CN110643382A - 一种基于化学链的生物质油气联产装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于化学链的生物质油气联产装置及方法；包括热解炉、化学链气化反应器以及冷凝装置；热解炉顶部设有第一旋风分离器；燃料反应室侧面与第二螺旋进料器连通，底部设有流化气管道入口，氧化反应室的侧面连接氧化气管道入口，顶部连接第一旋风分离器；生物质与载氧体在热解反应器发生热解反应，热解气经过冷凝装置冷却后生物油存储在储油罐同时不凝结气体被排出，固体产物进入燃料反应室气化，反应后在流化气的作用下产物进入氧化反应室，在水蒸气的氧化条件下生成富氢气化气，同时载氧体经过气固分离重新进入热解反应器。该装置及方法采用生物质作为原料，通过梯级利用同时制备生物油与气化气，提高生物质的利用品质。
Description
技术领域
本发明涉及生物质油气联产的化工和能源利用领域，尤其涉及一种基于化学链的生物质油气联产装置及方法。
背景技术
储量丰富、容易获得的生物质是可替代化石能源的重要燃料，它的开发利用对于缓解能源不足、环境污染问题有着重要意义。通过生物质热解、气化工艺制备生物燃油、合成气等高品位燃料，有利于提高生物质的高品质利用。
生物质热解是复杂的物理化学过程，通过裂解生物质中的碳氢化合物形成三种产物：液体(生物油)，固体(焦炭)，气体(可燃气)。传统的热裂解技术在惰性气氛、中温常压及短停留时间内实现生物质全组分热裂解制取高收率生物油，并联产少量的热解气和焦，但其副产物可燃气被惰性气体稀释，回收利用困难，造成热值较低。
当前生物质化学链气化技术利用载氧体提供晶格氧制取高收率的气化气和少量焦油，但是气化气经过冷凝后仍有少量的焦油存在。为取得合格的生物质燃气,现有的多数工艺采用水洗或者二次裂解的方法减少燃气中焦油，造成了大量水资源的浪费和焦油中所含的能量被浪费，或者二次热解添加催化剂造成气化气的制取成本增加。
基于此，设计一种基于化学链的生物质油气联产装置，实现生物质的梯级利用。既收集到热解出的生物油，并从中提取高价值化学品(左旋葡聚糖等)，可实现生物质资源的高值化利用和目标产物的灵活可调；也收集到气化气，实现高品质的利用。
发明内容
本发明的目的在于结合生物质热解技术与化学链气化方式，提供一种基于化学链的生物质油气联产装置及方法，获得高品质的生物油与气化气，实现生物质的高效梯级利用。既收集到热解出的生物油，并从中提取高价值化学品(左旋葡聚糖等)，可实现生物质资源的高值化利用和目标产物的灵活可调；也收集到气化气，实现高品质的利用。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于化学链的生物质油气联产装置，包括生物质热解反应器2、化学链气化反应器、第一旋风分离器10、第二旋风分离器11、冷凝装置和流化气管道；
所述化学链气化反应器分为燃料反应室8和氧化反应室9；
所述冷凝装置包括冷凝器4和储油罐5；
所述流化气管道包括可互通的：不凝结热解气管道Ⅰ、流化气主管道Ⅱ、气化气分管道Ⅲ和CO2管道Ⅳ；
所述燃料反应室8的底部设有布风板7，并连接流化气主管道Ⅱ；
所述生物质热解反应器2的顶壁具有两个接口，第一个接口通过管路依次连通冷凝器4和储油罐5，第二个接口连接第一旋风分离器10的底部；所述储油罐5上部连接不凝结热解气管道Ⅰ；
所述氧化反应室9的顶部通过管路连通第一旋风分离器10的侧气体入口；第一旋风分离器10顶部气体出口连通第二旋风分离器11的侧气体入口，第二旋风分离器11顶部气体出口通过气化气主管道Ⅴ连接气化气分管道Ⅲ；
