一種生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]生物質(zhì)主要是由植物光合作用固定太陽(yáng)能而形成的碳水化合物，具有分布廣泛、儲(chǔ)量巨大、環(huán)境友好，尤其是溫室氣體零排放等優(yōu)點(diǎn)，并且是是唯一可以同時(shí)轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體燃料的可再生能源。隨著傳統(tǒng)化石能源的日益減少及由于使用化石能源來(lái)帶的環(huán)境污染問(wèn)題的加劇，重視和發(fā)展綠色可再生能源已成為各國(guó)政府的共識(shí)。通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、生化轉(zhuǎn)化等方法，能夠?qū)⑸镔|(zhì)能轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉臍怏w或液體燃料，用于滿(mǎn)足社會(huì)生產(chǎn)的需要，具有全面替代化石能源的潛力，是未來(lái)能源化工行業(yè)重要的發(fā)展方向。
[0003]生物質(zhì)熱解制備合成氣(以HjPCO為主要組分的原料氣)，進(jìn)而合成多種化工產(chǎn)品(如合成氨、ch3oh、鏈烴或其它精細(xì)化學(xué)品等)是熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中最具發(fā)展前景的生物質(zhì)能源資源化利用途徑之一。近年來(lái)逐漸受到各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。
[0004]傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化制備合成氣工藝通常采用空氣-水蒸氣、氧氣-水蒸氣等作為氣化介質(zhì)，以固定床、流化床或氣流床為氣化反應(yīng)器。固定床氣化設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，但此工藝存在處理量小、爐內(nèi)換熱效果差、氣化效率低、氣體中灰分及焦油較多、難以連續(xù)生產(chǎn)等不足；流化床和氣流床氣化能夠有效提升處理規(guī)模，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，不過(guò)流化床氣化工藝一般需要后續(xù)設(shè)備來(lái)處理焦油和重整合成氣等問(wèn)題，氣流床氣化對(duì)生物質(zhì)原料的研磨要求過(guò)高，因此工藝系統(tǒng)復(fù)雜、操作繁瑣、能耗較高。
[0005]另外，常規(guī)氣化工藝多為內(nèi)熱式生物質(zhì)氣化，即向氣化爐里限量引入空氣，依靠生物質(zhì)自身在空氣中燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)未燃燒的生物質(zhì)直接加熱氣化，但氣體產(chǎn)品含有大量隊(duì)和CO2嚴(yán)重影響了合成氣的品質(zhì)，無(wú)法滿(mǎn)足后續(xù)應(yīng)用的要求。盡管內(nèi)熱式氣化技術(shù)中采用富氧-水蒸氣氣化方式有助于提高合成氣品質(zhì)，但需要增加制氧設(shè)備、蒸汽發(fā)生器和過(guò)熱設(shè)備等，一次投資較高，系統(tǒng)獨(dú)立性及穩(wěn)定性較差。
[0006]借助電、微波、燃?xì)饣蛉加偷茸鳛橥饧訜嵩催M(jìn)行外熱式氣化，可以在高溫下進(jìn)行氣體的催化重整，有利于得到較高含量的合成氣產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的加熱相比，微波輻射條件下產(chǎn)生的氣體組成具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):產(chǎn)氣為富氫氣體，稠環(huán)烴的含量很少，灰分較少等。但現(xiàn)有微波氣化系統(tǒng)完全采用微波進(jìn)行加熱并應(yīng)用于熱解反應(yīng)，能耗高，經(jīng)濟(jì)性差，
[0007]CN102424359A公開(kāi)了一種三段式生物質(zhì)熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法，其將生物質(zhì)熱解氣化制取合成氣的過(guò)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(gè)步驟，且三個(gè)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(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。生物質(zhì)原料先在熱解反應(yīng)爐膛中通過(guò)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(guò)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(guò)對(duì)熱解焦油進(jìn)行催化裂解及對(duì)熱解氣進(jìn)行催化重整降低焦油產(chǎn)量，最終得到高品質(zhì)合成氣。該方法將整個(gè)生物質(zhì)氣化制取合成氣的過(guò)程分成熱解、氣化和氣體/焦油重整三個(gè)步驟，每個(gè)步驟均在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間內(nèi)進(jìn)行，三個(gè)步驟相對(duì)分開(kāi)且緊密進(jìn)行，這樣使得每個(gè)步驟反應(yīng)都進(jìn)行地比較充分，從而獲得較高品質(zhì)的合成氣。
