專利名稱：一種三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源化工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三段式生物質(zhì)熱解氣化-催化重整制取合成氣的技術(shù)和方法。
背景技術(shù)：
隨著人類生活水平的提高，人們對能源的依賴程度越來越高，但由于化石燃料的不可再生性和其儲量的有限性，化石能源已日益枯竭，并且環(huán)境危機也日趨明顯。當今，尋求和開發(fā)新型能源，特別是對環(huán)境污染小的可再生能源，已引起全球的高度關(guān)注。生物質(zhì)是通過光合作用而形成的各種有機體，它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，它分布廣泛、可利用量大，是一種可再生能源，并且也是唯一一種可再生的含有碳氫組分和熱能的、可儲存的自然原料。生物質(zhì)具有資源豐富、可再生、環(huán)境友好的特點，而且可實現(xiàn)凈(X)2的零排放。開發(fā)利用生物質(zhì)資源制取液體燃料對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)，解決人類所面臨的能源危機和環(huán)境危機，促進國民經(jīng)濟發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。合成氣是一種非常重要的原料氣體，它可以直接用于合成柴油/汽油、二甲醚、低碳醇、以及經(jīng)由費托合成制備液體燃料。生物質(zhì)氣化制備合成氣從而合成液體燃料被認為是最富有發(fā)展前景的生物質(zhì)能源資源化利用途徑之一，近年來逐漸受到重視。本發(fā)明所指的合成氣是由生物質(zhì)氣化得到的氣體混合物中⑶和壓為主要組分，且吐/CO的比值約為2， 無焦油，CH4含量<0.5%的合成氣，是合成液體燃料的理想氣體。生物質(zhì)氣化制備合成氣是生物質(zhì)化工產(chǎn)業(yè)、生物質(zhì)合成油新能源產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵氣化技術(shù)。傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化制備合成氣的方法是將生物質(zhì)原料直接與氣化劑(空氣、氧氣、水蒸氣、二氧化碳等)在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將固態(tài)的生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺獾倪^程，該過程屬于熱化學(xué)轉(zhuǎn)化范疇。在生物質(zhì)氣化過程中，由于是直接將生物質(zhì)進行高溫氣化，沒有將熱解、氣化和催化裂解/重整過程分開，使得殘?zhí)亢徒褂投汲蔀椴豢杀苊獾母碑a(chǎn)品，而且使得產(chǎn)生的合成氣中氣體成分比較復(fù)雜，甲烷和二氧化碳含量相對較高，而目標氣體H2和CO含量相對偏低。殘?zhí)亢懈邿嶂档奶紱]有氣化，大大降低了整體氣化效率；焦油是成分十分復(fù)雜的碳氫化合物，主要是苯的衍生物，在高溫下以氣體狀態(tài)存在，在低溫 (< 2000C )下以粘稠的液體狀態(tài)存在，難以清除，即使清除，則一部分合成氣熱值隨著清除的焦油排走，造成氣化效率損失。生物質(zhì)氣化技術(shù)目前正處于大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的初期階段，有很多嘗試和實踐， 無論是應(yīng)用固定床或者流化床氣化反應(yīng)器，總的來講，目前商業(yè)化開發(fā)生物質(zhì)氣化技術(shù)遇到的主要問題有1.常規(guī)的氣化技術(shù)，由于熱解氣化過程在同一反應(yīng)器內(nèi)同一條件下進行，沒有使得熱解和氣化過程得以分開，從而使得制得的合成氣中存在產(chǎn)氣成分復(fù)雜，產(chǎn)氣中壓和0)含量不高等缺點；2.