CN107964427B - 一种生物质生产高品位合成气的装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物质生产高品位合成气的装置，包括多功能气化反应器、流化床热载体升温器、热载体分离器、催化剂再生分级分离系统以及合成气收集器。该装置采用“W”型反应器将生物质热解气化、热解气重整和合成气过滤过程有机耦合，具有设备体积小、反应完全、合成气品位高且不含焦油和粉尘的显著优点。本发明还涉及一种生物质生产高品位合成气的工艺，能够有效地提高合成气的收率，减少合成气中焦油含量，同时提高了催化剂的利用率。

Description

一种生物质生产高品位合成气的装置及工艺
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生产高品位合成气的装置及工艺。
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、提高合成气品位成为了关键问题，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，引起下游催化剂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，提供一种生物质生产高品位合成气的装置，该装置采用“W”型反应器将生物质热解气化、热解气重整和合成气过滤过程有机耦合，具有设备体积小、反应完全、合成气品位高且不含焦油和粉尘的显著优点。
本发明所提供的技术方案为：
一种生物质生产高品位合成气的装置，包括多功能气化反应器、流化床热载体升温器、热载体分离器、催化剂再生分级分离系统以及合成气收集器；
所述多功能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重整过滤区；所述热解气化反应区顶部设有物料进口以及与热载体分离器的灰斗连接的热载体进口，底部设有第一返料阀，所述第一返料阀通过返料器与流化床热载体升温器进口连接；
所述热解气化反应区与重整反应区之间上部通过隔板分离，下部通过格栅分离，所述隔板和格栅相互连接；所述重整反应区顶部分别设有气体产物出口和第一催化剂进口，底部设有第二返料阀，所述第二返料阀与催化剂再生分级分离系统进口连接，所述气体产物出口与合成气收集器连接；所述重整过滤区设置在重整反应区与气体产物出口之间，顶部设有第二催化剂进口，下部设有调节阀；
所述流化床热载体升温器出口与热载体分离器进口连接；所述催化剂再生分级分离系统出口分别与第一催化剂进口和第二催化剂进口连接。
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经过格栅进入重整反应区内，与重整反应区内的催化剂接触继续进行重整反应。重整反应后的气相产物继续经过重整过滤区，同时重整过滤区也起到了过滤气相产物中粉尘的作用。
热解气化反应区中经过反应的热载体和未完全反应的半焦通过返料器进入流化床热载体升温器，之后通过载体分离器再次进入热解气化反应区。重整反应区中经过反应的催化剂通过第二返料阀进入流化床烧焦升温器，之后依次进入第一旋风分离器和第二旋风分离器，经过还原后分别进入重整过滤区和重整反应区。
优选的，所述催化剂再生分级分离系统包括流化床烧焦升温器、第一旋风分离器、第二旋风分离器、第一固定床还原器以及第二固定床还原器；
所述流化床烧焦升温器进口与重整反应区底部的第二返料阀连接，出口与第一旋风分离器进口连接，第一旋风分离器出口与第二旋风分离器进口连接，第二旋风分离器出口外排；所述第一旋风分离器的灰斗通过第一固定床还原器与第二催化剂进口连接；所述第二旋风分离器的灰斗通过第二固定床还原器与第一催化剂进口连接。
通过催化剂再生分级分离系统，可以将催化剂按颗粒粒径分为2个区间分别投入不同工段，分别为：由第一旋风分离器分离下粒径大于0.5mm的催化剂经过第一固定床还原器进入重整过滤区，由第二级旋风分离器分离出小于0.5mm的催化剂经过第二固定床还原器进入重整反应区。
优选的，所述重整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重整过滤区内催化剂的粒径。
优选的，所述重整过滤区内反应状态为移动床，催化剂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8-30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8～11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3-10层。物料混合板能够增加气相产物与催化剂之间接触面积，促进反应完全。进一步优选为3～5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，所述催化剂为Ni基催化剂。
优选的，所述热解气化反应区的反应温度为800-950℃，热载体靠重力下落到第一返料阀，第一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850-1000℃；所述流化床烧焦升温器的反应温度为700-800℃。
优选的，所述格栅由倒V字形格栅板间隔排列组成；所述倒V字形格栅板为不对称结构，位于热解气化反应区一侧板边与竖直方向的夹角小于位于重整反应区的一侧板边与竖直方向的夹角。
优选的，位于热解气化反应区一侧板边与竖直方向的夹角范围为15-45°；位于重整反应区一侧板边与竖直方向的夹角范围为15-75°。
优选的，所述倒V字形格栅板位于热解气化反应区一侧板边的底部位置低于下一层倒V字形格栅板的顶部位置；所述倒V字形格栅板位于重整反应区一侧板边的底部位置齐平于下一层倒V字形格栅板的顶部位置。
优选的，所述倒V字形格栅板之间的间隔距离小于热解气化反应区中热载体的粒径。
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。
