專利名稱：生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法及設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物質為原料的氣化利用領域，具體地是指ー種生物質燃料ニ氧化碳循環無氧氣化方法及設備。
背景技術：
隨著公眾對全球氣候變暖趨勢的日益關注，溫室氣體減排已經越來越受到世界各國的重視，如美國GE能源與環境研究公司、美國零排放聯盟以及日本新能源綜合開發機構等也提出了零排放能源系統的概念。當前，解決溫室氣體零排放的主要エ藝方法是將ニ氧化碳作為反應物，通過化學 反應轉化為含碳產品，達到零排放的目的。發明專利授權公告號CN102060662B，一種可回收利用CO2的化工動カ多聯產能源系統及方法，即通過回收化工尾氣中的CO2，其中一部分CO2進行有氧氣化循環來制取合成氣，另一部分CO2通過添加天然氣進行重整反應，最終制取ニ甲醚或甲醇。該發明專利能回收利用CO2，但是該エ藝方法需要氧氣氣化，因而氣化過程中CO2轉化量有限，其中大部分CO2需通過天然氣重整反應來轉化，因而具有需氧耗、需消耗天然氣及エ藝流程復雜的缺點。
發明內容
本發明的目的是提出ー種生物質燃料ニ氧化碳循環無氧氣化方法及設備，該發明具有燃料轉化率高、無氧耗，エ藝流程簡單且整套系統溫室氣體ニ氧化碳排放量為零等顯著優點。為實現上述目的，本發明所提供的生物質燃料ニ氧化碳循環無氧氣化方法，它是僅采用CO2作為氣化劑將生物質燃料氣化成合成氣、并利用合成氣生產化工油品、以實現整體無氧氣化循環的エ藝過程，包括如下步驟I)氣化單元以回收合成氣自身所含的CO2和合成氣后續利用生成的CO2作為氣化齊U，使其在外部輔助能源的作用下與生物質燃料發生劇烈的氣化反應，生成主要成分為CO、CO2, CH4, H2, H2O, H2S, COS 的高溫合成氣；2)冷卻単元對所生成的高溫合成氣進行兩級熱交換器降溫處理，其中第一級熱交換器采用上述氣化劑CO2作為冷卻介質，用于預熱氣化劑CO2 ;第二級熱交換器采用水作為冷卻介質，得到副產品水蒸汽；3)洗滌單元對經過兩級熱交換降溫的合成氣進行旋風除塵和洗氣塔洗滌處理，得到進ー步降溫的潔凈合成氣；4)變換反應單元使所得潔凈合成氣與上述副產品水蒸汽進行水煤氣反應，將其中部分CO轉化為H2和CO2,以調節潔凈合成氣的品質達到催化合成反應所需的H2/C0比值范圍；5)脫硫単元對調質后的潔凈合成氣進行脫硫處理，將其中的H2S、C0S脫除掉；6)合成氣脫碳単元對脫硫后的潔凈合成氣進行脫碳處理，將其中的CO2分離出來；7)催化合成単元使脫硫脫碳后的潔凈合成氣通過催化變換反應合成化工油品，同時生成富含CO2的尾氣；8)尾氣脫碳単元對所生成的尾氣進行脫碳處理，將其中的CO2分離出來，剩余無溫室氣體直接或處理后對外排放；9)氣化劑循環單元將步驟6)和步驟8)所分離出來的CO2重新作為步驟2)中第ー級熱交換器的冷卻介質，經過對高溫合成氣換熱降溫，獲得預熱的氣化劑CO2,再利用它進行步驟I)中的氣化反應，如此循環最終實現整套エ藝零溫室氣體排放。作為優選方案，所述步驟I)中，氣化反應的溫度為60(Tl30(TC，高溫合成氣出口溫度為70(Tll0(TC ;所述步驟I)中，氣化反應的溫度為85(Tl250°C，高溫合成氣出口溫度 為 850 1100°C。進ー步地，所述步驟I)中，外部輔助能源為等離子炬能、微波能、太陽能、激光能或電感應能中的一種或幾種的組合，所述外部輔助能源占單位時間入爐原料總能量的10 30%。更進一歩地，所述步驟I)中，外部輔助能源占單位時間入爐原料總能量的I5 20%。進ー步地，所述步驟I)中，氣化劑CO2的用量與単位標態下產氣量的比值為
