本发明属于固体燃料制取富氢合成气技术领域，特别涉及多级循环流化床固体燃料制取富氢合成气的装置及方法。
背景技术：
进入21世纪以来，我国经济迅速发展，随之而来的是对能源需求和消耗的与日俱增。我国能源结构为“富煤、贫油、少气”，而煤炭的直接燃烧导致的环境问题日益突出。因此，传统能源的清洁化利用和发展可再生能源已成为我国能源战略的重要内容。
我国的褐煤等劣质煤的储量丰富，其水分和挥发分高但热值低，褐煤若不经过洗煤步骤，燃烧时会产生黑烟，利用较为清洁的煤气化技术，不仅得到高品质的合成气还免去洗煤流程。生物质是唯一可再生的碳源，相比于煤炭，生物质的燃料热值较低，但是挥发分高，更适于生物质进行气化转化成合成气等二次能源再进行利用；生物质气化是指利用气化剂在高温条件下通过热化学反应将生物质燃料转化为燃气的过程，将低品位的生物质转化为高品位的富氢合成气。
双流化床气化技术是一种较为新颖的气化技术，不仅具有一般流化床气化传热良好、燃料适应性强和气化强度大的优点，更因为将燃烧和气化过程进行解耦而大大提高了产品气中氢气的含量。一般形式的双流化床气化炉包括两个互相联通的流化床：一个吸热的气化室和一个放热的燃烧室，将固体燃料的干燥、热解、气化与燃烧过程进行解耦；气化室主要是以水蒸气为流化介质的鼓泡床，燃烧室一般是以空气或纯氧为流化介质的快速床；气化室产生的残焦随物料循环进入燃烧室，燃烧室燃烧所释放的热量则随着物料循环进入吸热的气化室，实现装置自供热。
但是，目前的双流化床生物质气化技术存在燃料在气化室内停留时间短而导致的碳转化率低、产品气中焦油含量高或装置复杂等问题，产气品质和燃料转化率、装置热效率均有待进一步提高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供多级循环流化床固体燃料制取富氢合成气的装置及方法，具体技术方案如下：
多级循环流化床固体燃料制取富氢合成气的装置包括内设竖直分隔板16的气化室12、燃烧室3，其中分隔板16上下开孔，将气化室12分为气化室高速区13、气化室低速区14；
气化室高速区13顶部设有第一合成气出口19-1，底部侧壁设置半焦出口17，底部中心设有第一气化剂入口9-1；气化室低速区14顶部设有第二合成气出口19-2，中部侧壁设有螺旋进料器10，底部侧壁设有半焦入口11，底部填装cao和/或caco3床料，底部中心设有第二气化剂入口9-2；
第一合成气出口19-1、第二合成气出口19-2管路汇总连接至气化室旋风分离器20入口，气化室旋风分离器20底部经气化室返料器21连接至半焦入口11，气化室旋风分离器20顶部连接至装有镍基催化剂的焦油裂解器22；半焦出口17经燃烧室下返料器18连接至燃烧室3底部；
燃烧室3底部设置空气入口2，顶部设置烟气出口4，空气入口2上方设有风帽型布风板；烟气出口4管路设有燃烧室旋风分离器5，燃烧室旋风分离器5底部经燃烧室上返料器6连接至半焦入口11，燃烧室旋风分离器5顶部连接至换热器7。
所述竖直分隔板16下设有风帽型布风板15，气化室高速区13和气化室低速区14的流化速度比为1.6:1。
所述换热器7高温水蒸气出口连接至第一气化剂入口9-1、第二气化剂入口9-2。
基于所述装置制取富氢合成气的方法包括：
燃料经螺旋进料器10进入气化室低速区14内与高温水蒸气发生气化反应，cao吸附气化产生的co2生成caco3并催化焦油裂解，生成的合成气经合成气出口进入气化室旋风分离器20气固分离，分离的caco3、焦炭经气化室返料器21返料至半焦入口11，分离的气体进入焦油裂解器22催化焦油转化；
气化室低速区14未反应的焦炭经过竖直分隔板16的下开孔进入气化室高速区13继续反应；气化室高速区13未能水蒸气气化的焦炭一部分经竖直分隔板16上开孔进入气化室低速区14，一部分和caco3自半焦出口17经燃烧室下返料器18进入燃烧室3燃烧；
燃烧室3焦炭高温燃烧生成的烟气经烟气出口4进入燃烧室旋风分离器5，分离的高温烟气经换热器7产生的高温蒸汽作为气化剂经第一气化剂入口9-1、第二气化剂入口9-2分别送至气化室高速区13、气化室低速区14，分离的cao和未燃尽焦炭经燃烧室上返料器6返料至半焦入口11。
