CN104528645B - 制备生物合成气的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备生物合成气的装置和方法，制备生物合成气的装置，包括气化炉，在气化炉内的中部设置有催化床隔板，中上部设置有气体分布板，顶部设置有混合室，储水罐通过管道依次与第一泵、第二预热器连、混合室连接，液相类生物质储罐通过管道依次与第二泵、第三预热器、混合室连接，气化炉的底部通过管道与气液分离器连接，气液分离器与液体收集瓶连接，液体收集瓶通过管道依次与洗气瓶，滤气管，第二气体流量计，气体取样阀连接后再与产品集气容器活动连接，载气瓶通过管道依次与减压阀，第一截止阀，背压阀，第一气体流量计，第一预热器连接后再与混合室的顶部连接。本发明的装置可用于处理所有液相类生物质，对原料的适应性极强。

Description

制备生物合成气的装置和方法

技术领域

本发明属于生物质能利用技术领域，尤其涉及一种制备生物合成气的生物质气化装置。

背景技术

目前，大气污染状况日益严重，其中燃煤过程排放的污染物比例大，而且加重雾霾的程度。天然气是一种多元化的能量载体，有着较高的利用效率，能够用于现有管网和已有的高效的终端利用技术，促进区域能源安全，减少颗粒物和有害气体的排放。随着人民生活水平的提高，对环保、生活舒适性的要求越来越高，对天然气的需求量快速增加，但受限于我国天然气资源分布与开采速度及开采过程中的环境风险，天然气供应紧张局势越来越凸显。因此，寻求新的替代天然气的能源已迫在眉睫。煤制气已经成为我国解决天然气供应不足的一种解决途径，但我国煤炭资源主要分布在华北、西北等北方地区，而北方地区水资源短缺，煤制气工艺过程中又需要消耗大量的水，同时也衍生出其他环境污染问题。因此，能源问题已演变成了经济和社会发展中的重大问题。寻找可再生能源已成为必然的发展趋势。我国作为一个农业大国，生物质资源丰富，生物质能又是唯一可以转化为气、液、固三种能源形态的可再生能源。我国生物质资源量可达65亿吨/年，以平均热值为15,000千焦/公斤计算，折合理论资源为30亿吨标准煤，相当于我国目前年总能耗的80-90％。因此，合理有效开发生物质资源能可以在一定程度上改变我国现有的能源格局。

我国的生物质资源以秸秆、稻壳、棉花杆等农林废弃物为主，通过一系列有效方式，如发酵、热化学转化可将生物质有效转化为生物燃气，但是农业生物质原料的发酵过程生产周期长，对原料的适应性差，且占地面积大，工业化生产目前缺乏竞争力。而热化学转化过程生产周期短，产气率高，且适合多种原料。其中尤其以气化技术为代表，生产生物合成气效率高，效果显著。该技术是在气化介质中，通过外部热能将预处理过的生物质分解为富含氢气的粗合成气的过程，分解生成的富含氢气的粗合成气经冷凝净化后可收集到纯生物合成气。得到的纯生物合成气用途广，可用于合成油品、化工产品及材料等，需求量大。尤其在目前能源形势下，开展生物合成气的制备有重要的战略意义与实际的现实应用需求。

生物合成气由气化反应器(反应炉)制备获得，有文献及相关资料表明，国内外研究人员目前开发并利用的气化反应器有固定床气化炉、流化床气化炉等，这些气化反应器都能完成生物质气化过程，但是都存在一定问题。主要原因是由于气化炉结构、传热方式以及需要控制的反应参数不同，导致其气化性能、自身能耗及对原料粒径的适应性有所差异，都有各自无法弥补的缺陷。目前只有流化床气化炉具备连续生产能力，但是结构复杂，耗能大，难以实现工业化放大生产。中国专利CN201634633U中公开的流化床反应器就存在上述问题，其进料装置的连续性不能保证，另外，由于冷凝方式的不合理也带了产物收集中额外的耗电量。

作为新能源及可再生能源的应用领域，生物合成气的生产工艺必须满足节能减排、安全环保、清洁高效的连续生产要求。目前生物质热解(快速热解)制备生物合成气过程能耗高，且伴随着二次污染，同时生物合成气产品成分复杂，有效组分浓度过低，难以直接应用，需要很复杂的精致提质过程，这又导致成本过高。

