專利名稱：：一種生物質(zhì)分步式富氧氣化制備合成氣的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種從生物質(zhì)中制取化工合成氣的方法和裝置，屬于生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著化石燃料的日益減少和環(huán)境污染程度的日益加劇，作為可再生、幾乎無(wú)污染的生物質(zhì)能源的充分利用，已引起了人們的廣泛重視，其中氣化技術(shù)是其研究方向之一，但是目前國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)存在初始燃?xì)饨褂秃扛?、技術(shù)路線和產(chǎn)品單一、產(chǎn)品附加值低等問(wèn)題。近年來(lái)，科研人員通過(guò)不斷改進(jìn)新工藝，比如改變氣化劑的種類、選擇不同的催化劑等，來(lái)提高燃?xì)獾钠焚|(zhì)和系統(tǒng)的效率，擴(kuò)大生物質(zhì)能氣化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。針對(duì)上述情況，本發(fā)明通過(guò)改變氣化劑的種類和氣化工藝，提出了一種新型分步式生物質(zhì)富氧氣化制取高品質(zhì)合成氣的方法和裝置，制得的生物質(zhì)基合成氣經(jīng)過(guò)重整變換、催化合成等反應(yīng)后可最終轉(zhuǎn)化為甲醇、二甲醚等液體燃料，從而提高產(chǎn)品的附加值。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是利用生物質(zhì)和富氧氣體制備高品質(zhì)的化工合成氣，使&和C0的體積比達(dá)到(1-2):1,極大提高了燃?xì)獾臒嶂?，降低了燃?xì)庵械某跏冀褂秃俊１景l(fā)明方法的特點(diǎn)是以富氧氣體為氣化劑，大大提高了合成氣中有效氣體成分含量，熱解產(chǎn)物在氣化爐高溫氧化區(qū)與富氧氣體氣化劑發(fā)生強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng)，借助固定床氣化爐分步式氣化技術(shù)，降低了后續(xù)重整變換的難度；該方法所產(chǎn)合成氣中初始焦油含量小于20mg/Nm3,且H2和CO的體積比為(1-2):1，為后續(xù)的合成反應(yīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。本發(fā)明所述裝置中增加了燃燒爐，氣化爐排灰中的殘?zhí)窟M(jìn)入燃燒爐充分燃燒，避免了能源的浪費(fèi)，且燃燒后為熱解反應(yīng)提供熱源，節(jié)約了能源，整個(gè)系統(tǒng)熱利用率很高。本發(fā)明一種生物質(zhì)分步式富氧氣化制備合成氣的方法包括如下步驟(1)生物質(zhì)原料在隔絕空氣的情況下加熱，在350-65(TC之間發(fā)生熱解反應(yīng)，原料的揮發(fā)份析出，變成氣相產(chǎn)物，剩余產(chǎn)物熱解殘?zhí)康亩逊e狀態(tài)得到明顯改觀，避免了架橋、空洞等現(xiàn)象，以利于后續(xù)氣化反應(yīng)的順利進(jìn)行；(2)熱解產(chǎn)物直接通入氣化爐，在氣化爐高溫氧化區(qū)，熱解氣和殘?zhí)颗c通入的富氧氣體發(fā)生強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng)，形成950-130(TC的局部高溫區(qū)，焦油等重質(zhì)烴類物質(zhì)發(fā)生分解，裂解為永久不凝性小分子氣體；(3)未燃盡的殘?zhí)柯淙胂路降臓t排形成熾熱的炭層，燃燒產(chǎn)物經(jīng)過(guò)下部炭層發(fā)生還原反應(yīng)后完成整個(gè)氣化過(guò)程，得到高品質(zhì)的合成氣，合成氣中H2:CO的體積比為U-2):1,合成氣中焦油含量低于20mg/Nm3，大大降低了后續(xù)凈化和重整變換的難度；(4)氣化爐排灰中具有一定的含炭量，仍有相當(dāng)?shù)睦脙r(jià)值，本發(fā)明所述裝置中增加了燃燒爐，氣化爐排灰中的殘?zhí)窟M(jìn)入燃燒爐充分燃燒，避免了能源的浪費(fèi)，且燃燒后為步驟(l)中的熱解反應(yīng)提供熱源，節(jié)約了能源，降低了成本，整個(gè)系統(tǒng)熱利用率很高。