專利名稱：外源高溫co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬外源高溫CO2與生物質(zhì)還原反應(yīng)制取可燃?xì)怏w的工藝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高溫下，利用氣化劑使生物質(zhì)即木材之類的植物原料或其他含碳固體材料轉(zhuǎn)變成可燃性氣體的熱化學(xué)過程稱作氣化，也就是固體或液體燃料轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過程。在氣化裝置內(nèi)，游離氧或結(jié)合氧與燃料中的碳進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成可燃?xì)怏w。利用氣化的方法將木質(zhì)原料、農(nóng)作物秸稈或有機(jī)性工業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化成氣體燃料，不但在節(jié)約能源方面具有重大意義，而且在保護(hù)環(huán)境、防止污染方面也有重要意義。
生物質(zhì)的氣化就是利用空氣中的氧氣或含氧物質(zhì)作為氣化劑、將生物質(zhì)中的固定碳氧化成可燃?xì)怏w的過程，隨采用原料不同、吹入氣體不同(如空氣、氧氣、水蒸汽)或操作溫度、設(shè)備不同，所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w成分也各異。
目前的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，多是以空氣為氣化劑的氣化方式，得到的氣體中N2和焦油含量高，熱值為5000KJ/Nm3左右，流化床工藝操作較復(fù)雜，推廣應(yīng)用存在許多困難；直接干餾熱解，雖然氣體熱值可高達(dá)14000KJ/Nm3，但氣化效率低。
所有生物質(zhì)氣化爐大部分采用自熱式，僅雙流化床氣化爐將燃燒和氣化過程分開，燃燒床采用鼓泡床，氣化床采用循環(huán)流化床，兩床之間靠熱載體進(jìn)行傳熱，其中如何控制好熱載體的循環(huán)速度和加熱溫度是目前尚未能很好解決的關(guān)鍵技術(shù)。自熱式生物質(zhì)氣化爐普遍存在的問題是難以建立氧化與還原反應(yīng)的平衡機(jī)制，以保持穩(wěn)定的反應(yīng)條件和反應(yīng)床層，也就難以通過合理控制進(jìn)入氣化爐的空氣量來調(diào)整氣化爐的負(fù)荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用外源高溫與生物質(zhì)、特別是農(nóng)林廢棄物熱解還原制取熱值高、含焦油量少、且H2∶CO之比可調(diào)的可燃?xì)怏w的方法。
本發(fā)明以如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題生物質(zhì)被置入爐內(nèi)后，噴入由水蒸汽助燃的高溫CO2，利用二氧化碳和水蒸汽作為氣化劑，在高溫下，將農(nóng)林廢棄物氣化生成以CO、H2為主要成分(＞50％)的可燃?xì)怏w。
采用本發(fā)明的方法可以使用如下結(jié)構(gòu)的氣化爐氣化爐的四周有保溫集塵夾層，上部接加料設(shè)備；氣化爐內(nèi)腔的側(cè)面與外源高溫CO2入口連通，上部有布料柵板，下部有蓄熱填料層；還有與氣化爐配套的旋風(fēng)分離器、廢熱回收器、引風(fēng)機(jī)、過濾器、儲(chǔ)氣柜等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)1、可以得到高熱值(10MJ/Nm3)和高產(chǎn)氣率(1.7m3/kg)。
2、產(chǎn)生的可燃?xì)怏w既可以作為民用燃料，又可以將CO、H2作為工業(yè)原料。
3、碳轉(zhuǎn)化率高，在無催化劑的條件下達(dá)到88％。
4、可燃?xì)怏w主要成分(CO、H2)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
5、反應(yīng)裝置簡(jiǎn)單易行，好操作。