常規(guī)氣化效率低、殘?zhí)枯^多，氣化氣熱值低，熱值不穩(wěn)定；而且殘?zhí)?、飛灰和灰渣中由于重金屬滲析問題的存在，依然有二次污染問題；3.氣化過程中產(chǎn)生的合成氣由于焦油的裂解和清除不徹底，使得合成氣的品質(zhì)不高，H2和CO含量低，雜質(zhì)氣體CH4、CO2和其他短鏈氣態(tài)烷烴、烯烴含量高，氣體凈化工藝復(fù)雜；4.現(xiàn)已開發(fā)的兩段式(201020268361. 1 和 200910033191. 0)和三段式(200710047695. 9 和 200710011214. 9) 生物質(zhì)氣化制取合成氣(或富氫合成氣)系統(tǒng)將生物質(zhì)熱解(燃燒)、氣化(以及催化重整)過程分開，使得各個反應(yīng)過程在單獨的反應(yīng)條件下充分地進行，提高了產(chǎn)氣中H2和CO 的濃度，但是每個反應(yīng)在單獨的反應(yīng)器中進行，增加了反應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了運營的成本，裝置處理能力擴大也受到限制，不能達到高效、低成本的進行生物質(zhì)氣化而得到精制合成氣的目的。以制合成氣為目的生物質(zhì)熱解氣化反應(yīng)過程希望產(chǎn)氣中的吐和CO含量高，產(chǎn)氣量大，且吐和CO的體積比最好符合或接近合成燃料所需比例。生物質(zhì)的熱解氣化制合成氣的過程可以分為生物質(zhì)熱解制焦炭(半焦)、焦炭(半焦)高溫氣化和焦油/粗合成氣的催化裂解(重整)三個過程，一般認為生物質(zhì)顆粒氣化時首先是猛烈的揮發(fā)份析出過程，然后才進行剩余焦炭與氣化介質(zhì)的氣化反應(yīng)，最后是焦油的催化裂解制取粗合成氣及粗合成氣的催化重整反應(yīng)。因此，生物質(zhì)氣化過程是上述三個過程綜合作用的結(jié)果，三個過程的各自反應(yīng)條件必然會影響到最終的氣化結(jié)果，合成氣中的H2和CO主要來源于焦炭的水蒸氣氣化反應(yīng)及(X)2的還原反應(yīng)，即可以通過分段控制生物質(zhì)熱解制取焦炭的產(chǎn)率，后通過焦炭水蒸氣的氣化反應(yīng)來提高產(chǎn)氣中吐和CO的含量，從而提高產(chǎn)品合成氣的產(chǎn)率。通過這種方法可以克服生物質(zhì)氣化過程中碳轉(zhuǎn)化效率低、焦油裂解和合成氣重整效率低等不足和缺點，最大化的提高生物質(zhì)氣化效率，徹底裂解焦油，將廣泛的生物質(zhì)、含碳原料，轉(zhuǎn)化為高品位的純凈的氣化合成氣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有生物質(zhì)熱解氣化制取合成氣技術(shù)的缺陷，提出一種簡單、高效、潔凈，氣化效率高、焦油含量極低的三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)該方法將整個生物質(zhì)熱解氣化制取合成氣的過程分為生物質(zhì)低溫?zé)峤?、焦?半焦)氣化和粗合成氣/焦油重整三個步驟，即生物質(zhì)的低溫?zé)峤?、熱解焦?半焦)的高溫水蒸汽氣化、產(chǎn)生的少量焦油及粗合成氣的催化裂解/重整反應(yīng)。上述三個步驟分別在同一氣化反應(yīng)裝置中的三個相對獨立的空間內(nèi)連續(xù)進行。生物質(zhì)原料先在熱解反應(yīng)爐膛中通過低溫?zé)峤庵迫〗固?半焦)和熱解氣體，后在流化床氣化反應(yīng)爐膛中通過焦炭(半焦)的高溫水蒸汽氣化反應(yīng)制備出粗合成氣，最后在催化劑床層通過對熱解焦油進行催化裂解及對熱解氣進行催化重整降低焦油產(chǎn)量以提高合成氣的產(chǎn)率，最終得到高品質(zhì)合成氣。所產(chǎn)合成氣用來生產(chǎn)清潔能源或化工原料，包括生產(chǎn)城市煤氣、氫氣、甲醇、乙醇和二甲醚等，實現(xiàn)資源合理使用與環(huán)境保護。本方法具體步驟為1)低溫?zé)峤夥磻?yīng)通過螺旋進料器將預(yù)處理過的生物質(zhì)顆粒加入到反應(yīng)爐的熱解爐膛進行低溫?zé)峤夥磻?yīng)以制取高產(chǎn)率的焦炭或半焦和熱解氣體；2)高溫氣化反應(yīng)低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的熱解焦炭或半焦在載氣( 或空氣)的作用下下行至反應(yīng)爐的氣化爐膛，在底部進來的水蒸汽或水蒸汽/空氣的混合氣體的作用下，與