為了實(shí)現(xiàn)上述方法，本發(fā)明采用由熱解反應(yīng)器和固定床氣化爐相結(jié)合的分步式富氧氣化裝置，該裝置中還設(shè)置有燃燒爐。其具體結(jié)構(gòu)是熱解反應(yīng)器的物料出口與固定床氣化爐側(cè)壁上的物料進(jìn)口配合連接，氣化爐底部設(shè)置有氣化爐出氣口和氣化爐出灰口，氣化爐出灰口與燃燒爐的物料進(jìn)口配合連接，燃燒爐的煙氣出口經(jīng)管道與熱解反應(yīng)器外熱源進(jìn)口配合連接，氣化爐出氣口與換熱器配合連接，換熱器還與氣化爐側(cè)壁上的富氧氣體進(jìn)口配合連接，換熱器上設(shè)置合成氣出口。熱解反應(yīng)器根據(jù)原料處理量的不同采用了兩種不同的機(jī)械推進(jìn)方式，一種是螺旋推進(jìn)式熱解反應(yīng)器，另一種是滾筒式熱解反應(yīng)器，螺旋式比滾簡(jiǎn)式處理料量要小一些。熱解產(chǎn)物一一熱解氣和殘?zhí)恳徊⑼迫牍潭ù矚饣癄t中。固定床氣化爐為下吸式，側(cè)壁上分別設(shè)有物料進(jìn)口和富氧氣體進(jìn)口。氣化爐下部設(shè)有爐排裝置，在爐排裝置附近分別設(shè)有出氣口和出灰口，合成氣自出氣口離開(kāi)氣化爐后具有較高的溫度，進(jìn)入換熱器，預(yù)熱富氧氣體，之后高溫富氧氣體自氣化爐富氧氣體進(jìn)口進(jìn)入氣化爐。而氣化爐出灰口的排灰中具有一定的含炭量，仍有很高的利用價(jià)值，氣化爐排灰自出灰口通過(guò)燃燒爐物料進(jìn)口被送至燃燒爐中，經(jīng)燃燒后，其煙氣通過(guò)燃燒爐煙氣出口，經(jīng)管道與熱解反應(yīng)器外熱源進(jìn)口相連，為熱解反應(yīng)提供熱源。經(jīng)過(guò)各步反應(yīng)后的高溫合成氣自氣化爐出氣口進(jìn)入換熱器，并最終自換熱器合成氣出口排出。本發(fā)明所述的一種生物質(zhì)分步式富氧氣化制備合成氣的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搡作方便，運(yùn)行穩(wěn)定，原料適應(yīng)性廣，能源利用率高，其所產(chǎn)合成氣中初始焦油含量小于20mg/Nm3,H2和C0的體積比為(1-2):1,兩者體積之和大于70%,系統(tǒng)氣化效率為80%,燃?xì)鉄嶂荡笥?MJ/Nm3,該合成氣具有廣泛的利用價(jià)值。本發(fā)明將低溫?zé)峤夂透邷貧饣瘍蓚€(gè)過(guò)程分開(kāi)，釆用分步氣化的技術(shù)，可以有效地組織熱解產(chǎn)物的燃燒，形成均勾穩(wěn)定的高溫環(huán)境，焦油等重質(zhì)烴類物質(zhì)在高溫區(qū)裂解為小分子氣體，大大減少了合成氣中初始焦油含量；熱解反應(yīng)器釆用機(jī)械推力的方式，避免了架橋、空洞、反應(yīng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，原料適應(yīng)范圍廣；以富氧氣體為氣化劑，大大提高了合成氣中有效氣體成分含量，借助固定床氣化爐分步式氣化技術(shù)可以使合成氣中H2和CO的比例為(1-2):1，降低了后續(xù)重整變換的難度；本發(fā)明采用殘?zhí)吭倮眉夹g(shù)，氣化爐的排灰燃燒后為熱解反應(yīng)提供熱源，節(jié)約了能源、降低了成本，極大提高了整個(gè)系統(tǒng)的熱利用率。圖1為采用本發(fā)明方法的生物質(zhì)分步式富氧氣化制備合成氣的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為滾簡(jiǎn)式熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖。圖中l(wèi)一電機(jī)一；2—熱解反應(yīng)器物料進(jìn)口；3—熱解反應(yīng)器外熱源出口；4一螺旋推進(jìn)式熱解反應(yīng)器；5—?dú)饣癄t物料進(jìn)口；6—熱解反應(yīng)器外熱源進(jìn)口；7一氣化爐富氧氣體進(jìn)口；8—燃燒爐煙氣出口；9一燃燒爐；IO—燃燒爐物料進(jìn)口；ll一氣化爐出灰口；12—燃燒爐空氣進(jìn)口；13—燃燒爐排灰口；14一氣化爐；15—?dú)饣癄t爐排裝置；16—?dú)饣癄t出氣口；17—換熱器；18—換熱器富氧氣體進(jìn)口；19一換熱器合成氣出口；20_炒板；21—齒輪；22—電機(jī)二；23—滾簡(jiǎn)式熱解反應(yīng)器物料出口；24—滾簡(jiǎn)式熱解反應(yīng)器。