本发明属于生物质和煤热解气化分级利用技术领域，具体涉及生物质和低阶煤气化-闪速热解分级利用实现合成气和焦油联产的方法。
背景技术：
我国是一个以煤炭为主要能源结构的国家，在未来很长一段时间内不会改变，据统计，我国的一次能源消费结构中，煤炭达到了66％。随着石油资源的日益紧缺，有效利用煤炭资源已成为我国能源可持续发展的一项策略。我国低阶煤储量占煤炭资源总量的55％以上，但其含水分高、煤化程度低，直接燃烧的效率低，不仅浪费资源而且污染环境，造成了酸雨、pm2.5，以及sox和nox等温室气体的排放。因此，以减少污染为目的的煤炭转化技术受到了极大的重视。在众多的煤炭利用技术中，煤气化是煤炭能源转化的基础技术，也是煤化工发展中最重要的工艺过程。实现煤炭的高效洁净利用是我国实现能源可持续发展的关键，也是解决全球面临的能源和环境问题的有效途径。
生物质主要有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特点，并且是唯一可以同时转化为气体、液体和固体燃料的可再生资源。相比煤炭，其结构较为疏松，氢、氧等元素的含量也较高，热解可产生富氢气体或丰富的焦油，且生物质的气化反应活性也相对较高。据报道，生物质与煤炭共气化或共热解过程中，还存在一定的协同作用，因此，生物质与煤共热解或共气化不仅克服了两者单独气化或热解过程中的一些问题，而且提高了气化或热解的效率，是一种非常经济、环保的能源利用方式。
煤或生物质气化制合成气，能够进而合成出多种化工产品(如甲醇、乙烯、丙烯等)，是热化学转化技术中最具发展情景的技术。另外生物质闪速热解，可以获得大量的生物质油，能降低对环境的污染和提高资源的利用双重效果，研究发现，生物质油是极好的液体燃料和化工产品原料，因此，生物质制油技术也同样受到了广泛的关注。
传统的生物质或煤气化制合成气工艺，通常采用空气-水蒸气、空气、空气-二氧化碳等作为气化介质，于高温条件下与原料进行气化反应，从而获得合成气，其能保证连续生产的同时，且处理效率较高。但是由于生成的气体中多夹杂焦油，一般需要后续设备来处理焦油和重整合成器等问题，致使操作繁琐，流程复杂。而传统的生物质闪速热解制油通常是指在生物质完全缺氧或有限供氧的条件下热解，其热解产物以可冷凝气体为主，最后冷凝变成生物质油，其制油工艺过程简单、液体产物收率高，但在该工艺过程中需要配套热源以供原料热解所需的热量。在现有技术中通常采用加热后的沙粒等物质作为热载体，供给原料热解所需的热量。但是，热载体的加入，不但增大了原料成本，同时也给后续分离处理带来了诸多困难，使得整个工艺流程的操作变得繁琐，且存在对设备造成磨损、动力消耗大等问题。
为解决上述传统工艺中的困难，中国发明专利cn102504842a提出了一种热解-气化-燃烧三流化床装置，旨在实现合成气-焦油联产，但该工艺热解装置采用鼓泡床反应器，中低阶煤在该反应器中停留时间分布广，且停留时间较长，降低了对目标产物焦油的选择性，不利于高品质焦油的生成。日本东京大学(chemicalengineeringjournal,164(2010)221-229；chemicalengineeringscience,66(2011)4212-4220)提出了气化热解分级利用工艺，实现了对热解时间的精确控制，同时在气化炉前实现了热解气固产物分离，避免了挥发分对半焦气化制合成气的抑制作用，但该工艺采用石英砂作为载热物质，导致设备严重磨损。
现有的热解-气化分级利用技术虽然从一定程度上解决了传统气化制合成气以及热解制油的缺点，但是由于工艺流程限制，致使焦油的产率明显降低，或由于外加热载体的原因，致使能耗过大、设备受损等问题出现。因此，如何进一步提高焦油产率、合理运用或简化热载体，实现真正意义上的合成气-焦油联产成为热解-气化分级利用技术的发展关键。
技术实现要素：
本发明所解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种适用于生物质与低阶煤高效利用的气化-热解分级利用方法，简化了现有技术对热载体的依赖，并且大大提高了焦油的产率，实现了合成气-焦油联产。
