CN114479953B - 一种利用生物质制备合成气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用生物质制备合成气的装置，属于生物质利用领域。该装置包括热解室以及套设在热解室外部的换热室和分级气化室，热解室的顶端设置有生物质进料口和挥发分出口，其底端设置有固体产物出口；换热室的上方设置有合成气出口，该换热室的下方通过气固分离器与分级气化室连接；分级气化室的两侧与气体混合器连接，同时该分级气化室的下方设置有切向布风器，气体混合器与分级气化室连接的位置位于固体产物出口的上方，以将分级气化室分为重整区和初步气化区。本发明通过三个相对独立的空间实现烘焙热解、分级气化和余热利用，并保证物体的连续性及反应的稳定性，便于对气氛和温度等反应条件进行精准控制，简化了洁净合成气的制备工艺。

Description

一种利用生物质制备合成气的装置
技术领域
本发明属于生物质利用领域，更具体地，涉及一种利用生物质制备合成气的装置。
背景技术
生物质作为唯一含碳的可再生资源，在化石燃料枯竭及环境问题日益严峻化的背景下受到了广泛关注。实现生物质资源的有效利用是实现可持续发展的一个重要途径。通过气化的方式可以将生物质转化为高附加值的气体产物，具有取代传统化石燃料可燃气的潜力。但是焦油作为生物质气化的一种副产物，对下游合成气利用设备造成严重威胁，因此开发新的技术降低合成气中焦油的含量受到了工业界的重视。
生物炭催化焦油重整是指引入热解生物炭作为催化剂促进焦油裂解，可以显著降低气体产物中的焦油含量，因此被认为很有发展前景。虽然生物质气化过程中也会生成生物炭，但是由于通入了气化剂，使得生物炭的孔隙结构难以发展，也难以产生具有催化活性的表面官能团，无法满足生物炭催化焦油重整的需要。因此，现有生物炭催化焦油重整技术均采用的是预先制备生物炭然后将其补充到重整炉做催化剂的方法，不仅需要增添额外的制炭装置和挥发分重整炉，还造成了生物质组分的浪费和系统整体效率的降低，提高了系统的复杂度及运营维护成本。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用生物质制备合成气的装置，旨在解决现有的生物质气化系统整体效率低、系统复杂、维护成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用生物质制备合成气的装置，该装置包括设置在中心的热解室以及套设在所述热解室外部的换热室和分级气化室，所述热解室的顶端设置有生物质进料口和挥发分出口，其底端设置有固体产物出口，并且该固体产物出口位于所述分级气化室的内部，用于向所述分级气化室提供生物炭；
所述换热室的上方设置有合成气出口，同时该换热室的下方通过气固分离器与分级气化室连接，以将生物质气化产生的合成气送入所述换热室并为所述热解室提供热量；
所述分级气化室的两侧与气体混合器连接，同时该分级气化室的下方设置有切向布风器，所述气体混合器与分级气化室连接的位置位于所述固体产物出口的上方，以将所述分级气化室由上至下分为重整区和初步气化区，所述切向布风器在所述初步气化区形成旋转气流，以流化所述生物炭并进行初步气化；所述气体混合器的入口分别与挥发分和水蒸气连接，以对所述生物炭进行二次气化并催化挥发分重整。
作为进一步优选的，所述切向布风管包括圆环形的布风板以及布置在所述布风板上的空气喷嘴，该空气喷嘴的数量为4个～6个。
作为进一步优选的，所述空气喷嘴与布风板的夹角为35°～45°，并利用下式确定空气喷嘴与布风板的夹角，
Figure BDA0003491386340000021
式中，α为空气喷嘴与布风板的夹角，M为生物质的水分，单位为％。
作为进一步优选的，所述气体混合器的数量为2个～4个，所述气体混合器的出气口与水平面夹角为-20°～20°，并利用下式确定气体混合器的出气口与水平面夹角，
β＝-20°+A×200
式中，β为气体混合器的出气口与水平面夹角，A为生物质的灰分，单位为％。
作为进一步优选的，所述气体混合器沿气体流动方向由前至后依次为水蒸气喷嘴、混合区和扩压区，同时该混合区的上方还设置有挥发分入口，用于将挥发分送入分级气化室，所述水蒸气喷嘴与混合区的直径比为1:2～1:4，所述混合区与扩压区的直径比为3:5～4:5。