熱解反應(yīng)器、氣化爐、燃燒爐、換熱器之間均有管道相連，形成一個(gè)連續(xù)的工藝過(guò)程。本發(fā)明方法的裝置中熱解反應(yīng)器根據(jù)原料處理量的不同釆用了兩種不同的機(jī)械推進(jìn)方式，一種是圖1所示的螺旋推進(jìn)式熱解反應(yīng)器，另一種是圖2所示的滾簡(jiǎn)式熱解反應(yīng)器，螺旋式比滾簡(jiǎn)式處理料量要小一些。具體實(shí)施方式實(shí)施例一以玉米芯為原料，無(wú)需粉碎。首先啟動(dòng)燃燒爐(9),其煙氣預(yù)熱螺旋式熱解反應(yīng)器(4)，至450-50(TC左右，啟動(dòng)電機(jī)(l),控制加料量為50-55kg/h,原料經(jīng)熱解反應(yīng)后其所有產(chǎn)物逐步被推入氣化爐(14)中；經(jīng)換熱器(17)預(yù)熱的高溫富氧氣體自氣化爐富氧氣體進(jìn)口(7)進(jìn)入氣化爐(14),熱解產(chǎn)物與高溫富氧氣體在氣化爐(14)中發(fā)生強(qiáng)烈的氧化燃燒反應(yīng)，形成IIOO-120(TC的高溫區(qū)，大分子的重質(zhì)烴類物質(zhì)發(fā)生分解，裂解為小分子氣體，燃燒后的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)下部的炭層發(fā)生還原反應(yīng)后完成整個(gè)氣化過(guò)程，合成氣自氣化爐出氣口(16)排出，進(jìn)入后續(xù)的換熱器(17)、過(guò)濾器、水冷器后由燃?xì)廨斔蜋C(jī)被送出該系統(tǒng)。氣化爐(14)排灰自氣化爐出灰口(ll)排出，自燃燒爐的物料進(jìn)口(10)進(jìn)入燃燒爐(9),排灰中的殘?zhí)窟M(jìn)入燃燒爐(9)充分燃燒，避免了能源的浪費(fèi)。燃燒爐的煙氣出口(8)經(jīng)管道與熱解反應(yīng)器外熱源進(jìn)口(6)配合連接，為熱解反應(yīng)提供熱源，節(jié)約了能源，降低了成本，整個(gè)系統(tǒng)熱利用率提高。富氧氣體中氧氣含量大于92%,流量為12NmVh，該裝置所得到合成氣的大致范圍為H236-40%,CO33-36%,CH41-2.5°/。，(;2以上成分0.2-0.55°/。，020.2-0.6%,C0216-20%,N28-10%;燃?xì)鉄嶂荡笥?MJ/Nm3，合成氣中焦油含量〈15mg/Nm3。實(shí)施例二以木屑為原料。熱解反應(yīng)器為滾簡(jiǎn)式，加料量控制在400-450kg/h，熱解反應(yīng)器物料出口端溫度為500-55(TC左右，氣化爐高溫氧化區(qū)溫度控制在1000-IIO(TC左右，富氧氣體中氧氣純度控制在94%以上，流量為100NmVh，其余步驟同實(shí)施例一。得到的合成氣質(zhì)量基本和實(shí)施例一相同。實(shí)施例三以棉柴為原料，粉碎至5cm以下，熱解反應(yīng)器物料出口端溫度為550-600°C左右，氣化爐高溫氧化區(qū)溫度控制在1000-IIO(TC左右，其余同實(shí)施例一，得到的合成氣質(zhì)量基本和實(shí)施例一相同。實(shí)施例四以玉米秸為原料，粉碎至5cm以下，氣化爐高溫氧化區(qū)溫度控制在950-1050'C左右，其余同實(shí)施例一，得到的合成氣質(zhì)量基本和實(shí)施例一相同。下面對(duì)不同氣化技術(shù)合成氣的氣體成分含量與本發(fā)明所述方法合成氣的氣體成分含量對(duì)比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>通過(guò)上表可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明所述方法合成氣的氣體成分中，H2和C0的體積比達(dá)到(1-2):1,極大提高了燃?xì)獾臒嶂?。下面?duì)不同氣化技術(shù)初始焦油含量對(duì)比:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由上表可知，本發(fā)明所述方法所產(chǎn)合成氣中初始焦油含量小于20mg/Nm3,比其余現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的合成氣中初始焦油含量有了很大降低。