CN103666580A - 一种耦合式生物质加压热解工艺及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耦合式生物质加压热解工艺及***，其能高效地将生物质可燃成分全部转化为合成气。由于采用微波与等离子耦合技术，其加热过程无热惯性，并且基于高温离子体反应，热解完全即可燃成分全部转化为合成气，效率高，碳转化率高，合成气品质好，有效气体积含量达90%以上。同时，热解炉采用加压操作，单炉处理能力大且后续利用过程中无需增设压缩机，大量节省压缩功，降低***能耗。生成合成气中无焦油，后续净化工艺简单，无环境污染。

Description

一种耦合式生物质加压热解工艺及***
技术领域
本发明主要是针对生物质燃料制气领域，具体来说是采用一种微波及等离子体热解来制取生物质合成气。
背景技术
当前，在生物质燃料利用领域，相对直接燃烧而言，生物质气化将生物质固体燃料转化为富含一氧化碳和氢气的合成气，以合成气为原料气，能进行甲烷化、合成氨、尿素、甲醇以及合成液体燃料等工艺，这样丰富了生物质用途，扩大了生物质利用领域。
在生物质热解气化过程中，由于热解气化反应总反应为吸热过程，在热解过程中需要添加外部能源来维持热解反应进行，常规热解工艺一般采用间壁传热的方式，热量通过间壁由燃料表面从外至内逐步传递，因而存在着能量传递效率低，燃料热解不完全的缺点。
而新兴微波热解炉采用微波作为加热热源，其加热效率明显高于间壁式传热，但是即使利用微波热解也存在着生物质热解反应不完全，产气量不高，在热解产物中，有大部分生物焦炭生成，无法做到将生物质全部转化为合成气。
CN200880124955.0利用太阳能、微波和等离子体从生物质或煤中制备液体燃料和氢气的方法，是通过使用不同类型的等离子体(电等离子体、微波等离子体、ICP等离子体、光等离子体)来使CO2形式的碳损失最小化。在整个过程中，将这些等离子体用作将碳氧化为CO并将CO2还原成CO的附加手段。通过用不同金属元素(Mg、Mn、Al、Fe、Si、SiO2等)富集等离子体来增强等离子体的作用。而CN201110449489.7、CN201110449413.4及CN201110449459.6都是单一采用微波等离子设备进行炉内气化的工艺方法，目前尚未出现在炉内通过特定的磁场约束而激励等离子体形成次级等离子场，从而强化炉内气化反应的应用报道。
另外，生物质热解气化过程中，加压能提高生产能力，增加单炉产量，降低氧耗，减少带出物损失；对于合成气用于加压合成油的工艺，前压缩可以大大节约后压缩的能量，提高了整体***的能耗，同时，加压后，物料浓度高，相同体积设备，处理能力大。但是由于生物质燃料自身的特性，传统加压给料方式需要成型或制浆或制粉，因而加压给料操作比较困难且经济性差，目前未见成功的加压生物质热解炉/气化炉的报导。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种耦合式生物质加压热解工艺及***，采用微波与等离子体耦合技术高效地将生物质燃料可燃成分全部转化为合成气，经济性好、效率高，碳转化率高，合成气品质好，有效气体积含量达90%以上；同时，热解炉单炉处理能力大且后续利用过程中无需增设压缩机，大量节省压缩功，降低***能耗；最后，生成合成气中无焦油，后续净化工艺简单，无环境污染。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种耦合式生物质加压热解工艺，其特征在于：生物质燃料在能承受压力的热解炉内进行加压热解反应，热解炉保持带压工况；具体包括如下步骤：
1）：将生物质燃料破碎、筛分至合格粒径，送至专用的脉冲式加压给料***，以便利用给料密封风进行密相静压输送；
2）：破碎好的生物质颗粒经给料***输送至热解炉内，同时微波和等离子矩开始工作，微波使得热解炉内形成高强微波场，等离子炬工作气体首次电离形成的高温等离子体射流进入热解炉内；
微波生物质颗粒吸收微波后颗粒内外同步升温，从而活化、热解；在高温上行烟气及炉内高强微波能的作用下，微波生物质颗粒瞬间干燥、***并急速升温形成高温合成气，热解后剩余灰渣及少部分残焦物质形成的固定床层下移；