0.36、. 51 ;所述步驟I)中，生物質燃料的粒徑為50mm以下，氣化劑CO2的噴ロ流速為3(T60m/s ;所述步驟2)中，通過第一級熱交換器將氣化劑CO2預熱至35(T600°C。作為又ー種優選方案，所述步驟4)中，調節潔凈合成氣成分至H2/C0為2:1。為實現上述方法而設計的生物質燃料ニ氧化碳循環無氧氣化設備，包括氣化爐、余熱換熱器、余熱鍋爐、旋風除塵器、洗氣塔、變換反應塔、脫硫塔、合成氣脫碳塔、催化合成塔和尾氣脫碳塔，其特殊之處在于所述氣化爐的合成氣出口與余熱換熱器的熱介質輸入端相連，所述余熱換熱器的熱介質輸出端與余熱鍋爐的熱源輸入端相連，所述余熱鍋爐的熱源輸出端與旋風除塵器的進氣端相連，所述旋風除塵器的出氣端與洗氣塔的進ロ相連，所述洗氣塔的出口通過壓縮機與變換反應塔的進氣ロ相連，所述余熱鍋爐的蒸汽輸出端與變換反應塔的蒸汽入口相連；所述變換反應塔的出氣ロ與脫硫塔的輸入端相連，所述脫硫塔的輸出端與合成氣脫碳塔的輸入口相連，所述合成氣脫碳塔的輸出ロ與催化合成塔的原料進ロ相連，所述催化合成塔的副產物出口與尾氣脫碳塔的尾氣進ロ相連，所述尾氣脫碳塔和合成氣脫碳塔的CO2出ロ同時與余熱換熱器的冷介質輸入端相連,所述余熱換熱器的冷介質輸出端與氣化爐的氣化劑進ロ相連。作為優選方案，所述尾氣脫碳塔和合成氣脫碳塔的CO2出口同時與氣柜的進ロ相連，所述氣柜的出口通過鼓風機與余熱換熱器的冷介質輸入端相連。進ー步地，所述氣柜的進ロ還與啟動煅燒爐的CO2輸出ロ相連。更進一歩地，所述氣化爐的內腔下部設置有布風板，所述布風板下方的爐壁上設置有主氣化劑進ロ，所述布風板上方的爐壁上設置有輔氣化劑進ロ，所述輔氣化劑進ロ上方的爐壁上設置有外部輔助能量入口，所述余熱換熱器的冷介質輸出端分為兩路，一路與主氣化劑進ロ相連，另一路與輔氣化劑進ロ相連。本發明的優點在于其一，采用ニ氧化碳氣體作為整套系統循環エ質，具有整套エ藝系統零溫室氣體排放、零氧耗的優點。其ニ，充分結合生物質燃料自身特性，氣化單元僅采用ニ氧化碳作為氣化劑，無氧氣化，既補充了碳源又減少燃料燃燒份額，単位燃料轉化率高、有效氣體含量高。其三，對原料粒徑無特殊要求，只需簡單破碎，無需復雜處理，經濟性好。其四，采用外部熱源提供輔助熱能，能充分結合各種形式能源，能實現能源綜合利用。
圖I是本發明的生物質燃料ニ氧化碳循環無氧氣化設備的連接結構示意圖。圖2是圖I中氣化爐的結構示意圖。圖3是圖2中的A— A剖視結構示意圖。圖中氣化爐I，余熱換熱器2，余熱鍋爐3，旋風除塵器4，洗氣塔5，壓縮機6，變換反應塔7，脫硫塔8，合成氣脫碳塔9，催化合成塔10，尾氣脫碳塔11，氣柜12，鼓風機13，燃料14，外部輔助能量入口 15，輔氣化劑進ロ 16，給料入口 17，合成氣出口 18，布風板19，主氣化劑進ロ 20，排渣ロ 21，給料裝置22，冷渣器23，蒸汽24，冷渣25，飛灰26，合成油品27，合成尾氣28，CO2氣體29，合成氣30，排放氣31，啟動煅燒爐32，石灰石33。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明作進ー步地的詳細描述。圖中所示的生物質燃料ニ氧化碳循環無氧氣化設備，主要由氣化爐I、余熱換熱器
2、余熱鍋爐3、旋風除塵器4、洗氣塔5、變換反應塔7、脫硫塔8、合成氣脫碳塔9、催化合成塔10和尾氣脫碳塔11等組成。氣化爐I的頂部設有合成氣出ロ 18，氣化爐I的底部設有排渣ロ 21，氣化爐的中部外壁上設有給料入口 17，給料入口 17與給料裝置22相連。氣化爐I的內腔下部設置有布風板19，布風板19下方的爐壁上設置有主氣化劑進ロ 20，布風板19上方的爐壁上設置有輔氣化劑進ロ 16，輔氣化劑進ロ 16上方的爐壁上設置有外部輔助能量入口 15。氣化爐I的合成氣出ロ 18與余熱換熱器2的熱介質輸入端相連，余熱換熱器2的熱介質輸出端與余熱鍋爐3的熱源輸入端相連，余熱鍋爐3的熱源輸出端與旋風除塵器4的進氣端相連，旋風除塵器4的出氣端與洗氣塔5的進ロ相連，洗氣塔5的出ロ通過壓縮機6與變換反應塔7的進氣ロ相連，余熱鍋爐3的蒸汽輸出端與變換反應塔7的蒸汽入口相連。變換反應塔7的出氣ロ與脫硫塔8的輸入端相連，脫硫塔8的輸出端與合成氣脫碳塔9的輸入口相連，合成氣脫碳塔9的輸出口與催化合成塔10的原料進ロ相連，催化合成塔10的副產物出口與尾氣脫碳塔11的尾氣進ロ相連，尾氣脫碳塔11和合成氣脫碳塔9的CO2出口同時與余熱換熱器2的冷介質輸入端相連,余熱換熱器2的冷介質輸出端分為兩路，一路與主氣化劑進ロ 20相連，另一路與輔氣化劑進ロ 16相連。