5流化床料一起發(fā)生充分地流化，并同時進行焦炭或半焦的高溫水蒸汽(或水蒸汽/空氣的混合氣體)氣化反應(yīng)，制取粗合成氣；3)催化裂解/重整反應(yīng)熱解氣化產(chǎn)生的少量焦油及制得的粗合成氣在水蒸汽或水蒸汽/空氣的混合氣氣流作用下行至反應(yīng)爐體中間內(nèi)側(cè)催化劑床層，在催化劑的作用下發(fā)生焦油的催化裂解及粗合成氣的催化重整反應(yīng)，制取精制合成氣。在上述步驟(1)中，生物質(zhì)在螺旋加料器的作用下加入到氣化反應(yīng)裝置后，首先在相對獨立的空間內(nèi)(上段熱解爐膛)間接加熱，并在低溫、常壓、絕氧或缺氧(N2或空氣氣氛下)條件下熱解制取高產(chǎn)量的焦炭或半焦和熱解氣。所述的熱解反應(yīng)是生物質(zhì)在反應(yīng)爐內(nèi)(上段熱解爐膛中)常壓、絕氧(或缺氧)的條件下熱解，通過控制熱解爐膛溫度在 300 600°C，調(diào)整載氣的氣流速度，使原料在熱解爐段的停留時間控制在5 30s之間。在上述步驟( 中，步驟(1)產(chǎn)生的熱解焦炭或半焦在載氣( 或空氣)的作用下下行至一個相對獨立的空間內(nèi)(下段氣化爐膛)與氣化反應(yīng)裝置底部通入的氣化劑水蒸氣 (或水蒸氣/空氣的混合氣體)發(fā)生高溫氣化反應(yīng)。所述的水蒸汽或水蒸汽/空氣混合氣在進入氣化反應(yīng)裝置之前，在預(yù)熱器中加熱到500°C左右，且水蒸汽既作為流化載氣，又作為重整反應(yīng)的反應(yīng)氣體，進入反應(yīng)裝置的水蒸汽與生物質(zhì)的質(zhì)量比控制在0.4 1.6 1。 步驟O)中氣固接觸時間約為2 10s，反應(yīng)溫度控制在半焦的熔融點以下，一般在900°C 以下。步驟(1)產(chǎn)生的焦炭或半焦與原始生物質(zhì)原料相比，物理形態(tài)上有了較大改觀，流動性更好，避免了料層內(nèi)架橋現(xiàn)象的發(fā)生。由于步驟(1)可以通過控制熱解溫度和生物質(zhì)停留時間使得熱解反應(yīng)進行得非常充分，所產(chǎn)焦炭或半焦活性相應(yīng)提高，進入步驟O)時使得氣化(或還原)反應(yīng)進行地更加順利，獲得較高的碳轉(zhuǎn)化效率。所述的氣化反應(yīng)是熱解焦炭或半焦在反應(yīng)爐內(nèi)(下段氣化爐膛中)通過控制氣化反應(yīng)溫度為700 900°C，調(diào)整蒸汽(或蒸汽/空氣的混合氣)的進氣流量，使熱解焦炭或半焦與流化床料在充分的流化狀態(tài)下完成高溫氣化反應(yīng)，且使原料在氣化爐內(nèi)的停留時間控制在2 IOs之間。在上述步驟(3)中，步驟(1)和( 產(chǎn)生的少量焦油和大量粗合成氣在水蒸氣 (或水蒸氣/空氣的混合氣)氣流作用下上行至氣化反應(yīng)裝置的中部內(nèi)側(cè)催化劑床層處，在催化劑床層內(nèi)的鎳基催化劑的作用下，與水蒸氣進一步發(fā)生焦油和氣體的高溫催化重整反應(yīng)，而焦油高溫裂解為小分子氣體和炭黑，炭黑和水蒸氣以及ω2又進一步發(fā)生還原反應(yīng)得到H2和⑶，通過控制氣化劑水蒸氣(水蒸氣/空氣的混合氣體)的流量可以控制最終產(chǎn)品其中的氣體成份，而粗合成氣催化重整得到高純度吐和CO合成氣及少量(X)2氣體混合物； 因此步驟C3)可以實現(xiàn)焦油的高溫裂解及粗合成氣的重整過程。