本发明涉及一种制取高热值煤气的装置及其制备方法，具体来说，涉及一种基于双流化床生物质热解制备高热值煤气的装置及其制备方法。
背景技术：
当前，人类面临经济增长和环境保护的双重压力，改变能源的生产和消费方式，用现代技术开发利用包括生物质能在内的可再生能源，对建立可持续发展的能源系统，促进社会经济发展和生态环境改善以及摆脱对化石能源的依赖具有十分重要的意义。
生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一，包括能源林木、能源作物、水生植物、各种有机废物等等，它们通过光合作用转化而成的可再生能源资源，是太阳能的有机储存，生物质能是地球上最普遍的一种可再生能源，数量巨大，是仅次于煤、石油、天然气而列第四位的能源。据估计，地球每年水、陆生物质产量的热当量为3×1021J左右，是全球目前总能耗的10倍。我国生物质资源相当丰富，仅各类农业废弃物(如秸秆等)的资源量每年为3.08亿吨标准煤，薪材资源量为1.3亿吨标准煤，加上粪便、城市垃圾等，资源总量可达6.5亿吨标准煤。
目前对于生物质能的利用有多种方式，包括生物质燃烧技术、生物质气化技术、生物质热解技术、生物质直接液化技术、生物燃料乙醇技术、生物柴油制备技术、生物制氢技术、沼气技术等，其中生物质气化是一种重要的生物质能转换方式。生物质具有挥发组分含量高、炭活性高、硫、氮和灰的含量低等特性，是一种理想的气化原料。
生物质气化是指生物质原料经加工处理后，在气化炉中与气化剂反应气化裂解，得到可燃气体，根据需要对产出气进一步净化处理得到所需的产品气。其原理是在气化介质的作用下，生物质发生热解、氧化、还原、重整反应，热解过程中伴有焦油的生成，焦油可进一步热裂解或催化裂解成小分子碳氢化合物，从而获得氢气、一氧化碳、甲烷等可燃气体。
目前国内所采用的生物质气化炉一般为固定床气化炉或流化床气化炉。但其中固定床气化炉应用较少，因为其有生产能力小，焦油产量大，气化效率低等诸多缺点，而流化床气化炉成为了生物质气化的首选炉型，因为其气化效率高、原料适应性广、可大规模工业化运用以及合成气焦油含量相对较低。
投入运行的生物质气化装置存在的主要问题有结构复杂，运行成本高，气化效率低，生物质适应性差，但最大的问题还是在于焦油产量大，二次污染严重。为了使焦油裂解，常规做法是采用两步法，就是生物质先经过流化床气化炉气化生成热解气，然后再通过催化重整和焦油裂解使产品气转化为合成气，热解和重整是在两个串联的反应器内进行的。
技术实现要素：
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于双流化床生物质热解制备高热值煤气的装置及方法，利用该装置制备高热值煤气，同时减少焦油的产量，减少床内管道堵塞情况，延长设备使用寿命，同时焦油因热裂解和催化裂解产生的一氧化碳和氢气可以提高产品煤气的热值，因而也提高了生物质的气化效率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明基于双流化床生物质热解制备高热值煤气的装置采用的技术方案如下：
重整旋风分离器的上部通过重整流化床与鼓泡流化床连通，鼓泡流化床的下部通过第二U型返料器与煅烧流化床的下部连联通，煅烧流化床的上部连接煅烧旋风分离器，煅烧旋风分离器的下部连接储料罐，储料罐的下部设有第三U型返料器同时与重整流化床的下部连通；重整旋风分离器的下部通过第一U型返料器与鼓泡流化床连通；料斗的下部接螺旋给料器，螺旋给料器的输出端接鼓泡流化床的内腔；
重整旋风分离器的顶部设有合成气出口接焦油裂解器，煅烧旋风分离器的顶部设有烟气出口接空气预热器，空气预热器中空气预热管的进口输入空气，出口接焦油裂解器；所述的鼓泡流化床的底部设有水蒸气入口和排渣管，第二U型返料器的下部设有第二排渣管，煅烧流化床的底部设有空气入口和第三排渣管。
所述的鼓泡流化床内的底部设有风帽型布风板。
本发明热解制备高热值煤气的方法包括以下过程：
