CN103450948B - 一种煤与生物质共气化制备合成气系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种煤与生物质共气化制备合成气系统及工艺，包括进料装置、气化炉本体和气化介质发生装置；气化炉本体由下部密相区和上部稀相区组成，在密相区的底部布置有多风室布风装置；多风室布风装置与气化介质发生装置出口相连结；进料装置与气化炉本体在密相区与稀相区的结合部连接；在多风室布风装置与气化炉本体之间的出渣口连接有出渣装置；稀相区上部侧壁设有合成气出口；气化介质发生装置包括富氧制备装置和/或水蒸气发生装置；多风室布风装置采用圆锥形或倒圆锥形布风方式。本发明可有效实现煤、木质纤维素及城市生活垃圾的共气化，有效利用煤与生物质的协同效应，具有原料适应性广，气化速度快、排渣残碳少、污染物易于控制等优势。
Description
技术领域
本发明涉及碳基固体燃料气化技术领域，特别涉及一种煤与生物质共气化制备合成气系统及工艺。
技术背景
目前中国已进入工业化加速发展的高能源强度时期，“以煤为主”的能源结构短时期内难以改变，煤炭传统利用方式（燃烧）所带来环境污染、温室气体效应等不良影响日益凸显，以气化技术为代表的洁净煤技术逐渐引起世界各国的关注，并成为能源领域的竞争焦点。
与煤炭相比，生物质原料具有高挥发分、低固定碳含量、高氧碳比及低灰分、氮、硫元素含量等特点，特别是秸秆类原料其挥发分高达70%左右，应用于气化具有反应活性强、气化过程产生的SO2及NOx含量低等优势，同时从碳循环角度考虑，生物质为零碳能源，在热化学转化过程中零碳排放。此外随着国家经济快速发展，以城市生活垃圾为首的有机固体废弃物产生量急剧增长，处理问题迫在眉睫。而以木质纤维素类生物质及城市生活垃圾为典型生物质的气化技术因气化原料能量密度低、分布较为分散等使得其面临季节性供应短缺、焦油所带来的二次污染等问题，严重制约其大型化以及商业化应用。
煤与生物质共气化作为基于化石燃料和可再生能源燃料源产品间的桥梁，可在实现煤高效洁净转化同时对生物质气化规模化应用有积极的推动作用。生物质与煤共气化可以很好地弥补生物质单独气化面临的挑战，同时在碳反应性、焦油形成和减少污染物排放等方面产生协同作用；生物质具有较高的反应活性且碱金属矿物质含量较高，对低反应活性煤的高效洁净转化具有一定的促进作用。
目前现有气化工艺依据气化炉类型可以分为固定床气化工艺、流化床气化工艺及气流床气化工艺。其中流化床气化工艺具有较高的气固传热传质速率，床层内固体颗粒分布和温度分布较为均匀，有利于低反应活性煤的气气化，气化强度高于固定床气化技术，在合成气中焦油及酚类含量较低，与气流床气化炉相比在原料粒径范围上要求较低，故目前多开发基于流化床气化技术的煤与生物质共气化工艺。
目前现有煤与生物质共气化工艺及装置多为在现有煤气化炉基础上进行生物质添加，由于生物质种类的多样性及性质的复杂性现有发明专利多针对较为单一的生物质种类，且多未针对不同种类生物质考虑其预处理方式，此外现有共气化流化床反应器具有工艺适应性差及气化炉控制复杂等问题。
现有流化床共气化反应器主要包括单流化床气化反应器与双流化床气化反应器，对于单流化床气化反应器多采用均匀布风，物料在炉内混合程度受原料特性影响较大；此外对于公开号为CN1557919A的“一种生物质与煤混合流化床气化方法及其装置”的中国专利公开中，将整个过程分为空气燃烧和水蒸气化两个阶段，控制系统较为复杂，增加了操作的复杂性。对于双流化床气化反应器亦将气化过程和燃烧过程分别在两个流化床中进行增加操作复杂性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术方案的不足，提供一种煤与生物质共气化制备合成气系统及工艺，适用于褐煤、烟煤等低反应活性煤与木质纤维素类生物质、城市生活垃圾共气化制备合成气。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种煤与生物质共气化制备合成气系统，包括进料装置、气化炉本体和气化介质发生装置；气化炉本体由下部密相区和上部稀相区组成，在密相区的底部布置有多风室布风装置，多风室布风装置由两个或多个相互封闭的环形风室组成，其上布置有圆锥形的倾斜布风板；多风室布风装置与气化介质发生装置出口相连结；进料装置与气化炉本体在密相区与稀相区的结合部连接；在多风室布风装置与气化炉本体之间的出渣口连接有出渣装置；稀相区上部侧壁设有合成气出口；气化介质发生装置包括富氧制备装置和/或水蒸气发生装置；多风室布风装置采用圆锥形或倒圆锥形布风方式。