所述的催化重整反應(yīng)是少量焦油產(chǎn)物及粗制合成氣經(jīng)由催化劑床層時，在該床層固定的鎳基催化劑條件下與水蒸汽 (或水蒸汽/空氣的混合氣)發(fā)生的高溫催化重整反應(yīng)，反應(yīng)溫度控制在750 850°C之間， 并調(diào)變合成氣中H2/C0 = 1. 0 2. 5。所述生物質(zhì)為農(nóng)作物秸稈/廢棄物、林產(chǎn)業(yè)廢棄物，或它們的混合物等，經(jīng)過生物質(zhì)烘干或自然風(fēng)干并破碎等處理得到的含水量低于20%且粒度為0. 5 5mm的生物質(zhì)顆粒。所述的生物質(zhì)在通過螺旋加料機進料過程及熱解焦炭或半焦的下落過程，都需要通過載氣氣流(N2或空氣)來完成生物質(zhì)原料及熱解產(chǎn)物的下落過程。所述的上段熱解爐膛、下段氣化爐膛和催化劑床層都在同一反應(yīng)爐體中，優(yōu)選的是上段熱解爐膛為常壓氣固逆流移動床，下段氣化爐膛為鼓泡流化床，中間內(nèi)側(cè)催化劑床層為固定床，不同床層分別由三段控溫裝置進行分段控溫。所述的流化床料為石英砂與橄欖石或白云石、菱鎂礦、鈣鈦礦等的混合物，其填入量(kg)與單位時間(每小時)生物質(zhì)進料量(kg)之比約為(0. 25 0. 5)/1。所述催化劑床層固定的催化劑優(yōu)選為鎳基催化劑，該鎳基催化劑選自工業(yè)負載型 Ni基催化劑、橄欖石負載M基催化劑、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)M基催化劑等，或上述鎳基催化劑之間的混合物。催化劑用量為生物質(zhì)原料重量的2% 10%。本發(fā)明通過對三段控溫裝置在進行溫度設(shè)定、控制載氣流速、水蒸氣與生物質(zhì)的比例、水蒸氣流速來控制反應(yīng)爐內(nèi)的不同區(qū)間的原料(熱解產(chǎn)物)的反應(yīng)溫度、停留時間及反應(yīng)深度，從而控制最終合成氣的品質(zhì)，可以作為能源或化工合成原料合成氣。為了保證氣化質(zhì)量，本發(fā)明優(yōu)選的水蒸氣(流量kg/h)與生物質(zhì)(流量kg/h)的當量比為0.4 1.6 1之間。如果低于這一比例，會造成碳轉(zhuǎn)化率降低，產(chǎn)品氣中焦油含量增加高于這一比例會使得產(chǎn)品氣的品質(zhì)下降。本發(fā)明結(jié)合了生物質(zhì)的熱解特性、生物質(zhì)焦炭(半焦)的水蒸汽氣化特性、焦油的催化裂解和粗合成氣的催化重整的特性，在同一反應(yīng)裝置的不同爐段通過不同的控溫裝置來分段實現(xiàn)了生物質(zhì)的低溫?zé)峤?、焦?半焦)的高溫氣化及粗合成氣/焦油的催化重整反應(yīng)。該方法使得生物質(zhì)制取合成氣所經(jīng)歷的熱解焦炭的產(chǎn)生、焦炭(半焦)的氣化、焦油 /熱解氣的催化重整三個步驟在同一氣化反應(yīng)裝置中相對分開且連續(xù)進行，每個反應(yīng)過程都進行地比較充分和完全，提高了氣化爐的產(chǎn)氣率，減少了產(chǎn)氣中焦油的含量水平，以生物質(zhì)原料生產(chǎn)了高品質(zhì)合成氣，合成氣的主要成分為氫氣和一氧化碳，可直接用作城市煤氣， 或生產(chǎn)氫氣、甲醇、乙醇、二甲醚等清潔能源。本發(fā)明方法碳轉(zhuǎn)化率高，不會產(chǎn)生二次污染， 實現(xiàn)方法簡單，且所需的生物質(zhì)儲量豐富，且可再生，可實現(xiàn)資源一能源一環(huán)境一體化的可持純利用。本發(fā)明與其他生物質(zhì)制備合成氣的技術(shù)方法相比，具有以下優(yōu)點和有益效果(1)將整個生物質(zhì)氣化制取合成氣的過程分成熱解、氣化和氣體/焦油重整三個步驟，每個步驟均在一個相對獨立的空間內(nèi)進行，三個步驟相對分開且緊密進行，這樣使得每個步驟反應(yīng)都進行地比較充分，可以更加有效地控制氣體成分同時提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用率；(2)在步驟(1)熱解階段通過載氣氣流速度控制生物質(zhì)在熱解爐膛內(nèi)的停留時間，通過控溫裝置