CN101525118B

CN101525118B - 垃圾、生物质原料生产合成气的气化工艺

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Publication number: CN101525118B
Application number: CN 200810087055
Authority: CN
Inventors: 周开根
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: CN101525118A

Abstract

垃圾、生物质原料生产合成气的气化工艺，涉及垃圾、生物质的气化处理技术。其特征是工艺流程主要由原料固态物流程、气相循环回路、氧化钙循环回路和合成气引出流程组成，把垃圾、生物质、煤其中的一种或几种混合，送入气化炉内进行气化反应，生成合成气，同时把氧化钙送入气化炉内，用氧化钙吸收二氧化碳的放热反应来提供炉内气化反应所需的热量，还把水蒸汽送入等离子体喷枪加热到＞3100℃，生成H₂、O、O₂和H₂O^*再喷入气化炉内，与垃圾生物质炭进行反应并向炉内提供热量。本发明采用向炉内喷入氧化钙的措施，不但大大降低了等离子体喷枪的电能消耗，而且使合成气的品质和产量得到提高，容易实现把垃圾生物质转化为清洁能源的目标。

Description

垃圾、生物质原料生产合成气的气化工艺

所属技术领域

本发明涉及垃圾、生物质的处理技术，特别涉及垃圾、生物质的气化技术。

背景技术

当前，能源紧张，环保形势严峻，垃圾泛滥成灾。垃圾随着我国国民经济的发展及城市规模的不断扩大而迅速增加，并且其有害成分的含量也越来越高，如处理不好，将会污染环境，威胁人民的身体健康，这不仅会制约社会的进步，也影响到国民经济的可持续发展。当前，我国处理城市生活垃圾主要有卫生填埋技术、堆肥(生化)技术和焚烧技术，大部分地区采用卫生填埋法处理城市生活垃圾，这不但需占用大量的土地、浪费资源，而且容易污染土地及地下水；采用堆肥法仅利用40％左右的有机物，还要严格控制堆肥制品中重金属的含量，防治污染土壤和进入食品链作物，存在堆肥制品的销售问题，需建设配套的焚烧工艺设备、配套的烟气净化系统，还需要有卫生填埋场相配套，同样存在二次污染的隐患；采用焚烧发电法来处理城市生活垃圾，可以做到减量化、资源化处理生活垃圾，但焚烧法处理生活垃圾所追求的主要目标是把垃圾在焚烧炉内充分燃烧，其次才是能量的回收，由于生活垃圾焚烧烟气具有含水量大、氯化氢浓度高，对材料有较大的腐蚀性，不能把热能回收装置设置在强辐射区，使热能回收受到影响，所以，垃圾焚烧发电存在下列缺点：1.以处理垃圾为主要目标，能量利用率仅为20％左右；2.烟气、二氧化碳排放量大，烟气中污染物有粉尘、氯化氢、氟化氢、硫氧化物、氮氧化物、致癌剧毒物(二恶英、呋喃)、重金属(汞、铅、铬等)，虽有烟气净化系统，但难以完全消除，特别是二恶英、呋喃超标排放，目前还缺乏技术可靠的NO_x和二恶英等的末端净化工艺；3.只能在经济发达的大城市建垃圾焚烧发电厂，中小城市的垃圾资源量不适宜建垃圾发电厂，因而不能普及应用。综上所述，卫生填埋法、堆肥(生化)法或焚烧发电法处理城市生活垃圾都存在资源得不到充分利用和二次污染问题。

我国是一个农业大国，生物质资源非常丰富，仅稻草、麦草、芦苇、竹子等非木材纤维就年产超过10亿吨，加上大量木材加工剩余物，都是巨大的能源“仓库”。生物质能在使用过程中几乎不产生污染，没有SO₂排放，产生的CO₂气体与植物生长过程中需要吸收的CO₂在数量上保持平衡，被称之为CO₂中性的燃料。用生物质能代替化石燃料，不仅可永续利用，而且环保和生态效果突出，对改善大气酸雨环境、减轻温室效应都有极大的好处。然而，我国目前的农林剩余物质资源浪费惊人，除小部分农村用来发酵生产沼气外，大部分都被直接燃烧、填埋、腐烂掉了。

