CN107723032B - 一种生物质气化装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物质气化装置，包括气化反应器、半焦与热载体分离器、流化床热载体升温器、热载体分级分离系统以及第一合成气收集器。该装置将生物质气化过程分为热解气化和半焦气化两个工段，热解气化过程采用了“W”型气化反应器，具有设备体积小、反应完全、合成气中不含焦油的显著优点。本发明还涉及一种使用上述装置的生物质气化工艺，能够有效地提高合成气的收率，减少合成气中焦油含量，同时提高了热载体的利用率。

Description

一种生物质气化装置及工艺

技术领域

本发明属于生物质能源利用领域，具体涉及一种生物质气化装置及工艺。

背景技术

能源问题在世界经济中具有重要的战略意义。煤炭、石油和天然气等化石燃料的长期使用，造成了严重的环境污染和温室效应。此外，化石燃料为不可再生能源，从长远看液体燃料短缺将是困扰人类发展的大问题。

生物质液化技术包括间接转化法和直接液化法，相比直接液化技术，生物质间接液化技术具有两大优势：一是生产的液体燃料完全不含硫，可满足任何标准要求；二是可以根据国家战略需要和市场需求灵活开展化工生产，如甲醇合成、费托合成等。因此，生物质间接液化技术是未来最具有发展潜力技术之一，其中气化技术是间接液化的基础和关键。

生物质气化按是否使用气化剂可分为使用气化剂和不使用气化剂两种。使用气化剂气化可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、二氧化碳气化和混合气化等。研究发现，使用气化剂的气化反应过程是个复杂的多组分多类型的化学反应体系，包括氧化反应、还原反应以及固体物质的裂解等。由于气化反应总体是一个吸热反应，必须提供足够热量才能维持反应进行，因此，选择气化剂一般包括空气或者氧气。使用空气作气化剂，由于空气中含有大量的氮气，导致产品中合成气热值低，后续分离成本高。不用气化剂气化只有热解气化一种，它是在完全无氧的情况下进行的气化反应，具有产物热值高、反应过程简单的优点，但是如何提供外部热源成为了关键问题，因此，气化反应器和反应工艺的设计成为了重点。此外，目前限制生物质气化技术发展和工业化的主要障碍是副产物焦油的消除问题。焦油的存在容易导致气化系统的堵塞、腐蚀和设备的损坏，引起下游热载体的失活以及严重的环境污染等。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种生物质气化装置，将生物质气化过程分为热解气化和半焦气化两个工段，热解气化过程采用了“W”型气化反应器，具有设备体积小、反应完全、合成气中不含焦油的显著优点。

本发明所提供的技术方案为：

一种生物质气化装置，包括气化反应器、半焦与热载体分离器、流化床热载体升温器、热载体分级分离系统以及第一合成气收集器；

所述气化反应器包括热解气化反应区、设置在热解气化反应区侧端的重整反应区以及气体过滤区；所述热解气化反应区顶部设有物料进口和第一热载体进口；所述热解气化反应区与重整反应区通过隔板分离，且所述热解气化反应区与重整反应区底部连通形成连通区，返料阀设置于所述连通区下端；所述返料阀、半焦与热载体分离器、第一返料器与流化床热载体升温器进口依次连接；

所述重整反应区顶部分别设有气体产物出口和第二热载体进口；所述气体过滤区设置在重整反应区与气体产物出口之间，顶部设有第三热载体进口，下部设有调节阀；所述第一热载体进口、第二热载体进口和第三热载体进口分别与热载体分级分离系统连接，所述气体产物出口与第一合成气收集器连接；所述流化床热载体升温器出口与热载体分级分离系统的进口连接。

上述技术方案中，原料生物质和水蒸气由物料进口进入，热载体由第一热载体进口进入，在热解气化反应区实现混合升温并反应，热解气化反应区生成的气相产物进入重整反应区内，与重整反应区内的热载体接触继续进行反应。重整反应后的气相产物继续进入气体过滤区进一步反应得到合成气，同时气体过滤区也起到了过滤气相产物中粉尘的作用。

