专利名称：一种三段式生物质热解气化制取合成气的气化装置的制作方法
技术领域：
本发明属于生物质能源化工技术领域，特别涉及一种三段式生物质热解气化制取合成气的气化装置。
背景技术：
生物质是通过光合作用而形成的各种有机体，它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，它分布广泛、可利用量大，是一种可再生能源，并且也是唯一一种可再生的含有碳氢组分和热能的、可储存的自然原料，利用生物质进行能源利用和化工生产，具有(X)2零排放的特征。随着传统化石能源储量的日益减少，以及由于使用化石能源带来的环境污染问题，重视和发展可再生、环保能源已成为各国政府的共识。通过热化学、生物化学等方法，能够将生物质转变为清洁的气体或液体燃料，生产合成柴油/汽油、化工产品以及满足电力需求等等，具有全面替代化石能源的潜力，成为世界各国优先发展的新能源。将生物质转变为清洁气体或液体燃料的方法很多，其中，生物质热化学转化技术与其它技术相比能够适应所有的生物质种类，且具有大型工业化生产的能力，易于规模化应用。生物质热解气化制备合成气(主要成分为压和CO气体)，进而合成液体燃料(如甲醇、乙醇、二甲醚、烯烃、柴油和石脑油等)是热化学转化技术中最具有发展前景的生物质能源资源化利用途径之一，受到了国内产业界和学术界前所未有的重视，并投入了大量的人力和物力进行相关的研究和开发，其中通过利用秸秆、稻壳、木柴等生物质原料通过高温热化学方法制备含有氢气和一氧化碳的合成气的技术已经得到广泛的研究。生物质热解气化制备合成气工艺中气化反应器是其核心设备。气化反应器的形式、结构、运行的工艺参数对产品合成气的品质有直接影响。因此，开发高效生物质热解气化装置制取高品质合成气，并经后续合成反应器转化为液态烃类、醇类和醚类等燃料，既可以缓解对国际原油市场的依赖，也可以减少国内传统化石能源的消耗，同时具有积极保护环境的社会效益。目前用于生物质气化的气化反应器(气化炉)大致可以分为三种固定床、气流床和流化床。固定床气化炉的结构简单，操作方便，操作模式灵活，但是炉中温度不均勻换热效果较差，出口合成气中含有大量焦油。气流床的运行温度较高，炉内温度比较均勻，焦油在气流床中裂解程度较高，但气流床气化对固体原料粒径的要求较高，进入气流床的原料需要磨成很细小的颗粒，这给含有大量纤维的生物质原料的研磨提出了另外一个技术难题。而流化床气化反应器由于热容量高、原料适应性强，可以处理高含水量物质。另外，它还具有较高的传热和传质速率。流化床内生物质颗粒可与床料充分接触、受热均勻、在气化反应器内呈沸腾燃烧状态、气化反应速度快、气化效率高、气化反应器内温度高且稳定，适于连续大规模生产，因此备受重视。但流化床反应器也存在对原料的物理特性很敏感，操作不易控制，运行温度一般也较低，出口合成气中焦油含量也相当可观，且产气中014和0)2含量较高，一般需要后续设备来处理焦油和重整合成气等问题，使得气化系统和装置变得比较复杂。
通过分段处理生物质原料以提高产气中合成气的浓度，降低产气中CH4和(X)2含量及降低焦油含量是解决流化床反应器制备高品质合成气要求的方法之一。生物质固体首先在300 600°C左右这种较低的温度下通过热裂解制备生物质高产率的焦炭(半焦)和裂解气体，然后将热解产生的焦炭(半焦)送往流化床气化反应器中与水蒸汽一起进行高温 (700 900°C )气化反应来制备粗合成气，未完全反应的焦油及制得的粗合成气再经过催化裂解(重整)床层进一步在催化剂的作用下发生焦油裂解及粗合成气重整反应来提高合成气的品质。把生物质通过热解、气化、催化裂解/重整分段反应转化为清洁的二次能源，可以取得双重的有效效果，一是可以解决环境污染问题，二是可以减少对石油煤炭资源的依赖， 为建设资源节约型社会和环境友好型社会起到积极作用。
发明内容
