CN106010657A - 一种生物质低焦油气化的方法及实现该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物质低焦油气化的方法，采用生物质在下吸式固定床气化炉中气化生成含有焦油的可燃气，气化炉下部设置有至少两个燃气出口，将可燃气从气化炉的燃气出口之一进入第一焦油催化反应装置进行焦油催化裂解；向其它燃气出口通入再生气体对第二焦油催化反应装置中的催化剂进行再生，再生气体及催化剂再生产生的气体从燃气出口之一流出后进行净化，通过对第一燃气出口和其他燃气出口气体流向进行切换，实现焦油裂解及催化剂再生功能的切换。本发明通过利用成对布置的焦油催化反应装置对焦油进行催化裂解，通过交替切换燃气出气口燃气流向，连续实现焦油裂解装置的焦油催化和催化剂再生过程，使生物质低焦油催化气化系统可以连续稳定运行。

Description

一种生物质低焦油气化的方法及实现该方法的装置
技术领域
本发明涉及生物质能源利用技术领域，具体涉及一种生物质低焦油气化的方法及实现该方法的装置。
背景技术
相对于传统的煤、石油和天然气等化石能源，生物质能具有可再生、总量巨大、分布广泛、低含硫、再生迅速等优点。它不但可以提供清洁的能源，还可以减缓酸雨污染、减排温室气体。此外，生物质能还是所有可再生能源中唯一的可以提供气、液、固三种形态的能源、极具取代化石能源潜力的绿色能源。据估算，全球每年光合作用产生的生物质约有1400～1800亿吨，其热量约为3×1018kJ，是全球年能量消耗的十倍以上。
生物质气化技术是指一定的温度条件下，在不同气化剂的作用下(空气、氧气、水蒸气等)，使生物质内的高分子有机碳氢化合物(纤维素、半纤维素和木质素)发生裂解并与气化反应，产生小分子量的CO、H2和CH4等可燃性气体。生物质气化技术由于能源转化率高，设备与操作相对简单受到越来越多的关注。然而由于生物质热值较低，能量密度不高，因此气化温度较低，通常在900℃附近。这使得气化产气中焦油含量较高，这极大的影响了生物质气化系统长期运行的稳定性，并限制生物质气化燃气的利用途径。
中国专利ZL 201110398188.6提出一种适用于中小型气化系统的新型带内循环焦油催化裂解的生物质气化装置。就是在气化炉内部增加一个回流管路，使气化炉粗气返回炉内管。将催化剂放置在内循环管内，催化剂将回流的粗气催化裂解，把焦油变成小分子量的可燃气进行回收。但该专利将焦油裂解构件放置在气化炉内部中间，当焦油失活时难以对催化剂进行更换，难以实现连续稳定运行。中国专利ZL 201210236630.X公开了一种生物质气化催化裂解工艺及整体式气化催化反应器。该工艺采用下部为生物质气化段，上部为焦油催化裂解段的整体式反应器，生物质气化段为流化床，下部通入空气作一次气化剂，生物质从中下部进入反应器与气化剂发生氧化还原气化反应，反应温度600-750℃，生成燃气并伴有焦油产生；燃气夹带产生的焦油进入上部焦油催化裂解段，焦油催化裂解段为装填有焦油裂解催化剂的固定床，从装填焦油裂解催化剂的下侧部通入二次气化剂，焦油在此段裂解转化为小分子可燃气体，催化裂解温度750～800℃；生成的灰分从反应器下部排灰口排出，气体从反应器顶部气体出口去下一工序。但由于气流床气化系统产气中往往夹带有较多的颗粒物容易造成催化剂的失活，同时该专利也没用提供催化剂的连续再生方法。中国专利ZL 200810021485.7公开了一体化生物质气化炉催化裂解方法及其装置，其技术方案的要点是，一体化生物质气化炉的催化裂解方法：生物质燃料从进料口通过螺旋输入装置进入燃烧室内进行燃烧，燃烧后的大量可燃气体上升到X型燃气缓冲室，再进入焦油催化裂解室，经过充分催化裂解和净化过滤后的可燃气体进入燃气净化室，从出气管排出，供用户使用。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种操作简便、工艺适应性强的用于生物质低焦油气化的方法，其工艺适应性较强，且结构简单、紧凑，易于放大。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种生物质低焦油气化的方法，包括以下步骤：
(1)生物质进入下吸式固定床气化炉内气化，产生含有焦油的可燃气及气化固体产物；