作为进一步优选的，所述热解室的高径比为6:1～12:1；所述热解室与分级气化室的横截面积比为1:10～1:4。
作为进一步优选的，所述热解室的固体产物出口正下方设有锥形挡板，用于保证所述生物炭匀速进入分级气化室，同时避免合成气回灌热解室。
作为进一步优选的，所述锥形挡板底面与热解室的直径比为1:3～1:2，所述锥形挡板的锥角为90°～150°；所述锥形挡板与固体产物出口的距离为20mm～50mm。
作为进一步优选的，所述利用生物质制备合成气的装置还包括余热利用单元，该余热利用单元包括第一换热器和第二换热器，所述第一换热器的第一灰渣进口与气固分离器的固体出口连接，同时该第一换热器还设置有进水口和水蒸气出口，以利用灰渣的余热加热水进而产生水蒸气；所述第二换热器的第二灰渣进口与第一换热器的第一灰渣出口连接，并且该第二换热器设置有冷空气进口和热空气出口，以利用灰渣的余热加热空气。
作为进一步优选的，所述热解室的温度控制在200℃～600℃，所述初步气化区的温度控制在850℃～950℃，所述重整区的温度控制在750℃～850℃。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明结合生物质的热解及气化特性，将装置分成三个相对独立的区间，分别实现烘焙热解、分级气化和余热利用，并保证物体的连续性及反应的稳定性，便于对气氛和温度等反应条件进行精准控制，简化了洁净合成气的制备工艺，其中通过绝氧的烘焙热解和缺氧的初步气化，能够逐步形成孔隙结构发达和表面官能团丰富的生物炭中间产物，一方面增强生物炭的气化反应性，另一方面提高生物炭催化焦油重整的性能，同时分级气化包括初步气化和催化重整两步反应，其中通过切向布风系统在分级气化反应区中形成旋转气流，流化生物炭并提供气化介质供其初步气化，同时利用生物炭气化放热的特性使生物炭初步气化创造局部高温区供焦油重整，而初步气化后的生物炭灰分含量增加、催化活性提高而且挥发分含有大量水蒸气和CO2，同步进行生物炭二次气化及生物炭催化焦油重整反应，实现了生物质组分的最大化利用，降低合成气中焦油含量；
2.尤其是，本发明提出根据生物质的水分含量调整空气喷嘴与布风板的夹角，以此调整挥发分与生物炭在分级气化室单独反应的时长，保证较高的气化效率，同时还提出根据生物质的灰分含量调整气体混合器的出风口与水平面的夹角，以此调整生物炭单独气化时长和挥发分与生物炭的接触时长，从而保证较高的焦油重整效率；
3.同时，本发明对混合器的结构进行优化，蒸汽喷嘴后面的部分横截面积先减小后增大，利用横截面积变化在混合区和扩压区分别形成局部低压区及高压区，进而利用压差驱动挥发分自发进入分级气化室与生物炭混合反应；
4.此外，本发明对热解室的高径比、热解室与分级气化室的横截面积比以及锥形挡板与热解室的直径比进行优化，能够提高装置运行的稳定性，保证分级气化室充足、均匀的进料量并使热解和分级气化在合适的温度下进行，同时减小热解室及分级气化室相互间的干扰。
附图说明
图1是本发明实施例提供的利用生物质制备合成气的装置结构示意图；
图2是图1中切向布分器的结构示意图；
图3是图1中气体混合器的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-热解室，11-生物质进料口，12-挥发分出口，13-导热钢管，14-固体产物出口，15-锥形挡板，2-分级气化室，21-导流通道，3-气固分离器，31-出气口，32-排灰口，4-换热室，41-合成气出口，5-切向布风器，51-布风板，52-空气喷嘴，53-排渣管；6-气体混合器，61-水蒸气喷嘴，62-混合区，63-扩压区，64-挥发分入口，7-第一换热器，71-第一灰渣进口，72-第一灰渣出口，73-进水口，74-水蒸气出口，8-第二换热器，81-第二灰渣进口，82-第二灰渣出口，83-冷空气进口，84-热空气出口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种利用生物质制备合成气的装置，该装置包括设置在中心的热解室1以及套设在热解室1外部的换热室4和分级气化室2，同时还包括余热利用单元，其中：
