CN109401789A - 一种生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置及方法，该装置包括依次连接并形成循环的连续化学链气化系统、合成气旋风分离器、化学链蒸汽重整系统、富氢气旋风分离器、空气反应系统和烟气旋风分离器。该方法将生物质干燥后与氧载体在无轴螺旋反应器连续搅动下混合均匀并反应，调节输送功率和氧载体供应量以控制合成气比例，生成的部分合成气通过温度和成分检测反馈提供系统的燃料、部分用作产品，氧载体继续与蒸汽重整生成富氢气体，之后氧载体与空气发生氧化反应重新与生物质混合，继续下一个循环。可充分有效地利用化学链气化反应中氧载体的晶格氧和氧化还原能力，梯级制取合成气和富氢气体双重产物。属化学链气化重整领域。
Description
技术领域
本发明涉及化学链气化重整技术领域，具体地说是一种生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置及方法。
背景技术
化学链气化技术主要是通过氧载体中的晶格氧代替常规气化反应的介质，向燃料提供气化反应所需要的氧元素，并通过控制晶格氧与燃料的比值，使得固体燃料气化后得到以H2和CO为主要组成成分的合成气。该技术的优点主要在于：1)氧载体循环供氧，可省去纯氧的制备；2)降低合成气的制备成本；3)无需外加热即可使气化反应持续进行；4)气化效率高；5)可供应民用燃气，也可通过调控工况达到化工产品合成的理想比值。因此，生物质经化学链气化可提升能源的品位，其应用价值明显。
单独的生物质化学链气化反应所获得的气体产物是合成气，此时需要对氧载体进行氧化再生才可以继续进行后续的循环反应，然而在这两个过程中氧载体的晶格氧和氧化还原能力未能有效地得以梯级利用，进而影响其利用效率。由于国家和社会均越来越重视节能减排，企业均尽可能减少各自技术的能源消耗水平，既可减少生产成本，又可满足和响应国家节能减排的政策，而现阶段化学链气化技术中氧载体的氧化还原过程中的能量未能梯级利用。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置，该装置能够实现梯级制取合成气和富氢气体双重产物的目的，同时实现物质的循环利用。
本发明的另一目的是提供一种生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的方法，该方法在对生物质进行化学链气化制取合成气的同时，充分利用氧载体的氧化还原能力，将水蒸气重整形成富氢气体，达到梯级利用氧载体制取合成气和富氢气体双重产物的效果。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置，包括依次连接的连续化学链气化系统、合成气旋风分离器、化学链蒸汽重整系统、富氢气旋风分离器、空气反应系统和烟气旋风分离器，烟气旋风分离器与连续化学链气化系统连接，形成制取合成气和富氢气体的循环体系。
优选地，连续化学链气化系统和合成气旋风分离器双向循环连接；合成气旋风分离器和化学链蒸汽重整系统单向双连接。
优选地，还包括用于干燥物料的干燥系统，烟气旋风分离器与干燥系统连接；连续化学链气化系统为无轴螺旋反应器，包括进料口、载体通道、合成气入口和出料口，干燥系统与进料口连接，烟气旋风分离器与载体通道连接，合成气入口与合成气旋风分离器的气体出口连接，出料口与合成气旋风分离器的进料口连接；化学链蒸汽重整系统为流化床反应器。
优选地，还包括温度传感器、合成气检测器、燃烧器和燃烧器控制器，温度传感器和燃烧器均分布设于连续化学链气化系统和化学链蒸汽重整系统内，合成气检测器设于合成气旋风分离器的气体出口处，燃烧器控制器分别与温度传感器、合成气检测器和燃烧器电连接。
优选地，合成气旋风分离器的气体出口后设有三路通路，三路通路分别与合成气储气罐、连续化学链气化系统、化学链蒸汽重整系统连接；合成气为连续化学链气化系统、化学链蒸汽重整系统内的燃烧器提供燃料；富氢气旋风分离器的出气口与富氢气体储气罐连接。
