外加热管式多管程多模块气流床气化反应器制造技术

本发明专利技术提供一种外热式生物质水蒸汽热解

【技术实现步骤摘要】
外加热管式多管程多模块气流床气化反应器


[0001]本专利技术提供一种外热式生物质水蒸汽热解
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气化装置。采用外加热的管式气流床反应器作为生物质、生物质半焦和其他有机物的热解和气化反应器，以水蒸汽作为主要气化剂和热解辅助气体，采用大长径比耐高温金属管或耐压陶瓷管作为气化反应管，包括了高温热解反应器、高温气化反应器、甲烷化反应器和显热回收装置等。各反应器与联通部件组成反应器组件，多个组件并联或串联组成相关反应单元。通过反应单元的不同组合可以完成物料的高温热解、高温气化、半焦和产出气的甲烷化，以及过程显热的回收。以生物质和其他有机物，半焦、热解焦油为原料，以水蒸汽和热解液为气化介质，采用高温烟气作为气化加热介质，采用高温气化产出气或气化乏烟气作为物料预热和热解的加热介质，并回收气化产出气和乏烟气的显热。通过对加热烟气温度、反应器和换热器内部结构的调整，可以改变各装置的工作状况。通过反应单元间的组合，可在较大范围内调整气化产物的一氧化碳、氢、甲烷和蒸汽的产出比例，可适应于不同类型的物料和不同气化产出气目标，并可高效回收烟气和产出气的显热资源。本装置适应于含水率为0
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30%的生物质及其半焦热解
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气化耦合反应，并可应用于其他类型有机物及其半焦的热解
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气化耦合反应。