圖1是本發(fā)明外源高溫CO2與生物質(zhì)還原反應(yīng)制取可燃?xì)怏w的工藝系統(tǒng)圖。
具體實(shí)施例方式
氣化爐本體為空心圓筒狀，設(shè)在保溫集塵夾層9內(nèi)，保溫集塵夾層通出氣口，加料系統(tǒng)的加料斗1和螺旋送料器2位于進(jìn)料口上方。氣化爐內(nèi)腔5的側(cè)面與外置燃燒器4連通，上部有布料柵板3，下部有高溫蓄熱填料層6。
生物質(zhì)細(xì)料經(jīng)加料斗1、螺旋送料器2被推入爐內(nèi)后，即沿傾斜的布料柵板3下行，途中與來自外置燃燒器4的高溫CO2氣體及助燃的水蒸汽接觸發(fā)生干餾熱解反應(yīng)，碳化后的粒料則通過布料柵板3的孔隙下落，繼續(xù)與來自外置燃燒器的高溫CO2氣體呈流態(tài)化發(fā)生閃速氣化反應(yīng)，尚未反應(yīng)的碳粒則隨氣化氣流經(jīng)過爐體內(nèi)腔5下部的高溫蓄熱填料層6繼續(xù)氣化反應(yīng)，經(jīng)前述三個(gè)階段的反應(yīng)，入爐的生物質(zhì)細(xì)料得以充分氣化。爐體外側(cè)的保溫集塵夾層9，借助含塵氣流的慣性力和重力作用，將未能反應(yīng)的灰分粉塵收集于爐底灰斗8內(nèi)，同時(shí)還對(duì)爐體內(nèi)起保溫作用。氣化反應(yīng)得到的可燃?xì)怏w則繞過折板7沿保溫集塵夾層9向上流動(dòng)，出氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器10進(jìn)行氣固分離，通過廢熱回收器11降溫，在引風(fēng)機(jī)12作用下通過過濾器13后進(jìn)入儲(chǔ)氣柜14，經(jīng)可燃?xì)怏w出口15輸出。
實(shí)施例1、實(shí)驗(yàn)物料實(shí)驗(yàn)原料包括木本和草本植物木屑、鋸末、蔗渣和稻稈，其具體工業(yè)分析及元素分析結(jié)果如表1所示，以二氧化碳和水蒸汽為氣化劑，確定不同的溫度下，產(chǎn)氣組成及其相應(yīng)的工藝條件。
表1實(shí)驗(yàn)原料的全工業(yè)分析

2、操作過程(1)氣化爐升溫過程試驗(yàn)采取外熱源加熱方式，升溫過程采用電流斬波法自動(dòng)控制，升溫?cái)夭ㄋ俾蕪?.0開始，中間升溫?cái)夭ㄋ俾试鲩L(zhǎng)間隔為0.5，到400℃后升溫?cái)夭ㄋ俾试鲩L(zhǎng)間隔0.2。預(yù)設(shè)溫度與實(shí)際爐溫之差應(yīng)小于50℃。一般升溫過程為10小時(shí)以上(250℃--800℃)(2)進(jìn)料方式連續(xù)進(jìn)料；進(jìn)料前需對(duì)氣化爐預(yù)先抽氣，防止煙氣外竄無法進(jìn)料。
(3)蒸汽發(fā)生由0.5MPa的蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生。當(dāng)壓力上升到0.15MPa、進(jìn)料完全后通入水蒸汽。
(4)氣體流量由差壓式氣體流量計(jì)讀取。
(5)氣體采樣在出氣口用泵抽氣，同時(shí)用集氣袋收集。
(6)用CO在線檢測(cè)儀在線檢測(cè)，集氣袋收集的氣體用QF-1904奧式分析測(cè)定其它組分。
3、數(shù)據(jù)分析(1)不同物料的產(chǎn)氣特性木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)器后首先經(jīng)過干餾，干餾后的物料中的主要成分是固定碳，其結(jié)構(gòu)可能是致密的，也可能是輕質(zhì)多孔狀的，其與H2O、H2、CO2的反應(yīng)活性不一，與物料的性質(zhì)、壓力、以及反應(yīng)溫度有關(guān)；反應(yīng)活性的不同直接影響到與H2O、H2、CO2的反應(yīng)速度和反應(yīng)條件，活性好的物料和水蒸氣在較低的溫度條件下即可進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)還可進(jìn)行CH4生成的放熱反應(yīng)，減少氧的消耗；在較低溫度下進(jìn)行氣化反應(yīng)可避免發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象。
