一种生物质分步式富氧气化制备合成气的方法和装置

摘要

本发明涉及一种以富氧气体为气化剂，利用生物质制备合成气的技术。生物质原料在隔绝空气的情况下低温热解，所有产物一起送入气化炉，与高温富氧气体发生强烈的燃烧反应，形成高温氧化区，重质烃类物质发生分解，燃烧后的产物在下部炽热的炭层进行还原反应后完成气化过程。得到的合成气焦油含量小于20mg/Nm3，H2和CO的体积比为(1－2)∶1，气化炉出口合成气中H2和CO的总含量达70％，气化效率超过80％。高质量的合成气可以作为化工合成燃料。气化炉排灰中含有一定量的残炭，本发明增加燃烧炉，残炭进入燃烧炉燃烧后为低温热解提供热源，炭能够得到有效燃烧，节约了能源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种从生物质中制取化工合成气的方法和装置，属于生物质热化学转化领域。

背景技术

随着化石燃料的日益减少和环境污染程度的日益加剧，作为可再生、几乎无污染的生物质能源的充分利用，已引起了人们的广泛重视，其中气化技术是其研究方向之一，但是目前国内生物质气化技术存在初始燃气焦油含量高、技术路线和产品单一、产品附加值低等问题。近年来，科研人员通过不断改进新工艺，比如改变气化剂的种类、选择不同的催化剂等，来提高燃气的品质和系统的效率，扩大生物质能气化技术的应用领域。

针对上述情况，本发明通过改变气化剂的种类和气化工艺，提出了一种新型分步式生物质富氧气化制取高品质合成气的方法和装置，制得的生物质基合成气经过重整变换、催化合成等反应后可最终转化为甲醇、二甲醚等液体燃料，从而提高产品的附加值。

发明内容

本发明的目的是利用生物质和富氧气体制备高品质的化工合成气，使H2和CO的体积比达到(1-2)∶1，极大提高了燃气的热值，降低了燃气中的初始焦油含量。

本发明方法的特点是以富氧气体为气化剂，大大提高了合成气中有效气体成分含量，热解产物在气化炉高温氧化区与富氧气体气化剂发生强烈的燃烧反应，借助固定床气化炉分步式气化技术，降低了后续重整变换的难度；该方法所产合成气中初始焦油含量小于20mg/Nm³，且H2和CO的体积比为(1-2)∶1，为后续的合成反应奠定了良好的基础。本发明所述装置中增加了燃烧炉，气化炉排灰中的残炭进入燃烧炉充分燃烧，避免了能源的浪费，且燃烧后为热解反应提供热源，节约了能源，整个系统热利用率很高。

本发明一种生物质分步式富氧气化制备合成气的方法包括如下步骤：

(1)生物质原料在隔绝空气的情况下加热，在350-650℃之间发生热解反应，原料的挥发份析出，变成气相产物，剩余产物热解残炭的堆积状态得到明显改观，避免了架桥、空洞等现象，以利于后续气化反应的顺利进行；

(2)热解产物直接通入气化炉，在气化炉高温氧化区，热解气和残炭与通入的富氧气体发生强烈的燃烧反应，形成950-1300℃的局部高温区，焦油等重质烃类物质发生分解，裂解为永久不凝性小分子气体；

(3)未燃尽的残炭落入下方的炉排形成炽热的炭层，燃烧产物经过下部炭层发生还原反应后完成整个气化过程，得到高品质的合成气，合成气中H₂∶CO的体积比为(1-2)∶1，合成气中焦油含量低于20mg/Nm³，大大降低了后续净化和重整变换的难度；

(4)气化炉排灰中具有一定的含炭量，仍有相当的利用价值，本发明所述装置中增加了燃烧炉，气化炉排灰中的残炭进入燃烧炉充分燃烧，避免了能源的浪费，且燃烧后为步骤(1)中的热解反应提供热源，节约了能源，降低了成本，整个系统热利用率很高。

为了实现上述方法，本发明采用由热解反应器和固定床气化炉相结合的分步式富氧气化装置，该装置中还设置有燃烧炉。其具体结构是：

热解反应器的物料出口与固定床气化炉侧壁上的物料进口配合连接，气化炉底部设置有气化炉出气口和气化炉出灰口，气化炉出灰口与燃烧炉的物料进口配合连接，燃烧炉的烟气出口经管道与热解反应器外热源进口配合连接，气化炉出气口与换热器配合连接，换热器还与气化炉侧壁上的富氧气体进口配合连接，换热器上设置合成气出口。

热解反应器根据原料处理量的不同采用了两种不同的机械推进方式，一种是螺旋推进式热解反应器，另一种是滚筒式热解反应器，螺旋式比滚筒式处理料量要小一些。热解产物——热解气和残炭一并推入固定床气化炉中。

固定床气化炉为下吸式，侧壁上分别设有物料进口和富氧气体进口。气化炉下部设有炉排装置，在炉排装置附近分别设有出气口和出灰口，合成气自出气口离开气化炉后具有较高的温度，进入换热器，预热富氧气体，之后高温富氧气体自气化炉富氧气体进口进入气化炉。而气化炉出灰口的排灰中具有一定的含炭量，仍有很高的利用价值，气化炉排灰自出灰口通过燃烧炉物料进口被送至燃烧炉中，经燃烧后，其烟气通过燃烧炉烟气出口，经管道与热解反应器外热源进口相连，为热解反应提供热源。

