專利名稱：一種用于寬粒徑分布燃料的兩段氣化方法及其氣化裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及潔凈能源技術領域，具體地，本發明涉及一種用于寬粒徑分布燃料的兩段氣化方法及其氣化裝置。
背景技術：
氣化是煤炭、生物質等含碳燃料轉化的主導途徑之一，是實現其綜合潔凈利用的重要技術手段。該技術廣泛應用于化工、冶金、民用和工業燃氣、建材、陶瓷等領域，是這些行業發展的龍頭技術，也是減少環境污染、節能、發展工業的重要舉措。目前國內燃氣行業內常用的固定床氣化爐，技術水平落后，普遍存在著原料適用性差、處理量小、放大困難、氣體轉化效率較低、生產的燃氣中焦油含量高等問題，嚴重困擾了氣化技術的進一步放大和 終端用戶的清潔使用。煤炭氣化技術的研究和開發已有上百年的歷史，生物質和有機質固體廢棄物的氣化技術自上世紀80年代以來也得到了快速發展。目前已經工業化的氣化技術主要有固定床氣化、流化床氣化和氣流床技術。固定床是最簡單的氣固反應器，其優點是操作簡單，設備成本低，投資少。早期開發的氣化爐，特別是中小型氣化爐，幾乎均使用固定床反應器。按照床內物料和氣體流動方向的差異可分為上吸式和下吸式兩種。由于上吸式固定床的合成氣最后通過低溫燃料床層，所以焦油含量極高，在實際中已很少被單獨采用。而下吸式固定床氣化爐的產品氣經過高溫半焦和渣灰層的裂解和重整后能有效除去生成的焦油。但是，由于缺乏對流傳熱，下吸式固定床內燃料的升溫速率較慢，反應時間較長，單位床體積的燃料處理量低。此外，由于下行氣流的影響，固定床內底層半焦燃燒所產生的高溫區通常也不會太厚，實際運行時脫除的焦油量往往有限。另外，固定床氣化多使用優質塊狀原料，無疑增加了燃料的成本，且難以適應大的燃料處理量。流化床氣化爐具有較高的傳熱、傳質速率，能夠處理小粒徑原料，適合大規模生產，生成的燃氣組成和熱值都比較穩定。但是生成的氣體中焦油含量大、熱值不高。此外，由于灰分中較高的含碳量，造成碳轉化率較低。氣流床氣化反應溫度高，氣化強度大，碳轉化率高，適合大型的煤化工基地使用，然而其原料靈活性較差，較難用來處理大顆粒的生物質等原料。上述氣化技術各有優劣，但從大規模處理寬粒徑分布燃料的可行性來看，流化床氣化技術最具競爭力。該技術設備簡單，適合放大。但是流化床氣化技術的各種缺點(參見前文所述)使得其并未受到實際應用的青睞。為此，為克服流化床氣化方法的缺點，在其他氣化方法中結合流化床反應器(主要是為了除去焦油和提高碳的轉化率)的兩段式氣化方法和工藝越來越受到關注。國外自上世紀80年代已經開始進行兩段氣化的實驗研究，其中較典型的是丹麥Technical. University of Denmark(DTU)開發的聯合外熱式螺旋加料器(熱解器)和下吸式固定床反應器(氣化爐)的兩段氣化技術。木頭碎片熱解生成的含焦油的熱解氣和高溫半焦一起進入下吸式氣化爐，當熱解氣通過高溫半焦氣化層時脫除其中的焦油。通過在75kW的中試裝置上氣化木材顆粒3017小時，發現該工藝能將氣化爐出口氣中的焦油含量降低到50mg/Nm3以下，充分說明了兩段氣化裝置在焦油脫除方面的優勢。此外，韓國首爾大學(University of Seoul)開發了一個稱合流化床氣化爐和上吸式固定床焦油處理器的兩段氣化技術，生物質顆粒在流化床內氣化，生產的氣化氣最后通過放置活性炭的上吸式固定床床層，利用活性炭的吸附作用脫除焦油，從而降低了焦油的含量。