一种生物质加压气化生产煤气的方法及设备与流程

本发明属于一种生产煤气的方法，特别涉及一种生物质加压气化生产煤气的方法及设备。

背景技术：

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，能源的供给能力密切关系着国民经济的可持续发展，是国家战略安全保障的基础之一。我国目前主要能源来自于煤、石油、天然气等化石能源，化石能源作为一次性能源，除了储存有限外，其利用时必然造成空气污染，大气变暖、海平面上升和酸雨等环境问题。从长远角度考虑，必须寻求一种或多种可再生的能源作为补充，多元化发展。生物质能是可再生且不会增加温室气体的低硫燃料，还可减少环境公害，燃料特性类似褐煤，借鉴年轻褐煤的利用经验，开发和使用生物质能源，符合循环经济的理念。

生物质经过气化，生产燃料气、合成液体燃料、合成化学品技术成为洁净有效的热化学转化技术，因此生物质气化已成为生物质能转化为高品质能源的主要途径之一。目前应用广泛的生物质气化技术主要有固定床气化和流化床气化。固定床气化一般以空气为气化剂，气化炉类型有开心式气化炉、横吸式气化炉、上吸式气化炉、下吸式气化炉，具有设备结构简单、易于操作等特点。流化床气化炉可分为鼓泡流化床气化炉、循环流化床气化炉和双流化床气化炉，具有受热均匀、焦油含量少等特点，这些技术目前均为常压或低压，气化压力不会超过1.0MPa，处理能力小，气化时候产生的焦油会对后续的设备造成堵塞和腐蚀，气化生产的合成气H₂/CO比值单一，含尘、含焦油的气化废水多等问题。

中国专利，专利号：201210493250.4公开了一种生物质固定床加压气化制备合成气的方法及其装置，气化压力仍然为低压，气化压力最高为0.6MPa，也没有解决气化过程产生的对设备造成堵塞和腐蚀问题，对合成气的H₂/CO比值也没有调节功能，甚至在气化过程中产生更多的含尘、含焦油的气化废水。

经检索，未发现以生物质为原料经固定床，在压力高于1.0MPa加压气化制备煤气的方法，特别是固定床加压气化生产不含油、有机硫和烃类物质的煤气技术。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述技术中的缺点和不足，提供一种不含油、有机硫和烃类物质的生物质加压气化生产煤气的方法及其设备。

为了达到上述目的，发明人首先通过对生物质原料特性和气化特征进行了大量的实验研究，然后通过大量的模拟计算和多年的工程设计经验，发明了一种生物质加压气化生产煤气的方法。

本发明提供的一种生物质加压气化生产煤气的方法，包括如下步骤：

(1)将生物质制备成粒径为12mm-80mm的物料，通过进料器加入气化炉，气化剂从气化炉底部进入气化炉进行气化，气化生成的含尘、油的煤气送入一体式油气裂解净化器进行裂解净化，气化灰渣与气化剂在气化器内换热后排出；

(2)含尘、油的煤气与氧气通过烧嘴部分燃烧，在裂解器燃烧腔中进行高温裂解，使粗煤气中的油、烃类物质、有机硫等裂解成小分子物质，然后进入净化器；

(3)在净化器的双层水夹套中通入循环水，并在净化器中装填1/3-2/3体积的多孔介质，用于回收裂解器中的热量和吸附煤气中的粉尘，回收热量后的煤气通过煤气通道从煤气出口引出，同时生产饱和蒸汽。