技术介绍

[0002]生物质能是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。与矿物燃料相比,生物质能具有可再生、低污染和二氧化碳零排放等特点。与其它可再生能源相比,具有资源丰富、分布面广和用途广泛等特点。在碳中和和碳达峰的政策背景，生物质能源化是未来产业发展的主要方向。
[0003]生物质能源化的基本方式包括：直燃，热解和气化，以及发酵。直接燃烧发电是生物质能源化的常规方向之一。由于收集的难度和资源供应半径的影响，生物质直燃发电难以达到较大的运行规模，能量转化效率较低。加上污染物处理成本，项目的经济性较差。因而，生物质热解气化技术受到越来越多的关注。
[0004]生物质热解是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热升温引起分子分解，并生成半焦、可冷凝液体和气体产物等产物。生物质热解可在多种反应器内完成，根据热解工艺的类型、温度、压力、升温速率、原料的成分等的不同，形成差异较大的工艺路线和技术装备。从实际应用看，固定床反应器和循环流化床反应器是应用最多的两类生物质热解反应器。热解产出气中包括了一氧化碳、二氧化碳、氢、甲烷以及其他可燃气体。依据原料和工艺的不同，按热值计算，甲烷约占10
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20%。热解产出气中二氧化碳比例较高，导致部分碳损失。生物质热解产出气和热解液产生的可冷凝液体中含有乙酸、酯类、酚类等复杂有机化合物，热解焦油组分的复杂程度，含氧量较高，实际难以应用，回收处理也存在较大难度。这些物质均导致原料热值的损失。
[0005]热解与气化的耦合。为克服生物质热解存在的问题，逐步发展出热解
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气化耦合工艺。即将生物质原料首先在热解炉内发生热解反应, 分解成热解气体以及半焦, 然后热解气和半焦进入气化炉发生气化反应, 生成粗原料气。利用气化反应器的高温条件，分解焦
油及其他有机化合物，并使二氧化碳转化为一氧化碳。热解与气化的耦合有着多种组合方式，热解与气化的耦合被认为是生物质能源化的主要发展方向。
[0006]生物质气化技术是在一定的热力学条件下，借助于空气、氧气或水蒸气的作用，使生物质的有机物发生热解、燃烧、氧化和还原重整反应，转化为以 CO、H2、CH4、CO2和少量其他烃类气体的技术。生物质气化是发展时间较早且技术较为成熟的规模化利用生物质能源化技术之一。气化炉是生物质气化的主要设备, 可分为固定床、流化床和气流床三种基本类型，每一种类型又有多种变形。其中，固定床气化炉分为上吸式和下吸式, 流化床气化炉分为鼓泡床和循环流化床。
[0007]气流床气化是将气化剂（氧气和水蒸气）夹带着有机物细粉，通过特殊喷嘴或流道送入气化炉内。有机物细粉可以是生物质半焦、生物质细粉或其他类型有机物细粉。根据反应室的不同可以分为罐式、塔式和管式气流床。罐式或塔式气流床是气流床气化的主要形式，德士古，壳，清华炉等均属于这一类型。在反应釜内高温辐射下，喷射进入的半焦或生物质与氧等混合物瞬间发生氧化反应并产生大量热量。在炉内高温条件下，所有干馏产物均迅速分解，生物质和半焦，及热解产生的热解气和热解液同时进行气化，生产以 CO 和 H2为主要成分的气化产出气，液态熔渣或固态灰。气流床气化的基本特征是很高的反应温度，通常在1100
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1500℃。主要优点是气化强度大，原料适应性广，碳转化率高，残碳率可控制在2%以内。 釜式气流床气化是并流操作，炉内热效率不高，需有庞大的热回收系统。
[0008]水蒸汽气化是生物质气化的方式之一。水蒸汽气化是以有机物细粉为原料，以水蒸汽为气化剂的气化反应。由于水蒸汽与碳的反应是吸热反应，水蒸汽气化需要一定的能量输入。通常可分为内热式和外热式。内热式反应器通常是在水蒸汽中加入一定量的氧气或空气，利用氧与碳的氧化反应生成需要的能量，典型的方式是德士古类型气化炉。二是采用外部加热反应器，并通过热辐射等方式将热量传导入反应器内加热物料和气化剂，典型的方式是气流管外加热反应器。三是采用高温水蒸汽直接加热有机物细粉,但蒸汽的温度必须在700℃以上,这就要求蒸汽发生器具有较高的性能。水蒸汽气化的突出优点是可以是水蒸汽中的氢转化为产出气组分，因而可以获得较高的冷煤气效率，气化产出气热值可高达20MJ/kg以上。由于加热介质的余热回收难度较大，生物质的水蒸汽气化极少被采用。
[0009]管式气流床反应器是管状、长径比很大的连续操作反应器，管式反应器主要用于液相反应和气相反应。管式反应器能承受较高的压力，具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应，包括生物质及半焦的水蒸汽气化反应。由于管式反应器中反应速度快、流速快，反应参数连续变化、易于控制的优点，所以它的生产能力高，在大型装置中得到广泛应用。例如以水蒸汽
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石脑油为原料的乙烯裂解反应炉。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式填充床反应器。外加热的管式气流床反应器可以用于有机物细粉气化。由于此类装置主要用于实验室的小规模试验，故主要采用气化物料固定，气化剂流动的方式。
[0010]塔式反应器是管状、长径比小于管式反应器但大于罐式反应器的连续操作反应器，广泛应用于气相，液相参与反应的快速、中速、慢速反应的传质过程控制的化学反应过程。塔式反应器适应于放热量较大的反应的反应器。通常情况下，塔式反应器自塔顶进料，自塔底出料。塔体内，根据填充结构的不同可以分为填料塔、板式塔、喷淋塔、鼓泡塔等多种