热解气化反应区和重整反应区中经过反应的热载体和未完全反应的半焦通过返料阀进入半焦与热载体分离器实现半焦与热载体的分离。分离后的热载体通过第一返料器进入流化床热载体升温器，之后进入热载体分级分离系统，根据不同粒径分别进入气体过滤区、热解气化反应区、重整反应区或者外排。

优选的，所述热载体分级分离系统由三级旋风分离器串联组成，上一级旋风分离器的出口与下一级旋风分离器进口连接；所述第一级旋风分离器的灰斗与气体过滤区顶部的第三热载体进口连接，所述第二级旋风分离器的灰斗分别与第一热载体进口和第二热载体进口连接，所述第三级旋风分离器的灰斗和出口分别外排。

通过热载体分级分离系统，可以将经过流化床热载体升温器的热载体按颗粒粒径分为3个区间分别投入不同工段，分别为：由第一级旋风分离器分离下粒径大于0.5mm的热载体分别进入气体过滤区和鼓泡流化床半焦气化反应器，由第二级旋风分离器分离出0.1-0.5mm的热载体分别进入热解气化反应区、重整反应区以及鼓泡流化床半焦气化反应器，由第三级旋风分离器分离出小于0.1mm的热载体则外排。

优选的，所述生物质气化装置还包括鼓泡流化床半焦气化反应器和第二合成气收集器；所述半焦与热载体分离器的半焦出口与鼓泡流化床半焦气化反应器连接，所述鼓泡流化床半焦气化反应器通过第二返料器与流化床热载体升温器进口连接；所述鼓泡流化床半焦气化反应器的合成气出口与第二合成气收集器连接；所述第一级旋风分离器与第二级旋风分离器的灰斗还分别与鼓泡流化床半焦气化反应器连接。由于设置有鼓泡流化床半焦气化反应器，使得生物质气化过程分为热解气化和半焦气化两个工段，提高了合成气收率。

优选的，所述气体过滤区与重整反应区和气体产物出口接触的壁面采用筛网；所述筛网的孔径小于气体过滤区内热载体的粒径。

优选的，所述气体过滤区内反应状态为移动床，热载体下落速度通过调节调节阀来控制。

优选的，所述热解气化反应区内设有若干物料混合板；所述物料混合板的形状为三菱柱，相互之间平行设置且分层错位排列，所述物料混合板的层数为2-30层。物料混合板能够增加固体有机质颗粒与热载体之间接触面积，促进反应完全。进一步优选为8～10层。

优选的，所述重整反应区内设有若干物料混合板；所述物料混合板的形状为三菱柱，相互之间平行设置且分层错位排列，所述物料混合板的层数为2-30层。物料混合板能够增加气相产物与热载体之间接触面积，促进反应完全。进一步优选为2～4层。

