CN113150832A - 一种自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，包括自热的流化床热解反应器、均相的部分氧化重整反应器和固定床气化反应器。流化床热解反应器采用空气和水蒸汽作为反应介质；部分氧化重整段通过纯氧与挥发分发生强烈的部分燃烧反应，释放出大量的热，促进焦油发生强烈的裂解；热解段生成的生物质焦通过锁气回料装置进入气化还原段，气化还原反应后剩余的少量焦油经过炭床发生深度催化裂解，气化炉出口焦油含量达到极低的水平。本发明通过分段转化的方式将农林生物质废弃物转化为高附加值的合成气和生物质活性炭，利用气化介质的定向分配实现气化炉热解过程的自热以及规模化放大，同时实现了焦油的高效炉内脱除。
Description
技术领域
本发明设计生物质气化技术领域，尤其涉及一种自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置。
背景技术
焦油含量高和气化效率低是制约生物质气化技术产业化发展的瓶颈。传统的焦油净化脱除方法包括水洗法、陶瓷过滤法、热裂解法和催化裂解法，这些方法带来诸多问题，如环境污染、系统成本增加等。开发高效低成本的焦油脱除工艺成为关键。目前，国际上普遍认为分段式气化技术将生物质的热解、燃烧和气化过程进行分解组合，能够在炉内降低焦油含量。但是以传统的分段式气化规模小，难以有效放大，同时气化效率依然较低。解决气化炉规模化放大的关键在于热解过程的加热方式，传统的气化炉热解段燃料的预热/加热采用外部热传导的形式，由于生物质热导率低，导致生物质加热升温速率慢，所需的停留时间长，造成热解速率慢，气化炉尺寸难以放大。因此，开发先进的高效热解技术成为关键。此外，分段式气化炉中气化反应是吸热过程，随着反应的进行，气化区域温度降低，造成气化效率降低，碳转化率低。另外，生物质作为一种优质的资源，除了通过热解气化的方式进行能源化转化，而且通过特定的运行调控，还可以用于生产高附加值的碳材料，如生物质活性炭、碳催化剂载体等。基于生物质气化技术的炭气联产调控技术也是未来生物质资源化利用的重要方向。
因此，提高分段式气化过程热解、燃烧、气化个阶段的转化效率，提高炉内焦油的原位裂解，并通过过程参数调节，联合生产高附加值生物质碳基材料，成为生物质分段式气化技术发展的关键。
发明内容
发明目的：针对现有生物质气化技术中焦油含量高、气化效率低的问题，本发明公开了一种自热三段式低焦油炭气联产调控系统，基于生物质热解气化过程的特征，利用分解耦合的方法，将生物质热解气化过程分成三个阶段，并分别用三种不同的反应器进行转化，以实现生物质热解气化各阶段的热量自维持，并达到焦油炉内高效裂解的目的。同时，通过气化过程空气当量比和水蒸汽的控制，能够产生高附加值的生物质活性炭，从而避免了气化过程碳转化率低、气化效率低的问题。
技术方案：一种自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，包括依次连接的流化床热解反应器、重整反应器、气化反应器，重整反应器的两端分别与流化床热解反应器、气化反应器的上端部连接；流化床热解反应器的一侧连接螺旋给料器，流化床热解反应器的下部设置流化床布风板，流化床热解反应器的下端部分别设置热解空气进口、热解水蒸汽进口；重整反应器长度方向的侧壁上均匀设置若干个喷嘴；流化床热解反应器、气化反应器之间设置U型回料器，U型回料器上分别设置氮气进口、第一空气进口；气化反应器的下部设置炉篦，气化反应器的下端部设置出料口，气化反应器的一侧设置气化气出口，气化气出口与换热器的一端连接，换热器的另一端与陶瓷过滤装置的一端连接，陶瓷过滤装置的另一端连接合成气出口。
优选的是，本发明流化床热解反应器的下端部分别设置热解空气进口、热解水蒸汽进口，利用空气和水蒸汽作为热解反应气，用于热解过程的氧化还原反应，通过调节空气/水蒸汽/生物质原料的比例实现热解过程热量自维持；空气当量比控制在0.08～0.15之间。
优选的是，本发明的重整反应器，纯氧通过切向喷嘴，喷嘴数量为4～6 个，氧气当量比调节范围为0～0.4，控制范围一般为0.2～0.3，与热解反应器中产生的焦油和热解气发生剧烈的氧化还原反应，形成1100℃～1200℃高温，对焦油进行强烈的裂解。
优选的是，本发明的U性回料阀采用氮气、空气与水蒸汽的混合气作为流化气体，用以调节气化反应器中的产品分布。
优选的是，本发明的U型回料阀，用于热解半焦在热解反应器中的分离并向气化反应器中输送热解半焦，采用氮气/空气/水蒸汽作为回料阀流化气体，其中空气当量比调节范围为0～0.2，水蒸汽/生物质比例调节范围为0～ 1。