控制熱解溫度，使得熱解反應(yīng)充分進行，原料中揮發(fā)份得以充分析出并產(chǎn)生高產(chǎn)率的焦炭(半焦)，所產(chǎn)半焦反應(yīng)活性提高，這樣會促進步驟(b)的順利進行；(3)步驟(3) —方面可以實現(xiàn)焦油的高溫催化裂解，降低產(chǎn)品氣中的焦油含量；另一方面通過控制氣化劑的種類和流量可以調(diào)整最終合成氣的成分，控制產(chǎn)氣中CH4和(X)2的產(chǎn)率為最低，實現(xiàn)雙重作用；(4)無廢水、廢氣和廢渣排放，對環(huán)境不造成破壞。


圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標記說明1、生物質(zhì)料倉，2、螺旋加料機，3、進料器的下料管，4、上段熱解爐膛，5、催化劑床層，6、下段氣化爐膛，7、多孔陶瓷布風(fēng)板，8、錐形氣體擴散區(qū)，9、預(yù)熱氣體進氣口，10、混合氣(空氣和水蒸汽)預(yù)熱室，11、混合氣進氣口，12、煙氣出口，13、溫控裝置， 14、溫控裝置，15、溫控裝置，16、煙氣分離器(旋風(fēng)分離器)，17、出灰斗。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步的說明。本實施例使用圖1所示裝置，反應(yīng)爐包括上段熱解爐膛W]、下段氣化爐膛[6]和中段內(nèi)側(cè)環(huán)狀催化劑床層[5]。在上段熱解爐膛[4]上部設(shè)置有螺旋加料裝置，螺旋加料裝置包括生物質(zhì)料倉[1]、螺旋進料器[2]和進料器的下料管[3]，進料管的下料管[3]插入到熱解氣化裝置的上段熱解爐膛W]中。生物質(zhì)熱解爐膛W]的下部與下段氣化爐膛[6] 相連通，氣化爐膛[6]底部設(shè)置有一錐形氣體擴散區(qū)[8]，氣化爐膛W]與錐形氣體擴散區(qū) [8]中間設(shè)置有多孔陶瓷布風(fēng)板[5]，錐形氣體擴散區(qū)[8]底部為預(yù)熱氣體進氣口 [9]，預(yù)熱氣體進氣口 [9]與混合氣體預(yù)熱器[10]相連通，混合氣體預(yù)熱器[10]底部設(shè)置有一混合氣進氣口 [11]。熱解氣化反應(yīng)裝置爐體中段內(nèi)側(cè)設(shè)置有環(huán)狀催化劑固定床層[5]，爐體上端右側(cè)設(shè)置有煙氣出氣口 [12]，煙氣出氣口 [12]連接有旋風(fēng)分離器[16]，旋風(fēng)分離器上部設(shè)置有煙氣排放口，下部設(shè)置有出灰斗[17]。反應(yīng)爐外側(cè)設(shè)置有三段控溫裝置[13]、[14] 和[15]。生物質(zhì)原料首先通過螺旋進料器[2]加入到熱解氣化裝置的上段熱解爐膛[4] 中，在常壓、絕氧(或缺氧)的條件下進行低溫?zé)峤夥磻?yīng)，反應(yīng)過程由溫控裝置[13]控制熱解爐膛反應(yīng)溫度在300 600°C，并通過氣體流量計調(diào)整載氣(氮氣N2)的氣流速度，使原料在熱解爐段的停留時間控制在5 30s之間，此階段生物質(zhì)低溫?zé)峤獾漠a(chǎn)物主要為生物質(zhì)焦炭(半焦)和裂解氣體。水蒸汽或水蒸汽/空氣混合氣通過混合氣進氣口進入混合氣體預(yù)熱器[10]并加熱到500°C左右，再經(jīng)過預(yù)熱氣體進氣口 [9]進入錐形氣體擴散區(qū)[8]。 在氮氣流的作用下，熱解焦炭(半焦)下行至下段氣化爐膛[6]中與錐形氣體擴散區(qū)[8]中進來的水蒸汽混合氣體發(fā)生高溫水蒸汽氣化反應(yīng)，氣化溫度通過溫控裝置[15]來控制，混合氣體進氣流量通過質(zhì)量流量計來控制，使爐內(nèi)熱解焦炭及流化介質(zhì)處于流化狀態(tài)，在該階段的氣化過程中，控制氣化反應(yīng)溫度為700 900°C，調(diào)整蒸汽(或蒸汽/空氣的混合氣) 的進氣流量(kg/h)與生物質(zhì)進料流量(kg/h)比為0. 4 1. 