國內從上世紀90年代中期開始進行兩段氣化方面的研究，并取得了一定的進展。中國專利94190559. 4公布了一種結合流化床熱解和上吸式固定床氣化爐的褐煤或泥煤兩段氣化工藝。燃料首先在流化床熱解器中熱解(400-700° C，< 50atm),生產的半焦被送入到上吸式固定床氣化爐內氣化(< 1200° C，< 50atm)。從熱解器和氣化爐中生產的氣體各自排出，經混合后被送向終端的發電裝置。中國專利CN1583956A公開了一種聯合循環流化床氣化爐和下吸式固定床氣化爐的生物質兩段氣化工藝。前段生成的氣化氣與后段供入的生物質燃料在下吸式固定床中共氣化。中國專利CN101440307A公布了一種耦合上吸式固定床氣化爐和流化床氣化爐的兩段氣化工藝。前段氣化爐生產的氣化氣通過喉管進入到流 化床氣化爐中，利用流化床氣化爐內的高溫使得固定床氣化爐產生的煤氣中富含的焦油在流化床氣化爐內部進一步裂解。中國科學院過程工程研究所開發了一種耦合流化床和下吸式固定床的兩段氣化工藝(CN1916123)，該工藝結合了流化床和下吸式固定床的優點，適合放大，通過半焦床層的催化重整作用，能有效地降低焦油含量。目前，國內外開發的兩段氣化技術基本上都處于中試或工業示范階段，至今仍無大規模的商業化運行裝置，在裝置放大、原料適用性、裝置運行穩定性等方面還有待突破。丹麥DTU開發的技術由于受外熱螺旋熱解器的限制，該工藝很難進一步放大。此外，該工藝僅適合用來處理大顆粒尺寸的原料(25mmX35mmX 6mm),對原料尺寸的要求較高。韓國首爾大學(University of Seoul)開發的兩段氣化技術,雖然可以大量的處理原料,然而由于沒有充分利用氣化爐自身生產的半焦(使用大量商業化的活性炭)，大大增加了原料成本。中國專利94190559. 4所公布的兩段氣化技術由于流化床生成的熱解氣直接排出，造成了混合氣中焦油含量過大，實際應用中仍然需要配備后置的氣體凈化施設，無疑增加了設備的成本。中國專利CN1583956A公開的生物質兩段氣化工藝，由于缺少前氣化段所生產半焦的催化作用，其最終合成氣產品仍將具有較高的焦油含量，且可能達到的碳轉化率也不會特別高。中國專利CN101440307A所公布的兩段氣化工藝，由于高溫熱裂解對焦油脫除的效果有限，況且熱裂解后氣體中煙灰含量較大，不可避免的降低了碳的轉化率，也增加了后續凈化設備的投資。中國專利CN191612公布的兩段氣化工藝，在實際應用過程中，由于流化床生產小顆粒半焦直接進入下吸式固定床內，造成固定床層通氣性變差、床層壓降較大，對裝置的長期穩定運行有影響。相對國外的兩段氣化技術，公布的4個中國專利更適合放大，但是在焦油脫除效率或操作穩定性方面還有待進一步的提高。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的在于提供一種用于寬粒徑分布燃料的兩段氣化方法，主要用于氣化煤、生物質、城市垃圾、高含水固體廢棄物、石油焦中的一種或多種固體燃料、或上述固體燃料與其他氣、液態燃料的混合物，使其能夠克服上述兩段氣化裝置存在的弊端，提高氣化效率，改善原料適用性，使裝置規模易于放大，提高操作穩定性，生產出幾乎不含焦油的潔凈可燃氣或合成氣產品。