在850℃時(shí)，在相同氣化條件下的三種物料(蔗渣，稻草，木屑)生成的氣體中CO的變化最大，稻草高達(dá)35.2％，蔗渣為22.8％，木屑為16.1％；CO2變化不大；生成H2最多的是稻草13％，次為木屑9％、蔗渣4.3％；CH4的含量則是木屑＞稻草＞蔗渣。出現(xiàn)這種差別的原因主要是由于含水率是稻草＞木屑＞蔗渣，H2主要由C和CO等與水汽反應(yīng)生成，水分越高越有利于H2生成，而CH4的生成同時(shí)受水份和溫度的綜合影響，因素比較復(fù)雜。在920℃相同條件下，三種物料的氣體成分，與850℃時(shí)相似，稻稈CO含量最高，而H2含量則是木屑＞稻稈＞蔗渣。通常來說，原料種類對(duì)氣體的熱值會(huì)有一定的影響，揮發(fā)份低的原料氣化產(chǎn)氣中，CO的含量會(huì)比揮發(fā)份高的物料生成的量高一些，直接影響燃?xì)獾臒嶂?；同時(shí)，本身熱值較高的物料，氣化所得到的燃?xì)赓|(zhì)量也較好。
三種物料分別在850℃和920℃時(shí)的產(chǎn)氣量比較，稻稈產(chǎn)氣量最高，其次是木屑和蔗渣。雖然稻稈的揮發(fā)份不是很高，但是其結(jié)構(gòu)是輕質(zhì)多孔狀的，有利于氣化。
通過對(duì)三種物料的比較可知，不論是木本還是草本植物都是可以氣化的，草本植物除了灰分較高會(huì)影響氣化爐的正常工作、熱值偏低外，并沒有明顯的差別。原料本身熱值高的，氣化所得的燃?xì)赓|(zhì)量就較好。對(duì)氣體熱值有較大影響的另一因素是氣體中的含N2量，當(dāng)原料較為松散時(shí)，加料過程帶進(jìn)的N2較多，從而降低燃?xì)獾馁|(zhì)量。盡管各種燃料熱值有較大差別，氣化所得的燃?xì)鉄嶂狄话愣荚?MJ/m3以上，說明氣化有較好的適應(yīng)性。另一方面，從數(shù)據(jù)分析結(jié)果證明，原料成份會(huì)明顯影響燃?xì)獾某煞?，?duì)揮發(fā)份低的原料，燃?xì)庵蠧O2含量較高，而H2偏低。
(2)氣體溫度對(duì)氣化特性的影響木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的熱解氣化效果很大程度上取決于熱分解過程，氣化實(shí)際上是熱分解后產(chǎn)生的氣體的二次反應(yīng)。熱解過程中，約有70％左右的揮發(fā)組分釋放出來，它們?cè)谙喈?dāng)程度上決定了氣體的質(zhì)量及氣化產(chǎn)物的分布。溫度是影響熱分解效果的主要參數(shù)，溫度升高，氣體產(chǎn)率增加，焦油及碳的產(chǎn)率降低，氣體中氫及碳?xì)浠衔锖吭黾樱趸己繙p少，氣體熱值提高，因此提高反應(yīng)溫度，有利于以氣化為主要目的的氣化過程。
在整個(gè)的氣化反應(yīng)中，氣化層中的燃燒速度較快，干餾速度也比還原反應(yīng)的速度要快，所以整個(gè)氣化反應(yīng)的速度瓶頸在還原層中的反應(yīng)速度，CO2還原成CO的量，主要取決于還原層的化學(xué)反應(yīng)速度。C和CO2的還原反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，升高氣化反應(yīng)溫度有利于CO2的還原，制得含CO更多的可燃?xì)怏w；同時(shí)溫度的升高，將促進(jìn)氣化過程中產(chǎn)生的焦油在高溫下發(fā)生裂解反應(yīng)，生成CnHm，CO·CH4·H2。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋸末在960℃以上的還原溫度越高，CO含量越低，原因是由于反應(yīng)得越久，固定C的含量越少、CO2過量所造成；H2的含量則是增加的，這是由于碳與水蒸汽氣化在900℃反應(yīng)速度是在800℃時(shí)的兩倍左右，而烯烴與甲烷的含量是減少的。試驗(yàn)結(jié)果還表明，溫度的升高，目標(biāo)氣體的產(chǎn)量增加。CO的有效轉(zhuǎn)化率及在有效氣體成分中的比例都相對(duì)穩(wěn)定。溫度的升高有利于獲得較高品質(zhì)的可燃?xì)怏w。