CN107286991B - 半焦气化制备合成气的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半焦气化制备合成气的方法及系统。方法中，载氧体颗粒在水蒸气氛围下进行释氧反应，生成包含氧气和水蒸气的混合气以及释氧后的载氧体颗粒；混合气与半焦进行气化反应，生成粗合成气；去除粗合成气中的水蒸气和灰分，形成合成气；释氧后的载氧体颗粒与含氧气体进行氧化反应，生成被氧化的载氧体颗粒和贫氧气体，被氧化后的载氧体颗粒再次在水蒸气氛围下进行释氧反应。上述系统包括释氧反应器、分离设备、气化反应器、粗合成气净化设备、氧化反应器、换热器、蒸汽管网、储气装置、给料装置。上述方法及系统既能获得可燃气体浓度高、热值高的产气，又能降低成本和能耗。

Description

半焦气化制备合成气的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种半焦气化制备合成气的方法及系统。
背景技术
随着国家对节能减排工作的重视，能源高效转化与洁净利用成为当今研究热点，其中固体燃料的气化可大幅降低其燃烧过程的污染物排放，提高燃烧效率具有广阔的应用前景。用于半焦气化的气化剂包括纯氧、空气、水蒸气、二氧化碳等，纯氧气化产气中可燃气体浓度高、产气热值高，但是纯氧制备的高成本、高能耗，限制了纯氧气化的工业应用。由此，亟需一种既能获得可燃气体浓度高、热值高的产气，又能降低成本和能耗的半焦气化制备合成气的方法及系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种既能获得可燃气体浓度高、热值高的产气，又能降低成本和能耗的半焦气化制备合成气的方法及系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明一方面提供一种半焦气化制备合成气的方法，包括如下步骤：S1、载氧体颗粒在水蒸气氛围下进行释氧反应，生成包含氧气和水蒸气的混合气以及释氧后的载氧体颗粒；S2、混合气与半焦进行气化反应，生成粗合成气；S3、去除粗合成气中的水蒸气和灰分，形成合成气；S4、释氧后的载氧体颗粒与含氧气体进行氧化反应，生成被氧化的载氧体颗粒和贫氧气体，被氧化后的载氧体颗粒送入步骤S1中使用。
根据本发明，在步骤S3中，将粗合成气与冷凝介质换热，粗合成气中的水蒸气变为液态水脱离粗合成气；该方法还包括如下步骤：S5、步骤S3生成的液态水与步骤S4生成的贫氧气体进行换热，形成水蒸气，将所形成的水蒸气的一部分直接送入步骤S1中使用，另一部分送入蒸汽管网并可随时从蒸汽管网获取水蒸气送入步骤S1中使用，以控制步骤S1中使用的水蒸气的量。
根据本发明，在步骤S5中，还同时将步骤S3生成的液态水与工业烟气换热。
根据本发明，在步骤S3中，冷凝介质为空气，空气与水蒸气换热形成热空气，热空气送入步骤S4中作为含氧气体使用。
根据本发明，在步骤S1中，载氧体颗粒为铜基载氧体颗粒、锰基载氧体颗粒、钴基载氧体颗粒、铜锰复合载氧体颗粒或类钙钛矿载氧体颗粒，载氧体颗粒的粒径为200-1000μm，释氧反应的反应温度为300-1100℃；在步骤S2中，半焦为煤焦、生物质焦、煅后石油焦和垃圾焦中的一种或多种组合，半焦呈颗粒状，粒径为50-150μm，气化反应的反应温度为750-1200℃；在步骤S4中，含氧气体中氧气的体积浓度为5％-21％，氧化反应的反应温度为200-1000℃。
本发明另一方面提供一种半焦气化制备合成气的系统，包括：释氧反应器，释氧反应器能够供载氧体颗粒与水蒸气进行释氧反应，生成包含氧气和水蒸气的混合气以及释氧后的载氧体颗粒；气化反应器，气化反应器能够供混合气与半焦在其中进行气化反应，生成粗合成气；粗合成气净化设备，粗合成气净化设备能够去除粗合成气中的水蒸气和灰分，生成合成气；氧化反应器，氧化反应器能够供释氧后的载氧体颗粒与含氧气体在其中进行氧化反应，生成被氧化的载氧体颗粒和贫氧气体；其中，释氧反应器能够接收氧化反应器中生成的氧化后的载氧体颗粒。
根据本发明，粗合成气净化设备包括冷凝器，冷凝器能够将粗合成气中的水蒸气冷凝成液态水脱除，以去除粗合成气中的水蒸气。