目前，多以固态生物质为原料，但固态生物质能量密度低，运输成本高，体积大，占体面积大，因此，亟需一种以能量密度高的液态生物质为原料制备生物合成气的装置及方法，以解决上述不足。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种制备生物合成气的装置。

本发明的第二个目的是提供一种制备生物合成气的方法。

本发明的技术方案概述如下：

制备生物合成气的装置，包括气化炉12，在气化炉内的中部设置有催化床隔板11，在气化炉内的中上部设置有气体分布板10，在气化炉的顶部设置有混合室7，储水罐21通过管道依次与第一泵22、第二预热器8连接后与混合室7连接，液相类生物质储罐23通过管道依次与第二泵24、第三预热器9连接后与混合室7连接，气化炉的底部通过管道与气液分离器14连接，气液分离器与液体收集瓶15连接，液体收集瓶通过管道依次与洗气瓶16，滤气管17，第二气体流量计18，气体取样阀19连接后再与产品集气容器20活动连接，在气化炉与气液分离器14连接的管道外表面设置有加热夹套13；载气瓶1通过管道依次与减压阀2，第一截止阀3，背压阀4，第一气体流量计5，第一预热器6连接后再与混合室7的顶部连接。

制备生物合成气的方法，包括如下步骤：

(1)使用上述制备生物合成气的装置；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀19的管道断开，在催化床隔板11上放置催化剂，调节第一预热器6的温度为300～400℃；调节气化炉12内的温度为600～800℃；调节第二预热器8的温度为300～380℃；调节第三预热器9的温度为300～450℃；调节加热夹套13的温度为200～400℃；调节气液分离器14的温度为-10～0℃；

(2)开启减压阀2，第一截止阀3，背压阀4，通过调节第一气体流量计5，使载气瓶1的载气以200-1000ml/min的气速经第一预热器6、混合室7后进入气化炉12内吹扫，排尽气化炉12中的空气；

(3)将载气流速降低为50-400ml/min，打开第一泵22，使储水罐21中的水经过第二预热器8汽化为水蒸汽后再经混合室7后，经气化炉12内的气体分布板10使水蒸汽均匀充满气化炉12，打开第二泵24，使液相类生物质储罐23中的液相类生物质经过第三预热器9汽化为气相进入混合室7与水蒸汽混合成混合蒸汽后，经气化炉12内的气体分布板10使混合蒸汽均匀充入气化炉12，控制液相类生物质与水的泵入质量比为0.5-10：1；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀19的管道连接。

催化剂优选为镍基催化剂、水滑石、氧化钙、三氧化二铝、氧化镁、Exxon、木炭、活化铝、沸石、高岭石、蒙脱石、伊利石、三氧化二铁、白云石、菱美石、方解石、橄榄石或铁矿石。