形式。根据反应放热量的不同，需要设置不同的换热结构以因此反应放热。在对内部结构进行适当调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明提供一种外热式生物质水蒸汽热解
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气化装置，其特征在于：采用外加热的管式气流床反应器作为生物质、生物质半焦和其他有机物的热解和气化反应器，以水蒸汽作为主要气化剂和热解辅助气体，采用大长径比耐高温金属管或耐压陶瓷管作为热解和气化反应管，包括了高温热解反应器、高温气化反应器、甲烷化反应器和显热回收装置等；各反应器通过联通部件组成反应器组件，多个组件并联或串联组成相关反应单元；通过反应单元的不同组合可以完成物料的高温热解、高温气化、半焦和氢气的甲烷化，以及过程显热的回收；（1）以生物质、其他有机物及生物质半焦为原料，采用水蒸汽为气化剂和热解辅助气体，原料和气化剂混合后进入反应装置，依次完成干燥、热解和气化；（2）采用高温烟气作为高温气化反应器的加热热源，采用高温气化产出气或气化乏烟气作为干燥
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热解装置的加热热源，高温气化产出气或气化乏烟气均可作为蒸汽发生器的加热热源；（3）采用大长径比耐高温金属管或耐高温耐压陶瓷管作为混合物料和气化剂的外加热管式气流床气化反应器、外加热管式气流床热解反应器和外换热管式气流床甲烷化反应器；根据加热方式，反应管可采用直管、Z形直管、Π形管或U型管等管型的对称或不对称结构，也可采用螺旋盘管结构，并可根据过程中流量的变化采用变径管；根据热解和气化反应的需要，各反应管均可采用单程管或多程管；各反应器均可通过增加并列反应管的数量适应物料处理量；各反应管均可采用分叉管、集箱等方式进行并联和串联；各类反应管均可在管外加装各类增强换热能力的翅片、折流板等；甲烷化反应器的反应管内可填充导热的微球、小球、折流板或其他几何体以延长反应物质的停留时间和向管壁导出热量；（4）管式气化反应器采用采用烟道加热方式，预热
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热解反应器和甲烷化反应器采用套管式或管壳式作为加热方式和换热方式；（5）高温管式气化反应器组件由Π形，Z形或U型的烟道和气化反应器管组成；设置烟道分隔墙或转向段将烟道划分为辐射加热烟道、连接烟道和对流加热烟道；气化反应管相应分为辐射加热管段，连接横跨管段和对流换热管段，放置烟道中，由底部支撑座和顶部吊架固；辐射烟道底部和两侧安装加热燃烧器，提供气化反应所需热量；高温烟气自辐射烟道底部上行至连接烟道，转向对流烟道下行，至对流烟道顶端或底端出口引出；各型热解气化反应管的物料进口端和产出气出口端均可位于对流烟道底部或顶部；混合物料自气化反应管进口端引入，与烟气逆向行至横跨管段进入辐射加热管段，至辐射加热管底端出口，引出反应器后送往后续装置；在采用多管程气化管时，可采用蛇形烟道；（6）预热
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热解反应装置由预热段和热解段采用串联方式组成；单个外加热套管式管式热解反应器由壳体，内管和蝶形封头，以及进出口管构成组件；组件的壳体与内管间空间构成环形通道，内管和环形通道均可作为加热介质和热解物料的流道；采用逆流加热和换热方式，壳体与内管的进出口管分别置于不同的两端；热解反应装置采用2管程至多管程的外加热套管式气流床热解反应器组件，各组件通过进出口连接管对应串联构成；在采用内管作为热解物料反应管，环形流道作为加热介质流道，气化产出气或乏烟气作为加热介质的方式下，加热介质自壳体的加热介质进口进入环形流道，沿程加热夹套内的热解物料反应管，自出口端引出，进入下一组件或引出热解反应器；混合物料自预热热解装置的进口进入，与加热介质逆向流动，沿程被加热，自出口端引出，进入下一组件；在最后一级热解反应组件的出口端，通过管路送往气化反应器；可在气化反应器进口前加装1级或多级带冲击跕座的拉瓦尔喷管装置作为热解半焦在线高速气流粉碎装置，对热解后的半焦进行高速气流粉碎，降低半焦的粒径；根据物料的灰熔特性，可采用半焦分离装置，脱除热解气中的半焦，冷却并进一步细碎后再进入高
温气化装置；（7）以高温气化装置作为中心反应器，混合物料在气化反应装置内完成水煤气反应，水煤气变换反应和焦油分解反应；在高温气化装置的前端可串联预热
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热解反应器或乏烟气
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蒸汽发生器以利用乏烟气的显热；在高温气化装置的后端可串联预热
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热解反应器或产出气
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蒸汽发生器以利用高温气化产出气显热；在高温气化装置的后端可串联甲烷化反应器以利用剩余半焦和氢气；以前端串联乏烟气
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蒸汽发生器，后端串联预热
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热解反应器，合成气为主要产品的组合方式为基本型；（8）甲烷化反应；外换热管式气流床甲烷化反应器在反应管内填充微球，小球或其他三维几何体形成复杂的流道，延长混合气体的通过时间和剩余半焦的反应时间，并增强混合气体与反应器壁的换...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯江宁，
申请(专利权)人：许纲，
类型：发明
国别省市：