根据本发明，粗合成气净化设备还包括除尘器，冷凝器与气化反应器连通以接收粗合成气，除尘器与冷凝器连通以接收去除水蒸气后的粗合成气并去除其中的灰分，形成合成气并输出。
根据本发明，还包括：换热器，换热器能够接收液态水和贫氧气体，并供二者在其中换热形成水蒸气并输出，释氧反应器与换热器连通，以接收换热器输出的水蒸气；蒸汽管网，蒸汽管网可选择地与换热器连通以接收换热器输出的水蒸气，并且蒸汽管网可选择地与释氧反应器连通以能够随时向释氧反应器中输送水蒸气。
根据本发明，释氧反应器与换热器通过第一管线连通，蒸汽管网通过第二管线与第一管线连通，在第二管线上设有控制阀，控制阀至少能够在使第二管线沿从第一管线朝向蒸汽管网的方向单向导通的储存状态和使第二管线沿从蒸汽管网朝向第一管线的方向单向导通的释放状态之间切换。
根据本发明，还包括：供热管线，供热管线上设有控制该供热管线通断的阀门，供热管线与向换热器输送贫氧气体的管线连通或者二者并联连接至换热器。
根据本发明，冷凝器与氧化反应器连通，以用于供冷凝器中与水蒸气换热形成的热空气送入氧化反应器中使用。
根据本发明，还包括：分离设备，分离设备与释氧反应器、气化反应器和氧化反应器连通，分离设备能够接收混合气以及释氧后的载氧体颗粒，并将二者分离开且分别送至气化反应器和氧化反应器。
根据本发明，氧化反应器为流化床氧化反应器或移动床氧化反应器；其中，氧化反应器为流化床氧化反应器时，系统还包括分离器，分离器与氧化反应器和释氧反应器连通，将氧化反应器中生成的氧化后的载氧体颗粒与贫氧气体分离并将氧化后的载氧体颗粒送至释氧反应器；其中，氧化反应器为移动床氧化反应器时，氧化反应器与释氧反应器连通，直接将氧化后的载氧体颗粒送至释氧反应器。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
在本发明提供的半焦气化制备合成气的方法中，利用载氧体颗粒在水蒸气的作用下发生释氧反应，生成氧气和水蒸气的混合气，释氧后的载氧体颗粒再与含氧气体反应，实现氧化再生，由此载氧体颗粒在释氧和得氧之间循环，实现连续的制氧过程。这种制氧过程成本低、能耗低。并且，以生成的氧气和水蒸气作为气化剂与半焦进行气化反应，因合成气中无氮气，所以生成的合成气中可燃气体浓度高、合成气热值高。
在本发明提供的半焦气化制备合成气的系统中，利用载氧体颗粒在水蒸气的作用下在释氧反应器中发生释氧反应，生成氧气和水蒸气的混合气，释氧后的载氧体颗粒再在氧化反应器中与含氧气体反应，实现氧化再生，由此载氧体颗粒在释氧反应器和氧化反应器之间循环，实现连续的制氧过程。这种制氧过程成本低、能耗低。并且，以生成的氧气和水蒸气作为气化剂在气化反应器中与半焦进行气化反应，因合成气中无氮气，所以生成的合成气中可燃气体浓度高、合成气热值高。
附图说明
图1为具体实施方式提供的半焦气化制备合成气的系统的结构示意图。
【附图标记】
1：释氧反应器；2：氧化反应器；3：分离设备；4：换热器；5：给料装置；6：气化反应器；7：冷凝器；8：除尘器；9：储气装置；10：蒸汽管网；11：第二管线；12：控制阀；13：阀门；14：第一管线。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所涉及的“上”、“下”等方位术语，以图1中示出的定向为参考。
实施例一
参照图1，本实施例提供一种半焦气化制备合成气的系统，该系统包括释氧反应器1、分离设备3、气化反应器6、粗合成气净化设备(参照图1中的标记7和8)、氧化反应器2、换热器4、蒸汽管网10、储气装置9、给料装置5。
释氧反应器1能够供载氧体颗粒在高温下并在水蒸气氛围下进行释氧反应，生成包含氧气和水蒸气的混合气、以及释氧后的载氧体颗粒，并将混合气和释氧后的载氧体颗粒一起输出。在释氧反应器1中所进行的释氧反应主要为：
MexOy+H2O(g)＝MexOy-1+0.5O2(g)+H2O(g)
分离设备3与释氧反应器1连通，分离设备3能够接收包含氧气和水蒸气的混合气以及释氧后的载氧体颗粒，并将混合气和释氧后的载氧体颗粒分离开且分别输出。
气化反应器6与分离设备3连通以能够接收包含氧气和水蒸气的混合气，气化反应器6与给料装置5连通以用于接收给料装置5供应的半焦。并且，气化反应器6供混合气与半焦在其中、在高温下进行气化反应，生成粗合成气，粗合成气的主要成分包括CO、CH4、H2、CO2。在气化反应器6中进行的气化反应主要包括：