热解室1主体为导热钢管13，其外壁可加导热翅片，提高换热效率，该导热钢管13的顶端设置有生物质进料口11和挥发分出口12，其底端设置有固体产物出口14，并且该固体产物出口14位于分级气化室2的内部，用于向分级气化室2提供生物炭；
换热室4的上方设置有合成气出口41，同时该换热室4的下方通过气固分离器3的出气口31与分级气化室2连接，以将生物质气化产生的合成气送入换热室4并为热解室1提供热量，同时该气固分离器3的排灰口32与外部装置连接，以将灰渣排出；
分级气化室2的两侧与气体混合器6连接，同时该分级气化室2的下方设置有切向布风器5，气体混合器6与分级气化室2连接的位置位于固体产物出口14的上方，以将分级气化室2由上至下分为重整区和初步气化区，同时切向布风器5中空气喷嘴喷射的高速空气在分级气化室中形成旋转气流，以流化生物炭并提供气化介质以对其进行初步气化；气体混合器6的入口分别与挥发分和水蒸气连接，同时切向布风器5形成的周向旋转气流可创造局部低压区，将气体混合器6喷出的混合气体吸入局部低压区，在周向旋转气体的扰动下，生物炭与挥发分充分接触混合增强两者的交互作用，提高生物炭催化挥发分重整的效果；同时由于气体混合器6存在压力变化，故整个装置中热解室1中挥发分与生物炭的分离，以及分级气化室2中生物炭与挥发分的混合全部由局部压力变化驱动，能够减少其他设备的投入；此外该分级气化室2的上部设有导流通道21，用于将合成气导入气固分离器3进行气固分离，气固分离器3优选采用旋风分离器，其既可以作为强化重整反应的场所，又可以起到隔离分级气化室与换热室的作用，同时还可以减少热量损失；
余热利用单元包括第一换热器7和第二换热器8，第一换热器7的第一灰渣进口71与气固分离器3的排灰口32连接，同时该第一换热器7还设置有进水口73和水蒸气出口74，以利用灰渣的余热加热水进而产生水蒸气；第二换热器8的第二灰渣进口81与第一换热器的第一灰渣出口72连接，并且该第二换热器8设置有冷空气进口83和热空气出口84，以利用灰渣的余热加热空气。气固分离器3优选采用旋风分离器，并且该气固分离器3的出气口31与换热室4连接，排灰口32与第一灰渣进口71连接。
进一步，如图2所示，切向布风管5包括圆环形的布风板51以及布置在布风板51上的空气喷嘴52，空气喷嘴52的数量为4个～6个，空气喷嘴52与布风板51的夹角为35°～45°，以调节生物炭初步气化及生物炭催化挥发分重整的时间，进而保证最佳气化条件，并利用下式确定空气喷嘴52与布风板51的夹角，
Figure BDA0003491386340000061
式中，α为空气喷嘴与布风板的夹角，M为生物质的水分，单位为％；其中，当生物质水分含量较高时，热解室1整体温度较低，生成的挥发分中焦油含量较高且生物炭孔隙结构较差，容易失活，因此需要减小空气喷嘴与布风板之间的夹角，增加挥发分与生物炭在分级气化室单独反应的时长，待两者单独反应较完全后再混合，减少生物炭因孔隙结构堵塞失活的问题，此外生物炭气化室放热过程，增加生物炭的独立反应时长所产生的局部高温会促进焦油重整，提高气化效率；当生物质水分含量较低时，热解室1整体温度较高，生成的挥发分中焦油含量较少且生物炭孔隙结构发达、不易失活，可以通过增大空气喷嘴与布风板之间的夹角，以增加二者在分级气化室的接触时长达到催化重整的目的。
进一步，气体混合器6的数量为2个～4个，气体混合器6的出气口与水平面夹角为-20°～20°(仰角为正、俯角为负)，并利用下式确定气体混合器的出气口与水平面夹角，
β＝-20°+A×200
式中，β为气体混合器的出气口与水平面夹角，A为生物质的灰分，单位为％，其中，生物质灰分含量较低时，适当减小气体混合器的出气口与水平面夹角，能够增加挥发分与生物炭的接触时长，进而增强二者在重整过程中的交互作用；生物质灰分含量较高时，生物炭的催化活性主要取决于其负载的金属元素的相对含量而非孔隙结构、表面官能团含量等因素，因此增大气体混合器6的出气口与水平面夹角，延长生物炭单独气化时长，提高碳转化率以增加生物炭中灰分的相对含量，充分发挥生物质灰分含量高的优势，增强其催化焦油重整的活性。
