基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化装置及方法

摘要

基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化装置及方法，属于低阶燃料的清洁能源利用领域。热解反应器与流化床气化器及旋风分离器连通，旋风分离器依次连通一级回料管、螺旋回料器、二级回料管及热解反应器。在无载气通入的移动床热解系统内，高碱金属和碱土金属低阶燃料通过与热载体混合受热发生热解，其中部分热解产物发生气化和重整；热解产物直接输送至流化床气化系统内进行原位低温气化，大部分焦炭及全部焦油参与反应；流化床气化系统出口的热载体和合成气通过旋风分离系统分离，热载体进入移动床热解系统，合成气则被排出。本发明利用热解焦原位催化裂解部分焦油及复吸碱金属和碱土金属催化焦炭低温气化，实现了低阶燃料的高效低温自催化气化。

说明书

技术领域

本发明属于低阶燃料的清洁能源利用领域，特别涉及一种利用热解焦原位催化裂解焦油及复吸碱金属和碱土金属催化焦炭低温气化的两段低温气化装置及方法。

背景技术

气化是含碳燃料转化的主要途径之一，是实现其清洁高效利用的重要技术手段。低阶燃料（低阶煤、生物质和厨余垃圾）变质程度低，挥发分高，气化活性高；低阶燃料中富含的碱金属和碱土金属（低阶煤富含钠、钙和镁，生物质富含钾、钙和镁，而厨余垃圾中主要含有钠）对气化具有良好的催化作用，可显著提高低阶燃料的反应性和碳转化率。因此，相对于高阶燃料，低阶燃料可以在相对较低的温度下进行气化。对低阶燃料的热力学计算表明，当反应温度高于700℃时，提供的能量足以保证该燃料的完全气化。降低燃料的气化温度可显著提高其冷气化效率（对煤而言为冷煤气效率），同时降低氧气的消耗；但气化合成气中焦油的出现及焦炭中碱金属和碱土金属的大量释放限制了低温气化技术的应用。

气化过程中燃料首先热解生成挥发分和焦炭，之后热解产物才开始与气化介质发生反应。热解生成的焦油在高温时呈气态，与气化合成气均匀混合，在低温时（<200℃）冷凝，容易与水、焦炭等粘结在一起，堵塞送气管道，使气化设备运行发生困难。低阶燃料气化合成气中焦油产物的能量占合成气总能量的5%～15%，这部分能量在低温时难以与合成气一道被利用，大部分被浪费掉，使气化效率降低。针对气化过程产生的焦油，采取有效的方法将其转化为合成气，既可提高燃料的气化效率，又能保证设备的连续安全运行。

在气化过程中的热解阶段，低阶燃料内20%~70%的碱金属和碱土金属将以原子或化合物的形式释放到气相中，导致生成的焦炭内催化剂的含量减少，反应性及气化速率大幅降低，不利于碳转化率的提高及气化设备的大型化。针对热解阶段内释放的碱金属和碱土金属，采取有效的措施将其复吸至焦炭内，将会显著提高焦炭的气化速率，并最终提高燃料的碳转化率。

合成气中的焦油主要来源于燃料的热解阶段，而焦炭在气化阶段的反应是整个气化过程的控制步骤。因此，将燃料的热解和气化阶段分开，进行分段控制，可最大程度的降低合成气中焦油的含量，同时提高燃料的气化速率。基于此而开发的两段式气化技术正日益受到学者们的关注。

丹麦科技大学开发的联合外热式螺旋热解器和下吸式固定床气化器的两段气化技术，将生物质热解生成的含焦油热解气和高温半焦一起送入下吸式气化炉，焦油在高温半焦层的催化作用下发生分解；但外热式螺旋热解器不利于放大，且下吸式固定床气化器的阻力较大，气化速率较低。中国专利94190559.4公布了一种耦合流化床热解器和上吸式固定床气化炉的低阶煤两段气化工艺，流化床热解过程（400-700℃，＜50atm）中生成的半焦被送入到上吸式固定床内气化（＜1200℃，＜50atm），热解气和气化气各自排出，经混合后被送向终端的发电装置。中国专利CN1583956A公开了一种联合循环流化床气化炉和下吸式固定床气化炉的生物质两段气化工艺，前段生成的气化气与后段供入的生物质燃料在下吸式固定床中共气化。中国专利CN101440307A公布了一种耦合上吸式固定床气化炉和流化床气化炉的两段气化工艺，利用下段流化床气化炉内的高温进一步裂解上段固定床气化炉生成煤气中的焦油。中国专利CN102634372公布了一种制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法，该方法通过向固定床两段炉上段气中通入部分含氧气体，使其发生燃烧升温，上段气中所含的焦油发生高温裂解和重整。国内专利采用了流化床或者固定床热解器，有利于设备的放大。但热解燃料床层中均有载气通过，不利于焦油的原位催化分解及焦炭中碱金属和碱土金属的滞留，使进入气化炉的热解气中焦油含量升高，而热解焦炭中催化剂的含量降低。