所述燃料为生物质颗粒和/或煤颗粒，粒度≤8mm；气化室12内水蒸气与燃料的质量比为(0.8-1)：1，运行温度为700-800℃。
燃烧室3底部空气过量系数为1.1～1.2，燃烧室3运行温度为800-900℃。
上述装置和方法中，物料在装置内的内、外循环为：
(1)物料外循环：燃烧室3→燃烧室旋风分离器5→燃烧室上返料器6→半焦入口11→气化室低速区14→燃烧室下返料器18→燃烧室3；
(2)物料内循环：气化室低速区14→竖直分隔板16下开孔→气化室高速区13→竖直分隔板16上开孔→气化室低速区14；
(3)物料外循环副回路(气化室自循环)：气化室12→气化室旋风分离器20→气化室返料器21→气化室12；
(4)能量外循环：燃烧室旋风分离器5→换热器7→气化剂入口9-1、9-2→气化室12；
利用本发明所述装置制取富氢合成气，通过物料的内、外循环显著提高了燃料碳转化率、降低了合成气中焦油产量，且实现了床料的循环再生，装置中能量得到充分循环利用，主要体现在：
(1)燃料在气化室低速区14内快速热解产生的挥发分与焦炭相互作用促进焦油快速催化转化，焦炭与高温水蒸气发生气化反应，气化室低速区14产生的气体由顶部第二合成气出口19-2排出，由于大部分的挥发分与氢气由低速区顶部排出,挥发分和氢气对碳的水蒸气气化反应的抑制作用明显减弱,碳的水蒸气气化反应效率得到提高；
(2)气化室12中气化室高速区13、气化室低速区14两部分的不均匀布风，使得物料在气化室12内实现内循环，提高了气化室低速区14中上部碳含量，延长了燃料在气化室内的停留时间，提高了碳转化率和焦油的催化裂解效率；
(3)合成气焦油经cao和/或caco3床料催化裂解，综合焦油裂解器中镍基催化剂的进一步处理，合成气中焦油含量能够降至10-50mg/m3，所得富氢合成气中h2的体积分数为60％-75％；
(4)气化室12内cao吸附气化反应产生的co2生成caco3，caco3自半焦出口17经燃烧室下返料器18进入燃烧室3，燃烧室3内caco3高温分解产生co2与cao，cao自燃烧室上返料器6返料至半焦入口11，进而实现了cao和/或caco3床料的循环再生；cao在气化室12内起到了载热体、催化焦油裂解、选择性吸附co2三个作用；
(5)燃烧室3产生的高温烟气经换热器7回收热量生成高温水蒸气，用作气化室12气化剂；气化室12产生的富氢合成气不仅能够作为燃料电池、燃气轮机、内燃机的能源供给，还可以作为石油化工的原料气。
本发明的有益效果为：
本发明提供的装置热效率、碳转化率高，合成气中焦油含量能够降至10-50mg/m3，所得富氢合成气中h2的体积分数达到60％-75％，即合成气品质得到显著提高；由于采用流化床技术，原料适应性强且操作简单，不仅适合单一原料进料反应，也适用于生物质和低质煤的混合进料反应，易于工业化推广。
附图说明
图1为本发明提供的多级循环流化床固体燃料制取富氢合成气的装置结构图；
标号说明：1-风机、2-空气入口、3-燃烧室、4-烟气出口、5-燃烧室旋风分离器、6-燃烧室上返料器、7-换热器、8-水泵、9-1-第一气化剂入口、9-2-第二气化剂入口、10-螺旋进料器、11-半焦入口、12-气化室、13-气化室高速区、14-气化室低速区、15-风帽型布风板、16-竖直分隔板、17-半焦出口、18-燃烧室下返料器、19-1-第一合成气出口、19-2-第二合成气出口、20-气化室旋风分离器、21-气化室返料器、22-焦油裂解器。
具体实施方式
本发明提供了多级循环流化床固体燃料制取富氢合成气的装置及方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示的多级循环流化床固体燃料制取富氢合成气的装置，该装置包括风机1、空气入口2、燃烧室3、烟气出口4、燃烧室旋风分离器5、燃烧室上返料器6、换热器7、水泵8、第一气化剂入口9-1、第二气化剂入口9-2、螺旋进料器10、半焦入口11、气化室12、气化室高速区13、气化室低速区14、风帽型布风板15、竖直分隔板16、半焦出口17、燃烧室下返料器18、第一合成气出口19-1、第二合成气出口19-2、气化室旋风分离器20、气化室返料器21、焦油裂解器22。
