：2至6%，

二氧化碳：2至6%，

乙烷：0.09至0.11%，及

丙烷：0.009至0.01%；

所述生物质燃气中焦油的含量小于5毫克／立方米，灰尘混合物的含量小于10毫克／立方米；所述生物质燃气的热值为15.5至16.7兆焦耳/立方米。

本发明的效果和优点如下：

1、用本发明的方法制得的生物质燃气杂质含量低、热值高；

2、减少大气污染，变废为宝，生产过程中产生的副产品草木灰是优质钾肥，可改善土壤土质和改变长期使用化肥所造成的土质退化状况，回收的焦油是宝贵的化工原料，可直接利用。

附图说明

图1为本发明一种具体实施方式所提供的生物质燃气净化方法流程图示意图；

图2为本发明一种具体实施方式中高压静电捕焦器结构示意图；

图3为本发明一种具体实施方式所提供的脱碳工艺流程示意图。

具体实施方式

图1为本发明一种具体实施方式所提供的生物质燃气净化方法流程图示意图。先将生物质原料进行预处理：生物质原料一般含有较多水分，所以需要将收集到的生物质原料晒干，使用原料粉碎机将生物质原料粉碎成粉末后，使用湿度测试计测试，调节原料含水率为15至20%（质量分数），然后进行制粒工作，原料含水率控制在15至20%（质量分数）的原因是：含水率过高，制粒工序无法成型，含水率过低则造成制粒机因摩擦力过大而堵塞。所述生物质原料是麦草、稻草、玉米秸杆、油菜秸杆、芦苇、藤条、竹子、木材、草本类或其它含纤维素物料中的一种或多种。生物质制粒机所生成的生物质原料颗粒参数为：直径20毫米，密度1.1至1.3克/立方厘米，微重于水，冷却后即为成型产品。制粒机每小时可生产生物质颗粒燃料1吨，单机能耗低于35千瓦时/吨；粉碎、上料、制粒等整个过程能耗低于45千瓦时/吨；机器使用寿命不低于10年，每天连续运行时间10至16小时；主要消耗零配件更换周期为1000小时，性价比优于国内同类产品。

将经过预处理以后的成型原料产品送入气化炉进行气化。本发明中采用的气化炉为两段式气化炉，两段式气化炉的结构是在传统固定床气化段上方增设干馏段。下部是灰仓，中部为气化段，上部为原料干馏段，生成的燃气为干馏燃气。这种结构可以使用多种气体作为气化剂，例如，使用空气作为气化剂、使用空气与蒸气混合作为气化剂或者使用氧气与蒸汽混合作为气化剂。不同的气化剂热值不同，空气作为气化剂，热值为4.5至5兆焦耳/立方米，两段式气化炉用混合气化剂热值可达到10.60至11.54兆焦耳/立方米，脱碳后热值可达16.5兆焦耳/立方米以上。将经过预处理以后的成型原料产品从炉顶部加入炉内，气化剂由炉底送入至气化段，采用氧气和水蒸汽为气化剂，氧与原料中的碳进行反应，生成氢气、甲烷、一氧化碳、乙烷等可燃气体，从炉顶部排出，炉内为常压，气化温度控制在400度以上，在距炉底20厘米以上的高度处，即燃烧层与还原层的界面处氧被完全燃烧，经过碳层的气体为无氧气体，为后续的净化工艺提供了安全保证。气化炉的加料由专门的供料装置加料，混合气化剂中的助燃氧气由制氧机车间提供，所需的水蒸气由热交换装置产生的蒸汽供给。

将气化炉生成的燃气通入旋风除尘器进行除尘。旋风除尘器是使含尘气体产生高速旋转运动，通过对尘粒施加离心力而使粒子从气流中分离出来的除尘设备。含尘燃气由装在旋风除尘器侧且与之相切的进气管切向进入筒体内，沿旋风除尘器筒内壁旋转，气体在同一平面上旋转360度后，被后续进入的气流挤压而旋转着向下，尘粒在离心力的作用下甩向器壁，并在重力和向下旋转的气流的作用下落入灰仓，净化气流于圆锥底部被迫转向除尘器中心，在中心形成旋转向上的气流，由排气管排出。

将经过除尘的燃气送入洗涤塔用水进行喷淋洗涤。洗涤塔内部用多个木板做的格子，木板间距为25至40毫米，木格高度约占总高的一半。洗涤塔上部有循环水喷头及出气口，下部有进气口，底部是循环水出口。经过除尘的燃气自洗涤塔下部的进气口进入到塔内，流速为2.5米/秒，喷淋水量为10立方米/小时，燃气与上部喷淋下的水逆行，气体在木格内上行，与循环水充分接触，将残留在气体中的焦油及粉尘分离，净化后的燃气由上部的出气口排出。