一种生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的方法，所述方法包括：将经干燥系统干燥后的生物质和已氧化的、高温的氧载体分别送入连续化学链气化系统并混合均匀，在连续化学链气化系统内，高温的氧载体与生物质接触后发生反应产生的挥发物与氧载体发生二次反应形成合成气；经过连续化学链气化反应后，被还原的氧载体和生物质的残渣进入合成气旋风分离器进行气体、固体分离得到合成气，固体排入化学链蒸汽重整系统；化学链蒸汽重整系统的下部通入水蒸气和惰性气体，惰性气体使物料保持流化状态，水蒸气与被还原的氧载体发生重整反应；经过化学链蒸汽重整反应后，部分氧化的氧载体和生物质的残渣进入富氢气旋风分离器进行气体、固体分离得到富氢气体，固体排入空气反应系统；空气反应系统的下部通入空气，空气与部分氧化的氧载体发生反应的同时使物料保持流化状态；经空气反应系统完全氧化后的氧载体和生物质残渣进入烟气旋风分离器进行气体、固体分离得到烟气，固体送入连续化学链气化系统，完成生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的一次循环；持续运行上述循环，以制取合成气和富氢气体。
优选地，物料在连续化学链气化系统的反应时间范围为15-20min。
优选地，合成气旋风分离器得到的合成气由气体出口排出并分三路输送，一路为连续化学链气化系统内的燃烧器提供燃料，一路为化学链蒸汽重整系统内的燃烧器提供燃料，另一路进入合成气储气罐用作产品。
优选地，富氢气旋风分离器得到的富氢气体，经净化后送至富氢气体储气罐用作产品；烟气旋风分离器得到的烟气为干燥系统提供干燥和加热空气的能量。
优选地，在循环过程中，如若富氢气体中氢气的浓度值降低5％，则需要向连续化学链气化系统中送入10％的新鲜氧载体，并从烟气旋风分离器分离后的固体中取出10％的氧载体进行活化以备再次使用。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.通过充分有效地利用化学链气化反应中氧载体的晶格氧和氧化还原能力，梯级制取合成气和富氢气体双重产物，系统本身的热量由自生产的部分合成气提供，部分热量由携带热量的高温氧载体提供，从而形成自供热系统，无需外加热源，节约能源。
2.合成气中氢气和一氧化碳的比例可以通过调节物料输送功率以及氧载体供应流量来控制，减化了调节合成气比例的系统；在燃烧控制系统中，通过增加由天然气供应的小火常明火引燃并保证合成气火焰不灭，同时由天然气作辅助燃烧，保证了燃烧安全；空气反应系统释放的大量热量通过热水换热器、蒸汽换热器和空气换热器为系统提供了水蒸气、热空气和干燥器的热量，实现了农林废弃物能源的梯级利用；
3.本装置价格低、实用性强，所采用的方法简便易行，并符合环保要求，可广泛地使用于生物质连续气化、农村分布式能源等农林废弃物热化学能源转化工艺中，应用前景较广。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图。
图2为本发明的方法的工艺流程图。
图中的标号和对应的零部件名称为：1为干燥系统，2为电机，3为连续化学链气化系统，4为合成气旋风分离器，5为化学链蒸汽重整系统，6为富氢气旋风分离器，7为空气反应系统，8为烟气旋风分离器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置，包括电机和依次连接的干燥系统、连续化学链气化系统、合成气旋风分离器、化学链蒸汽重整系统、富氢气旋风分离器、空气反应系统、烟气旋风分离器。连续化学链气化系统和合成气旋风分离器双向循环连接，合成气旋风分离器和化学链蒸汽重整系统单向双连接，烟气旋风分离器分别与连续化学链气化系统和干燥系统连接形成循环。
该装置还包括：还包括温度传感器、合成气检测器、燃烧器、燃烧器控制器，温度传感器和燃烧器均分布设于连续化学链气化系统和化学链蒸汽重整系统内，合成气检测器设于合成气旋风分离器的气体出口0.5m处，燃烧器控制器分别与温度传感器、合成气检测器和燃烧器电连接。合成气旋风分离器分离出的合成气作为燃料分别输送至连续化学链气化系统和化学链蒸汽重整系统内的燃烧器中。燃烧器由天然气供应的小火常明火引燃并保证火焰不灭，同时由天然气作辅助燃烧。每个系统的燃料供应量由各个系统的温度以及合成气的成分确定。
电机的速度由连续化学链气化系统的氧载体供应量和温度确定，同时需要保证物料在连续化学链气化系统的反应时间达到15-20min，热量由燃烧器燃烧合成气提供。
连续化学链气化系统为无轴螺旋反应器，包括与干燥系统连接的进料口、用于输入氧载体的载体通道和排出气体、固体产物的出料口，出料口与合成气旋风分离器的入口连接。烟气旋风分离器分离出的氧载体通过载体通道排入无轴螺旋反应器。干燥后的生物质由进料口进入无轴螺旋反应器，化学链气化的载体——氧载体由载体通道进入反应器，生物质和氧载体的比例由氧载体供应量以及控制物料输送的电机的功率确定。
