CN108085063A - 一种低焦油双床气化方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低焦油双床生物质气化的方法和装置，该装置包括流化床、固定床、一级旋风分离器、二级旋风分离器以及返料装置，在流化床稀相区上部空间设置有氧化剂进口以及催化剂喷射口。生物质进入流化床气化炉气化后，气化产物先后经过催化裂解段，富氧燃烧段，能够有效减少气化产物中焦油含量，提高燃气质量。反应后的气体经过一级、二级旋风分离器实现气固分离，固体产物经过两次返料返到固定床中，形成固定催化床层，气体产物进入固定床上部空间且经过催化床层，催化裂解其中的焦油成分，二次气化反应后最终生成可燃气。本发明产生的气体产物经过多次反应，焦油含量低，品质高，装置原料适应性强，占地面积小，结构紧凑且原料利用率高。

Description

一种低焦油双床气化方法和装置
技术领域
本发明涉及一种低焦油双床气化方法和装置，属于生物质气化包括污泥气化在内的能源清洁利用领域。
背景技术
近年来，随着我国社会经济的快速发展和城镇化水平进度的增速，同时我国能源供给侧结构性改革逐步推进，农村的能源结构也在发生重大转变，从传统的能源结构向新兴的能源转变。农村燃气普及率的大幅提高促使秸秆等生物质能利用率呈断崖式下跌，出现了秸秆随意堆放和大量焚烧的不利局面。在能源日益紧缺和环境要求越来越高的情况下，此种现象不仅造成能源的大量浪费，更是严重污染环境。因此，探究合适的能源发展道路，更好的促进农村能源结构的改革，有效解决生物质能利用不足且污染环境的问题已经成为能源利用领域的重大课题。
气化技术是指在一定的温度和压力条件下，以空气、氧气或水蒸气作为气化剂，在还原性气氛下，通过一系列的热化学反应，将生物质中的有机物转化为含有H2、CH4、CO、CO2等可燃性气体、焦油和灰渣的技术。生物质气化遵循了“减量化、资源化、无害化”原则，不仅实现了减少生物质体积和减轻对环境的污染，而且气化生成的气体能够作为可燃气供用户使用。
目前气化炉使用最多的三种类型是上吸式、下吸式和流化床气化炉。实际上，在运行过程中上吸式气化炉产生的焦油最多，流化床气化炉次之，下吸式气化炉所产生的焦油含量最少。无论哪种类型的气化炉，都会在气化过程中生成副产物焦油。焦油的存在不仅造成能量的浪费，而且在气体流动过程中由于温度的降低焦油会凝结成液态，与飞灰颗粒等粘结在一起附着在管道上影响设备的安全运行。焦油排放到大气环境中也会对环境造成污染。
针对上述问题，业界也提出了一些解决方法，但是现有的技术装置仍有缺陷。1、设置的二次催化反应装置固定床单独作为反应器位于气化反应器之后，而不是与气化床紧密连接，结构不够紧凑，占地面积较大；2、固定床的床层床料一种是来自外部添加或是来自气化后的一部分产物，而气化炉的排渣和旋风分离器分离出来的固体颗粒未被充分利用，原料利用率低，而且返料所采用的返料风大多接入外部风源，热效率较低；3、低焦油的方法大多是炉外脱除，或者是炉内脱除的方法较为单一，脱除效率不高。
发明内容
本发明针对目前气化炉存在的气化过程中焦油含量高，不够清洁且能源利用率低的问题，提出一种流化床和固定床相结合，原料适应性强，焦油含量低的双床气化方法和装置。
技术方案：本发明的低焦油双床气化装置，包括流化床气化炉、固定床、一级旋风分离器、二级旋风分离器、与所述一级旋风分离器下部连接的一级立管、与所述一级立管下端连接的一级返料器、与所述二级旋风分离器下部连接的二级立管、与所述二级立管下端连接的二级返料器，所述流化床气化炉下部设置有排渣管，所述排渣管的排渣口通过卸料阀与固定床连接，所述一级返料器的返料口通过返料斜管连接到固定床下部，所述二级返料器的返料口通过另一个返料斜管接到固定床中，固定床底部设置有排渣管，所述二级旋风分离器的进气口通过管道与一级旋风分离器的排气口相通。
进一步的，本发明方法中，流化床气化炉设置有进料口，在流化床气化炉上对称设置有两个氧化剂进口，在氧化剂进口以下的位置，流化床气化炉上对称设置有两个催化剂喷射口。