为解决技术问题，本发明提供了一种生物质和低阶煤气化-闪速热解分级利用方法技术方案如下：
一种生物质和低阶煤气化-闪速热解分级利用方法，其特征在于原料a生物质与煤的混合物通过给料设备进入热解炉1，并与来自气化炉4的高温循环半焦颗粒混合，原料被高温循环半焦颗粒所携带的热量快速加热，并在惰性气氛b下，实现快速热解，析出挥发分并生成热解半焦颗粒；热解生成的挥发分及半焦颗粒通过第一气固分离设备2进行分离，其中气体被送入冷凝器3中进行快速冷凝，并生成以生物质油c为主的高品质焦油，而热解半焦颗粒则经分离后被送入气化炉4，并与气化剂d发生气化反应，形成大量的合成气及高温循环半焦颗粒。气化生成的合成气e及高温循环半焦颗粒通过第二气固分离设备5进行分离，其中高温循环半焦颗粒则经分离后进入热解炉1，合成气e经分离后被送入气体净化装置6净化、加工后作为化工原料。
所述的原料煤为生物质和煤的混合物，其中原料煤为低阶劣质煤，原料生物质为草本或木本的园林废弃物。
所述的原料煤和生物质的混合物粒径均小于1mm，以利于闪速热解过程中挥发分释放彻底。
所述的原料煤与生物质的质量配比为2-4:10。
所述的热解炉1温度为500-650℃，压力为常压。
所述惰性气氛b选自氮气或氩气中的一种。
所述的热解炉1采用闪速热解技术，其炉内线速为20-30m/s，颗粒在炉内停留时间0.60-1s。
优选地，热解炉1采用闪速热解技术，其炉内线速为25-28m/s，颗粒在炉内停留时间0.7-0.8s。
所述的生物质和低阶煤气化-闪速热解分级利用方法中，挥发分通过第一气固分离设备2后进入冷凝器3快速冷凝成为液体。为防止可冷凝气体发生二次热解而变成不可冷凝气体，因此，冷凝器采用喷淋式冷凝器。
所述的气化炉4温度700-850℃，压力4mpa-6.5mpa。
所述的气化炉4中气化剂为氧气和水蒸气的混合物，其中氧气占总量的15-20％。。
本发明的优点简介
本发明将气化和闪速热解耦合于一体，在热解炉进行闪速热解，在气化炉中进行热解半焦颗粒的气化反应，并且通过气化后的高温循环半焦颗粒作为载热体，循环进入到热解炉中作为闪速热解的热源，降低了整个循环系统的能耗，也节省了传统工艺外加载热体的成本。循环系统的原料采用低阶煤与生物质的混合物，通过两者的合理配比在确保煤与生物质在热解及气化过程中的协同效应，提高了碳转化率(达98％)的同时，也解决了低阶劣质煤难以利用的现状。
采用本发明的技术方案通过低阶煤和生物质混合物气化和闪速热解分级利用的设置，并且热解炉高线速、颗粒短停留、产品气快速冷却的工艺下，实现了真正意义上的合成气与焦油联产。可使产品中焦油产率高达46％，气体产品中有效气h2+ch4+co的含量达67％，且碳转化率高达98％，同时具有气化强度大、能量利用率高、低污染等特点，很大程度上降低了生产成本，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的生物质和低阶煤气化-闪速热解分级利用的示意图。
图中，1-热解炉；2-第一气固分离设备；3-冷凝器；4-气化炉；5-第二气固分离设备；6-气体净化装置。a-原料；b-惰性气氛；c-生物质油；d-气化剂；e-合成气。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详述本发明的特点。
【实施例1】
将生物质和褐煤配比为10:2的混合物，通过给料设备被送入热解炉1，与来自气化炉4并经第二气固分离设备5分离后的高温循环半焦颗粒混合，原料生物质和低阶劣质煤的混合物(粒径<1mm)被高温循环半焦所携带的热量迅速加热，在氮气气氛下发生热解脱挥发分反应，生成热解气以及热解半焦。热解气以及热解半焦通过第一气固分离设备2进行分离，其中热解气被送入冷凝器3中进行快速冷凝，热解炉运行温度控制为500℃，线速为30m/s。因此，热解气中多为可冷凝气体，经快速冷凝后获得以生物质油为主的高品质焦油，其焦油产率高达44％。