尾氣脫碳塔11和合成氣脫碳塔9的CO2出ロ同時與氣柜12的進ロ相連，氣柜12的出ロ通過鼓風機13與余熱換熱器2的冷介質輸入端相連；氣柜12的進ロ還與啟動煅燒爐32的CO2輸出口相連。本發明中，生物質等固體燃料14首先通過給料裝置22由給料ロ 17送入氣化爐I內，循環的氣化劑CO2通過鼓風機13鼓入，氣化劑CO2分為兩路，一路通過主氣化劑進ロ 20引入，經過布風板19進入氣化爐I中；另一路通過輔氣化劑進ロ 16進入氣化爐I中，同吋，通過外部輔助能量入ロ 15引入熱能，在爐內進行高溫反應，最初進行熱解氣化，主要裂解生成C0、C02、CH4、H2及半焦，由于爐內反應溫度控制在60(Tl60(TC，高溫下主要由半焦物質與CO2氣體進行氣化反應，且氣化反應速率快，主要反應為C+C02=2C0+Q。以生物質稻殼測試，以INm3合成氣為基準，輔助能源量為入口燃料總能的15 25%，反應溫度800°C，需循環CO2量為0. 5INm3需生物質量0. 48kg，出ロ合成氣體積成份為C0 50 55%、C02 : 22 28%、H2 :6 12%。
高溫合成氣30由氣化爐I的合成氣出ロ 18引出，而燃料冷渣25由排渣ロ 21排出，經冷渣器23后排至渣場。其中，氣化爐反應區溫度控制在60(Tl30(TC，而85(Tl250°C為其最佳溫度。合成氣出ロ溫度控制在80(Tll0(TC范圍內。氣化單元中給料載氣、エ藝吹掃用氣均利用循環的CO2氣體。外部輸入能源占處理原料能量的15 30%。外部能源型式除采用等離子火炬外，也包含微波能、太陽能、激光能、電感應能等其他可轉換為熱能的能源型式。氣化劑CO2循環量可依據爐溫、燃料情況適當調節。氣化爐內氣化劑布風板噴ロ流速可依據燃料粒徑合理控制，較佳實例為粒徑在50mm以下范圍，風速為3(T60m/s。氣化爐啟動運行時，采用啟動煅燒爐32，利用外熱煅燒石灰石33，來制取高純CO2氣體作為啟動用氣。為了使本エ藝達到最佳工作效果，滿足エ藝整體性能要求，設計中關鍵是控制床層溫度，實時調節等離子功率及ニ氧化碳供給量。通過對合成氣出ロ監測單元來達到對上述關鍵因素的控制，也能實現連鎖控制，進行全自動化操作，提高運行穩定性。高溫合成氣30隨后進入余熱換熱器2中，與作為氣化劑的CO2氣體29進行換熱，起到預熱氣化劑的作用，提高了氣化爐轉化效率。一級降溫后的高溫合成氣然后進入余熱鍋爐3中繼續降溫，并副產水蒸汽24，兩級降溫后合成氣再經過旋風除塵器4、洗氣塔5進ー步對合成氣降溫除塵，分離下來的飛灰26經收集后排至渣場，其中預熱CO2溫度為350^600 0C o冷卻洗滌后的合成氣隨后通過壓縮機6升壓，升壓后進入變換塔7，在變換塔7內對合成氣進行調質處理，主要反應為水煤氣反應，其中水蒸汽24來源于余熱鍋爐3，這樣達到整體エ藝物質合理利用的目的。調質后的合成氣隨后進入脫硫塔8、合成氣脫碳塔9進行脫硫脫碳凈化處理。從合成氣脫碳塔9引出的潔凈合成氣隨后進入催化合成塔10，從合成氣脫碳塔9分離的CO2氣體29依靠余壓輸送至氣柜12。合成氣進入催化合成塔10中，通過合成反應將合成氣合成化工油品27，同時也伴隨生成合成尾氣28。合成尾氣28隨后送入尾氣脫碳塔11中，在塔內分離出CO2氣體29，剩余無溫室氣體的排放氣31處理后對外排放，如此實現整體エ藝零溫室氣體的排放。