优选的，所述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，且物料进口与热载体进口的夹角为15-75°。
优选的，所述第一热载体进口和第二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。
本发明还提供一种使用如上述装置的生物质生产高品位合成气的工艺，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)中生成的气相产物经过格栅进入重整反应区，与重整反应区中的催化剂接触进行重整反应；
3)步骤2)中经过重整反应后的气相产物继续经过重整过滤区，得到的合成气之后进入合成气收集器。
4)步骤1)经过反应的热载体和未完全反应的半焦通过返料器进入流化床热载体升温器，之后通过载体分离器再次进入热解气化反应区；
5)步骤2)中经过反应的催化剂通过第二返料阀进入流化床烧焦升温器，之后依次进入第一旋风分离器和第二旋风分离器，由第一旋风分离器分离下粒径大于0.5mm的催化剂经过第一固定床还原器进入重整过滤区，由第二级旋风分离器分离出小于0.5mm的催化剂经过第二固定床还原器进入重整反应区。
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生产高品位合成气的装置，采用“W”型反应器将生物质热解气化、热解气重整和合成气过滤过程有机耦合，具有设备体积小、反应完全、合成气品位高且不含焦油和粉尘的显著优点。
(3)本发明所提供的生物质生产高品位合成气的工艺，能够有效地提高合成气的收率，减少合成气中焦油含量，同时提高了催化剂的利用率。
附图说明
图1为实施例中生物质生产高品位合成气的装置结构示意图；
图2为实施例中多功能气化反应器的结构示意图。
其中，1、多功能气化反应器；101、热解气化反应区；102、重整反应区；103、重整过滤区；104、隔板；105、格栅；106、物料混合板；107、热载体进口；108、物料进口；109、第一催化剂进口；110、第二催化剂进口；111、筛网；112、气体产物出口；113、第一返料阀；114、第二返料阀；115、调节阀；2、流化床热载体升温器；3、流化床烧焦升温器；4、合成气收集器；5、热载体分离器；6、第一旋风分离器；7、第二旋风分离器；8、第一固定床还原器；9、第二固定床还原器；10、返料器；11、水蒸气气化器。
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，生物质生产高品位合成气的装置包括多功能气化反应器1、流化床热载体升温器2、热载体分离器5、催化剂再生分级分离系统以及合成气收集器4。
如图2所示，多功能气化反应器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以及重整过滤区103。
其中，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108以及与热载体分离器5的灰斗连接的热载体进口107，底部设有第一返料阀113，第一返料阀113通过返料器10与流化床热载体升温器2进口连接。热载体进口107竖直设置于热解气化反应区101顶部，而两个物料进口108则分别对称倾斜设置在热解气化反应区101顶部，物料进口108与热载体进口107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之间上部通过隔板104分离，下部通过格栅105分离，隔板104和格栅105相互连接将两个区域分开。
隔板104采用实心板，将热解气化反应区101与两侧的重整反应区102隔离开。而格栅105由倒V字形格栅板间隔排列组成，倒V字形格栅板为不对称结构，位于热解气化反应区101一侧板边与竖直方向的夹角小于位于重整反应区102的一侧板边与竖直方向的夹角。位于热解气化反应区101一侧板边与竖直方向的夹角范围为30°；位于重整反应区102的一侧板边与竖直方向的夹角范围为45°。倒V字形格栅板位于热解气化反应区101一侧板边的底部位置低于下一层倒V字形格栅板的顶部位置；倒V字形格栅板位于重整反应区102一侧板边的底部位置齐平于下一层倒V字形格栅板的顶部位置。此外，倒V字形格栅板之间的间隔距离小于热解气化反应区101中热载体的粒径。
重整反应区102顶部分别设有气体产物出口112和第一催化剂进口109，气体产物出口112与合成气收集器4连接，而底部设有第二返料阀114，第二返料阀114与流化床烧焦升温器3连接。而重整过滤区103则设置在重整反应区102与气体产物出口112之间，顶部设有第二催化剂进口110，下部设有调节阀115，重整过滤区103内反应状态为移动床，催化剂下落速度通过调节调节阀115来控制。
重整过滤区103与重整反应区102和气体产物出口112接触的壁面采用筛网111，筛网111的孔径小于重整过滤区103内催化剂的粒径。此外，第一催化剂进口109和第二催化剂进口110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106，物料混合板106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106的层数为11层，重整反应区102中的物料混合板106的层数为3层。
流化床热载体升温器2进口与返料器10连接，内部设有水蒸气气化器11，水蒸气气化器11能够有效地利用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。而流化床热载体升温器2出口则与热载体分离器5进口连接，热载体分离器5的灰斗与热载体进口连接，热载体分离器5的出口则外排。
