CN115181590A - 一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统 - Google Patents

一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物质气化脱碳技术领域，尤其涉及一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统。所述系统包括：螺旋给料机、热解气化炉、天然气罐和氧气罐、储碳罐、换热器、合成气储罐、CO2储罐。本发明通过采用化学链气化技术，将金属载氧体作为气化介质，可有效避免空气中氮气的引入降低合成气热值,通过载氧体中晶格氧的不断释放与还原，实现多次循环使用，降低运行成本；通过采用碱金属氧化物或者碱土金属氧化物，可实现对合成气中CO2的高效脱除，提高合成气品质，同时还可对焦油具有一定的催化重整作用，降低合成气中焦油含量。

Description

一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统
技术领域
本发明涉及生物质气化脱碳技术领域，尤其涉及一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统。
背景技术
随着工业化发展和人口增长，人类对能源需求日益增大，对化石能源进行大规模开采、消耗，导致化石能源、天然气能源严重短缺，并且随着化石能源大量排放的CO2对环境造成了严重的污染，引起世界各国的高度重视。生物质作为世界上储量最多的可再生能源之一，具有高挥发分、低灰分、低硫分、低氮分，以及高反应活性等特点，可大规模替代化石能源，并制备燃料和化学品。其中生物质气化可将生物质转化为具有利用价值的工业原料或高品质合成气，不仅可以减少环境污染，而且还可实现碳资源的可持续发展利用。
目前，生物质气化技术多数是在煤气化技术基础上改造和嫁接产生，其采用的热解气化炉主要由旋转炉排型热解气化炉(一燃室)和热解气体燃烧室(二燃室)组成。根据一燃室气体出口位置的不同可分为上吸式和下吸式，在实际运行过程中存在以下问题：
(1)通常采用空气作为气化介质(过量空气系数小于1)，与生物质直接接触进行热解气化反应，但氮气的引入会稀释合成气浓度，降低合成气品质。
(2)气化过程并不是一个单一的化学反应，其所涉及的所有子反应耦合一起发生在同一反应空间或反应器中，无法实现对其中某些子反应的选择性调控以适应原料的性质和匹配产气的下游应用。
(3)生物质中自身氧量较高，导致其热解气化过程中产生的合成气中CO2浓度较高，降低了合成气品质。
(4)生物质热解气化炉的炉排结构主要是参照煤气化炉的炉排结构，即采用宝塔炉箅形式。然而，在自然堆积状态下极易造成物料与气化剂分配不均，进而影响热解气化效果。
因此，在上述各因素的共同作用下，现有的生物质气化技术普遍存在焦油含量高、产气品质低和CO2含量高等问题。针对现有技术中的缺陷，设计一种基于分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统,用于解决现有技术中的现有的生物质气化技术普遍存在焦油含量高、产气品质低和CO2含量高等问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统，所述系统包括：
螺旋给料机、热解气化炉、天然气罐和氧气罐、储碳罐、换热器、合成气储罐、CO2储罐；
所述热解气化炉的内部由上及下依次设置有上段热解炉膛、中段气化炉膛以及下段脱碳重整炉膛；
所述中段气化炉膛内部设置有载氧体催化剂，所述下段脱碳重整炉膛内部设置有碱金属氧化物或者碱土金属氧化物；
所述螺旋给料机一端设置有物料入口；所述螺旋给料机的中间部位开放式连接在所述上段热解炉膛中；且所述螺旋给料机的另一端为物料出口并导入到所述储碳罐内部；
所述天然气罐和氧气罐的输出端通过一风管导入到热解气化炉内部；