本發明的目的還在于提供實施上述兩段氣化方法的氣化裝置，展示所發明方法的可行性和其具體應用，依此確切表明所發明氣化方法可靈活對應不同的燃料處理量，且比相同規模的上述DTU裝置更具低設備成本和運轉成本，比中國專利CN191612公布的兩段氣化工藝更具操作性。本發明的工藝原理如圖I所示。該工藝是利用解耦思想將燃料的干燥/熱解/部分氣化和半焦氣化/焦油重整兩個子過程分離。燃料由加料裝置I加入到流化床熱解器2內，經流化床底部氣化劑入口 A通入氣化劑、從流化床上部返料料腿3返回熱態半焦，在氣化劑和半焦的聯合加熱下使燃料進行干燥/熱解或部分氣化，生成的熱解產物通過溢流管5進入到下游的氣流床氣化爐6內，氣流床氣化爐6底部氣化劑入口 B通入氣化劑，使半焦在氣化爐內氣化，同時利用氣流床氣化爐內的高溫裂解、部分氣化、半焦對焦油的催化重整作用來脫除焦油，未反應完半焦經旋風分離器4分離后回到流化床熱解器2，生產出的潔凈 燃氣從出口 D排出，多余的灰渣從氣流床的出口 C處排出。本發明的用于寬粒徑分布固體燃料的兩段氣化方法，包括以下步驟I)將燃料經加料裝置加入到流化床熱解器內，同時向流化床熱解器內加入氣化齊IJ，在熱解器的半焦和氣化劑的加熱下對燃料進行干燥/熱解或部分氣化，生成含有半焦的固體產物和含有熱解氣、焦油或水蒸汽的氣體產物；2)將步驟I)生成的固體和氣體產物一起送入氣流床氣化爐內，同時向氣流床氣化爐內加入氣化劑，完成半焦的完全氣化，并同時利用氣流床內的高溫熱解、部分氧化和半焦的催化重整作用來脫除焦油，生產出潔凈的燃氣，未反應完全的半焦經旋風分離器分離后返回到流化床熱解器繼續反應。根據本發明的兩段氣化方法，其中，在加料裝置與流化床熱解器之間可以利用熱空氣或氣化爐出口高溫氣化氣的顯熱對燃料進行干燥及預熱。根據本發明的兩段氣化方法，其中，可以在氣流床氣化爐上部再次加入氣化劑，未反應完全的半焦在氣流床上部進行再氣化，充分利用再氣化作用來降低燃氣中的焦油含量。根據本發明的兩段氣化方法，其中，將未反應完全的半焦經旋風分離器分離后通過分配顆粒閥返回到流化床熱解器繼續反應，設置分配顆粒閥可以調節進入流化床熱解器的顆粒量，便于調節返回到流化床熱解器內的半焦量。根據本發明的兩段氣化方法，其中，所述燃料為煤、生物質、城市垃圾、高含水固體廢棄物、石油焦中的一種或多種固體燃料，或所述固體燃料與氣、液態燃料的混合物，其中，所述固體燃料粒徑小于10mm。根據本發明的兩段氣化方法，其中，所述氣化劑為純氧、富氧空氣、空氣、水蒸汽或二氧化碳中的一種或多種。本發明的用于上述用于寬粒徑分布燃料的兩段氣化方法的氣化裝置，包括加料裝置I、流化床熱解器2、返料料腿3、旋風分離器4、溢流管5、氣流床氣化爐6，流化床熱解器2的出料口與氣流床氣化爐6下方進料口通過溢流管5相連通；氣流床氣化爐6上方出料口依次連接旋風分離器4、返料料腿3 ;返料料腿3經流化床熱解器2上方伸入其內部；所述加料裝置I與流化床熱解器2的進料口相連。