6 1，使熱解焦炭(半焦)與流化床料在充分的流化狀態(tài)下完成高溫氣化反應(yīng)，且使原料在氣化爐段內(nèi)的停留時間控制在2 IOs之間，使氣化反應(yīng)充分進行。在此過程中，所用的流化床料主要為石英砂與橄欖石或白云石、菱鎂礦、鈣鈦礦等的混合物，其填入量(kg)與單位時間(每小時)生物質(zhì)進料量(kg)之比約為(0.25 0.5) 1，且主要熱解產(chǎn)物焦炭(半焦)進一步與水蒸汽發(fā)生水煤氣反應(yīng)生成粗合成氣。隨后熱解氣化后產(chǎn)生的少量焦油及制得的粗合成氣再經(jīng)由爐內(nèi)側(cè)環(huán)狀催化劑床層[5]，在溫度為750 850°C條件下，且在鎳基催化劑的作用下發(fā)生焦油的催化裂解和粗合成氣的水蒸氣催化重整反應(yīng)，生成不含焦油或焦油量很少的高品質(zhì)合成氣體，這里所用的鎳基催化劑為工業(yè)負載型M基催化劑、橄欖石負載M基催化劑、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)M基催化劑等，或上述鎳基催化劑之間的混合物。催化劑用量為原料重量的2% 10%。 產(chǎn)生的氣體攜帶未完全反應(yīng)的少量焦炭和生物質(zhì)灰渣一起通過煙氣出口 [12]進入旋風(fēng)分離器[16]中，通過旋風(fēng)分離，將產(chǎn)生的氣體與參與灰渣進行分離，使產(chǎn)生的氣體得以凈化，灰渣收集在出灰斗[17]中進行其他應(yīng)用。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制；凡本行業(yè)的普通技術(shù)人員，均可按以上所述和說明書附圖所示而順暢地實施本發(fā)明；但凡在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案而作出的更動、修飾與演變的等同變化，均為本發(fā)明的等效實施例，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法，其特征在于將生物質(zhì)熱解氣化制取合成氣的過程分為生物質(zhì)低溫?zé)峤?、焦炭或半焦高溫氣化和焦?粗合成氣催化重整三個步驟，且三個反應(yīng)步驟分別在同一氣化反應(yīng)裝置中的上段熱解爐膛、下段氣化爐膛和催化劑床層三個相對獨立的空間內(nèi)連續(xù)進行，生物質(zhì)原料先在熱解反應(yīng)爐膛中通過低溫?zé)峤庵迫〗固炕虬虢购蜔峤鈿怏w，后在流化床氣化反應(yīng)爐膛中通過焦炭或半焦的高溫水蒸汽氣化反應(yīng)制備出粗合成氣，最后在催化劑床層通過對熱解焦油進行催化裂解及對熱解氣進行催化重整降低焦油產(chǎn)量，最終得到高品質(zhì)合成氣。
2.如權(quán)利要求1所述的三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法，其特征在于包括以下步驟1)低溫?zé)峤夥磻?yīng)通過螺旋進料器將預(yù)處理過的生物質(zhì)顆粒加入到反應(yīng)爐的熱解爐膛進行低溫?zé)峤夥磻?yīng)以制取焦炭或半焦和熱解氣體；2)高溫氣化反應(yīng)低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的熱解焦炭或半焦在載氣的作用下下行至反應(yīng)爐的氣化爐膛，在底部進來的水蒸汽或水蒸汽/空氣的混合氣體的作用下，與流化床料一起發(fā)生充分地流化，并同時進行焦炭或半焦的高溫水蒸汽氣化反應(yīng)，制取粗合成氣；3)催化裂解/重整反應(yīng)步驟1)和2、熱解氣化產(chǎn)生的少量焦油及制得的粗合成氣在水蒸汽或水蒸汽/空氣的混合氣氣流作用下行至反應(yīng)爐體中間內(nèi)側(cè)催化劑床層，在催化劑的作用下發(fā)生焦油的催化裂解及粗合成氣的催化重整反應(yīng)，制取精制合成氣。
3.如權(quán)利要求2所述的三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法，其特征在于所述預(yù)處理過的生物質(zhì)顆粒為含水量低于20%且粒度為0. 5 5mm的生物質(zhì)顆粒。