所述生物质热解反应器2内相对应的侧壁上，自上而下交错设置有多块向下倾斜、且相互间隔的挡料板3；
所述生物质热解反应器2底部设置有用于将反应后的固体产物送到燃料反应室8的螺旋输料器6。
所述生物质热解反应器2上侧壁设置有第一螺旋进料器1；所述燃料反应室8的侧壁设置有第二螺旋进料器12。
所述不凝结热解气管道Ⅰ、气化气分管道Ⅲ和CO2管道Ⅳ的管路上均装有阀门。
所述第二旋风分离器11的出口气体再引入气化反应器中作为流化气，并从中抽取一部分气体作为气化气产物，该支路设有流量控制阀。
所述燃料反应室8与氧化反应室9相连接，且均为快速流化床，启动阶段通入CO2作为流化气，稳定运行后使用气体产物再循环作为流化气，不再通入CO2。
所述冷凝器为管壳式换热器，通过泵驱动循环水进行冷却。
所述氧化反应室9侧端设有水蒸气入口管道，以向上45°接入，水蒸气由蒸汽发生器产生。
一种基于化学链的生物质油气联产方法，其包括如下步骤：
步骤一：第二螺旋进料器12将载氧体颗粒装入燃料反应室8作为床料，将床料预热至800-900℃；打开蒸汽发生器，使水蒸气充满整个氧化反应室9并保持稳定；打开流化气主管道Ⅱ上的流化气阀门，使载氧体颗粒在生物质热解反应器2与气化反应器间稳定循环流动，通过调整流化气流量控制生物质热解反应器2的温度始终维持在400-500℃；
步骤二：将生物质原料从第一螺旋进料器1进入生物质热解反应器2中进行热解，载氧体从第一旋风分离器10的底部进入生物质热解反应器2，在下落过程中倾斜的挡料板3增强生物质和载氧体的接触与导热；在载氧体的催化调质作用下，生物质裂解为生物质炭和热解气，反应后固体产物从生物质热解反应器2底部通过螺旋输料器6进入气化反应器，热解气从生物质热解反应器2的顶部进入冷凝器4进行冷凝，被冷凝成液态的生物质油存储在储油罐中，不凝结气体通过不凝结热解气管道Ⅰ连接流化气主管道Ⅱ进入气化反应器；
步骤三：燃料反应室8底部设有布风板7，固体产物(包括生物质炭和载氧体)和流化气在燃料反应室8中气化，从而转化为H2、CO、CO2、CH4等小分子，同时生物质炭与流化气中的CO2和H2O进行氧化还原反应；以载氧体Ca2Fe2O5为例，载氧体被还原成单质Fe和CaO，发生的主要化学反应式：
C+Ca2Fe2O5→CO+CO2+Fe+CaO
C+CO2→2CO
CH4+Ca2Fe2O5→CO+CO2+H2+H2O+Fe+CaO
Tar+Ca2Fe2O5→CO+CO2+H2+H2O+CmHn+Fe+CaO
C+H2O→CO+H2
步骤四：进入燃料反应室8后的水蒸气不仅与生物质炭发生反应，同时将部分被还原的载氧体氧化，燃料反应室8反应生成的气化气和固体产物进入氧化反应室9，在水蒸气的氧化作用下，还原的载氧体继续被氧化以及水蒸气转化为H2，同时在氧化反应室9发生水煤气反应，生成富氢气化气，发生的化学反应式：
Fe+CaO+H2O→Ca2Fe2O5+H2
CO+H2O→CO2+H2；
步骤五：反应后的产物进入第一旋风分离器10进行分离，载氧体从第一旋风分离器10底部重新进入生物质热解反应器2，气体和生物质灰进入第二旋风分离器11，经过分离后从第二旋风分离器11底部收集生物质灰，第二旋风分离器11的气体出口再引入气化反应器中作为流化气，并从中抽取一部分气体作为气化气产物。
上述载氧体为钙铁复合氧化物，包括：Ca2Fe2O5、Ca2Fe2O5/MgO、Ca2Fe2O5/CaO。
上述步骤一所述燃料反应器内的氧载体由第二螺旋进料器补给；