本发明进一步的改进在于：多风室布风装置由两个紧密连接且内部空间相互独立的第一风室和第二风室组成；第一风室和第二风室为环形互相嵌套。
本发明进一步的改进在于：布风板上安装有多个定向风帽，所述定向风帽由一个一端封闭的圆管加工而成，在靠近封闭端的管壁侧面有两个出风孔，在同一水平面内，两个出风孔相互呈40～120°夹角布置；定向风帽在布风板上呈中心对称分布，其出风孔沿布风板圆周方向呈顺时针或逆时针布置，其两个出风孔中心线的角平分线与布风板圆周切线外侧方向有10～40°的夹角，使气化炉本体底层床料能够沿螺旋线由中心向外侧运动。
本发明进一步的改进在于：富氧制备装置采用膜分离制氧或变压吸附制氧。
本发明进一步的改进在于：进料装置的入口连接有粮仓；所述粮仓，用于存储预处理后的生物质与煤的混合物。
本发明进一步的改进在于：所述生物质为木质纤维素类生物质或城市生活垃圾；所述木质纤维素类生物质为农业秸秆类废弃物、农作物加工废弃物、木材及林产品加工废弃物中的一种或几种；所述煤为褐煤或烟煤中一种或两种。
本发明进一步的改进在于：对于木质纤维素类生物质，所述预处理为在隔绝空气、温度范围为200-350℃，处理时间为60-200min，然后破碎至3-8mm；对于城市生活垃圾，所述预处理为破袋、将渣土类物质筛分后破碎至5-10mm。
煤与生物质共气化制备合成气工艺，包括以下步骤：
1）对生物质进行预处理；
2）然后将预处理后的生物质输运至料仓与粒径为5-10mm的煤粉以1:3～3:1的质量比例混合均匀形成混合物后进入气化炉本体；
3）气化介质发生装置产生气化介质从气化炉底部的多风室布风装置进入气化炉本体内与生物质与煤粉的混合物反应生成合成气；
其中，对于生物质为木质纤维素类生物质的情况：步骤1）中所述预处理为：在隔绝空气、温度范围为200-350℃，烘焙处理时间为60-200min，烘焙后破碎至3-8mm；步骤3）中气化介质发生装置中富氧制备装置产生的富氧从中心风室进入气化炉本体内，富氧浓度为25%-31%，气化当量比为0.15-0.30；水蒸气发生装置产生的水蒸气从边缘风室进入气化炉本体内，气化炉本体内水蒸气与混合物的质量比为0.15-0.8：1；
对于生物质为城市生活垃圾类生物质的情况：步骤1）中所述预处理为破袋、将渣土类物质筛分后破碎至5-10mm；步骤3）中气化介质发生装置中富氧制备装置产生的富氧从气化炉底部的第二风室（33）和第一风室（32）的布风板进入气化炉本体内，富氧浓度为25%-31%，气化当量比为0.15-0.35。
本发明进一步的改进在于：步骤2）中生物质与煤粉以1:1的质量比混合。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：煤与木质纤维素类生物质或城市生活垃圾混合物从入料口进入内循环流化床气化反应器内部，气化介质通过倾斜设置的非均匀布风板进入炉内与气化原料进行混合。采用非均匀布风能够更有效强化物料与气化介质混合，有利于气化反应顺利进行。非均匀布风的方式通过将布风板倾斜一定角度（11°-20°）进行实现。
对于煤与木质纤维素类生物质共气化选用气化介质为富氧及水蒸气，木质纤维素类生物质经烘焙预处理后含水量大大降低，可磨性及可流动性大大提高，与煤混合后共同进入气化炉内参与反应，在富氧的作用下部分原料发生燃烧反应为后续气化反应提供热量，同时水蒸气作为调节气化反应温度及供氢载体参与反应。
对于煤与城市生活垃圾共气化选用气化介质为富氧，尽管城市生活垃圾经过简单分选预处理相比于烘焙预处理的木质纤维素类生物质，其含水量仍较高，此部分水量在气化炉内起到自气化作用，为气化反应提供相应的介质。