[0008]但是，正如前面所述，該方法存在比較明顯的問(wèn)題，首先，采用的是流化床氣化工藝，對(duì)生物質(zhì)原料的粒度和含水量有較嚴(yán)格的要求，需要較復(fù)雜的前處理設(shè)備；其次，采用水蒸汽或水蒸汽/空氣氣化，需要增加額外的蒸汽發(fā)生器和過(guò)熱設(shè)備，且在高壓下運(yùn)行，使得裝置整體復(fù)雜、安全可靠性降低；特別是，沒(méi)有針對(duì)催化劑失活的應(yīng)對(duì)措施，整體氣化效率難以保證，裝置很難長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的方法及裝置，其通過(guò)綜合分級(jí)處理生物質(zhì)原料、內(nèi)外熱結(jié)合供能、催化氣化及微波重整的方式，獲得高品質(zhì)的合成氣，且制備合成氣的工藝簡(jiǎn)單、氣化效率高，能源利用率高。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的方法，其通過(guò)將生物質(zhì)熱解氣化制備合成氣的過(guò)程分為低溫烘焙、高溫催化氣化和微波重整三個(gè)階段并分別在氣化裝置中三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行，從而獲得高品質(zhì)的合成氣，其特征在于，
[0011]所述低溫烘焙階段中，生物質(zhì)原料由給料裝置送入氣化反應(yīng)裝置進(jìn)行烘焙處理，產(chǎn)生的H2O和CO2作為后續(xù)氣化和重整階段的反應(yīng)氣化介質(zhì)，同時(shí)獲得具有良好孔隙結(jié)構(gòu)的固體產(chǎn)物，以使得生物質(zhì)具有更好的氣化反應(yīng)活性及微波吸收特性；
[0012]所述高溫催化氣化階段中，在反應(yīng)器中加入高溫催化劑并與經(jīng)過(guò)烘焙的生物質(zhì)充分混合以發(fā)揮其載熱與催化特性，并利用上述烘焙階段產(chǎn)生的氣化介質(zhì)進(jìn)行氣化反應(yīng)，促進(jìn)半焦氣化和焦油裂解；
[0013]所述微波重整階段中，利用微波作用于上述半焦和催化劑，通過(guò)充分利用微波的非熱效應(yīng)強(qiáng)化半焦氣化和焦油催化重整反應(yīng)，同時(shí)利用微波的熱效應(yīng)形成有利于合成氣制備的反應(yīng)條件，從而獲得高品質(zhì)的合成氣。
[0014]本發(fā)明中通過(guò)將生物質(zhì)原料在熱解前期進(jìn)行低溫烘焙處理，可以使得生物質(zhì)獲得具有良好孔隙結(jié)構(gòu)的固體產(chǎn)物，其總比表面積約相比原料可以增大至2倍，從而具有更好的氣化反應(yīng)活性及微波吸收特性，同時(shí)期間產(chǎn)生的H2O和0)2等氣體可以作為后續(xù)氣化和重整階段的反應(yīng)介質(zhì)。
[0015]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述低溫烘焙是指生物質(zhì)在常壓、絕氧或缺氧的條件下進(jìn)行的低溫?zé)峤夥磻?yīng)。
[0016]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述低溫?zé)峤夥磻?yīng)的溫度控制在200?300°C。
[0017]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述高溫催化氣化是指低溫烘焙產(chǎn)生的固體產(chǎn)物結(jié)合催化劑在反應(yīng)器中段進(jìn)行的焦炭或半焦的催化氣化反應(yīng)，反應(yīng)溫度控制為700?900°C。
[0018]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述微波重整是指高溫催化氣化階段產(chǎn)生的焦油及粗合成氣在混合氣流作用下與固體產(chǎn)物利用微波的非熱效應(yīng)加強(qiáng)半焦氣化和焦油催化重整反應(yīng)，溫度控制在900?1000°C。
[0019]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述微波重整后的固體焦炭及失活催化劑重新進(jìn)入燃燒爐中，與經(jīng)預(yù)熱的空氣在燃燒爐中燃燒，產(chǎn)生的固體進(jìn)入反應(yīng)器中以在高溫催化氣化階段循環(huán)發(fā)揮載熱及催化效應(yīng)。
[0020]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述燃燒產(chǎn)生的氣體經(jīng)煙氣分離后用于為上述各階段提供所需熱量。
[0021]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述燃燒產(chǎn)生的氣體經(jīng)煙氣分離后的煙氣用于加熱空氣，以用于進(jìn)入燃燒爐。
[0022]本發(fā)明中，生物質(zhì)原料由給料裝置送入氣化反應(yīng)裝置，首先較低溫度下進(jìn)行烘焙處理，產(chǎn)生的H2O和CO2等氣體作為后續(xù)氣化和重整階段的反應(yīng)介質(zhì)，同時(shí)可獲得具有較好孔隙結(jié)構(gòu)的固體產(chǎn)物(總比表面積約增大2倍)，具有更好的氣化反應(yīng)活性及微波吸收特性(相比于原始物料)。然后，高溫催化劑在氣化階段加入反應(yīng)器并與經(jīng)過(guò)烘焙的生物質(zhì)充分混合，發(fā)揮載熱與催化特性，利用烘焙階段產(chǎn)生的氣化介質(zhì)進(jìn)行氣化反應(yīng)，促進(jìn)半焦氣化和焦油裂解。在重整階段微波作用于半焦和催化劑，充分利用微波的非熱效應(yīng)，強(qiáng)化半焦氣化和焦油催化重整反應(yīng)，同時(shí)利用微波的熱效應(yīng)形成有利于合成