优选的，所述物料混合板的横截面为等腰三角形，顶角范围为45-90°。

优选的，所述热载体为Al₂O₃。

优选的，所述热解气化反应区的反应温度为800-1050℃，热载体靠重力下落到返料阀，返料阀应具有自密封功能。

优选的，所述流化床热载体升温器的反应温度为850-1100℃；所述鼓泡流化床半焦气化反应器的反应温度为800-1100℃。

优选的，所述第一热载体进口竖直设置于热解气化反应区顶部；所述物料进口包括二个，分别倾斜设置于热解气化反应区顶部。

优选的，二个所述物料进口对称设置在热解气化反应区顶部，且物料进口与第一热载体进口的夹角为15-75°。

优选的，所述第二热载体进口和第三热载体进口并联竖直设置于重整反应区顶部。

优选的，所述重整反应区包括两个，对称设置在热解气化反应区两侧。

优选的，所述流化床热载体升温器内设有水蒸气气化器。该设置能够有效地利用由未完全反应的生物质半焦生成的热量，用于气化水蒸气，水蒸气则作为气化反应的原料投入使用。

本发明还提供一种使用如上述装置的生物质气化工艺，包括如下步骤：

1)生物质与水蒸气由物料进口进入，热载体由第一热载体进口进入，在热解气化反应区实现混合升温并反应；

2)步骤1)中生成的气相产物进入重整反应区，与重整反应区中的热载体接触进行重整反应；

3)步骤2)中经过重整反应后的气相产物继续经过气体过滤区，得到的合成气之后进入第一合成气收集器；

4)步骤1)和步骤2)中经过反应的热载体和未完全反应的半焦通过返料阀进入半焦与热载体分离器实现半焦与热载体的分离；

5)步骤4)中分离后的热载体通过第一返料器进入流化床热载体升温器，之后进入热载体分级分离系统，由第一级旋风分离器分离下粒径大于0.5mm的热载体分别进入气体过滤区和鼓泡流化床半焦气化反应器，由第二级旋风分离器分离出0.1-0.5mm的热载体分别进入热解气化反应区、重整反应区以及鼓泡流化床半焦气化反应器，由第三级旋风分离器分离出小于0.1mm的热载体则外排；

6)步骤4)中分离后的半焦进入鼓泡流化床半焦气化反应器，与进入鼓泡流化床半焦气化反应器内的热载体、水蒸气和氧气进行反应，反应后的热载体再次通过第二返料器进入流化床热载体升温器进行循环利用，而得到的合成气则进入第二合成气收集器。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明所提供的生物质气化装置，将生物质气化过程分为热解气化和半焦气化两个工段，提高了原料的利用率以及合成气的收率。

(2)本发明所提供的生物质气化装置采用了“W”型气化反应器，具有设备体积小、反应完全、合成气中不含焦油的显著优点。

(3)本发明所提供的生物质气化工艺，能够有效地提高合成气的收率，减少合成气中焦油含量，同时提高了热载体的利用率。

附图说明

图1为实施例中生物质气化装置的结构示意图；

图2为实施例中气化反应器的结构示意图。

其中，1、气化反应器；101、热解气化反应区；102、重整反应区；103、气体过滤区；104、隔板；105、物料混合板；106、筛网；107、气体产物出口；108、连通区；109、物料进口；110、第一热载体进口；111、第二热载体进口；112、第三热载体进口；113、返料阀；114、调节阀；2、半焦与热载体分离器；3、流化床热载体升温器；4、第一合成气收集器；5、第一返料器；6、第一旋风分离器；7、第二旋风分离器；8、第三旋风分离器；9、水蒸气气化器；10、鼓泡流化床半焦气化反应器；11、第二返料器；12、第二合成气收集器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，生物质气化装置包括气化反应器1、半焦与热载体分离器2、流化床热载体升温器3、热载体分级分离系统、第一合成气收集器4、鼓泡流化床半焦气化反应器10以及第二合成气收集器12。

如图2所示，气化反应器1包括热解气化反应区101、设置在热解气化反应区101两侧的重整反应区102以及气体过滤区103。

热解气化反应区101的整体形状实际生产中可以为竖直长方体，顶部设有两个物料进口109和第一热载体进口110，且底部开口。第一热载体进口110竖直设置于热解气化反应区101顶部，而两个物料进口109则分别对称倾斜设置在热解气化反应区101顶部，物料进口109与第一热载体进口110的夹角为40°。

由于热解气化反应区101两侧的重整反应区102为对称设置，此处仅介绍一侧的重整反应区102。热解气化反应区101和两侧的重整反应区102均设置在反应器内。热解气化反应区101与重整反应区102通过隔板104分离，且热解气化反应区101与两侧的重整反应区102底部连通形成连通区108，返料阀113设置于连通区108下端，返料阀113具有自密封功能。

重整反应区102顶部分别设有气体产物出口107和第二热载体进口111，而气体产物出口107与第一合成气收集器4连接。而气体过滤区103则设置在重整反应区102与气体产物出口107之间，顶部设有第三热载体进口112，下部设有调节阀114，气体过滤区103内反应状态为移动床，热载体下落速度通过调节调节阀114来控制。气体过滤区103与重整反应区102和气体产物出口107接触的壁面采用筛网106，筛网106的孔径小于气体过滤区103内热载体的粒径。此外，第二热载体进口111和第三热载体进口112并联竖直设置于重整反应区102顶部。

另外，热解气化反应区101和重整反应区102内均设有若干物料混合板105，物料混合板105的形状为三菱柱，两端分别固定于热解气化反应区101和重整反应区102的两侧壁面。物料混合板105的横截面为等腰三角形，顶角角度为90°，相互之间平行设置且分层错位排列，热解气化反应区101中的物料混合板105的层数为10层，重整反应区102中的物料混合板105的层数为3层。

