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CN101638590B - 一种可燃固体废弃物化学链气化制合成气的方法及串行流化床反应器 - Google Patents

一种可燃固体废弃物化学链气化制合成气的方法及串行流化床反应器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可燃固体废弃物化学链气化制合成气的方法及串行流化床反应器。该方法在一串行流化床反应器中实施，所述串行流化床反应器包括内部联通的燃料反应器和空气反应器。可燃固体废弃物在燃料反应器内与氧载体发生气化反应而生成合成气，可燃固体废弃物气化所需的氧元素来自氧载体分子中的晶格氧；失去晶格氧后的氧载体，被传输到空气反应器，在空气反应器中，氧载体被高温空气重新氧化，回复晶格氧；回复晶格氧后的氧载体被高速空气带出空气反应器，又返回燃料反应器循环使用，再次和可燃固体废弃物发生气化反应。本发明是一种突破了现有技术的高效的可燃固体废弃物气化技术，能制取高品质合成气，并能降低气化过程焦油、积碳含量。

Description

一种可燃固体废弃物化学链气化制合成气的方法及串行流化床反应器
技术领域
本发明涉及新能源及可再生能源技术领域，尤其涉及一种可燃固体废弃物化学链气化制合成气的方法及串行流化床反应器。
技术背景
由于化石燃料的日益减少以及化石能源利用过程带来的环境污染问题，研究、开发和利用清洁的可再生能源已经成为能源工作者的重要研究课题。目前，我国每年产生农作物秸秆8.4亿吨、年清运城市生活垃圾1.5亿吨，这其中有相当大的比例是可以作为能源原料的可燃固体废弃物。包括生物质资源在内的可燃固体废弃物具有资源量大、可再生、对环境污染小等优点，因此，研究开发新型、高效的可燃固体废弃物转化利用技术也成为新能源领域的研究热点之一。其中，可燃固体废弃物气化被认为是比较有前景的可燃固体废弃物转化技术。在一般的流化床气化反应器中，如果期望获得高热值或富氢合成气，则需要提供富氧气体或高温水蒸气作为气化剂，从而使工艺变得复杂，气化成本增高。另外，传统的可燃固体废弃物气化过程还会产生大量的焦油，不仅影响可燃固体废弃物总体气化效率，还会对反应器及配套设备产生堵塞、腐蚀等问题，这些问题也制约了可燃固体废弃物气化技术的大规模推广和利用。
目前，虽然已经有了少量关于生物质在串行流化床内气化的报道，但在串行流化床内，采用金属氧化物为氧载体，通过化学链反应方式使可燃固体废弃物气化制合成气的过程还少见报道。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可燃固体废弃物化学链气化制合成气的方法。
本发明的另外一个目的在于提供所述可燃固体废弃物化学链气化制合成气的方法使用的串行流化床反应器。
为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
本发明可燃固体废弃物化学链气化制备合成气的方法，其特征在于该方法在一串行流化床反应器中实施，所述串行流化床反应器包括内部联通的燃料反应器和空气反应器；燃料反应器为鼓泡流化床；空气反应器为一个流化床提升管，该方法包括以下步骤：
1)将可燃固体废弃物原料进行粉碎、干燥等预处理后备用；
2)可燃固体废弃物在燃料反应器内与氧载体发生气化反应而生成合成气，可燃固体废弃物气化所需的氧元素来自氧载体分子中的晶格氧；
3)失去晶格氧后的氧载体，被传输到空气反应器，在空气反应器中，氧载体被高温空气重新氧化，回复晶格氧；
4)回复晶格氧后的氧载体被高速空气带出空气反应器，又返回燃料反应器循环使用，再次和可燃固体废弃物发生气化反应。
