CN1966627B - 一种植物碳化生产甲烷类液化气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物碳化生产甲烷类液化气的方法，是以植物碳化后的植物碳为原料，将这种植物碳放在气化炉中通过高温燃烧，并在高温燃烧的碳层中通入空气、水蒸汽使其产生CO、CO ₂和H ₂等混合气体，气体经除尘、冷却、净化后，再由甲烷转换工序合成甲烷气体，然后再经高压液化，生产出以甲烷气为主的且带有少量CO、H ₂等的混合燃料气体，即甲烷类液化气。采用植物碳化后的植物碳生产甲烷类液化气，比用煤生产水煤气或液化气，在整个生产工艺过程中的排污、排渣以及空气污染都要小；该方法不但环保、原料易得，而且工艺简单易于掌握，具有工艺简单、设备投资省、运行费用低、环境污染少的优点。

Description

一种植物碳化生产甲烷类液化气的方法

技术领域

本发明属于可再生绿色能源应用领域，特别是涉及一种用植物经碳化后，在气化炉中燃烧产生混合可燃气，再经甲烷化合成生产出甲烷类液化气的方法。

背景技术

液化气作为一种燃料型能源已被越来越多地使用于民用或工业领域中，较早的时候，城市的居民先是以木材作为燃料，而后大多采用煤作为燃料，随着我国森林资源的减少，对木材砍伐的限制，现在在城市中已很难看到使用木材作为燃料了，而使用煤炭作为生活燃料时，由于会产生大量的二氧化碳和一氧化碳，尤其是硫化物气体，对空气污染严重，导致了居民呼吸***和心血管***发病率不断升高，因而在许多的城市中煤炭的使用已受到相当的限制，被换之使用的是液化气；虽然在我国农村绝大多数仍使用古老的灶具，使用的燃料还大多是桔杆和木材，但是其热效率低(只有13％)，而且容易污染环境，因而，也面临着向使用液化气的方向转化，这就使得对液化气的需求量是越来越大，特别是随着我国经济建设的快速发展和人民生活水平大幅提高，我国在能源的消耗上也与日激增，作为生产液化气的煤、石油、天然气等化石类能源也日渐枯竭，另一方面，我国的石油资源并不丰富，且人口众多，人均拥有量极低，加上国际形势不断变化，导致石油液化气的价格一直居高不下，这也严重地影响到了居民生活燃料的使用，寻找可再生能源，已成为当今迫切的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种植物碳化生产甲烷类液化气的方法，通过将植物碳化后，在气化炉中燃烧产生混合可燃气，再经甲烷化合成来生产出甲烷类液化气，以替代现有的城市燃气材料，具有工艺简单、设备投资省、运行费用低、环境污染少的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种植物碳化生产甲烷类液化气的方法，它包括如下步骤：

a.植物碳化处理：以植物为原料，将其处理成植物碳；

b.气化处理：将植物碳的碳块或碳粉送入气化炉中，点火燃烧，并在高温燃烧的碳层中通入水蒸汽、空气，形成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气的混合气；

c.氢气含量调整：将混合气送入燃烧蓄热室，在燃烧蓄热室中通入空气或氧气，让部分可燃气体燃烧使室内温度升高，然后通入水蒸汽，通过高温分解水蒸气调整混合气中CO₂、CO与H₂的比例，氢气、一氧化碳、二氧化碳的相互比例为：CO∶H₂＝1∶2.5～3.5；CO₂∶H₂＝1∶3.5～4.5；

d.除尘冷却：利用除尘洗气冷却塔将燃烧蓄热室送来的混合气体，进行除尘和降温处理；

e.储气：将除尘洗气冷却塔除尘、降温后的混合气引入可用来调节进出气差额体积的储气柜中临时存储起来；

f.气体压缩：将储气柜送出的混合气送至压缩机进行加压处理，施加的压力为2～2.5MPa；

g.甲烷化反应：将混合气引入甲烷反应器中通过催化剂的作用使含一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合气转化为甲烷气，这一过程是在压力为2～3MPa和温度为280～500℃范围内，在含25--30％镍系摧化剂和3-6％的碱性氧化物的，以硅酸铝为载体的催化剂作用下完成；