化学链蒸汽重整系统为流化床反应器，化学链蒸汽重整系统的底部通入N2和水蒸气，N2和水蒸气的流量由氧载体供应量、富氢气体的浓度以及电机的转速确定，同时保证流化床内物料的流化状态。由合成气旋风分离器下部出口的已还原氧载体提供重整的主要载体，水蒸气和N2等隋性气体由底部排入，水蒸气的流量由氧载体供应量、富氢气体的浓度以及电机的转速确定，该系统的热量由燃烧器燃烧合成气提供。
合成气旋风分离器上部为合成气出口，排出的合成气分三路，一路给连续化学链气化系内的燃烧器提供燃料，一路给化学链蒸汽重整系统内的燃烧器提供燃料，另一路进入合成气储气罐用作产品。下部为固体产物出口，与化学链蒸汽重整系统相连通。
富氢气旋风分离器上部为富氢气体出口，富氢气排出经净化后进入富氢气储气罐为客户提供产品，下部为固体产物出口，与空气反应系统相连通。
空气反应系统为流化床反应器，由富氢气旋风分离器排出的氧载体提供主要载体，空气反应系统的底部通入空气，空气的流量由氧载体的供应量以及电机的速度反馈进行调节并保证流化床内物料的流化状态。空气的流量由氧载体的供应量以及电机的转速确定；该系统产生的热量用于提供水的热量，使之形成水蒸气。
烟气旋风分离器上部为烟气出口，用于为干燥系统提供干燥的能量，以及加热空气；下部为固体产物出口，与连续化学链气化系统相连通。
生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的方法，包括以下步骤：
生物质经过干燥系统干燥后由进料口进入连续化学链气化系统。
已氧化后的氧载体由载体通道进入连续化学链气化系统，并与生物质混合，通过调控电机的转速，带动无轴螺旋反应器连续搅动，使生物质与氧载体混合均匀，同时高温的氧载体与生物质接触后发生反应产生的挥发物再与连续化学链气化系统内部的氧载体发生二次反应形成合成气，并且需要保证物料在连续化学链气化系统的反应时间达到15-20min。
经过化学链气化反应后，氧载体和生物质的残渣进入合成气旋风分离器，合成气由上部的合成气出口排出，通过调控合成气的流量，一路给连续化学链气化系统内的燃烧器提供燃料，一路给化学链蒸汽重整系统内的燃烧器提供燃料，另一路进入合成气储气罐用作产品。固体产物由下部的固体产物出口排出并进入化学链蒸汽重整系统；连续化学链气化系统和化学链蒸汽重整系统内的燃烧器燃料供应量由各自系统的温度以及合成气的成分确定。
在化学链蒸汽重整系统中，下部通过N2保证流化床内物料的流化状态，水蒸气由下部通入并与被还原的氧载体发生重整反应，富氢气旋风分离器的富氢气体出口排出富氢气体，富氢气体经净化后送至富氢气储气罐用作产品，固体产物由下部的固体产物出口排出并进入空气反应系统。N2和水蒸气的流量由氧载体供应量、富氢气体的浓度以及电机的转速确定，同时保证流化床内物料的流化状态。
在空气反应系统中，空气由下部通入与氧载体发生反应，反应后的产物排入烟气旋风分离器。空气的流量由氧载体的供应量以及电机的速度反馈进行调节并保证流化床内物料的流化状态；空气反应系统的热量用于加热水形成水蒸气，并供应到化学链蒸汽重整系统。
在烟气旋风分离器中，已氧化的氧载体通过固体产物出口排出并由载体通道进入连续化学链气化系统，同时高温的氧载体把热量带至连续化学链气化系统用于化学链气化反应；烟气由烟气出口排出，通过热交换器为干燥系统提供干燥的能量，以及加热空气，最后经过尾气处理后排空。同时，检测氧载体的供应量来反馈确定物料输送功率，达到控制生物质与氧载体混合比例的目的，至此完成生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的一个循环。
通过不断地循环，达到连续运行的目标，同时通过检测富氢气体中氢气的浓度值，如若富氢气体中氢气的浓度值降低5％，则需要向连续化学链气化系统中送入10％的新鲜氧载体，并从烟气旋风分离器分离后的固体中取出10％的氧载体进行活化以备再次使用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置，其特征在于：包括依次连接的连续化学链气化系统、合成气旋风分离器、化学链蒸汽重整系统、富氢气旋风分离器、空气反应系统和烟气旋风分离器，烟气旋风分离器与连续化学链气化系统连接，形成制取合成气和富氢气体的循环体系。