2C+O2(g)＝2CO(g)；
C+O2(g)＝CO2(g)；
C+CO2(g)＝2CO(g)；
C+H2O＝CO(g)+H2(g)；
CO(g)+H2O(g)＝H2(g)+CO2(g)；
C+2H2(g)＝CH4(g)；
CH4(g)+H2O(g)＝3H2(g)+CO(g)。
粗合成气净化设备与气化反应器连通，粗合成气净化设备能够接收气化反应器排出的粗合成气并去除粗合成气中的水蒸气和灰分，生成合成气并输出。在本实施例中，粗合成气净化设备包括冷凝器7和除尘器8，冷凝器7与气化反应器6连通，冷凝器7能够接收粗合成气和冷凝介质，供粗合成气和冷凝介质在其中换热，冷凝介质从粗合成气中吸热，使粗合成气中的水蒸气冷凝成液态水(结合图1，在本实施例中也即冷凝水)与粗合成气分离脱除，进而去除粗合成气中的水蒸气。优选地，冷凝介质为空气，空气与水蒸气换热形成热空气。除尘器8与冷凝器7连通，除尘器8能够接收去除水蒸气后的粗合成气，并去除其中的灰分，形成合成气(也即干气)并输出。
储气装置9与粗合成气净化设备中的除尘器8连通，以能够接收除尘器8输出的合成气并储存。
氧化反应器2与分离设备3连通，氧化反应器2能够接收释氧后的载氧体颗粒，并供释氧后的载氧体颗粒与含氧气体在其中、在高温下进行氧化反应，生成被氧化的载氧体颗粒(“被氧化的载氧体颗粒”指释氧后的载氧体颗粒重新被氧化后)和贫氧气体，氧化反应器2还与释氧反应器1连通以将氧化后的载氧体颗粒(“氧化后的载氧体颗粒”指释氧后的载氧体颗粒重新被氧化)直接送入释氧反应器1中再次使用。由此，载氧体颗粒在整个系统中循环使用。在氧化反应器2中进行的氧化反应主要为：
MexOy-1+0.5O2(g)＝MexOy
粗合成气净化设备中的冷凝器7与氧化反应器2连通，以将冷凝器7中形成的热空气送入氧化反应器2中作为含氧气体使用。
换热器4与冷凝器7和氧化反应器2连通，换热器4能够接收从冷凝器7排出的液态水和从氧化反应器2排出的贫氧气体，并供液态水和贫氧气体在其中换热，液态水从贫氧气体中获得热量形成水蒸气并输出，释氧反应器1与换热器4连通，以接收换热器4输出的水蒸气。
蒸汽管网10可选择地与换热器4连通以接收水蒸气，并且蒸汽管网10可选择地与释氧反应器1连通以能够随时向释氧反应器1中输送水蒸气。由此，换热器4形成的水蒸气可以一部分直接送入释氧反应器1用于反应，另一部分送入蒸汽管网10中，待需要提高向释氧反应器1的蒸汽供应量时从蒸汽管网10中获取水蒸气对此时换热器4产生的水蒸气做补充。
在本实施例中还设有供热管线，供热管线与换热器4连通，用于供外来工业烟气进入换热器4，为液态水变为水蒸气贡献热量，供热管线上设有控制该供热管线通断的阀门13。图1中示出的为供热管线与氧化反应器2向换热器4输送贫氧气体的管线连通，工业烟气与贫氧气体混合后一起进入换热器4。当然，本发明不局限于此，供热管线与输送贫氧气体的管线也可分别与换热器连通形成二者并联的结构。
综上，利用载氧体颗粒在水蒸气的作用下在释氧反应器1中发生释氧反应，生成氧气和水蒸气的混合气，释氧后的载氧体颗粒再在氧化反应器2中与含氧气体反应，实现氧化再生，由此载氧体颗粒在释氧反应器1和氧化反应器2之间循环，实现连续的制氧过程。这种制氧过程成本低、能耗低。并且，以生成的氧气和水蒸气作为气化剂在气化反应器6中与半焦进行气化反应，因合成气中无氮气，所以生成的合成气中可燃气体浓度高、合成气热值高。
并且，通过控制释氧反应器1中水蒸气的注入量，可控制释氧反应获得的水蒸气和氧气的比例，进而调控合成气中H2和CO的比例，为最终获得的合成气用于合成乙醇、甲醇等多种化学品提供不同要求的H2和CO的比例。本系统能够将一部分换热器4获得的水蒸气送入蒸汽管网，也可随时从蒸汽管网获取水蒸气送入释氧反应器，以调节释氧反应得到的水蒸气和氧气的含量比，进而可以调整合成气中的H2和CO的比例。由此，本系统能够适用于不同的目标化学品的制备并且实现这种适用的方法极为简便，大大节约了成本，提高了生产效率。
