CN106590751B - 一种实现焦油自消化的生物质气化方法 - Google Patents

一种实现焦油自消化的生物质气化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现焦油自消化的生物质气化方法，将生物质原料在上吸式气化炉热解气化制备的含焦油燃气经间接冷凝后得到的含重焦油废水乳化后在上吸式气化炉上部与生物质原料进行混合，实现将焦油送回气化炉二次气化，本发明工艺简单、产气洁净、能耗低、气化效率高，有效消耗含焦油废水，减少炉内结渣，延长检修周期，气化炉运行更为稳定可靠。

Description

一种实现焦油自消化的生物质气化方法
技术领域：
本发明涉及生物质能源技术领域，具体涉及一种实现焦油自消化的生物质气化方法。
背景技术：
生物质气化将生物质燃料转化为燃气，规模灵活且用途广泛，是生物质能分布式利用的有效途径。生物质进行气化利用时，还存在气化效率偏低和燃气焦油含量高等问题，其中又以焦油问题最为突出，可导致管道和下游设备结垢、堵塞和腐蚀，是限制气化技术发展的瓶颈。
常用的焦油脱除方法包括热裂解、催化裂解和水洗等。热裂解通常在1000℃以上的高温下进行，实现比较困难或需要大量能耗；催化裂解利用催化剂的作用，把焦油裂解的温度大大降低，并提高裂解的效率，但还存在催化剂积炭失活或成本太高的问题；常规的水洗只是把焦油从燃气中分离出来，然后作为废物排放，既浪费了焦油本身的能量，又会产生大量的废水污染。
发明内容：
本发明的目的是提供一种实现焦油自消化的生物质气化方法，工艺简单、产气洁净、能耗低、气化效率高，有效消耗含焦油废水，减少炉内结渣，延长检修周期，气化炉运行更为稳定可靠。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种实现焦油自消化的生物质气化方法，该方法包括以下步骤：
a.生物质原料在上吸式气化炉热解气化制备含焦油燃气；所述上吸式气化炉由下至上依次分为氧化层、还原层、热解层、烘干层和混合区；所述上吸式气化炉上部设有燃气出口和进料口，顶部设有乳化后含重焦油废水入口，底部设有空气入口；生物质原料由进料口进入上吸式气化炉进行热解气化，空气从上吸式气化炉底部鼓入，产生的含焦油燃气从燃气出口排出；
b.步骤a得到的含焦油燃气经间接冷却器冷凝将焦油与燃气分离，得到的含焦油废水静置分层，上层为含轻焦油废水，下层为含重焦油废水；
c.步骤b冷凝后得到的燃气由电捕焦进一步净化，残存焦油从燃气中脱除，得到含重焦油废水；
d.步骤b得到的含重焦油废水和步骤c得到的含重焦油废水利用乳化罐乳化后均匀喷入上吸式气化炉顶部的乳化后含重焦油废水入口，与上吸式气化炉上部进料口加入的生物质原料均匀混合，共同参与后续气化反应；
e.将步骤b冷凝得到的含轻焦油废水与加压水蒸汽混合后经加热雾化均匀喷入上吸式气化炉下部还原层和氧化层交界处，轻焦油在高温环境下发生氧化裂解和重整反应，水蒸气同时参与氧化层的焦炭气化还原反应和还原层的焦油的重整反应。
步骤b所述间接冷却器顶部设有冷却水管。
步骤d所述后续气化反应为：生物质原料先在上吸式气化炉顶部混合区与乳化后的含重焦油废水混合，在烘干层遇到下方上升的热气流，脱除水分的同时将气流里的部分焦油冷却截留；脱除水分的原料下移至热解层进一步受热发生热解分解成挥发分和固体焦炭，挥发分被气流带到上方；固体焦炭依次进入下方的还原层和氧化层；同时空气从上吸式气化炉底部进入氧化层(即燃烧区)，与固体焦炭发生氧化反应，释放出大量的热量；氧化产物与焦炭在还原层发生还原反应生成一氧化碳、氢气和甲烷等可燃气体，向上与热解分解出的挥发分混合；含轻焦油废水与加压水蒸汽混合后经加热雾化从还原层和氧化层交界处均匀喷入，一方面轻焦油在高温环境下发生氧化裂解和重整反应，另一方面水蒸汽同时参与氧化层的焦炭的气化还原反应和还原层的焦油的重整反应；还原层产生的燃气与轻焦油氧化裂解重整得到的气体，向上进入热解层，与热解分解的挥发分一起进入混合区，从燃气出口排出。
本发明具有如下有益效果：
1)含焦油燃气经间接冷凝后得到的含焦油废水被送回气化炉，避免了焦油所携带能量的损失。
2)本发明利用了上吸式气化炉上部温度低的特点，将气化炉出口的含焦油燃气经间接冷凝后得到的含重焦油废水乳化后喷入气化炉上部与生物质原料进行混合，使气化炉燃气出口的燃气的温度至100℃以下，同时使燃气中凝结温度高于100℃的焦油组分冷凝并吸附到生物质原料的表面，极大地降低了燃气带走的焦油和显热损失。
