CN117285964A - 一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置和方法，该装置包括循环流化床气化炉，循环流化床气化炉中部设有炉膛，炉膛自下而上分别为燃烧区和还原区，炉膛下方的加料口与双螺旋给料机相连，双螺旋给料机与给料罐相连；循环流化床气化炉顶部与旋风分离器相连，旋风分离器底部通过返料器连接在循环流化床气化炉底部返料口、顶部出料口与非催化转化炉相连，非催化转化炉与废热锅炉相连；该方法包括双螺旋给料、循环流化床气化炉供风、气化反应、热载体循环、旋风分离及返料、非催化转化、废热回收七个步骤；本发明采用非催化转化炉对气化产生的甲烷及焦油进行转化生成有效气组分CO和H2，解决了生物质气化合成气甲烷废气含量高及焦油处理难题。
Description
技术领域
本发明涉及生物质气化技术领域，具体的说是一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置及方法。
背景技术
生物质气化技术是清洁高效利用生物质能的有效途径之一，生物质气化技术除了可以用于发电、供气、供热等方面外，还可以用于将生物质转化合成化学品等，助力能源从高排放向低排放、零排放、负排放调整转变，实现“碳达峰、碳中和”目标。
当前生物质气化技术总体上分为三类，即固定床气化、流化床气化和气流床气化。固定床生物质气化技术有上吸式、下吸式、横吸式和开心式等，循环流化床气化炉结构简单、投资少、运行可靠、易操作，对原料的种类及粒度要求不高，但产气量较小，且炉内气化过程难以控制，多用于小型气化站、小型热电联产或户用供气，不适合大规模的生产。流化床技术具有温度均匀稳定，传热面积大，气化效率高，适用于连续运转满足多种物料的气化要求，且适合大规模商业应用。但其作为生产原料，合成气中甲烷含量高，且焦油含量也偏高，需要进一步转化和净化，工艺路线复杂，投资和运营成本较高。
传统的生物质气化工艺一般采用物理方法进行焦油移除，再将合成气中甲烷进行转化，该工艺方法未能对焦油能量进行利用，使系统整体能量利用效率低下，产生的含焦油废水造成二次污染且处理困难，整体生产成本高。
因此，需要提供一种新型生物质气化及甲烷、焦油转化处理技术，避免生物质气化工艺中甲烷和焦油带来的危害。
发明内容
为了解决现有生物质气化过程中甲烷及焦油含量高、转化率低，气化系统整体能量利用效率低的问题，本发明提供了一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置及方法，以提高合成气中甲烷和焦油的转化率，提高合成气的纯度，进一步提高气化系统的整体能量利用率，节能降耗，降低生产过程中的环境污染。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，包括循环流化床气化炉，所述循环流化床气化炉的底部设有数组整体呈径向辐射状布置的用于气体进口的风帽，所述风帽通过支管与主管相连接，主管上设有气汽混合器；所述循环流化床气化炉中部设有炉膛，炉膛自下而上分别为燃烧区和还原区，炉膛下方设有与循环流化床气化炉轴线方向倾斜的加料口，加料口与双螺旋给料机出料口相连，双螺旋给料机的进料口与给料罐相连；所述循环流化床气化炉顶部气相出料口与旋风分离器进料口相连，旋风分离器底部出料口通过返料器连接在循环流化床气化炉底部返料口；旋风分离器顶部出料口连接在非催化转化炉顶部进料口，非催化转化炉的底部通过管道连接在废热锅炉的进料口；所述非催化转化炉为内壁设有隔热内衬的立式反应容器，非催化转化炉顶部设有烧嘴、内部依次设有射流区、回流区和管流区。
优选的，所述双螺旋给料机由一根左向螺旋和一根右向螺旋通过在轴伸位置的一对齿轮啮合传动。
优选的，所述炉膛为大端朝上的圆筒体结构，炉膛内壁设置有隔热耐火层。
优选的，所述旋风分离器进料口接管与圆筒内壁的圆弧面相切并与旋风分离器轴线呈一夹角朝上设置。