并且，本实施例的系统实现了热量在气化反应器6、释氧反应器1和氧化反应器2之间的传递，整体系统能量利用效率更高。具体而言，贫氧气体带有的热量用于生成水蒸气供应给释氧反应，释氧后的载氧体颗粒又将热量带回至氧化反应器2用于生成贫氧气体，在载氧体颗粒循环使用的同时，也形成了能量的循环，降低了能耗，能量利用率高。进一步，释氧过程生成的混合气在参与气化反应生成粗合成气后，粗合成气的热量为空气加热，形成的热空气送入氧化反应器2参加氧化反应。综上，从整体而言，整体系统的热量在释氧反应、气化反应、空气反应之间循环利用，降低了能耗，能量利用率高。
并且，冷凝器7中产生的液态水经过换热形成水蒸气作为释氧反应器1的载气，整个系统实现废水的零排放，更加环保。此外，降温后的贫氧气体排入大气，也有利于环保。
并且，载氧体颗粒在生产过程中循环利用，节约了原料，载氧体使用效率高。
综合上述描述，本实施例提供的系统，工艺流程简单，创新性将释氧反应生成的氧气和水蒸气混合气用做半焦气化的气化剂，制备高热值合成气，各反应器等部件相互耦合实现了热量以及水资源的循环利用，具有重要的节能减排现实意义。
进一步，在本实施例中，释氧反应器1为流化床释氧反应器。释氧反应器1能够承受的反应温度至少为300-1100℃。载氧体粒径为200-1000μm，载氧体颗粒根据释氧温度不同可为高温载氧体颗粒、中温载氧体颗粒或低温载氧体颗粒，其中，高温载氧体颗粒(释氧温度为900-1100℃)可为：铜基载氧体颗粒、钴基载氧体颗粒；中温载氧体颗粒(释氧温度600-900℃)可为：锰基载氧体颗粒、铜锰复合载氧体颗粒；低温载氧体颗粒(释氧温度300-600℃)可为：类钙钛矿型载氧体颗粒；当然，载氧体颗粒还可为矿石、冶金渣、矿渣等工业废料。如图1，释氧反应器1的底端设有水蒸气入口，用于供水蒸气进入释氧反应器1；释氧反应器1的顶端设有混合物出口，因载氧体颗粒粒径小，会夹杂在混合气中形成混合物在释氧反应器1中一起向上运动，从混合物出口排出；释氧反应器1的底部侧壁上设有载氧体入口，以用于补给载氧体颗粒。当然，本发明不局限于此，在其他实施例中，释氧反应器1可以选择现有任何类型，只要能够供载氧体颗粒和水蒸气在其中反应生成包含水蒸气和氧气的混合气以及释氧后的载氧体颗粒即可。
进一步，在本实施例中，分离设备3为旋风分离器，其侧壁上设有混合物入口，该混合物入口与释氧反应器1的混合物出口连通，以接收混合气与释氧后的载氧体颗粒；分离设备3的顶部设有混合气出口，供混合气输出；分离设备3的底部设有载氧体出口，供释氧后的载氧体颗粒输出。
进一步，在本实施例中，气化反应器6为流化床气化反应器，其能够承受的气化温度至少为750-1200℃。如图1，该气化反应器6的底部设有混合气入口，该混合气入口与分离设备3的混合气出口连通，以接收氧气和水蒸气的混合气；该气化反应器6的侧壁上设有半焦入口，用于注入半焦；气化反应器6的侧壁上还设有粗合成气出口，用于排出粗合成气，该粗合成气出口与上述半焦入口相反设置。当然，本发明不局限于此，在其他实施例中，气化反应器6可以选择现有任何类型，只要能够供混合气和半焦在其中反应生成带有水蒸气和灰分的粗合成气即可。
进一步，在本实施例中，给料装置5为螺旋给料机，其出料口与气化反应器6的半焦入口连通，以输出半焦。半焦呈颗粒状，颗粒直径为50-150μm，类型包括但不限于：煤焦、煅后石油焦、生物质焦和垃圾焦中的一种或多种组合。设置自动给料装置5可提高整体系统的自动化程度，保证半焦持续均匀地加入气化反应器6。
进一步，在本实施例中，冷凝器7的侧壁具有粗合成入口和粗合成气出口，该粗合成入口与气化反应器6的粗合成出口连通，以接收粗合成气，粗合成气出口供脱除水蒸气的粗合成气排出；冷凝器7的顶部设有冷凝介质入口，用于注入冷凝介质(在本实施例中为空气)；冷凝器7的底部设有液态水出口和冷凝介质出口，液态水出口供生成的液态水排出，冷凝介质出口供换热后的冷凝介质排出。
进一步，在本实施例中，除尘器8为布袋除尘器8，其具有粗合成气入口和合成气出口，该粗合成气入口与冷凝器7的粗合成气出口连通，供去除水蒸气后的粗合成气进入除尘器8，合成气出口供合成气排出。
综上，在本实施例中，冷凝器7的粗合成气入口作为粗合成气净化设备的粗合成气入口，除尘器8的合成气出口作为粗合成气净化设备的合成气出口。