国内外开发的两段气化技术通过提高气化阶段的温度来提高焦炭的反应速率，同时促进焦油的裂解，但较高的气化温度必然导致较低的冷气化效率。因此，在热解阶段采用有效的方法降低热解气中的焦油含量，同时将大部分碱金属和碱土金属滞留在焦炭中，对降低气化阶段的温度具有重要的意义。

发明内容

本发明为目的是为降低热解气中的焦油含量，同时提高热解焦炭的气化反应性，提供一种基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化装置及方法。

本发明中低阶燃料在热解阶段呈现堆积状态，且热解阶段内无载气通入；低阶燃料通过与热载体混合受热发生分解，热解气通过缓慢扩散溢出燃料层；生成的热解气和焦炭直接送入流化床气化系统与气化介质发生反应放热，转化为气化气的同时对热载体进行加热。本发明通过抑制热解燃料床层内的气体流动，一方面延长了焦油在床层内的停留时间，使焦油可在焦炭的催化作用下发生充分的裂解，降低了热解气中的焦油含量；另一方面，颗粒内热解释放的碱金属和碱土金属，由于气体流动的抑制而不易被携带出燃料床层，将会在临近颗粒的作用下重新发生吸附，用于催化焦炭的低温气化。堆积状态下颗粒间的紧密接触增强了上述两方面的作用效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化装置，其组成包括给料系统、移动床热解系统、流化床气化系统及旋风分离系统；

所述的给料系统包括料仓、关风器、齿轮变速箱、电机一和螺旋给料器，所述的移动床热解系统包括电动振动器和热解反应器，所述的流化床气化系统包括流化床气化器、进气系统和排渣管，所述的旋风分离系统包括螺旋回料器、二级回料管、至少一个旋风分离器及至少一个一级回料管；

所述的关风器设置在料仓内的下部，所述的电机一的动力输出轴与齿轮变速箱的动力输入轴传动连接，所述的齿轮变速箱具有两根动力输出轴，齿轮变速箱的其中一根动力输出轴与关风器传动连接，齿轮变速箱的另一根动力输出轴与螺旋给料器的螺旋轴传动连接，所述的料仓下端的燃料出口与螺旋给料器上端的燃料进口连通，所述的螺旋给料器下端的燃料出口与热解反应器的燃料进口连通；

所述的热解反应器的热解产物出口与流化床气化器连通；热解反应器倾斜设置，热解反应器的燃料进口一端高于热解反应器的热解产物出口一端，热解反应器上部设有水蒸气入口，所述的电动振动器与热解反应器燃料进口一端连接；

所述的流化床气化器的顶部与旋风分离器连通，流化床气化器的底部与进气系统连通，所述的排渣管一端与流化床气化器的底部连通；

所述的旋风分离器底部连通有一级回料管，所有所述的一级回料管下部与螺旋回料器上部连通，所述的螺旋回料器下部与二级回料管上部连通，所述的二级回料管下部与热解反应器上部连通。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1）合成气中焦油含量低，无需净化（或简单净化）即可使用。本发明所述的方法从三个层面来降低合成气中焦油的含量。首先，在移动床热解系统内，由于无载气通过燃料床层，热解焦油在床层内的停留时间延长，部分焦油在焦炭的催化下裂解生成轻质焦油或气体；其次，释放至气相中的焦油，只能通过缓慢扩散进入流化床气化系统，有利于焦油在热解反应器内与水蒸气的重整反应；最后，在流化床气化器内，剩余焦油与含氧水蒸气发生反应，实现完全转化。