优选的是，本发明气化反应器中的床层高度通过炉篦的出料速度进行控制，床层高度控制在700mm-1000mm之间。
优选的是，本发明的换热器上设置冷空气入口，热解空气进口与换热器的热空气出口连接，喷嘴与换热器的氧气出口连接，第一空气进口与换热器的空气出口连接。
优选的是，本发明经过氧化重整反应器裂解的焦油进一步在床层中进行催化裂解，实现焦油的深度脱除；通过控制出料速度、回料阀空气/水蒸汽当量比，实现固定床气化反应器中的产品分配。
有益效果：
1、本发明的自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，分别是自热的流化床热解反应器、均相的部分氧化重整反应器和固定床气化反应器。流化床热解反应器采用空气和水蒸汽作为反应介质，通过生物质原料的部分氧化产生热量，维持热解反应所需要的温度。热解产生的挥发分(含焦油)进入部分氧化重整段，通过纯氧与挥发分发生强烈的部分燃烧反应，释放出大量的热，形成高温氧化区，促进焦油发生强烈的裂解。热解段生成的生物质焦通过锁气回料装置进入气化还原段，在该反应器中生物质焦与二氧化碳、水蒸汽等发生气化还原反应，剩余的少量焦油经过炭床发生深度催化裂解，气化炉出口焦油含量达到极低的水平(低于25mg/Nm3)。同时，通过控制气化介质的比例，可以实现生物质焦的不完全气化，生成孔隙率的生物质活性炭。
2、本发明通过在流化床热解反应器中喷入一定量的空气/水蒸汽，可以利用生物质原料的原位氧化热解反应，释放出一定的热量，以维持热解过程的能量自平衡，控制热解温度维持在500～600℃之间，保证生物质内挥发分充分析出。能够克服传统气化炉热解过程由于外部热源供热的限制，能够显著提高气化炉的热解效率，适合于气化炉的结构放大。同时空气和水蒸汽在生物质热解过程对半焦具有造孔作用，有利于半焦孔隙的生成，对于后续的气化及活性炭的生成具有显著的提升作用，生物质半焦比表面积可达500m2/g以上；
3、本发明的U型回料阀用于连接流化床热解反应器和固定床气化反应器，用于热解半焦的传送以及隔离挥发分。同时通过调节回料阀的流化气体流量可以控制回料速度以及气化反应器中的反应特征，调节气化炉出口产品分配和活性炭品质(孔隙率和比表面积等指标)。
4、本发明在均相部分氧化重整反应器中设计合理的喷嘴结构，实现纯氧与热解焦油/可燃气的充分混合燃烧，产生高温，促进焦油的充分裂解转化，并为后续的气化过程提供高温热源。
5、本发明在固定床气化反应器中控制合理的炭床，一方面进行气化产生合成气，另一方面炭床可以作为高效的催化剂，对均相部分氧化重整反应器出口的焦油进行深度脱除，降低焦油的净化成本。同时，通过控制气化反应时间和气化介质流量，可以获得高品质的生物质活性炭，实现炭气联产调控。
6、本发明通过分段转化的方式将农林生物质废弃物转化为高附加值的合成气和生物质活性炭，利用气化介质的定向分配实现气化炉热解过程的自热以及规模化放大，同时实现了焦油的高效炉内脱除。
附图说明
图1为本发明的结构主视图；
图2为本发明重整反应器的主视图；
图3是图2的左视图；
其中，1、流化床热解反应器；2、流化床布风板；3、生物质料仓；4、螺旋给料器；5、热解空气进口；6、热解水蒸气进口；7、U型回料器；8、重整反应器；9、保温层：10、喷嘴；11、氮气进口；12、第一空气进口； 13、气化反应器；14、炉篦；15为气化气出口；16为出料口；17为换热器； 18为冷空气入口；19为陶瓷过滤装置；20为合成气出口。
具体实施方式
如附图1、图2、图3所示，一种自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，包括依次连接的流化床热解反应器1、重整反应器8、气化反应器 13，重整反应器8的两端分别与流化床热解反应器1、气化反应器13的上端部连接；流化床热解反应器1的一侧连接螺旋给料器4，流化床热解反应器1的下部设置流化床布风板2，流化床热解反应器1的下端部分别设置热解空气进口5、热解水蒸气进口6；重整反应器8长度方向的侧壁上均匀设置若干个喷嘴10；流化床热解反应器1、气化反应器13之间设置U型回料器7，U型回料器7上分别设置氮气进口11、第一空气进口12；气化反应器13的下部设置炉篦14，气化反应器13的下端部设置出料口16，气化反应器13的一侧设置气化气出口15，气化气出口15与换热器17的一端连接，换热器17的另一端与陶瓷过滤装置19的一端连接，陶瓷过滤装置19的另一端连接合成气出口20。