优选的，所述返料器底部设有返料气风管，风管采用双层套管结构。
一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的方法，采用上述的的生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，包括以下步骤：
步骤一、双螺旋给料：生物质原料从料仓通过进料阀进入给料罐，当给料罐料位达到高料位时，关闭进料阀，打开给料罐底部出口阀门，生物质原料通过重力落入双螺旋给料机的进料口，双螺旋给料机通过双轴螺旋的连续旋转将生物质原料轴向连续均匀的加入到循环流化床气化炉下部进料口；所述生物质原料中水分的质量百分比含量≤20%；灰分的质量百分比含量≤12%；挥发分质量百分比含量＜75%；固定碳质量百分比含量≥10%；低位发热量≥14MJ/kg；
步骤二、循环流化床气化炉供风：向步骤一中所述的循环流化床气化炉底部通过内嵌于循环流化床气化炉底部并整体呈径向辐射状布置的风帽通入预先在混合器中混合均匀的气化剂，所述气化剂中氧气的含量为30-45mol%；水蒸气的含量为55-70mol%；
步骤三、气化反应：所述步骤一通入循环流化床气化炉的生物质原料在炉膛底部燃烧区和步骤二通入循环流化床气化炉的气化剂在700-1000℃下进行高温热解反应，生成半焦和CO、CO2气体，生成的混合物上升至炉膛中部的还原区在900-1000℃下进行还原反应，生成合成气体并通过循环流化床气化炉顶部出料口进入旋风分离器；所述合成气体中H2含量为30-40mol%；CO含量为25-35mol%；焦油含量为0.5-2.5mol%；甲烷含量为7-15mol%；
步骤四、热载体循环：在步骤三所述气化反应稳定运行过程中，收集所述循环流化床气化炉底部灰渣口排出灰渣，当循环流化床气化炉底部压力表检测到循环流化床气化炉底部床层压差降至3-5KPa时，向循环流化床气化炉内间歇补充灰渣以保持循环流化床气化炉床层稳定；
步骤五、旋风分离及返料：所述旋风分离器将步骤三制备的合成气进行旋风分离，将合成气中高温生物质颗粒自旋风分离器底部出料口分离进入返料器进料口，生物质颗粒经过返料器重新返回循环流化床气化炉进行气化反应；净化后的合成气自旋风分离器顶部出料口进入非催化转化炉；
步骤六、非催化转化：所述步骤五净化后的合成气在非催化转化炉中与氧气依次经过射流区、回流区和管流区并在1300-1400℃条件下反应；反应将合成气中甲烷和焦油转化为CO和H2；
步骤七、废热回收：将步骤六中脱除甲烷和焦油的高温合成气通入废热锅炉进行余热回收，合成气温度从进口1300-1400℃降至出口400-300℃，废热锅炉中锅炉水从进口101-105℃升温至出口400-450℃，降温后的合成气通入下游工序；
所述合成气中H2摩尔百分比含量为30~42%；CO摩尔百分比含量为30~45%；甲烷摩尔百分比含量≤0.25%，焦油摩尔百分比含量≤0.01%，甲烷转化率≥96%；焦油转化率≥98%，合成气有效气（H2+CO）产率≥60%。
优选的，所述步骤三中气化反应过程合成气工作压力为0.1-3MPa。
优选的，所述步骤六中非催化转化炉工作压力为0.1-4MPa。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）本发明采用由循环流化床气化炉、旋风分离器及返料器构成的高倍率自循环系统，循环倍率在40~60之间，生物质原料在进入循环流化床气化炉炉膛后迅速被已生成的高温半焦颗粒包围，减少了焦油的生成，提高了气化效率和系统碳转化率。
（2）本发明根据生物质气化特性，采用纯氧非催化转化炉对气化产生的甲烷及焦油进行转化生成有效气组分CO和H2，解决了生物质气化合成气甲烷废气含量高及焦油处理难题。
（3）本发明通过废热锅炉回收高温合成气中余热，加热冷却排管中冷却水，将换热后的高温过热蒸汽一部分作为气化原料，剩余部分外供，进一步提高了系统能源利用率。