上述步骤四中起着补充和调节作用的水蒸气喷入流量较低，以减少蒸汽发生器能耗。蒸汽发生器的能量供给来自冷凝器交换的热量。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1)采用Ca2Fe2O5、Ca2Fe2O5/MgO、Ca2Fe2O5/CaO作为氧载体，在与生物炭反应的还原阶段释放晶格氧，在水蒸气氧化下直接恢复原有晶格氧，可省去空气反应器，降低系统的复杂程度。
2)钙铁复合氧化物载氧体在除了为生物质气化提供氧，还在其热解制备生物油阶段起催化调质的作用，并且热解气进入化学链气化炉里面实现二次反应，利用能量的同时降低气化气中焦油含量。
3)高温的载氧体从氧化反应室进入热解炉，可实现生物质热解的自热平衡。
4)使用水蒸气作为氧化气，避免氮的引入，同时增加气化气中的H2含量。
5)生物质热解炉内挡料板的设计可增强载氧体颗粒与生物质原料的接触与导热，延长停留时间，保证生物质的充分热解。
附图说明
图1为本发明基于化学链的生物质油气联产装置的结构示意图。
附图标记说明：第一螺旋进料器1；生物质热解反应器2；挡料板3；冷凝器4；储油罐5；螺旋进料器6；布风板7；燃料反应室8；氧化反应室9；第一旋风分离器10；第二旋风分离器11；第二螺旋进料器12；a表示不凝结热解气；b表示流化气；c表示氧化气；d表示气化气产物；不凝结热解气管道Ⅰ；流化气主管道Ⅱ；气化气分管道Ⅲ；CO2管道Ⅳ；气化气主管道Ⅴ。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1所示。本发明公开了一种基于化学链的生物质油气联产装置，包括生物质热解反应器2、化学链气化反应器、第一旋风分离器10、第二旋风分离器11、冷凝装置和流化气管道；
所述化学链气化反应器分为燃料反应室8和氧化反应室9；
所述冷凝装置包括冷凝器4和储油罐5；
所述流化气管道包括可互通的：不凝结热解气管道Ⅰ、流化气主管道Ⅱ、气化气分管道Ⅲ和CO2管道Ⅳ；
所述燃料反应室8的底部设有布风板7，并连接流化气主管道Ⅱ；
所述生物质热解反应器2的顶壁具有两个接口，第一个接口通过管路依次连通冷凝器4和储油罐5，第二个接口连接第一旋风分离器10的底部；所述储油罐5上部连接不凝结热解气管道Ⅰ；
所述氧化反应室9的顶部通过管路连通第一旋风分离器10的侧气体入口；第一旋风分离器10顶部气体出口连通第二旋风分离器11的侧气体入口，第二旋风分离器11顶部气体出口通过气化气主管道Ⅴ连接气化气分管道Ⅲ；
所述生物质热解反应器2内相对应的侧壁上，自上而下交错设置有多块向下倾斜、且相互间隔的挡料板3；
所述生物质热解反应器2底部设置有用于将反应后的固体产物送到燃料反应室8的螺旋输料器6。
所述生物质热解反应器2上侧壁设置有第一螺旋进料器1；所述燃料反应室8的侧壁设置有第二螺旋进料器12。
所述不凝结热解气管道Ⅰ、气化气分管道Ⅲ和CO2管道Ⅳ的管路上均装有阀门。
所述第二旋风分离器11的出口气体再引入气化反应器中作为流化气，并从中抽取一部分气体作为气化气产物，该支路设有流量控制阀。
所述燃料反应室8与氧化反应室9相连接，且均为快速流化床，启动阶段通入CO2作为流化气，稳定运行后使用气体产物再循环作为流化气，不再通入CO2。
所述冷凝器为管壳式换热器，通过泵驱动循环水进行冷却。
所述氧化反应室9侧端设有水蒸气入口管道，以向上45°接入，水蒸气由蒸汽发生器产生。
下面通过实施例，具体说明本发明基于化学链的生物质油气联产工艺：
实施例1