本发明的自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，包括生物质自热流化床热解反应器1，所述流化床热解反应器通过螺旋给料器4进行送料，内设有流化床布风板2用于流化气体的布风，流化床采用热解空气进口5、热解水蒸气进口6的混合气作为热解过程的流态化气体以及反应气体；热解反应器产生的焦油以及可燃气进入上部水平的均相的部分氧化重整反应器8，并与通过喷嘴10通入的热空气发生剧烈的氧化反应，生成二氧化碳和水蒸汽等。热解反应器产生的生物质半焦通过U型回料器7送入固定床气化反应器13中进行气化还原，产生合成气以及活性炭。U性回料阀采用氮气进口11、第一空气进口12与水蒸汽的混合气作为流化气体，用以调节气化反应器中的产品分布。气化反应器中床层高度通过炉篦14出料速度进行控制，一般控制在700mm-1000mm之间。气化气通过引风机从气化反应器下部的气化气出口15引出，活性炭或灰渣从底部出料口16排出。
本发明的热解反应器1利用空气和水蒸汽作为热解反应气氛，用于热解过程的氧化还原反应，生物质原料发生自热的有氧热解，通过调节空气/水蒸汽/生物质原料的比例实现热解过程热量自维持。实际运行过程，空气当量比控制在0.08～0.15之间，可以保证实现过程的能量自平衡，又不至于将生物质烧尽。
本发明的氧化重整反应器8，采用纯氧通过切向喷嘴10，喷嘴数量为4～ 6个，氧气当量比调节范围为0～0.4，控制范围一般为0.1～0.3，与热解反应器1中产生的焦油和热解气发生剧烈的氧化还原反应，形成1100℃～1200℃左右的高温，对焦油进行强烈的裂解。具体反应包括但不局限于：
H2+0.5O2→H2O (R1)
CO+0.5O2→CO2 (R2)
CH4+O2→CO2+2H2O (R3)
CmHn(焦油)+O2→CO2+CO+H2O+H2 (R4)
本发明的U型回料阀7，用于热解半焦在热解反应器1中的分离并向气化反应器13中输送热解半焦，同时阻隔热解焦油及可燃气直接进入气化反应器13。采用氮气/空气/水蒸汽作为回料阀流化气体，其中空气当量比调节范围为0～0.2，水蒸汽/生物质比例调节范围为0～1，其优化值取决于生物质原料特性以及目标产品分配。
本发明的固定床气化反应器13通过控制炉篦出料速度，控制床层高度处于700mm～1000mm之间，经过均相部分氧化重整反应器8裂解的焦油进一步在床层中进行催化裂解，实现焦油的深度脱除。通过控制出料速度、回料阀空气/水蒸汽当量比，可以实现固定床气化反应器13中的产品分配。
通过在流化床热解反应器1中喷入一定量的空气/水蒸汽，可以利用生物质原料的原位氧化热解反应，释放出一定的热量，以维持热解过程的能量自平衡，控制热解温度维持在500～600℃之间，保证生物质内挥发分充分析出，针对不同热值的生物质原料，热解空气当量比一般取0.08～0.15。热解反应器采用微正压运行(+100Pa)，保证热解气能够向部分氧化重整反应器8流动。螺旋给料器4与热解反应器1采用波纹管焊接，以克服热应力产生的变形。
均相的部分氧化重整反应器8，采用纯氧通过切向喷嘴10，喷嘴数量为4～6个，氧气当量比调节范围为0～0.4，一般控制范围一般为0.1～0.3，与热解反应器1中产生的焦油和热解气发生剧烈的氧化还原反应，形成 1100℃～1200℃左右的高温，对焦油进行强烈的裂解。通过旋流混合，控制气体停留时间不少于0.2秒，且界面冷区最低温度不低于1000℃，以保证焦油充分混合裂解。均相的部分氧化重整反应器8与热解反应器1以及固定床气化反应器13采用耐高温波纹管焊接的方式进行连接，保证在高温热应力下连接处的密封性。
U型回料阀7，用于热解半焦在热解反应器1中的分离并向气化反应器 13中输送热解半焦，同时阻隔热解焦油及可燃气直接进入气化反应器13。采用氮气/空气/水蒸汽作为回料阀流化气体，其中空气当量比调节范围为 0～0.2，水蒸汽/生物质比例调节范围为0～1，其优化值取决于生物质原料特性以及目标产品分配。
固定床气化反应器13通过控制炉篦出料速度，控制床层高度处于 700mm～1000mm之间，经过均相部分氧化重整反应器8裂解的焦油进一步在床层中进行催化裂解，实现焦油的深度脱除。通过控制出料速度、回料阀空气/水蒸汽当量比，可以实现固定床气化反应器13中的产品分配。当以生物质活性炭为主要目标产品是，气化炉整体氧气当量比为0.15～0.2；当以合成气为主要目标产品时，气化炉整体氧气当量比控制为0.3～0.4。气化炉出口采用离心式风机将合成气引出炉外，并形成气化炉内的气体流动通道(1→8→13→15→20)。
