CN103265979B - 高温高压生物质合成气冷却净化工艺及其设备 - Google Patents

高温高压生物质合成气冷却净化工艺及其设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温高压生物质合成气冷却净化工艺及其设备，工艺包括1）分段冷却：采用工艺水将从生物质气化炉出来的高温高压生物质合成气冷却至350～550℃，余热回收产生中压蒸汽；然后将生物质合成气冷却至100～300℃，余热回收产生低压蒸汽；2）收集去除焦油；3）洗涤净化；4）湿式电除尘处理：处理后的生物质合成气的压力为0.1～1MPa。设备主要包括管壳式余热锅炉，干式气体过滤器，立式烟管余热锅炉，无填料文丘里洗涤塔，湿式电除尘器。本发明通过工艺方案的优化设计，控制适当的工艺参数，实现了生物质合成气的分段冷却，余热梯级回用，逐级除尘、除焦油的净化目标，本发明设备简单、工艺流畅、能耗低、效率高、安全稳定、经济效益好。

Description

高温高压生物质合成气冷却净化工艺及其设备
技术领域
本发明涉及合成气净化技术，具体地指一种高温高压生物质合成气冷却净化工艺及其设备。
背景技术
在能源利用领域，石油、煤、天然气等几种最普遍使用的不可再生资源因大量开采而导致储量急剧下降，已构成危害人类生存和发展的三大危机之一。而在我国农村，每年有大量的麦草、稻草、谷壳、玉米秸、棉花杆、油菜杆、花生壳等秸秆被弃置或焚烧，严重污染了环境。因此，利用这些生物质供能的生物质气化技术应运而生，生物质可再生清洁能源的开发利用日益受到关注，并处于快速发展之中，生物质制气、制油是新能源开发领域的重要研究课题。
同煤制气一样，生物质制气也需经历冷却、除尘等净化过程。目前，有关生物质气化制备合成气的方法研究成果很多，但关于生物质合成气如何冷却和净化的研究却较少，多是沿用传统煤气冷却和洗涤的老办法。传统的煤气初冷方式分为间接初冷、直接初冷、以及组合初冷三种，初冷主要是指煤气从炭化室出来在进入电捕焦油器之前将其冷却到22～35℃。间接初冷时煤气与冷却介质不直接接触，两相只间接传热，不进行传质过程，煤气的冷却、净化效果较好。直接初冷时煤气与喷洒氨水直接接触，进行传质和传热过程。与间接初冷相比，直接初冷具有煤气冷却效率高、阻力小、设备造价低、动力消耗大的特点。组合初冷是煤气先经过间接冷却再经过直接冷却的工艺方法，其特点是发挥了两者的长处。此外，煤气除尘的方法也有很多，包括沉降、过滤、旋风除尘、电除尘、水洗或文丘里除尘等，不同的方式除尘效果和阻力消耗差别也较大。煤气除焦油的设备则主要是电捕焦油器。
由于不同的原料及气化工艺所产生的合成气特性不尽相同，因此要达到先进的净化指标和经济指标，应采用有针对性的工艺方法和系统配置。从炭化室出来的粗煤气温度约在650℃左右，而生物质气化炉出口处合成气的温度高于炭化室出口处的煤气温度，如果忽视生物质制气出口烟温比煤制气出口烟温高的具体情况，照搬照套煤气初冷的工艺方法，显然不能达到生物质合成气的冷却效果和净化指标。而且，如果简单模拟传统煤制气的净化方法，还存在系统复杂、流程长、能耗高、效率低、稳定性和经济性差的缺陷。因此，提供一种针对生物质气化炉合成气的冷却净化工艺和设备便显得极为必要。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种高温高压生物质合成气冷却净化工艺及其设备，采用该工艺和设备对合成气的冷却效果好、显热回收率高、且能有效降低生物质合成气中的粉尘和焦油含量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高温高压生物质合成气冷却净化工艺，包括如下步骤：