h.甲烷气冷却：将甲烷气降至常温；

i.甲烷气储存：将甲烷气送入甲烷气储柜中；

j.高压液化：将甲烷气储柜中的甲烷类气体进行高压液化处理，施加的压力为≥10MPa；

k.液化气罐装：将高压液化气装入液化气储罐。

所述的植物碳为竹碳和/或木碳和/或桔杆碳。

所述的植物碳制作原料为竹子、木柴，将竹子、木柴等原料直接放到碳窑烧制工序中制出植物碳。

所述的植物碳制作原料为锯屑、果壳，将锯屑、果壳等原料经干燥后，用机械加工成锯屑样的小颗粒，然后用机械挤压成条形碎屑棒，再经碳窑高温烧制成植物碳。

所述的植物碳制作原料为桔杆、树皮、枝丫，将桔杆、树皮、枝丫等原料经过切片、干燥、粉碎、挤压成形后，再进入碳窑烧制成植物碳。

所述的除尘冷却工艺过程还包括将燃烧蓄热室送来的混合气体送入热交换器进行热交换式降温，热交换器产生的水蒸汽供给各道工序使用。

本发明的植物碳化生产甲烷类液化气的方法，是以植物为原料，并对植物进行碳化处理，这种将植物碳化后制成的碳称为植物碳。对不同的植物原料，可采用不同的方法和工序烧制成植物碳：对采用竹子、木柴等为原料生产植物碳时，只需将原料直接放到碳窑烧制工序中即可生产出植物碳；对采用锯屑、果壳类为原料生产植物碳时，需先经干燥后，用机械加工成锯屑样的小颗粒，然后用机械挤压成条形碎屑棒，再经碳窑高温烧制成碳，即目前普遍称为的机制碳；对采用桔杆、树皮、枝丫等为原料生产植物碳时，则需经过切片、干燥、粉碎、挤压成形后，再进入碳窑烧制成植物碳，这也是一种机制碳。这些植物碳，以竹碳(包括毛竹、各种大小竹子、竹头、竹根、竹枝烧制的碳)为佳，次之木碳(以柴片、锯屑为主烧制的碳)，较差的是桔杆碳(以桔杆、谷皮、果壳为主烧制的碳)，尤以烟杆、果壳、谷皮烧制的碳差，主要是灰份大，可燃气转化率低、而且对甲烷化催化剂活性也有影响。

本发明的植物碳化生产甲烷类液化气的方法，气化处理是将植物碳的碳块或碳粉送入气化炉中，点火燃烧，依采用的气化炉型不同来确定投加碳的形状大小和粒度。气化炉分移动床和沸腾床(也称流化床)，对移动床气化炉而言，要求进炉的碳以大颗粒碳块粒度10～60mm为宜，对沸腾床气化炉而言，则要求进炉的碳粒度在3～5mm间为宜。在气化炉的生产操作中炉温与水蒸汽的投加，以及空气的进气量应按产生的气体组分来调整，这里以氢气、一氧化碳、二氧化碳的相互比例来调整。当调整达不到工艺要求时，可在下道工序进行。理想的比值为：一氧化碳/氢气＝1/3；二氧化碳/氢气＝1/4。以移动床气化炉为例，气化强度200～300M³/M².H之间，进气风压3～6KPa为宜。

本发明的植物碳化生产甲烷类液化气的方法，采用了燃烧蓄热室调整来自气化炉混合气中CO₂、CO与H₂的比例，利用来自气化炉的高温(500～900℃)可燃气体，在燃烧蓄热室中通入空气或氧气，让部分可燃气体燃烧使室内温度升至900～1000℃或更高，然后通入水蒸汽，水蒸汽只有在900℃以上的温度下才能发生热分解，产生出氧气和氢气。这道工序主要是为了调整产气工艺中氢气的组分比例。

本发明的植物碳化生产甲烷类液化气的方法，采用了除尘洗气冷却塔将燃烧蓄热室送来的混合气体进行除尘和降温处理，以便后续工艺混合气体的安全储存，这道工序还包含了热交换器，热交换器是利用来自燃烧蓄热室的高温气体生产蒸汽的装置，同时也对高温气体进行降温。原理是高温气体首先经过密闭管道，管道外也是一个能承受压力的密闭***，内充冷却水，实际上这里的冷却水由于高温，相当部分已变成带压力的水蒸汽，这里产生的水蒸汽可通过现行的常规***供应到各道工序使用。在经过热交换器后，此时***中的气体温度基本上已降到300℃以下，再进入密闭的常压洗气冷却塔，在这里采用喷淋工艺，将气体中的灰尘洗去，同时也使塔内气体温度降到45℃以下，以备后续工艺使用。喷淋冷却塔可以分级设置。对冷却洗气污水的处理和循环使用，可采用现有的工艺技术。

