專利名稱：一種氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可再生能源領域的生物質能再利用，特別提供了一種氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉換方法與設備。
背景技術：
生物質能具有可再生性、低污染性、廣泛分布性的特點，因此對生物質能開發(fā)利用的研究是我國可持續(xù)發(fā)展技術的重要內容之一。該領域的生物質氣化技術是生物質熱化學轉化技術中最為重要的一種形式，它作為一種高效清潔的使用方法，在提高生物質利用率及減少污染方面有重要作用，對提高農村生活水平、改善生態(tài)環(huán)境、保障國家能源安全等方面具有重要意義。目前以空氣作為氣化劑的生物質氣化機組，因為空氣含有很高的惰性成分(即79% 的氮氣)，不僅不參與氣化反應，反而稀釋了產出燃氣中可燃組分的含量，從而降低了燃氣的熱值。同時，當前生物質氣化機組普遍存在的焦油問題成為制約生物質氣化技術發(fā)展的主要瓶頸；焦油是生物質氣化過程中不可避免的副產物，成分非常復雜，大部分是苯的衍生物及多環(huán)芳烴，并且其在高溫時呈氣態(tài)，與可燃氣完全混合，而在低溫時(一般低于200°C ) 凝結為黏稠的液態(tài)，分離和處理較為困難。生物質氣化的基本原理是將生物質原料在氣化劑(空氣，氧氣或水蒸氣等)的參與下進行不完全燃燒，使較高分子量的有機碳氫化合物鏈裂解，變成較低分子量的CO、H2、 CH4等可燃性氣體；因此，生物質氣化方法包含2個內容，即熱化學過程和保證熱化學過程順利進行所需條件的裝置，熱化學過程是相當復雜的，下述化學反應式可以近似地描述該過程
C+02 <"“- C02+394 kj(1)
C+C02 <"“- 2C0-172kJ(2)
H20+C0 <"“- C02+H2-2. 89 kj(3)
H20+C <"“- C0+H2-175 kj(4)
C+2H2 <"“- CH4+75 kj(5)
在上述5個化學反應式中，式(1)是至關重要的，通過式(1)的氧化反應所放出的熱量使爐內的溫度升高，保證其余反應能夠順利進行。試驗表明，溫度是衡量氣化過程進行順利與否的一個重要影響因素，要使氣化過程順利地進行，能量的供給是必不可少的，氣化反應總體上是一個吸熱反應，裝置內反應區(qū)的溫度對氣體中可燃成分的比例以及氣化強度有重要影響，隨著反應溫度的升高，氣化速率隨之加快，CO2含量減少，可燃成分增加；將上述5 個化學反應式加合，則得
4C+02+2H20 ^ C02+2C0+CH4+121kJ(6)
式(6)表明，當75%的C元素被氣化為可燃氣體后，余下的121 kj熱量已不足以驅動反應式(2)、(4)的進行，而反應式(3)、(5)因為沒有C0、H2也不能進行，因此氣化效率的最高值為75%左右，余下的熱量主要消耗在空氣和原料的升溫過程中，氣體和灰分也帶出了大量的熱。傳統(tǒng)的氣化工藝是將預處理過的生物質原料投入氣化爐(1)進行氣化反應，使生產出的粗燃氣經過多級復合凈化設備(2)凈化(包括旋風除塵、降溫、水洗、分離、過濾)后， 送給用戶使用；
經傳統(tǒng)氣化工藝產出氣中的焦油只是通過物理方法使之發(fā)生了轉移，具有焦油去除率低，洗焦廢水污染環(huán)境的局限性。隨著生物質氣化氣使用范圍的不斷拓展，對產出氣的使用要求也越來越高，要求產出氣中焦油、灰含量低于10mg/Nm3或更低，但由于原料、操作方法等因素的影響，絕大多數實際運行的機組焦油、灰含量高于使用要求，帶來不同程度的問題?？傮w來說，焦油的存在對氣化有以下幾點不利影響
(1)焦油產物的能量一般占總能量的5% 15%，這部分能量在低溫時難以與可燃氣體一起被利用，造成浪費；
(2)焦油在低溫時凝結為液態(tài)，容易和水、灰分、固體顆粒等雜質結合在一起，堵塞輸氣管道，卡死閥門，腐蝕設備；
(3)在低溫時凝結為細小液滴的焦油難以完全燃盡，容易產生炭黑等顆粒，對燃氣利用設備(內燃機、燃氣輪機等)損害嚴重；
(4)焦油的成分主要是苯的衍生物及多環(huán)芳烴，其燃燒產生的氣體對人體有害。

發(fā)明內容