2)经过加压水蒸气加热雾化的含轻焦油废水喷入气化炉，轻焦油在高温环境下发生氧化裂解和重整反应，水蒸气的存在有利于焦炭的气化反应和焦油的重整反应，同时降低气化炉底部温度、抑制结渣现象的发生。
3)上吸式气化炉底部的焦炭同时与水蒸气和空气发生气化反应，焦炭反应活性和反应速度提升，碳转化率增大，排出的灰渣中碳含量降低。
总之，本发明工艺简单、产气洁净、有效消耗洗焦废水、气化效率高，炉内结渣大幅减少，检修周期延长，气化炉运行更为稳定可靠。
附图说明：
图1是本发明的实现焦油自消化的生物质气化装置的结构示意图；
其中，1、空气入口，2、氧化层，3、还原层，4、热解层，5、烘干层，6、混合区，7、进料口；8、乳化后含重焦油废水入口；9、燃气出口；10、冷却水；11、间接冷却器；12、电捕焦；13、乳化罐；14、含重焦油废水；15、含轻焦油废水；16、加压水蒸气；17、雾化器；18、雾化后含轻焦油废水，19、上吸式气化炉。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：一种实现焦油自消化的生物质气化方法
利用如图1所示的生物质气化装置，该方法包括以下步骤：
a.生物质原料在上吸式气化炉19热解气化制备含焦油燃气；所述上吸式气化炉19由下至上依次分为氧化层2、还原层3、热解层4、烘干层5和混合区6；所述上吸式气化炉19上部设有燃气出口9和进料口7，顶部设有乳化后含重焦油废水入口8，底部设有空气入口1；生物质原料由进料口7进入上吸式气化炉19进行热解气化，空气从上吸式气化炉19底部鼓入，产生的含焦油燃气从燃气出口9排出；
b.步骤a得到的含焦油燃气从燃气出口9排出进入间接冷却器11，经冷凝将焦油与燃气分离，得到的含焦油废水静置自然分层，上层为含轻焦油废水15，下层为含重焦油废水14；
c.步骤b冷凝后得到的燃气从间接冷却器11排出进入电捕焦12由电捕焦12进一步净化，残存焦油从燃气中脱除，得到部分含重焦油废水14；
d.步骤b得到的含重焦油废水和步骤c得到的含重焦油废水利用乳化罐13乳化后均匀喷入上吸式气化炉19顶部的乳化后含重焦油废水入口8，与上吸式气化炉19上部进料口7加入的生物质原料均匀混合，在烘干层5遇到下方上升的热气流，脱除水分的同时将气流里的部分焦油冷却截留；脱除水分的原料下移至热解层4进一步受热发生热解分解成挥发分和固体焦炭，挥发分被气流带到上方混合区6；固体焦炭依次进入下方的还原层3和氧化层2；同时空气从上吸式气化炉19底部进入氧化层2(即燃烧区)，与固体焦炭发生氧化反应，释放出大量的热量；氧化产物与焦炭在还原层发生还原反应生成一氧化碳、氢气和甲烷等可燃气体，向上与热解析出的挥发分混合；间接冷却器11排出的含轻焦油废水15与加压水蒸汽16在雾化器17混合后经加热雾化从还原层3和氧化层2交界处均匀喷入，一方面轻焦油在高温环境下发生氧化裂解和重整反应，另一方面水蒸汽同时参与氧化层2的焦炭的气化还原反应和还原层3的焦油的重整反应；
e.将步骤b冷凝得到的含轻焦油废水15与加压水蒸汽16混合后经雾化器17加热雾化均匀喷入上吸式气化炉19下部还原层3和氧化层2交界处，轻焦油在高温环境下发生氧化裂解和重整反应，水蒸气同时参与氧化层2的焦炭气化还原反应和还原层3的焦油的重整反应；还原层3产生的燃气与轻焦油氧化裂解重整得到的气体，向上进入热解层4，与热解分解的挥发分一起进入混合区6，从燃气出口9排出。
步骤b所述间接冷却器顶部设有冷却水管。
所述气化炉19生物质处理量1.5t/h，运行负荷1t/h，混合区6高度不低于2.0m，烘干层5、热解层4的高度均不低于4.0m，氧化层2、还原层3的高度均不低于1.0m。顶部含重焦油废水喷入量200kg/h，所述含重焦油废水的焦油浓度为15wt％(即焦油与水的质量比为15:85)，底部通过空气入口1通入空气量约1000Nm3/h，加压水蒸气16通入量约20kg/h，所述饱和水蒸气参数为0.25～0.4MPa、127～143℃。在此运行条件下，含重质焦油水溶液与生物质原料在上吸式气化炉上部混合区6停留时间1.0～1.5h，在烘干层5停留1.0～1.5h，在热解层4停留1.0h，在还原层3停留时间1.0h，在氧化层2停留时间约0.5h。燃气出口温度<100℃，出口燃气焦油含量30mg/Nm3，燃气经间接冷凝和电捕焦分离后焦油含量为20mg/Nm3，灰渣碳含量低于5％，气化效率约85％。
未采用本发明的一般上吸式固定床气化炉的燃气出口温度一般高于200℃，气化效率一般低于75％。