而热解半焦经分离后被送入气化炉4，与气化剂(氧气+水蒸气)发生气化反应，形成大量的合成气及高温循环半焦。气化炉运行温度通过调节气化剂中的氧气含量控制，氧气含量控制为15％左右时，气化炉运行温度为700℃。气化生成的合成气及高温循环半焦再经由第二气固分离设备5进行分离，其中合成气经分离后送入气体净化装置6净化、加工。当气化炉运行压力为4.0mpa，其合成气有效组分h2、co以及ch4含量分别为42.3％、18.9％、5.1％。而高温循环半焦则经由第二气固分离设备5分离后被送入热解炉1中继续与原料生物质与煤的混合物进行热解反应，并且由于煤与生物质在热解及气化反应中均存在协同作用，整个循环反应系统的碳转化率达96％。
【实施例2】
将生物质和褐煤配比为10:2的混合物，通过给料设备被送入热解炉1，与来自气化炉4并经第二气固分离设备5分离后的高温循环半焦颗粒混合，原料生物质和低阶劣质煤的混合物(粒径<1mm)被高温循环半焦所携带的热量迅速加热，在氮气气氛下发生热解脱挥发分反应，生成热解气以及热解半焦。热解气以及热解半焦通过第一气固分离设备2进行分离，其中热解气被送入冷凝器3中进行快速冷凝，热解炉运行温度控制为650℃，线速为30m/s。因此，热解气中多为可冷凝气体，经快速冷凝后获得以生物质油为主的高品质焦油，其焦油产率达41％。而热解半焦经分离后被送入气化炉4，与气化剂(氧气+水蒸气)发生气化反应，形成大量的合成气及高温循环半焦。气化炉运行温度通过调节气化剂中的氧气含量控制，氧气含量控制为20％左右时，气化炉运行温度为850℃。气化生成的合成气及高温循环半焦再经由第二气固分离设备5进行分离，其中合成气经分离后送入气体净化装置6净化、加工。当气化炉运行压力为4.0mpa，其合成气有效组分h2、co以及ch4含量分别为39.9％、20.1％、6.3％。而高温循环半焦则经由第二气固分离设备5分离后被送入热解炉1中继续与原料生物质与煤的混合物进行热解反应，并且由于煤与生物质在热解及气化反应中均存在协同作用，整个循环反应系统的碳转化率达98％。
【实施例3】
将生物质和褐煤配比为10:2的混合物，通过给料设备被送入热解炉1，与来自气化炉4并经第二气固分离设备5分离后的高温循环半焦颗粒混合，原料生物质和低阶劣质煤的混合物(粒径<1mm)被高温循环半焦所携带的热量迅速加热，在氮气气氛下发生热解脱挥发分反应，生成热解气以及热解半焦。热解气以及热解半焦通过第一气固分离设备2进行分离，其中热解气被送入冷凝器3中进行快速冷凝，热解炉运行温度控制为500℃，线速为30m/s。因此，热解气中多为可冷凝气体，经快速冷凝后获得以生物质油为主的高品质焦油，其焦油产率达44％。而热解半焦经分离后被送入气化炉4，与气化剂(氧气+水蒸气)发生气化反应，形成大量的合成气及高温循环半焦。气化炉运行温度通过调节气化剂中的氧气含量控制，氧气含量控制为15％时，气化炉运行温度为700℃。气化生成的合成气及高温循环半焦再经由第二气固分离设备5进行分离，其中合成气经分离后送入气体净化装置6净化、加工。当气化炉运行压力为6.5mpa，其合成气有效组分h2、co以及ch4含量分别为37.5％、20.9％、8.3％。而高温循环半焦则经由第二气固分离设备5分离后被送入热解炉1中继续与原料生物质与煤的混合物进行热解反应，并且由于煤与生物质在热解及气化反应中均存在协同作用，整个循环反应系统的碳转化率达96％。
【实施例4】
将生物质和褐煤配比为10:4的混合物，通过给料设备被送入热解炉1，与来自气化炉4并经第二气固分离设备5分离后的高温循环半焦颗粒混合，原料生物质和低阶劣质煤的混合物(粒径<1mm)被高温循环半焦所携带的热量迅速加热，在氮气气氛下发生热解脱挥发分反应，生成热解气以及热解半焦。热解气以及热解半焦通过第一气固分离设备2进行分离，其中热解气被送入冷凝器3中进行快速冷凝，热解炉运行温度控制为500℃，线速为30m/s。因此，热解气中多为可冷凝气体，经快速冷凝后获得以生物质油为主的高品质焦油，其焦油产率高达37％。