进一步的，本发明方法中，流化床气化炉包括从下至上依次连接的密相区、过渡段、稀相区，所述密相区的直径为D，高度为H，稀相区的直径为6D/5，高度为4D，所述氧化剂进口与稀相区顶部的间距为3H/4，催化剂喷射口与氧化剂进口的高度差为2H。
进一步的，本发明方法中，过渡段为连接密相区和稀相区的一个渐扩口。
进一步的，本发明方法中，所述一级旋风分离器与二级旋风分离器分别位于流化床气化炉两侧。
进一步的，本发明方法中，所述二级旋风分离器设置有排气口，排气口通过管道与固定床上部进气口连接，固定床上部设有水蒸气进口，下部设有排气口。
进一步的，本发明方法中，所述一级返料器底部设有第一返料风进口，接外部气源；二级返料器底部设有第二返料风进口，通过管道与一级旋风分离器的排气孔连接。
本发明的低焦油双床气化方法，包括以下步骤：
(1)生物质由进料口进入密相区，同时通过气化剂进口将气化剂加入密相区，在其中流化和气化后进入稀相区，分别通过氧化剂进口、催化剂喷射口向稀相区喷入氧化剂和催化剂粉末，气化产物依次进行催化裂解反应和高温氧化反应，完成焦油脱除净化，反应后的气化产物先后经过一级旋风分离器、二级旋风分离器实现气固分离，分离的气体进入固定床上部，分离出来的固体颗粒分别经过一级立管进入一级返料器、经过二级立管进入二级返料器；
(2)外部风源提供的返料风经第一返料风进口进入一级返料器，将固体颗粒输送进入固定床；一级旋风分离器的排气孔提供的返料风经二级返料风进口进入二级返料器，将固体颗粒输送进入固定床；
(3)流化床气化炉排出的灰渣与固定床中的固体颗粒共同形成催化床层，进入固定床中的气体先与通过水蒸气进口输入的水蒸气发生重整反应，然后穿过所述催化床层，固体颗粒中的焦炭被水蒸气气化，焦油经过催化床层被催化剂进一步裂解重整转化，反应后的气体通过排气口排出，反应后的灰渣由排渣口排出。
进一步的，本发明方法的步骤(1)中，所述流化床气化炉的气化温度在600℃～750℃，稀相区中的催化裂解反应的温度为700℃～850℃，高温氧化反应的温度为950℃～1200℃，所述步骤(3)中，固定床内的反应温度在750℃～850℃。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
目前的气化炉普遍存在焦油含量高，能源利用低的问题，本发明针对此现象，将流化床和固定床结合，既发挥流化床原料适应性广，气化强度大的优势，也集中了固定床操作灵活，结构简单的优点，通过设置二级旋风分离器最大程度的回收气体携带的固体颗粒并输送到固定床中，能够有效解决所存在的问题。
1.一般的低焦油气化装置都是炉外脱除焦油或者在炉体采用多级配气，增加了系统的复杂性和运行成本。本发明在炉体仅设置氧化剂进口和催化剂喷射口，在炉内形成富氧燃烧段和催化裂解段，能够有效减少焦油含量，催化剂喷射口与氧化剂进口存在一定距离，能够避免过高的温度造成催化剂烧结失效。炉内高温氧化段和催化裂解段的有机结合，降低了系统的复杂性和系统运行成本，炉内焦油的有效减少降低了后续设备处理压力。
2.与传统的经过旋风分离器和返料器又重新返回到流化床不同，分离出来的固体颗粒(包括炉内加入的催化剂和未完全气化的焦炭颗粒)通过返料器进入固定床中形成催化床层，并且流化床中的灰渣也不直接排出炉体不再利用，而是通过排渣口和卸料阀重新进入固定床再次利用，与从返料器进入固定床的固体颗粒共同作为催化床层用于催化裂解焦油，进一步减少焦油含量，从整个系统上提高物料利用率，降低整个系统的运行成本。
3.二级返料器返料风来自于一级旋风分离器出口气体，避免了一般装置直接从外部接入冷空气，减少了热损失，提高了热效率。
4.采用流化床和固定床相结合的方式，固定床位于流化床正下方，两个旋风分离器以及返料器也位于流化床两侧呈对称分布，与一般的流化床以及后续连接的催化裂解装置相比，使得整个系统结构紧凑，工艺简单，装置占地面积小，操作灵活，便于应用和推广。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图及工艺流程图。