当然，本发明的粗合成气净化设备不局限于上述先冷凝器7后除尘器8的方案，例如，冷凝器7也可位于除尘器8的下游而先进行灰分的脱除、再进行水蒸气的脱除，此时除尘器8可选择旋风分离器。具体地，在此情况下，粗合成气净化设备包括旋风分离器(即除尘器)和冷凝器；旋风分离器具有粗合成气入口、粗合成气出口和灰分出口，旋风分离器的粗合成气入口作为粗合成气净化设备的粗合成气入口；冷凝器具有粗合成气入口、冷凝介质入口、冷凝介质出口、液态水出口和合成气出口，冷凝器的粗合成气入口与旋风分离器的粗合成气出口连通，冷凝器的合成气出口作为粗合成气净化设备的合成气出口。粗合成气进入旋风分离器脱除灰分，然后进入冷凝器脱除水蒸气。
当然，粗合成气净化设备可以是任何可以脱除粗合成气中的灰分和水蒸气的一个分离设备或多个分离设备的组合，并且灰分和水蒸气的脱除顺序不限制。其中优选地，粗合成气净化设备以将水蒸气转化为液态水的方式将水蒸气脱除，以循环利用液态水，当然，在其他实施例中，也可采用吸附的方式去除水蒸气。
进一步，在本实施例中，储气装置9为储气柜，其包括合成气入口，该合成气入口与除尘器8的合成气出口连通，以接收合成气。
进一步，在本实施例中，氧化反应器2为移动床氧化反应器，氧化反应器2可承受的反应温度为200-1000℃。氧化反应器2的顶部具有载氧体入口，该载氧体入口与分离设备3的载氧体出口连通，供释氧后的载氧体颗粒进入；氧化反应器2的底部设有含氧气体入口，供含氧气体进入，含氧气体中氧气的体积浓度为5-21％，优选空气或含氧的工业烟气，冷凝器7的冷凝介质出口与氧化反应器2的含氧气体入口连通，以将冷凝器7中产生的热空气作为含氧气体送入氧化反应器2中使用；氧化反应器2的上部侧壁设有贫氧气体出口，供贫氧气体输出；氧化反应器2的下部侧壁设有载氧体出口，该载氧体出口与释氧反应器1的载氧体入口连通，以将氧化后的载氧体颗粒送入释氧反应器1重复利用，优选地，氧化反应器2的载氧体出口高于释氧反应器1的载氧体入口，二者采用倾斜直管连接，以有利于载氧体颗粒顺利进入释氧反应器1中。
当然，本发明不局限于此，氧化反应器2的类型可以是任一现有的氧化反应器2的类型，只要能够供释氧后的载氧体颗粒和含氧气体在其中进行氧化反应即可。例如，氧化反应器2可为流化床氧化反应器，该氧化反应器2的顶端设置载氧体入口，该载氧体入口与分离设备3的载氧体出口连通，供释氧后的载氧体颗粒进入；氧化反应器2的底端设有含氧气体入口，供含氧气体进入；氧化反应器2的上部侧壁设有气固混合物出口，供贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒形成的气固混合物输出。此时，氧化反应器2中形成的贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒因氧化反应器2的自身结构原因而以混合物的形式排出氧化反应器2，此时采用分离器对贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒进行分离。分离器为气固分离器，优选为旋风分离器。分离器的侧壁上设有气固混合物入口，该气固混合物入口与氧化反应器2的气固混合物出口连通，以接收贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒形成的气固混合物；分离器的顶端设有贫氧气体出口，供分离出的贫氧气体排出；分离器的底端设有载氧体颗粒出口，该载氧体出口与释氧反应器1的载氧体入口连通，以将氧化后的载氧体颗粒送入至释氧反应器1中继续参加释氧反应。由此，分离器与氧化反应器2连通，以接收氧化反应器2输出的贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒，分离器将贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒分离并分别输出，其中，分离器与释氧反应器1连通以向其送入氧化后的载氧体颗粒。