载气优选为≥99.995％氮气、≥99.995％的氩气或≥99.995％的氦气。

液相类生物质优选为生物油、焦油、餐饮废油、生物柴油和生物质原油淤浆至少一种。

本发明的优点：

1、本发明的装置可用于处理所有液相类生物质，如生物油、焦油、餐饮废油、生物柴油、生物质原油淤浆等，对原料的适应性极强。

2、本发明的方法气化生物油水相制备富氢生物合成气的收率可达到0.17gH₂/g生物油，反应的副产物为固体灰分。

3、本发明气化炉内分布板的设置，可实现混合蒸汽在气化炉内均匀分布，提高原料转化效率。

4、本发明的装置具有承载催化剂的催化床隔板，可实现生物质合成气的在线催化提质。

5、本发明的装置中的气液分离器采取超低温冷凝，可实现可冷凝成分的快速冷凝要求。

6、本发明的装置设置有洗气瓶16，滤气管17，可对气体净化，实现挥发性有机酸、CO₂、焦油、颗粒物等杂质的脱出，进而获得清洁高质生物合成气，环保。

附图说明

图1为制备生物合成气的装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

制备生物合成气的装置，包括气化炉12，在气化炉内的中部设置有催化床隔板11，在气化炉内的中上部设置有气体分布板10，在气化炉内的顶部设置有混合室7，储水罐21通过管道依次与第一泵22、第二预热器8连接后与混合室7连接，液相类生物质储罐23通过管道依次与第二泵24、第三预热器9连接后与混合室7连接，在气化炉的底部通过管道与气液分离器14连接，气液分离器与液体收集瓶15连接，液体收集瓶通过管道依次与洗气瓶16，滤气管17，第二气体流量计18，气体取样阀19连接后再与产品集气容器20活动连接，在气化炉与气液分离器14连接的管道外表面设置有加热夹套13；载气瓶1通过管道依次与减压阀2，第一截止阀3，背压阀4，第一气体流量计5，第一预热器6连接后再与混合室7的顶部连接。见图1。

实施例1

制备生物合成气的方法，包括如下步骤：

(1)使用制备生物合成气的装置；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀19的管道断开，在催化床隔板11上放置催化剂沸石，调节第一预热器6的温度为350℃；调节气化炉12内的温度为700℃；调节第二预热器8的温度为340℃；调节第三预热器9的温度为400℃；调节加热夹套13的温度为300℃；调节气液分离器14的温度为-5℃；

(2)开启减压阀2，第一截止阀3，背压阀4，通过调节第一气体流量计5，使载气瓶1的载气以500ml/min的气速经第一预热器6、混合室7后进入气化炉12内吹扫，排尽气化炉12中的空气；

(3)将载气(≥99.995％氮气)流速降低为300ml/min，打开第一泵22，使储水罐21中的水经过第二预热器8汽化为水蒸汽后再经混合室7后，经气化炉12内的气体分布板10使水蒸汽均匀充满气化炉12，打开第二泵24，使液相类生物质储罐23中的液相类生物质(生物油)经过第三预热器9汽化为气相进入混合室7与水蒸汽混合成混合蒸汽后，经气化炉12内的气体分布板10使混合蒸汽均匀充入气化炉12，控制液相类生物质与水的泵入质量比为5：1；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀19的管道连接。

按本实施步骤生产的生物合成气具有的特征见表1：

表1：

实施例2

制备生物合成气的方法，包括如下步骤：

(1)使用制备生物合成气的装置；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀19的管道断开，在催化床隔板11上放置催化剂三氧化二铁，调节第一预热器6的温度为300℃；调节气化炉12内的温度为600℃；调节第二预热器8的温度为300℃；调节第三预热器9的温度为300℃；调节加热夹套13的温度为200℃；调节气液分离器14的温度为-10℃；

(2)开启减压阀2，第一截止阀3，背压阀4，通过调节第一气体流量计5，使载气瓶1的载气以200ml/min的气速经第一预热器6、混合室7后进入气化炉12内吹扫，排尽气化炉12中的空气；

(3)将载气(≥99.995％的氩气)流速降低为50ml/min，打开第一泵22，使储水罐21中的水经过第二预热器8汽化为水蒸汽后再经混合室7后，经气化炉12内的气体分布板10使水蒸汽均匀充满气化炉12，打开第二泵24，使液相类生物质储罐23中的液相类生物质(餐饮废油)经过第三预热器9汽化为气相进入混合室7与水蒸汽混合成混合蒸汽后，经气化炉12内的气体分布板10使混合蒸汽均匀充入气化炉12，控制液相类生物质与水的泵入质量比为0.5：1；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀19的管道连接。

按本实施步骤生产的生物合成气具有的特征见表2：

表2：

实施例3

制备生物合成气的方法，包括如下步骤：

(1)使用制备生物合成气的装置；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀19的管道断开，在催化床隔板11上放置催化剂白云石，调节第一预热器6的温度为400℃；调节气化炉12内的温度为800℃；调节第二预热器8的温度为380℃；调节第三预热器9的温度为450℃；调节加热夹套13的温度为400℃；调节气液分离器14的温度为0℃；

(2)开启减压阀2，第一截止阀3，背压阀4，通过调节第一气体流量计5，使载气瓶1的载气以1000ml/min的气速经第一预热器6、混合室7后进入气化炉12内吹扫，排尽气化炉12中的空气；