经过各步反应后的高温合成气自气化炉出气口进入换热器，并最终自换热器合成气出口排出。

本发明所述的一种生物质分步式富氧气化制备合成气的装置结构简单，操作方便，运行稳定，原料适应性广，能源利用率高，其所产合成气中初始焦油含量小于20mg/Nm³，H2和CO的体积比为(1-2)∶1，两者体积之和大于70％，系统气化效率为80％，燃气热值大于9MJ/Nm³，该合成气具有广泛的利用价值。

本发明将低温热解和高温气化两个过程分开，采用分步气化的技术，可以有效地组织热解产物的燃烧，形成均匀稳定的高温环境，焦油等重质烃类物质在高温区裂解为小分子气体，大大减少了合成气中初始焦油含量；

热解反应器采用机械推力的方式，避免了架桥、空洞、反应不稳定的现象，原料适应范围广；

以富氧气体为气化剂，大大提高了合成气中有效气体成分含量，借助固定床气化炉分步式气化技术可以使合成气中H2和CO的比例为(1-2)∶1，降低了后续重整变换的难度；

本发明采用残炭再利用技术，气化炉的排灰燃烧后为热解反应提供热源，节约了能源、降低了成本，极大提高了整个系统的热利用率。

附图说明

图1为采用本发明方法的生物质分步式富氧气化制备合成气的装置结构示意图。

图2为滚筒式热解反应器结构图。

图中：1-电机一；2-热解反应器物料进口；3-热解反应器外热源出口；4-螺旋推进式热解反应器；5-气化炉物料进口；6-热解反应器外热源进口；7-气化炉富氧气体进口；8-燃烧炉烟气出口；9-燃烧炉；10-燃烧炉物料进口；11-气化炉出灰口；12-燃烧炉空气进口；13-燃烧炉排灰口；14-气化炉；15-气化炉炉排装置；16-气化炉出气口；17-换热器；18-换热器富氧气体进口；19-换热器合成气出口；20-炒板；21-齿轮；22-电机二；23-滚筒式热解反应器物料出口；24-滚筒式热解反应器。

热解反应器、气化炉、燃烧炉、换热器之间均有管道相连，形成一个连续的工艺过程。本发明方法的装置中热解反应器根据原料处理量的不同采用了两种不同的机械推进方式，一种是图1所示的螺旋推进式热解反应器，另一种是图2所示的滚筒式热解反应器，螺旋式比滚筒式处理料量要小一些。

具体实施方式

实施例一

以玉米芯为原料，无需粉碎。首先启动燃烧炉(9)，其烟气预热螺旋式热解反应器(4)，至450-500℃左右，启动电机(1)，控制加料量为50-55kg/h，原料经热解反应后其所有产物逐步被推入气化炉(14)中；经换热器(17)预热的高温富氧气体自气化炉富氧气体进口(7)进入气化炉(14)，热解产物与高温富氧气体在气化炉(14)中发生强烈的氧化燃烧反应，形成1100-1200℃的高温区，大分子的重质烃类物质发生分解，裂解为小分子气体，燃烧后的产物经过下部的炭层发生还原反应后完成整个气化过程，合成气自气化炉出气口(1 6)排出，进入后续的换热器(17)、过滤器、水冷器后由燃气输送机被送出该系统。气化炉(14)排灰自气化炉出灰口(11)排出，自燃烧炉的物料进口(10)进入燃烧炉(9)，排灰中的残炭进入燃烧炉(9)充分燃烧，避免了能源的浪费。燃烧炉的烟气出口(8)经管道与热解反应器外热源进口(6)配合连接，为热解反应提供热源，节约了能源，降低了成本，整个系统热利用率提高。

富氧气体中氧气含量大于92％，流量为12Nm³/h，该装置所得到合成气的大致范围为H₂ 36-40％，CO 33-36％，CH₄1-2.5％，C₂以上成分0.2-0.55％，O₂ 0.2-0.6％，CO₂ 16-20％，N₂ 8-10％；燃气热值大于9MJ/Nm³，合成气中焦油含量＜15mg/Nm³。

实施例二

以木屑为原料。热解反应器为滚筒式，加料量控制在400-450kg/h，热解反应器物料出口端温度为500-550℃左右，气化炉高温氧化区温度控制在1000-1100℃左右，富氧气体中氧气纯度控制在94％以上，流量为100Nm³/h，其余步骤同实施例一。得到的合成气质量基本和实施例一相同。

实施例三

以棉柴为原料，粉碎至5cm以下，热解反应器物料出口端温度为550-600℃左右，气化炉高温氧化区温度控制在1000-1100℃左右，其余同实施例一，得到的合成气质量基本和实施例一相同。

实施例四

以玉米秸为原料，粉碎至5cm以下，气化炉高温氧化区温度控制在950-1050℃左右，其余同实施例一，得到的合成气质量基本和实施例一相同。

下面对不同气化技术合成气的气体成分含量与本发明所述方法合成气的气体成分含量对比：

通过上表可以发现，本发明所述方法合成气的气体成分中，H₂和CO的体积比达到(1-2)∶1，极大提高了燃气的热值。

下面对不同气化技术初始焦油含量对比：

    气化技术    初始焦油含量(mg/Nm³)    分步式固定床气化    ＜20    普通固定床气化    ＞500    流化床气化    ＞1500

由上表可知，本发明所述方法所产合成气中初始焦油含量小于20mg/Nm³，比其余现有技术生产的合成气中初始焦油含量有了很大降低。