本发明方法使用的串行流化床反应器的主体结构包括两个内部联通的流化床反应器，即燃料反应器和空气反应器；燃料反应器为鼓泡流化床，螺旋进料器与鼓泡流化床的高温区相连，鼓泡流化床的底部有布风板，流化气体经布风板上的小孔向上流动，使物料流化；鼓泡流化床的中部是扩展段，扩展段比反应段口径大，从而使气体流速降低，防止物料被气体带走；空气反应器为一个流化床提升管；在鼓泡流化床和流化床提升管之间有一个返料管联通，流化床提升管底部有布风管，物料在高温空气中反应，并被高速空气经流化床提升管带出流化床提升管，带出的物料经过旋风分离器分离出碎屑和残渣后返回鼓泡流化床；鼓泡流化床的上部开有一排气孔，产物气体从排气孔流出鼓泡流化床后经旋风分离器分离出固体残渣后通往气体净化装置。
本发明方法的步骤进一步说明如下：
(1)将可燃固体废弃物原料进行粉碎、干燥等预处理后备用；
所述可燃固体废弃物原料包括农作物秸秆、农林加工废弃物、城市生活垃圾可燃组分等。
(2)氧载体由过渡金属氧化物、惰性载体和粘结剂制备而成，将制备好的氧载体颗粒预先装填在鼓泡流化床内充当床料，开启流化床外加热电源，将床料预热到指定温度，一般情况下，可将床料加热并稳定在500-900℃范围内；
所述制备氧载体的过渡金属氧化物包括但不限于NiO，CuO，Fe2O3，Mn3O4；所述制备氧载体的惰性载体包括但不限于Al2O3，SiO2，MgO，NiAl2O4，MgAl2O4，ZrO2；所述制备氧载体的粘结剂包括但不限于Al2O3，SiO2，YSZ。
(3)采用水蒸气作为流化气体，从鼓泡流化床底部通入，使氧载体实现流态化，待床料的温度、流化都稳定后，可燃固体废弃物原料通过螺旋进料器加入鼓泡流化床中的床料中，可燃固体废弃物原料受热后迅速发生脱水、热解、气化等反应，气体产物、焦油和固定碳继续和氧载体发生反应，使固体废弃物进一步气化。气化产物由鼓泡流化床顶部导出，经过净化后进一步利用。气体产物组分可通过气体取样口采样进行分析，根据分析结果，可进一步调节气化温度、氧载体/可燃固体废弃物比率、水蒸气添加量等操作参数来改善气体产物分布、气体热值等；
(4)反应后的氧载体通过安装在鼓泡流化床中部的返料管返回流化床提升管。在流化床提升管内，处于还原状态的氧载体被高温空气中的氧气氧化，重新被氧化到氧化状态，回复其晶格氧。氧载体被空气氧化反应是一个强烈的放热反应，通常，根据反应条件可将空气反应器内的反应温度控制在600-950℃范围内；
(5)产物气体从排气孔流出鼓泡流化床后经旋风分离器分离出固体残渣后通往气体净化装置；重新氧化后的氧载体颗粒被高速空气带出流化床提升管，经旋风分离器分离出气化反应残渣和破损的氧载体碎屑后返回燃料反应器内，继续和可燃固体废弃物发生反应。
鼓泡流化床为燃料反应器，流化床提升管为空气反应器。为了保证燃料反应器和空气反应器在反应初期的顺利进行，可以分别在两个反应器的反应段配备外部电加热器。另外，为了防止燃料反应器和空气反应器内的气体相互对流和泄露，在返料管中部设置一个密封室，氧载体颗粒在返回空气反应器过程中，总能充满密封室而起到密封作用。
本发明提出的可燃固体废弃物化学链气化制合成气方法能解决传统可燃固体废弃物气化过程所产生的一系列问题，使可燃固体废弃物在两个串行流化床反应器中高效、经济地转化为优质合成气。本发明采用过渡金属氧化物作为氧载体和燃料反应器中的床料，可燃固体废弃物在燃料反应器中与氧载体发生反应而气化，气化过程所需的氧元素主要由氧载体分子内的晶格氧提供，而不需要额外补充富氧空气作为气化剂，能降低气化成本。被还原后的氧载体返回空气反应器被空气重新氧化，回复晶格氧，然后通过旋风分离器分离灰渣后返回燃料反应器循环使用。如果在燃料反应器中采用水蒸气作为流化气体，则气体产物不被N2和其他惰性气体稀释，能得到高热值的合成气。以过渡金属氧化物为主要组分的氧载体还能对气化过程中产生的焦油和积碳具有催化氧化作用，能降低气化过程中焦油和积碳的产生。