本发明的植物碳化生产甲烷类液化气的方法，采用了储气柜来存储混合气，在这里储气柜的作用在于，一是储存气体；二是为压缩机能正常工作提供稳定的气源和工况；三是调节进气量与出气量的差额体积；四是可以进一步沉淀气体中的灰尘和杂质以及调整储气柜中的CO、CO₂、H₂的比例。

本发明的植物碳化生产甲烷类液化气的方法，采用了可用于压缩CO、CO₂、H₂等可燃易爆气体的压缩机对混合气进行压缩，为后道工序进行工艺增压。

本发明的植物碳化生产甲烷类液化气的方法，采用了甲烷反应器将混合气转化为甲烷气，由于甲烷气既没有氢的宽***极限，又没有一氧化碳的毒性，而且比一氧化碳、氢的混合气体的燃烧热值要高，所以要将一氧化碳、二氧化碳和氢气转化为甲烷气，生产出代用天然气。所采用的催化剂，以液相催化为例，是把颗粒状的镍系催化剂按一定的体积比，浸没在矿物油冷剂浴罐塔内；而固相是将颗粒状的镍系催化剂也是按一定的体积比，拌均在石英砂或陶瓷粒中，使混合气体穿过含催剂的反应层，合成甲烷(CH₄)气。催化剂的放置，以反应器内部容积来定体积比以60％～70％为宜，在实际生产中催化剂也会有消耗应定期补充或更换。催化剂在高压流动的气体中体积会膨胀。气体的压力与流量应视工况来确定。由于甲烷化反应是放热反应，在甲烷化反应器中，应注意控制反应温度，控制进气比例和总量，以及冷却剂的循环降温，防止过热，烧坏催化剂和反应器，在甲烷化反应器中都配有相应的控温冷却***。

本发明的植物碳化生产甲烷类液化气的方法，采用了甲烷气储柜来存储甲烷气，为后续的加压液化提供气源和工况保证，也为在此添加泄漏气味指示剂提供条件。

本发明的有益效果是，由于采用了以植物碳化后的植物碳为原料，将这种植物碳放在气化炉中通过高温燃烧，并在高温燃烧的碳层中通入空气、水蒸汽使其产生CO、CO₂和H₂等混合气体，气体经除尘、冷却、净化后，再由甲烷转换工序合成甲烷气体，然后再经高压液化，生产出以甲烷气为主的且带有少量CO、H2等的混合燃料气体，即甲烷类液化气。植物碳化后的植物碳，远比煤的来源更广泛、更经济、更环保，其品质也比煤要好，其挥发份，灰份都比煤小，硫化物的含量在植物碳中大都小于0.1mg/kg，这在采用植物碳为原料生产甲烷类液化气的工艺中，对气体的净化工序得以简化，在投资上也就比用煤要省，而且生产出来的甲烷类液化气也更纯净。用这种可再生的植物碳生产甲烷类液化气，以替代目前广泛使用的石化类天然液化气，比用煤生产水煤气或液化气，在整个生产工艺过程中的排污、排渣以及空气污染都要小。用可再生的植物碳生产甲烷类液化气不但环保、原料易得，而且工艺简单易于掌握。由于植物碳原料成份比煤单纯，所以生产出来的甲烷类液化气品质，比用煤为原料生产的液化气要好，成本也低，而且这种甲烷类液化气的燃烧热值也高，其热值在30～36MJ/M³。该方法具有工艺简单、设备投资省、运行费用低、环境污染少的特点。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种植物碳化生产甲烷类液化气的方法不局限于实施例。

本发明的一种植物碳化生产甲烷类液化气的方法，它包括如下步骤：

步骤a.植物碳化处理：以植物为原料，将其处理成植物碳；

其中，植物碳可以是竹碳、木碳、桔杆碳。对采用竹子、木柴等为原料生产植物碳时，只需将原料直接放到碳窑烧制工序中即可生产出植物碳；对采用锯屑、果壳类为原料生产植物碳时，需先经干燥后，用机械加工成锯屑样的小颗粒，然后用机械挤压成条形碎屑棒，再经碳窑高温烧制成碳；对采用桔杆、树皮、枝丫等为原料生产植物碳时，则需经过切片、干燥、粉碎、挤压成形后，再进入碳窑烧制成植物碳。这些植物碳，以竹碳(包括毛竹、各种大小竹子、竹头、竹根、竹枝烧制的碳)为佳，次之为木碳(以柴片、锯屑为主烧制的碳)，较差的是桔杆碳(以桔杆、谷皮、果壳为主烧制的碳)，尤以烟杆、果壳、谷皮烧制的碳差，主要是灰份大，可燃气转化率低、而且对甲烷化催化剂活性也有影响。