本發(fā)明所述氣化和高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法及設備，將氣化方法與高溫裂解方法進行有機的融合，形成氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，解決了產出氣的熱值低、焦油含量高的缺點，進而保障轉化設備的可靠運行，擴大了生物質氣化產出氣的使用范圍。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，該轉化方法的工藝流程為首先將預處理過的生物質原料投入氣化爐(1)進行氣化反應，將生產出的粗燃氣經過多級復合凈化設備(2 )凈化，最后通過羅茨鼓風機(3 )送給用戶(6 )使用，其中，將氣化爐(1) 產出的粗燃氣由焦油裂解器(4)加熱至800°C 900°C后，再由多級復合凈化設備(2)凈化。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其中，焦油裂解器(4)內的粗燃氣加熱時采用的是在焦油裂解器(4)內點燃的經過羅茨鼓風機(3)后回流的潔凈氣化氣產生的熱量。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其中，經過羅茨鼓風機 (3)后回流的潔凈氣化氣占總產出氣化氣的10% 20%。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其中，氣化爐(1)內空氣進入氣化爐(1)之前，先由空氣預熱器(5)加熱至250°C 350°C。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其中，空氣預熱器(5) 采用焦油裂解器(4)內點燃潔凈氣化氣產生的熱煙氣進行預熱；所述熱煙氣的溫度為 450 5500。
本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其中，粗燃氣在焦油裂解器(4)內的駐留時間為OAiTl. Os。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化設備，包括氣化爐(1)、多級復合凈化設備(2)、羅茨鼓風機(3)，其中氣化爐(1)與多級復合凈化設備(2)連接，多級復合凈化設備(2)與羅茨風機(3)連接，其中，氣化爐(1)與多級復合凈化設備(2)之間設置有焦油裂解器(4)。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化設備，其中，氣化爐(1)還與空氣預熱器(5)連接。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化設備，其中，焦油裂解器分為腔體I (40)、腔體II (41)，其中腔體I (40)與空氣預熱器(5)連接，將點燃回流潔凈氣化氣產生的熱煙氣輸送給空氣預熱器(5)，腔體II (41)用于通過從氣化爐(1)內輸出的粗燃氣， 通過在腔體I (40)內點燃回流的潔凈氣化氣對粗燃氣進行高溫裂解。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化設備，其中，羅茨鼓風機(3)與焦油裂解器(4)連接。本發(fā)明所述多級復合凈化設備(2)在低溫條件下對焦油裂解器(4)的產出氣進行旋風、降溫、水洗、分離、過濾處理。本發(fā)明所述生物質氣化過程中，當量比是氣化過程中重要的控制參數，當量比是指自供熱氣化系統(tǒng)中，單位生物質在氣化過程中所消耗的氧氣量與完全燃燒所述要的理論氧氣量之比；當量比大，說明氣化過程中消耗的氧氣的量多，反應溫度升高，有利于氧化反應的順利進行，但燃燒的生物質的量也相應增加，產生的CO2量增加，使氣體質量下降。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，通過對進入氣化爐內的空氣進行預熱，空氣的體積受熱膨脹，減少了進入氣化爐的空氣的質量流量相應地，也減少了進入氣化爐的氮氣量，并最終減少了產出氣中氮氣含量，從而增加了產出氣的熱值。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，由于氣體是無限擴散的物質，因此用體積流量不能如實的反應進入氣化爐內的空氣的多少，所以采用質量流量的說法來體現入爐空氣的多少。