高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体装置及方法

摘要

本发明涉及高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体装置及方法，该装置包括下降管反应器，位于其上并与其顶部连通的高温渣粒贮存室和生物质原料螺旋给料器，位于其下并与其底部连通的分离器及位于其两侧并分别与其连通的蒸汽发生器和富氢气体收集器。应用该装置的方法分别通过熔渣旋转粒化装置、生物质原料螺旋给料器和蒸汽发生器向下降管反应器中加入高温冶金渣颗粒、生物质原料和水蒸气，使生物质原料在高温冶金渣颗粒的催化下发生气化反应，生成富氢气体储存在富氢气体收集器内。该方法将冶金渣的余热以化学能的形式加以回收利用，具有较高的余热回收率，解决了冶金渣干法处理工艺余热回收率低、回收品质低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金工程、能源转换和环保节能领域，主要涉及利用冶金过程的节能减排、生物质能源转换，特别涉及一种高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体装置及方法。

背景技术

冶金工业是我国国民经济发展的支柱产业，也是高能耗、高污染、高排放大户，面临严峻的节能减排压力。其中，冶金熔渣是在金属、合金冶炼过程中排放的主要废弃物，排放的熔渣不仅数量巨大，而且蕴含丰富的高品质热量。例如，高炉每冶炼1吨生铁要排放350kg左右的熔渣，每生产1吨镍铁排放30吨左右的熔渣，转炉炼钢以及其它铁合金冶炼中亦要排出大量熔渣。这些熔渣的排放温度在1400~1700℃，每吨熔渣蕴含的显热约相当于1.5GJ。因此，合理回收高温冶金熔渣余热对于冶金行业降低冶炼成本及节能减排意义重大。

目前，对于冶金熔渣的处理主要有水淬处理工艺和干法处理工艺。水淬处理工艺就是采用水冲渣的方式使得熔渣快速冷却得到玻璃化渣的方法，得到的水淬玻璃渣经烘干处理后作为生产水泥的原材料。但是，该工艺主要存在以下问题：只注重将熔渣作为一种资源加以利用对其蕴含的热量完全没有回收；处理过程需要消耗大量新水，处理1吨熔渣大约耗水0.62~0.95吨；水蒸汽与熔渣中的硫化物发生反应极易产生H₂S、SO₂等有害气体；得到的水渣疏松多孔、含水量极高，进一步利用需要进行脱水处理，消耗能量。干法处理工艺是在不消耗水的情况下，采用机械能的形式对熔渣进行粒化，然后再采用空气等冷却介质对渣粒余热进行回收的方法。然而，该工艺主要采用物理介质对渣粒余热进行回收，能源转换次数较多，回收的余热品质较低，回收效率较差。

生物质能源是仅次于石油、煤和天然气的第4大能源，据估算地球上每年生长的生物质能的总量约相当于当前世界上总能耗的10倍。随着化石燃料的日益匮乏以及其在利用过程中造成的环境问题日趋严峻，生物质能作为一种清洁的、可再生的替代资源得到广泛关注。目前，生物质的利用方式中物化处理方式可以将能源密度较低的生物质转化为高能源密度的气体、生物质油等物质。然而，物化过程为吸热反应，需要外部提供热量，同时在催化气化过程中，催化剂表面积碳使得催化剂逐渐失活。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种高温冶金渣颗粒作为热载体催化气化生物质制备富氢气体的方法及装置，其通过将熔渣干法粒化得到的高温冶金渣粒作为热载体和催化剂，通入水蒸气气化生物质制取富氢气体，以有效解决现有干法处理熔渣工艺余热回收效率差、品质低等问题，以及固体热载体气化过程需要外部供热和催化剂容易积碳失活的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体装置，其特征在于：包括熔渣旋转粒化装置、高温渣粒贮存室、下降管反应器、蒸汽发生器、生物质原料螺旋给料器、分离器和富氢气体收集器；

所述高温渣粒贮存室和生物质原料螺旋给料器分别位于下降管反应器的上方，所述分离器位于下降管反应器的下方，所述蒸汽发生器和富氢气体收集器分别位于下降管反应器的两侧；

所述熔渣旋转粒化装置内设有粒化渣粒筛，所述粒化渣粒筛将熔渣旋转粒化装置分成两个部分，位于粒化渣粒筛下方的为渣粒收集器，位于粒化渣粒筛上方的部分与高温渣粒贮存室的顶部连通；

所述高温渣粒贮存室的底部通过高温渣粒进口与下降管反应器的顶部连通， 

所述生物质原料螺旋给料器的生物质原料出口与下降管反应器的顶部连通，生物质原料螺旋给料器的生物质原料进口与生物质原料贮存室的底部连通；

所述蒸汽发生器的水蒸气出口与下降管反应器的下方连通，所述富氢气体收集器的进气口与下降管反应器的上方连通；

所述分离器内设有冷却渣粒生物质残炭分离器，所述冷却渣粒生物质残炭分离器将分离器分成上下两个部分，其中上部分为冷却渣粒收集器，下部分为热解生物质残炭收集器，所述冷却渣粒收集器的顶部与下降管反应器的下方连通