2）较高的碳转化率和冷气化效率。本发明所述的方法可将低阶燃料中的碱金属和碱土金属等催化剂富集在焦炭内，用于催化焦炭的气化反应；高反应活性的焦炭无需冷却直接进入流化床气化器内参与气化反应，保留了原位焦的高活性。该方法整体的气化温度较低（＜1000℃），保证了较高的冷气化效率。

3）灵活的原料处理量，易于放大。在本发明的气化方法中，移动床热解系统内部无需添加附属结构，大幅度提高了原料处理量的上限；物料在热解反应器内的停留时间可调，保证了灵活的原料处理量。流化床气化器易于放大，物料的停留时间可在较大范围内自由调节。

4）原料来源广，适用性强，经济性好。本发明所述的方法可广泛应用于低阶燃料，这是因为低阶煤、生物质和厨余垃圾中均含有丰富的碱金属和碱土金属，可用于催化低阶燃料的气化反应。低阶燃料价格低廉，其内部赋存的水分可被原位利用，无需事先干燥，有效的提高了低阶燃料利用的经济性。

5）氧气消耗低。较低的气化温度有效的降低了氧气的消耗；因此气化介质或可采用富氧气体，从而降低合成气中N₂的浓度。

6）本发明的装置结构简单，所有设备均可外购或通过成熟技术加工获得；设备的安装及操作简便，其中需精确操控的流化床气化器的运行已经非常成熟；设备运行稳定性较好，设计过程中保证了关键设备的调节余量。

附图说明

图1为本发明的基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化方法的简易流程图一；

图2为本发明的基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化方法的简易流程图二，其中，合成气经换热器系统放热后排出，而常温水自换热器系统吸热后转化为水蒸气排出；

图3为本发明的基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化装置的结构示意图一；

图4为本发明的基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化装置的结构示意图二，其中，合成气经换热器系统放热后排出，而常温水自换热器系统吸热后转化为水蒸气排出；

图5为齿轮变速器的结构示意图。

图1~图5中各部件名称及标号如下：

给料系统1、料仓11、关风器12、齿轮变速箱13、主动齿轮一13-1、主动齿轮二13-2、从动齿轮一13-3、从动齿轮二13-4、动力输入轴13-5、动力输出轴13-6、电机一14、螺旋给料器15、移动床热解系统2、电动振动器21、热解反应器22、水蒸气入口22-1、流化床气化系统3、流化床气化器31、进气系统32、排渣管33、旋风分离系统4、旋风分离器41、一级回料管42、螺旋回料器43、二级回料管44、电机二45、换热器系统5。

其中：关风器12、齿轮变速箱13、电机一14、螺旋给料器15、电动振动器21、热解反应器22、流化床气化器31、旋风分离器41、螺旋回料器43、电机二45及换热器系统5均为外购产品。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明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精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1、图3、图5所示，本实施方式披露了一种基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化装置，其组成包括给料系统1、移动床热解系统2、流化床气化系统3及旋风分离系统4；

所述的给料系统1包括料仓11、关风器12、齿轮变速箱13、电机一14和螺旋给料器15，所述的移动床热解系统2 包括电动振动器21和热解反应器22，所述的流化床气化系统3包括流化床气化器31、进气系统32和排渣管33，所述的旋风分离系统4包括螺旋回料器43、二级回料管44、至少一个旋风分离器41及至少一个一级回料管42；

所述的关风器12设置在料仓11内的下部，所述的电机一14的动力输出轴与齿轮变速箱13的动力输入轴13-5传动连接，所述的齿轮变速箱13具有两根动力输出轴13-6，齿轮变速箱13的其中一根动力输出轴13-6与关风器12传动连接，齿轮变速箱13的另一根动力输出轴13-6与螺旋给料器15的螺旋轴传动连接，所述的料仓11下端的燃料出口与螺旋给料器15上端的燃料进口连通，所述的螺旋给料器15下端的燃料出口与热解反应器22的燃料进口连通；