所述换热器有两个输入口，其中一个输入口与热解气化炉的输出口连接，另一个输入口与储碳罐的输出口连接；
所述换热器有四个输出口，记为输出口A、输出口B、输出口C、输出口D，所述输出口A分别连接螺旋给料机、中段气化炉膛和下段脱碳重整炉膛；所述输出口B连接合成气储罐；所述输出口C连接管道；所述输出口D连接CO2储罐，所述CO2储罐的输出口连接循环风机，所述循环风机的输出端连接所述储碳罐。
进一步地，所述风管上安装有鼓风机。
进一步地，所述天然气罐和氧气罐的输出端均设置有闸阀。
进一步地，所述输出口A与螺旋给料机、中段气化炉膛和下段脱碳重整炉膛的连接处均设置有闸阀；
所述输出口B与合成气储罐的连接处、所述输出口D与CO2储罐的连接处、所述CO2储罐与循环风机的连接处均设置有闸阀。
进一步地，所述中段气化炉膛的底部固定有第一填料层，且所述第一填料层是孔板结构，所述第一填料层的上方放置有多个多孔陶瓷小球，所述多孔陶瓷小球的表面负载有所述载氧体催化剂。
进一步地，所述下段脱碳重整炉膛的底部固定有第二填料层，所述第二填料层是孔板结构，且所述第二填料层的上方放置有多个多孔陶瓷小球，且所述多孔陶瓷小球上负载有所述碱金属氧化物或者碱土金属氧化物。
进一步地，所述载氧体催化剂为Fe2O3。
进一步地，所述碱金属氧化物或者碱土金属氧化物选用材料为CaO。
本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明通过采用化学链气化技术，将金属载氧体作为气化介质，可有效避免空气中氮气的引入降低合成气热值,同时，通过载氧体中晶格氧的不断释放与还原，实现多次循环使用，降低运行成本。
(2)本发明通过采用碱金属氧化物或者碱土金属氧化物(如Na2O、CaO)，可实现对合成气中CO2的高效脱除，提高合成气品质，同时还可对焦油具有一定的催化重整作用，降低合成气中焦油含量。
(3)本发明通过对各个子过程的分级调控优化，明晰气化过程各子反应及其交互耦合规律，从而突破不同化学反应间热力学与动力学的相互束缚，实现对反应进行选择性定向调控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的示意图。
图中：1、天然气罐；2、氧气罐；3、合成气储罐；4、CO2储罐；5、换热器；6、螺旋给料机；7、储碳罐；8、上段热解炉膛；9、中段气化炉膛；10、第一填料层；11、下段脱碳重整炉膛；12、第二填料层；13、热解气化炉；14、多孔陶瓷小球；15、管道；16、鼓风机；17、循环风机。
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。
具体请结合图1，本发明公开了一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统。
具体的，包括：
螺旋给料机6、热解气化炉13、天然气罐1和氧气罐2、储碳罐7、换热器5、合成气储罐3、CO2储罐4。
其中，所述热解气化炉13的内部由上及下依次设置有上段热解炉膛8、中段气化炉膛9以及下段脱碳重整炉膛11；
所述螺旋给料机6一端设置有一物料入口，另一端为物料出口并导入到储碳罐7内部；
所述螺旋给料机6贯穿过上段热解炉膛8内部，且位于上段热解炉膛8位置处的螺旋给料机6没有端盖密封，用于将螺旋给料机6输送的生物质燃料暴露于上段热解炉膛8中，完成热解气化反应。
其整体工作过程为：生物质燃料首先通过螺旋给料机6进入到热解气化炉13内进行热解气化反应，其中：在上段热解炉膛8进行热解，中段气化炉膛9进行气化，下段脱碳重整炉膛11进行碳固定捕捉，产物合成气收集在合成气储罐3内。
所述天然气罐1和氧气罐2的输出端通过一风管导入到热解气化炉13内部，且在所述风管上安装有鼓风机，用于增加传导速度。
当然，所述天然气罐1和氧气罐2的输出端均设置有闸阀，用于控制其开关。
所述换热器5有两个输入口，其中一个输入口与热解气化炉13的输出口连接，另一个输入口与储碳罐7的输出口连接；