等离子体射流在高强微波场的电磁耦合作用下，使带电离子周边气体持续电离，形成高能、高活性次级离子场，进一步加速生物质颗粒燃料物质传热与传质反应速率；在固定床层底部，等离子炬产生的高温等离子体射流气体对残焦类物质或含碳物质完全转化为高温合成气，同时热解炉内保持带压工况，使炉内气相物料浓度持续增加，进一步加快反应速度，增加气-固反应接触时间，使底部固体生物质颗粒燃料完全转化为高温合成气；
在固定床层下移同时，高温合成气上行给固定床层提供热能，同时为上部热解反应提供原料气CO2；非含碳物质继续下行成为灰渣；在高温环境下，灰渣呈液态并热解炉在底部蓄积，并且液态灰渣采用定期或连续排出的方式来维持设定渣位；
3）：步骤2）中生成的高温合成气继续上行，由热解炉顶部引出，经在管道内采用循环合成气激冷降温后，进入旋风分离器分离飞渣，最后进入冷却装置及净化装置来制取清洁合成气。
本发明的方法中，热解炉合成气出口温度1100℃～1300℃以上；热解反应温度1200℃以上，底部高温渣池维持1300℃～2000℃；当生物质燃料为高灰熔点燃料时添加石灰石作为助熔剂，来降低渣的熔点温度；
热解炉的微波入口采用环形布置，并依据燃料特性多层布置，单个微波功率300kw以下；高温合成气在炉内停留时间为8～15s；炉内绝对压力为0.1Mpa～5Mpa。
本发明的方法中，所述步骤3）中，单位时间内微波及等离子炬总输入能量占输入生物质燃料总能量的15%～30%；当等离子工作气体采用氧气时，残焦质量占生物质燃料质量10%以下，微波与等离子炬所消耗总电能为生物质燃料总能量5%～10%之间。
本发明的方法中，步骤3）中根据后续利用工艺的不同，旋风分离器出来的气体采用逐级降温及水洗工艺或采用水激冷工艺进行处理。
本发明的方法中，步骤2）热解炉底部蓄积的液态渣定期或连续排出以维持渣位，液态渣经过带水冷或水激冷的渣锁后，在常温状态下进行回收及利用。
本发明的方法中，等离子炬工作气体为二氧化碳气体和或水蒸汽和或氧气和或净化后的合成气；等离子炬工作气体首次电离形成的等离子体射流由离子、电子、自由基在内的高能活性粒子构成。
本发明的方法中，脉冲式加压给料***通过给料输送气体送料，给料输送气体为氮气、蒸汽、二氧化碳气体、或净化后的合成气。
采用上述工艺的热解炉***，包括热解炉、脉冲式给料***、旋风分离器；热解炉顶部设置高温合成气出口，中段设置两侧给料口，下部设置多个微波入口及等离子炬接口，底部设置蓄渣池，蓄渣池下设置有排渣口；热解炉的微波入口和等离子炬接口均布置成多层且每层都均匀间隔布置；
其特征在于等离子炬接口置于微波入口之下蓄渣池液位面之上，且等离子炬接口的等离子的射流方向位于微波入口的微波场范围之内；微波入口单个微波功率300kw以下；
脉冲式给料***与热解炉给料口通过输送通路相连，脉冲式给料***与给料输送气管道连通并设置给料控制器进行开关控制；热解炉顶部合成气出口与旋风分离器相连，热解炉底部排渣口与渣锁相连，旋风分离器出灰口与灰锁相连，旋风分离器与冷却装置相连，冷却装置与净化装置相连；在热解炉顶部合成气出口与旋风分离器之间设置高温合成气循环激冷装置。
按上述技术方案：加压热解炉炉体底部排渣口外串联设置至少两级渣锁；旋风分离器底部出灰口外串联设置至少两级灰锁。
按上述技术方案：在净化装置后还设置脱碳塔；脱碳塔二氧化碳气体出口与脉冲式给料***的给料输送气管道连通。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明的是将生物质燃料可燃成分全部转化为高品质合成气，且有效气体含量高，同时应满足后续利用工艺带压的要求。而常规生物质热解工艺，虽然能产生品质较好的合成气，但是均剩余生物质残焦，其重量占燃料重量20%～30%，同时生物焦与灰渣混杂在一起，不仅造成大量显热损失，并且高温裂解下所生成的生物焦与生物质相比反应活性降低，不利于继续进行气化反应，造成含碳原料的损失。
此外，如上所述，本工艺采用高温热解，在热解炉内始终保持高强微波场，使得剩余残焦物质仅占10%以下。