通过对不同原料采取相应的预处理及气化介质配置同时与非均匀布风流化床反应器结合可有效实现煤与生物质共气化顺利转化为合成气，具有操作简便，原料适应性广等优势。
本发明针对木质纤维素类生物质及城市生活垃圾分别采取烘焙预处理及分选预处理，实现原料物性优化有利于后续反应的进行；同时在气化剂选取上针对煤与木质纤维素类生物质或城市生活垃圾共气化分别采取“水蒸气+富氧”或单独富氧空气参与反应，确保气化原料充分参与反应；在气化反应器上采用一种内循环流化床气化炉，与普通流化床气化炉及循环流化床气化炉相比具有燃料适应性好、负荷调节性好等优势。本发明可有效实现煤、木质纤维素类生物质及城市生活垃圾的共气化，有效利用煤与生物质的协同效应，具有原料适应性广，气化速度快、排渣残碳少、污染物易于控制等优势。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1为煤与木质纤维素类生物质共气化制备合成气的工艺图；
图2为煤与城市生活垃圾共气化制备合成气的工艺图；
图3为本发明中一种气化反应器装置的结构示意图；
图4为本发明中另一种气化反应器装置的结构示意图；
图5为多风室布风装置的示意图；其中图5（a）为多风室布风装置的俯视图，图5（b）为图5（a）所示多风室布风装置的主视图；
图6为定向风帽的示意图；其中图6（a）为定向风帽的主视图，图6（b）为图6（a）所示定向风帽的俯视图。。
具体实施方式
请参阅图1至图4所示，本发明一种煤与生物质共气化制备合成气系统，包括进料装置1、气化炉本体2和气化介质发生装置5。
气化炉本体2由下部密相区和上部稀相区组成，在密相区的底部布置有多风室布风装置3，多风室布风装置3与气化介质发生装置5出口相连结；多风室布风装置3根据不同工况可采用圆锥形（“∧”）或倒圆锥形（“∨”）布风方式。进料装置1与气化炉本体2在密相区与稀相区的结合部连接；在多风室布风装置3与气化炉本体1之间的出渣口连接有出渣装置4；稀相区上部侧壁设有合成气出口。
多风室布风装置3由两个紧密连接且内部空间相互独立的第一风室32和第二风室33组成；第一风室32和第二风室33为环形互相嵌套；在每个风室的上部是布风板，布风板与风室的大小相匹配，为圆锥形，在中心的第一风室32出口的流化风速较低，供风为水蒸气，外围的第二风室33出口的流化风速较高，供风为富氧。
请参阅图5（a）至图6（b）所示，布风板上安装有多个定向风帽31，定向风帽31由一个管端封闭的圆管加工而成，在靠近管端的管壁侧面有两个出风孔310，在同一水平面内，相互呈40～120°夹角布置。定向风帽31在布风板上呈中心对称分布，其出风孔沿圆周方向呈顺时针或逆时针布置，其两个出风孔中心线的角平分线与布风板圆周切线外侧方向有10～40°的夹角，从而使得流化床底层床料沿螺旋线由中心向外侧运动，从而既可延长了底层床料的停留时间，又有利于控制底层床料的运动方向。
气化介质发生装置5包括富氧制备装置和/或水蒸气发生装置。富氧制备装置采用膜分离制氧或变压吸附制氧。
1、煤与木质纤维素类生物质共气化制备合成气工艺，包括以下步骤：
1）木质纤维素类生物质首先进行烘焙预处理：采用隔绝空气进行加热的方式，加热温度依据木质纤维素类生物质种类的不同可在200-350℃范围内选择，停留时间时间为60-200min；对于农业加工废弃物如稻壳其最优烘焙温度为250℃，停留时间为120min；然后将烘焙预处理后的木质纤维素类生物进一步输进行破碎至3-8mm；
2）然后将破碎后的生物质输运至料仓与粒径为5-10mm的煤粉以1:3～3:1（优选1:1）的质量比例混合均匀后进入气化炉本体2；
3）气化介质发生装置5中富氧制备装置产生的富氧及水蒸气发生装置产生的水蒸气分别从气化炉底部的第二风室33和第一风室32进入气化炉本体2内，富氧浓度为25%-31%，气化炉本体2内水蒸气与原料（木质纤维素类生物与煤粉的混合物）质量比为0.15-0.8：1（优选0.2～0.45:1），气化当量比为0.15-0.30（优选0.2）；原料与水蒸气和富氧在气化炉本体2内反应生成合成气。