2.按照权利要求1所述的生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置，其特征在于：连续化学链气化系统和合成气旋风分离器双向循环连接；合成气旋风分离器和化学链蒸汽重整系统单向双连接。
3.按照权利要求2所述的生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置，其特征在于：还包括用于干燥物料的干燥系统，烟气旋风分离器与干燥系统连接；连续化学链气化系统为无轴螺旋反应器，包括进料口、载体通道、合成气入口和出料口，干燥系统与进料口连接，烟气旋风分离器与载体通道连接，合成气入口与合成气旋风分离器的气体出口连接，出料口与合成气旋风分离器的进料口连接；化学链蒸汽重整系统为流化床反应器。
4.按照权利要求3所述的生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置，其特征在于：还包括温度传感器、合成气检测器、燃烧器和燃烧器控制器，温度传感器和燃烧器均分布设于连续化学链气化系统和化学链蒸汽重整系统内，合成气检测器设于合成气旋风分离器的气体出口处，燃烧器控制器分别与温度传感器、合成气检测器和燃烧器电连接。
5.按照权利要求4所述的生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的装置，其特征在于：合成气旋风分离器的气体出口后设有三路通路，三路通路分别与合成气储气罐、连续化学链气化系统、化学链蒸汽重整系统连接；合成气为连续化学链气化系统、化学链蒸汽重整系统内的燃烧器提供燃料；富氢气旋风分离器的出气口与富氢气体储气罐连接。
6.一种生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的方法，其特征在于：所述方法包括：
将经干燥系统干燥后的生物质和已氧化的、高温的氧载体分别送入连续化学链气化系统并混合均匀，在连续化学链气化系统内，高温的氧载体与生物质接触后发生反应产生的挥发物与氧载体发生二次反应形成合成气；
经过连续化学链气化反应后，被还原的氧载体和生物质的残渣进入合成气旋风分离器进行气体、固体分离得到合成气，固体排入化学链蒸汽重整系统；
化学链蒸汽重整系统的下部通入水蒸气和惰性气体，惰性气体使物料保持流化状态，水蒸气与被还原的氧载体发生重整反应；
经过化学链蒸汽重整反应后，部分氧化的氧载体和生物质的残渣进入富氢气旋风分离器进行气体、固体分离得到富氢气体，固体排入空气反应系统；
空气反应系统的下部通入空气，空气与部分氧化的氧载体发生反应的同时使物料保持流化状态；
经空气反应系统完全氧化后的氧载体和生物质残渣进入烟气旋风分离器进行气体、固体分离得到烟气，固体送入连续化学链气化系统，完成生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的一次循环；
持续运行上述循环，以制取合成气和富氢气体。
7.按照权利要求6所述的生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的方法，其特征在于：物料在连续化学链气化系统的反应时间范围为15-20min。
8.按照权利要求6所述的生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的方法，其特征在于：合成气旋风分离器得到的合成气由气体出口排出并分三路输送，一路为连续化学链气化系统内的燃烧器提供燃料，一路为化学链蒸汽重整系统内的燃烧器提供燃料，另一路进入合成气储气罐用作产品。
9.按照权利要求6所述的生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的方法，其特征在于：富氢气旋风分离器得到的富氢气体，经净化后送至富氢气体储气罐用作产品；烟气旋风分离器得到的烟气为干燥系统提供干燥和加热空气的能量。
10.按照权利要求6所述的生物质化学链气化重整梯级制取合成气和富氢气体的方法，其特征在于：在循环过程中，如若富氢气体中氢气的浓度值降低5％，则需要向连续化学链气化系统中送入10％的新鲜氧载体，并从烟气旋风分离器分离后的固体中取出10％的氧载体进行活化以备再次使用。
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