本发明是一种突破了现有技术的高效的可燃固体废弃物气化技术，能制取高品质合成气，并能降低气化过程焦油、积碳含量。本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)采用氧载体分子中的晶格氧作为可燃固体废弃物气化的氧元素来源，不需要纯氧或富氧空气作为气化剂，只需要少量水蒸气作为流化介质，能降低可燃固体废弃物气化成本；
(2)由于无需富氧空气作为可燃固体废弃物的气化剂，则所制备的合成气不被N2和未完全反应的过剩O2稀释，提高了合成气的热值；
(3)氧载体中的金属氧化物和金属离子对可燃固体废弃物热解过程产生的焦油和积碳能起到催化作用，所以本气化技术能降低可燃固体废弃物气化过程的焦油和积碳产率，提高气化效率；
(4)氧载体颗粒不仅能起到氧载体作用，同时还能起到热载体作用，将空气反应器中放出的反应热带入燃料反应器，节约了能源；氧载体颗粒的存在还改善了燃料反应器内的传热、传质条件，有利于可燃固体废弃物气化反应的顺利进行。
附图说明
附图1为本发明串行流化床反应器结构示意图。
图中，1-螺旋进料器，2-鼓泡流化床(燃料反应器)，3-返料管，4-流化床提升管(空气反应器)，5-旋风分离器，6-旋风分离器
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，但对本发明不构成限制。
选取农林加工废弃物为生物质原料，平均粒径0.8mm；Fe2O3质量百分含量为60％的三氧化二铁颗粒为氧载体，平均粒径为0.5mm；鼓泡流化床2内径300mm，高1200mm；流化床提升管4直径100mm，高2000mm，初始的氧载体颗粒加入量为30-40kg，根据反应进程可以随时向鼓泡流化床2内补充新鲜氧载体。鼓泡流化床2温度稳定在840-850℃范围内，流化床提升管4温度控制在900-950℃内，制取的合成气由鼓泡流化床2顶部的排气管排出净化后分析、利用。
实施过程如下：将粉碎至0.8mm的生物质原料放置在干燥箱中，在90℃下干燥24小时备用；将35kg氧载体颗粒装载到鼓泡流化床2中，开启鼓泡流化床2和流化床提升管4的外加热电源，将鼓泡流化床2中的氧载体床料加热至850℃；开启蒸汽开关，将水蒸气从鼓泡流化床2底部通入，调节蒸汽流速，使床料能达到鼓泡流化床状态；打开螺旋进料器1，将生物质原料加入到氧载体料床中，与氧载体、水蒸气反应，生物质加入速率为10-12kg/h，产物气体经鼓泡流化床2顶部的排气孔排出，经旋风分离器6分离出气体带出的固体残渣和碎屑，净化后采样分析，然后进一步利用；根据产物气体组分分析判断，当氧载体中的晶格氧快要反应完全的时候，打开返料管3，反应完全的氧载体被气体带入返料管3，进入空气反应器，氧载体被950℃的高温空气氧化，回复到原始的氧化状态，被氧化后的氧载体颗粒，被高速空气带出流化床提升管4，通过旋风分离器5分离出碎屑和残渣，又返回鼓泡流化床2循环使用。
本实施例原料成分分析如表1所示：
表1原料成分分析(单位：质量百分含量％)
Figure G200910042076XD00071
本实施例实施结果如下：
生物质消耗量：10-12kg/h
平均产气率：1.9m3/kg biomass
气体产物主要成分：H2 38.2％，CO 15.7％，CO2 23.5％，CH4 6.6％，CnHm 1.5％，
合成气热值：14.8MJ/m3

Claims (10)

1.一种可燃固体废弃物化学链气化制备合成气的方法，其特征在于该方法在一串行流化床反应器中实施，所述串行流化床反应器包括内部联通的燃料反应器和空气反应器；燃料反应器为鼓泡流化床；空气反应器为一个流化床提升管，该方法包括以下步骤：
1)将可燃固体废弃物原料进行粉碎、干燥预处理后备用；
2)可燃固体废弃物在燃料反应器内与氧载体发生气化反应而生成合成气，可燃固体废弃物气化所需的氧元素来自氧载体分子中的晶格氧；