(2)下吸式固定床气化炉下部设置有至少两个燃气出口，所述燃气出口分别连通一个焦油催化反应装置，将步骤(1)中所述含有焦油的可燃气从下吸式固定床气化炉的燃气出口之一进入焦油催化反应装置进行焦油催化裂解，将焦油催化反应装置催化裂解后的可燃气进行净化；向位于下吸式固定床气化炉的其它燃气出口通入再生气体对与所述其他燃气出口连通的焦油催化反应装置中的催化剂进行再生，在催化剂再生过程中被利用的再生气体及催化剂再生产生的气体经过下吸式固定床气化炉高温碳层后从燃气出口之一流出后进行净化，当燃气出口之一的催化剂达到使用寿命后，通过对燃气出口之一和其他燃气出口气体流向进行切换，实现焦油裂解及催化剂再生功能的切换。
利用成对布置的焦油催化反应装置对焦油进行催化裂解，通过交替切换燃气出气口燃气流向，连续实现焦油裂解装置的焦油催化和催化剂再生过程，使生物质低焦油气化系统可以连续稳定运行。
优选地，步骤(2)中所述进入焦油催化反应装置的可燃气温度为650℃～750℃。通过控制下吸式固定床气化炉气化工况使气化炉中生物质气化温度控制在900℃附近，必要时可以通过加装换热器等方式使气化炉出口高温可燃气温度在700～800℃附近，在该温度附近生物质焦油裂解效率较高。
生物质进入气化炉内以后会形成一个较厚的料层，该料层从上至下可依次划分为干燥段、热解段、氧化段、还原段、灰层。从干燥段至氧化段温度逐渐升高，从氧化段至灰层温度逐渐降低。
优选地，步骤(2)中所述焦油催化反应装置的催化剂骨架为多孔结构。从下吸式固定床气化炉燃气出口出来的高温燃气由于尚未经过除尘处理，气化颗粒物含量较高，采用堇青石、二氧化硅等惰性材料制成如蜂窝状的多孔结构，颗粒物耐受性较高。
优选地，步骤(2)中所述多孔结构为蜂窝状，所述多孔结构由二氧化硅材料制成。
优选地，步骤(2)中所述再生气体选自水蒸气、空气或富氧空气中的一种或几种。通过向失活催化剂中通入过量的再生气体，一方面可以对多孔催化剂上附着的颗粒物进行反吹，另一方面上述氧化性再生气体可以与失活催化剂上的积碳进行反应，对催化剂进行再生。
本发明的另一个目的是提出一种实现生物质低焦油气化的方法的装置，包括下吸式固定床气化炉，所述下吸式固定床气化炉下部设置有至少两个燃气出口，所述燃气出口分别连通一个焦油催化反应装置，所述焦油催化反应装置上依次设置有再生气体进口和气体流向控制装置，所述气体流向控制装置设置于燃气管路上。
该装置利用成对布置的焦油催化反应装置对焦油进行催化裂解，通过交替切换燃气出气口燃气流向，连续实现焦油裂解装置的焦油催化和催化剂再生过程，系统可以连续稳定运行。
进一步的，所述燃气出口前部设置有挡板。
进一步的，所述燃气出口为两个或者多个对称布置。
进一步的，所述挡板高度与所述还原段高度相同。这使得催化剂再生过程中产生的小分子气体及未反应为完全的过量再生气体均会通过高温热解段及还原段以后才流进对应另外一侧的可燃气出口，这使得焦油再生过程几乎不会对气化产气产生影响。
进一步的，实现生物质低焦油气化的方法的装置，还包括与所述气体流向控制装置连接的旋风除尘器。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用在下吸式固定床下部成对布置的焦油催化反应装置对焦油进行催化裂解，利用燃气自有的显热来实现焦油的裂解节约能源且可以较好的与下吸式固定床气化工艺相衔接；
2、利用成对布置的焦油催化反应装置对焦油进行催化裂解，通过交替切换燃气出气口燃气流向，连续实现焦油裂解装置的焦油催化和催化剂再生过程，系统可以连续稳定运行；
3、通过合理设置燃气出口位置及挡板高度，控制燃气流动路径，使得焦油裂解及催化剂再生过程基本不对气化燃气产生影响；
4、本发明提出的低焦油气化方法，该工艺适应性较强，且结构简单、紧凑，易于放大。
附图说明
图1为本发明一种实现生物质低焦油气化的方法装置示意图；
图2为本发明下吸式固定床气化炉温度分区示意图；
附图说明：1、下吸式固定床气化炉；2、进料斗；3、排灰装置；41、第一焦油催化反应装置；42、第二焦油催化反应装置；51、第一再生气体进口；52、第二再生气体进口；61、第一气体流向控制装置；62、第二气体流向控制装置；7、旋风除尘器；8、干燥段；9、热解段；10、氧化段；11、还原段；12、灰层。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐明本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