（4）本发明通过采用双轴螺旋进行料的方式，防止生物质原料在螺旋进料装置中出现卡料问题，实现了生物质原料连续稳定输送，避免了循环流化床气化炉断料超温危险情况的发生。
附图说明
图1是循环流化床生物质气化耦合非催化转化工艺流程示意图；
图2是双轴螺旋进料系统示意图；
图3是循环流化床气化系统示意图；
图4是非催化转化及废热回收示意图；
图5是本发明的工艺流程框图；
图6是是本发明中汽化炉底部风帽布置图；
图中：1-料仓；2-给料罐；3-给料螺旋；4-循环流化床气化炉；5-旋风分离器；6-返料器；7-非催化转化炉；8-废热锅炉；401-气汽混合器；402-风帽；403-炉膛。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1-4、图6所示，一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，包括循环流化床气化炉4，循环流化床气化炉4的底部设有数组整体呈径向辐射状布置的用于气体进口的风帽402，风帽402通过支管与主管相连接，主管上设有气汽混合器401；循环流化床气化炉中部设有大端朝上的圆筒体结构的炉膛403，炉膛403内壁设置有隔热耐火层、自下而上分别为燃烧区和还原区，炉膛403下方设有与循环流化床气化炉轴线方向倾斜的加料口，加料口与双螺旋给料机3出料口相连，双螺旋给料机3由一根左向螺旋和一根右向螺旋通过在轴伸位置的一对齿轮啮合传动，该双螺旋给料机3的进料口与给料罐2相连；所述循环流化床气化炉4顶部气相出料口与旋风分离器5进料口相连，旋风分离器5进料口接管与筒体内壁的圆弧面相切并与旋风分离器5轴线呈一夹角朝上设置，旋风分离器5底部出料口通过返料器6连接在循环流化床气化炉4底部返料口，返料器6底部设有返料气风管，风管采用双层套管结构；旋风分离器5顶部出料口连接在非催化转化炉7顶部进料口，非催化转化炉7为内壁设有隔热内衬的立式反应容器，非催化转化炉7顶部设有烧嘴、内部依次设有射流区、回流区和管流区，该非催化转化炉7的底部通过管道连接在废热锅炉8的进料口。
如图5所示，一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的方法，采用上述的生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，包括以下步骤：
步骤一、双螺旋给料：生物质原料从料仓1通过进料阀进入给料罐2，当给料罐2料位达到高料位时，关闭进料阀，打开给料罐2底部出口阀门，生物质原料通过重力落入双螺旋给料机3的进料口，双螺旋给料机3通过双轴螺旋的连续旋转将生物质原料轴向连续均匀的加入到循环流化床气化炉4下部进料口；所述生物质原料中水分的质量百分比含量≤20%；灰分的质量百分比含量≤12%；挥发分质量百分比含量＜75%；固定碳质量百分比含量≥10%；低位发热量≥14MJ/kg；
步骤二、循环流化床气化炉供风：向步骤一中所述的循环流化床气化炉4底部通过内嵌于循环流化床气化炉4底部并整体呈径向辐射状布置的风帽402通入预先在混合器中混合均匀的气化剂，所述气化剂中氧气的摩尔百分比含量为30-45%；水蒸气的摩尔百分比含量为55-70%；
步骤三、气化反应：所述步骤一通入循环流化床气化炉4的生物质原料在炉膛403底部燃烧区和步骤二通入循环流化床气化炉4的气化剂在700-1000℃下进行高温热解反应，压力为0.1-3MPa，反应生成半焦和CO、CO2气体，生成的混合物上升至炉膛403中部的还原区在900-1000℃下进行还原反应，生成合成气体并通过循环流化床气化炉4顶部出料口进入旋风分离器5；所述合成气体中H2含量为30-40mol%；CO含量为25-35mol%；焦油含量为0.5-2.5mol%；甲烷含量为7-15mol%；