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，由于進入氣化爐的空氣量減少，降低了當量比，由于當量比的降低，燃燒生物質的量會相應減少，產生的能量降低， 則氣化爐反應溫度也會降低，不利于氣化反應的進行，但是，進入氣化爐內的空氣經預熱被加熱至250°C 350°C，其攜帶的熱量可彌補由于當量比降低所減少的熱量，保證了氣化反應的順利進行。本發(fā)明所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，由于焦油本身的特點， 通過提高反應溫度，可減少焦油的產量和種類，達到控制焦油產生的目的；在高溫狀態(tài)下， 焦油裂解器內焦油裂解反應加劇，一部分焦油成分將通過脫甲基、分子內橋鍵斷裂等過程進一步轉化為氣態(tài)的輕質碳氫化合物或其它小分子的液相產物和炭等，從而引起產出其中焦油含量的整體減少。


圖1為傳統(tǒng)氣化工藝流程圖；圖2為氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化設備示意圖。
具體實施例方式本實施例所述多級復合凈化包括低溫下進行旋風、降溫、水洗、分離、過濾處理。本實施例所述生物質氣化使用如下3種方法
方法1 按傳統(tǒng)氣化方法處理；將生物質原料送入氣化爐(1)進行氣化；并將產出的粗燃氣由多級復合凈化設備(2)凈化；將凈化后的產出氣在羅茨鼓風機(3)末端取樣，采用 HP公司生產的Varian CP 3800氣相色譜儀進行氣體分析，氣化產出氣的焦油含量也采用 GB12208-1990城市燃氣中焦油和灰塵含量的測定方法進行測定。方法2 在方法1的基礎上增加焦油裂解器(4)裂解過程；焦油裂解器(4)裂解過程設置在氣化爐(1)氣化后，多級復合凈化設備(2)凈化前；將生物質原料送入氣化爐(1) 進行氣化；將凈化后的潔凈氣化氣在經羅茨鼓風機(3)后回流總產氣量的10% 20%，并在焦油裂解器(4)處點燃，將粗燃氣加熱至800°C 900°C，使焦油發(fā)生深度裂解，粗燃氣在焦油裂解器(4)內的駐留時間為0. 5iTl. Os ；然后將裂解后的氣化氣由多級復合凈化設備(2) 凈化；將凈化后的產出氣在羅茨鼓風機(3)末端取樣，采用HP公司生產的Varian CP 3800 氣相色譜儀進行氣體分析，氣化產出氣的焦油含量也采用GB12208-1990城市燃氣中焦油和灰塵含量的測定方法進行測定。方法3 在方法2的基礎上增加空氣預熱器(5)預熱過程；用空氣預熱器(5)對進入氣化爐(1)內的空氣預熱；將生物質原料送入氣化爐(1)進行氣化；將凈化后的潔凈氣化氣在經羅茨鼓風機(3)后回流總產氣量的10% 20%，并在焦油裂解器(4)處點燃，將粗燃氣加熱至800°C 900°C，使焦油發(fā)生深度裂解，粗燃氣在焦油裂解器(4)內的駐留時間為0. 5iTl. Os ；將燃燒潔凈氣化氣產出的450°C 550°C熱煙氣送入空氣預熱器(5)，對將要進入氣化爐(1)內的空氣在空氣預熱器(5)內加熱至250°C 350°C;然后將裂解后的氣化氣由多級復合凈化設備(2)凈化；將凈化后的產出氣在羅茨鼓風機(3)末端取樣，采用 HP公司生產的Varian CP 3800氣相色譜儀進行氣體分析，氣化產出氣的焦油含量也采用 GB12208-1990城市燃氣中焦油和灰塵含量的測定方法進行測定。 實施例1
本實施例以找樺木木塊為氣化原料進行生物質氣化，其中，找樺木的原料元素和工業(yè)分析如表1:
表1
元素分析(%)工業(yè)分析發(fā)熱量
生物質----Γ -----,
CH O NSM V A FC (MJZkg)
找才華木 49.8 6.5 38.18 O 0 5.22 79.67 0.3 14.81 18.70
將樺木在自然條件下晾曬，保證含水量在15%以下，并切割至合適尺寸。分別采用上述3種方法對找樺木進行氣化處理，其中，方法2中將凈化后的潔凈氣化氣在經羅茨鼓風機(3)后回流總產氣量的10%，并在焦油裂解器(4)處點燃，將粗燃氣加熱至800°C，使焦油發(fā)生深度裂解，粗燃氣在焦油裂解器(4)內的駐留時間為0. 5s ；方法3中將凈化后的潔凈氣化氣在經羅茨鼓風機(3)后回流總產氣量的10%，并在焦油裂解器(4)處點燃，將粗燃氣加熱至800°C，使焦油發(fā)生深度裂解，并將燃燒潔凈氣化氣產出的 450°C熱煙氣送入空氣預熱器(5)，將要進入氣化爐(1)內的空氣在空氣預熱器(5)內加熱至250°C ；表2、表3、表4為氣化產出氣體中各成分及熱值的對比表，表5為氣化產出氣中焦油含量的對比表。