所述的生物质为农林废弃物，具有可磨性差、密度小、挥发分高、水分高、灰含量少、热值低、难成浆等特性，对于本发明而言，薪柴等木质生物质是最佳的气化原料。

所述生物质固定床加压气化技术是针对生物质原料特性和气化特征开发的固定床加压气化技术，该技术对入炉原料要求低，如：

(1)入炉原料为块状，粒度在12-80mm。生物质可磨性差、难成浆，但是很容易制成粒度在12-80mm的原料；

(2)对原料的水分、灰分、热稳定、挥发分、热值等方面没有严格限制，所以对于生物质密度小、挥发分高、水分高、灰含量少、热值低的富碳原料，也能气化；

(3)固定床加压气化技术操作是在灰熔点以下操作，干排灰，生物质灰中富碱金属和碱土金属的特性也不影响正常运行。

(4)所述的固定床加压气化技术操作条件：气化温度随生物质变，气化温度在750-1050度，气化压力1.0-6.0MPa，气化剂为多元混合气化剂，方便调控煤气组成，减少煤气水生成量。依据生物质原料特性和气化特性设计的生物质加压气化技术。

将粒径为12-80mm的生物质，通过进料器加入气化炉，气化剂从气化炉底部进入气化炉，气化剂的组成为蒸汽、氧气和二氧化碳组成的混合气体，蒸汽：氧气和二氧化碳的比值在2.0-9.0kg：1Nm³：0-6Nm³，气化压力在1.2MPa-6.0MPa之间，气化温度750-1050度。

裂解器燃烧腔的温度高于1300度，压力在0.8-5.6MPa，氧气与煤气按照体积比为1:6.0-10.0的比例通过烧嘴混合后以60m/s-70m/s的速度进入裂解器燃烧裂解，生成小分子物质。

裂解生成的小分子物质进入净化器，通过装填多孔介质时进行除尘，使出净化器粗煤气中尘含量达到5mg以下，产生的热量通过双层夹套回收，生产压力为0.6-5.0MPa的饱和蒸汽。

进入净化器3的多孔介质是催化剂、活性炭、焦炭或耐高温过滤材料。

为了达到本发明的目的，设计了一体式油气裂解净化器，它包括烧嘴，裂解器和净化器，烧嘴、裂解器和净化器耦合为一体，裂解器的顶端连接烧嘴，裂解器和净化器通过壳体连接为一体，上部为裂解器，下部为净化器。

烧嘴1设置有燃气进口，氧气进口，冷却水进口，冷却水出口和点火检查装置，从内到外，从上到下依次设置有燃气通道，第一冷却水通道，氧气通道和第二冷却水通道，燃气通道有燃气进口，第一冷却水通道有第一冷却水进口，第一冷却水出口，氧气通道有氧气进口，第二冷却水通道有第二冷却水进口，第二冷却水出口，在燃气通道内有点火检查装置，点火检查装置的点火端位于燃气和氧气混合处。

如上所述的烧嘴为组合式结构，保证烧嘴处于低温，扩大材料选择范围，延长烧嘴使用寿命，点火检查装置用于点火和检测点火情况，点火通过电弧点火，检测通过温控检查，具有结构简单，使用安全、方便的特点。

所述裂解器包括壳体和绝热保温层，壳体内壁有绝热保温层，壳体的下部为锥形结构，内腔为燃烧腔，底部采用缩口结构。

如上所述的裂解器的锥形结构、绝热保温层的设计，减少散热量，使燃烧腔温度可以达到1300℃以上，高温可以将煤气中烃类物质、焦油等富碳原料，有机硫等裂解为CO、CO₂、H₂和H₂S等小分子物质，同时消耗净煤气中的游离氧全部参与反应。

如上所述净化器是包括壳体和双层水夹套，双层水夹套上端面与绝热保温层锥形的斜面平行，并组成多孔介质通道，多孔介质通道上有多孔介质进口，在双层水夹套上端面向下有水夹套直段，水夹套直段与壳体形成净煤气通道，煤气出口位于净煤气通道顶部，壳体底端有废料排出口，双层水夹套的底部有水夹套给水口，顶部有蒸汽出口。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的一种生物质气化生产合成气的方法及设备，可以连续、稳定地利用生物质气化生产无焦油、煤气中H₂/CO比值可调的合成气，冷凝水处理简单，该发明具有显著节能、减排、减水效果。

