專利名稱：一種三段式生物質(zhì)熱解氣化制取合成氣的氣化裝置的制作方法
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)熱解氣化制取合成氣的氣化裝置。
背景技術(shù)：
生物質(zhì)是通過(guò)光合作用而形成的各種有機(jī)體，它直接或間接地來(lái)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?xì)浣M分和熱能的、可儲(chǔ)存的自然原料，利用生物質(zhì)進(jìn)行能源利用和化工生產(chǎn)，具有(X)2零排放的特征。隨著傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量的日益減少，以及由于使用化石能源帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，重視和發(fā)展可再生、環(huán)保能源已成為各國(guó)政府的共識(shí)。通過(guò)熱化學(xué)、生物化學(xué)等方法，能夠?qū)⑸镔|(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉臍怏w或液體燃料，生產(chǎn)合成柴油/汽油、化工產(chǎn)品以及滿足電力需求等等，具有全面替代化石能源的潛力，成為世界各國(guó)優(yōu)先發(fā)展的新能源。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧崥怏w或液體燃料的方法很多，其中，生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)與其它技術(shù)相比能夠適應(yīng)所有的生物質(zhì)種類，且具有大型工業(yè)化生產(chǎn)的能力，易于規(guī)?；瘧?yīng)用。生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣(主要成分為壓和CO氣體)，進(jìn)而合成液體燃料(如甲醇、乙醇、二甲醚、烯烴、柴油和石腦油等)是熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中最具有發(fā)展前景的生物質(zhì)能源資源化利用途徑之一，受到了國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界前所未有的重視，并投入了大量的人力和物力進(jìn)行相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)，其中通過(guò)利用秸稈、稻殼、木柴等生物質(zhì)原料通過(guò)高溫?zé)峄瘜W(xué)方法制備含有氫氣和一氧化碳的合成氣的技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的研究。生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣工藝中氣化反應(yīng)器是其核心設(shè)備。氣化反應(yīng)器的形式、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行的工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品合成氣的品質(zhì)有直接影響。因此，開(kāi)發(fā)高效生物質(zhì)熱解氣化裝置制取高品質(zhì)合成氣，并經(jīng)后續(xù)合成反應(yīng)器轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴類、醇類和醚類等燃料，既可以緩解對(duì)國(guó)際原油市場(chǎng)的依賴，也可以減少國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)化石能源的消耗，同時(shí)具有積極保護(hù)環(huán)境的社會(huì)效益。目前用于生物質(zhì)氣化的氣化反應(yīng)器(氣化爐)大致可以分為三種固定床、氣流床和流化床。固定床氣化爐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，操作模式靈活，但是爐中溫度不均勻換熱效果較差，出口合成氣中含有大量焦油。氣流床的運(yùn)行溫度較高，爐內(nèi)溫度比較均勻，焦油在氣流床中裂解程度較高，但氣流床氣化對(duì)固體原料粒徑的要求較高，進(jìn)入氣流床的原料需要磨成很細(xì)小的顆粒，這給含有大量纖維的生物質(zhì)原料的研磨提出了另外一個(gè)技術(shù)難題。而流化床氣化反應(yīng)器由于熱容量高、原料適應(yīng)性強(qiáng)，可以處理高含水量物質(zhì)。另外，它還具有較高的傳熱和傳質(zhì)速率。流化床內(nèi)生物質(zhì)顆粒可與床料充分接觸、受熱均勻、在氣化反應(yīng)器內(nèi)呈沸騰燃燒狀態(tài)、氣化反應(yīng)速度快、氣化效率高、氣化反應(yīng)器內(nèi)溫度高且穩(wěn)定，適于連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，因此備受重視。但流化床反應(yīng)器也存在對(duì)原料的物理特性很敏感，操作不易控制，運(yùn)行溫度一般也較低，出口合成氣中焦油含量也相當(dāng)可觀，且產(chǎn)氣中014和0)2含量較高，一般需要后續(xù)設(shè)備來(lái)處理焦油和重整合成氣等問(wèn)題，使得氣化系統(tǒng)和裝置變得比較復(fù)雜。
