一种生物质热解气化制备合成气的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种生物质热解气化制备合成气的方法及装置，其中方法包括低温烘焙、高温催化气化和微波重整三个阶段并分别在气化装置中三个相对独立的空间内连续进行，从而获得高品质的合成气。装置包括双轴螺旋热解反应器，其前段为烘焙段，中段为气化段，末段为微波辅助重整段，原料经给料装置送入双轴螺旋热解反应器，利用烟气换热、催化剂载热及微波辅助加热的内外热结合的方式提供三个反应段的适宜温度实现分级热解气化，产生的气体经气固分离器后得到合成气产品，同时将反应器排出的失活催化剂和焦炭等送入燃烧炉，用于产生高温烟气及催化剂再生。本发明专利技术简化了合成气制备的工艺系统，减少了热解气化过程中半焦及焦油的含量，提高了系统的气化效率及合成气品质。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质热解气化制备合成气的方法及装置
本专利技术属于生物质热解气化制备合成气
，具体涉及一种生物质热解气化制备合成气的方法及装置。
技术介绍
生物质主要是由植物光合作用固定太阳能而形成的碳水化合物，具有分布广泛、储量巨大、环境友好，尤其是温室气体零排放等优点，并且是是唯一可以同时转化为气体、液体和固体燃料的可再生能源。随着传统化石能源的日益减少及由于使用化石能源来带的环境污染问题的加剧，重视和发展绿色可再生能源已成为各国政府的共识。通过热化学转化、生化转化等方法，能够将生物质能转变为清洁的气体或液体燃料，用于满足社会生产的需要，具有全面替代化石能源的潜力，是未来能源化工行业重要的发展方向。生物质热解制备合成气(以H2和CO为主要组分的原料气)，进而合成多种化工产品(如合成氨、CH3OH、链烃或其它精细化学品等)是热化学转化技术中最具发展前景的生物质能源资源化利用途径之一。近年来逐渐受到各国学术界和工业界的重视。传统的生物质气化制备合成气工艺通常采用空气-水蒸气、氧气-水蒸气等作为气化介质，以固定床、流化床或气流床为气化反应器。固定床气化设备简单、操作方便，但此工艺存在处理量小、炉内换热效果差、气化效率低、气体中灰分及焦油较多、难以连续生产等不足；流化床和气流床气化能够有效提升处理规模，并实现连续生产，不过流化床气化工艺一般需要后续设备来处理焦油和重整合成气等问题，气流床气化对生物质原料的研磨要求过高，因此工艺系统复杂、操作繁琐、能耗较高。另外，常规气化工艺多为内热式生物质气化，即向气化炉里限量引入空气，依靠生物质自身在空气中燃烧产生的热量对未燃烧的生物质直接加热气化，但气体产品含有大量N2和CO2严重影响了合成气的品质，无法满足后续应用的要求。尽管内热式气化技术中采用富氧-水蒸气气化方式有助于提高合成气品质，但需要增加制氧设备、蒸汽发生器和过热设备等，一次投资较高，系统独立性及稳定性较差。借助电、微波、燃气或燃油等作为外加热源进行外热式气化，可以在高温下进行气体的催化重整，有利于得到较高含量的合成气产品。与传统的加热相比，微波辐射条件下产生的气体组成具有独特的优势：产气为富氢气体，稠环烃的含量很少，灰分较少等。但现有微波气化系统完全采用微波进行加热并应用于热解反应，能耗高，经济性差，CN102424359A公开了一种三段式生物质热解-气化-催化重整制取合成气的方法，其将生物质热解气化制取合成气的过程分为生物质低温热解、焦炭或半焦高温气化和焦油/粗合成气催化重整三个步骤，且三个反应步骤分别在同一气化反应装置中的上段热解炉膛、下段气化炉膛和催化剂床层三个相对独立的空间内连续进行。