气化炉出口合成气温度约600～700℃。为了有效利用这部分热量，以提高整体效率，气化炉出口设置气体换热器17，将冷空气18进行加热至 300～600℃，用于气化炉各阶段的空气。冷却后的合成气经过陶瓷过滤器 19，去除颗粒以及残余的少量焦油。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，其特征在于：包括依次连接的流化床热解反应器(1)、重整反应器(8)、气化反应器(13)，重整反应器(8)的两端分别与流化床热解反应器(1)、气化反应器(13)的上端部连接；流化床热解反应器(1)的一侧连接螺旋给料器(4)，流化床热解反应器(1)的下部设置流化床布风板(2)，流化床热解反应器(1)的下端部分别设置热解空气进口(5)、热解水蒸汽进口(6)；
重整反应器(8)长度方向的侧壁上均匀设置若干个喷嘴(10)；
流化床热解反应器(1)、气化反应器(13)之间设置U型回料器(7)，U型回料器(7)上分别设置氮气进口(11)、第一空气进口(12)；
气化反应器(13)的下部设置炉篦(14)，气化反应器(13)的下端部设置出料口(16)，气化反应器(13)的一侧设置气化气出口(15)，气化气出口(15)与换热器(17)的一端连接，换热器(17)的另一端与陶瓷过滤装置(19)的一端连接，陶瓷过滤装置(19)的另一端连接合成气出口(20)。
2.根据权利要求1所述的自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，其特征在于流化床热解反应器(1)的下端部分别设置热解空气进口(5)、热解水蒸汽进口(6)，利用空气和水蒸汽作为热解反应气，用于热解过程的氧化还原反应，通过调节空气/水蒸汽/生物质原料的比例实现热解过程热量自维持；空气当量比控制在0.08～0.15之间。
3.根据权利要求2所述的自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，其特征在于所述重整反应器(8)，纯氧通过切向喷嘴(10)，喷嘴数量为4～6个，氧气当量比调节范围为0～0.4，控制范围一般为0.2～0.3，与热解反应器(1)中产生的焦油和热解气发生剧烈的氧化还原反应，形成1100℃～1200℃高温，对焦油进行强烈的裂解。
4.根据权利要求1所述的自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，其特征在于U性回料阀(7)采用氮气、空气与水蒸汽的混合气作为流化气体，用以调节气化反应器中的产品分布。
5.根据权利要求4所述的自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，其特征在于所述的U型回料阀(7)，用于热解半焦在热解反应器(1)中的分离并向气化反应器(13)中输送热解半焦，采用氮气/空气/水蒸汽作为回料阀流化气体，其中空气当量比调节范围为0～0.2，水蒸汽/生物质比例调节范围为0～1。
6.根据权利要求1所述的自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，其特征在于气化反应器(13)中的床层高度通过炉篦(14)的出料速度进行控制，床层高度控制在700mm-1000mm之间。
7.根据权利要求1所述的自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，其特征在于换热器(17)上设置冷空气入口(18)，热解空气进口(5)与换热器(17)的热空气出口连接，喷嘴(10)与换热器(17)的氧气出口连接，第一空气进口(12)与换热器(17)的空气出口连接。
8.根据权利要求6或7所述的自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置，其特征在于经过氧化重整反应器(8)裂解的焦油进一步在床层中进行催化裂解，实现焦油的深度脱除；通过控制出料速度、回料阀空气/水蒸汽当量比，实现固定床气化反应器(13)中的产品分配。
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| CN202110248799.6A CN113150832A (zh) | 2021-03-08 | 2021-03-08 | 一种自热三段式生物质低焦油炭气联产调控装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115181590A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-10-14 | 重庆科技学院 | 一种分级解耦模式下的生物质双循环气化脱碳反应系统 |
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2021
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