所述换热器5有四个输出口，记为输出口A、输出口B、输出口C、输出口D，所述输出口A分别连接螺旋给料机6、中段气化炉膛9和下段脱碳重整炉膛11，且连接处均设置有闸阀；所述输出口B连接合成气储罐3.且连接处设置有闸阀；所述输出口C连接管道15；所述输出口D连接CO2储罐4，连接处设置有闸阀，所述CO2储罐4的输出口连接循环风机17，连接处也设置有闸阀，所述循环风机17的输出端连接所述储碳罐7。
所述中段气化炉膛9的底部固定有第一填料层10，且所述第一填料层10是孔板结构，所述第一填料层10的上方放置有多个多孔陶瓷小球14，且所述，所述第一填料层10的上方放置的多孔陶瓷小球14的表面负载有载氧体催化剂，其中，所述载氧体催化剂优选为Fe2O3。
所述下段脱碳重整炉膛11的底部固定有第二填料层12，所述第二填料层12也是孔板结构，且所述第二填料层12的上方也放置有多个多孔陶瓷小球14，且所述第二填料层12的上方放置的多孔陶瓷小球14上负载有碱金属氧化物或者碱土金属氧化物，优选为CaO。
其具体工作过程如下：
1.准备工作过程：
首先，同时打开天然气罐1和氧气罐2的闸阀，其中气体在鼓风机16增压下进入热解气化炉13内进行燃烧，在设定时间升到设定温度并保持设定时间，随后关闭天然气罐1和氧气罐2的闸阀和鼓风机16；
紧接着，天然气燃烧产生高温烟气会在换热器5内与CO2进行换热，随后通过管道15排放到外界；与此同时打开闸阀，高温CO2进入螺旋给料机6对原料干燥预热，再进入到热解气化炉13内完成一个循环。其中通过闸阀控制CO2储罐4，再通过循环风机17控制流速；CO2经过储碳罐7，再经过换热器5，其中与换热器5直接接触进行换热，最后经过螺旋给料机6，再进入热解气化炉13。
2.进料工作过程
热解气化炉13内，热解温度在500-600℃，气化和脱碳重整温度在700-1000℃，热解反应温度相较于后两者偏低，因此进入上段热解炉膛8的气体浓度低于中段气化炉膛9和下段脱碳重整炉膛11的气体浓度，由各自闸阀控制流量；
首先干燥预热后的原料通过螺旋给料机6进入上段热解炉膛8进行热解，螺旋给料机6在上段热解炉膛8内的区域没有端盖密封，热解产生的气体从上方溢出，在CO2烟气的带动下进入到中段气化炉膛9；
含焦油的气体在中段气化炉膛9内与载氧体催化剂(Fe2O3)进行气化(还原反应)。通过氧载体晶格氧的释放对焦油进行裂解，避免了常规气化过程中空气的引入对合成气造成稀释；其中催化剂负载在多孔陶瓷小球14上，一方面增加反应面积，另一方面增加烟气穿过的空隙，防止堵塞；多孔陶瓷小球14填铺在第一填料层10上，其中第一填料层10是一个孔板结构，用于支撑填料和通气。
气化后产生的气体会在CO2烟气的带动下进入到下段脱碳重整炉膛11里，气体中的CO2与催化剂(CaO)在高温下发生氧化反应，对CO2进行捕捉固定(CaO氧化成CaCO3)；其中CaO也负载在多孔陶瓷小球14上，填铺在第二填料层12上(结构和作用与第一填料层10一样)。
经过热解气化，碳捕捉固定的产气通过换热器5，打开闸阀，收集到合成气储罐3。
在第一次反应开始后，原料热解后的焦炭携带大量的热量储存在储炭罐7内；CO2储罐4输送CO2由再循环风机17增压与储炭罐7间接接触换热，再进入到换热器5与热解气化炉13产生的更高温的烟气间接接触进行换热，最后再经过管道进入到热解气化炉13内完成一个循环。
生产结束后，氧气罐2打开闸阀和鼓风机16，输送氧气进入到热解气化炉13内，氧气一方面进入到中段气化炉膛9去填补载氧体失去的晶格氧(氧化反应)，另一方面与生产过程中第一填料层10和第二填料层12中多孔陶瓷小球14表面沉积的焦炭发生燃烧反应，实现催化剂再生，同时在高温下CaCO3进行煅烧反应，变回CaO(重复利用)；经过燃烧和煅烧反应产生的气体(CO2为主)经过换热器5，打开闸阀收集到CO2储罐4中。
综合上述可知：
(1)本发明通过采用化学链气化技术，将金属载氧体作为气化介质，可有效避免空气中氮气的引入降低合成气热值,同时，通过载氧体中晶格氧的不断释放与还原，实现多次循环使用，降低运行成本。