步骤四、热载体循环：在步骤三所述气化反应稳定运行过程中，收集所述循环流化床气化炉4底部灰渣口排出灰渣，当循环流化床气化炉4底部压力表检测到循环流化床气化炉4底部床层压差降至3-5KPa时，向循环流化床气化炉4内间歇补充灰渣以保持循环流化床气化炉床层稳定；
步骤五、旋风分离及返料：所述旋风分离器5将步骤三制备的合成气进行旋风分离，将合成气中高温生物质颗粒自旋风分离器底部出料口分离进入返料器6进料口，生物质颗粒经过返料器6重新返回循环流化床气化炉4进行气化反应；净化后的合成气自旋风分离器5顶部出料口进入非催化转化炉7；
步骤六、非催化转化：所述步骤五净化后的合成气在非催化转化炉7中与氧气依次经过射流区、回流区和管流区并在1300-1400℃条件下反应，工作压力为0.1-4MPa；反应将合成气中甲烷和焦油转化为CO和H2；
步骤七、废热回收：将步骤六中脱除甲烷和焦油的高温合成气通入废热锅炉8进行余热回收，合成气温度从进口1300-1400℃降至出口400-300℃，废热锅炉8中冷却排管内的水从进口101-105℃升温至出口400-450℃，降温后的合成气通入下游工序；
所述合成气中H2摩尔百分比含量为30~42%；CO摩尔百分比含量为30~45%；甲烷摩尔百分比含量≤0.25%，焦油摩尔百分比含量≤0.01%，甲烷转化率≥96%；焦油转化率≥98%，合成气有效气（H2+CO）产率≥60%。
本发明采用由循环流化床气化炉、旋风分离器及返料器构成的高倍率自循环系统，循环倍率在40~60之间，生物质原料在进入循环流化床气化炉炉膛后迅速被已生成的高温半焦颗粒包围，减少了焦油的生成，提高了气化效率和系统碳转化率；同时，本发明根据生物质气化特性，采用纯氧非催化转化炉对气化产生的甲烷及焦油进行转化生成有效气组分CO和H2，解决了生物质气化合成气甲烷废气含量高及焦油处理难题。
以上的仅是本发明的优选实例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为机械领域的公知常识，还可以做出其它等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，其特征在于：包括循环流化床气化炉（4），所述循环流化床气化炉（4）的底部设有数组整体呈径向辐射状布置的用于气体进口的风帽（402），风帽（402）通过支管与主管相连接，主管上设有气汽混合器（401）；所述循环流化床气化炉（4）中部设有炉膛（403），炉膛（403）自下而上分别为燃烧区和还原区；炉膛（403）下方设有与循环流化床气化炉轴线方向倾斜的加料口，加料口与双螺旋给料机（3）出料口相连，双螺旋给料机（3）的进料口与给料罐（2）相连；循环流化床气化炉（4）顶部气相出料口与旋风分离器（5）进料口相连，旋风分离器（5）底部出料口通过返料器（6）连接在循环流化床气化炉（4）底部返料口；旋风分离器（5）顶部出料口连接在非催化转化炉（7）顶部进料口，非催化转化炉（7）的底部通过管道连接在废热锅炉（8）的进料口；
所述非催化转化炉（7）为内壁设有隔热内衬的立式反应容器，非催化转化炉（7）顶部设有烧嘴、内部依次设有射流区、回流区和管流区。
2.根据权利要求1所述的一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，其特征在于：所述双螺旋给料机（3）由一根左向螺旋和一根右向螺旋通过在轴伸位置的一对齿轮啮合传动。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，其特征在于：所述炉膛（403）为大端朝上的圆筒体结构，炉膛（403）内壁设置有隔热耐火层。
4.根据权利要求3所述的一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，其特征在于：所述旋风分离器（5）进料口接管与圆筒内壁的圆弧面相切并与旋风分离器（5）轴线呈一夹角朝上设置。