根據本發明的氣化裝置，其中，加料裝置I與流化床熱解器2之間可以設置有加熱器7。根據本發明的氣化裝置，其中，氣流床氣化爐6上部可以設置有二次氣化劑入口。根據本發明的氣化裝置，其中，所述旋風分離器4可以通過一返料料腿3與顆粒分配閥8進料口相連，所述顆粒分配閥8 一側出料口用過另一返料料腿3與流化床熱解器2相連，另一側出料口通過溢流管5與氣流床氣化爐6相連。根據本發明的氣化裝置，其中，所述氣流床氣化爐可以為兩個氣流床上下串聯組成的復合床氣化爐9，其中，下段氣流床氣化爐的直徑小于上段。復合床氣化爐，下段氣化爐尺寸較小，氣流較大，小顆粒半焦迅速被輸送到上段氣流床氣化爐，大顆粒半焦在下段氣化加速。 本發明的技術優點如下將傳統的燃料氣化過程分為原料熱解和半焦氣化兩個子過程，并分別在上游的流化床熱解器和下游的氣流床氣化爐內進行。由于充分整合了流化床和氣流床反應器的優勢，本發明具有以下突出的技術效果I、原料來源廣，粒度分布寬，適用性強。本發明可以用來處理煤、生物質、城市垃圾、高含水固體廢棄物、石油焦，或一種或數種這些固體燃料、或與其他氣液態燃料的混合物，可同時處理粒狀和粉末狀物料。此外，由于流化床熱解器內的高溫、有氧氣氛對原料的預氧化作用，大大降低了進入氣流床氣化爐內物料的粘性，使得整個系統能夠處理一般粘性的原料。2、靈活的燃料處理量，易于放大。流化床反應器適合放大，物料在熱解器內的停留時間可以在較大的幅度內自由調節，保證了靈活的原料處理量。原料在高溫、有氧的流化床熱解器內干燥/熱解/部分氣化后生成半焦的體積遠小于初始的原料體積，這無疑降低了下游氣化爐的處理負荷，提高了氣化爐的處理量。3、設備構造簡單、操作控制容易。在本發明的氣化方法中，流化床熱解器使用廣泛，技術成熟，操作簡單。氣體和物料的擾動增強了物料的傳熱，物料熱解充分。生成的高溫半焦、熱解氣和焦油直接進入下游的氣流床氣化爐內，使得氣化爐內物料升溫速率更快，半焦的氣化速率更高。4、生成氣體中焦油含量低，燃氣不需要凈化(或需簡單凈化)即可使用。焦油在流化床熱解器中大量生成并在床內經過初步的二次裂解，然后進入氣流床氣化爐內，經過氣化爐內的高溫裂解、部分氧化和半焦的催化重整作用，最終被轉化為氣體，提高了燃氣的潔凈程度和用途。5、較高的碳轉化率和氣化效率。本發明所述的方法幾乎可以對生成的焦油進行全部轉化，生成CO和H2，提高了氣化效率。此外，在流化床內生成的CO2充分參與下游的氣流床氣化爐內的半焦氣化反應，降低了氣體中CO2的濃度，減少了氣化爐中空氣等其他氣化劑的供應量，達到提高燃氣熱值和碳轉化率的效果。
圖I為本發明的適合寬粒徑分布固體燃料的兩段氣化方法的基本原理示意圖。圖2為本發明的適合寬粒徑分布固體燃料的兩段氣化裝置結構示意圖。圖3本發明的適合寬粒徑分布固體燃料的兩段氣化裝置(含加熱器)結構示意圖。
圖4本發明的適合寬粒徑分布固體燃料的兩段氣化裝置結構示意圖；其中，氣流床氣化爐上部設置有氣化劑入口圖5本發明的適合寬粒徑分布固體燃料的兩段氣化裝置(含顆粒分配閥)結構示意圖。圖6本發明的適合寬粒徑分布固體燃料的兩段氣化裝置(復合床氣化爐)結構示意圖。附圖標識I、加料裝置 2、流化床熱解器 3、返料料腿4、旋風分離器 5、溢流管6、氣流床氣化爐7、預熱器8、顆粒分配閥9、復合床氣化爐
具體實施例方式以下參照具體的實施例來說明本發明，這些實施例僅用于說明本發明的目的，其不以任何方式限制本發明的范圍。本發明的用于寬粒徑分布固體燃料的兩段氣化方法，包括以下步驟 I)將燃料經加料裝置加入到流化床熱解器內，同時向流化床熱解器內加入氣化齊IJ，在熱解器的半焦和氣化劑的加熱下對燃料進行干燥/熱解或部分氣化，生成含有半焦的固體產物和含有熱解氣、焦油或水蒸汽的氣體產物；2)將步驟I)生成的固體和氣體產物一起送入氣流床氣化爐內，同時向氣流床氣化爐內加入氣化劑，完成半焦的完全氣化，并同時利用氣流床內的高溫熱解、部分氧化和半焦的催化重整作用來脫除焦油，生產出潔凈的燃氣，未反應完全的半焦經旋風分離器分離后返回到流化床熱解器繼續反應。