在第二螺旋进料器12中将一定量的载氧体颗粒(Ca2Fe2O5)装入燃料反应室8作为床料，将床料预热至800℃。打开蒸汽发生器，待水蒸气充满整个氧化反应室9并保持稳定，打开流化气阀门使载氧体颗粒在热解反应器2与气化反应器间稳定循环流动，通过调整流化气流量控制热解反应器2的温度始终维持在450℃。将生物质原料(稻秆)从第一螺旋进料器1进入热解反应器2中，在挡料板3的作用下生物质与载氧体充分混合并进行热解反应。通过螺旋输料器6将反应后的固体产物送到燃料反应室8，同时不凝结热解气管道Ⅰ、流化气CO2管道Ⅳ、气化气管道Ⅲ三个支管道的气体在主管道Ⅱ汇合并进入气化反应室；载氧体释放晶格氧进行气化反应，同时载氧体(Ca2Fe2O5)在燃料反应室被还原成单质Fe和CaO。反应后在流化气的作用下产物进入氧化反应室9，在水蒸气的氧化作用下，单质Fe和CaO被氧化成Ca2Fe2O5以及水蒸气转化为H2，同时在氧化反应室9发生水煤气反应，生成富氢气化气。通过第一旋风分离器10实现再生的载氧体与流化气分离，在第二旋风分离器实现气化气和生物质灰分离，载氧体进入热解反应器2循环使用。待系统稳定运行后，第二旋风分离器的出口气体再引入气化反应器中作为流化气，并从中抽取一部分气体作为气化气产物。
实施例2
在第二螺旋进料器12中将一定量的载氧体颗粒(Ca2Fe2O5/MgO)装入燃料反应室8作为床料，将床料预热至850℃。打开蒸汽发生器，待水蒸气充满整个氧化反应室9并保持稳定，打开流化气阀门使载氧体颗粒在热解反应器2与气化反应器间稳定循环流动，通过调整流化气流量控制热解反应器2的温度始终维持在480℃。将生物质原料(棉秆)从第一螺旋进料器1进入热解反应器2中，在挡料板3的作用下生物质与载氧体充分混合并进行热解反应。通过螺旋输料器6将反应后的固体产物送到燃料反应室8，同时不凝结热解气管道Ⅰ、流化气CO2管道Ⅳ、气化气管道Ⅲ三个支管道的气体在主管道Ⅱ汇合并进入气化反应室，载氧体释放晶格氧进行气化反应，载氧体(Ca2Fe2O5/MgO)被还原成Mg1-xFexO和CaO。反应后在流化气的作用下产物进入氧化反应室9，在水蒸气的氧化作用下，载氧体被氧化并恢复其晶格氧以及水蒸气转化为H2，同时在氧化反应室9发生水煤气反应，生成富氢气化气。氧化反应室载氧体变化的反应式为Mg1-xFexO+CaO+H2O→Ca2Fe2O5/MgO+H2。通过第一旋风分离器10实现再生的载氧体与流化气分离，在第二旋风分离器实现气化气和生物质灰分离，载氧体进入热解反应器2循环使用。待系统稳定运行后，第二旋风分离器的出口气体再引入气化反应器中作为流化气，并从中抽取一部分气体作为气化气产物。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他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 (7)
1.一种基于化学链的生物质油气联产装置，其特征在于：包括生物质热解反应器(2)、化学链气化反应器、第一旋风分离器(10)、第二旋风分离器(11)、冷凝装置和流化气管道；
所述化学链气化反应器分为燃料反应室(8)和氧化反应室(9)；
所述冷凝装置包括冷凝器(4)和储油罐(5)；
所述流化气管道包括可互通的：不凝结热解气管道Ⅰ、流化气主管道Ⅱ、气化气分管道Ⅲ和CO2管道Ⅳ；
所述燃料反应室(8)的底部设有布风板(7)，并连接流化气主管道Ⅱ；
所述生物质热解反应器(2)的顶壁具有两个接口，第一个接口通过管路依次连通冷凝器(4)和储油罐(5)，第二个接口连接第一旋风分离器(10)的底部；所述储油罐(5)上部连接不凝结热解气管道Ⅰ；