将经过洗涤的燃气通入离心式气水分离器进行脱水。带液燃气进入分离器后，首先进行一级分离，经旋流发生器产生离心力，将液滴甩向器壁并在器壁处积聚，液滴在重力作用和气体向下运动作用的带动下，流入一级储液室，然后气体沿环形空间向上流，进入螺道进行一级分离。气体经螺道产生高速旋流，将剩余的液珠有效脱除。分离出来的液珠在器壁处积聚并下流至二级储液室，液体中夹带的微量气体经文丘里—伯努利管，返回气体出口管。一级、二级储液室水经管道排到循环水池中。经分离器脱掉约99%的水的燃气自分离器中部出口排出分离器。

将经过脱水的燃气通入高压静电捕焦器进行除焦。高压静电捕焦器中通有直流电，产生的静电场足以使燃气与焦油分离。

图2为本发明一种具体实施方式中高压静电捕焦器结构示意图。高压静电捕焦器由高压瓷瓶13、出气孔14、筒体15、集焦极16、电晕极17、重锤18、整流板19、进气口20、排焦油口21和负高压电极22组成。高压静电捕焦器的负高压静电由供电装置供给，将电网的交流电（380伏或220伏）接到升压变压器，变为29.5至60千伏，经过硅整流器将高压交流电变为高压直流电，用导线将高压直流电经过负高压电极22进入到捕焦器内，将在正负两极间产生一个足以使气体与杂质分离的静电场。经脱水后的燃气进行冷却然后经进气口20送入高压静电捕焦器中，混合气在捕焦器内以4至10米/秒的速度经过整流板19后气体将变得分布均匀，再以0.5至2米/秒的速度进入到集焦极16内，燃气在通过高压电场进行电离的过程中，使尘粒获电并在电场力的作用下，使带电尘颗粒向极性相反的电极运动，在运动过程中将燃气中的焦油气泡、粉尘、沉积在集焦极16上，并慢慢向下流动，从而将焦油、粉尘从气体中分离出来，净化后的气体从出气口14排出。高压静电捕焦器的净化效率在98%以上，被净化后的燃气焦油含量小于10毫克／立方米。

图3为本发明一种具体实施方式所提供的脱碳工艺流程示意图。将经过除焦的燃气（压力约为5千帕，二氧化碳的体积分数为22%至29.9%）送入原料气缓冲罐301，然后经压缩机302升压后，在0.25兆帕、40度的状态下下进入变压吸附脱碳装置，除去二氧化碳及部分饱和水蒸气，净化后的燃气从吸附装置顶放出，进入产品缓冲罐304。变压吸附脱碳装置由吸附塔401、402、403、404构成，每个吸附塔在一个循环周期需要经历吸附、两次均压降、逆放、抽空、两次均压升、终充等步骤。变压吸附塔里装填的是专门对二氧化碳有选择吸附作用的吸附剂，把二氧化碳从混合气体中吸附分离，而其他气体基本不吸附，吸附剂可以使活性炭，也可以是其他物质。这样反向解析出来的基本都是二氧化碳，浓度可达96%以上，然后再采用吸附精馏法，将二氧化碳增压，用干燥吸附法脱除杂质。通过变压吸附工艺流程将原料其中约30%的二氧化碳脱除，脱除二氧化碳后的燃气热值由11.54兆焦耳/立方米提高到16.6兆焦耳/立方米以上，完全满足燃气轮机对生物燃气热值的要求，又因减少了近30%的二氧化碳成份，对后续工艺节能降耗，减少装置容积，都是具有十分明显的益处。

当被吸附杂质的吸附前沿移动到吸附塔一定位置时，关闭进出口阀门停止吸附工作，吸附塔进入再生过程。吸附步骤停止后，打开均压阀门，该吸附塔与已完成再生的吸附塔以出口端相连进行压力均衡。当两台吸附塔压力相等时，关闭阀门，均降步骤结束。均降过程不仅是吸附塔的一个降压过程，也是吸附塔回收床层空间有效气体的过程。吸附塔在降压后，沿吸附的反方向进行降压，吸附剂中的大部分杂质得到解吸，当塔的压力降到0.02兆帕接近常压时，逆放结束。利用真空泵303对吸附塔进行抽空，进一步降低吸附器中的杂质分压，使吸附剂得到充分再生，真空泵的一端与真空缓冲罐305相连。吸附塔抽空再生完成后，其它的吸附塔以出口端相连进行两次压力均衡升压。均压过程中吸附塔的压力逐渐升高，这一过程与均降过程相对应。经均升步骤后，为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附，并保证产品压力及纯度在这一过程中不发生波动，通过充压调节阀缓慢而平稳地用产品净化气对吸附塔进行充压，将吸附塔压力升至吸附压力。经这一过程后吸附塔便完成了一个完整的吸附-再生循环，又为下一次吸附做好了准备。

在20度、101.325千帕的条件下对制得的生物质燃气进行分析检验，生物质燃气的组分为：

一氧化碳：35至48%，

氢气：24至33%，

甲烷：15至21%，

氧气：0至0.01%，

氮气：2至6%，

二氧化碳：2至6%，

乙烷：0.09至0.11%，及

丙烷：0.009至0.01%；

所述生物质燃气中焦油的含量小于5毫克／立方米，灰尘混合物的含量小于10毫克／立方米；所述生物质燃气的热值为15.5至16.7兆焦耳/立方米。。该生物质燃气可运用到民用、工业、发电等领域。

