单床自热式热解气化燃烧反应器及热解气化燃烧方法

摘要

单床自热式热解气化燃烧反应器及热解气化燃烧方法是在一个反应器中将热解/气化反应与燃烧分隔开，利用热载体的内循环将燃烧区的热量传递给热解/气化区。固体燃料被热解气携带进入导向管(4)中，热解气在进入导向管时形成高速射流卷吸燃烧床内的高温惰性床料，由下部卷吸孔(1)进入导向管，固体燃料在导向管内快速加热升温至热解气化所需温度450－950℃，生成含一氧化碳和氢气等产物气，经热解床出口排出；残余半焦和惰性床料在热解床(5)中惯性分离，落至锥形分隔板(6)后进入导向管和分隔立管的环隙料腿(3)，再进入燃烧床(2)中形成颗粒内循环；排出反应器的床料和半焦由回料器重新送回燃烧床中再利用。

说明书

技术领域

本发明属于固体燃料热解燃烧领域，涉及一种新型的单床自热式热解/气化/燃烧方法及装置。

背景技术

固体燃料(煤、生物质等)是世界能源主要组成部分，其燃烧生成的二氧化碳是全球温室气体的主要排放源，因此固体燃料的高效清洁利用是当今能源与环境领域一项重大的技术课题，是关系到国民经济可持续发展的关键因素之一。固体燃料热解气化可生成合成气(一氧化碳和氢气)，合成气是重要的化工气，可以通过费一托合成制油，通过甲烷化反应制天然气，特别是可以通过水汽转换反应去除二氧化碳获得高纯度的氢气，减排二氧化碳。实现将低品质的固体燃料清洁高效地转化成高价值的产品如车用燃料油和天然气。

热解与气化反应均为强吸热反应，需要能量维持反应的进行。传统的热解炉和气化炉一般是采用加入氧化剂如空气或氧气燃烧部分固体燃烧，由燃烧生成的热量来提供。这样带来一些问题：如果是利用空气作氧化剂，空气中大量的N₂稀释了产物气，导致反应生成的气体中一氧化碳和氢气含量较低，热值也低，只能作为燃料气使用，不能作为合成气；如果用纯氧，虽然产物气中没有N₂，但制氧过程能耗高且设备投资巨大，经济性较差。另一个热量提供方法是通过壁面传热，由于壁面导热传热效率低，导致设备庞大，能源利用效率低，也难以实现大型化。

目前出现的一种新的技术路线是采用两个反应器，即热解/气化反应器和燃烧反应器，采用惰性热载体将燃烧反应器的热量传递给气化/热解反应器，以提供气化/热解所需的热量，较好地解决了气化/热解反应中能量问题。但这种双床形式存在着结构复杂，热载体循环量难以控制等问题。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种单床自热式热解气化燃烧反应器及热解气化燃烧方法，目的是在一个反应器中将热解/气化反应与燃烧分隔开，利用热载体的内循环将燃烧区的热量传递给热解/气化区。

技术方案：为实现上述发明目的而采用的技术方案是这样的：利用分隔板、导向管将主反应器分隔成下部燃烧床和上部热解床。两个床之间依靠惰性热载体进行热量传递，热解气化过程产生的产物气和燃烧产生的烟气从各自的出口排出，从而得到高品质的合成气。

本发明的单床自热式热解/气化/燃烧装置，是由燃烧床、热解床、中心导向管和2组旋风分离器及对应的回料器构成。固体燃料(生物质或煤)从底部被热解不凝气气力输送进入中心导向管，在导向管内物料被灼热的惰性床料加热热解气化生成燃料气和半焦，半焦随惰性床料通过连接上下反应器的料腿进入下部燃烧床，半焦在燃烧床内燃烧，释放的热量用来加热惰性载体，惰性床料经导向管下部卷吸孔重新进入中心导向管，形成稳定的内循环。