步骤b.气化处理：将植物碳的碳块或碳粉送入气化炉中，点火燃烧，并在高温燃烧的碳层中通入水蒸汽、空气，形成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气的混合气；

气化处理是将植物碳的碳块或碳粉送入气化炉中，点火燃烧，依采用的气化炉型不同来确定投加碳的形状大小和粒度。气化炉分移动床和沸腾床(也称流化床)，对移动床气化炉而言，要求进炉的碳以大颗粒碳块粒度10～60mm为宜，对沸腾床气化炉而言，则要求进炉的碳粒度在3～5mm间为宜。在气化炉的生产操作中炉温与水蒸汽的投加，以及空气的进气量应按产生的气体组分来调整，这里以氢气、一氧化碳、二氧化碳的相互比例来调整。当调整达不到工艺要求时，可在下道工序进行。理想的比值为：一氧化碳/氢气＝1/3；二氧化碳/氢气＝1/4。以移动床气化炉为例，气化强度200～300M³/M².H之间，进气风压3～6KPa为宜。

步骤c.氢气含量调整：将混合气送入燃烧蓄热室，在燃烧蓄热室中通入空气或氧气，让部分可燃气体燃烧使室内温度升高，然后通入水蒸汽，通过高温分解水蒸气调整混合气中CO₂、CO与H₂的比例，氢气、一氧化碳、二氧化碳的相互比例为：CO∶H₂＝1∶2.5～3.5；CO₂∶H₂＝1∶3.5～4.5；

燃烧蓄热室的作用是调整来自气化炉混合气中CO₂、CO与H₂的比例，利用来自气化炉的高温(500～900℃)可燃气体，在燃烧蓄热室中通入空气或氧气，让部分可燃气体燃烧使室内温度升至900～1000℃或更高，然后通入水蒸汽，水蒸汽只有在900℃以上的温度下才能发生热分解，产生出氧气和氢气。这道工序主要是为了调整产气工艺中氢气的组分比例。

步骤d.除尘冷却：利用除尘洗气冷却塔将燃烧蓄热室送来的混合气体，进行除尘和降温处理；

采用除尘洗气冷却塔将燃烧蓄热室送来的混合气体进行除尘和降温处理，以便后续工艺混合气体的安全储存，这道工序还包含了热交换器，热交换器是利用来自燃烧蓄热室的高温气体生产蒸汽的装置，同时也对高温气体进行降温。原理是高温气体首先经过密闭管道，管道外也是一个能承受压力的密闭***，内充冷却水，实际上这里的冷却水由于高温，相当部分已变成带压力的水蒸汽，这里产生的水蒸汽可通过现行的常规***供应到各道工序使用。在经过热交换器后，此时***中的气体温度基本上已降到300℃以下，再进入密闭的常压洗气冷却塔，在这里采用喷淋工艺，将气体中的灰尘洗去，同时也使塔内气体温度降到45℃以下，以备后续工艺使用。喷淋冷却塔可以分级设置。对冷却洗气污水的处理和循环使用，可采用现有的废水净化处理工艺进行循环使用。

步骤e.储气：将除尘洗气冷却塔除尘、降温后的混合气引入可用来调节进出气差额体积的储气柜中临时存储起来；

在这里储气柜主要有三种作用：一是储存气体；二是为压缩机能正常工作提供稳定的气源和工况；三是调节进气量与出气量的差额体积；四是可以进一步沉淀气体中的灰尘和杂质以及调整储气柜中的CO、CO₂、H₂的比例。

步骤f.气体压缩：将储气柜送出的混合气送至压缩机进行加压处理，施加的压力为2～2.5MPa；

采用了专用于压缩CO、CO₂、H₂等可燃易爆气体的压缩机对混合气进行压缩，为后道工序进行工艺增压。

步骤g.甲烷化反应：将混合气引入甲烷反应器中通过催化剂的作用使含一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合气转化为甲烷气，这一过程是在压力为2～3MPa和温度为280～500℃范围内，在含25--30％镍系摧化剂和3-6％的碱性氧化物的，以硅酸铝为载体的催化剂作用下完成；

