一种耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法及系统技术方案

本发明专利技术属于生物质资源高值化转化技术领域，特别涉及一种耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法及系统。方法包括如下步骤：以贫氧空气和烟气作为介质，用于生物质烘焙过程，并将烘焙生物质粉碎；通过空气氧化，为载氧体补充晶格氧与热量，使被还原的载氧体再生，得到加热后的载氧体和贫氧空气，所述贫氧空气用于生物质烘焙过程的介质；所述半焦和生物质烘焙过程中产生的挥发份直接燃烧，得到加热后的过热蒸汽和烟气，所述过热蒸汽用于发电、供热或作为流化介质，所述烟气用作生物质烘焙过程的介质。本发明专利技术实现了合成气和热、电的多联产，在制取合成气的同时进一步提高了系统能效，使得系统经济性得到显著提升。得系统经济性得到显著提升。得系统经济性得到显著提升。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法及系统


[0001]本专利技术属于生物质资源高值化转化
，特别涉及一种耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法及系统。

技术介绍

[0002]合成气(CO+H2)是重要的化工原料，通过不同反应路径可将合成气转化为各类化学品，在化工生产中具有极为重要的地位。随着材料与化工领域对原材料需求的不断增加，合成气产能将持续提升。现有工业制取合成气主要依靠天然气蒸汽重整和煤气化，以化石能源为原料的合成气工业不可避免地会排放大量CO2，在环保和“双碳”目标的制约下将逐渐失去竞争力。生物质具有可再生性和碳中性的优点，因此以生物质为原料制取合成气的路线在未来具有极大发展潜力。目前，生物质制合成气主要以热化学转化为主，包括生物质热解和气化，此类传统方法具有系统能效低、原料转化率低且产物选择性低的缺点。因此，在传统生物质热化学转化基础上开发出了生物质化学链转化。
[0003]生物质化学链转化的基本原理是使用过渡金属氧化物作为载氧体以提供氧源，先在燃料反应器中使生物质被载氧体中的晶格氧部分氧化生成合成气，而后在再生反应器中使用氧化性气氛补充载氧体在前一阶段失去的晶格氧，并使载氧体通过氧化反应获得热量，实现载氧体的氧化再生。载氧体在该过程中起到供氧、供热和催化的作用。通过载氧体在还原和氧化环境中的不断循环，可连续不断地将生物质转化为合成气。
[0004]然而，生物质原料本身存在水分和氧含量高、能量密度低及可磨性差等问题，一方面使其在化学链转化过程中转化率低、产物选择性差，另一方面在粉碎过程中需消耗大量机械能。通过预处理的方式对生物质原料进行提质是提高生物质化学链转化效果的关键手段之一。在各类预处理方式中，生物质烘焙具有易工业化的特点，因此在生物质资源化利用领域受到广泛关注，其通常指在常压且无氧或贫氧条件下，反应温度介于200～300℃之间的生物质低温慢速热解过程。通过烘焙预处理，生物质中大部分游离水和一部分含氧组分被除去，且其富含纤维的细胞壁发生“塌陷”，故其能量密度和可磨性得到明显提升，使得生物质化学链转化反应的转化率和选择性得以改善，原料粉碎过程的能耗大幅降低。尽管烘焙预处理可显著提升生物质原料性能，但烘焙过程需要消耗大量热能且需投资建设空分系统，大幅提升了运营成本，导致其工业化应用面临极大挑战。因此，如何在对生物质原料进行预处理提质的同时提高系统经济性是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对上述生物质原料提质时运营成本过高的问题，本专利技术提供一种耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法及系统。