5.根据权利要求4所述的一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，其特征在于：所述返料器（6）底部设有返料气风管，风管采用双层套管结构。
6.一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的方法，该方法采用权利要求1-5任一项所述的生物质气化耦合非催化转化制合成气的装置，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、双螺旋给料：生物质原料从料仓（1）通过进料阀进入给料罐（2），当给料罐（2）料位达到高料位时，关闭进料阀，打开给料罐（2）底部出口阀门，生物质原料通过重力落入双螺旋给料机（3）的进料口，双螺旋给料机（3）通过双轴螺旋的连续旋转将生物质原料轴向连续均匀的加入到循环流化床气化炉（4）下部进料口；所述生物质原料中水分的质量百分比含量≤20%；灰分的质量百分比含量≤12%；挥发分质量百分比含量＜75%；固定碳质量百分比含量≥10%；低位发热量≥14MJ/kg；
步骤二、循环流化床气化炉供风：向步骤一中所述的循环流化床气化炉（4）底部通过内嵌于循环流化床气化炉（4）底部并整体呈径向辐射状布置的风帽（402）通入预先在混合器中混合均匀的气化剂，所述气化剂中氧气的含量为30-45mol%；水蒸气的含量为55-70mol%；
步骤三、气化反应：所述步骤一通入循环流化床气化炉（4）的生物质原料在炉膛（403）底部燃烧区和步骤二通入循环流化床气化炉（4）的气化剂在700-1000℃下进行高温热解反应，生成半焦和CO、CO2气体，生成的混合物上升至炉膛（403）中部的还原区在900-1000℃下进行还原反应，生成合成气体并通过循环流化床气化炉（4）顶部出料口进入旋风分离器（5）；所述合成气体中H2含量为30-40mol%；CO含量为25-35mol%；焦油含量为0.5-2.5mol%；甲烷含量为7-15mol%；
步骤四、热载体循环：在步骤三所述气化反应稳定运行过程中，收集所述循环流化床气化炉（4）底部灰渣口排出灰渣，当循环流化床气化炉（4）底部压力表检测到循环流化床气化炉（4）底部床层压差降至3-5KPa时，向循环流化床气化炉（4）内间歇补充灰渣以保持循环流化床气化炉床层稳定；
步骤五、旋风分离及返料：所述旋风分离器（5）将步骤三制备的合成气进行旋风分离，将合成气中高温生物质颗粒自旋风分离器底部出料口分离进入返料器（6）进料口，生物质颗粒经过返料器（6）重新返回循环流化床气化炉（4）进行气化反应；净化后的合成气自旋风分离器（5）顶部出料口进入非催化转化炉（7）；
步骤六、非催化转化：所述步骤五净化后的合成气在非催化转化炉（7）中与氧气依次经过射流区、回流区和管流区并在1300-1400℃条件下反应；反应将合成气中甲烷和焦油转化为CO和H2；
步骤七、废热回收：将步骤六中脱除甲烷和焦油的高温合成气通入废热锅炉（8）进行余热回收，合成气温度从进口1300-1400℃降至出口400-300℃，废热锅炉（8）中冷却排管内的水从进口101-105℃升温至出口400-450℃，降温后的合成气通入下游工序；
所述合成气中H2含量为30~42mol%；CO含量为30~45mol%；甲烷含量≤0.25mol%，焦油含量≤0.01%，甲烷转化率≥96%；焦油转化率≥98%，合成气有效气（H2+CO）产率≥60%。
7.根据权利要求6所述的一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的方法，其特征在于，所述步骤三中气化反应过程合成气工作压力为0.1-3MPa。
8.根据权利要求7所述的一种生物质气化耦合非催化转化制合成气的方法，其特征在于，所述步骤六中非催化转化炉（7）工作压力为0.1-4MPa。
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