(2)本发明通过采用碱金属氧化物或者碱土金属氧化物(如Na2O、CaO)，可实现对合成气中CO2的高效脱除，提高合成气品质，同时还可对焦油具有一定的催化重整作用，降低合成气中焦油含量。
(3)本发明通过对各个子过程的分级调控优化，明晰气化过程各子反应及其交互耦合规律，从而突破不同化学反应间热力学与动力学的相互束缚，实现对反应进行选择性定向调控。
(4)本发明通过螺旋给料机6采用无轴螺旋绞龙强化生物质的扰动，有效避免了常规自然堆积状态下物料与气化剂的分配不均，从而提高热解气化效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统，其特征在于，所述系统包括：
螺旋给料机、热解气化炉、天然气罐和氧气罐、储碳罐、换热器、合成气储罐、CO2储罐；
所述热解气化炉的内部由上及下依次设置有上段热解炉膛、中段气化炉膛以及下段脱碳重整炉膛；
所述中段气化炉膛内部设置有载氧体催化剂，所述下段脱碳重整炉膛内部设置有碱金属氧化物或者碱土金属氧化物；
所述螺旋给料机一端设置有物料入口；所述螺旋给料机的中间部位开放式连接在所述上段热解炉膛中；且所述螺旋给料机的另一端为物料出口并导入到所述储碳罐内部；
所述天然气罐和氧气罐的输出端通过一风管导入到热解气化炉内部；
所述换热器有两个输入口，其中一个输入口与热解气化炉的输出口连接，另一个输入口与储碳罐的输出口连接；
所述换热器有四个输出口，记为输出口A、输出口B、输出口C、输出口D，所述输出口A分别连接螺旋给料机、中段气化炉膛和下段脱碳重整炉膛；所述输出口B连接合成气储罐；所述输出口C连接管道；所述输出口D连接CO2储罐，所述CO2储罐的输出口连接循环风机，所述循环风机的输出端连接所述储碳罐。
2.根据权利要求1所述的一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统，其特征在于，所述风管上安装有鼓风机。
3.根据权利要求1所述的一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统，其特征在于，所述天然气罐和氧气罐的输出端均设置有闸阀。
4.根据权利要求1所述的一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统，其特征在于，所述输出口A与螺旋给料机、中段气化炉膛和下段脱碳重整炉膛的连接处均设置有闸阀；
所述输出口B与合成气储罐的连接处、所述输出口D与CO2储罐的连接处、所述CO2储罐与循环风机的连接处均设置有闸阀。
5.根据权利要求1所述的一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统，其特征在于，所述中段气化炉膛的底部固定有第一填料层，且所述第一填料层是孔板结构，所述第一填料层的上方放置有多个多孔陶瓷小球，所述多孔陶瓷小球的表面负载有所述载氧体催化剂。
6.根据权利要求1所述的一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统，其特征在于，所述下段脱碳重整炉膛的底部固定有第二填料层，所述第二填料层是孔板结构，且所述第二填料层的上方放置有多个多孔陶瓷小球，且所述多孔陶瓷小球上负载有所述碱金属氧化物或者碱土金属氧化物。
7.根据权利要求1所述的一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统，其特征在于，所述载氧体催化剂为Fe2O3。
8.根据权利要求1所述所述的一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统，其特征在于，所述碱金属氧化物或者碱土金属氧化物选用材料为CaO。
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