[0006]为实现上述目的，本专利技术技术方案为：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法，包括如下步骤：
[0008]S1：以贫氧空气和烟气作为介质，用于生物质烘焙过程，并将烘焙生物质粉碎；
[0009]S2：通过加热后的载氧体，将粉碎后的烘焙生物质热解，生成挥发份和半焦；
[0010]S3：载氧体中的晶格氧或释放的分子氧和挥发份发生部分氧化反应，生成合成气，载氧体被还原；
[0011]S4：分离被还原的载氧体和半焦；
[0012]S5：通过空气氧化，为载氧体补充晶格氧与热量，使被还原的载氧体再生，得到加热后的载氧体和贫氧空气，所述贫氧空气用于所述S1中生物质烘焙过程的介质；
[0013]S6：所述半焦和生物质烘焙过程中产生的挥发份直接燃烧，得到加热后的过热蒸汽和烟气，所述过热蒸汽用于发电、供热或作为流化介质，所述烟气用于所述S1中生物质烘焙过程的介质。
[0014]进一步的，所述步骤S1中贫氧空气和烟气经混合换热后作为烘焙过程的流化介质，所述流化介质的温度为220～300℃，氧气含量为1～10％。
[0015]进一步的，所述过热蒸汽作为流化介质时的温度范围为150～200℃，压力范围为0.12～0.15MPa。
[0016]进一步的，所述生物质原料为以木质纤维素为主要组分的农林废弃物或城市生活垃圾；被粉碎的烘焙生物质粒径为0.3～1.5mm。
[0017]进一步的，所述载氧体的粒径为0.1～0.3mm；所述载氧体为活性组分改性的天然矿石、活性组分改性的冶金固废或人工合成的过渡金属氧化物。
[0018]第二方面，本专利技术提供一种耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产系统，包括：烘焙反应器、再生反应器、燃烧反应器、燃料反应器和炭分离器，其中：
[0019]烘焙反应器设有进料口、进气口、生物质出口和挥发份出口，燃料反应器设有生物质入口、载氧体入口、蒸汽入口、合成气出口和载氧体出口，再生反应器设有载氧体入口、空气入口、载氧体出口和贫氧空气出口，燃烧反应器设有挥发份入口、生物炭入口、过热蒸汽出口和烟气出口，炭分离器设有载氧体入口、载氧体出口、空气入口和生物炭出口；
[0020]烘焙反应器的生物质出口连接燃料反应器的生物质入口，烘焙反应器的挥发份出口连接燃烧反应器的挥发份入口；
[0021]燃料反应器的载氧体出口连接炭分离器的载氧体入口；
[0022]再生反应器的载氧体出口连接燃料反应器的载氧体入口，再生反应器的贫氧空气出口与燃烧反应器的烟气出口连接烘焙反应器的进气口；
[0023]燃烧反应器的过热蒸汽出口连接燃料反应器的蒸汽入口；
[0024]炭分离器的载氧体出口连接再生反应器的载氧体入口，炭分离器的生物炭出口连接燃烧反应器的生物炭入口。
[0025]进一步的，包括：矩形喷动床反应器、螺旋进料器、气气混合换热器、增压风机、粉碎机、料斗、双层下行式流化床反应器、生物质进料风嘴、炭分离器、快速流化床反应器、生物质燃烧炉、蒸汽减温减压器、若干旋风分离器和若干返料阀，
[0026]其中，螺旋进料器与矩形喷动床反应器进料口连接，气气混合换热器出口与增压风机进气口连接，增压风机排气口与矩形喷动床反应器底部进气口连接，矩形喷动床反应器顶部出口与第一旋风分离器连接，第一旋风分离器顶部气体出口与生物质燃烧炉进气口连接，第一旋风分离器底部排料口与粉碎机连接，粉碎机排料口与料斗连接，料斗排料口通
过管道分别与双层下行式流化床反应器下层进料口和生物质燃烧炉进料口连接；
[0027]双层下行式流化床反应器下层进料口管路上安装生物质进料风嘴，上层排料口与第二旋风分离器进料口连接，第二旋风分离器顶部排出合成气，第二旋风分离器底部排料口通过第一返料阀再与双层下行式流化床反应器上层连接，双层下行式流化床反应器上层的载氧体排料口与下层的载氧体进料口通过第二返料阀连接，双层下行式流化床反应器下层排料口与炭分离器通过第三返料阀连接；
[0028]炭分离器顶部排料口与生物质燃烧炉进料口连接，炭分离器底部排料口通过第四返料阀与快速流化床反应器底部进料口连接；