图中有：1.流化床气化炉、101.密相区、102.稀相区、2.流化床排渣管、3.卸料阀、4.固定床、5.固定床排渣管、6.二级返料器、7.二级立管、8.二级旋风分离器、9.一级旋风分离器、10.一级立管、11.一级返料器、a.排气口、b.氧化剂进口、c.催化剂喷射口、d.生物质进料口、e.气化剂进口、f.固定床进气口、g.水蒸气进口、h.固定床排气口、i1.排气孔、i2.二级返料风进口、j.一级返料风进口。
具体实施方式
本发明为一种低焦油双床气化装置，主要包括以下设备：流化床气化炉、旋风分离器和返料器以及固定床等。流化床气化炉1上部与一级旋风分离器9相连接，二级旋风分离器8通过管道与一级旋风分离器9相通。在流化床气化炉下部设置有排渣管2，排渣口与固定床4相通，且在排渣管2与固定床4之间安装有卸料阀3。一级旋风分离器9下部连接有一级立管10和一级返料器11，通过返料斜管连接到固定床4下部。二级旋风分离器8同样接有二级立管7、二级返料器6且通过返料斜管接到固定床4中，固定床设置排渣管5。
所述流化床气化炉设置有进料口d，在气化炉上部设置有氧化剂进口b，催化剂喷射口c，并且分别呈对称分布，催化剂喷射口位于氧化剂进口下方。
所述一级旋风分离器9与二级旋风分离器8分别位于流化床气化炉1两侧。
所述二级旋风分离器8设置有排气口a，排气口a通过管道与固定床上部进气口f连接，固定床上部设有水蒸气进口g，下部设有排气口h。
所述一级返料器11底部设有第一返料风进口j，接外部气源；二级返料器6底部设有第二返料风进口i2，通过管道与一级旋风分离器9的排气孔i1连接。
低焦油双床气化的方法为：生物质物料经过进料口d加进流化床气化炉1内，一定量的气化剂通过阀门和流量计控制由进气口e通入，在密相区经过均匀布风后生物质颗粒被流化起来，流化起来的物料颗粒在外部热源的作用下与气化剂发生一系列的气化反应，气化产物通过一个渐扩口进入稀相区继续反应。在稀相区设置有氧化剂进口b和催化剂喷射口c，氧化剂流量可由流量计进行计量控制，催化剂喷入量可由喷嘴进行流量控制。粗质燃气经过稀相区时与喷射进炉内的催化剂剧烈混合发生催化反应形成催化裂解段，然后粗质燃气与氧化剂混合接触，氧化燃烧形成富氧燃烧段，进一步发生高温氧化，在炉内减少焦油的生成。可通过控制氧化剂和催化剂的喷入量控制富氧燃烧和催化裂解的反应程度。气化炉内的残渣包括焦炭颗粒通过排渣管2进入到固定床4中。气化后的可燃气携带着焦油和灰分颗粒经过流化床气化炉1上部进入到一级旋风分离器9，实现第一步的气固分离，紧接着从一级旋风分离器出来的气体进入二级旋风分离器8，对气体进行进一步的净化。两次分离出来的固体颗粒分别经过一级返料器11和二级返料器6进入到固定床4与气化炉排出的残渣共同形成催化床层。从二级旋风分离器8出来的经过净化后的气化气体通过固定床进气口f进入到固定床4，先与水蒸气发生重整反应，然后经过固定催化床层发生又一次的催化转化，洁净的可燃气通过固定床下部排气口h排出，残渣灰分经过排渣口5排出炉外。
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
生物质颗粒进入流化床气化炉1中，与气化剂发生一系列化学反应，气化温度约为600℃，气化初产物进入稀相区102，先与喷射进入床内的催化剂发生催化反应，焦油催化裂解，浓度降低，催化裂解反应温度约750℃，然后与上部通入的氧化剂发生氧化燃烧反应，形成一个高温区，约为1050℃。此时，气化后的炉渣经过排渣管2进入到固定床4中，携带飞灰颗粒的气化气体经过一级旋风分离器9、二级旋风分离器8实现气固分离，分离出来的残炭颗粒经过一级返料器11、二级返料器6进入到固定床4，与炉渣共同形成催化床层。从旋风分离器出来的可燃气进入到固定床上部，与进口g进入的水蒸气发生重整反应，且穿过催化床层，焦油被进一步催化裂解，固定床内反应温度750℃。洁净的可燃气从排气口h排出，残渣灰分经过排渣口5排出炉外。