所述的热解反应器22的热解产物出口与流化床气化器31连通；热解反应器22倾斜设置，热解反应器22的燃料进口一端高于热解反应器22的热解产物出口一端，热解反应器22上部设有水蒸气入口22-1，所述的电动振动器21与热解反应器22燃料进口一端连接；

所述的流化床气化器31的顶部与旋风分离器41连通，流化床气化器31的底部与进气系统32连通，所述的排渣管33一端与流化床气化器31的底部连通；

所述的旋风分离器41底部连通有一级回料管42，所有所述的一级回料管42下部与螺旋回料器43上部连通，所述的螺旋回料器43下部与二级回料管44上部连通，所述的二级回料管44下部与热解反应器22上部连通，螺旋回料器43的螺旋轴通过电机二45驱动转动。

本实施方式中，关风器12与螺旋给料器15通过齿轮变速箱13相互耦合，保证了低阶燃料的连续给进，关风器12用于保证无气体通过给料系统1；

本实施方式中，通过调节热解反应器22和水平面的夹角以及电动振动器21的功率来控制低阶燃料在热解反应器22内的停留时间。

本实施方式中的齿轮变速箱13包括主动齿轮一13-1、主动齿轮二13-2、从动齿轮一13-3、从动齿轮二13-4、动力输入轴13-5及两根动力输出轴13-6；所述的主动齿轮一13-1和主动齿轮二13-2共用一根动力输入轴13-5，所述的主动齿轮一13-1与从动齿轮一13-3啮合，所述的主动齿轮二13-2与从动齿轮二13-4啮合，从动齿轮一13-3安装在其中一根动力输出轴13-6上，从动齿轮二13-4安装在另一根动力输出轴13-6上。

具体实施方式二：如图3、图4所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步限定，所述的热解反应器22底面与水平面之间的夹角为α，α=20°~45°。针对不同颗粒流动性的低阶燃料，保证在低电动振动器21能耗下，燃料的连续稳定给入。

具体实施方式三：如图3、图4所示，本实施方式是对具体实施方式一做出的进一步说明，设所述的热解反应器22长度为L，热解反应器22长度的起始位置位于热解反应器22的燃料进口一端，所述的水蒸气入口22-1设置在热解反应器22长度方向上的1/3L~1/2L区域内（用于补充热解产物气化和重整所需的水分）。

具体实施方式四：如图3、图4所示，本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明，所述的二级回料管44位于热解反应器22长度方向上的1/3L区域内（保证热载体与给入低阶燃料发生充分的接触与传热）。

具体实施方式五：如图2、图4所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化装置还包括换热器系统5；所述的换热器系统5的合成气进口通过管路与旋风分离系统4的合成气出口连通（换热器系统5产生的水蒸气按一定比例分别通入热解反应器22和流化床气化器31中）。

具体实施方式六：如图2、图4所示，一种利用具体实施方式一至四中任一权利要求所述的装置实现基于低阶燃料自催化作用的两段低温气化方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤一：低阶燃料经料仓11、螺旋给料器15进入移动床热解系统2内，低阶燃料在移动床热解系统2内，通过与800℃~1000℃的循环物料（热载体）混合，升温至400℃~700℃进行热解，同时进行部分热解产物的气化和重整，气化和重整介质主要为水蒸气，包括自身热解产生的部分和外部通入的部分；所述移动床热解系统2内无载气通入，外部水蒸气通入时的温度为400℃~600℃，并在移动床热解系统2的热解反应器22内的焦炭层上方通入；

步骤二：热解产物（低阶燃料或焦炭通过自身重力及电动振动器21的振动向下移动）直接输送至800℃~1000℃的流化床气化器31内进行原位低温气化（挥发分则通过缓慢扩散向下移动并进入流化床气化器31，通过关风器12和螺旋给料器15保证挥发分不从给料系统1中溢出，通过螺旋回料器43保证挥发分不从旋风分离系统4中溢出，通过调节含氧气体的份额来控制流化床气化器31内的温度；剩余焦油在流化床气化器31内发生完全分解），其中，大部分焦炭参与反应，挥发分中剩余焦油则完全转化为气态产物，所述的原位低温气化的介质为含氧气体和水蒸气的混合物；

