[发明专利]一种用于宽粒径分布燃料的两段气化方法及其气化装置

说明书

技术领域

本发明涉及洁净能源技术领域，具体地，本发明涉及一种用于宽粒径分布燃料的两段气化方法及其气化装置。

背景技术

气化是煤炭、生物质等含碳燃料转化的主导途径之一，是实现其综合洁净利用的重要技术手段。该技术广泛应用于化工、冶金、民用和工业燃气、建材、陶瓷等领域，是这些行业发展的龙头技术，也是减少环境污染、节能、发展工业的重要举措。目前国内燃气行业内常用的固定床气化炉，技术水平落后，普遍存在着原料适用性差、处理量小、放大困难、气体转化效率较低、生产的燃气中焦油含量高等问题，严重困扰了气化技术的进一步放大和终端用户的清洁使用。

煤炭气化技术的研究和开发已有上百年的历史，生物质和有机质固体废弃物的气化技术自上世纪80年代以来也得到了快速发展。目前已经工业化的气化技术主要有固定床气化、流化床气化和气流床技术。

固定床是最简单的气固反应器，其优点是操作简单，设备成本低，投资少。早期开发的气化炉，特别是中小型气化炉，几乎均使用固定床反应器。按照床内物料和气体流动方向的差异可分为上吸式和下吸式两种。由于上吸式固定床的合成气最后通过低温燃料床层，所以焦油含量极高，在实际中已很少被单独采用。而下吸式固定床气化炉的产品气经过高温半焦和渣灰层的裂解和重整后能有效除去生成的焦油。但是，由于缺乏对流传热，下吸式固定床内燃料的升温速率较慢，反应时间较长，单位床体积的燃料处理量低。此外，由于下行气流的影响，固定床内底层半焦燃烧所产生的高温区通常也不会太厚，实际运行时脱除的焦油量往往有限。另外，固定床气化多使用优质块状原料，无疑增加了燃料的成本，且难以适应大的燃料处理量。流化床气化炉具有较高的传热、传质速率，能够处理小粒径原料，适合大规模生产，生成的燃气组成和热值都比较稳定。但是生成的气体中焦油含量大、热值不高。此外，由于灰分中较高的含碳量，造成碳转化率较低。气流床气化反应温度高，气化强度大，碳转化率高，适合大型的煤化工基地使用，然而其原料灵活性较差，较难用来处理大颗粒的生物质等原料。

上述气化技术各有优劣，但从大规模处理宽粒径分布燃料的可行性来看，流化床气化技术最具竞争力。该技术设备简单，适合放大。但是流化床气化技术的各种缺点（参见前文所述）使得其并未受到实际应用的青睐。为此，为克服流化床气化方法的缺点，在其他气化方法中结合流化床反应器（主要是为了除去焦油和提高碳的转化率）的两段式气化方法和工艺越来越受到关注。

国外自上世纪80年代已经开始进行两段气化的实验研究，其中较典型的是丹麦Technical.University of Denmark(DTU)开发的联合外热式螺旋加料器（热解器）和下吸式固定床反应器（气化炉）的两段气化技术。木头碎片热解生成的含焦油的热解气和高温半焦一起进入下吸式气化炉，当热解气通过高温半焦气化层时脱除其中的焦油。通过在75kW的中试装置上气化木材颗粒3017小时，发现该工艺能将气化炉出口气中的焦油含量降低到50mg/Nm³以下，充分说明了两段气化装置在焦油脱除方面的优势。此外，韩国首尔大学（University of Seoul）开发了一个耦合流化床气化炉和上吸式固定床焦油处理器的两段气化技术，生物质颗粒在流化床内气化，生产的气化气最后通过放置活性炭的上吸式固定床床层，利用活性炭的吸附作用脱除焦油，从而降低了焦油的含量。

国内从上世纪90年代中期开始进行两段气化方面的研究，并取得了一定的进展。中国专利94190559.4公布了一种结合流化床热解和上吸式固定床气化炉的褐煤或泥煤两段气化工艺。燃料首先在流化床热解器中热解（400-700°C，＜50atm），生产的半焦被送入到上吸式固定床气化炉内气化（＜1200°C，＜50atm）。从热解器和气化炉中生产的气体各自排出，经混合后被送向终端的发电装置。中国专利CN1583956A公开了一种联合循环流化床气化炉和下吸式固定床气化炉的生物质两段气化工艺。前段生成的气化气与后段供入的生物质燃料在下吸式固定床中共气化。中国专利CN101440307A公布了一种耦合上吸式固定床气化炉和流化床气化炉的两段气化工艺。前段气化炉生产的气化气通过喉管进入到流化床气化炉中，利用流化床气化炉内的高温使得固定床气化炉产生的煤气中富含的焦油在流化床气化炉内部进一步裂解。中国科学院过程工程研究所开发了一种耦合流化床和下吸式固定床的两段气化工艺（CN1916123），该工艺结合了流化床和下吸式固定床的优点，适合放大，通过半焦床层的催化重整作用，能有效地降低焦油含量。