1）分段冷却：首先采用工艺水进行第一段间接换热，将从气化炉输出的高温高压生物质合成气冷却至350～550℃，余热回收产生的中压蒸汽对外提供；然后采用工艺水进行第二段间接换热，继续将生物质合成气冷却至100～300℃，余热回收产生的低压蒸汽对外提供；
2）焦油收集：将生物质合成气在第二段间接换热过程中冷却析出的部分重质焦油收集除去；
3）洗涤净化：采用洗涤液初步除尘降温，将生物质合成气中绝大部分的粉尘、焦油滴、水溶性气体洗涤除去，洗涤后的生物质合成气温度降低至25～65℃；
4）湿式除尘：采用湿气流深度除尘除焦，将对生物质合成气中残存少量的粉尘、焦油雾吹扫除去，并使其压力降至0.1～1Mpa，从而获得粉尘和焦油含量均小于10mg/Nm3的生物质合成气。
进一步地，所述步骤1）中，所产生的中压蒸汽返回输送到气化炉中，作为生物质燃料的气化剂。将余热回收产生的蒸汽输入气化炉中作为气化剂为净化设备提供压力，即保证了设备处于正压状态下工作，防止外部空气漏入冷却净化设备，减少了燃气爆炸的可能性，又大幅降低了工段总体能耗。
进一步地，所述步骤1）中，所产生的低压蒸汽应用到步骤4）中，作为湿气流吹扫生物质合成气中的粉尘、焦油雾。将余热回收产生的蒸汽回用于净化系统，进一步降低了净化工段的能耗。
进一步地，所述步骤1）中，生物质合成气先进行第一段间接换热，中间进行干式除尘处理，再进行第二段间接换热。在第一段冷却与第二段冷却之间设置干式除尘步骤初步除尘，节省了后续湿式除尘步骤中大量的冲洗水及水处理能耗，也省掉了污水处理设备。
进一步地，所述步骤1）中，第一段间接换热时，将从生物质合成气冷却至400～500℃；第二段间接换热时，将生物质合成气冷却至150～250℃。
进一步地，所述步骤1）中，控制从气化炉输出的高温高压生物质合成气的初始温度为700～1500℃，粉尘含量＜20g/Nm3，焦油含量＜3g/Nm3。高温生物质合成气在气化炉上部被内置水冷壁冷却，温度降至约700～1500℃，凝出的熔渣，从炉底排出，避免后续余热锅炉受热面的结渣污染，保证余热锅炉的换热性能稳定。
更进一步地，所述步骤1）中，所产生的中压蒸汽压力为1.6~2.0MPa，所产生的低压蒸汽压力为0.5~0.8MPa。
为实现上述工艺而设计的高温高压生物质合成气冷却净化设备，包括用于冷却生物质合成气的管壳式余热锅炉和立式烟管余热锅炉，以及用于净化生物质合成气的文丘里洗涤塔和湿式电除尘器，所述管壳式余热锅炉的进气口与生物质气化炉的合成气出口相连，所述管壳式余热锅炉的出气口与立式烟管余热锅炉的进气口相连，所述立式烟管余热锅炉的出气口与文丘里洗涤塔的进气口相连，所述文丘里洗涤塔的出气口与湿式电除尘器的输入端相连，所述湿式电除尘器的输出端与储气罐的进气口相连。
进一步地，所述管壳式余热锅炉的蒸汽出口通过中压蒸汽输送管与生物质气化炉的气化剂入口相连。
进一步地，所述立式烟管余热锅炉的蒸汽出口通过低压蒸汽输送管与湿式电除尘器的湿气流入口相连。
再进一步地，所述管壳式余热锅炉与立式烟管余热锅炉之间设置有干式气体过滤器，所述干式气体过滤器下端的进气口与管壳式余热锅炉的出气口相连，所述干式气体过滤器顶端的出气口与立式烟管余热锅炉的进气口相连，所述干式气体过滤器底端的粉尘出口与仓泵的进料口相连，所述仓泵的出料口与灰库相连。干式气体过滤器作为初步除尘过滤装置设置在两级余热锅炉之间，初步除尘后节省了大量的冲洗水及水处理能耗，也省掉了水处理设备；过滤下来的粉尘由仓泵收集后通过气力输送到灰库存储并合理利用。