權(quán)利要求1.一種生物質(zhì)分步式富氧氣化制備合成氣的方法，其特征在于包括以下步驟(1)生物質(zhì)原料進(jìn)入熱解反應(yīng)器，隔絕空氣，在350-650℃發(fā)生低溫?zé)峤夥磻?yīng)；(2)熱解產(chǎn)物全部進(jìn)入氣化爐(14)，與通入的高溫富氧氣體發(fā)生強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng)，形成950-1300℃的局部高溫區(qū)；(3)未燃盡的殘?zhí)柯淙霟峤夥磻?yīng)器下方的爐排，形成熾熱的炭層，燃燒產(chǎn)物經(jīng)過(guò)下部炭層發(fā)生還原反應(yīng)后完成整個(gè)氣化過(guò)程，得到高品質(zhì)的合成氣；(4)具有一定含炭量的氣化爐排灰，進(jìn)入燃燒爐(9)，燃燒后為步驟(1)中的熱解反應(yīng)提供外熱源，完成一個(gè)循環(huán)。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)通入的氣體為高溫富氧氣體。3.如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于將低溫?zé)峤夥磻?yīng)和高溫氣化反應(yīng)兩個(gè)過(guò)程分開(kāi)，生物質(zhì)氣化過(guò)程分步進(jìn)行。4.一種生物質(zhì)分步式富氧氣化制備合成氣的裝置，包括相互配合連接的熱解反應(yīng)器、固定床氣化爐(14)、換熱器(17)，其特征在于所述裝置中設(shè)置有燃燒爐(9)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于熱解反應(yīng)器的物料出口與固定床氣化爐(14)側(cè)壁上的物料進(jìn)口(5)配合連接，氣化爐(14)底部設(shè)置有氣化爐出氣口U6)和氣化爐出灰口(11),氣化爐出灰口Ul)與燃燒爐(9)的物料進(jìn)口(10)配合連接，燃燒爐(9)的煙氣出口(8)經(jīng)管道與熱解反應(yīng)器外熱源進(jìn)口(6)配合連接，氣化爐出氣口(16)與換熱器(17)配合連接，換熱器(17)還與氣化爐(14)側(cè)壁上的富氧氣體進(jìn)口(7)配合連接，換熱器(17)上設(shè)置合成氣出口(19)。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所迷的裝置，其特征在于所述的熱解反應(yīng)器為螺旋推進(jìn)式(4)。7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于所述的熱解反應(yīng)器為滾簡(jiǎn)式(24)。8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于:所述的固定床氣化爐(14)為下吸式。全文摘要本發(fā)明涉及一種以富氧氣體為氣化劑，利用生物質(zhì)制備合成氣的技術(shù)。生物質(zhì)原料在隔絕空氣的情況下低溫?zé)峤猓挟a(chǎn)物一起送入氣化爐，與高溫富氧氣體發(fā)生強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng)，形成高溫氧化區(qū)，重質(zhì)烴類物質(zhì)發(fā)生分解，燃燒后的產(chǎn)物在下部熾熱的炭層進(jìn)行還原反應(yīng)后完成氣化過(guò)程。得到的合成氣焦油含量小于20mg/Nm³，H₂和CO的體積比為(1-2)∶1，氣化爐出口合成氣中H₂和CO的總含量達(dá)70％，氣化效率超過(guò)80％。高質(zhì)量的合成氣可以作為化工合成燃料。氣化爐排灰中含有一定量的殘?zhí)?，本發(fā)明增加燃燒爐，殘?zhí)窟M(jìn)入燃燒爐燃燒后為低溫?zé)峤馓峁嵩矗磕軌虻玫接行紵?，?jié)約了能源。文檔編號(hào)C01B3/36GK101164866SQ20071011311公開(kāi)日2008年4月23日申請(qǐng)日期2007年9月27日優(yōu)先權(quán)日2007年9月27日發(fā)明者關(guān)海濱,立孫,孫榮峰,張衛(wèi)杰,敏許,閆桂煥申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院能源研究所