本发明的目的在是要克服现有生物质制备合成气技术的缺陷，提出一种简单、高效、节能的三段式生物质热解气化制取合成气的气化装置。本发明通过下述技术方案来实现本发明的主体为反应炉，采用圆柱形或方形结构，其内部上段热解炉膛为生物质热解反应室，主要以产焦炭为目的；下段气化炉膛为热解产物的水蒸汽流化气化室，主要发生焦炭(半焦)的水蒸汽气化反应，生成高品质合成气；而反应炉的中部炉膛设有环状的催化剂床层(催化裂解/重整反应室)，主要发生少量焦油的催化裂解及粗合成气的气体重整反应，以提高产气中合成气体的比例，降低焦油、甲烷和(X)2的含量。所述上段热解炉膛设有进料装置，上段热解炉膛与下段气化炉膛连通。下段气化炉膛底部设置有混合气进气口。 反应炉炉体上端设置有烟气出气口，烟气出气口连接有旋风分离器。反应炉外侧与上段热解炉膛、下段气化炉膛、催化剂床层对应分别设置有控温装置。所述上段热解炉膛设有的进料装置可以是生物质料斗连通螺旋进料器，螺旋进料器通过下段下料管与上段热解炉膛连通，并且在下料管的一侧设置有氮气进气管，保证生物质物料能在氮气流的作用下顺利下落到生物质热解室中。同时螺旋加料装置外部设置有水冷装置，以保证生物质物料在进料过程中不会被加热而提前发生热解反应，从而保证生物质物料进料的通畅。所述的上段热解炉膛中间段可设置一渐缩圆锥形管段，与上端管壁形成的夹角为 45°，以保证生物质物料在热解过程中顺利下落。所述的下段气化炉膛下端可设置有一锥形气体扩散区，且下段气化炉膛与锥形气体扩散区中间设置有多孔陶瓷布风板，锥形气体扩散区是为了保证从预热气体进气口进入的高温混合气能够沿锥形扩散区均勻扩散开来，多孔陶瓷布风板是为了使进入炉体的高温混合气体能够均勻分布，从而保证反应物料和流化介质能在气流的作用下均勻流化。锥形气体扩散区下部与混合气体预热室相通，混合气体预热室与混合气进气口相通，混合气体预热室外部设置有温控装置，通过设置控制温度，对通入的空气和水蒸汽进行混合预热，以保证后期水蒸汽气化反应顺利进行。所述的催化剂床层内可放置有固定焦油裂解及粗合成气催化重整催化剂的筛网， 以保证催化剂在反应过程中能稳定地放置于固定床中。所述催化剂可以是一种也可能是多种催化剂混合物。催化剂床层中优选使用含镍催化剂。本发明装置的生物质热解反应室、水蒸汽流化气化室、催化裂解/重整反应室设置在同一炉体中，但三段炉体侧面都安装有温度传感器和温控装置，在反应过程中，可以通过设置不同反应段的温度而分别对每一段进行控温，保证反应过程中热解、气化和催化裂解/重整过程相对独立且连续进行。本发明与其他生物质制备合成气的装置相比，具有以下优点和有益效果本发明结合生物质的热解特性、生物质焦炭(半焦)的气化特性、焦油的催化裂解及粗合成气的催化重整特性，将生物质热解气化制备合成气过程中的热解段、气化段、焦油及粗合成气的催化裂解(重整)过程分开，使各个反应阶段在同一装置中不同炉段相对分开且连续进行，简化了生物质制备合成气的实验系统。生物质经过低温热解、焦炭(半焦) 的高温水蒸汽气化、焦油催化裂解和粗合成气重整反应，大幅度降低焦油含量，降低产气中甲烷和CO2含量，产生适用于费托合成制备液体燃料的高品质合成气，达到清洁高效利用生物质能这一可再生能源。本发明简单、高效、节能、经济和工程实现性强，大幅度地提高了气化系统的气化效率、降低了有效合成气耗氧量、提高了整个系统的能量转化率和保证了系统的稳定性等。本发明装置具有控温方便，节能环保，运行连续，结构简单等优点，可利用秸秆、稻壳、锯末等生物质料热解制取高品质合成气。
图1是本发明的装置结构示意图。附图标记说明1、生物质料仓，2、螺旋进料器，3、进料器的下料管，4、上段热解炉膛，5、催化剂床层，6、下段气化炉膛，7、多孔陶瓷布风板，8、锥形气体扩散区，9、预热气体进气口，10、混合气(空气和水蒸汽)预热室，11、混合气进气口，12、烟气出口，13、温控装置， 14、温控装置，15、温控装置，16、烟气分离器(旋风分离器)，17、出灰斗。具体实施方法如图1所示，本发明的新型三段式热解气化制备合成气的装置，包括反应炉，反应炉的筒状炉衬由碳化硅材质或刚玉材质制成，反应炉包括上段热解炉膛[4]、下段气化炉膛 [6]和中段内侧环状催化剂床层[5]。在上段热解炉膛[4]上部设置有螺旋加料装置，螺旋加料装置包括生物质料斗[1]、螺旋进料器[2]和进料器的下料管[3]，进料管的下料管[3] 插入到热解气化装置的上段热解炉膛W]中，下料管[3]上设有氮气入口。上段热解炉膛 [4]中间段设置一渐缩圆锥形管段，与上端管壁形成的夹角为45°，以保证生物质物料在热解过程中顺利下落。上段热解炉膛[4]的下部与下段气化炉膛[6]相连通，气化炉膛[6] 底部设置有一锥形气体扩散区[8]，气化炉膛[6]与锥形气体扩散区[8]中间设置有开孔率在10 30%之间的多孔陶瓷布风板[3]，锥形气体扩散区[8]底部为预热气体进气口 [9]， 预热气体进气口 [9]与混合气体预热器[10]相连通，混合气体预热器[10]底部设置有一混合气进气口 [11]。热解气化反应装置炉体中段内侧设置有环状催化剂固定床层[5]，炉体上端右侧设置有烟气出气口 [12]，烟气出气口 [12]连接有旋风分离器[16]，旋风分离器上部设置有烟气排放口，下部设置有出灰斗[17]。热解气化装置外侧分别设置有三段控温装置[13]、[14]和[15]。