更进一步地，所述湿式电除尘器的输出端还与尾气焚烧炉的进气口相连。尾气焚烧锅炉充分利用气化和合成工段产生的废气燃烧后的热能，提高了装置的热效率；储气罐并联尾气焚烧炉对废气进行燃烧处理并产生低压蒸汽对外供出。
本发明结合生物质高温气化工艺和合成气的理化特性，对其冷却净化方法做了大量的试验研究，与现有技术相比，其优点主要体现在如下几方面：
其一，本发明的冷却净化工艺，分两段冷却，第一段冷却温度至350～550℃，将温度控制在重质焦油的凝结点以上，避免焦油在此凝结，第二段冷却温度至100～300℃，以使重焦油在此段凝结收集，从而实现了重质焦油的集中收集处理，并进行逐级除尘、除焦深度处理，最终使得处理后的生物质合成气中粉尘含量＜10mg/Nm3，焦油含量均＜10mg/Nm3，温度＜55℃，显热回收率大于80%。
其二，本发明将余热锅炉产生的蒸汽输入生物质气化炉中，作为气化剂为净化设备提供压力，通过调节蒸汽的压力，可保证生物质气化炉出口的压头克服冷却净化设备的阻力后到达储气罐入口时还能保证0.1～1MPa（G）的正压，即保证了设备处于正压状态下工作，防止外部空气漏入冷却净化设备，减少了燃气爆炸的可能性，而且省掉了气化工段的鼓风机和合成工段的空压机，大幅降低了气化及合成油工段的总体能耗，解决了传统煤气净化工艺中系统复杂、流程长、能耗高、效率低、稳定性和经济性差、针对性不强的问题。
其三，本发明设备采用管壳式余热锅炉和立式烟管余热锅炉两段、双压余热回收，分段冷却，实现了重质焦油的集中收集处理，余热梯级回用，提高了设备的热效率；同时，采用无填料文丘里洗涤塔洗气除尘，湿式电除尘器除焦和除尘后置的高压流程，实现了生物质合成气的逐级除尘、除焦油的净化目标。
其四，本发明设备适配于无外筒的生物质气化炉，解决了外筒水冷时气化炉结构复杂、炉体尺寸大、壁面易挂渣、水侧易结垢的技术难题，在提高气化稳定性的同时，还节省了气化主设备的造价；另外，本发明的净化设备结构简单、工艺流畅、能耗低、效率高、安全稳定性好、经济效益高。
附图说明
图1为一种高温高压生物质合成气冷却净化设备的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述，但是本发明并不限于下述实施例。
图1中所示的高温高压生物质合成气冷却净化设备，包括用于冷却生物质合成气的管壳式余热锅炉2和立式烟管余热锅炉4，以及用于净化生物质合成气的文丘里洗涤塔5和湿式电除尘器6，管壳式余热锅炉2与立式烟管余热锅炉4之间设置有干式气体过滤器3，管壳式余热锅炉2的进气口8与生物质气化炉1的合成气出口7相连，管壳式余热锅炉2的出气口10与干式气体过滤器3下端的进气口18相连，管壳式余热锅炉2的蒸汽出口通过中压蒸汽输送管9与生物质气化炉1的气化剂入口相连，干式气体过滤器3顶端的出气口19与立式烟管余热锅炉4的进气口11相连，干式气体过滤器3底端的粉尘出口20与仓泵21的进料口相连，仓泵21的出料口22与灰库23相连，立式烟管余热锅炉4的出气口12与文丘里洗涤塔5的进气口13相连，立式烟管余热锅炉4的蒸汽出口通过低压蒸汽输送管27与湿式电除尘器6的湿气流入口相连，文丘里洗涤塔5的出气口14与湿式电除尘器6的输入端15相连，湿式电除尘器6的输出端16与储气罐17的进气口26相连，湿式电除尘器6的输出端16还与尾气焚烧炉24的进气口25相连。其中，储气罐17为高压球形储气罐；干式气体过滤器3为陶瓷干式过滤器，采用陶瓷干式过滤器，能保证在350～550℃范围内除尘效率达到99.9%以上，后续配置湿式电除尘器6，可以确保最终达到除尘和除焦油的控制指标。
