[发明专利]外换热管式多段气流床气化反应器

说明书

本发明是一种采用外换热方式，由一级管式反应器和两级塔式反应器构成的生物质和生物质半焦的水煤气‑甲烷化组合反应器。以生物质半焦粉或生物质粉为气化原料，以水蒸汽，热解液蒸汽和热解气作为为气化剂和辅助原料。通过换热器和气流通道的内部结构，调整三级反应器各自的工作状况，在较大范围内调整气化产物的氢，甲烷和一氧化碳比例，并可高效回收产出气的显热资源。本装置特别适应于与生物质热解装置耦合进行热解‑气化联合反应。

技术领域

本发明是一种采用外换热方式，由一级管式反应器和两级塔式反应器构成的生物质和生物质半焦的水煤气-甲烷化组合反应器，通过换热器和气流通道的内部结构，调整三级反应器各自的工作状况，在较大范围内调整气化产物的氢，甲烷和一氧化碳比例，可适应于不同类型的物料和不同气化产出气结构目标，并可高效回收产出气的显热资源，本装置特别适应于与生物质热解装置耦合进行热解-气化联合反应。

背景技术

生物质能是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。与矿物燃料相比,生物质能具有可再生、低污染和二氧化碳零排放等特点。与其它可再生能源相比,具有资源丰富、分布面广和用途广泛等特点。

生物质能源化的基本方式包括：直燃，热解和气化。直接燃烧发电是生物质能源化的常规方向之一。由于收集的难度和资源供应半径的影响，生物质直燃发电难以达到较大的运行规模，能量转化效率较低。加上污染物处理成本，项目的经济性较差。因而，生物质热解气化技术受到越来越多的关注。

生物质热解是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热升温引起分子分解，并生成半焦、可冷凝液体和气体产物等产物。生物质热解可在多种反应器内完成，根据热解工艺的类型、温度、压力、升温速率、原料的成分等的不同，形成差异较大的工艺路线和技术装备。从实际应用看，固定床反应器和循环流化床反应器是应用最多的两类生物质热解反应器。热解产出气中包括了一氧化碳、二氧化碳、氢、甲烷以及其他可燃气体。依据原料和工艺的不同，按热值计算，甲烷约占10-20%。占原料热值的相当比重。热解产出气中二氧化碳比例较高，导致部分碳损失。生物质热解液产生的可冷凝液体中含有乙酸、酯类、酚类等复杂有机化合物。生物质热解焦油组分的复杂程度，含氧量较高，实际难以应用，回收处理也存在较大难度。

 热解与气化的耦合。为克服生物质热解存在的问题，逐步发展出热解-气化耦合工艺。即将生物质原料首先在热解炉内发生热解反应, 分解成热解气体以及半焦, 然后热解气和半焦进入气化炉发生气化反应, 生成粗原料气。利用气化反应器的高温条件，分解焦油及其他大分子化合物，并使二氧化碳转化为一氧化碳。热解与气化的耦合被认为是生物质能源化的未来发展方向。热解与气化的耦合有着多种组合方式。

生物质气化技术是在一定的热力学条件下，借助于空气、氧气或水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、燃烧、氧化和还原重整反应，转化为以 CO、H2、CH4、CO2和少量其他烃类气体为主的技术。生物质气化是发展时间较早且技术较为成熟的规模化利用生物质的技术之一。气化炉是生物质气化的主要设备, 可分为固定床、流化床和气流床三种基本类型，每一种类型又有多种变形。其中，固定床气化炉分为上吸式和下吸式, 流化床气化炉分为鼓泡床和循环流化床。

 气流床气化是将气化剂（氧气和水蒸气）夹带着有机物细粉，通过特殊喷嘴或流道送入气化炉内。有机物细粉可以是煤、生物质半焦、生物质细粉或其他类型有机物细粉。根据反应室的不同可以分为釜式气流床和管式管式。釜式气流床是气流床气化的主要形式，德士古，壳，清华炉等均属于这一类型。在反应釜内高温辐射下，喷射进入的半焦与氧混合物瞬间发生氧化反应并产生大量热量。在炉内高温条件下，所有干馏产物均迅速分解，生物质半焦，及热解产生的热解气和热解液同时进行气化，生产以 CO 和 H2为主要成分的煤气和液态熔渣。气流床气化的基本特征是很高的反应温度，通常在1100-1500℃。主要优点是气化强度大，原料适应性广，碳转化率高，残碳率可控制在2%以内。釜式气流床气化是并流操作，炉内热效率不高，需有庞大的热回收系统。