(2)本发明的一种生物质气化生产合成气的方法中使用的一体式油气裂解净化器巧妙地将热解炉和净化器耦合为一体，设备简单，占地少的优点。

(3)在气化出口设置的裂解器内壁设有绝热保温层和缩口结构，可以使裂解温度高达1300℃以上，对烃类物质、焦油等富碳原料，有机硫等一次裂解为CO、CO₂、H₂和H₂S等小分子物质，氧气全部参与反应。后续煤气水中没有烃类、酚类和油类化合物存在，也不用大量水洗涤，使煤气水处理量小，能耗低、污染小，运行成本显著降低。

(4)本发明的一种生物质气化生产合成气的方法使用的净化器为水夹套结构，可以对裂解器产生的高温气体的显热进行充分回收。净化器内部多孔介质采用活性炭、焦炭，对裂解后气体携带的粉尘起到净化作用，同时还将可将焦油部分燃烧所产生的二氧化碳以及煤气中的水蒸气还原为可燃的一氧化碳，氢气，增加煤气产量，调节煤气中的H₂/CO比值作用。

附图说明

图1是本发明的一种生物质气化生产合成气的方法流程示意图。

图2是本发明使用的一体式油气裂解净化器结构示意图。

图中，1-烧嘴，2-裂解器，3-净化器，4-燃气进口，5-氧气进口，6-1-第一冷却水进口，7-1-第一冷却水出口，6-2-第二冷却水进口，7-2-第二冷却水出口，8-点火检查装置，9-绝热保温层，10-双层水夹套，11-多孔介质通道，12-水夹套直段，13-壳体，14-煤气出口，15-废料排出口，16-多孔介质进口，17-水夹套给水口，18-蒸汽出口。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细、具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下结合附图对本发明的具体实施方式做更为详细的说明。

实施例1

一体式油气裂解净化器，它包括烧嘴1，裂解器2和净化器3，烧嘴1、裂解器2和净化器3耦合为一体，裂解器2的顶端连接烧嘴1，裂解器2和净化器3通过壳体13连接为一体，上部为裂解器2，下部为净化器3。

烧嘴1设置有燃气进口4，氧气进口5，冷却水进口，冷却水出口和点火检查装置8，从内到外，从上到下依次设置有燃气通道，第一冷却水通道，氧气通道，第二冷却水通道，燃气通道有燃气进口4，第一冷却水通道有第一冷却水进口6-1，第一冷却水出口7-1，氧气通道有氧气进口5，第二冷却水通道有第二冷却水进口6-2，第二冷却水出口7-2，在燃气通道内有点火检查装置8，点火检查装置8的点火端位于燃气和氧气混合处。

所述裂解器2包括壳体13和绝热保温层9，壳体13内壁有绝热保温层9，绝热保温层9的下部为锥形结构，内腔为燃烧腔，底部采用缩口结构。

所述净化器3是包括壳体13和双层水夹套10，双层水夹套10上端面与绝热保温层9锥形的钭面平行，并组成多孔介质通道11，多孔介质通道11上有多孔介质进口16，在双层水夹套10上端面向下有水夹套直段12，水夹套直段12与壳体13形成净煤气通道，煤气出口14位于净煤气通道顶部，壳体13底端有废料排出口15，双层水夹套10的底部有水夹套给水口17，顶部有蒸汽出口18。

烧嘴1为组合式结构，从内到位依次设置有燃气通道，冷却水通道，氧气通道，冷却水通道，保证烧嘴处于低温，烧嘴1设置的点火检查装置8从燃气通道内通到燃气和氧气混合处用于点火和检测点火情况，点火通过电弧点火，检测通过温控检查。

净化器3的双层水夹套10和水夹套直段12的联通，通过水夹套给水口17给水，产生的蒸汽由蒸汽出口18引出；净化器3进入的多孔介质为6-15mm的颗粒，装入净化器3的多孔介质为催化剂，装填量为净化器体积的2/7。