热载体分级分离系统由三级旋风分离器串联组成，上一级旋风分离器的出口与下一级旋风分离器进口连接。第一级旋风分离器6的灰斗分别与气体过滤区103顶部的第三热载体进口112和鼓泡流化床半焦气化反应器10连接，第二级旋风分离器7的灰斗分别与第一热载体进口110、第二热载体进口111以及鼓泡流化床半焦气化反应器10连接，第三级旋风分离器8的灰斗和出口分别外排。

半焦与热载体分离器2的进口与气化反应器1的返料阀113连接，半焦与热载体分离器2的热载体出口通过第一返料器与流化床热载体升温器3的进口连接。此外，半焦与热载体分离器2的半焦出口与鼓泡流化床半焦气化反应器10连接，鼓泡流化床半焦气化反应器10通过第二返料器11与流化床热载体升温器3进口连接。鼓泡流化床半焦气化反应器10的合成气出口与第二合成气收集器12连接。第一级旋风分离器6与第二级旋风分离器7的灰斗还分别与鼓泡流化床半焦气化反应器10连接。由于设置有鼓泡流化床半焦气化反应器10，使得生物质气化过程分为热解气化和半焦气化两个工段，提高了合成气收率。

流化床热载体升温器3出口与第一级旋风分离器6的进口连接，流化床热载体升温器3上部还设有水蒸气气化器9，用于利用由未完全反应的生物质半焦生成的热量去气化水蒸气。

工作过程如下：

生物质与水蒸气通入到物料进口109，而热载体Al₂O₃通入到第一热载体进口110，进入到热解气化反应区101内，反应状态为流化床，反应温度为800-1050℃，在物料混合板105上通过相互碰撞实现快速混合升温，并开始剧烈反应。

由于热解气化反应区101与重整反应区102的“W”型结构设置，使得热解气化反应区101生成的气相产物，会从热解气化反应区101底部进入重整反应区102内，与重整反应区102内的热载体接触继续进行重整反应，重整反应区102内的热载体由第二热载体进口111通入。而重整反应区102内的若干物料混合板105同样也促进了气相产物与热载体的接触反应。

反应后的气相产物进入气体过滤区103进一步反应，得到的合成气之后进入第一合成气收集器4，过滤热载体由第三热载体进口112通入，并起到了过滤气相产物中粉尘的作用。

热解气化反应区101和重整反应区102中经过反应的热载体和未完全反应的半焦，通过返料阀113进入半焦与热载体分离器2实现半焦与热载体的分离。

分离后的热载体通过第一返料器5进入流化床热载体升温器3，反应温度为850-1100℃，之后进入热载体分级分离系统，根据不同粒径分别投入不同工段，分别为：由第一级旋风分离器6分离下粒径大于0.5mm的热载体分别进入气体过滤区103和鼓泡流化床半焦气化反应器10，由第二级旋风分离器7分离出0.1-0.5mm的热载体分别进入热解气化反应区101、重整反应区102以及鼓泡流化床半焦气化反应器10，由第三级旋风分离器8分离出小于0.1mm的热载体则外排。

而分离后的半焦则进入鼓泡流化床半焦气化反应器10，与进入鼓泡流化床半焦气化反应器10内的热载体、水蒸气和氧气进行反应，反应温度为800-1100℃，反应后的热载体再次通过第二返料器11进入流化床热载体升温器3进行循环利用，而得到的合成气则进入第二合成气收集器12。

Claims (5)

1.一种生物质气化装置，其特征在于，包括气化反应器、半焦与热载体分离器、流化床热载体升温器、第一返料器、热载体分级分离系统以及第一合成气收集器；

所述气化反应器包括热解气化反应区、设置在热解气化反应区侧端的重整反应区以及气体过滤区；所述热解气化反应区顶部设有物料进口和第一热载体进口；所述热解气化反应区与重整反应区通过隔板分离，且所述热解气化反应区与重整反应区底部连通形成连通区，返料阀设置于所述连通区下端；所述返料阀、半焦与热载体分离器、第一返料器与流化床热载体升温器进口依次连接；