进一步，如图3所示，气体混合器6沿气体流动方向由前至后依次为水蒸气喷嘴61、混合区62和扩压区63，同时该混合区62的上方还设置有挥发分入口64，水蒸气喷嘴61后面的部分截面积先缩小后扩大，形成束口处的混合区62及扩口处的扩压区63，扩压区63即气体混合器6的出气口，水蒸气喷嘴61与混合区62的直径比为1:2～1:4，混合区62与扩压区63的直径比为3:5～4:5，在保证气体混合器6强度的基础上产生足够的真空度抽吸挥发分并适度增压；使用时，水蒸气喷嘴61喷出的水蒸气在混合区62形成真空，将热解产生的挥发分抽吸至此，二者混合后经扩压区63增压喷入分级气化室2中上部。
进一步，热解室1的固体产物出口14正下方设有锥形挡板15，用于保证生物炭匀速进入分级气化室2，同时避免合成气回灌热解室1。锥形挡板15底面与热解室1的直径比为1:3～1:2，锥形挡板15的锥角为90°～150°；锥形挡板15与固体产物出口14的距离为20mm～50mm。
进一步，热解室1即导热钢管13的高径比为6:1～12:1，从而保证生物质具备适当的热解温度及充足的热解时长；并且热解室1与分级气化室2的横截面积比为1:10～1:4，以降低热解室1对切向布风的影响，并向分级气化室提供合适的进料量。
本发明将生物质气化分为烘焙热解、分级气化和余热利用三个阶段，并分别在装置中三个不同区域进行，进而获得低焦油含量的高品质合成气并实现能量的高效利用。其中，烘焙热解阶段，生物质在缺氧或绝氧的条件下进行的脱挥发分反应，生物质从生物质进料口11进入导热钢管13，并依靠重力向下运动，换热室4的高温合成气的显热通过导热钢管13传递给生物质使其温度递增，逐步实现挥发分的析出及生物炭孔隙结构的发展；生成的挥发分中含有大量的水蒸气和CO2，在气体混合器6的抽吸作用下与水蒸气混合并导入分级气化室2的中上部，作为后续分级气化特别是焦油重整的气化剂。分级气化阶段，烘焙热解产生的生物炭具有较好的孔隙结构和气化反应性，进入分级气化室2中下部进行初步气化反应，锥形挡板15不仅可以使生物炭匀速进入分级气化室2，还可以避免合成气回灌热解室1，通过调节空气喷嘴52的角度，使喷射的高速空气在分级气化室2中下部形成旋转气流，生物炭进入分级气化室2后被旋转气流流化并发生气化反应。在旋转气流的扰动下，初步气化后的生物炭与气体混合器6出口喷出的混合气体充分混合，利用生物炭灰分含量高以及挥发分中CO2和水蒸气含量高的优势，同步进行生物炭的二次气化反应及生物炭催化挥发分重整反应，降低产物中焦油含量获得高品质产气。余热利用阶段，分级气化室2生成的高温合成气经气固分离器3分离出灰渣后进入换热室4，利用其物理显热间接加热导热钢管13中的生物质原料，使其发生烘焙热解，同时气固分离器6分离的灰渣通过排渣管53排出，依次通过第一灰渣进口71、第一灰渣出口72、第二灰渣进口81、第二灰渣出口82，以进入第一换热器7和第二换热器8从而利用灰渣的余热分别产生水蒸气和预热空气，实现物理热的回收利用。
进一步，热解室1的温度控制在200℃～600℃，初步气化区的温度控制在850℃～950℃，重整区的温度控制在750℃～850℃，从而在保证各段反应温度需要的同时降低对温度控制的要求。
下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。选取水分含量为0wt％、灰分含量20wt％的生物质原料，将其由生物质进料口11送入热解室1进行烘焙热解，生成的挥发分被气体混合器6抽吸到分级气化室2的中上部，生物炭经固体产物出口14进入分级气化室2的中下部发生初步气化反应，空气喷嘴52喷出的高速空气将生物炭流化并与挥发分和水蒸气混合发生催化焦油重整反应，生成的合成气经气固分离器3除灰后进入换热室4利用自身物理显热间接传热给导热钢管13为热解供热，冷却后的合成气经合成气出口41排出。此时，空气喷嘴52与布风板51夹角为45°的工况相比于35°的工况H2含量提高了40％，气体混合器6的喷嘴与水平面夹角为20°(仰角为正，俯角为负)的看工况相比于夹角为-20°的工况合成气中H2含量提高了19.7％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用生物质制备合成气的装置，其特征在于，该装置包括设置在中心的热解室（1）以及套设在所述热解室（1）外部的换热室（4）和分级气化室（2），所述热解室（1）的顶端设置有生物质进料口（11）和挥发分出口（12），其底端设置有固体产物出口（14），并且该固体产物出口（14）位于所述分级气化室（2）的内部，用于向所述分级气化室（2）提供生物炭；
