利用生物质制造合成气的复合循环式高温气化工艺方法技术

本发明专利技术涉及一种利用生物质制造合成气的复合循环式高温气化工艺方法，包括低温炭化、炭化制粉、高温气化、含碳灰渣的分离、合成气的净化处理、合成气的再循环利用。首先将生物质原料热解为热解气和木炭，将含有焦油的热解气送到高温气化炉的燃烧区发生不完全燃烧反应产生气化剂和热量；木炭被送到制粉机制成含碳粉状燃料，利用两级引射的合成气再循环将含碳粉状燃料输送到高温气化炉的还原区，与气化剂发生还原反应；净化处理产生的飞灰和残碳被合成气再循环送回高温气化炉的燃烧区。本发明专利技术解决了气流床无法气化生物质原料的技术难题，减少了木炭的损失，合成气中不含焦油，脱碳之前合成气中ＣＯ和Ｈ↓［２］含量达到７２％以上，气化效率８０～８４％，碳转化率达到９９％以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，包括低温炭化、炭化制粉、高温气化、含碳灰渣的分离、合成气的净化处理、合成气的再循环利用。该方法属于由生物质制造合成气或可燃气体
其中合成气为含有CO、H2以及各种含碳、氢、氧的碳水化合物气体的混合物。利用该专利技术所产生的合成气能够用于燃气轮机发电系统、燃料电池、合成油、冶金等系统。
技术介绍
随着传统化石能源(煤、石油、天然气)储量的日益减少，以及由于使用化石能源带来的环境污染问题，直接威胁着人类的生存和发展，重视和发展可再生、环保能源已成为各国政府的共识。生物质是植物通过光合作用生成的有机物质，其分布广泛、可利用量大、较化石能源清洁，具有CO2零排放的特征，是一种重要的可再生能源。通过热化学、生物化学等方法，能够将生物质转变为清洁的气体或液体燃料，用以发电、生产工业原料、化工产品等，具有全面替代化石能源的潜力，成为世界各国优先发展的新能源。将生物质转变为清洁气体或液体燃料的方法很多，在这其中生物质气化技术与其它技术相比能够适应生物质的种类更加宽广，且具有很强的扩展性。生物质的气化过程是一种热化学过程，是生物质原料与气化剂(空气、氧气、水蒸气、二氧化碳、氢等)在高温下发生化学反应，将固态的生物质原料转变为由碳、氢、氧等元素组成的碳水化合物的混合气体的过程，该混合气体通常被称为合成气。气化过程产生的合成气组成随气化时所用生物质原料的性质、气化剂的类别、气化过程的条件以及气化炉的结构不同而不同。气化的目标在于尽量减少生物质原料和气化剂的消耗量以及合成气中的焦油含量，同时最大化系统的气化效率、碳转化率以及合成气中有效成分(CO和H2)的含量。影响气化目标的因素很多，包括气化工艺所使用的气化炉的类型、气化剂的种类、生物质原料的粒径、气化压力和温度、生物质原料中含有的水分和灰份等。气化所使用的气化炉大致可以分为三类固定床、流化床和气流床。固定床气化结构简单、操作便利，运行模式灵活，固体燃料在床中停留时间长，碳转化率较高，运行负荷较宽，可以在20～110％之间变动，但固定床中温度不均匀换热效果较差，出口合成气热值较低，且含有大量焦油；流化床气化在向气化炉加料或出灰都比较方便，整个床内温度均匀、易调节，但对原料的性质很敏感，原料的黏结性、热稳定性、水分、灰熔点变化时，易使操作不正常，此外，为了保证气化炉的正常流化，运行温度较低，出口合成气中焦油含量较高。由于固定床和流化床含有大量的焦油，在后续设备中不得不安装焦油裂解和净化装置，使得气化工艺变得十分复杂；气流床的运行温度较高，炉内温度比较均匀，焦油在气流床中几乎全部裂解，同时气流床具有很好的放大特性，特别适用于大型工业化的应用，但气流床气化对原料的粒径有着严格的限制，进入气流床的原料需要磨成超细的颗粒，然而按照现有的破碎或制粉技术，无法将含纤维较多的生物质原料磨制成满足气流床运行所需的粒径，这就导致无法将气流床用于生物质原料的气化。焦油的裂解和处理以及生物质气化之前的预处理是阻碍生物质气化工艺进一步发展的最大问题。申请号为200510043836.0的中国专利专利技术了一种低焦油生物质气化方法和装置，该技术通过将固体生物质热解和热解产物的裂解气化两个过程分开，将生物质转变成焦油含量较低的可燃气体。该方法存在以下几个问题首先，热解产生的热解气和木炭全部被输送到裂解气化器的燃烧区，在1000℃左右发生不完全燃烧反应，将热解产生的焦油通过高温的方式进行裂解，虽然能降低焦油的含量，但会损失大量的木炭，导致后续还原反应产生的CO数量较低，进而使得合成气中的CO2含量较高；其次，燃烧反应温度较低，在后续的还原反应中温度会进一步降低，还原区的平均温度将低于700℃，使得有效合成气(CO和H2)的产量降低(约为30％左右)；再次，经还原反应的灰渣和未反应完全的残碳直接排出系统，造成碳转化率降低；最后，该方法所采用的裂解气化器是固定床的一种形式，燃烧产生的气化剂(主要是CO2和H2O)在穿过底部炽热的碳层的时候，由于还原反应是吸热反应，导致床层上下温差较大(顶部1000℃左右，底部500℃左右)，这是固定床固有的缺陷。