把垃圾、生物质通过气化的方法转化为清洁的二次能源，可以取得双重的有益效果，一是可以解决环境污染问题，二是可以减少对石油煤炭资源的依赖，为建设资源节约型社会和环境友好型社会起到积极作用。

发明内容

本发明的目的是要克服现有垃圾、生物质处理技术的缺点，提出一种以垃圾、生物质为原料生产合成气的气化工艺，所产合成气用来生产清洁能源或化工原料，包括生产城市煤气、氢气、甲醇、二甲醚，实现资源合理使用与环境保护。

为了达到上述目的，本发明采取的一种气化工艺，包括垃圾、生物质、煤的气化处理技术，其特征是把垃圾、生物质、煤其中的一种或几种混合，作为气化原料送入气化炉内进行气化反应生成合成气，同时把氧化钙、二氧化碳送入气化炉内，用氧化钙吸收二氧化碳的放热反应来提供炉内气化反应所需的热量，还把水蒸汽送入等离子体喷枪加热到＞3100℃，生成H₂、O、O₂和H₂O^*喷入气化炉内，与垃圾生物质炭进行反应并向炉内提供热量，使炉内氧化区的温度达到1300℃以上，其中：在气化炉外设置气相循环回路和氧化钙循环回路，气化炉内按运行工况自然形成烘干区、热解区、气化区和氧化区，炉内的各区域之间相互贯通，烘干区在炉内的前端或上部，烘干区的后部或下部依次为热解区、气化区和氧化区，原料入口在烘干区的前端或上部，灰渣从氧化区的后端或底部通过水封排出，在气化区接入氧化钙喷管，在氧化区接入等离子体喷枪。固态原料以连续进料方式被送入气化炉内，在炉内由喂料机推送进行横向运动或以自身重力进行垂直运动，运行时，控制氧化区的温度在1300～1600℃，气化区的温度在800～1300℃，热解区的温度在300～800℃，烘干区的温度≥120℃；入炉原料首先在≥120℃的烘干环境中被烘出水蒸汽，然后在300～800℃的热解环境中受热分解，生成一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、其它气态烃、汽态焦油和固体炭；固体炭进入气化区，在800～1300℃的环境中与水蒸汽进行气化反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气；气化后的残炭进入氧化区，与从等离子体喷枪喷入氧化区的H₂、O、O₂、H₂O^*进行氧化反应和气化反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气；残炭在氧化区得到燃烬，燃烬的灰渣从炉的后部或底部排出；炉内氧化区和气化区生成的热量、二氧化碳、一氧化碳、氢气和在热解区生成的一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、其它气态烃、汽态焦油、烟气以及在烘干环境中产生的水蒸汽，通过固态物料间的空隙与固态原料逆向而行，由氧化区依次向气化区、热解区、烘干区运行，再由烘干区上部的烟气出口引出炉外，然后通过气固分离装置和气相循环回路返回到炉内的气化区进行循环处理，其中的水蒸汽与固体炭进行水煤气反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气，其中的甲烷、其它气态烃、汽态焦油进行分解或与水蒸汽反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气，同时在气化区800～1300℃的环境中，由含氯有机物生成的二恶英得到彻底瓦解；在热解区、氧化区、气化区生成的二氧化碳被喷入气化区的氧化钙吸收，生成碳酸钙并放出热量；炉内反应生成的以一氧化碳和氢气为主要成分的合成气从气化区与热解区的结合部位引出；炉内的一部分碳酸钙与合成气混合，从气化区与热解区的结合部位引出；炉内的另一部分碳酸钙与烟气和热解气混合，从烘干区的上部引出；从气化炉引出的碳酸钙与合成气的混合物，经降温后通过气固分离装置进行分离，把分离出的碳酸钙送入再生反应器；从气化炉引出的碳酸钙与烟气的混合物，通过气固分离装置进行分离，把分离出的碳酸钙送入再生反应器；送入再生反应器的碳酸钙通过加热分解，分解为氧化钙和二氧化碳，再把氧化钙通过循环回路送回炉内进行循环利用；把一部分二氧化碳返回气化炉的气化区进行循环利用，把多余的二氧化碳进行排放或通过净化处理后作食品添加剂或化工原料利用。