最重要的一点是，在热解炉底部利用微波与等离子体耦合原理来形成高能、高活性次级离子场，并且热解炉底部蓄积有渣池，大量研究表明，生物质渣中含量较高的碱金属物质对燃料反应性起到明显的催化作用，因而加速了气-固-液三相间的传质化学反应，提高了转化率，并缩短了反应时间，将生物质燃料完全转化为合成气。
本发明主要优点是：
1：采用微波与等离子耦合热解技术，加热过程无热惯性，采用高温离子态热解，热解完全且可燃成分全部转化为合成气，效率高，碳转化率高，合成气品质好，有效气体积含量达90%以上。
2：热解炉进料部分采用加压操作，单炉处理能力大，后续利用过程中无需压缩机，大量节省压缩功，降低***能耗。
3：合成气中无焦油，后续净化工艺简单，无环境污染。
4：采用密相静压输送，生物质原料尺寸无需过分破碎，经济性好。
附图说明
图1为根据本发明实施的耦合式生物质加压热解炉***结构示意图；
其中：脉冲式给料***1；热解炉2；渣锁3；旋风分离器4；灰锁5；冷却装置6；净化装置7；脱碳塔8；给料管11；给料控制器10；给料压缩机9；微波入口12；等离子炬13；合成气出口14；热解炉控制器15；生物质燃料16；给料输送气体17；给料密封风18；炉渣19；飞灰20；二氧化碳气体21；成品气22。
具体实施方式
下面以稻壳为例，结合流程图一来介绍本发明的耦合式生物质加压热解炉***的具体实施方法：
如图1所示的一种耦合式生物质加压热解炉***，包括热解炉2、脉冲式给料***1、旋风分离器4；热解炉2顶部设置高温合成气出口14，中段设置两侧给料口，下部设置多个微波入口12及等离子炬13接口，底部设置蓄渣池，蓄渣池下设置有排渣口；热解炉的微波入口12和等离子炬13接口采用多层环形均匀间隔布置；其特征在于：单个微波功率300kw以下；等离子炬13接口置于微波入口12之下蓄渣池液位面之上，且等离子炬接口的等离子射流方向位于微波入口的微波场范围之内；
脉冲式给料***1与热解炉给料口通过给料管11相连，脉冲式给料***1与给料输送气管道连通并设置给料控制器进行开关控制；热解炉顶部合成气出口与旋风分离器相连，热解炉底部排渣口与渣锁3相连，旋风分离器4出灰口与灰锁5相连，旋风分离器4与冷却装置6相连，冷却装置6与净化装置7相连；在热解炉顶部合成气出口14与旋风分离器4之间设置高温合成气循环激冷装置。
按上述技术方案，热解炉2炉体底部排渣口外串联设置至少两级渣锁3；旋风分离器4底部出灰口外串联设置至少两级灰锁。
按上述技术方案，在净化装置7后还设置脱碳塔8；脱碳塔二氧化碳气体出口与脉冲式给料***1的给料输送气管道连通。
如图1所示，耦合式生物质加压热解工艺如下：
1）稻壳首先经过破碎、筛分处理成小于3mm尺寸，然后稻壳16通过脉冲式给料***1，脉冲式给料***1采用压缩机9将给料输送气体17加压，加压后气体输送至给料仓顶部、底部播料布风板及脉冲气刀阀处，通过给料控制器10控制各管线阀门的启闭，使稻壳在给料管11中呈料栓式静压输送，在给料料栓与气化炉入口处采用一路压缩的输送气体17作为给料密封风18来输送，密封风一方面能起到冷却热解炉给料口，避免给料口结焦事故的发生，另一方面利用密封风在喷口处动能来输送燃料，避免拥塞、搭桥事故的发生。
2）稻壳16进入热解炉2中，在高温上行烟气及炉内高强微波能的作用下，瞬间干燥、***并急速升温。稻壳吸收微波后颗粒内外同步升温，加热作用没有热惯性，这种加热方式不同于热量从颗粒外壁传递至颗粒内部的加热方式，因而对颗粒燃料起到良好的活化作用，提高了热解反应速率，使得入炉后生物质燃料在短时间内能大部分热解成生物质合成气，合成气主要成分CO、CH4、H2，还有少量CO2、H2O等，此工艺无需氧化剂或气化剂，利用生物质燃料特性，完全由燃料自身热解反应生成。