美国专利6,863,878B2专利技术了一种利用含碳原料制取合成气的方法和设备，该方法也采用了低温炭化和裂解气化过程相分离的方法，通过将低温炭化温度控制在450以下，减少热解反应产生的焦油。该方法存在以下几个问题首先，在低温炭化阶段产生的气态和固态产物同时被输送到后续的裂解气化炉的反应盘管，并没有对固态产物进行研磨，将影响气化反应的速率和程度；其次，由于气化反应是在盘管中进行，需要使用较多的输送气体保证反应物在盘管内的移动速度，因此输送气体会带走大量的热量，降低系统的气化效率，也使后续的余热利用系统较为庞大，同时在盘管中进行反应的方式也无法做到温度均匀化和易于工程放大的目标；再次，从合理用能的角度来看，燃烧系统产生的洁净合成气作为气化和低温炭化所需热量的方式不够经济，另外，燃烧产物(主要为CO2和H2O)直接排放到环境中，没有充分利用其中的CO2和水分，造成系统的气化效率较低；最后，合成气中携带的飞灰和未反应完的残碳经两次旋风分离后没有进一步利用，直接排出系统，造成系统的碳转化率较低。从上可见，在现有的生物质或含碳固体燃料气化技术中，都无法做到高效、低成本的生物质气化目的。同时，即便采用了热解和气化相分离的过程，能够适应生物质原料性质的变化、降低合成气中焦油含量，但反应器温度的均匀化、反应器放大、降低余热利用规模、降低外部资源消耗、提高气化效率和碳转化率等问题制约着生物质气化大型工业化的应用。特别是针对气流床的生物质气化目前还没有一种有效的工艺方法。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是利用低温炭化、炭化产物的分离、炭化制粉和高温气化相结合的分级气化技术，解决气流床气化生物质原料时，生物质原料难以破碎成气流床所需粒径的问题；本专利技术的目的之二是将低温炭化阶段产生的热解气和木炭进行分离，避免木炭在燃烧区被烧掉，提高还原反应中还原剂(碳)的数量，降低系统CO2生成量；本专利技术的目的之三是利用合成气再循环解决生物质原料进入气流床时的输送问题，尽量避免合成气被稀释以及输送气体在输送物料时带走大量热量的问题，同时在满足气流床气力输送要求的情况下，通过控制再循环合成气的温度，提高进入气化炉的含碳粉状燃料的温度，进而控制还原反应的速率和温度；本专利技术的目的之四是将飞灰和未反应完全的残碳回送到高温气化炉，提高系统的碳转化率。本专利技术所述的工艺方法能使系统产生的合成气不含焦油，在脱除CO2之前的合成气中CO和H2含量可以达到72％以上，气化效率达到80～84％，碳转化率达到99％以上，同时降低系统的水、氧气等资源的消耗量。本专利技术技术方案本专利技术的包括低温炭化、炭化制粉、高温气化、含碳灰渣的分离、合成气的净化处理、合成气的再循环利用，具体步骤如下a)将初步破碎和干燥的生物质原料输送到低温炭化装置，该装置采用自热和合成气再循环间接加热相结合，进行慢速热解反应，控制温升速率在0.1～1℃/秒，炭化温度控制在300～500℃； b)将热解反应产物分离为热解气和木炭，热解气直接送入高温气化炉，木炭送往制粉机制成含碳粉状燃料，再用输送气体将该含碳粉状燃料送到高温气化炉，输送气体采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用生物质制造合成气的复合循环式高温气化工艺方法，包括低温炭化、炭化制粉、高温气化、含碳灰渣的分离、合成气的净化处理、合成气的再循环利用，其特征在于，具体步骤如下：　ａ）将初步破碎和干燥的生物质原料输送到低温炭化装置，该装置采用自热和合成气再循环间接加热相结合，进行慢速热解反应，控制温升速率在０．１～１℃／秒，炭化温度控制在３００～５００℃；ｂ）将热解反应产物分离为热解气和木炭，热解气直接送入高温气化炉，木炭送往制粉机制成含碳粉状燃料，再用输送气体将该含碳粉状燃料送到高温气化炉，输送气体采用合成气再循环，控制再循环合成气的温度，使含碳粉状燃料温度控制在１００～５００℃，固气比控制在０．３～０．８ｋｇ／Ｎｍ↑［３］；ｃ）热解气在高温气化炉的燃烧区与氧化剂进行不完全燃烧反应生成气化剂，燃烧区平均温度控制在１３００～１８００℃，并使所有灰变成液态渣由燃烧区直接排出；燃烧反应生成的气化剂送入高温气化炉的还原区与由再循环合成气输送到高温气化炉还原区的含碳粉状燃料发生还原反应，将还原反应的温度控制在９００～１３００℃，生成主要含有ＣＯ和Ｈ↓［２］的合成气；ｄ）还原区出口的合成气经过净化处理后对外输出，同时利用一部分合成气再循环将分离、净化处理过程产生的灰渣及残碳输送回高温气化炉的燃烧区。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，张泽，林冲，杨占春，李宏，宋侃，金沙杨，吕锋杰，
申请(专利权)人：武汉凯迪工程技术研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]