通過(guò)分段處理生物質(zhì)原料以提高產(chǎn)氣中合成氣的濃度，降低產(chǎn)氣中CH4和(X)2含量及降低焦油含量是解決流化床反應(yīng)器制備高品質(zhì)合成氣要求的方法之一。生物質(zhì)固體首先在300 600°C左右這種較低的溫度下通過(guò)熱裂解制備生物質(zhì)高產(chǎn)率的焦炭(半焦)和裂解氣體，然后將熱解產(chǎn)生的焦炭(半焦)送往流化床氣化反應(yīng)器中與水蒸汽一起進(jìn)行高溫 (700 900°C )氣化反應(yīng)來(lái)制備粗合成氣，未完全反應(yīng)的焦油及制得的粗合成氣再經(jīng)過(guò)催化裂解(重整)床層進(jìn)一步在催化劑的作用下發(fā)生焦油裂解及粗合成氣重整反應(yīng)來(lái)提高合成氣的品質(zhì)。把生物質(zhì)通過(guò)熱解、氣化、催化裂解/重整分段反應(yīng)轉(zhuǎn)化為清潔的二次能源，可以取得雙重的有效效果，一是可以解決環(huán)境污染問(wèn)題，二是可以減少對(duì)石油煤炭資源的依賴， 為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)和環(huán)境友好型社會(huì)起到積極作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在是要克服現(xiàn)有生物質(zhì)制備合成氣技術(shù)的缺陷，提出一種簡(jiǎn)單、高效、節(jié)能的三段式生物質(zhì)熱解氣化制取合成氣的氣化裝置。本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的主體為反應(yīng)爐，采用圓柱形或方形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部上段熱解爐膛為生物質(zhì)熱解反應(yīng)室，主要以產(chǎn)焦炭為目的；下段氣化爐膛為熱解產(chǎn)物的水蒸汽流化氣化室，主要發(fā)生焦炭(半焦)的水蒸汽氣化反應(yīng)，生成高品質(zhì)合成氣；而反應(yīng)爐的中部爐膛設(shè)有環(huán)狀的催化劑床層(催化裂解/重整反應(yīng)室)，主要發(fā)生少量焦油的催化裂解及粗合成氣的氣體重整反應(yīng)，以提高產(chǎn)氣中合成氣體的比例，降低焦油、甲烷和(X)2的含量。所述上段熱解爐膛設(shè)有進(jìn)料裝置，上段熱解爐膛與下段氣化爐膛連通。下段氣化爐膛底部設(shè)置有混合氣進(jìn)氣口。 反應(yīng)爐爐體上端設(shè)置有煙氣出氣口，煙氣出氣口連接有旋風(fēng)分離器。反應(yīng)爐外側(cè)與上段熱解爐膛、下段氣化爐膛、催化劑床層對(duì)應(yīng)分別設(shè)置有控溫裝置。所述上段熱解爐膛設(shè)有的進(jìn)料裝置可以是生物質(zhì)料斗連通螺旋進(jìn)料器，螺旋進(jìn)料器通過(guò)下段下料管與上段熱解爐膛連通，并且在下料管的一側(cè)設(shè)置有氮?dú)膺M(jìn)氣管，保證生物質(zhì)物料能在氮?dú)饬鞯淖饔孟马樌侣涞缴镔|(zhì)熱解室中。同時(shí)螺旋加料裝置外部設(shè)置有水冷裝置，以保證生物質(zhì)物料在進(jìn)料過(guò)程中不會(huì)被加熱而提前發(fā)生熱解反應(yīng)，從而保證生物質(zhì)物料進(jìn)料的通暢。所述的上段熱解爐膛中間段可設(shè)置一漸縮圓錐形管段，與上端管壁形成的夾角為 45°，以保證生物質(zhì)物料在熱解過(guò)程中順利下落。所述的下段氣化爐膛下端可設(shè)置有一錐形氣體擴(kuò)散區(qū)，且下段氣化爐膛與錐形氣體擴(kuò)散區(qū)中間設(shè)置有多孔陶瓷布風(fēng)板，錐形氣體擴(kuò)散區(qū)是為了保證從預(yù)熱氣體進(jìn)氣口進(jìn)入的高溫混合氣能夠沿錐形擴(kuò)散區(qū)均勻擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，多孔陶瓷布風(fēng)板是為了使進(jìn)入爐體的高溫混合氣體能夠均勻分布，從而保證反應(yīng)物料和流化介質(zhì)能在氣流的作用下均勻流化。錐形氣體擴(kuò)散區(qū)下部與混合氣體預(yù)熱室相通，混合氣體預(yù)熱室與混合氣進(jìn)氣口相通，混合氣體預(yù)熱室外部設(shè)置有溫控裝置，通過(guò)設(shè)置控制溫度，對(duì)通入的空氣和水蒸汽進(jìn)行混合預(yù)熱，以保證后期水蒸汽氣化反應(yīng)順利進(jìn)行。所述的催化劑床層內(nèi)可放置有固定焦油裂解及粗合成氣催化重整催化劑的篩網(wǎng)， 以保證催化劑在反應(yīng)過(guò)程中能穩(wěn)定地放置于固定床中。所述催化劑可以是一種也可能是多種催化劑混合物。催化劑床層中優(yōu)選使用含鎳催化劑。本發(fā)明裝置的生物質(zhì)熱解反應(yīng)室、水蒸汽流化氣化室、催化裂解/重整反應(yīng)室設(shè)置在同一爐體中，但三段爐體側(cè)面都安裝有溫度傳感器和溫控裝置，在反應(yīng)過(guò)程中，可以通過(guò)設(shè)置不同反應(yīng)段的溫度而分別對(duì)每一段進(jìn)行控溫，保證反應(yīng)過(guò)程中熱解、氣化和催化裂解/重整過(guò)程相對(duì)獨(dú)立且連續(xù)進(jìn)行。本發(fā)明與其他生物質(zhì)制備合成氣的裝置相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果本發(fā)明結(jié)合生物質(zhì)的熱解特性、生物質(zhì)焦炭(半焦)的氣化特性、焦油的催化裂解及粗合成氣的催化重整特性，將生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣過(guò)程中的熱解段、氣化段、焦油及粗合成氣的催化裂解(重整)過(guò)程分開(kāi)，使各個(gè)反應(yīng)階段在同一裝置中不同爐段相對(duì)分開(kāi)且連續(xù)進(jìn)行，簡(jiǎn)化了生物質(zhì)制備合成氣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。