催化剂再生分级分离系统包括流化床烧焦升温器3、第一旋风分离器6、第二旋风分离器7、第一固定床还原器8以及第二固定床还原器9。流化床烧焦升温器3进口与重整反应区102底部的第二返料阀114连接，出口与第一旋风分离器6进口连接，第一旋风分离器6出口与第二旋风分离器7进口连接，第二旋风分离器6出口外排。第一旋风分离器6的灰斗通过第一固定床还原器8与第二催化剂进口110连接，第二旋风分离器7的灰斗通过第二固定床还原器9与第一催化剂进口109连接。
工作过程如下：
生物质与水蒸气通入到物料进口108，而热载体Al2O3通入到热载体进口107，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800-950℃，在物料混合板106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底部经过格栅105进入重整反应区102内，与重整反应区102内的Ni基催化剂接触继续进行重整反应，重整反应区102内的Ni基催化剂由第一热载体进口109通入。而重整反应区102内的若干物料混合板106同样也促进了气相产物与Ni基催化剂的接触反应。
反应后的气相产物进入重整过滤区103进一步反应，得到的合成气之后进入合成气收集器4，催化剂由第二热载体进口110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中经过反应的热载体和未完全反应的半焦通过返料器10进入流化床热载体升温器2，反应温度为850-1000℃，之后通过载体分离器5再次进入热解气化反应区101。
重整反应区102中经过反应的催化剂通过第二返料阀114进入流化床烧焦升温器3，反应温度为700-800℃，之后依次进入第一旋风分离器6和第二旋风分离器7，经过还原后分别进入重整过滤区103和重整反应区102。通过催化剂再生分级分离系统，可以将催化剂按颗粒粒径分为2个区间分别投入不同工段，分别为：由第一旋风分离器6分离下粒径大于0.5mm的催化剂经过第一固定床还原器8进入重整过滤区103，由第二级旋风分离器7分离出小于0.5mm的催化剂经过第二固定床还原器9进入重整反应区102。

Claims (7)

1.一种生物质生产高品位合成气的装置，其特征在于，包括多功能气化反应器、流化床热载体升温器、热载体分离器、催化剂再生分级分离系统以及合成气收集器；
所述多功能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重整过滤区；所述热解气化反应区顶部设有物料进口以及与热载体分离器的灰斗连接的热载体进口，底部设有第一返料阀，所述第一返料阀通过返料器与流化床热载体升温器进口连接；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与重整反应区之间上部通过隔板分离，下部通过格栅分离，所述隔板和格栅相互连接；所述重整反应区顶部分别设有气体产物出口和第一催化剂进口，底部设有第二返料阀，所述第二返料阀与催化剂再生分级分离系统进口连接，所述气体产物出口与合成气收集器连接；所述重整过滤区设置在重整反应区与气体产物出口之间，顶部设有第二催化剂进口，下部设有调节阀；
所述流化床热载体升温器出口与热载体分离器进口连接；所述催化剂再生分级分离系统出口分别与第一催化剂进口和第二催化剂进口连接；
所述催化剂再生分级分离系统包括流化床烧焦升温器、第一旋风分离器、第二旋风分离器、第一固定床还原器以及第二固定床还原器；
所述流化床烧焦升温器进口与重整反应区底部的第二返料阀连接，出口与第一旋风分离器进口连接，第一旋风分离器出口与第二旋风分离器进口连接，第二旋风分离器出口外排；所述第一旋风分离器的灰斗通过第一固定床还原器与第二催化剂进口连接；所述第二旋风分离器的灰斗通过第二固定床还原器与第一催化剂进口连接；
所述生物质生产高品位合成气的工艺包括如下步骤：
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）中生成的气相产物经过格栅进入重整反应区，与重整反应区中的催化剂接触进行重整反应；
3）步骤2）中经过重整反应后的气相产物继续经过重整过滤区，得到的合成气之后进入合成气收集器；
4）步骤1）经过反应的热载体和未完全反应的半焦通过返料器进入流化床热载体升温器，之后通过热载体分离器再次进入热解气化反应区；
5）步骤2）中经过反应的催化剂通过第二返料阀进入流化床烧焦升温器，之后依次进入第一旋风分离器和第二旋风分离器，由第一旋风分离器分离出粒径大于0.5 mm的催化剂经过第一固定床还原器进入重整过滤区，由第二级旋风分离器分离出小于0.5 mm的催化剂经过第二固定床还原器进入重整反应区。
2.根据权利要求1所述的生物质生产高品位合成气的装置，其特征在于，所述重整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重整过滤区内催化剂的粒径。
3.根据权利要求1所述的生物质生产高品位合成气的装置，其特征在于，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8-30层。
4.根据权利要求1所述的生物质生产高品位合成气的装置，其特征在于，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3-10层。
5.根据权利要求1所述的生物质生产高品位合成气的装置，其特征在于，所述格栅由倒V字形格栅板间隔排列组成；所述倒V字形格栅板为不对称结构，位于热解气化反应区一侧板边与竖直方向的夹角小于位于重整反应区的一侧板边与竖直方向的夹角。
6.根据权利要求1所述的生物质生产高品位合成气的装置，其特征在于，所述流化床热载体升温器内设有水蒸气气化器。
7.根据权利要求1所述的生物质生产高品位合成气的装置，其特征在于，所述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。
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