所述换热室（4）的上方设置有合成气出口（41），同时该换热室（4）的下方通过气固分离器（3）与分级气化室（2）连接，以将生物质气化产生的合成气送入所述换热室（4）并为所述热解室（1）提供热量；
所述分级气化室（2）的两侧与气体混合器（6）连接，同时该分级气化室（2）的下方设置有切向布风器（5），所述气体混合器（6）与分级气化室（2）连接的位置位于所述固体产物出口（14）的上方，以将所述分级气化室（2）由上至下分为重整区和初步气化区，所述切向布风器（5）在所述初步气化区形成旋转气流，以流化所述生物炭并进行初步气化，该切向布风器（5）包括圆环形的布风板（51）以及布置在所述布风板（51）上的空气喷嘴（52），所述空气喷嘴（52）与布风板（51）的夹角为35°～45°，并利用下式确定空气喷嘴（52）与布风板（51）的夹角，
Figure QLYQS_1
式中，
Figure QLYQS_2
为空气喷嘴与布风板的夹角，
Figure QLYQS_3
为生物质的水分，单位为%；所述气体混合器（6）的入口分别与挥发分和水蒸气连接，以对所述生物炭进行二次气化并催化挥发分重整。
2.如权利要求1所述的利用生物质制备合成气的装置，其特征在于，所述空气喷嘴（52）的数量为4个～6个。
3.如权利要求1所述的利用生物质制备合成气的装置，其特征在于，所述气体混合器（6）的数量为2个～4个，所述气体混合器（6）的出气口与水平面夹角为-20°～20°，并利用下式确定气体混合器的出气口与水平面夹角，
Figure QLYQS_4
式中，
Figure QLYQS_5
为气体混合器的出气口与水平面夹角，
Figure QLYQS_6
为生物质的灰分，单位为%。
4.如权利要求1所述的利用生物质制备合成气的装置，其特征在于，所述气体混合器（6）沿气体流动方向由前至后依次为水蒸气喷嘴（61）、混合区（62）和扩压区（63），同时该混合区（62）的上方还设置有挥发分入口（64），用于将挥发分送入分级气化室（2），所述水蒸气喷嘴（61）与混合区（62）的直径比为1:2～1:4，所述混合区（62）与扩压区（63）的直径比为3:5～4:5。
5.如权利要求1所述的利用生物质制备合成气的装置，其特征在于，所述热解室（1）的高径比为6:1～12:1；所述热解室（1）与分级气化室（2）的横截面积比为1:10～1:4。
6.如权利要求1所述的利用生物质制备合成气的装置，其特征在于，所述热解室（1）的固体产物出口（14）正下方设有锥形挡板（15），用于保证所述生物炭匀速进入分级气化室（2），同时避免合成气回灌热解室（1）。
7.如权利要求6所述的利用生物质制备合成气的装置，其特征在于，所述锥形挡板（15）的锥角为90°～150°；所述锥形挡板（15）与固体产物出口（14）的距离为20mm～50mm。
8.如权利要求1所述的利用生物质制备合成气的装置，其特征在于，所述利用生物质制备合成气的装置还包括余热利用单元，该余热利用单元包括第一换热器（7）和第二换热器（8），所述第一换热器（7）的第一灰渣进口（71）与气固分离器（3）的固体出口连接，同时该第一换热器（7）还设置有进水口（73）和水蒸气出口（74），以利用灰渣的余热加热水进而产生水蒸气；所述第二换热器（8）的第二灰渣进口（81）与第一换热器的第一灰渣出口（72）连接，并且该第二换热器（8）设置有冷空气进口（83）和热空气出口（84），以利用灰渣的余热加热空气。
9.如权利要求1～8任一项所述的利用生物质制备合成气的装置，其特征在于，所述热解室（1）的温度控制在200℃～600℃，所述初步气化区的温度控制在850℃～950℃，所述重整区的温度控制在750℃～850℃。
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