生物質(zhì)經(jīng)過(guò)低溫?zé)峤?、焦?半焦) 的高溫水蒸汽氣化、焦油催化裂解和粗合成氣重整反應(yīng)，大幅度降低焦油含量，降低產(chǎn)氣中甲烷和CO2含量，產(chǎn)生適用于費(fèi)托合成制備液體燃料的高品質(zhì)合成氣，達(dá)到清潔高效利用生物質(zhì)能這一可再生能源。本發(fā)明簡(jiǎn)單、高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和工程實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，大幅度地提高了氣化系統(tǒng)的氣化效率、降低了有效合成氣耗氧量、提高了整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化率和保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。本發(fā)明裝置具有控溫方便，節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行連續(xù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可利用秸稈、稻殼、鋸末等生物質(zhì)料熱解制取高品質(zhì)合成氣。


圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明1、生物質(zhì)料倉(cāng)，2、螺旋進(jìn)料器，3、進(jìn)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(kuò)散區(qū)，9、預(yù)熱氣體進(jìn)氣口，10、混合氣(空氣和水蒸汽)預(yù)熱室，11、混合氣進(jìn)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(shí)施方法如圖1所示，本發(fā)明的新型三段式熱解氣化制備合成氣的裝置，包括反應(yīng)爐，反應(yīng)爐的筒狀爐襯由碳化硅材質(zhì)或剛玉材質(zhì)制成，反應(yīng)爐包括上段熱解爐膛[4]、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)料斗[1]、螺旋進(jìn)料器[2]和進(jìn)料器的下料管[3]，進(jìn)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，下料管[3]上設(shè)有氮?dú)馊肟?。上段熱解爐膛 [4]中間段設(shè)置一漸縮圓錐形管段，與上端管壁形成的夾角為45°，以保證生物質(zhì)物料在熱解過(guò)程中順利下落。上段熱解爐膛[4]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(kuò)散區(qū)[8]，氣化爐膛[6]與錐形氣體擴(kuò)散區(qū)[8]中間設(shè)置有開(kāi)孔率在10 30%之間的多孔陶瓷布風(fēng)板[3]，錐形氣體擴(kuò)散區(qū)[8]底部為預(yù)熱氣體進(jìn)氣口 [9]， 預(yù)熱氣體進(jìn)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(jìn)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]。熱解氣化裝置外側(cè)分別設(shè)置有三段控溫裝置[13]、[14]和[15]。
該裝置運(yùn)行時(shí)，由螺旋進(jìn)料器[2]將生物質(zhì)料倉(cāng)[1]中的生物質(zhì)經(jīng)由其下端的下料管[3]加入到上段熱解爐膛[4]中，在溫控裝置[13]的控制下進(jìn)行低溫?zé)峤夥磻?yīng)，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。在氮?dú)饬鞯淖饔孟拢瑹峤猱a(chǎn)物不斷下行至下段氣化爐膛W]中與混合氣體預(yù)熱器[10]中進(jìn)來(lái)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(guò)溫控裝置[15]來(lái)控制，混合氣體進(jìn)氣流量通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)來(lái)控制，使?fàn)t內(nèi)熱解焦炭(半焦)及流化介質(zhì)處于流化狀態(tài)，使氣化反應(yīng)充分進(jìn)行，而氣體預(yù)熱器[10]進(jìn)來(lái)的預(yù)熱氣體通過(guò)多孔陶瓷布風(fēng)板[7]進(jìn)行布風(fēng)，使進(jìn)來(lái)的混合預(yù)熱氣體能夠均勻分布。在此過(guò)程中，主要熱解產(chǎn)物焦炭(半焦)進(jìn)一步與水蒸汽發(fā)生水煤氣反應(yīng)生成粗合成氣。而后熱解氣化后產(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]，在鎳基催化劑的作用下且通過(guò)溫控裝置[14]進(jìn)行控溫，從而發(fā)生焦油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。