所述重整反应区顶部分别设有气体产物出口和第二热载体进口；所述气体过滤区设置在重整反应区与气体产物出口之间，顶部设有第三热载体进口，下部设有调节阀；所述第一热载体进口、第二热载体进口和第三热载体进口分别与热载体分级分离系统连接，所述气体产物出口与第一合成气收集器连接；所述流化床热载体升温器出口与热载体分级分离系统的进口连接；

所述热载体分级分离系统由三级旋风分离器串联组成，上一级旋风分离器的出口与下一级旋风分离器进口连接；

第一级旋风分离器的灰斗与气体过滤区顶部的第三热载体进口连接，第二级旋风分离器的灰斗分别与第一热载体进口和第二热载体进口连接，第三级旋风分离器的灰斗和出口分别外排；

所述生物质气化装置还包括鼓泡流化床半焦气化反应器和第二合成气收集器；

所述半焦与热载体分离器的半焦出口与鼓泡流化床半焦气化反应器连接，所述鼓泡流化床半焦气化反应器通过第二返料器与流化床热载体升温器进口连接；所述鼓泡流化床半焦气化反应器的合成气出口与第二合成气收集器连接；所述第一级旋风分离器与第二级旋风分离器的灰斗还分别与鼓泡流化床半焦气化反应器连接；

由第一级旋风分离器分离出粒径大于0.5 mm的热载体分别进入气体过滤区和鼓泡流化床半焦气化反应器，由第二级旋风分离器分离出0.1-0.5 mm的热载体分别进入热解气化反应区、重整反应区以及鼓泡流化床半焦气化反应器，由第三级旋风分离器分离出小于0.1mm的热载体则外排；

所述重整反应区包括两个，对称设置在热解气化反应区两侧；

所述热解气化反应区内设有若干物料混合板；所述热解气化反应区中物料混合板的形状为三菱柱，相互之间平行设置且分层错位排列，所述热解气化反应区中物料混合板的层数为2-30层；

所述重整反应区内设有若干物料混合板；所述重整反应区中物料混合板的形状为三菱柱，相互之间平行设置且分层错位排列，所述重整反应区中物料混合板的层数为2-30层。

2.根据权利要求1所述的生物质气化装置，其特征在于，所述气体过滤区与重整反应区和气体产物出口接触的壁面采用筛网；所述筛网的孔径小于气体过滤区内热载体的粒径。

3.根据权利要求1所述的生物质气化装置，其特征在于，所述第一热载体进口竖直设置于热解气化反应区顶部；所述物料进口包括二个，分别倾斜设置于热解气化反应区顶部。

4.根据权利要求1所述的生物质气化装置，其特征在于，所述第二热载体进口和第三热载体进口并联竖直设置于重整反应区顶部。

5.一种使用如权利要求1~4任一所述装置的生物质气化工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1）生物质与水蒸气由物料进口进入，热载体由第一热载体进口进入，在热解气化反应区实现混合升温并反应；

2）步骤1）中生成的气相产物进入重整反应区，与重整反应区中的热载体接触进行重整反应；

3）步骤2）中经过重整反应后的气相产物继续经过气体过滤区，得到的合成气之后进入第一合成气收集器；

4）步骤1）和步骤2）中经过反应的热载体和未完全反应的半焦通过返料阀进入半焦与热载体分离器实现半焦与热载体的分离；

5）步骤4）中分离后的热载体通过第一返料器进入流化床热载体升温器，之后进入热载体分级分离系统，由第一级旋风分离器分离出粒径大于0.5 mm的热载体分别进入气体过滤区和鼓泡流化床半焦气化反应器，由第二级旋风分离器分离出0.1-0.5 mm的热载体分别进入热解气化反应区、重整反应区以及鼓泡流化床半焦气化反应器，由第三级旋风分离器分离出小于0.1 mm的热载体则外排；

6）步骤4）中分离后的半焦进入鼓泡流化床半焦气化反应器，与进入鼓泡流化床半焦气化反应器内的热载体、水蒸气和氧气进行反应，反应后的热载体再次通过第二返料器进入流化床热载体升温器进行循环利用，而得到的合成气则进入第二合成气收集器。