该装置运行时，由螺旋进料器[2]将生物质料仓[1]中的生物质经由其下端的下料管[3]加入到上段热解炉膛[4]中，在温控装置[13]的控制下进行低温热解反应，生物质低温热解的产物主要为生物质焦炭(半焦)和裂解气体。在氮气流的作用下，热解产物不断下行至下段气化炉膛W]中与混合气体预热器[10]中进来的水蒸汽混合气体发生高温水蒸汽气化反应，气化温度通过温控装置[15]来控制，混合气体进气流量通过质量流量计来控制，使炉内热解焦炭(半焦)及流化介质处于流化状态，使气化反应充分进行，而气体预热器[10]进来的预热气体通过多孔陶瓷布风板[7]进行布风，使进来的混合预热气体能够均勻分布。在此过程中，主要热解产物焦炭(半焦)进一步与水蒸汽发生水煤气反应生成粗合成气。而后热解气化后产生的少量焦油及制得的粗合成气再经由炉内侧环状催化剂床层[5]，在镍基催化剂的作用下且通过温控装置[14]进行控温，从而发生焦油催化裂解和粗合成气的水蒸气催化重整反应，生成不含焦油或焦油量很少的高品质合成气体。产生的气体携带未完全反应的少量焦炭和生物质灰渣一起通过烟气出口 [12]进入旋风分离器[16]中，通过旋风分离，将产生的气体与参与灰渣进行分离，使产生的气体得以净化，灰渣收集在出灰斗[17]中进行其他应用。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员，均可按以上所述和说明书附图所示而顺畅地实施本发明；但凡在不脱离本发明技术方案而作出的更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种三段式生物质热解气化制备合成气的装置，包括反应炉，其特征在于反应炉内部上段热解炉膛为生物质热解反应室，下段气化炉膛为热解产物的水蒸汽流化气化室， 而反应炉的中部炉膛设有环状的催化剂床层；所述上段热解炉膛设有进料装置，上段热解炉膛与下段气化炉膛连通，下段气化炉膛底部设置有混合气进气口 ；反应炉炉体上端设置有烟气出气口，烟气出气口连接有旋风分离器；反应炉外侧与上段热解炉膛、下段气化炉膛、催化剂床层对应分别设置有控温装置。
2.如权利要求1所述的三段式生物质热解气化制备合成气的装置，其特征在于所述上段热解炉膛设有的进料装置是生物质料斗连通螺旋进料器，螺旋进料器通过下段下料管与上段热解炉膛连通，并且在下料管的一侧设置有氮气进气管；同时螺旋加料装置外部设置有水冷装置。
3.如权利要求1所述的三段式生物质热解气化制备合成气的装置，其特征在于所述的上段热解炉膛中间段设置一渐缩圆锥形管段，与上端管壁形成的夹角为45°，以保证生物质物料在热解过程中顺利下落。
4.如权利要求1所述的三段式生物质热解气化制备合成气的装置，其特征在于所述的下段气化炉膛下端可设置有一锥形气体扩散区，且下段气化炉膛与锥形气体扩散区中间设置有多孔陶瓷布风板，锥形气体扩散区下部与混合气体预热室相通，混合气体预热室与混合气进气口相通，混合气体预热室外部设置有温控装置。
5.如权利要求1所述的三段式生物质热解气化制备合成气的装置，其特征在于所述的催化剂床层内放置有固定焦油裂解及粗合成气催化重整催化剂的筛网。
6.如权利要求1或5所述的三段式生物质热解气化制备合成气的装置，其特征在于 催化剂床层中使用含镍催化剂。
全文摘要
本发明提供了一种三段式生物质热解气化制取合成气的气化装置。主体为反应炉，采用圆柱形或方形结构，其内部上段热解炉膛为生物质热解反应室，下段气化炉膛为热解产物的水蒸汽流化气化室，而反应炉的中部炉膛设有环状的催化剂床层(催化裂解气化室)。所述上段热解炉膛设有进料装置，上段热解炉膛与下段气化炉膛连通。下段气化炉膛底部设置有混合气进气口。反应炉炉体上端设置有烟气出气口，烟气出气口连接有旋风分离器。反应炉外侧对应分别设置有控温装置。本发明简化了整个合成气制备的实验系统，提高了气化炉的产气率及合成气的品质，减少了产气中焦油的含量水平。本发明装置具有控温方便，节能环保，运行连续，结构简单等优点。
文档编号C10J3/48GK102329651SQ20111024908
公开日2012年1月25日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者刘阳生, 孔丝纺, 曾辉 申请人:北京大学深圳研究生院