结合附图1，单床自热式热解气化燃烧反应器采用分隔板将反应器本体分成下部的燃烧床和上部的热解床；导向管设置在反应器中心连接下部燃烧床(2)和上部热解床，在导向管下部设置卷吸孔，该卷吸孔与反应器底部的反应器底部入口、被热解不凝气入口相连接，作为物料的生物质或煤由反应器底部入口被热解不凝气气力输送至导向管中；分隔板和导向管之间的空隙组成料腿；热解床的上部连接产物气出口，燃烧床的上部连接燃烧烟气出口，燃烧床的中部连接烟气回料器，燃烧床的下部连接产物气回料器；在反应器的中部设有床料/催化剂入口，在反应器底部还设有空气入口，燃烧空气由底部的空气入口进入燃烧床；产物气旋风分离器的底部连接产物气回料器，产物气旋风分离器的上部为产物气出口，产物气旋风分离器的侧面接热解床；烟气旋风分离器的底部连接烟气回料器，烟气旋风分离器的上部为烟气出口，烟气旋风分离器的侧面接燃烧床的上部。所述的反应器采用双重颗粒密封装置将燃烧床和热解床中的气体分隔：一重密封是在反应器内设置连接热解床和燃烧床的导向管，导向管插入燃烧床内，与导向管形成环隙料腿；另一重密封是热解床出口设置产物气旋风分离器，其与产物气回料器之间的立管在运行时将形成颗粒密封，防止燃烧气和热解气互窜。

单床自热式热解气化燃烧反应器的热解气化燃烧方法是在反应器内利用惰性床料内循环将燃烧区的热量传递到热解气化区，具体方法如下：固体燃料被热解气携带进入导向管中，热解气在进入导向管时形成高速射流卷吸燃烧床内的高温惰性床料，由下部卷吸孔进入导向管，固体燃料在导向管内快速加热升温至热解气化所需温度450-950℃，生成含一氧化碳和氢气等产物气，经热解床出口排出；残余半焦和惰性床料在热解床中惯性分离，落至锥形分隔板后进入导向管和分隔立管的环隙料腿，再进入燃烧床中形成颗粒内循环；燃烧床采用流化床运行方式，用空气作为流化气燃烧半焦用来加热惰性床料，排出反应器的产物气和热解气通过外置式旋风分离器分离飞出的较细床料和半焦，由回料器重新送回燃烧床中。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下特点：当前的采用惰性热载体传热技术都是双床结构，即两个独立的反应器，然后利用颗粒外循环来实现惰性床料热交换，如中国专利03152977.1和200510057215.8。这种双床技术在结构上显然比单床结构复杂，造价更高；此外，采用颗粒外循环来实现惰性床料热交换的方法，在颗粒循环量的控制上要较单床难，经常会出现颗粒循环量不足，造成热解气化反应供热量不够，反应温度低，同时燃烧反应器产生的热量不能带走，又出现超温的现象。本发明采用单床内循环技术可克服双床的缺陷，不仅在结构上更为紧凑，最主要的是通过控制输送气和流化气的流量就能控制颗粒循环量，而且更易大型化，具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1为单床自热式热解气化燃烧反应器结构示意图。

图2为采用本发明所述反应器实施单床自热式热解气化燃烧工艺流程图。

以上的图中有：卷吸孔1，燃烧床2，料腿3，导向管4，热解床5，分隔板6，产物气旋风分离器7，烟气旋风分离器8，烟气回料器9，产物气回料器10，冷凝系统11，第一调节阀12，第二调节阀13，空气预热器14，除尘器15，引风机16，烟囱17，空气过滤器18，鼓风机19，增压风机20，螺旋给料器21，风室22；惰性床料/催化剂进口i，固体燃料进口ii，热解不凝结气进口iii，空气进口iv，产物气出口v，燃烧烟气出口vi。

具体实施方式

单床自热式热解气化燃烧反应器采用分隔板6将反应器本体分成下部的燃烧床2和上部的热解床5；导向管4设置在反应器中心连接下部燃烧床2和上部热解床5，在导向管4下部设置卷吸孔1，该卷吸孔1与反应器底部的反应器底部入口ii、被热解不凝气入口iii相连接，作为物料的生物质或煤由反应器底部入口ii被热解不凝气iii气力输送至导向管4中；分隔板6和导向管4之间的空隙组成料腿3；热解床5的上部连接产物气出口v，燃烧床2的上部连接燃烧烟气出口vi，燃烧床2的中部连接烟气回料器9，燃烧床2的下部连接产物气回料器10；在反应器的中部设有床料/催化剂入口i，在反应器底部还设有空气入口iv，燃烧空气由底部的空气入口iv进入燃烧床；产物气旋风分离器7的底部连接产物气回料器10，产物气旋风分离器7的上部为产物气出口v，产物气旋风分离器7的侧面接热解床5；烟气旋风分离器8的底部连接烟气回料器9，烟气旋风分离器8的上部为烟气出口vi，烟气旋风分离器8的侧面接燃烧床2的上部。