Claims (3)

1.一种实现焦油自消化的生物质气化方法，上吸式气化炉由下至上依次分为氧化层、还原层、热解层、烘干层，其特征在于，所述上吸式气化炉的烘干层上面还设有混合区，所述上吸式气化炉上部设有燃气出口和进料口，顶部设有乳化后含重焦油废水入口，底部设有空气入口；该方法包括以下步骤：
a.生物质原料在上吸式气化炉热解气化制备含焦油燃气；生物质原料由进料口进入上吸式气化炉进行热解气化，空气从上吸式气化炉底部鼓入，产生的含焦油燃气从燃气出口排出；
b.步骤a得到的含焦油燃气经间接冷却器冷凝将焦油与燃气分离，得到的含焦油废水静置分层，上层为含轻焦油废水，下层为含重焦油废水；
c.步骤b冷凝后得到的燃气由电捕焦进一步净化，残存焦油从燃气中脱除，得到含重焦油废水；
d.步骤b得到的含重焦油废水和步骤c得到的含重焦油废水利用乳化罐乳化后均匀喷入上吸式气化炉顶部的乳化后含重焦油废水入口，与上吸式气化炉上部进料口加入的生物质原料均匀混合，共同参与后续气化反应；
e.将步骤b冷凝得到的含轻焦油废水与加压水蒸汽混合后经加热雾化均匀喷入上吸式气化炉下部还原层和氧化层交界处，轻焦油在高温环境下发生氧化裂解和重整反应，水蒸气同时参与氧化层的焦炭气化还原反应和还原层的焦油的重整反应。
2.根据权利要求1所述的实现焦油自消化的生物质气化方法，其特征在于，步骤d所述后续气化反应为：生物质原料先在上吸式气化炉顶部混合区与乳化后的含重焦油废水混合，在烘干层遇到下方上升的热气流，脱除水分的同时将气流里的部分焦油冷却截留；脱除水分的原料下移至热解层进一步受热发生热解分解成挥发分和固体焦炭，挥发分被气流带到上方；固体焦炭依次进入下方的还原层和氧化层；同时空气从上吸式气化炉底部进入氧化层，与固体焦炭发生氧化反应，释放出大量的热量；氧化产物与焦炭在还原层发生还原反应生成一氧化碳、氢气和甲烷，向上与热解分解出的挥发分混合；含轻焦油废水与加压水蒸汽混合后经加热雾化从还原层和氧化层交界处均匀喷入，一方面轻焦油在高温环境下发生氧化裂解和重整反应，另一方面水蒸汽同时参与氧化层的焦炭的气化还原反应和还原层的焦油的重整反应；还原层产生的燃气与轻焦油氧化裂解重整得到的气体，向上进入热解层，与热解分解的挥发分一起进入混合区，从燃气出口排出。
3.根据权利要求1或2所述的实现焦油自消化的生物质气化方法，其特征在于，步骤b所述间接冷却器顶部设有冷却水管。
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