根據本發明的兩段氣化方法，在加料裝置與流化床熱解器之間可以利用熱空氣或氣化爐出口高溫氣化氣的顯熱對燃料進行干燥及預熱。根據本發明的兩段氣化方法，可以在氣流床氣化爐上部再次加入氣化劑，未反應完全的半焦在氣流床上部進行再氣化，充分利用再氣化作用來降低燃氣中的焦油含量。根據本發明的兩段氣化方法，可以將未反應完全的半焦經旋風分離器分離后通過分配顆粒閥返回到流化床熱解器繼續反應，設置分配顆粒閥可以調節進入流化床熱解器的顆粒量，便于調節返回到流化床熱解器內的半焦量。本發明的用于寬粒徑分布燃料的兩段氣化裝置，如圖2所示，包括加料裝置I、流化床熱解器2、返料料腿3、旋風分離器4、溢流管5、氣流床氣化爐6 ;流化床熱解器2的出料口與氣流床氣化爐6下方進料口通過溢流管5相連通；氣流床氣化爐6上方出料口依次連接旋風分離器4、返料料腿3 ;返料料腿3經流化床熱解器2上方伸入其內部；所述加料裝置I與流化床熱解器2的進料口相連。燃料由加料裝置I加入到流化床熱解器2內，經流化床底部氣化劑入口 A通入氣化劑、從流化床上部返料料腿3返回熱態半焦，在氣化劑和半焦的聯合加熱下使燃料進行干燥/熱解或部分氣化，生成的熱解產物通過溢流管5進入到下游的氣流床氣化爐6內，氣流床氣化爐6底部氣化劑入口 B通入氣化劑，使半焦在氣化爐內氣化，同時利用氣流床氣化爐內的高溫裂解、部分氣化、半焦對焦油的催化重整作用來脫除焦油，未反應完半焦經旋風分離器4分離后回到流化床熱解器2，生產出的潔凈燃氣從出口 D排出，多余的灰渣從氣流床的出口 C處排出。根據本發明的氣化裝置，其中，在加料裝置I與流化床熱解器2的進料口之間可以設置有加熱器7，如圖3所示，利用熱空氣或氣化爐出口高溫氣化氣的顯熱對燃料進行干燥及預熱。 根據本發明的氣化裝置，其中，在氣流床氣化爐6上部可以設置有二次氣化劑入口 E，如圖4所示，在氣流床氣化爐上部再次加入氣化劑，未反應完全的半焦在氣流床上部進行再氣化，充分利用再氣化作用來降低燃氣中的焦油含量。根據本發明的氣化裝置，其中，所述旋風分離器4可以通過一返料料腿3與顆粒分配閥8進料口相連，如圖5所示，所述顆粒分配閥8 一側出料口通過另一返料料腿3與流化床熱解器2相連，另一側出料口通過溢流管5與氣流床氣化爐6相連。將未反應完全的半焦經旋風分離器4分離后通過分配顆粒閥8返回到流化床熱解器繼續反應，設置分配顆粒 閥可以調節進入流化床熱解器的顆粒量，便于調節返回到流化床熱解器內的半焦量。分配顆粒閥下部設置有氣化劑入口 F，可通入氣化劑，使半焦在分配顆粒閥內反應，反應后產物通過溢流管5進入到下游的氣流床氣化爐6內。根據本發明的氣化裝置，所述氣流床氣化爐可以為兩個氣流床上下串聯組成的復合床氣化爐9，如圖6所示，其中，下段氣流床氣化爐的直徑小于上段。復合床氣化爐，下段氣化爐尺寸較小，氣流較大，小顆粒半焦迅速被輸送到上段氣流床氣化爐，大顆粒半焦在下段氣化加速。
權利要求