上述工艺流程中，在氧化区进行的主要反应有：

[0009] C(s)+O₂(g)→CO₂(g) ΔH＝+406.96kj/mol

C(s)+1/2O₂(g)→CO(g) ΔH＝+203.48kj/mol

C(s)+2H₂(g)→CH₄(g) ΔH＝+75.6kj/mol

C(s)+H₂O^*(g)→CO(g)+H₂(g) ΔH＝-131.2kj/mol

CO(g)+H₂O^*(g)→CO₂(g)+H₂(g) ΔH＝+42kj/mol

[0014] ......

在气化区进行的主要反应有：

[0016] C(s)+H₂O(g)→CO(g)+H₂(g) ΔH＝-131.2kj/mol

CH₄(g)+H₂O(g)→CO(g)+3H₂(g) ΔH＝-205.8kj/mol

[0018] CH₄(g)+CO₂(g)→2CO(g)+2H₂(g) ΔH＝-247.8kj/mol

C(s)+CO₂(g)→2CO(g) ΔH＝-172.2kj/mol

C_nH_m(g)→nC(s)+m/2H₂(g) 吸热

C_nH_m(g)+nH₂O(g)→nCO(g)+(n+m/2)H₂(g) 吸热反应

C(s)+CO₂(g)→2CO(g) ΔH＝-172.2kj/mol

[0023] CO(g)+H₂O(g)→CO₂(g)+H₂(g) ΔH＝+42kj/mol

[0024] CaO(s)+CO₂(g)→CaCO₃(s) ΔH＝+178.8kj/mol

在再生反应器内碳酸钙受热分解的反应式为：

CaCO₃(s)→CaO(s)+CO₂(g) ΔH＝-178.8kj/mol

上述工艺中，所述的气化原料包括固化成型的垃圾生物质燃料、垃圾型煤和生物质型煤；气化炉的操作压力为常压或微负压，进料口和烘干区的操作压力为负压20～30Pa；等离子体喷枪的工作气体为水蒸汽或系统反馈尾气。

上述工艺中，还把后级处理工序中分离出来的二氧化碳送入气化炉的气化区，与炉内的氧化钙反应，生成碳酸钙并放出热量；在再生反应器内采用燃烧生物质或燃煤来提供热源把碳酸钙加热分解为氧化钙和二氧化碳，还可把气化炉余热引入再生反应器内辅助加热。

上述工艺中，还可以用氧气/水蒸汽输入装置取代等离子体喷枪，氧气/水蒸汽经风室进入氧化区，用氧气助燃把残炭燃烬，燃烧产生的热量提供给炉内气化反应所需的热量，用氧气/水蒸汽作气化剂时，控制氧化区的温度在1200～1300℃，气化区的温度在800～1200℃，热解区的温度在300～800℃，烘干区的温度＞100℃，进料口和烘干区的操作压力为负压20～30Pa。

上述工艺生产的合成气，从气化炉内被引出后，通过净化处理，作为城市煤气使用，或再通过后级设备生产氢气或甲醇或二甲醚。炉内排出的灰渣可用于生产建材或肥料。

上述工艺中，采用向炉内喷入氧化钙吸收二氧化碳的措施，不但大大降低了等离子体喷枪的电能消耗，而且使合成气的品质和产量得到提高，容易实现把垃圾生物质转化为清洁能源的目标，同时氧化钙还兼作脱氯/脱硫剂，使合成气中的氯组分和硫组分大大降低，有利于后级净化处理。

本发明的有益效果是：把垃圾、生物质进行气化处理，生产清洁能源，产出价值高，变废为宝，不但消除了垃圾的污染，减排CO₂，环保和生态效果突出，规模化生产后可以缓解能源紧张的局面。本发明与垃圾焚烧发电相比，具有如下优点：固态原料气化完全，能量转化率高；主产品为清洁能源，资源化利用程度高；废气排放量极低，容易进行净化处理，没有二次污染现象。本发明以把垃圾转化为二次清洁能源为主要目标，真正实现垃圾处理的无害化、减量化和资源化。