生物质原料先在热解反应炉膛中通过低温热解制取焦炭或半焦和热解气体，后在流化床气化反应炉膛中通过焦炭或半焦的高温水蒸汽气化反应制备出粗合成气，最后在催化剂床层通过对热解焦油进行催化裂解及对热解气进行催化重整降低焦油产量，最终得到高品质合成气。该方法将整个生物质气化制取合成气的过程分成热解、气化和气体/焦油重整三个步骤，每个步骤均在一个相对独立的空间内进行，三个步骤相对分开且紧密进行，这样使得每个步骤反应都进行地比较充分，从而获得较高品质的合成气。但是，正如前面所述，该方法存在比较明显的问题，首先，采用的是流化床气化工艺，对生物质原料的粒度和含水量有较严格的要求，需要较复杂的前处理设备；其次，采用水蒸汽或水蒸汽/空气气化，需要增加额外的蒸汽发生器和过热设备，且在高压下运行，使得装置整体复杂、安全可靠性降低；特别是，没有针对催化剂失活的应对措施，整体气化效率难以保证，装置很难长期稳定运行。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种生物质热解气化制备合成气的方法及装置，其通过综合分级处理生物质原料、内外热结合供能、催化气化及微波重整的方式，获得高品质的合成气，且制备合成气的工艺简单、气化效率高，能源利用率高。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供一种生物质热解气化制备合成气的方法，其通过将生物质热解气化制备合成气的过程分为低温烘焙、高温催化气化和微波重整三个阶段并分别在气化装置中三个相对独立的空间内连续进行，从而获得高品质的合成气，其特征在于，所述低温烘焙阶段中，生物质原料由给料装置送入气化反应装置进行烘焙处理，产生的H2O和CO2作为后续气化和重整阶段的反应气化介质，同时获得具有良好孔隙结构的固体产物，以使得生物质具有更好的气化反应活性及微波吸收特性；所述高温催化气化阶段中，在反应器中加入高温催化剂并与经过烘焙的生物质充分混合以发挥其载热与催化特性，并利用上述烘焙阶段产生的气化介质进行气化反应，促进半焦气化和焦油裂解；所述微波重整阶段中，利用微波作用于上述半焦和催化剂，通过充分利用微波的非热效应强化半焦气化和焦油催化重整反应，同时利用微波的热效应形成有利于合成气制备的反应条件，从而获得高品质的合成气。本专利技术中通过将生物质原料在热解前期进行低温烘焙处理，可以使得生物质获得具有良好孔隙结构的固体产物，其总比表面积约相比原料可以增大至2倍，从而具有更好的气化反应活性及微波吸收特性，同时期间产生的H2O和CO2等气体可以作为后续气化和重整阶段的反应介质。作为本专利技术的改进，所述低温烘焙是指生物质在常压、绝氧或缺氧的条件下进行的低温热解反应。作为本专利技术的改进，所述低温热解反应的温度控制在200～300℃。作为本专利技术的改进，所述高温催化气化是指低温烘焙产生的固体产物结合催化剂在反应器中段进行的焦炭或半焦的催化气化反应，反应温度控制为700～900℃。作为本专利技术的改进，所述微波重整是指高温催化气化阶段产生的焦油及粗合成气在混合气流作用下与固体产物利用微波的非热效应加强半焦气化和焦油催化重整反应，温度控制在900～1000℃。作为本专利技术的改进，所述微波重整后的固体焦炭及失活催化剂重新进入燃烧炉中，与经预热的空气在燃烧炉中燃烧，产生的固体进入反应器中以在高温催化气化阶段循环发挥载热及催化效应。作为本专利技术的改进，所述燃烧产生的气体经烟气分离后用于为上述各阶段提供所需热量。作为本专利技术的改进，所述燃烧产生的气体经烟气分离后的烟气用于加热空气，以用于进入燃烧炉。本专利技术中，生物质原料由给料装置送入气化反应装置，首先较低温度下进行烘焙处理，产生的H2O和CO2等气体作为后续气化和重整阶段的反应介质，同时可获得具有较好孔隙结构的固体产物(总比表面积约增大2倍)，具有更好的气化反应活性及微波吸收特性(相比于原始物料)。