进一步，在本实施例中，换热器4为余热锅炉，换热器4具有供热气体入口、废气出口、连通在供热气体入口和废气出口之间的第一流体通道、液态水入口、水蒸气出口、连通在液态水入口和水蒸气出口之间的第二流体通道，第一流体通道和第二流体通道之间能够进行热交换。供热气体入口与氧化反应器2的贫氧气体出口连通，以接收贫氧气体作为热源，贫氧气体沿第一流体通道流动至废气出口，废气出口可与大气连通、可与下游任意工艺设备连通、也可与存储器连通以储存贫氧气体(合理收集贫氧气体可用于化肥等生产)；液态水入口与冷凝器7的液态水出口连通，以接收液态水，液态水沿第二流体通道流动逐渐形成水蒸气，至水蒸气出口；水蒸气出口通过第一管线14与释氧反应器1的水蒸气入口连通，以直接将换热器4形成的水蒸气送入释氧反应器1。当然，如在设置分离器的情况下，供热气体入口与分离器的贫氧气体出口连通。
更进一步，图1中示出的为供热管线与换热器4的供热气体入口和氧化反应器2的贫氧气体出口/分离器的贫氧气体出口之间连接的管线连通，工业烟气与贫氧气体混合后一起进入换热器4的供热气体入口。当然，本发明不局限于此，供热管线与向换热器4输送贫氧气体的管线也可分别与供热气体入口连通形成二者并联的结构。
进一步，在本实施例中，释氧反应器1的水蒸气入口与换热器4的水蒸气出口通过第一管线14连通，蒸汽管网10通过第二管线11与第一管线14连通，在第二管线11上设有控制阀12，控制阀12至少能够在使第二管线11沿从第一管线14朝向蒸汽管网10的方向单向导通的储存状态和使第二管线11沿从蒸汽管网10朝向第一管线14的方向单向导通的释放状态之间切换。由此，当控制阀12处于储存状态时，从换热器4排出的水蒸气的一部分经过第一管线14直接进入释氧反应器1，另一部分经过第二管线11(包括经过调整控制阀12)进入蒸汽管网10；当控制阀12处于释放状态时，从换热器4排出的水蒸气全部直接进入释氧反应器1，同时蒸汽管网10中的水蒸气经过第二管线11(包括经过调整控制阀12)进入第一管线14并继而进入释氧反应器1。因此，可通过调整控制阀12的状态，调整是否从蒸汽管网10中向释氧反应器1中补给水蒸气，进而控制水蒸气的注入量，由此控制释氧反应获得的水蒸气和氧气的含量比。
在本实施例的系统中，上述的“连通”可以是两个部件直接连接而导通，也可以是两个部件通过管线连通，并且在管线上也可以设置其他部件，只要是能实现相应物料的传输即可。并且，本实施例中的分离器和分离设备等行使分离功能的装置的设置，均是基于其上游设备本身是否具有气固分离功能、固固分离、固液分离等分离功能而确定，因此，在执行主要工艺步骤的设备(气化、释氧、氧化设备)选用不同类型时，本领域技术人员可以删除上述实施例中的行使分离功能的装置，或在上述实施例中添加行使分离功能的装置。
实施例二
本实施例提供一种半焦气化制备合成气的方法，该方法应用上述实施例一的系统，包括如下步骤：
S1、载氧体颗粒在释氧反应器1中、在高温下并在水蒸气的氛围下进行释氧反应，生成包含氧气和水蒸气的混合气、以及释氧后的载氧体颗粒，混合气和释氧后的载氧体颗粒经过分离设备3分离后分别送入气化反应器6和氧化反应器2；
S2、混合气与半焦在气化反应器6中、在高温下进行气化反应，生成粗合成气；
S3、粗合成气依次经过冷凝器7和除尘器8去除粗合成气中的水蒸气和灰分，形成合成气，存储在储气装置9中，具体地，先在冷凝器7中将粗合成气与冷凝介质(在本实施例中为空气)换热，粗合成气中的水蒸气变为液态水脱离粗合成气并且空气变为热空气，然后再在除尘器8中去除粗合成气中的灰分，得到合成气；
S4、释氧后的载氧体颗粒与含氧气体(可采用步骤S3中形成的热空气)在氧化反应器2中、在高温下进行氧化反应，生成被氧化的载氧体颗粒和贫氧气体，被氧化后的载氧体颗粒送入步骤S1中使用。
S5，将步骤S3生成的液态水与步骤S4生成的贫氧气体和外来的工业烟气进行换热，形成水蒸气，将所形成的水蒸气的一部分直接送入步骤S1中使用，另一部分送入蒸汽管网并可随时从蒸汽管网中获取水蒸气送入步骤S1中使用，以控制步骤S1中使用的水蒸气的量。将用于换热后的贫氧气体排入大气。
可理解，上述步骤并非仅执行1次，而是在工艺过程中持续进行的。
优选地，在步骤S1中，载氧体颗粒为铜基载氧体颗粒、锰基载氧体颗粒、钴基载氧体颗粒、铜锰复合载氧体颗粒或类钙钛矿载氧体颗粒，载氧体颗粒还可为矿石、冶金渣、矿渣等工业废料。
优选地，在步骤S1中，载氧体颗粒的粒径为200-1000μm。