作为优化，所述高温渣粒贮存室的底部与高温渣粒进口的连通处设有流量控制板。

作为优化，所述下降管反应器的上方具有水蒸气进口，所述蒸汽发生器的水蒸气出口通过水蒸气进气管与下降管反应器的下方的水蒸气进口连通，所述水蒸气进气管设有流量计。

所述下降管反应器的上方还具有富氢气体出口，所述富氢气体收集器的进气口通过富氢气体出气管与下降管反应器的上方的富氢气体出口连通，在所述富氢气体出气管上设有气体净化器。

作为优化，采用上述所述的高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体装置，具体步骤如下：

1)        将生物质原料进行充分的预处理，包括干燥和粉碎，使生物质原料含水率低于10%，生物质颗粒粒度小于1mm，然后将生物质原料放入生物质原料贮存室内；

2)        将经过熔渣旋转粒化装置的处理，粒径位于2~7mm之间的高温冶金渣粒进入高温渣粒贮存室5；

3)        通过调整设置在高温渣粒贮存室的底部与高温渣粒进口的连通处的流量控制板调节高温冶金渣粒进入下降管反应器的流量，高温冶金渣粒稳定、均匀地进入下降管反应器1；

4)        开启生物质原料螺旋给料器，使生物质原料均匀地落入下降管反应器内，生物质原料在下降过程中与下落的高温冶金渣粒碰撞进行热交换，生物质原料被加热发生热解；

5)        打开蒸汽发生器，调制流量计的流量，进入下降管反应器的水蒸气在上升过程中被高温冶金渣粒加热，与生物质原料热解产生的气体混合发生气化反应；

6)        气化反应产生的富氢气体通过富氢气体出气管和安装在富氢气体出气管上的气体净化器进行净化处理后进入富氢气体收集器，被回收起来；

冷却后的高温冶金渣粒与热解反应后的生物质残炭混合物进入分离器内，在冷却渣粒生物质残炭分离器的作用下将二者分离，所述生物质残炭进入热解生物质残炭收集器，冷却后的高温冶金渣粒进入冷却渣粒收集器。

作为优化，所述步骤4）中生物质原料螺旋给料器的给生物质原料速度与高温冶金渣粒的流速按3~5：1的比例调整。

作为优化，所述生物质快速热解过程的气体产量约为40-60%时，步骤5）所述水蒸气的流量与生物质原料的给料速度按1：2的比例通入。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1.        高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体装置结构简单，生产实施和使用操作较为简便，适宜于工业应用。

2.        本方法利用高温冶金渣粒作为热载体气化生物质，将冶金渣的余热以化学能的形式加以回收利用，二者能级匹配较好，且具有较高的余热回收率，解决了冶金渣干法处理工艺余热回收率低、回收品质低的问题。

3.        将高温冶金渣粒作为热载体为生物质原料气化提供热源，避免了生物质原料气化处理的二次能源消耗问题，同时高温冶金渣粒的物相组成可以成为生物质原料气化过程的催化剂。高温冶金渣颗粒在下降管反应器中连续移动，还避免了催化剂的表面积碳失活的问题。另外高温冶金渣颗粒只是作为热载体和催化剂，其既不参加化学反应，自身结构也不会有所改变，不会影响其进一步的利用。

4.        本方法所得的气体产物氢气含量高，能够作为高能值化学能产物加以二次利用。

附图说明

图1为实施例1中高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体装置的结构示意图。

 图中， 1——熔渣旋转粒化装置；2——粒化渣粒筛；3——渣粒收集器；4——渣粒通道；5——高温渣粒贮存室；6——渣粒流量控制板；7——高温渣粒进口；8——水蒸气进气管；9——流量计；10——蒸汽发生器；11——下降管反应器；12——生物质原料贮存室；13——生物质原料螺旋给料器；14——生物质原料输送管；15——富氢气体出气管；16——气体净化器；17——富氢气体收集瓶；18——冷却渣粒收集器；19——冷却渣粒生物质残炭分离器；20——热解生物质残炭收集器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：参见图1， 高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体装置，包括熔渣旋转粒化装置1、高温渣粒贮存室5、下降管反应器11、蒸汽发生器10、生物质原料螺旋给料器13、分离器和富氢气体收集器17。

高温渣粒贮存室5和生物质原料螺旋给料器13分别位于下降管反应器11的上方，分离器位于下降管反应器11的下方，蒸汽发生器10和富氢气体收集器17分别位于下降管反应器11的两侧；熔渣旋转粒化装置1内设有粒化渣粒筛2，粒化渣粒筛2将熔渣旋转粒化装置1分成两个部分，位于粒化渣粒筛2下方的为渣粒收集器3，位于粒化渣粒筛2上方的部分与高温渣粒贮存室5的顶部连通。具体地，通过渣粒通道4将熔渣旋转粒化装置1位于粒化渣粒筛2上方的部分与高温渣粒贮存室5的顶部连通。

