[发明专利]利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系 统。该方法属于由生物质制造合成气或可燃气体技术领域。其中合成气 为含有CO、H₂以及各种含碳、氢、氧的碳水化合物气体的混合物。利 用该发明所产生的合成气能够用于燃气轮机发电系统、燃料电池、合成 油、冶金等系统。

背景技术

随着传统化石能源(煤、石油、天然气)储量的日益减少，以及由 于使用化石能源带来的环境污染问题，直接威胁着人类的生存和发展， 重视和发展可再生、环保能源已成为各国政府的共识。生物质是植物通 过光合作用生成的有机物质，其分布广泛、可利用量大、较化石能源清 洁，具有CO₂零排放的特征，是一种重要的可再生能源。通过热化学、 生物化学等方法，能够将生物质转变为清洁的气体或液体燃料，用以发 电、生产工业原料、化工产品等，具有全面替代化石能源的潜力，成为 世界各国优先发展的新能源。

将生物质转变为清洁气体或液体燃料的方法很多，在这其中生物质 气化技术与其它技术相比能够适应生物质的种类更加宽广，且具有很强 的扩展性。生物质的气化过程是一种热化学过程，是生物质原料与气化 剂(空气、氧气、水蒸气、二氧化碳等)在高温下发生化学反应，将固 态的生物质原料转变为由碳、氢、氧等元素组成的碳水化合物的混合气 体的过程，该混合气体通常被称为合成气。气化过程产生的合成气组成 随气化时所用生物质原料的性质、气化剂的类别、气化过程的条件以及 气化炉的结构不同而不同。气化的目标在于尽量减少生物质原料和气化 剂的消耗量以及合成气中的焦油含量，同时最大化系统的气化效率、碳 转化率以及合成气中有效成分(CO和H₂)的含量。影响气化目标的因 素很多，包括气化工艺所使用的气化炉的类型、气化剂的种类、生物质 原料的粒径、气化压力和温度、生物质原料中含有的水分和灰份等。

气化所使用的气化炉大致可以分为三类：固定床、流化床和气流床。 固定床气化结构简单、操作便利，运行模式灵活，固体燃料在床中停留 时间长，碳转化率较高，运行负荷较宽，可以在20～110％之间变动， 但固定床中温度不均匀换热效果较差，出口合成气热值较低，且含有大 量焦油；流化床气化在向气化炉加料或出灰都比较方便，整个床内温度 均匀、易调节，但对原料的性质很敏感，原料的黏结性、热稳定性、水 分、灰熔点变化时，易使操作不正常，此外，为了保证气化炉的正常流 化，运行温度较低，出口合成气中焦油含量较高。由于固定床和流化床 含有大量的焦油，在后续设备中不得不安装焦油裂解和净化装置，使得 气化工艺变得十分复杂；气流床的运行温度较高，炉内温度比较均匀， 焦油在气流床中全部裂解，同时气流床具有很好的放大特性，特别适用 于大型工业化的应用，但气流床气化对原料的粒径有着严格的限制，进 入气流床的原料需要磨成超细的颗粒，然而按照现有的破碎或制粉技术， 无法将含纤维较多的生物质原料磨制成满足气流床运行所需的粒径，这 就导致无法将气流床用于生物质原料的气化。焦油的裂解和处理以及生 物质气化之前的预处理是阻碍生物质气化工艺进一步发展的最大问题。

申请号为200510043836.0的中国专利发明了一种低焦油生物质气化 方法和装置，该技术通过将固体生物质热解和热解产物的裂解气化两个 过程分开，将生物质转变成焦油含量较低的可燃气体。该方法存在以下 几个问题：首先，热解产生的热解气和木炭全部被输送到裂解气化器的 燃烧区，在1000℃左右发生不完全燃烧反应，将热解产生的焦油通过高 温的方式进行裂解，虽然能降低焦油的含量，但会损失大量的木炭，导 致后续还原反应产生的CO数量较低，进而使得合成气中的CO₂含量较 高；其次，燃烧反应温度较低，在后续的还原反应中温度会进一步降低， 还原区的平均温度将低于700℃，使得有效合成气(CO和H₂)的产量 降低(约为30％左右)；再次，经还原反应的灰渣和未反应完全的残碳 直接排出系统，造成碳转化率降低；最后，该方法所采用的裂解气化器 是固定床的一种形式，燃烧产生的气化剂(主要是CO₂和H₂O)在穿过 底部炽热的碳层的时候，由于还原反应是吸热反应，导致床层上下温差 较大(顶部1000℃左右，底部500℃左右)，这是固定床固有的缺陷。