附图说明

本发明提供下列附图作进一步的说明，但各附图及以下所述的具体实施方式均不构成对本发明的限制：

图1是本发明的一种垃圾、生物质气化工艺流程方框图。

图2是本发明的另一种垃圾、生物质气化工艺流程方框图。

具体实施方式

附图1所示的一种垃圾生物质原料生产合成气的方案中，工艺流程主要由原料固态物流程、气相循环回路、氧化钙循环回路和合成气引出流程构成，其中，原料固态物流程为：原料由入口进至烘干区，再依次通过热解区、气化区、氧化区，氧化燃烬后的灰渣经水封式出口排出炉外；

气相循环回路为：气态物由炉内的氧化区至气化区，然后依次通过热解区、烘干区、烟气循环出口、气固分离装置、炉外气相循环回路，再经气相循环入炉接口返回到炉内的氧化区；

氧化钙循环回路为：炉内的氧化钙吸收二氧化碳后生成碳酸钙，其中的一部分碳酸钙与合成气混合后从气化区与热解区的结合部位引出炉外，然后通过降温设备(余热利用)、气固分离设备进行分离，分离出的碳酸钙进入再生反应器；另一部分碳酸钙与烟气混合后从烘干区的上部引出炉外，然后通过气固分离器进行分离，分离出的碳酸钙进入再生反应器；碳酸钙再生为氧化钙，然后进入氧化钙仓、通过炉外氧化钙循环回路，再由氧化钙喷管喷入炉内的气化区；

合成气引出流程为：炉内生成的合成气由气化区与热解区的结合部位引出，然后依次经过降温设备(余热利用)、气固分离设备、净化设备，净化后的合成气作为城市煤气使用或制氢或合成甲醇或生产二甲醚。

氧化钙喷管和炉外气相循环回路从气化区接入，等离子体喷枪从氧化区接入。本实施例中，把垃圾、生物质进行固化成型，或把垃圾与煤混合制成型煤，或把生物质与煤混合制成型煤，在型煤原料中可添加氧化钙作为脱氯/脱硫剂，固化成型的垃圾、生物质原料或垃圾型煤或生物质型煤被送入气化炉内，同时，把氧化钙喷入炉内的气化区、把水蒸汽或反馈尾气通过等离子体喷枪送入炉内的氧化区，控制氧化区的温度在1300～1600℃、气化区的温度在800～1300℃、热解区的温度在300～800℃、烘干区的温度≥120℃、进料口和烘干区的操作压力为负压20～30Pa，原料沿固态物流程运行，完成气化后的灰渣在氧化区1300℃以上的环境中被熔融为液态，熔融灰渣落入水封式渣仓即成为玻璃体材质，可直接作为建筑材料使用。

附图2所示的实施例中，用氧气/水蒸汽输入装置取代上一实施例中等离子体喷枪，氧气/水蒸汽输入接口由气化炉的风室部位接入，控制氧化区的温度在1200～1300℃、气化区的温度在800～1200℃、热解区的温度在300～800℃、烘干区的温度＞100℃、进料口和烘干区的操作压力为负压20～30Pa。本实施例的灰渣可用于生产建筑材料或肥料。

Claims

1.一种生产合成气的气化工艺，包括垃圾、生物质、煤的气化处理技术，其特征是把垃圾、生物质、煤其中的一种或几种混合，作为气化原料送入气化炉内进行气化反应，生成合成气，同时把氧化钙、二氧化碳送入气化炉内，用氧化钙吸收二氧化碳的放热反应来提供炉内气化反应所需的热量，还把水蒸汽送入等离子体喷枪加热到＞3100℃，生成H₂、O、O₂和H₂O^*喷入气化炉内，与垃圾生物质炭进行反应并向炉内提供热量，使炉内氧化区的温度达到1300℃以上，其中：