根据本发明的一个实施例，先将麦草、稻草和玉米秸杆的混合物晒干，使用原料粉碎机将混合物粉碎成粉末后，使用湿度测试计测试，调节混合物含水率为18%（质量分数），然后进行制粒工作，冷却后即为成型产品。

将经过预处理以后的成型原料产品从炉顶部加入炉内，气化剂由炉底送入至气化段，采用氧气和水蒸汽为气化剂，氧与原料中的碳进行反应，生成氢气、甲烷、一氧化碳、乙烷等可燃气体，从炉顶部排出，炉内为常压，气化温度控制在450度，气化炉的加料由专门的供料装置加料，混合气化剂中的助燃氧气由制氧机车间提供，所需的水蒸气由热交换装置产生的蒸汽供给。

将气化炉生成的燃气通入旋风除尘器进行除尘。

将经过除尘的燃气送入洗涤塔用水进行喷淋洗涤。洗涤塔木板间距为30毫米，经过除尘的燃气自洗涤塔下部的进气口进入到塔内，流速为2.5米/秒，喷淋水量为10立方米/小时，燃气与上部喷淋下的水逆行，气体在木格内上行，与循环水充分接触，将残留在气体中的焦油及粉尘分离，净化后的燃气由上部的出气口排出。

将经过洗涤的燃气通入离心式气水分离器进行脱水。

将经过脱水的燃气通入高压静电捕焦器进行除焦。高压静电捕焦器中通有电压为50千伏的直流电。经脱水后的燃气进行冷却然后经进气口20送入高压静电捕焦器中，混合气在捕焦器内以0.8米/秒的速度经过整流板19后气体将变得分布均匀，再以1米/秒的速度进入到集焦极16内，燃气在通过高压电场进行电离的过程中，使尘粒获电并在电场力的作用下，使带电尘颗粒向极性相反的电极运动，在运动过程中将燃气中的焦油气泡、粉尘、沉积在集焦极16上，并慢慢向下流动，从而将焦油、粉尘从气体中分离出来，净化后的气体从出气口14排出。

将经过除焦的燃气（压力约为5千帕，二氧化碳的体积分数为25%）送入原料气缓冲罐301，然后经压缩机302升压后，在0.25兆帕、40度的状态下下进入变压吸附脱碳装置，除去二氧化碳及部分饱和水蒸气，净化后的燃气从吸附装置顶放出，进入产品缓冲罐304。

在20度、101.325千帕的条件下对制得的生物质燃气进行分析检验，生物质燃气的组分为：

一氧化碳：40.88%，

氢气：28%

甲烷：21%，

氧气：0.01%，

氮气：6%，

二氧化碳：4%，

乙烷：0.1%，及

丙烷:0.01%；

生物质燃气中焦油的含量为5毫克／立方米，灰尘混合物的含量为9毫克／立方米；生物质燃气的热值为16.5兆焦耳/立方米。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种生物质燃气净化方法，其特征在于，包括以下步骤：

除尘：将生物质气化炉气化产生的燃气通过除尘设备进行除尘；

洗涤：将经过除尘的燃气通过洗涤设备进行洗涤；

脱水：将经过洗涤的燃气通过脱水设备进行脱水；

除焦：将经过脱水的燃气通过除焦设备进行除焦；

脱碳：将经过除焦的燃气通过脱碳设备进行脱碳，制得生物质燃气。

2.根据权利要求1所述生物质燃气净化方法，其特征在于，所述除尘设备为旋风除尘器。

3.根据权利要求1所述生物质燃气净化方法，其特征在于，所述洗涤设备为洗涤塔。

4.根据权利要求3所述生物质燃气净化方法，其特征在于，进入所述洗涤塔的燃气的流速为0.5至3米/秒。

5.根据权利要求3所述生物质燃气净化方法，其特征在于，所述洗涤塔的喷淋液为水，喷淋水量为8至12立方米/小时。

6.根据权利要求1所述生物质燃气净化方法，其特征在于，所述脱水设备为离心式气水分离器。

7.根据权利要求1所述生物质燃气净化方法，其特征在于，所述除焦设备为高压静电捕焦器，所述高压静电捕焦器中通有直流电，所述直流电的电压为29.5至60千伏。

8.根据权利要求1所述生物质燃气净化方法，其特征在于，所述脱碳设备由气体压缩机、真空泵及变压吸附塔组成。

9.根据权利要求1所述生物质燃气净化方法，其特征在于，所述生物质是含纤维素物料中的一种或多种。

10.一种生物质燃气，其特征在于，包含以体积分数计的以下组分：

一氧化碳：35至48%，

氢气：24至33%，

甲烷：15至21%，

氧气：0至0.01%，

氮气：2至6%，

二氧化碳：2至6%，

乙烷：0.09至0.11%，及

丙烷：0.009至0.01%；

所述生物质燃气中焦油的含量小于5毫克／立方米，灰尘混合物的含量小于10毫克／立方米；

所述生物质燃气的热值为15.5至16.7兆焦耳/立方米。

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