优选地，在步骤S1中，释氧反应的反应温度为300-1100℃。
优选地，在步骤S2中，半焦为煤焦、生物质焦、煅后石油焦和垃圾焦中的一种或多种组合，半焦呈颗粒状，粒径为50-150μm。
优选地，在步骤S2中，气化反应的反应温度为750-1200℃；
优选地，在步骤S4中，含氧气体中氧气的体积浓度为5％-21％，氧化反应的反应温度为200-1000℃。
综上，利用载氧体颗粒在水蒸气的作用下发生释氧反应，生成氧气和水蒸气的混合气，释氧后的载氧体颗粒再与含氧气体反应，实现氧化再生，由此载氧体颗粒在释氧反应和氧化反应之间循环，实现连续的制氧过程。这种制氧过程成本低、能耗低。并且，以生成的氧气和水蒸气作为气化剂在气化反应器6中与半焦进行气化反应，因合成气中无氮气，所以生成的合成气中可燃气体浓度高、合成气热值高。
并且，通过控制参与释氧反应的水蒸气的量，进而可控制释氧反应获得的水蒸气和氧气的含量比。因为最终获得的合成气可能是用于合成乙醇、甲醇等多种化学品，因此面对不同的目标化学品，合成气中的H2和CO的比例是可能有不同要求的，本方法能够通过先将一部分换热获得的水蒸气储存起来以作为调节参与释氧反应的水蒸气的量的方式，调整释氧反应得到的水蒸气和氧气的含量比，就等于可以调整合成气中的H2和CO的比例。由此，本方法能够适用于不同的目标化学品的制备并且实现这种适用的方法极为简便，大大节约了成本，提高了生产效率。
并且，本实施例的系统实现了热量在气化反应、释氧反应和氧化反应之间的传递，整体能量利用效率更高。具体而言，贫氧气体带有的热量用于生成水蒸气供应给释氧反应，释氧后的载氧体颗粒又将热量用于生成贫氧气体，在载氧体颗粒循环使用的同时，也形成了能量的循环，降低了能耗，能量利用率高。进一步，释氧过程生成的混合气在参与气化反应生成粗合成气后，粗合成气的热量为空气加热，形成的热空气再次参加氧化反应。综上，从整体而言，热量在释氧反应、气化反应、空气反应之间循环利用，降低了能耗，能量利用率高。
并且，液态水经过换热形成水蒸气作为释氧反应的载气，实现废水的零排放，更加环保。此外，降温后的贫氧气体排入大气，也有利于环保。
并且，载氧体颗粒在生产过程中循环利用，生产过程中无需外加，节约了原料，载氧体使用效率高。
综合上述描述，本实施例提供的方法，工艺流程简单，创新性将释氧反应生成的氧气和水蒸气混合气用做半焦气化的气化剂，制备高热值合成气，各反应相互耦合实现了热量以及水资源的循环利用，具有重要的节能减排现实意义。
当然，本发明的方法不局限于采用实施例一所示出的系统，只要能够完成上述步骤S1至步骤S5即可。并且，需强调的是，虽然在方法中以S1-S5进行了排序，但不构成对步骤先后顺序的限定，除非后步骤必须利用先步骤的产物或者本领域技术人员公知的需要先步骤先执行的情况，否则并不局限于上述实施例所列出的顺序，并且结合上述详细描述可知，一些步骤同时进行最为有益，例如步骤S2和步骤S4。
可理解，在上述实施例的系统和方法中，在生产刚刚启动时，向释氧反应器1中注入的载氧体颗粒和水蒸气、向氧化反应器2中注入的含氧气体(空气)均是系统外来的，但当生产稳定后，向释氧反应器1中注入的载氧体颗粒和水蒸气以及向氧化反应器2中注入的含氧气体(空气)均是在系统中循环使用的。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种半焦气化制备合成气的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、载氧体颗粒在水蒸气氛围下进行释氧反应，生成包含氧气和水蒸气的混合气以及释氧后的载氧体颗粒；
S2、所述混合气与半焦进行气化反应，生成粗合成气；
S3、去除所述粗合成气中的水蒸气和灰分，形成合成气；
S4、所述释氧后的载氧体颗粒与含氧气体进行氧化反应，生成被氧化的载氧体颗粒和贫氧气体，被氧化后的载氧体颗粒送入步骤S1中使用；
在步骤S3中，将所述粗合成气与冷凝介质换热，所述粗合成气中的水蒸气变为液态水脱离所述粗合成气；
在步骤S3中，所述冷凝介质为空气，所述空气与水蒸气换热形成热空气，所述热空气送入所述步骤S4中作为含氧气体使用；
该方法还包括如下步骤：