向料斗中投入生物质原料，生物质原料由螺旋给料器送入预装有石灰石的鼓泡流化床中，同时，向鼓泡流化床底部的水蒸气入口通入水蒸气，当鼓泡流化床被加热至750—850℃时，生物质原料在鼓泡流化床内热解气化，生成热解气和固体残渣，热解气中包含一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷和焦油，固体残渣包含焦炭，热解气上升至重整流化床中，加热重整流化床，使重整流化床的温度保持在900℃，固体残渣沉积在鼓泡流化床的底部，固体残渣和石灰石经第二U型返料器进入煅烧流化床中，加热煅烧流化床，使煅烧流化床内的温度保持在950℃，向煅烧流化床的空气入口通入空气，固体残渣中的焦炭与氧气燃烧，放出大量的热量，使石灰石中的碳酸钙分解为固体颗粒氧化钙和气体二氧化碳，在煅烧流化床的顶部，碳酸钙完全分解为氧化钙和二氧化碳，形成气固两相产物，该气固两相产物经煅烧旋风分离器分离后，烟气进入空气预热器预热进入焦油裂解器的空气，氧化钙通过储料罐，经第三U型返料器返回到重整流化床的下部，在重整流化床中，热解气携带氧化钙上升，氧化钙吸收热解气中的二氧化碳，形成碳酸钙，促进水煤气变换反应和甲烷重整反应，同时，氧化钙、氧化镍等作为焦油裂解的催化剂，焦油催化裂解生成氢气和一氧化碳气体，重整流化床高温促使焦油产生热裂解，催化裂解和热裂解促使焦油产量减少，从而减少管道堵塞情况，延长设备维护周期，提高生产效率；热解气在重整流化床内重整后得到重整气，重整气经重整旋风分离器气固分离后，重整旋风分离器分离出的碳酸钙经第一U型返料器送回到鼓泡流化床中，实现载热体循环利用，从重整旋风分离器的合成气出口排出气体为合成气，进入焦油裂解器通过高温使残余焦油进一步裂解，最终得到煤气。
重整流化床受到鼓泡流化床的预热，温度达到900摄氏度左右，使内部焦油产生高温热裂解，同时由于存在氧化钙、氧化镍等化合物，催化焦油发生催化裂解反应，两种裂解反应促使床内焦油产量减少，从而减少管道被焦油堵塞情况，并且焦油裂解后可以产生额外热量。
煅烧旋风分离器分离出的高温烟气可用于空气预热器预热空气，重整旋风分离器分离出的合成气富含大量高热值的氢气、一氧化碳等气体，焦油裂解器可以进一步的去除焦油，生产出高热值煤气，并可用于燃气轮机、柴油机发电，供暖供热，从而实现热电气联供。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)减少焦油的产量，提高合成气的热值，提高生物质气化效率。在本发明装置中，重整流化床内，焦油被载热体颗粒氧化钙以及氧化镍催化裂解，分解出氢气和一氧化碳等可燃气体，同时被高温热裂解出氢气和一氧化碳，促使焦油产量减少，从而减少管道堵塞情况，延长设备维护周期，提高生产效率，并且氢气等可燃气体增多使得煤气热值提高，整体的气化效率提高。
(2)实现了载热体催化剂的循环再生。以石灰石载热体为例，在煅烧流化床中，焦炭燃烧的热量使得石灰石主要成分碳酸钙在高温下分解为CaO和CO2，CaO携带热量进入重整流化床反应器中，为重整反应提供热量。在此过程中，CaO吸收热解气中的CO2，促进水煤气变换反应CO+H2O＝H2+CO2和甲烷重整反应，同时CaO作为催化剂使热解产生的焦油迅速发生催化裂解，生成H2和CO等小分子气体，使热解气中的焦油含量降低，合成气的产量大大提高。CaO在吸收了CO2后重新生成CaCO3，返回到流化床气化炉内，实现了载热体催化剂的循环利用。
(3)实现了生物质能的分级转化。在本发明中，生物质原料先在热解流化床内气化得到热解气、焦油和焦炭。焦炭进入煅烧流化床内燃烧，其热量转化给载热体，载热体将这部分热量返回到重整流化床，给焦油裂解和热解气重整提供所需热量。另外，焦炭进入煅烧流化床内燃烧，提高了除尘率，可明显减少合成气中灰尘、炭颗粒等杂质。气化生成的热解气后续再经过重整处理，降低了对气化过程的要求。
(4)与常规的生物质制取合成气的方法相比，本发明便于实现热量的集成。在本发明中，焦炭在煅烧流化床内燃烧生成的热量，将通过载热体提供给热解气，为热解气的重整以及其中焦油裂解反应提供条件。这就使原本难处理的焦炭得到充分利用。