上述设备的工艺流程如下：从生物质气化炉1的生物质合成气出口7出来的温度为700～1500℃，粉尘含量＜20g/Nm3，焦油含量＜3g/Nm3的生物质合成气首先从管壳式余热锅炉2的进气口8进入管壳式余热锅炉2，采用工艺水进行第一段间接换热冷却，管壳式余热锅炉2回收中温余热，从管壳式余热锅炉2的出气口10出来的生物质合成气优选冷却至350～550℃，更优选冷却至400～500℃，管壳式余热锅炉2中产生中压蒸汽，管壳式余热锅炉2的设计压力≥1.6MPa，优选1.6~2.0MPa，该中压蒸汽从管壳式余热锅炉2的蒸汽出口出来后经中压蒸汽输送管9返回输送到生物质气化炉1中作为生物质燃料的气化剂，蒸汽压力的大小调节可通过在蒸汽输送管道上安装压力调节阀来实现；然后将生物质合成气从干式气体过滤器3下端的进气口18送入干式气体过滤器3进行初步除尘，经过高效除尘后的生物质合成气从干式气体过滤器3顶端的出气口19出来；然后从立式烟管余热锅炉4的进气口11进入立式烟管余热锅炉4，采用工艺水进行第二段间接换热冷却，立式烟管余热锅炉4回收低温余热，从立式烟管余热锅炉4的出气口12出来的生物质合成气优选冷却至100～300℃，更优选冷却至150～250℃，立式烟管余热锅炉4中产生的低压蒸汽供后续湿式电除尘器6进行深度除尘和除焦油所用，立式烟管余热锅炉4的设计压力≥0.5MPa，优选0.5~0.8MPa，该低压蒸汽从立式烟管余热锅炉4的蒸汽出口出来后经低压蒸汽输送管27输送到湿式电除尘器6的湿气流入口，进入湿式电除尘器6中作为湿气流吹扫生物质合成气中的粉尘、焦油雾，生物质合成气在立式烟管余热锅炉4中降温冷却的同时，部分重质焦油析出，通过槽斗收集除去；将生物质合成气从文丘里洗涤塔5下端的进气口13送入无填料的文丘里洗涤塔5进行洗涤、除尘，并进一步降温，生物质合成气中的绝大部分粉尘、焦油滴及水溶性气体进入洗涤液除去，洗涤液为清洗水，可用循环水或工业水，该从文丘里洗涤塔5上端的出气口14出来的生物质合成气的温度降至25～65℃；最后，将生物质合成气从湿式电除尘器6下端的进气口15送入湿式电除尘器6中，利用立式烟管余热锅炉4中产生的低压蒸汽进行深度除尘除焦处理，从而将生物质合成气中残存少量的粉尘、焦油雾吹扫除去，并使生物质合成气的压力降至0.1～1Mpa，通过上述冷却净化过程，从湿式电除尘器6顶端的出气口16出来的生物质合成气中粉尘含量＜10mg/Nm3，焦油含量均＜10mg/Nm3，温度＜55℃，显热回收率大于80%，合格的生物质合成气输送至储气罐17储存或从储气罐的出气口28输出供下游工段使用，与储气罐17并联的是尾气焚烧锅炉24，它是在系统启动、生物质合成气成份超标时，对废气进行燃烧处理的重要设备。其中，干式过滤器3过滤下来的粉尘经干式过滤器3底端的粉尘出口20进入仓泵21，仓泵21收集的粉尘经仓泵21的出料口22通过气力输送到灰库23存储并合理利用。
本发明将管壳式余热锅炉2产生的中压蒸汽输入生物质气化炉1中作为气化剂为净化系统提供压力，省掉了煤气鼓风机，通过调蒸汽的压力，保证生物质气化炉1出口的压头克服冷却净化系统的阻力后到达储气罐17入口26时还能保证0.1～1MPa（G）的正压，即保证了生物质气化炉1、管壳式余热锅炉2、立式烟管余热锅炉4、文丘里洗涤塔5、湿式除尘器6，及储气罐17处于正压状态下工作，防止外部空气漏入以上净化设备，减少了燃气爆炸的可能性，而且省掉了后续合成油工段加压生物质气的空压机，使得气化及合成油工段总体能耗大幅降低。