采用甲烷反应器将混合气转化为甲烷气，由于甲烷气既没有氢的宽***极限，又没有一氧化碳的毒性，而且比一氧化碳、氢的混合气体的燃烧热值要高，所以要将一氧化碳、二氧化碳和氢气转化为甲烷气，生产出代用天然气。所采用的催化剂，以液相催化为例，是把颗粒状的镍系催化剂按一定的体积比，浸没在矿物油冷剂浴罐塔内；而固相是将颗粒状的镍系催化剂也是按一定的体积比，拌均在石英砂或陶瓷粒中，使混合气体穿过含催剂的反应层，合成甲烷(CH₄)气。催化剂的放置，以反应器内部容积来定体积比以60％～70％为宜，在实际生产中催化剂也会有消耗应定期补充或更换。催化剂在高压流动的气体中体积会膨胀。气体的压力与流量应视工况来确定。由于甲烷化反应是放热反应，在甲烷化反应器中，应注意控制反应温度，控制进气比例和总量，以及冷却剂的循环降温，防止过热，烧坏催化剂和反应器，在甲烷化反应器中都配有相应的控温冷却***。

步骤h.甲烷气冷却：将甲烷气降至常温；可以在冷却管中将甲烷气降至常温以便后续的储气工序更安全。

步骤i.甲烷气储存：将甲烷气送入甲烷气储柜中；甲烷气储柜的作用是为后续的加压液化提供气源和工况保证，也为在此添加泄漏气味指示剂提供条件。

步骤j.高压液化：将甲烷气储柜中的甲烷类气体进行高压液化处理，以便储存运输和使用，施加的压力为≥10MPa；

步骤k.液化气罐装：将高压液化气装入液化气储罐。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的植物碳化生产甲烷类液化气的方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种植物碳化生产甲烷液化气的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

a.植物碳化处理：以植物为原料，将其处理成植物碳；

b.气化处理：将植物碳的碳块或碳粉送入气化炉中，点火燃烧，并在高温燃烧的碳层中通入水蒸汽、空气，形成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气的混合气；

c.氢气含量调整：将混合气送入燃烧蓄热室，在燃烧蓄热室中通入空气或氧气，让部分可燃气体燃烧使室内温度升高，然后通入水蒸汽，通过高温分解水蒸气调整混合气中CO₂、CO与H₂的比例，氢气、一氧化碳、二氧化碳的相互比例为：CO∶H₂＝1∶2.5～3.5；CO₂∶H₂＝1∶3.5～4.5；

d.除尘冷却：利用除尘洗气冷却塔将燃烧蓄热室送来的混合气体，进行除尘和降温处理；

e.储气：将除尘洗气冷却塔除尘和降温后的混合气引入可用来调节进出气差额体积的储气柜中临时存储起来；

f.气体压缩：将储气柜送出的混合气送至压缩机进行加压处理，施加的压力为2～2.5MPa；

g.甲烷化反应：将混合气引入甲烷反应器中通过催化剂的作用使含一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合气转化为甲烷气，这一过程是在压力为2～3MPa和温度为280～500℃范围内，在含25--30％镍系催化剂和3-6％的碱性氧化物的，以硅酸铝为载体的催化剂作用下完成；

h.甲烷气冷却：将甲烷气降至常温；

i.甲烷气储存：将甲烷气送入甲烷气储柜中；

j.高压液化：将甲烷气储柜中的甲烷气体进行高压液化处理，施加的压力为≥10MPa；

k.液化气罐装：将高压液化气装入液化气储罐。

2.根据权利要求1所述的一种植物碳化生产甲烷液化气的方法，其特征在于：所述的植物碳为竹碳和/或木碳和/或桔杆碳。

3.根据权利要求1所述的一种植物碳化生产甲烷液化气的方法，其特征在于：所述的植物碳制作原料为竹子、木柴，将竹子、木柴原料直接放到碳窑烧制工序中制出植物碳。

4.根据权利要求1所述的一种植物碳化生产甲烷液化气的方法，其特征在于：所述的植物碳制作原料为锯屑、果壳，将锯屑、果壳原料经干燥后，用机械加工成锯屑样的小颗粒，然后用机械挤压成条形碎屑棒，再经碳窑高温烧制成植物碳。

5.根据权利要求1所述的一种植物碳化生产甲烷液化气的方法，其特征在于：所述的植物碳制作原料为桔杆、树皮、枝丫，将桔杆、树皮、枝丫原料经过切片、干燥、粉碎、挤压成形后，再进入碳窑烧制成植物碳。

6.根据权利要求1所述的一种植物碳化生产甲烷液化气的方法，其特征在于：所述的除尘冷却工艺过程还包括将燃烧蓄热室送来的混合气体送入热交换器进行热交换式降温，热交换器产生的水蒸汽供给各道工序使用。