而热解半焦经分离后被送入气化炉4，与气化剂(氧气+水蒸气)发生气化反应，形成大量的合成气及高温循环半焦。气化炉运行温度通过调节气化剂中的氧气含量控制，氧气含量控制为15％左右时，气化炉运行温度为700℃。气化生成的合成气及高温循环半焦再经由第二气固分离设备5进行分离，其中合成气经分离后送入气体净化装置6净化、加工。当气化炉运行压力为4.0mpa，其合成气有效组分h2、co以及ch4含量分别为40.9％、19.8％、5.2％。而高温循环半焦则经由第二气固分离设备5分离后被送入热解炉1中继续与原料生物质与煤的混合物进行热解反应，并且由于煤与生物质在热解及气化反应中均存在协同作用，整个循环反应系统的碳转化率达95％。
【实施例5】
将生物质和褐煤配比为10:2的混合物，通过给料设备被送入热解炉1，与来自气化炉4并经第二气固分离设备5分离后的高温循环半焦颗粒混合，原料生物质和低阶劣质煤的混合物(粒径<1mm)被高温循环半焦所携带的热量迅速加热，在氮气气氛下发生热解脱挥发分反应，生成热解气以及热解半焦。热解气以及热解半焦通过第一气固分离设备2进行分离，其中热解气被送入冷凝器3中进行快速冷凝，热解炉运行温度控制为500℃，采用线速为25m/s。因此，热解气中多为可冷凝气体，经快速冷凝后获得以生物质油为主的高品质焦油，其焦油产率高达46％。而热解半焦经分离后被送入气化炉4，与气化剂(氧气+水蒸气)发生气化反应，形成大量的合成气及高温循环半焦。气化炉运行温度通过调节气化剂中的氧气含量控制，氧气含量控制为15％左右时，气化炉运行温度为700℃。气化生成的合成气及高温循环半焦再经由第二气固分离设备5进行分离，其中合成气经分离后送入气体净化装置6净化、加工。当气化炉运行压力为4.0mpa，其合成气有效组分h2、co以及ch4含量分别为41.6％、18.7％、5.1％。而高温循环半焦则经由第二气固分离设备5分离后被送入热解炉1中继续与原料生物质与煤的混合物进行热解反应，并且由于煤与生物质在热解及气化反应中均存在协同作用，整个循环反应系统的碳转化率达96％。
【比较例1】
将生物质和褐煤配比为10:2的混合物，通过给料设备被送入热解炉1，与来自气化炉4并经第二气固分离设备5分离后的高温循环半焦颗粒混合，原料生物质和低阶劣质煤的混合物(平均粒径为3mm)被高温循环半焦所携带的热量迅速加热，在氮气气氛下发生热解脱挥发分反应，生成热解气以及热解半焦。热解气以及热解半焦通过第一气固分离设备2进行分离，其中热解气被送入冷凝器3中进行快速冷凝，热解炉运行温度控制为500℃，线速为30m/s。因此，热解气中多为可冷凝气体，经快速冷凝后获得以生物质油为主的高品质焦油，其焦油产率高达29％。而热解半焦经分离后被送入气化炉4，与气化剂(氧气+水蒸气)发生气化反应，形成大量的合成气及高温循环半焦。气化炉运行温度通过调节气化剂中的氧气含量控制，氧气含量控制为15％左右时，气化炉运行温度为700℃。气化生成的合成气及高温循环半焦再经由第二气固分离设备5进行分离，其中合成气经分离后送入气体净化装置6净化、加工。当气化炉运行压力为4.0mpa，其合成气有效组分h2、co以及ch4含量分别为42.3％、18.9％、5.1％。而高温循环半焦则经由第二气固分离设备5分离后被送入热解炉1中继续与原料生物质与煤的混合物进行热解反应，并且由于煤与生物质在热解及气化反应中均存在协同作用，整个循环反应系统的碳转化率达90％。
【比较例2】
采用传统的鲁奇炉加压固定床气化装置，原料采用粒径为5-30mm褐煤，操作压力为3.0mpa，气化温度为850℃，线速<1.5m/s，出口气体组分中co+h2含量为61.0％，甲烷含量为8.3％，气化虽然也能得到一定量的焦油产品，但其产率仅为11％，且碳转化率仅为90％。
【比较例3】
采用中国科学院工程热物理研究所提出的热解气化联合装置，原料采用粒径<1mm的秸秆，气化温度为900℃，气化压力为4.0mpa，热解温度为850℃，线速<10m/s，出口气体组分中co+h2含量为58.4％，甲烷含量为7.0％，碳转化率为95％，但焦油产率仅为20％。