熔渣旋转粒化装置1可采用现有技术，具体地可采用申请号201410185685，名称为一种冶金熔渣干法粒化余热回收装置及方法的申请文件中公开的结构。

高温渣粒贮存室5的底部通过高温渣粒进口7与下降管反应器11的顶部连通，为了便于更好地控制高温冶金渣粒进入下降管反应器11的流速，在高温渣粒贮存室5的底部与高温渣粒进口7的连通处设有流量控制板6。生物质原料螺旋给料器13的生物质原料出口通过生物质原料输送管14与下降管反应器11的顶部连通，生物质原料螺旋给料器13的生物质原料进口与生物质原料贮存室12的底部连通。

蒸汽发生器10的水蒸气出口与下降管反应器11的下方连通，富氢气体收集器17的进气口与下降管反应器11的上方连通；具体地，下降管反应器11的上方具有水蒸气进口，蒸汽发生器10的水蒸气出口通过水蒸气进气管8与下降管反应器11的下方的水蒸气进口连通，水蒸气进气管8设有流量计9，便于更好的控进入下降管反应器11参与反应的水蒸气流量；下降管反应器11的上方还具有富氢气体出口，所述富氢气体收集器17的进气口通过富氢气体出气管15与下降管反应器11的上方的富氢气体出口连通，在所述富氢气体出气管15上设有气体净化器16。

分离器内设有冷却渣粒生物质残炭分离器19，冷却渣粒生物质残炭分离器19将分离器分成上下两个部分，其中上部分为冷却渣粒收集器18，下部分为热解生物质残炭收集器20，所述冷却渣粒收集器18的顶部与下降管反应器11的下方连通。

实施例2：高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体方法，采用实施例1所述高温冶金渣颗粒催化气化生物质制取富氢气体装置，具体步骤如下：

1)        将生物质原料进行充分的预处理，包括干燥和粉碎，使生物质原料含水率低于10%，生物质颗粒粒度小于1mm，然后将生物质原料放入生物质原料贮存室12内。

2)        将经过熔渣旋转粒化装置1的处理，粒径位于2~7mm之间的高温冶金渣粒进入高温渣粒贮存室5，便于生物质残炭与高温冶金渣粒的分离，高温冶金渣粒的温度为700~900℃。经过熔渣旋转粒化装置1的处理的高温冶金渣粒粒径小与2mm的进入渣粒收集器3，粒径大于或等于2mm的进入下降管反应器11。

3)        通过调整设置在高温渣粒贮存室5的底部与高温渣粒进口7的连通处的流量控制板6调节高温冶金渣粒进入下降管反应器11的流量，高温冶金渣粒稳定、均匀地进入下降管反应器11；流量控制板的调节的高温冶金渣粒的流量大小与下降管反应器的高度、直径相关。

4)        开启生物质原料螺旋给料器13，使生物质原料均匀地落入下降管反应器11内，生物质原料在下降过程中与下落的高温冶金渣粒碰撞进行热交换，生物质原料被加热发生热解；所述步骤4）中生物质原料螺旋给料器13的给生物质原料速度与高温冶金渣粒的流速按3~5：1的比例调整，

5)        打开蒸汽发生器10，调制流量计9的流量，进入下降管反应器11的水蒸气在上升过程中被高温冶金渣粒加热，与生物质原料热解产生的气体混合发生气化反应；生物质快速热解过程的气体产量约为40%——60%时，（具体实施时，可以根据实际情况选择40%，45%，50%，55%，60%）步骤5）所述水蒸气的流量与生物质原料的给料速度按1：2的比例通入。

6)        气化反应产生的富氢气体通过富氢气体出气管15和安装在富氢气体出气管15上的气体净化器16进行净化处理后进入富氢气体收集器17，被回收起来；

7)        冷却后的高温冶金渣粒与热解反应后的生物质残炭混合物进入分离器内，在冷却渣粒生物质残炭分离器19的作用下将二者分离，所述生物质残炭进入热解生物质残炭收集器20，冷却后的高温冶金渣粒进入冷却渣粒收集器18。

工作原理如下：

将经熔渣旋转粒化装置处理粒化得到的高温冶金渣粒经过流量控制板均匀的进入下降管反应器，使得下降管反应器中充满一定量的高温冶金渣粒，同时启动生物质原料螺旋给料器，将经过处理的生物质原料按一定的流量稳定、均匀地送入下降管反应器，此外将水蒸气按一定流量从下降管反应器下部通入下降管反应器。高温的冶金渣粒和生物质原料在下降管反应器内混合碰撞，两种物料充分进行热交换，生物质原料吸收高温冶金渣粒的热量后发生热裂解反应，生成的热解气与通入的水蒸气混合，在高温冶金渣粒的加热和催化作用下，发生气化反应，生成大量富氢气体进入富氢气体收集器，利用冷却渣粒生物质残炭分离器的分离作用把热解气化后的生物质残炭和冷却后的高温冶金渣粒进行分离，分离后的生物质残炭进入分离器下部即热解生物质残炭收集器，而冷却的高温冶金渣粒则进入分离器的上部即冷却渣粒收集器。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。