權利要求
1.一種氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，該轉化方法的工藝流程為首先將預處理過的生物質原料投入氣化爐(1)進行氣化反應，將生產出的粗燃氣經過多級復合凈化設備(2)凈化，最后通過羅茨鼓風機(3)送給用戶(6)使用，其特征在于將氣化爐(1)產出的粗燃氣由焦油裂解器(4)加熱至800°C 900°C后，再由多級復合凈化設備(2)凈化。
2.按照權利要求1所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其特征在于所述焦油裂解器(4)內的粗燃氣加熱時采用的是在焦油裂解器(4)內點燃的經過羅茨鼓風機 (3)后回流的潔凈氣化氣產生的熱量。
3.按照權利要求2所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其特征在于所述經過羅茨鼓風機(3)后回流的潔凈氣化氣占總產出氣化氣的10% 20%。
4.按照權利要求1所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其特征在于所述氣化爐(1)內空氣進入氣化爐(1)之前，先由空氣預熱器(5 )加熱至2500C 350°C。
5.按照權利要求1或2或4所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其特征在于所述空氣預熱器(5)采用焦油裂解器(4)內點燃潔凈氣化氣產生的熱煙氣進行預熱； 所述熱煙氣的溫度為450°C 550°C。
6.按照權利要求1所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，其特征在于所述粗燃氣在焦油裂解器(4)內的駐留時間為0. 5 Γ . Os。
7.—種權利要求1所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化設備，包括氣化爐(1 )、 多級復合凈化設備(2)、羅茨鼓風機(3)，其中氣化爐(1)與多級復合凈化設備(2)連接，多級復合凈化設備(2)與羅茨鼓風機(3)連接，其特征在于所述氣化爐(1)與多級復合凈化設備(2 )之間設置有焦油裂解器(4 )。
8.按照權利要求7所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化設備，其特征在于所述氣化爐(1)還與空氣預熱器(5 )連接。
9.按照權利要求7或8所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化設備，其特征在于 所述空氣預熱器(5)與焦油裂解器(4)連接。
10.按照權利要求7所述氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化設備，其特征在于所述羅茨鼓風機(3 )與焦油裂解器(4 )連接。
全文摘要
一種氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法及設備，該轉化方法的工藝流程為將預處理過的生物質原料投入氣化爐進行氣化反應，氣化爐產出的粗燃氣由焦油裂解器加熱至800℃～900℃后，再由多級復合凈化設備凈化，最后通過羅茨鼓風機送給用戶使用；該設備包括氣化爐、焦油裂解器、多級復合凈化設備、羅茨鼓風機，其中焦油裂解器分別與氣化爐、多級復合凈化設備連接，多級復合凈化設備與羅茨鼓風機連接；本發(fā)明所述氣化和高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法及設備，將氣化方法與高溫裂解方法有機融合，形成氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法，解決了產出氣的熱值低、焦油含量高的缺點，保障轉化設備的可靠運行，擴大了產出氣的使用范圍。
文檔編號C10J3/20GK102465042SQ20101055114
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權日2010年11月19日
發(fā)明者任永志, 劉建坤, 崔亨哲, 張大雷, 李曉偉, 王貴路 申請人:遼寧省能源研究所