然后，高温催化剂在气化阶段加入反应器并与经过烘焙的生物质充分混合，发挥载热与催化特性，利用烘焙阶段产生的气化介质进行气化反应，促进半焦气化和焦油裂解。在重整阶段微波作用于半焦和催化剂，充分利用微波的非热效应，强化半焦气化和焦油催化重整反应，同时利用微波的热效应形成有利于合成气制备的反应条件，实现微波能的合理及高效利用，提高合成气品质。气化反应器残渣(包括积碳失活催化剂及半焦)、气固分离装置收集的残渣及补充的新鲜催化剂一起进入燃烧炉，加热催化剂并使催化剂再生，产生的高温烟气进入气化反应器的机壳夹层，依次加热重整、气化和烘焙段，余热用于预热空气，实现了生物质全组分最大化利用及能量最优化利用。按照本专利技术的另一方面，提供一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物质热解气化制备合成气的方法，其通过将生物质热解气化制备合成气的过程分为低温烘焙、高温催化气化和微波重整三个阶段并分别在气化装置中三个相对独立的空间内连续进行，从而获得高品质的合成气，其特征在于，所述低温烘焙阶段中，生物质原料由给料装置送入气化反应装置进行烘焙处理，产生的H2O和CO2作为后续气化和重整阶段的反应气化介质，同时获得具有良好孔隙结构的固体产物，以使得生物质具有更好的气化反应活性及微波吸收特性；所述高温催化气化阶段中，在反应器中加入高温催化剂并与经过烘焙的生物质充分混合以发挥其载热与催化特性，并利用上述烘焙阶段产生的气化介质进行气化反应，促进半焦气化和焦油裂解；所述微波重整阶段中，利用微波作用于上述半焦和催化剂，通过充分利用微波的热效应和非热效应强化半焦气化和焦油催化重整反应，同时形成有利于合成气制备的反应条件，从而获得高品质的合成气。

【技术特征摘要】
1.一种生物质热解气化制备合成气的方法，其通过将生物质热解气化制备合成气的过程分为低温烘焙、高温催化气化和微波重整三个阶段并分别在气化装置中三个相对独立的空间内连续进行，从而获得高品质的合成气，其特征在于，所述低温烘焙是指生物质在常压、绝氧或缺氧的条件下进行的低温热解反应，所述低温烘焙阶段中，生物质原料由给料装置送入气化反应装置进行烘焙处理，产生的H2O和CO2作为后续气化和重整阶段的反应气化介质，同时获得具有良好孔隙结构的固体产物，以使得生物质具有更好的气化反应活性及微波吸收特性，所述低温热解反应的温度控制在200～300℃；所述高温催化气化是指低温烘焙产生的固体产物结合催化剂在反应器中段进行的焦炭或半焦的催化气化反应，反应温度控制为700～900℃，所述高温催化气化阶段中，在反应器中加入高温催化剂并与经过烘焙的生物质充分混合以发挥其载热与催化特性，并利用上述烘焙阶段产生的气化介质进行气化反应，促进半焦气化和焦油裂解；所述微波重整是指高温催化气化阶段产生的焦油及粗合成气在混合气流作用下与固体产物利用微波的热效应和非热效应加强半焦气化和焦油催化重整反应，温度控制在900～1000℃，所述微波重整阶段中，利用微波作用于上述半焦和催化剂，通过充分利用微波的热效应和非热效应强化半焦气化和焦油催化重整反应，同时形成有利于合成气制备的反应条件，从而获得高品质的合成气。2.根据权利要求1所述的一种生物质热解气化制备合成气的方法，其中，所述微波重整后的固体焦炭及失活催化剂重新进入燃烧炉中，与经预热的空气在燃烧炉中燃烧，产生的固体进入反应器中以在高温催化气化阶段循环发挥载热及催...

【专利技术属性】
技术研发人员：王贤华，李攀，杨晴，邓勇，李斌，杨海平，邵敬爱，张世红，陈汉平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42