(3)将载气(≥99.995％的氦气)流速降低为400ml/min，打开第一泵22，使储水罐21中的水经过第二预热器8汽化为水蒸汽后再经混合室7后，经气化炉12内的气体分布板10使水蒸汽均匀充满气化炉12，打开第二泵24，使液相类生物质储罐23中的液相类生物质(生物质原油淤浆)经过第三预热器9汽化为气相进入混合室7与水蒸汽混合成混合蒸汽后，经气化炉12内的气体分布板10使混合蒸汽均匀充入气化炉12，控制液相类生物质与水的泵入质量比为10：1；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀19的管道连接。

按本实施步骤生产的生物合成气具有的特征见表3：

表3：

实验证明，用焦油或生物柴油替代本实施例中的生物质原油淤浆，其它同本实施例，其生产的生物合成气具有特征见表4：

表4：

实验证明，用镍基催化剂、水滑石、氧化钙、三氧化二铝、氧化镁、Exxon、木炭、活化铝、高岭石、蒙脱石、伊利石、菱美石、方解石、橄榄石或铁矿石替代本实施例中的白云石作催化剂其它同本实施例，其效果与本实施例相似。

Claims (4)

1.制备生物合成气的方法，其特征是包括如下步骤：

(1)使用制备生物合成气的装置；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀(19)的管道断开，在催化床隔板(11)上放置催化剂，调节第一预热器(6)的温度为300～400℃；调节气化炉(12)内的温度为600～800℃；调节第二预热器(8)的温度为300～380℃；调节第三预热器(9)的温度为300～450℃；调节加热夹套(13)的温度为200～400℃；调节气液分离器(14)的温度为-10～0℃；

(2)开启减压阀(2)，第一截止阀(3)，背压阀(4)，通过调节第一气体流量计(5)，使载气瓶(1)的载气以200-1000ml/min的气速经第一预热器(6)、混合室(7)后进入气化炉(12)内吹扫，排尽气化炉(12)中的空气；

(3)将载气流速降低为50-400ml/min，打开第一泵(22)，使储水罐(21)中的水经过第二预热器(8)汽化为水蒸汽后再经混合室(7)后，经气化炉(12)内的气体分布板(10)使水蒸汽均匀充满气化炉(12)，打开第二泵(24)，使液相类生物质储罐(23)中的液相类生物质经过第三预热器(9)汽化为气相进入混合室(7)与水蒸汽混合成混合蒸汽后，经气化炉(12)内的气体分布板(10)使混合蒸汽均匀充入气化炉(12)，控制液相类生物质与水的泵入质量比为0.5-10：1；将产品集气容器与另一端连接有气体取样阀(19)的管道连接；所述制备生物合成气的装置，包括气化炉(12)，在气化炉内的中部设置有催化床隔板(11)，在气化炉内的中上部设置有气体分布板(10)，在气化炉的顶部设置有混合室(7)，储水罐(21)通过管道依次与第一泵(22)、第二预热器(8)连接后与混合室(7)连接，液相类生物质储罐(23)通过管道依次与第二泵(24)、第三预热器(9)连接后与混合室(7)连接，气化炉的底部通过管道与气液分离器(14)连接，气液分离器与液体收集瓶(15)连接，液体收集瓶通过管道依次与洗气瓶(16)，滤气管(17)，第二气体流量计(18)，气体取样阀(19)连接后再与产品集气容器(20)活动连接，在气化炉与气液分离器(14)连接的管道外表面设置有加热夹套(13)；载气瓶(1)通过管道依次与减压阀(2)，第一截止阀(3)，背压阀(4)，第一气体流量计(5)，第一预热器(6)连接后再与混合室(7)的顶部连接。

2.根据权利要求1所述的制备生物合成气的方法，其特征是所述催化剂为镍基催化剂、水滑石、氧化钙、三氧化二铝、氧化镁、木炭、活化铝、沸石、高岭石、蒙脱石、伊利石、三氧化二铁、白云石、菱美石、方解石、橄榄石或铁矿石。

3.根据权利要求1所述的制备生物合成气的方法，其特征是所述载气为≥99.995％氮气、≥99.995％的氩气或≥99.995％的氦气。

4.根据权利要求1所述的制备生物合成气的方法，其特征是所述液相类生物质为生物油、焦油、餐饮废油、生物柴油和生物质原油淤浆至少一种。