在气化炉外设置气相循环回路和氧化钙循环回路，气化炉内按运行工况自然形成烘干区、热解区、气化区和氧化区，各区域之间相互贯通，烘干区在炉内的前端或上部，烘干区的后部或下部依次为热解区、气化区和氧化区，原料入口在炉的前端或上部，灰渣从炉的后端或底部通过水封排出，在气化区接入氧化钙喷管，在氧化区接入等离子体喷枪，合成气从热解区与气化区的结合部位引出；

气化炉运行时，控制氧化区的温度在1300～1600℃，气化区的温度在800～1300℃，热解区的温度在300～800℃，烘干区的温度≥120℃；气化炉的操作压力为常压或微负压，进料口和烘干区的操作压力为负压20～30Pa；

原料以连续进料方式被送入气化炉内，首先在烘干环境中被烘出水蒸汽，然后在热解环境中受热分解，生成一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、其它气态烃、汽态焦油和固体炭；固体炭进入气化区，与水蒸汽进行气化反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气；气化后的残炭进入氧化区，与从等离子体喷枪喷入氧化区的H₂、O、O₂、H₂O^*进行氧化反应和气化反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气；残炭在氧化区被燃烬，燃烬的灰渣从炉的后部或底部排出；在烘干环境中产生的水蒸汽及在热解环境中生成的一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、其它气态烃和汽态焦油由烘干区的上部引出，然后通过炉外的气固分离装置和气相循环回路返回到炉内的气化区，其中的水蒸汽与固体炭进行水煤气反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气，其中的甲烷、其它气态烃、汽态焦油进行分解或与水蒸汽反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气；在热解区、氧化区、气化区生成的二氧化碳被喷入气化区的氧化钙吸收，生成碳酸钙并放出热量；炉内反应生成的以一氧化碳和氢气为主要成分的合成气从气化区与热解区的结合部位引出；炉内的一部分碳酸钙与合成气混合，从气化区与热解区的结合部位引出；炉内的另一部分碳酸钙与烟气和热解气混合，从烘干区的上部引出；

从气化炉引出的碳酸钙与合成气的混合物，经降温后通过气固分离装置进行分离，把分离出的碳酸钙送入再生反应器；

从气化炉引出的碳酸钙与烟气的混合物，通过气固分离装置进行分离，把分离出的碳酸钙送入再生反应器；

送入再生反应器的碳酸钙通过加热分解，分解为氧化钙和二氧化碳，再把氧化钙通过循环回路送回炉内进行循环利用；

经过气固分离装置分离出来的合成气，通过净化处理后，作为城市煤气使用，或再通过后级设备生产氢气或甲醇或二甲醚。

2.根据权利要求1所述的一种生产合成气的气化工艺，其特征是气化原料包括固化成型的垃圾生物质燃料、垃圾型煤和生物质型煤。

3.根据权利要求1所述的一种生产合成气的气化工艺，其特征是等离子体喷枪的工作气体为水蒸汽或系统反馈尾气。

4.根据权利要求1所述的一种生产合成气的气化工艺，其特征是氧化钙还兼作脱氯/脱硫剂。

5.根据权利要求1所述的一种生产合成气的气化工艺，其特征是把后级处理工序中分离出来的二氧化碳送入气化炉的气化区，与炉内的氧化钙反应，生成碳酸钙并放出热量。

6.根据权利要求1所述的一种生产合成气的气化工艺，其特征是再生反应器内的碳酸钙加热由燃烧生物质提供热源或燃煤提供热源。

7.根据权利要求1所述的一种生产合成气的气化工艺，其特征是用氧气/水蒸汽输入装置取代等离子体喷枪，氧气/水蒸汽经风室进入氧化区，用氧气助燃把残炭燃烬，燃烧产生的热量提供给炉内气化反应所需的热量；气化炉运行时，控制氧化区的温度在1200～1300℃，气化区的温度在800～1200℃，热解区的温度在300～800℃，烘干区的温度＞100℃，进料口和烘干区的操作压力为负压20～30Pa。