3）稻壳热解后剩余灰渣及少部分残焦物质形成固定床层（这个床层完全由生物质燃料热解后的残炭物质构成，反应活性很低，不易燃尽），固定床层下移，在固定床层底部等离子炬13产生高温等离子气流对残焦类物质高温气化，等离子态高温气流在高强微波场电磁耦合作用下，带电离子活度系数更高，反应性更强，使含碳物质完全转化为高温合成气。合成气上行给固定床层提供热能，同时为上部热解反应提供原料气CO2；非含碳物质继续下行成为灰渣。在高温环境下，灰渣呈液态，在底部蓄积并形成渣池，液态渣定期或连续排出以维持渣位，液态渣经过带水冷或水激冷的渣锁3后，在常温状态下进行回收及利用。
4）高温合成气从热解炉2合成气出口14引出，进入高温旋风分离器4，在进入旋风分离器4的管道内采用循环合成气激冷方式将合成气中灰渣温度降低至灰熔点以下，由旋风分离器分离下来的飞灰20进入灰锁5，分离后的合成气随后进入冷却装置6，采用激冷塔或废锅等设备来降低合成气温度。
5）降温后合成气随后进入净化装置7，脱除合成气中有害气体杂质，同时净化装置7也包含变换反应所需变换塔，特别是由激冷工艺所产生的富含饱和蒸汽的合成气的变换过程。
6）作为优化配置，在净化装置7后设置脱碳塔8，将合成气中二氧化碳气体21脱除，这样提质后的成品气22热值更高、品质更好。二氧化碳气体21可作为给料输送气17使用。
所述步骤1）中，燃料无需过分破碎，颗粒尺寸在10mm以下，优选为3mm以下，无需过分破碎。燃料应尽量干燥，高水分燃料影响合成气品质及***能耗，优选地可采用余热来干燥燃料。
所述步骤1）中，给料输送气体17为二氧化碳气体、氮气、或蒸汽等输送介质，可以将脱碳塔8后产生的二氧化碳气体21返回利用，也可以利用将热解后的高温合成气。
所述步骤2）中，热解炉2的微波入口12采用环形布置，并可依据燃料特性多层布置，单个微波功率300kw以下。合成气高温区停留时间为8～15s。炉内绝对压力可依据后续利用工艺来经济性的确定，优选为0.1Mpa～5Mpa。
所述步骤3）中，等离子炬13主要提供高温热源，并维持底部一定的液态渣渣位，液态渣池的蓄热能力起到了维持炉内工况稳定的作用。等离子炬工作气体为净化后的合成气22和或二氧化碳气体21和或水蒸汽和或氧气。
所述步骤3）中，单位时间内微波及等离子炬总输入能量占输入燃料总能量的15%～30%，其中电能采用太阳能发电、余热发电或电网峰谷时低价电能以降低能源成本，提高工艺的经济性。特别地，当等离子工作气体采用氧气时，氧气与底部残焦类物质发生剧烈燃烧放热反应，为整体热解反应提供了热能，残焦质量约占燃料质量10%以下，此时微波与等离子炬所消耗总电能为燃料总能量5%～10%之间。
所述步骤3中，热解反应温度1100℃以上，底部高温渣池维持1300℃～2000℃，优选为1400℃～1600℃，对高灰熔点燃料可添加石灰石等助熔剂，来降低渣的熔点温度。
所述步骤3中，由于热解工况复杂，传统人工操作方式无法满足耦合式热解工艺的操作要求，因而通过设置热解炉控制器15来实现对合成气温度、微波功率、等离子功率、渣位等参数的控制。
所述步骤4）中，优先热解炉顶部至高温旋风分离器4间循环激冷的激冷区控制温度范围为600℃～850℃。
以上所述为本发明的较佳实例，并非对本发明任何型式上的限制，凡是未脱离本专利技术内容，依据本专利的技术实质对以上实例进行的修改、等同变化与修饰，均属于本发明权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种耦合式生物质加压热解工艺，其特征在于：生物质燃料在能承受压力的热解炉内进行加压热解反应，热解炉保持带压工况；具体包括如下步骤：
1）：将生物质燃料破碎、筛分至合格粒径，送至专用的脉冲式加压给料***，以便利用给料密封风进行密相静压输送；
2）：破碎好的生物质颗粒经给料***输送至热解炉内，同时微波和等离子矩开始工作，微波使得热解炉内形成高强微波场，等离子炬工作气体首次电离形成的高温等离子体射流进入热解炉内；
微波生物质颗粒吸收微波后颗粒内外同步升温，从而活化、热解；在高温上行烟气及炉内高强微波能的作用下，微波生物质颗粒瞬间干燥、***并急速升温形成高温合成气，热解后剩余灰渣及少部分残焦物质形成的固定床层下移；