(5)实现了热电气联供。本装置在利用生物质能的同时，输出了高热值的合成气和高温烟气，其中高热值的合成气可用于燃气轮机或柴油机发电、供暖等，以及生产出高热值的产品煤气，高温烟气可以加热水蒸气，用于蒸汽轮机发电，预热流化床所需空气，节能减排。
(6)实现了分布式能源系统的应用。该装置适用场景多，与集中式能源系统形成互补，帮助解决分散以及偏远地区的能源供应问题，床料来源广泛且多为没有实际使用价值的废弃物，减少环境污染的同时也减轻了能源紧张问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中有：重整旋风分离器1、重整流化床2、料斗3、第一U型返料器4、螺旋给料器5、风帽型布风板6、鼓泡流化床7、第一排渣管8、第二排渣管9、第三排渣管10、第二U型返料器11、煅烧流化床12、第三U型返料器13、储料罐14、煅烧旋风分离器15、空气预热器16和焦油裂解器17。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施方案一：
如图1所示，本发明的一种基于双流化床生物质热解制备高热值煤气的装置，包括重整旋风分离器1、重整流化床2、料斗3、第一U型返料器4、螺旋给料器5、风帽型布风板6、鼓泡流化床7、第一排渣管8、第二排渣管9、第三排渣管10、第二U型返料器11、煅烧流化床12、第三U型返料器13、储料罐14、煅烧旋风分离器15、空气预热器16和焦油裂解器17。鼓泡流化床7的底部设有水蒸气入口。煅烧流化床12的底部设有空气入口。重整旋风分离器1的顶部设有合成气出口。煅烧旋风分离器15的顶部设有烟气出口。第一U型返料器4的下部设有第一返料空气入口。第一返料空气入口中通入空气，作为回料风，促进返料过程的进行。第二U型返料器11的下部设有第二返料空气入口。第二返料空气入口中通入空气，作为回料风，促进返料过程的进行。第三U型返料器13的下部设有第三返料空气入口。第三返料空气入口中通入空气，作为回料风，促进返料过程的进行。料斗3的出料口与螺旋给料器5的进料端相连，螺旋给料器5的出料端位于鼓泡流化床7的内腔，鼓泡流化床7的下部通过第二U型返料器11与煅烧流化床12的下部相连通，煅烧流化床12的上部与煅烧旋风分离器15的上部相连通，煅烧旋风分离器15的下部通过第三U型返料器13与重整流化床2的下部相连通，重整流化床2的上部与重整旋风分离器1的上部相连通，重整旋风分离器1的下部通过第一U型返料器4与鼓泡流化床7的下部相连通。
进一步，所述的基于双流化床生物质热解制备高热值煤气的装置，还包括风帽型布风板6，风帽型布风板6固定在鼓泡流化床7内侧的底面上。设置风帽型布风板6，可以布风均匀，使鼓泡流化床7中生物质原料与水蒸气均匀混合，建立良好的流化状态，同时，风帽定向吹动的作用，有利于焦炭及石灰石经第二U型返料器11进入煅烧流化床12中。
上述基于双流化床生物质热解制备高热值煤气的装置制备合成气的方法，包括以下过程：
向料斗3中投入生物质原料，将生物质原料由螺旋给料器5送入预装有石灰石的鼓泡流化床7中，同时，向鼓泡流化床7底部的水蒸气入口通入水蒸气，当鼓泡流化床7被加热至750—850℃时，生物质原料在鼓泡流化床7内热解气化，生成热解气和固体残渣，热解气中包含一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷和焦油等产物，固体残渣包含焦炭，热解气上升至重整流化床2中，加热重整流化床2，使重整流化床2的温度保持在900℃，固体残渣沉积在鼓泡流化床7的底部，固体残渣和石灰石经第二U型返料器11进入煅烧流化床12中，加热煅烧流化床12，使煅烧流化床12内的温度保持在950℃，向煅烧流化床12的空气入口通入空气，固体残渣中的焦炭与氧气燃烧，放出大量的热量，使石灰石中的碳酸钙分解为固体颗粒氧化钙和气体二氧