3)失去晶格氧后的氧载体，被传输到空气反应器，在空气反应器中，氧载体被高温空气重新氧化，回复晶格氧；
4)回复晶格氧后的氧载体被高速空气带出空气反应器，又返回燃料反应器循环使用，再次和可燃固体废弃物发生气化反应。
2.如权利要求1所述的可燃固体废弃物化学链气化制备合成气的方法，其特征在于：所述鼓泡流化床的高温区与螺旋进料器相连，鼓泡流化床的底部有布风板；鼓泡流化床的中部是扩展段，扩展段比反应段口径大，可燃固体废弃物在鼓泡流化床内与氧载体反应而气化；在鼓泡流化床和流化床提升管之间有一个返料管联通，流化床提升管底部有布风管，物料在高温空气中反应，并被高速空气经流化床提升管带出流化床提升管，带出的物料经过旋风分离器分离出碎屑和残渣后返回鼓泡流化床；鼓泡流化床的上部开有一排气孔，产物气体从排气孔流出鼓泡流化床后经旋风分离器分离出固体残渣后通往气体净化装置。
3.如权利要求1或2所述的可燃固体废弃物化学链气化制备合成气的方法，其特征在于：氧载体由过渡金属氧化物、惰性载体和粘结剂制备而成，将制备好的氧载体颗粒预先装填在鼓泡流化床内充当床料，加热床料。 
4.如权利要求3所述的可燃固体废弃物化学链气化制备合成气的方法，其特征在于：所述制备氧载体的过渡金属氧化物选自如下之一：NiO，CuO，Fe2O3，Mn3O4；所述制备氧载体的惰性载体选自如下之一：Al2O3，SiO2，MgO，NiAl2O4，MgAl2O4，ZrO2；所述制备氧载体的粘结剂为YSZ 。
5.如权利要求2所述的可燃固体废弃物化学链气化制备合成气的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)采用水蒸气作为流化气体，从鼓泡流化床底部通入，使氧载体实现流态化，待床料的温度、流化都稳定后，可燃固体废弃物原料通过螺旋进料器加入鼓泡流化床中的床料中，可燃固体废弃物原料受热后迅速发生脱水、热解、气化反应，气体产物、焦油和固定碳继续和氧载体发生反应，使固体废弃物进一步气化；气化产物由鼓泡流化床顶部导出，经过净化后进一步利用；
2)反应后的氧载体通过安装在鼓泡流化床中部的返料管返回流化床提升管，在流化床提升管内，处于还原状态的氧载体被高温空气中的氧气氧化，重新被氧化到氧化状态，回复其晶格氧；
3)产物气体从排气孔流出鼓泡流化床后经旋风分离器分离出固体残渣后通往气体净化装置；重新氧化后的氧载体颗粒被高速空气带出流化床提升管，经旋风分离器分离出气化反应残渣和破损的氧载体碎屑后返回燃料反应器内，继续和可燃固体废弃物发生反应。
6.如权利要求1所述的可燃固体废弃物化学链气化制备合成气的方法，其特征在于：所述步骤(2)中将床料加热并稳定在500-900℃范围内。 
7.如权利要求1所述的可燃固体废弃物化学链气化制备合成气的方法，其特征在于：所述步骤(3)中将空气反应器内的反应温度控制在600-950℃范围内。
8.一种串行流化床反应器，其特征在于包括两个内部联通的流化床反应器，即燃料反应器和空气反应器；燃料反应器为鼓泡流化床，螺旋进料器与鼓泡流化床的高温区相连，鼓泡流化床的底部有布风板；鼓泡流化床的中部是扩展段，扩展段比反应段口径大；空气反应器为一个流化床提升管；在鼓泡流化床和流化床提升管之间有一个返料管联通，流化床提升管底部有布风管，物料在高温空气中反应，并被高速空气经流化床提升管带出流化床提升管，带出的物料经过旋风分离器分离出碎屑和残渣后返回鼓泡流化床；鼓泡流化床的上部开有一排气孔，产物气体从排气孔流出鼓泡流化床后经旋风分离器分离出固体残渣后通往气体净化装置。
9.如权利要求8所述的串行流化床反应器，其特征在于：分别在燃料反应器和空气反应器的反应段配备外部电加热器。
10.如权利要求8所述的串行流化床反应器，其特征在于：在返料管中部设置一个密封室。 
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