除特别说明，本发明使用的设备和原料为本技术领域常规市购产品。
一种生物质低焦油气化的方法，包括以下步骤：
(1)生物质进入下吸式固定床气化炉内气化，产生含有焦油的可燃气及气化固体产物；
(2)将步骤(1)中所述含有焦油的可燃气从下吸式固定床气化炉的第一燃气出口进入第一焦油催化反应装置进行焦油催化裂解，将第一焦油催化反应装置催化裂解后的可燃气进行净化；向位于下吸式固定床气化炉的其它燃气出口通入再生气体对第二焦油催化反应装置中的催化剂进行再生，在催化剂再生过程中被利用的再生气体及催化剂再生产生的气体经过下吸式固定床气化炉高温碳层后从第一燃气出口流出后进行净化，当第一燃气出口的催化剂达到使用寿命后，通过对第一燃气出口和其他燃气出口气体流向进行切换，实现焦油裂解及催化剂再生功能的切换。
本发明通过两路焦油裂解装置的切换实现焦油裂解过程和催化剂再生过程的交替连续进行，目前的生物质低焦油气化方法大多数使用的是定期更换催化剂或者是不能连续。
如图2所示，在下吸式固定床气化过程中，生物质进入气化炉内以后会形成一个较厚的料层，该料层从上至下可依次划分为干燥段8、热解段9、氧化段10、还原段11、灰层12。从干燥段至氧化段温度逐渐升高，从氧化段至灰层温度逐渐降低。
实施例1
如图1和图2所示，其中图2表示生物质经过干燥段、热解段后转化为生物炭，然后继续在氧化段和还原段反应，最终变成灰，在氧化段和还原段床内对应的物料都是生物炭。
本实施例采用玉米杆压块成型的颗粒燃料在下吸式固定床气化炉中气化生成含有焦油的可燃气，再通过焦油催化反应装置催化裂解可燃气中的焦油，制备低焦油含量可燃气。
实现生物质低焦油气化的方法的装置，包括下吸式固定床气化炉1，下吸式固定床气化炉下部设置有挡板，挡板通过第一燃气出口与第一焦油催化反应装置41连通，挡板通过第二燃气出口与第二焦油催化反应装置42连通，第一焦油催化反应装置和第二焦油催化反应装置在下吸式固定床气化炉下部对称布置，第一焦油催化反应装置上设置有第一再生气体进口51和第一气体流向控制装置61，第二焦油催化反应装置上设置有第二再生气体进口52和第二气体流向控制装置62。
本装置的工艺流程是：将玉米杆压块成型的颗粒燃料通过进料斗2从下吸式固定床气化炉顶部进入炉内气化，产生含有焦油(气态)的高温可燃气及气化固体产物。含有焦油(气态)的高温可燃气从位于下吸式固定床气化炉下部的第一燃气出口进入第一焦油催化反应装置进行焦油催化裂解，使焦油裂解成小分子气体，然后高温可燃气进入旋风除尘器7进行进一步净化。同时向第二再生气体进口通入再生气体对失活的催化剂进行再生。未在催化剂再生过程中被利用的气体及催化剂再生产生的气体通过下吸式固定床气化炉高温碳层后从第一燃气出口进入旋风除尘器7进行进一步净化。同时，玉米杆压块成型的颗粒燃料经过下吸式固定床气化炉进行气化反应后的气化固体产物可通过气化炉下部设置的排灰装置3排出。
同理，当第一燃气出口的催化剂达到使用寿命后，通过第二气体流向控制装置对气化炉底部的燃气出口气体流向进行切换，含有焦油(气态)的高温可燃气从位于下吸式固定床气化炉下部的第二燃气出口进入第二焦油催化反应装置进行焦油催化裂解，使焦油裂解成小分子气体，然后高温可燃气进入进入旋风除尘器7进行进一步净化。同时向第一再生气体进口通入再生气体对失活的催化剂进行再生。未在催化剂再生过程中被利用的气体及催化剂再生产生的气体通过下吸式固定床气化炉高温碳层后从第二燃气出口进入旋风除尘器7进行进一步净化。
通过开/关相应的气体流向切换装置，当前作为出气口的燃气出口的关闭并对其中已经失活的催化剂进行再生，已经相应出口中催化剂已经再生好的燃气出口打开，作为新的燃气出口使用。从燃气出口出来的可燃气可以采用相应工艺对可燃气进行进一步的除尘、焦油裂解等净化过程，在本实施例中使用旋风除尘器对可燃气进行除尘净化。
在本实施例中，第一燃气出口和第二燃气出口在气化炉下部成对称布置。使用过程中可以通过气体流向控制装置交替改变燃气出口中气体流向，实现焦油的催化裂解及失活催化剂的再生。
在本发明中，燃气出口、焦油催化反应装置、再生气体进口和气体流向控制装置可根据实际需要对称布置两个或多个，在本实施例中优选为两个对称布置。