S5、步骤S3生成的液态水与步骤S4生成的贫氧气体进行换热，形成水蒸气，将所形成的水蒸气的一部分直接送入步骤S1中使用，另一部分送入蒸汽管网并可随时从蒸汽管网获取水蒸气送入步骤S1中使用，以控制步骤S1中使用的水蒸气的量。
2.根据权利要求1所述的半焦气化制备合成气的方法，其特征在于，
在步骤S5中，还同时将步骤S3生成的液态水与工业烟气换热。
3.根据权利要求1所述的半焦气化制备合成气的方法，其特征在于，
在步骤S1中，所述载氧体颗粒为铜基载氧体颗粒、锰基载氧体颗粒、钴基载氧体颗粒、铜锰复合载氧体颗粒或类钙钛矿载氧体颗粒，所述载氧体颗粒的粒径为200-1000μm，所述释氧反应的反应温度为300-1100℃；
在步骤S2中，所述半焦为煤焦、生物质焦、煅后石油焦和垃圾焦中的一种或多种组合，所述半焦呈颗粒状，粒径为50-150μm，所述气化反应的反应温度为750-1200℃；
在步骤S4中，所述含氧气体中氧气的体积浓度为5％-21％，氧化反应的反应温度为200-1000℃。
4.一种半焦气化制备合成气的系统，其特征在于，包括：
释氧反应器，所述释氧反应器能够供载氧体颗粒与水蒸气进行释氧反应，生成包含氧气和水蒸气的混合气以及释氧后的载氧体颗粒；
气化反应器，所述气化反应器能够供所述混合气与半焦在其中进行气化反应，生成粗合成气；
粗合成气净化设备，所述粗合成气净化设备能够去除所述粗合成气中的水蒸气和灰分，生成合成气；
氧化反应器，所述氧化反应器能够供所述释氧后的载氧体颗粒与含氧气体在其中进行氧化反应，生成被氧化的载氧体颗粒和贫氧气体；
其中，所述释氧反应器能够接收所述氧化反应器中生成的氧化后的载氧体颗粒；
所述粗合成气净化设备包括冷凝器，所述冷凝器能够将所述粗合成气中的水蒸气冷凝成液态水脱除，以去除所述粗合成气中的水蒸气；
换热器，所述换热器能够接收所述液态水和所述贫氧气体，并供二者在其中换热形成水蒸气并输出，所述释氧反应器与所述换热器连通，以接收所述换热器输出的水蒸气；
蒸汽管网，所述蒸汽管网可选择地与所述换热器连通以接收所述换热器输出的水蒸气，并且所述蒸汽管网可选择地与所述释氧反应器连通以能够随时向所述释氧反应器中输送水蒸气；
所述冷凝器与所述氧化反应器连通，以用于供所述冷凝器中与所述水蒸气换热形成的热空气送入所述氧化反应器中使用。
5.根据权利要求4所述的半焦气化制备合成气的系统，其特征在于，
所述粗合成气净化设备还包括除尘器，所述冷凝器与所述气化反应器连通以接收粗合成气，所述除尘器与所述冷凝器连通以接收去除水蒸气后的粗合成气并去除其中的灰分，形成合成气并输出。
6.根据权利要求4所述的半焦气化制备合成气的系统，其特征在于，
所述释氧反应器与所述换热器通过第一管线连通，所述蒸汽管网通过第二管线与所述第一管线连通，在所述第二管线上设有控制阀，所述控制阀至少能够在使所述第二管线沿从第一管线朝向所述蒸汽管网的方向单向导通的储存状态和使所述第二管线沿从所述蒸汽管网朝向所述第一管线的方向单向导通的释放状态之间切换。
7.根据权利要求4所述的半焦气化制备合成气的系统，其特征在于，还包括：
供热管线，所述供热管线上设有控制该供热管线通断的阀门，所述供热管线与向所述换热器输送贫氧气体的管线连通或者二者并联连接至所述换热器。
8.根据权利要求4所述的半焦气化制备合成气的系统，其特征在于，还包括：
分离设备，所述分离设备与所述释氧反应器、所述气化反应器和所述氧化反应器连通，所述分离设备能够接收所述混合气以及所述释氧后的载氧体颗粒，并将二者分离开且分别送至所述气化反应器和所述氧化反应器。
9.根据权利要求4所述的半焦气化制备合成气的系统，其特征在于，
所述氧化反应器为流化床氧化反应器或移动床氧化反应器；
其中，所述氧化反应器为流化床氧化反应器时，所述系统还包括分离器，所述分离器与所述氧化反应器和所述释氧反应器连通，将所述氧化反应器中生成的氧化后的载氧体颗粒与贫氧气体分离并将氧化后的载氧体颗粒送至所述释氧反应器；
其中，所述氧化反应器为移动床氧化反应器时，所述氧化反应器与所述释氧反应器连通，直接将氧化后的载氧体颗粒送至所述释氧反应器。
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