所述氧化反应室(9)的顶部通过管路连通第一旋风分离器(10)的侧气体入口；第一旋风分离器(10)顶部气体出口连通第二旋风分离器(11)的侧气体入口，第二旋风分离器(11)顶部气体出口通过气化气主管道Ⅴ连接气化气分管道Ⅲ；
所述生物质热解反应器(2)内相对应的侧壁上，自上而下交错设置有多块向下倾斜、且相互间隔的挡料板(3)；
所述生物质热解反应器(2)底部设置有用于将反应后的固体产物送到燃料反应室(8)的螺旋输料器(6)。
2.根据权利要求1所述基于化学链的生物质油气联产装置，其特征在于：所述生物质热解反应器(2)上侧壁设置有第一螺旋进料器(1)；所述燃料反应室(8)的侧壁设置有第二螺旋进料器(12)。
3.根据权利要求2所述基于化学链的生物质油气联产装置，其特征在于：所述氧化反应室(9)侧壁设有水蒸气入口管道，以向上45°接入，水蒸气由蒸汽发生器产生。
4.根据权利要求3所述基于化学链的生物质油气联产装置，其特征在于：所述冷凝器(4)为管壳式换热器，通过泵驱动循环水进行冷却。
5.根据权利要求4所述基于化学链的生物质油气联产装置，其特征在于：所述不凝结热解气管道Ⅰ、气化气分管道Ⅲ和CO2管道Ⅳ的管路上均装有阀门。
6.一种基于化学链的生物质油气联产方法，其特征在于通过权利要求5所述基于化学链的生物质油气联产装置实现，其包括如下步骤：
步骤一：第二螺旋进料器(12)将载氧体颗粒装入燃料反应室(8)作为床料，将床料预热至800-900℃；打开蒸汽发生器，使水蒸气充满整个氧化反应室(9)并保持稳定；打开流化气主管道Ⅱ上的流化气阀门，使载氧体颗粒在生物质热解反应器(2)与气化反应器间稳定循环流动，通过调整流化气流量控制生物质热解反应器(2)的温度始终维持在400-500℃；
步骤二：将生物质原料从第一螺旋进料器(1)进入生物质热解反应器(2)中进行热解，载氧体从第一旋风分离器(10)的底部进入生物质热解反应器(2)，在下落过程中倾斜的挡料板(3)增强生物质和载氧体的接触与导热；在载氧体的催化调质作用下，生物质裂解为生物质炭和热解气，反应后固体产物从生物质热解反应器(2)底部通过螺旋输料器(6)进入气化反应器，热解气从生物质热解反应器(2)的顶部进入冷凝器(4)进行冷凝，被冷凝成液态的生物质油存储在储油罐中，不凝结气体通过不凝结热解气管道Ⅰ连接流化气主管道Ⅱ进入气化反应器；
步骤三：燃料反应室(8)底部设有布风板(7)，固体产物和流化气在燃料反应室(8)中气化，从而转化为H2、CO、CO2、CH4小分子，同时生物质炭与流化气中的CO2和H2O进行氧化还原反应；
步骤四：进入燃料反应室(8)后的水蒸气不仅与生物质炭发生反应，同时将部分被还原的载氧体氧化，燃料反应室(8)反应生成的气化气和固体产物进入氧化反应室(9)，在水蒸气的氧化作用下，还原的载氧体继续被氧化以及水蒸气转化为H2，同时在氧化反应室(9)发生水煤气反应，生成富氢气化气，发生的化学反应式：
Fe+CaO+H2O→Ca2Fe2O5+H2
CO+H2O→CO2+H2；
步骤五：反应后的产物进入第一旋风分离器(10)进行分离，载氧体从第一旋风分离器(10)底部重新进入生物质热解反应器(2)，气体和生物质灰进入第二旋风分离器(11)，经过分离后从第二旋风分离器(11)底部收集生物质灰，第二旋风分离器(11)的气体出口再引入气化反应器中作为流化气，并从中抽取一部分气体作为气化气产物。
7.根据权利要求6所述基于化学链的生物质油气联产方法，其特征在于步骤一所述载氧体为钙铁复合氧化物，包括：Ca2Fe2O5、Ca2Fe2O5/MgO、Ca2Fe2O5/CaO。
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