高温可燃气温度在750℃，通过控制下吸收气化炉气化工况使气化炉中生物质气化温度控制在900℃，气化炉出口高温可燃气温度在750℃，在该温度附近生物质焦油裂解效率较高。
焦油催化裂解催化剂骨架采用多孔结构，从气化炉出口出来的高温燃气由于尚未经过除尘处理，气化颗粒物含量较高，采二氧化硅惰性材料制成如蜂窝状的多孔结构多颗粒物耐受性较高。
在本实施例中，再生气体采用水蒸气。通过向失活催化剂中通入过量的再生气体，一方面可以对多孔催化剂上附着的颗粒物进行反吹，另一方面上述氧化性再生气体可以与失活催化剂上的积碳进行反应，对催化剂进行再生。
第一焦油催化反应装置设置于下吸式固定床气化炉下部并与第一燃气出口连通，第二焦油催化反应装置设置于下吸式固定床气化炉下部并与第二燃气出口连通，第一焦油催化反应装置与第二焦油催化反应装置对称布置。
挡板高度与下吸式固定床工作时高温碳层高度位置相当。这使得催化剂再生过程中产生的小分子气体及未反应为完全的过量再生气体均会通过高温碳层以后才流进对应另外一侧的可燃气出口，这使得焦油再生过程几乎不会对气化产气产生影响。
本发明在催化剂再生过程(主要是去除积碳)中产生的气体(主要是CO、CO2等)以及未完全利用的再生气体直接通入气化炉的高温碳层上方，对能源和资源进行回收利用的同时避免了污染(CO、CO2对大气来说是污染气体)。
本发明提出的低焦油气化方法，该工艺适应性较强，且结构简单、紧凑，易于放大；并且利用成对布置的焦油催化反应装置对焦油进行催化裂解，通过交替切换燃气出气口燃气流向，连续实现焦油裂解装置的焦油催化和催化剂再生过程，系统可以连续稳定运行。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利保护范围中。

Claims (10)

1.一种生物质低焦油气化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)生物质进入下吸式固定床气化炉内气化，产生含有焦油的可燃气及气化固体产物；
(2)下吸式固定床气化炉下部设置有至少两个燃气出口，所述燃气出口分别连通一个焦油催化反应装置，将步骤(1)中所述含有焦油的可燃气从下吸式固定床气化炉的燃气出口之一进入焦油催化反应装置进行焦油催化裂解，将焦油催化反应装置催化裂解后的可燃气进行净化；向位于下吸式固定床气化炉的其它燃气出口通入再生气体对与所述其他燃气出口连通的焦油催化反应装置中的催化剂进行再生，在催化剂再生过程中被利用的再生气体及催化剂再生产生的气体经过下吸式固定床气化炉高温碳层后从燃气出口之一流出后进行净化，当燃气出口之一的催化剂达到使用寿命后，通过对燃气出口之一和其他燃气出口气体流向进行切换，实现焦油裂解及催化剂再生功能的切换。
2.根据权利要求1所述的生物质低焦油气化的方法，其特征在于，步骤(2)中所述进入焦油催化反应装置的可燃气温度为650℃～750℃。
3.根据权利要求1所述的生物质低焦油气化的方法，其特征在于，步骤(2)中所述焦油催化反应装置的催化剂骨架为多孔结构。
4.根据权利要求3所述的生物质低焦油气化的方法，其特征在于，步骤(2)中所述多孔结构为蜂窝状，所述多孔结构由二氧化硅材料制成。
5.根据权利要求1所述的生物质低焦油气化的方法，其特征在于，步骤(2)中所述再生气体选自水蒸气、空气或富氧空气中的一种或几种。
6.一种实现权利要求1所述的生物质低焦油气化的方法的装置，包括下吸式固定床气化炉，其特征在于，所述下吸式固定床气化炉下部设置有至少两个燃气出口，所述燃气出口分别连通一个焦油催化反应装置，所述焦油催化反应装置上依次设置有再生气体进口和气体流向控制装置，所述气体流向控制装置设置于燃气管路上。
7.根据权利要求6所述的实现生物质低焦油气化的方法的装置，其特征在于，所述燃气出口前部设置有挡板。
8.根据权利要求7所述的实现生物质低焦油气化的方法的装置，其特征在于，所述燃气出口为两个或者多个对称布置。
9.根据权利要求7所述的实现生物质低焦油气化的方法的装置，其特征在于，所述气化炉下部为还原段，所述挡板高度与所述还原段高度相同。
10.根据权利要求6所述的实现生物质低焦油气化的方法的装置，其特征在于，还包括与所述气体流向控制装置连接的旋风除尘器。
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