[0029]快速流化床反应器顶部排料口与第三旋风分离器进料口连接，第三旋风分离器顶部气体出口与气气混合换热器进气口连接，第三旋风分离器底部排料口通过第五返料阀与双层下行式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：以贫氧空气和烟气作为介质，用于生物质烘焙过程，并将烘焙生物质粉碎；S2：通过加热后的载氧体，将粉碎后的烘焙生物质热解，生成挥发份和半焦；S3：载氧体中的晶格氧或释放的分子氧和挥发份发生部分氧化反应，生成合成气，载氧体被还原；S4：分离被还原的载氧体和半焦；S5：通过空气氧化，为载氧体补充晶格氧与热量，使被还原的载氧体再生，得到加热后的载氧体和贫氧空气，所述贫氧空气用于所述S1中生物质烘焙过程的介质；S6：所述半焦和生物质烘焙过程中产生的挥发份直接燃烧，得到加热后的过热蒸汽和烟气，所述过热蒸汽用于发电、供热或作为流化介质，所述烟气用于所述S1中生物质烘焙过程的介质。2.根据权利要求1所述的耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法，其特征在于，所述步骤S1中贫氧空气和烟气经混合换热后作为烘焙过程的流化介质，所述流化介质的温度为220～300℃，氧气含量为1～10％。3.根据权利要求1所述的耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法，其特征在于，所述过热蒸汽作为流化介质时的温度范围为150～200℃，压力范围为0.12～0.15MPa。4.根据权利要求1所述的耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法，其特征在于，所述生物质原料为以木质纤维素为主要组分的农林废弃物或城市生活垃圾；被粉碎的烘焙生物质粒径为0.3～1.5mm。5.根据权利要求1所述的耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产方法，其特征在于，所述载氧体的粒径为0.1～0.3mm；所述载氧体为活性组分改性的天然矿石、活性组分改性的冶金固废或人工合成的过渡金属氧化物。6.一种耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产系统，其特征在于，包括：烘焙反应器、再生反应器、燃烧反应器、燃料反应器和炭分离器，其中：烘焙反应器设有进料口、进气口、生物质出口和挥发份出口，燃料反应器设有生物质入口、载氧体入口、蒸汽入口、合成气出口和载氧体出口，再生反应器设有载氧体入口、空气入口、载氧体出口和贫氧空气出口，燃烧反应器设有挥发份入口、生物炭入口、过热蒸汽出口和烟气出口，炭分离器设有载氧体入口、载氧体出口、空气入口和生物炭出口；烘焙反应器的生物质出口连接燃料反应器的生物质入口，烘焙反应器的挥发份出口连接燃烧反应器的挥发份入口；燃料反应器的载氧体出口连接炭分离器的载氧体入口；再生反应器的载氧体出口连接燃料反应器的载氧体入口，再生反应器的贫氧空气出口与燃烧反应器的烟气出口连接烘焙反应器的进气口；燃烧反应器的过热蒸汽出口连接燃料反应器的蒸汽入口；炭分离器的载氧体出口连接再生反应器的载氧体入口，炭分离器的生物炭出口连接燃烧反应器的生物炭入口。7.根据权利要求6所述的耦合生物质烘焙和化学链转化的多联产系统，其特征在于，包括：矩形喷动床反应器(1)、螺旋进料器(101)、气气混合换热器(102)、增压风机(103)、粉碎机(105)、料斗(106)、双层下行式流化床反应器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴志强，张榕江，杨伯伦，伍松，郭伟，张博，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：