实施例2
生物质颗粒进入流化床气化炉1中，与气化剂发生一系列化学反应，气化温度约为750℃，气化初产物进入稀相区102，先与喷射进入床内的催化剂发生催化反应，焦油催化裂解，浓度降低，催化裂解反应温度约700℃，然后与上部通入的氧化剂发生氧化燃烧反应，形成一个高温区，约为950℃。此时，气化后的炉渣经过排渣管2进入到固定床4中，携带飞灰颗粒的气化气体经过一级旋风分离器9、二级旋风分离器8实现气固分离，分离出来的残炭颗粒经过一级返料器11、二级返料器6进入到固定床4，与炉渣共同形成催化床层。从旋风分离器出来的可燃气进入到固定床上部，与进口g进入的水蒸气发生重整反应，且穿过催化床层，焦油被进一步催化裂解，固定床内反应温度800℃。洁净的可燃气从排气口h排出，残渣灰分经过排渣口5排出炉外。
实施例3
生物质颗粒进入流化床气化炉1中，与气化剂发生一系列化学反应，气化温度约为700℃，气化初产物进入稀相区102，先与喷射进入床内的催化剂发生催化反应，焦油催化裂解，浓度降低，催化裂解反应温度约850℃，然后与上部通入的氧化剂发生氧化燃烧反应，形成一个高温区，约为1200℃。此时，气化后的炉渣经过排渣管2进入到固定床4中，携带飞灰颗粒的气化气体经过一级旋风分离器9、二级旋风分离器8实现气固分离，分离出来的残炭颗粒经过一级返料器11、二级返料器6进入到固定床4，与炉渣共同形成催化床层。从旋风分离器出来的可燃气进入到固定床上部，与进口g进入的水蒸气发生重整反应，且穿过催化床层，焦油被进一步催化裂解，固定床内反应温度850℃。洁净的可燃气从排气口h排出，残渣灰分经过排渣口5排出炉外。
实施例4
生物质颗粒进入流化床气化炉1中，与气化剂发生一系列化学反应，气化温度约为650℃，气化初产物进入稀相区102，先与喷射进入床内的催化剂发生催化反应，焦油催化裂解，浓度降低，催化裂解反应温度约800℃，然后与上部通入的氧化剂发生氧化燃烧反应，形成一个高温区，约为1100℃。此时，气化后的炉渣经过排渣管2进入到固定床4中，携带飞灰颗粒的气化气体经过一级旋风分离器9、二级旋风分离器8实现气固分离，分离出来的残炭颗粒经过一级返料器11、二级返料器6进入到固定床4，与炉渣共同形成催化床层。从旋风分离器出来的可燃气进入到固定床上部，与进口g进入的水蒸气发生重整反应，且穿过催化床层，焦油被进一步催化裂解，固定床内反应温度800℃。洁净的可燃气从排气口h排出，残渣灰分经过排渣口5排出炉外。
实施例5
生物质颗粒进入流化床气化炉1中，与气化剂发生一系列化学反应，气化温度约为700℃，气化初产物进入稀相区102，先与喷射进入床内的催化剂发生催化反应，焦油催化裂解，浓度降低，催化裂解反应温度约800℃，然后与上部通入的氧化剂发生氧化燃烧反应，形成一个高温区，约为1000℃。此时，气化后的炉渣经过排渣管2进入到固定床4中，携带飞灰颗粒的气化气体经过一级旋风分离器9、二级旋风分离器8实现气固分离，分离出来的残炭颗粒经过一级返料器11、二级返料器6进入到固定床4，与炉渣共同形成催化床层。从旋风分离器出来的可燃气进入到固定床上部，与进口g进入的水蒸气发生重整反应，且穿过催化床层，焦油被进一步催化裂解，固定床内反应温度750℃。洁净的可燃气从排气口h排出，残渣灰分经过排渣口5排出炉外。

Claims (9)

1.一种低焦油双床气化装置，其特征在于：该装置包括流化床气化炉(1)、固定床(4)、一级旋风分离器(9)、二级旋风分离器(8)、与所述一级旋风分离器(9)下部连接的一级立管(10)、与所述一级立管(10)下端连接的一级返料器(11)、与所述二级旋风分离器(8)下部连接的二级立管(7)、与所述二级立管(7)下端连接的二级返料器(6)，所述流化床气化炉(1)下部设置有排渣管(2)，所述排渣管(2)的排渣口通过卸料阀(3)与固定床(4)连接，所述一级返料器(11)的返料口通过返料斜管连接到固定床(4)下部，所述二级返料器(6)的返料口通过另一个返料斜管接到固定床(4)中，固定床(4)底部设置有排渣管(5)，所述二级旋风分离器(8)的进气口通过管道与一级旋风分离器(9)的排气口相通。