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(guò)煙氣出口 [12]進(jìn)入旋風(fēng)分離器[16]中，通過(guò)旋風(fēng)分離，將產(chǎn)生的氣體與參與灰渣進(jìn)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(jìn)行其他應(yīng)用。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)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(shuō)明書(shū)附圖所示而順暢地實(shí)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(dòng)、修飾與演變的等同變化，均為本發(fā)明的等效實(shí)施例，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種三段式生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的裝置，包括反應(yīng)爐，其特征在于反應(yīng)爐內(nèi)部上段熱解爐膛為生物質(zhì)熱解反應(yīng)室，下段氣化爐膛為熱解產(chǎn)物的水蒸汽流化氣化室， 而反應(yīng)爐的中部爐膛設(shè)有環(huán)狀的催化劑床層；所述上段熱解爐膛設(shè)有進(jìn)料裝置，上段熱解爐膛與下段氣化爐膛連通，下段氣化爐膛底部設(shè)置有混合氣進(jìn)氣口 ；反應(yīng)爐爐體上端設(shè)置有煙氣出氣口，煙氣出氣口連接有旋風(fēng)分離器；反應(yīng)爐外側(cè)與上段熱解爐膛、下段氣化爐膛、催化劑床層對(duì)應(yīng)分別設(shè)置有控溫裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的三段式生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的裝置，其特征在于所述上段熱解爐膛設(shè)有的進(jìn)料裝置是生物質(zhì)料斗連通螺旋進(jìn)料器，螺旋進(jìn)料器通過(guò)下段下料管與上段熱解爐膛連通，并且在下料管的一側(cè)設(shè)置有氮?dú)膺M(jìn)氣管；同時(shí)螺旋加料裝置外部設(shè)置有水冷裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的三段式生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的裝置，其特征在于所述的上段熱解爐膛中間段設(shè)置一漸縮圓錐形管段，與上端管壁形成的夾角為45°，以保證生物質(zhì)物料在熱解過(guò)程中順利下落。
4.如權(quán)利要求1所述的三段式生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的裝置，其特征在于所述的下段氣化爐膛下端可設(shè)置有一錐形氣體擴(kuò)散區(qū)，且下段氣化爐膛與錐形氣體擴(kuò)散區(qū)中間設(shè)置有多孔陶瓷布風(fēng)板，錐形氣體擴(kuò)散區(qū)下部與混合氣體預(yù)熱室相通，混合氣體預(yù)熱室與混合氣進(jìn)氣口相通，混合氣體預(yù)熱室外部設(shè)置有溫控裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的三段式生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的裝置，其特征在于所述的催化劑床層內(nèi)放置有固定焦油裂解及粗合成氣催化重整催化劑的篩網(wǎng)。
6.如權(quán)利要求1或5所述的三段式生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的裝置，其特征在于 催化劑床層中使用含鎳催化劑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三段式生物質(zhì)熱解氣化制取合成氣的氣化裝置。主體為反應(yīng)爐，采用圓柱形或方形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部上段熱解爐膛為生物質(zhì)熱解反應(yīng)室，下段氣化爐膛為熱解產(chǎn)物的水蒸汽流化氣化室，而反應(yīng)爐的中部爐膛設(shè)有環(huán)狀的催化劑床層(催化裂解氣化室)。所述上段熱解爐膛設(shè)有進(jìn)料裝置，上段熱解爐膛與下段氣化爐膛連通。下段氣化爐膛底部設(shè)置有混合氣進(jìn)氣口。反應(yīng)爐爐體上端設(shè)置有煙氣出氣口，煙氣出氣口連接有旋風(fēng)分離器。反應(yīng)爐外側(cè)對(duì)應(yīng)分別設(shè)置有控溫裝置。本發(fā)明簡(jiǎn)化了整個(gè)合成氣制備的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提高了氣化爐的產(chǎn)氣率及合成氣的品質(zhì)，減少了產(chǎn)氣中焦油的含量水平。本發(fā)明裝置具有控溫方便，節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行連續(xù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C10J3/48GK102329651SQ20111024908
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)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(yáng)生, 孔絲紡, 曾輝 申請(qǐng)人:北京大學(xué)深圳研究生院