以上是高温高压生物质合成气冷却净化的主工艺流程及相关设备，可在两级余热炉给水、文丘里洗涤塔循环水、湿式电除尘器冲洗水等辅助系统上增设一些标准和非标准设备，它们通过管道和阀门等组成各自的子系统，为相关设备服务，进而完成生物质合成气的冷却和净化过程。

Claims (6)

1.一种高温高压生物质合成气冷却净化工艺，其特征在于：包括如下步骤：
1)分段冷却：首先采用工艺水进行第一段间接换热，将从气化炉输出的高温高压生物质合成气冷却至350～550℃，余热回收产生的中压蒸汽返回输送到气化炉中，作为生物质燃料的气化剂；然后进行干式除尘处理；接着再采用工艺水进行第二段间接换热，继续将生物质合成气冷却至100～300℃，余热回收，产生低压蒸汽；控制从气化炉输出的高温高压生物质合成气的初始温度为700～1500℃，粉尘含量＜20g/Nm3，焦油含量＜3g/Nm3；所产生的中压蒸汽压力为1.6～2.0MPa，所产生的低压蒸汽压力为0.5～0.8MPa；
2)焦油收集：将生物质合成气在第二段间接换热过程中冷却析出的部分重质焦油收集除去；
3)洗涤净化：采用洗涤液初步除尘降温，将生物质合成气中绝大部分的粉尘、焦油滴、水溶性气体洗涤除去，洗涤后的生物质合成气温度降低至25～65℃；
4)湿式除尘：采用湿气流深度除尘除焦，将对生物质合成气中残存少量的粉尘、焦油雾吹扫除去，并使其压力降至0.1～1MPa，从而获得粉尘和焦油含量均小于10mg/Nm3的生物质合成气。
2.根据权利要求1所述的高温高压生物质合成气冷却净化工艺，其特征在于：所述步骤1)中，所产生的低压蒸汽应用到步骤4)中，作为湿气流吹扫生物质合成气中的粉尘、焦油雾。
3.根据权利要求1或2所述的高温高压生物质合成气冷却净化工艺，其特征在于：所述步骤1)中，第一段间接换热时，将从生物质合成气冷却至400～500℃；第二段间接换热时，将生物质合成气冷却至150～250℃。
4.一种为实现权利要求1所述工艺而设计的高温高压生物质合 成气冷却净化设备，包括用于冷却生物质合成气的管壳式余热锅炉(2)和立式烟管余热锅炉(4)，以及用于净化生物质合成气的文丘里洗涤塔(5)和湿式电除尘器(6)，其特征在于：所述管壳式余热锅炉(2)与立式烟管余热锅炉(4)之间设置有干式气体过滤器(3)，所述管壳式余热锅炉(2)的进气口(8)与生物质气化炉(1)的合成气出口(7)相连，所述管壳式余热锅炉(2)的出气口(10)与所述干式气体过滤器(3)下端的进气口(18)相连，所述管壳式余热锅炉(2)的蒸汽出口通过中压蒸汽输送管(9)与生物质气化炉(1)的气化剂入口相连，所述干式气体过滤器(3)顶端的出气口(19)与立式烟管余热锅炉(4)的进气口(11)相连，所述干式气体过滤器(3)底端的粉尘出口(20)与仓泵(21)的进料口相连，所述仓泵(21)的出料口(22)与灰库(23)相连，所述立式烟管余热锅炉(4)的出气口(12)与文丘里洗涤塔(5)的进气口(13)相连，所述文丘里洗涤塔(5)的出气口(14)与湿式电除尘器(6)的输入端(15)相连，所述湿式电除尘器(6)的输出端(16)与储气罐(17)的进气口(26)相连。
5.根据权利要求4所述的高温高压生物质合成气冷却净化设备，其特征在于：所述立式烟管余热锅炉(4)的蒸汽出口通过低压蒸汽输送管(27)与湿式电除尘器(6)的湿气流入口相连。
6.根据权利要求4或5所述的高温高压生物质合成气冷却净化设备，其特征在于：所述湿式电除尘器(6)的输出端(16)还与尾气焚烧炉(24)的进气口(25)相连。
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