化碳，在煅烧流化床12的顶部，碳酸钙完全分解为氧化钙和二氧化碳，形成气固两相产物，该气固两相产物经煅烧旋风分离器15分离后，氧化钙经第三U型返料器13返回到重整流化床2的下部，在重整流化床2中，热解气携带氧化钙上升，氧化钙吸收热解气中的二氧化碳，形成碳酸钙，促进水煤气变换反应和甲烷重整反应，同时，氧化钙、氧化镍等作为焦油裂解的催化剂，焦油催化裂解生成氢气和一氧化碳气体，重整流化床2高温促使焦油产生热裂解，催化裂解和热裂解促使焦油产量减少，从而减少管道堵塞情况，延长设备维护周期，提高生产效率，热解气在重整流化床2内重整后得到重整气，重整气经重整旋风分离器1气固分离后，重整旋风分离器1分离出的碳酸钙经第一U型返料器4送回到鼓泡流化床7中，实现载热体循环利用，从重整旋风分离器1的合成气出口排出气体为合成气。
上述装置，生物质经干燥后由螺旋给料器5送入鼓泡流化床7内，和水蒸气发生反应，热解气化，产生的热解气上升至重整反应床内，提高重整反应器温度，促进焦油热裂解反应，减少焦油产量，同时产生的氢气和二氧化碳可以提高合成气热值；热解后的固体残渣主要为焦炭，焦炭和载热体碳酸钙经返料器进入煅烧流化床12内；煅烧流化床12通入氧气，使焦炭在氧气中燃烧放热，为碳酸钙的分解提供热量，碳酸钙分解为氧化钙和二氧化碳，经煅烧旋风分离器15气固分离，烟气排出，氧化钙颗粒则返回到重整反应床的下部，在热解气气流的夹带作用下上升，氧化钙一方面吸收二氧化碳生成碳酸钙，另一方面促进焦油的裂解，提高重整气的热值，重整气经气固分离得到合成气，再生的碳酸钙颗粒返回到鼓泡流化床7内循环使用；利用一部分制取的合成气显热可为生物质干燥提供热量。
上述方法中，选用石灰石作为载热颗粒，在煅烧流化床12中分解升温，为重整流化床7中的反应提供热量，并促进水煤气变换反应、甲烷重整反应以及焦油裂解反应，继而再生，实现循环使用。载热颗粒也可选择Ni/Al2O3或Ca/Al2O3。
实施方案二：
如图1所示，本发明的一种基于双流化床生物质热解制备高热值煤气的装置，包括重整旋风分离器1、重整流化床2、料斗3、第一U型返料器4、螺旋给料器5、风帽型布风板6、鼓泡流化床7、第一排渣管8、第二排渣管9、第三排渣管10、第二U型返料器11、煅烧流化床12、第三U型返料器13、储料罐14、煅烧旋风分离器15、空气预热器16和焦油裂解器17。
由实施方案一可知，从煅烧旋风分离器15和重整旋风分离器1分离出来高温烟气和高热值合成气后。高温烟气可以送入锅炉中加热受热面中的工质(水或水蒸气)，分担锅炉部分的能量来源，从而可以达到节能减排的目的节能减排，被加热后的工质可以送入蒸汽轮机中发电，而高温烟气可继续进入空气预热器16中预热即将进入煅烧流化床12的空气，为煅烧流化床12的燃烧提供额外热量，同时高温烟气在进行多次换热后温度也有所下降，经过除尘器排放后，所带来的危害以及污染也被大大降低。高热值合成气在经过除尘器后可以作为高热值产品煤气出售或使用，也可以送入燃气轮机中进行发电，其中产生的高温气体可以用于供热供暖。综上所述，便可以实现在同一装置中的热电气联产联供，实现了生物质能的高效利用，不仅解决了废气生物质的处理问题，同时也可以帮助减轻能源紧张问题，实现资源循环利用。
实施方案三：
如图1所示，本发明的一种基于双流化床生物质热解制备高热值煤气的装置，包括重整旋风分离器1、重整流化床2、料斗3、第一U型返料器4、螺旋给料器5、风帽型布风板6、鼓泡流化床7、第一排渣管8、第二排渣管9、第三排渣管10、第二U型返料器11、煅烧流化床12、第三U型返料器13、储料罐14、煅烧旋风分离器15、空气预热器16和焦油裂解器17。
该装置结构简单，搭建方便，且搭建规模可根据实际需求进行改变，适用于多种场景场地，床料来源广泛，可以是农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质，是可靠的分布式能源系统，可以与集中式能源系统形成互补，帮助解决分散以及偏远地区的能源供应问题。