等离子体射流在高强微波场的电磁耦合作用下，使带电离子周边气体持续电离，形成高能、高活性次级离子场，进一步加速生物质颗粒燃料物质传热与传质反应速率；在固定床层底部，等离子炬产生的高温等离子体射流气体对残焦类物质或含碳物质完全转化为高温合成气，同时热解炉内保持带压工况，使炉内气相物料浓度持续增加，进一步加快反应速度，增加气-固反应接触时间，使底部固体生物质颗粒燃料完全转化为高温合成气；
在固定床层下移同时，高温合成气上行给固定床层提供热能，同时为上部热解反应提供原料气CO2；非含碳物质继续下行成为灰渣；在高温环境下，灰渣呈液态并热解炉在底部蓄积，并且液态灰渣采用定期或连续排出的方式来维持设定渣位；
3）：步骤2）中生成的高温合成气继续上行，由热解炉顶部引出，经在管道内采用循环合成气激冷降温后，进入旋风分离器分离飞渣，最后进入冷却装置及净化装置来制取清洁合成气。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：热解炉合成气出口温度1100℃～1300℃以上；热解反应温度1200℃以上，底部高温渣池维持1300℃～2000℃；当生物质燃料为高灰熔点燃料时添加石灰石作为助熔剂，来降低渣的熔点温度；
热解炉的微波入口采用环形布置，并依据燃料特性多层布置，单个微波功率300kw以下；高温合成气在炉内停留时间为8～15s；炉内绝对压力为0.1Mpa～5Mpa。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述步骤3）中，单位时间内微波及等离子炬总输入能量占输入生物质燃料总能量的15%～30%；当等离子工作气体采用氧气时，残焦质量占生物质燃料质量10%以下，微波与等离子炬所消耗总电能为生物质燃料总能量5%～10%之间。
4.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于：步骤3）中根据后续利用工艺的不同，旋风分离器出来的气体采用逐级降温及水洗工艺或采用水激冷工艺进行处理。
5.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于：步骤2）热解炉底部蓄积的液态渣定期或连续排出以维持渣位，液态渣经过带水冷或水激冷的渣锁后，在常温状态下进行回收及利用。
6.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于：等离子炬工作气体为二氧化碳气体和或水蒸汽和或氧气和或净化后的合成气；等离子炬工作气体首次电离形成的等离子体射流由离子、电子、自由基在内的高能活性粒子构成。
7.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于：脉冲式加压给料***通过给料输送气体送料，给料输送气体为氮气、蒸汽、二氧化碳气体、或净化后的合成气。
8.采用上述权利要求之一所述工艺的热解炉***，包括热解炉、脉冲式给料***、旋风分离器；热解炉顶部设置高温合成气出口，中段设置两侧给料口，下部设置多个微波入口及等离子炬接口，底部设置蓄渣池，蓄渣池下设置有排渣口；热解炉的微波入口和等离子炬接口均布置成多层且每层都均匀间隔布置；
其特征在于等离子炬接口置于微波入口之下蓄渣池液位面之上，且等离子炬接口的等离子的射流方向位于微波入口的微波场范围之内；微波入口单个微波功率300kw以下；
脉冲式给料***与热解炉给料口通过输送通路相连，脉冲式给料***与给料输送气管道连通并设置给料控制器进行开关控制；热解炉顶部合成气出口与旋风分离器相连，热解炉底部排渣口与渣锁相连，旋风分离器出灰口与灰锁相连，旋风分离器与冷却装置相连，冷却装置与净化装置相连；在热解炉顶部合成气出口与旋风分离器之间设置高温合成气循环激冷装置。
9.根据权利要求8所述的工艺，其特征在于：加压热解炉炉体底部排渣口外串联设置至少两级渣锁；旋风分离器底部出灰口外串联设置至少两级灰锁。
10.根据权利要求8或9所述的工艺，其特征在于：在净化装置后还设置脱碳塔；脱碳塔二氧化碳气体出口与脉冲式给料***的给料输送气管道连通。
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