所述的单床自热式热解气化燃烧反应器采用颗粒双密封方法进行密封，以防止燃烧床和热解床的气体互窜。颗粒双密封是指反应器内置料腿和外置旋风分离器料腿进行颗粒密封。

所述的惰性热载体为石英砂，灰渣等惰性固体颗粒。

由本发明提出的热解/气化系统如附图2所示。该系统由单床自热式反应器，加料器，产物器冷凝系统，空气烟气换热器，热解气再循环系统等组成。本发明所提出的系统既可以作为气化装置，也可以作为热解装置，用来生产燃料油和合成气。

固体燃料如生物质、煤或废物衍生燃料(RDF)通过螺旋加料器21加入到底部喷动管，由热解气化介质(再循环热解气或者蒸汽)气力输送到反应器导向管4内，固体采用0-5mm范围的颗粒，以利于气力输送和炉内热解气化反应。固体燃料颗粒进入导向管后迅速被从导向管下部卷吸孔1进来的高温惰性床料加热至反应温度，反应温度因工艺不同而有所不同，热解制油工艺为450-550℃，气化工艺温度较高，在850-950℃左右；导向管内由于高湍流、高加热速率，物料的热解气化反应剧烈，生成产物气和半焦喷出导向管在热解床5内形成喷泉，随后气固进行分离，产物气继续上升，而较重的床料和半焦下降落入锥形分隔板6，再通过连

接热解床和燃烧床的环形料腿3进入下部燃烧床2内。燃烧床采用空气鼓风流化，半焦在该床燃烧，释放的热量用来加热惰性床料，因此该工艺的传热特点主要是通过惰性床料及其内循环为热载体间接将燃烧反应的热量传递给热解气化区，以满足热解气化的热量需求。燃烧床上部设置惰性床料/催化剂加入口，以补充磨细后飞出的床料和部分工艺如催化热解气化需要加入催化剂的需要。在燃烧床和热解床分别设置气体出口，同时采用双颗粒密封方法，即反应器内环形料腿3和器外旋风分离器7料封，以确保将产物气和燃烧烟气分开。热解床的产物气和燃烧床烟气经单独设置的产物气旋风分离器7及烟气旋风分离器8和产物气回料器10及烟气回料器9将夹带的颗粒(细床料和半焦)分离后全部返回燃烧床再循环利用。除尘后的热解气化产物气经冷凝器11将轻质油和重质焦油冷却，不凝结产物气分成两路，一路经第一调节阀门12排出作原料气利用，另一路由第二调节阀门13进入增压风机20加压后作为输送气再进入反应器内。燃烧烟气方面，分离颗粒后的燃烧烟气，先经过换热器14回收烟气中的能量，冷却后的烟气经除尘器15再除尘后由引风机16经烟囱17排出。燃烧空气先经空气过滤器18过滤后，由鼓风机19经空气预热器14加热后由燃烧风室22进入燃烧床内。

固体燃料被热解气携带进入导向管中，热解气在进入导向管时形成高速射流，该高速射流主要有二个作用：其一是卷吸燃烧床内的高温惰性床料，并由下部卷吸孔进入导向管，其二是强化高温惰性床料、固体燃料和气体的混合和传热，使得固体燃料快速加热升温至热解气化所需温度(450-950℃)，固体燃料热解气化生成含一氧化碳和氢气的产物气，经热解床出口排出；残余半焦和惰性床料在热解床中惯性分离，落至锥形分隔板后进入导向管和分隔立管的环隙，再进入燃烧床中。燃烧床采用流化床运行方式，用空气作为流化气燃烧半焦，用于加热惰性床料，燃烧烟气由单独出口排出，考虑到惰性床料的跑损或某些工艺要使用催化剂，在燃烧床设有床料/催化剂加入口。排出主反应器的产物气和热解气通过外置式旋风分离器分离飞出的较细床料和半焦，由回料器重新送回燃烧床中再利用。