本实施例的气化如下：

将制备成粒径为20-79mm的杨木通过料仓加入气化炉，以蒸汽、氧气和二氧化碳的比值为2.2kg：1Nm³:6Nm³，气化压力1.2MPa，温度为990度，通过气化器气化，生成的煤气与氧气按照体积比为1:8.36的比例通过烧嘴混合后以62m/s的速度进入裂解器，在温度为1525度下燃烧裂解，生成小分子物质。裂解生成的小分子物质进入净化器，通过装填多孔介质时进行除尘，使出净化器粗煤气中尘含量达到5mg以下，产生的热量通过双层夹套回收，生产压力为0.62MPa的饱和蒸汽。

实施例2

装入净化器3的多孔介质为活性炭，装填量为净化器体积的11/18。

将生物质制备成粒径为12mm-60mm的杨木通过料仓加入气化炉，以蒸汽、氧气和二氧化碳的比值为4.5kg：1Nm³:3.7Nm³，气化压力3.0MPa，温度为850度下，通过气化器气化，生成的煤气与氧气按照体积比为1:1.0-5.0的比例通过烧嘴混合后以67m/s的速度进入裂解器，在温度高于1305度下燃烧裂解，生成小分子物质。裂解生成的小分子物质进入净化器，通过装填多孔介质时进行除尘，使出净化器粗煤气中尘含量达到5mg以下，产生的热量通过双层夹套回收，生产压力为2.8MPa的饱和蒸汽，其余如实施例1。

实施例3

装入净化器3的多孔介质为焦炭，装填量为净化器体积的1/2。

将生物质制备成粒径为15-70mm的杨木通过料仓加入气化炉，以蒸汽、氧气和二氧化碳的比值为4kg：1Nm³:3.8Nm³以蒸汽和氧气的比值在4.0kg/Nm³，气化压力2.45MPa，温度为860度，通过气化器气化，生成的煤气与氧气按照体积比为1:9.15的比例通过烧嘴混合后以65m/s的速度进入裂解器，在温度1356度下燃烧裂解，生成小分子物质。裂解生成的小分子物质进入净化器，通过装填多孔介质时进行除尘，使出净化器粗煤气中尘含量达到3mg以下，产生的热量通过双层夹套回收，生产压力为2.2MPa的饱和蒸汽，其余如实施例1。

实施例4

装入净化器3的多孔介质为催化剂，装填量为净化器体积的3/7。

将生物质制备成粒径为15-60mm的杨木通过料仓加入气化炉，以蒸汽、氧气和二氧化碳的比值为6.5kg：1Nm³:2Nm³，气化压力4.5MPa，温度为820度下，通过气化器气化，生成的煤气与氧气按照体积比为1:7.20的比例通过烧嘴混合后以68m/s的速度进入裂解器，在温度1315度下燃烧裂解，生成小分子物质。裂解生成的小分子物质进入净化器，通过装填多孔介质时进行除尘，使出净化器粗煤气中尘含量达到4mg以下，产生的热量通过双层夹套回收，生产压力为4.2MPa的饱和蒸汽，其余如实施例1。

实施例5

装入净化器3的多孔介质为焦炭，装填量为净化器体积的2/5。

将生物质制备成粒径为20-68mm的杨木通过料仓加入气化炉，以蒸汽、氧气和二氧化碳的比值为8.7kg：1Nm³:0Nm³，气化压力5.6MPa，温度为780度下，通过气化器气化，生成的煤气与氧气按照体积比为6.25的比例通过烧嘴混合后以63m/s的速度进入裂解器，在温度高于1420度下燃烧裂解，生成小分子物质。裂解生成的小分子物质进入净化器，通过装填多孔介质时进行除尘，使出净化器粗煤气中尘含量达到5mg以下，产生的热量通过双层夹套回收，生产压力为5.4MPa的饱和蒸汽，其余如实施例1。