但溫度升高會(huì)使氣體熱值下降，主要原因是由于CH4含量的下降；我們作了影響甲烷生成的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)一個(gè)是均相的()，一個(gè)是非均相的()；對(duì)于非均相反應(yīng)，溫度越高逆反應(yīng)速度越快，不利于甲烷的生成，一般認(rèn)為在常壓下最好不超過800℃；隨著溫度的上升，均相反應(yīng)的甲烷含量要比非均相反應(yīng)的下降得慢一點(diǎn)，但總是下降的?？梢哉f甲烷化反應(yīng)是制取高發(fā)熱值氣體的重要反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中既希望提高溫度來保證氣體質(zhì)量，還要保證甲烷化反應(yīng)的進(jìn)行以提高氣體熱值。
(3)同一工況下不同采氣時(shí)刻的影響實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)上端爐溫的變化對(duì)氣體組分影響不是很大，所以試驗(yàn)都用下端溫度來表示是可行的。從鋸末氣化實(shí)驗(yàn)氣化爐上端溫度的變化及其不同時(shí)刻氣體組分的變化數(shù)據(jù)可以看出，開始階段爐溫有明顯下降的趨勢(shì)，后隨著反應(yīng)進(jìn)行，通過反應(yīng)放熱來維持自身反應(yīng)以及爐體散熱，溫度有所回升，但變化幅度不是很大，同時(shí)有效氣體含量變化不十分顯著，因此工業(yè)生產(chǎn)上可用測(cè)量的平均值來表征整個(gè)反應(yīng)狀況。
(4)氣體產(chǎn)率產(chǎn)氣率是指單位質(zhì)量的原料氣化后所產(chǎn)生氣體燃料在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。四種物料的產(chǎn)氣率在1.3-2.7m3/kg。熱解氣化過程較為迅速，由于氣化爐裝置的制約，一次進(jìn)料量較少，每次氣化試驗(yàn)歷時(shí)8分鐘左右。
(5)碳轉(zhuǎn)化率碳轉(zhuǎn)化率定義為燃料中的碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物的百分?jǐn)?shù)。在生物質(zhì)氣化過程中碳的轉(zhuǎn)化率對(duì)整個(gè)過程的效率以及過程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都是重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，每種物料的碳轉(zhuǎn)化率都達(dá)到90％以上，灰份純凈，效果比較好，這可能與受裝置的限制進(jìn)料量較少、快速加熱使反應(yīng)完全有關(guān)。在工業(yè)裝置設(shè)計(jì)中可通過增加自由空間高度、氣體的停留時(shí)間以及通過飛灰循環(huán)進(jìn)一步提高碳轉(zhuǎn)化率。
權(quán)利要求
1.一種外源高溫CO2與生物質(zhì)還原反應(yīng)制取可燃?xì)怏w的工藝，利用木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)熱解還原制氣，其特征是生物質(zhì)被置入爐內(nèi)后，向爐內(nèi)生物質(zhì)噴入由水蒸氣助燃的高溫CO2，利用二氧化碳和水蒸汽作為氣化劑，在高溫下，將木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)氣化生成以CO、H2為主要成分的可燃?xì)怏w。
2.一種外源高溫CO2與生物質(zhì)還原反應(yīng)制取可燃?xì)怏w的工藝設(shè)備，其特征是氣化爐的四周有保溫集塵夾層，上部接加料斗和螺旋送料器；上部有布料柵板，下部有蓄熱填料層；還有與氣化爐配套的旋風(fēng)分離器、廢熱回收器、引風(fēng)機(jī)、過濾器、儲(chǔ)氣柜。
全文摘要
一種外源高溫CO
文檔編號(hào)C10L3/00GK1900241SQ200610019459
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月21日
發(fā)明者冼萍, 理河, 周航 申請(qǐng)人:廣西大學(xué)