1.一種用于寬粒徑分布燃料的兩段氣化方法，包括以下步驟 1)將燃料經加料裝置加入到流化床熱解器內，同時向流化床熱解器內加入氣化劑，在熱解器的半焦和氣化劑的加熱下對燃料進行干燥/熱解或部分氣化，生成含有半焦的固體產物和含有熱解氣、焦油或水蒸汽的氣體產物； 2)將步驟I)生成的固體和氣體產物一起送入氣流床氣化爐內，同時向氣流床氣化爐內加入氣化劑，完成半焦的完全氣化，并同時利用氣流床內的高溫熱解、部分氧化和半焦的催化重整作用來脫除焦油，生產出潔凈的燃氣，未反應完全的半焦經旋風分離器分離后返回到流化床熱解器繼續反應。
2.根據權利要求I所述的兩段氣化方法，其特征在于，在加料裝置與流化床熱解器之間對燃料進行干燥及預熱。
3.根據權利要求I所述的兩段氣化方法，其特征在于，使未反應完全的半焦在氣流床上部進行再氣化。
4.根據權利要求I所述的兩段氣化方法，其特征在于，將未反應完全的半焦經旋風分離器分離后通過分配顆粒閥返回到流化床熱解器繼續反應。
5.根據權利要求1-4所述的兩段氣化方法，其特征在于，所述燃料為煤、生物質、城市垃圾、高含水固體廢棄物、石油焦中的一種或多種固體燃料，或所述固體燃料與氣、液態燃料的混合物，其中，所述固體燃料粒徑小于10_。
6.根據權利要求1-4所述的兩段氣化方法，其特征在于，所述氣化劑為純氧、富氧空氣、空氣、水蒸汽或二氧化碳中的一種或多種。
7.一種用于權利要求I所述用于寬粒徑分布燃料的兩段氣化方法的氣化裝置，包括加料裝置(I)、流化床熱解器(2)、返料料腿(3)、旋風分離器(4)、溢流管(5)、氣流床氣化爐(6 )，其特征在于，流化床熱解器(2 )的出料口與氣流床氣化爐(6 )下方進料口通過溢流管(5)相連通；氣流床氣化爐(6)上方出料口依次連接旋風分離器(4)、返料料腿(3);返料料腿(3 )經流化床熱解器(2 )上方伸入其內部；所述加料裝置(I)與流化床熱解器(2 )的進料口相連。
8.根據權利要求7所述的氣化裝置，其特征在于，加料裝置(I)與流化床熱解器(2)之間設置有加熱器(7)。
9.根據權利要求7所述的氣化裝置，其特征在于，氣流床氣化爐(6)上部設置有二次氣化劑入口。
10.根據權利要求7所述的氣化裝置，其特征在于，所述旋風分離器(4)通過一返料料腿(3)與顆粒分配閥(8)進料口相連，所述顆粒分配閥(8) —側出料口通過另一返料料腿(3)與流化床熱解器(2)相連，另一側出料口通過溢流管(5)與氣流床氣化爐(6)相連。
11.根據權利要求7所述的氣化裝置，其特征在于，所述氣流床氣化爐為兩個氣流床氣化爐上下串聯組成的復合床氣化爐(9)，其中，下段氣流床氣化爐的直徑小于上段。
全文摘要
本發明涉及一種用于寬粒徑分布燃料的兩段氣化方法及其氣化裝置。本發明的用于寬粒徑分布燃料的兩段氣化方法，包括以下步驟1)將燃料經加料裝置加入到流化床熱解器內，同時向流化床熱解器內加入氣化劑，在熱解器的半焦和氣化劑的加熱下對燃料進行干燥/熱解或部分氣化；2)將步驟1)生成的固體和氣體產物一起送入氣流床氣化爐內，同時向氣流床氣化爐內加入氣化劑，完成半焦的完全氣化，并同時利用氣流床內的高溫熱解、部分氧化和半焦的催化重整作用來脫除焦油，生產出潔凈的燃氣。本發明將傳統的燃料氣化過程分為原料熱解和半焦氣化兩個子過程，并分別在上游的流化床熱解器和下游的氣流床氣化爐內進行。
文檔編號C10J3/66GK102703131SQ20121014456
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者張聚偉, 曾璽, 汪印, 許光文, 趙志剛 申請人:中國科學院過程工程研究所