气化室12为常压运行鼓泡流化床，内设上下开孔的竖直分隔板16，将气化室12分隔为气化室高速区13、气化室低速区14两部分；竖直分隔板16下设有风帽型布风板15，表观气速为0.35-0.55m/s，气化室高速区13、气化室低速区14的流化速度比为1.6:1，使得气化室12内燃料通过竖直分隔板16两侧的不均匀布风的压力差实现物料循环和能量循环。
气化室高速区13顶部设有第一合成气出口19-1，底部侧壁设置半焦出口17，底部中心设有第一气化剂入口9-1；气化室低速区14顶部设有第二合成气出口19-2，中部侧壁设有螺旋进料器10，底部侧壁设有半焦入口11，底部填装cao和/或caco3床料，底部中心设有第二气化剂入口9-2。其中，气化室高速区13、气化室低速区14所用气化剂为高温水蒸气，燃料为粒度≤8mm的生物质颗粒和/或煤颗粒；水蒸气与燃料的质量比为(0.8-1)：1，运行温度为700-800℃。
第一合成气出口19-1、第二合成气出口19-2管路汇总连接至气化室旋风分离器20入口，气化室旋风分离器20底部经气化室返料器21连接至气化室低速区的半焦入口11，气化室旋风分离器20顶部连接至装有镍基催化剂的焦油裂解器22，其中镍基催化剂为ni/α-al2o3；气化室高速区的半焦出口17经燃烧室下返料器18连接至燃烧室3底部。
燃烧室3为常压运行快速流化床，运行温度为800-900℃。燃烧室3下部设有风帽型布风板，表观气速为3.5-5m/s，底部设置空气入口2，顶部设置烟气出口4，空气入口2上方设有风帽型布风板，底部空气经风机1输送，底部空气过量系数为1.1～1.2。烟气出口4管路设有燃烧室旋风分离器5，燃烧室旋风分离器5底部经燃烧室上返料器6连接至气化室低速区的半焦入口11，燃烧室旋风分离器5顶部连接至换热器7，用于回收高温烟气余热，生成的高温水蒸气用作气化室高速区13、气化室低速区14的气化剂，其中冷水端水由水泵8输送。
基于图1所示装置制取富氢合成气的方法包括：
(1)气化室低速区14预先填充cao和/或caco3床料，燃料为粒度≤8mm的生物质颗粒和/或煤颗粒经经螺旋进料器10进入气化室低速区14；当气化室12被加热至700-800℃时，开始往气化室12内连续通入气化剂即高温水蒸气，固体燃料在气化室内与水蒸气发生气化反应，同时cao吸附气化产生的co2生成caco3催化焦油裂解；生成的气体分别经第一合成气出口19-1、第二合成气出口19-2进入气化室旋风分离器20进行气固分离，分离的caco3、焦炭经气化室返料器21返料至气化室低速区的半焦入口11，分离的气体进入焦油裂解器22催化焦油转化；
(2)气化室低速区14未反应的焦炭经过竖直分隔板16的下开孔进入气化室高速区13继续反应；气化室高速区13未能水蒸气气化的焦炭一部分随物料内循环经竖直分隔板16上开孔进入气化室低速区14，提高气化室低速区14中上部碳含量，促进焦油的催化转化；一部分随物料外循环和caco3自半焦出口17经燃烧室下返料器18进入燃烧室3燃烧。
(3)燃烧室3焦炭高温燃烧生成的烟气经烟气出口4进入燃烧室旋风分离器5，分离的高温烟气经换热器7产生的高温蒸汽作为气化剂经第一气化剂入口9-1、第二气化剂入口9-2分别送至气化室高速区13、气化室低速区14，分离的cao和未燃尽焦炭经燃烧室上返料器6返料至半焦入口11。
实施例1
利用图1所示装置处理生物质/褐煤混合燃料，混合燃料中生物质质量分数为80％，褐煤质量分数为20％，粒度均为8mm以下，混合燃料的收到基低位发热量为17.83mj/kg，混合燃料的处理量为200kg/h。
气化室12常压运行，温度为700℃，气化室气化剂高温水蒸气和燃料质量比为1:1，高温水蒸气流量为200kg/h，温度为300℃。燃料经过螺旋进料器10进入气化室低速区14，随后在气化室12内实现内循环，气化室高速区13部分未反应的焦炭通过燃烧室下返料器18进入燃烧室3燃烧，为气化室供热。进入燃烧室3内的焦炭质量流量35kg/h，燃烧室3常压运行，温度为900℃，过量空气系数为1.2，烟气流量为330nm3/h。
气化室12产生的合成气流量为210nm3/h，热值为14.5mj/m3，其中氢气体积分数为72％。