2.根据权利要求1所述的低焦油双床气化装置，其特征在于，所述流化床气化炉(1)设置有进料口(d)，在流化床气化炉(1)上对称设置有两个氧化剂进口(b)，在氧化剂进口(b)以下的位置，流化床气化炉(1)上对称设置有两个催化剂喷射口(c)。
3.根据权利要求2所述的低焦油双床气化装置，其特征在于，所述流化床气化炉(1)包括从下至上依次连接的密相区(101)、过渡段、稀相区(102)，所述密相区(101)的直径为D，高度为H，稀相区(102)的直径为6D/5，高度为4D，所述氧化剂进口(b)与稀相区(102)顶部的间距为3H/4，催化剂喷射口(c)与氧化剂进口(b)的高度差为2H。
4.根据权利要求3所述的低焦油双床气化装置，其特征在于，所述过渡段为连接密相区(101)和稀相区(102)的一个渐扩口。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的低焦油双床气化装置，其特征在于，所述一级旋风分离器(9)与二级旋风分离器(8)分别位于流化床气化炉(1)两侧。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的低焦油双床气化装置，其特征在于，所述二级旋风分离器(8)设置有排气口(a)，所述排气口(a)通过管道与固定床(4)上部进气口(f)连接，固定床(4)上部设有水蒸气进口(g)，下部设有排气口(h)。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的低焦油双床气化装置，其特征在于，所述一级返料器(11)底部设有第一返料风进口(j)，接外部气源；二级返料器(6)底部设有第二返料风进口(i2)，通过管道与一级旋风分离器(9)的排气孔(i1)连接。
8.一种低焦油双床气化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)生物质由进料口(d)进入密相区(101)，同时通过气化剂进口(e)将气化剂加入密相区(101)，在其中流化和气化后进入稀相区(102)，分别通过氧化剂进口(b)、催化剂喷射口(c)向稀相区(102)喷入氧化剂和催化剂粉末，气化产物依次进行催化裂解反应和高温氧化反应，完成焦油脱除净化，反应后的气化产物先后经过一级旋风分离器(9)、二级旋风分离器(8)实现气固分离，分离的气体进入固定床(4)上部，分离出来的固体颗粒分别经过一级立管(10)进入一级返料器(11)、经过二级立管(7)进入二级返料器(6)；
(2)外部风源提供的返料风经第一返料风进口(j)进入一级返料器(11)，将固体颗粒输送进入固定床(4)；一级旋风分离器(9)的排气孔(i1)提供的返料风经二级返料风进口(i2)进入二级返料器(6)，将固体颗粒输送进入固定床(4)；
(3)流化床气化炉(1)排出的灰渣与固定床(4)中的固体颗粒共同形成催化床层，进入固定床(4)中的气体先与通过水蒸气进口(g)输入的水蒸气发生重整反应，然后穿过所述催化床层，固体颗粒中的焦炭被水蒸气气化，焦油经过催化床层被催化剂进一步裂解重整转化，反应后的气体通过排气口(h)排出，反应后的灰渣由排渣口(5)排出。
9.根据权利要求7所述的低焦油双床气化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，流化床气化炉(1)的气化温度在600℃～750℃，稀相区(102)中的催化裂解反应的温度为700℃～850℃，高温氧化反应的温度为950℃～1200℃，所述步骤(3)中，固定床(4)内的反应温度在750℃～850℃。
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