4.如權(quán)利要求2所述的三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法，其特征在于所述的上段熱解爐膛、下段氣化爐膛和中段催化劑床層都在同一反應(yīng)爐體中，而且上段熱解爐膛為常壓氣固逆流移動床，下段氣化爐膛為鼓泡流化床，中間內(nèi)側(cè)催化劑床層為固定床，不同床層分別由三段控溫裝置進行分段控溫。
5.如權(quán)利要求2或4所述的三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法， 其特征在于所述步驟(1)低溫?zé)峤夥磻?yīng)是生物質(zhì)在反應(yīng)爐內(nèi)上段熱解爐膛中在常壓、絕氧或缺氧的條件下進行的低溫?zé)峤夥磻?yīng)，控制熱解爐膛溫度在300 600°C，調(diào)整載氣的氣流速度，使原料在熱解爐段的停留時間控制在5 30s之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法，其特征在于所述步驟(2)高溫氣化反應(yīng)是熱解焦炭或半焦在反應(yīng)爐內(nèi)下段氣化爐膛中進行，控制氣化反應(yīng)溫度為700 900°C，調(diào)整蒸汽或蒸汽/空氣的混合氣的進氣流量，使熱解焦炭或半焦與流化床料在充分的流化狀態(tài)下完成高溫氣化反應(yīng)，且使原料在氣化爐段內(nèi)的停留時間控制在2 IOs之間。
7.如權(quán)利要求2或4所述的三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法， 其特征在于所述步驟C3)催化裂解/重整反應(yīng)是少量焦油產(chǎn)物及粗制合成氣經(jīng)由催化劑床層時，在該床層固定的鎳基催化劑條件下與水蒸汽或水蒸汽/空氣的混合氣發(fā)生焦油催化裂解及粗合成氣的催化重整反應(yīng)，反應(yīng)溫度控制在750 850°C之間。
8.如權(quán)利要求6所述的制取合成氣的方法，其特征在于所述的流化床料填入量與單位時間生物質(zhì)進料量kg之比為0.25 0.5 1。
9.如權(quán)利要求7所述的制取合成氣的方法，其特征在于所述的鎳基催化劑選自工業(yè)負載型M基催化劑、橄欖石負載M基催化劑、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)M基催化劑，或上述鎳基催化劑之間的混合物；催化劑用量為生物質(zhì)原料重量的2% 10%。
10.如權(quán)利要求2所述的制取合成氣的方法，其特征在于所述的水蒸汽或水蒸汽/空氣混合氣在進入氣化反應(yīng)裝置之前，在預(yù)熱器中加熱到500°C左右，且水蒸汽既作為流化載氣，又作為重整反應(yīng)的反應(yīng)氣體，進入反應(yīng)裝置的水蒸汽與生物質(zhì)的質(zhì)量比控制在0. 4 1.6 1。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源化工技術(shù)領(lǐng)域，將生物質(zhì)熱解氣化制取合成氣的過程分生物質(zhì)熱解低溫?zé)峤狻⒔固炕虬虢垢邷貧饣痛趾铣蓺?焦油催化重整三個步驟，且三個反應(yīng)步驟分別在同一氣化反應(yīng)裝置中的上段熱解爐膛、下段氣化爐膛和催化劑床層三個相對獨立的空間內(nèi)連續(xù)進行，最終得到高品質(zhì)合成氣。本發(fā)明方法碳轉(zhuǎn)化率高，不會產(chǎn)生二次污染，實現(xiàn)方法簡單，且所需的生物質(zhì)儲量豐富，且可再生，可實現(xiàn)資源、能源、環(huán)境一體化的可持純利用。
文檔編號C10J3/66GK102424359SQ20111024903
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者劉陽生, 孔絲紡, 曾輝 申請人:北京大學(xué)深圳研究生院