步骤三：流化床气化器31出口的热载体和合成气通过旋风分离器41分离，热载体进入移动床热解系统2的热解反应器22内，而分离出的800℃~1000℃的合成气则通过管路则进入下游的其它处理设备中。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步说明，所述的低阶燃料为低阶煤、生物质和厨余垃圾中的一种或至少两种燃料的组合。

低阶燃料无需事先干燥，低阶燃料内部的水分直接进行原位利用。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六或七作出的进一步说明，所述的低阶燃料粒径小于10mm。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步说明，步骤二中，所述的含氧气体为空气、氧气或空气和氧气的混合气。

具体实施方式十：如图2、图4所示，本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步说明，步骤三中，所述的分离出的800℃~1000℃的合成气则通过管路进入换热器系统5中，并通过向换热器系统5内通入常温水对合成气进行降温，当合成气温度降至100℃以下时排出；生成的400℃~600℃的水蒸气用于移动床热解系统2和流化床气化系统3内热解产物的气化和重整。

本发明的具体特点表现在以下几方面：

1、本发明基于低阶燃料的特殊性质，对现有两段式气化技术进行改进，在热解阶段采用无载气通入的移动床热解系统2，且使低阶燃料处于堆积状态；在气化阶段采用（循环）流化床气化系统3，气化的同时对循环物料（热载体）加热以向移动床热解系统2供热。

在移动床热解系统2中，低阶燃料通过与800℃~1000℃的热载体混合吸热发生干燥和热解，以及热解产物的部分气化和重整，反应过程如下：

原料的干燥和热解：原料>2O>mH_n>2+>4>

焦油的催化裂解：C_mH_n>2>4>mˊH_nˊ（2）

焦油重整：C_mH_n>2O → CO>2>

焦炭的部分气化：Char>2O → CO>2（4）

移动床热解系统2中无载气通入，挥发分通过缓慢扩散进入流化床气化系统3，增加了挥发分在移动床热解系统2内的停留时间，促进了反应式（3）的进行。同时，热解过程中低阶燃料处于无载气通过的堆积状态，有利于干燥生成的水分和热解生成的挥发分在原料床层中的停留，促进了反应式（2）和（4）的进行；此外，还有利于热解释放的碱金属和碱土金属在临近颗粒上的复吸，使得大部分碱金属和碱土金属富集在焦炭颗粒上，如下所示（焦炭用CM表示，碱金属和碱土金属以Na为例）：

碱金属和碱土金属的释放：CM-Na → -CM + Na（5）

碱金属和碱土金属的复吸：-CMˊ + Na → CMˊ-Na

2、将部分水蒸气（400℃~600℃）从焦炭层上方加入到移动床热解系统2内，用于高活性热解产物的进一步气化和重整，降低剩余焦油及焦炭的含量。外部水蒸气在焦炭层上方加入，避免因水蒸气流过焦炭层而导致的碱金属和碱土金属挥发增加以及挥发分停留时间降低。同时控制外部水蒸气的加入份额，在满足反应的同时，降低水蒸气对挥发分气流的携带以及对热解反应器的冷却。

3、热解后的焦炭及含少量焦油的热解气直接进入流化床气化系统3进行气化。由于焦炭没有经过冷却，避免了冷淬效应的负面影响，保留了原位焦的高反应性；更重要的是，焦炭中富集的碱金属和碱土金属可极大的催化焦炭的气化过程，这两者共同保证了焦炭的低温气化活性。焦油在移动床热解系统2内经过焦炭的催化裂解及水蒸气的气化重整后，分子量及含量大大降低，有利于其在流化床气化系统3内的完全气化。流化床气化系统3产生的合成气主要成分为H₂、CO、CO₂和CH₄。

4、根据本发明的两段低温气化方法，其中，合成气进入换热系统5放热后降至100℃以下排出；所述换热系统5中通入常温水用于对旋风分离系统4出口的合成气进行降温，生成的水蒸气用于移动床热解系统2和流化床气化系统3内热解产物的气化和重整。利用反应余热生成系统所需的水蒸气，提高了该气化方法的经济性。

5、根据本发明的两段低温气化方法，其中，原料无需事先干燥，原料内部的水分直接进行原位利用。这部分水分降低了外部水蒸气的加入份额，减少了系统的用水量；同时，由于本身赋存在原料内部，因此其在原料床层中的分散性很好。