2、煤与城市生活垃圾类生物质共气化制备合成气工艺，包括以下步骤：
1）城市生活垃圾首先进进行破袋处理，将渣土类物质筛分后进行破碎至5-10mm；
2）将破碎后的生活垃圾输运至料仓与煤粉以质量比1:3～3:1（优选1:1）混合均匀后通过进料装置1（螺旋给料机）送入气化炉本体2；
3）气化介质发生装置5中富氧制备装置产生的富氧从气化炉底部的第一风室和第二风室的非均匀布风板进入气化炉本体2内，富氧浓度为25%-31%，气化炉本体2气化当量比为0.15-0.35；原料与水蒸气和富氧在气化炉本体2内反应生成合成气。
Claims (1)
1.一种煤与生物质共气化制备合成气系统制备合成气的工艺，其特征在于，所述煤与生物质共气化制备合成气系统，包括进料装置(1)、气化炉本体(2)和气化介质发生装置(5)；气化炉本体(2)由下部密相区和上部稀相区组成，上部稀相区与下部密相区之间通过一个喉部区域连接，在密相区的底部布置有多风室布风装置(3)，多风室布风装置(3)由两个相互封闭的环形风室组成，其上布置有圆锥形的倾斜布风板；多风室布风装置(3)与气化介质发生装置(5)出口相连结；进料装置(1)与气化炉本体(2)在稀相区与喉部区域的结合部连接；在多风室布风装置(3)与气化炉本体(1)之间的出渣口连接有出渣装置(4)；稀相区上部侧壁设有合成气出口；气化介质发生装置(5)包括富氧制备装置和/或水蒸气发生装置；多风室布风装置(3)采用倒圆锥形布风方式与气化炉密相区渐缩结构相配合；多风室布风装置(3)由两个紧密连接且内部空间相互独立的第一风室(32)和第二风室(33)组成；第一风室(32)和第二风室(33)为环形互相嵌套；布风板上安装有多个定向风帽(31)，所述定向风帽(31)由一个一端封闭的圆管加工而成，在靠近封闭端的管壁侧面有两个出风孔，在同一水平面内，两个出风孔相互呈40～120°夹角布置；定向风帽(31)在布风板上呈中心对称分布，其出风孔沿布风板圆周方向呈顺时针或逆时针布置，其两个出风孔中心线的角平分线与布风板圆周切线外侧方向有10～40°的夹角，使气化炉本体(2)底层床料能够沿螺旋线由中心向外侧运动；进料装置(1)的入口连接有料仓；所述料仓，用于存储预处理后的生物质与煤的混合物；所述生物质为木质纤维素类生物质或城市生活垃圾；所述木质纤维素类生物质为农业秸秆类废弃物、农作物加工废弃物、木材及林产品加工废弃物中的一种或几种；所述煤为褐煤或烟煤中一种或两种；富氧制备装置采用膜分离制氧或变压吸附制氧；
倒圆锥形布风板的倾斜角度为11°-20°；
所述工艺包括以下步骤：
1)对生物质进行预处理；
2)然后将预处理后的生物质输运至料仓与粒径为5-10mm的煤粉以1:3～3:1的质量比例混合均匀形成混合物后进入气化炉本体(2)；
3)气化介质发生装置(5)产生气化介质从气化炉底部的多风室布风装置(3)进入气化炉本体(2)内与生物质与煤粉的混合物反应生成合成气；
其中，对于生物质为木质纤维素类生物质的情况：步骤1)中所述预处理为：在隔绝空气、温度范围为200-350℃，烘焙处理时间为60-200min，烘焙后破碎至3-8mm；步骤3)中气化介质发生装置(5)中富氧制备装置产生的富氧从外围的第二风室进入气化炉本体(2)内，富氧浓度为25％-31％，气化当量比为0.15-0.30；水蒸气发生装置产生的水蒸气从中心的第一风室进入气化炉本体(2)内，气化炉本体(2)内水蒸气与混合物的质量比为0.15-0.8：1；
对于生物质为城市生活垃圾类生物质的情况：步骤1)中所述预处理为破袋、将渣土类物质筛分后破碎至5-10mm；步骤3)中气化介质发生装置(5)中富氧制备装置产生的富氧从气化炉底部的第二风室(33)和第一风室(32)的布风板进入气化炉本体(2)内，富氧浓度为25％-31％，气化炉本体(2)内气化当量比为0.15-0.35；
步骤2)中生物质与煤粉以1:1的质量比混合。
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