合成氣脫碳塔9與尾氣脫碳塔11分離出的CO 2氣體29 —起進入氣柜12，通過鼓風機13后輸送至氣化爐I的主氣化劑進ロ 20及輔氣化劑進ロ 16處，如此進行氣化循環。
權利要求
1.一種生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法，它是僅采用CO2作為氣化劑將生物質燃料氣化成合成氣、并利用合成氣生產化工油品、以實現整體無氧氣化循環的工藝過程，包括如下步驟 1)氣化單元以回收合成氣自身所含的CO2和合成氣后續利用生成的CO2作為氣化齊U，使其在外部輔助能源的作用下與生物質燃料發生劇烈的氣化反應，生成主要成分為CO、CO2, CH4, H2, H2O, H2S, COS 的高溫合成氣； 2)冷卻單元對所生成的高溫合成氣進行兩級熱交換器降溫處理，其中第一級熱交換器采用上述氣化劑CO2作為冷卻介質，用于預熱氣化劑CO2 ;第二級熱交換器采用水作為冷卻介質，得到副產品水蒸汽； 3)洗滌單元對經過兩級熱交換降溫的合成氣進行旋風除塵和洗氣塔洗滌處理，得到進一步降溫的潔凈合成氣； 4)變換反應單元使所得潔凈合成氣與上述副產品水蒸汽進行水煤氣反應，將其中部分CO轉化為H2和CO2,以調節潔凈合成氣的品質達到催化合成反應所需的仏/CO比值范圍； 5)脫硫單元對調質后的潔凈合成氣進行脫硫處理，將其中的H2S、COS脫除掉； 6)合成氣脫碳單元對脫硫后的潔凈合成氣進行脫碳處理，將其中的CO2分離出來； 7)催化合成單元使脫硫脫碳后的潔凈合成氣通過催化變換反應合成化工油品，同時生成富含CO2的尾氣； 8)尾氣脫碳單元對所生成的尾氣進行脫碳處理，將其中的CO2分離出來，剩余無溫室氣體直接或處理后對外排放； 9)氣化劑循環單元將步驟6)和步驟8)所分離出來的CO2重新作為步驟2)中第一級熱交換器的冷卻介質，經過對高溫合成氣換熱降溫，獲得預熱的氣化劑CO2,再利用它進行步驟I)中的氣化反應，如此循環最終實現整套工藝零溫室氣體排放。
2.根據權利要求I所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法，其特征在于所述步驟I)中，氣化反應的溫度為60(Tl30(TC，高溫合成氣出口溫度為70(Tll0(TC。
3.根據權利要求I所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法，其特征在于所述步驟I)中，氣化反應的溫度為85(Tl250°C，高溫合成氣出口溫度為85(Tll00°C。
4.根據權利要求I或2或3所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法，其特征在于所述步驟I)中，外部輔助能源為等離子炬能、微波能、太陽能、激光能或電感應能中的一種或幾種的組合，所述外部輔助能源占單位時間入爐原料總能量的1(Γ30%。
5.根據權利要求4所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法，其特征在于所述步驟I)中，外部輔助能源占單位時間入爐原料總能量的15 20%。
6.根據權利要求I或2或3所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法，其特征在于所述步驟I)中，氣化劑CO2的用量與單位標態下產氣量的比值為O. 36、. 51。
7.根據權利要求I或2或3所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法，其特征在于所述步驟I)中，生物質燃料的粒徑為50mm以下，氣化劑CO2的噴口流速為3(T60m/s。
8.根據權利要求I或2或3所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法，其特征在于所述步驟2)中，通過第一級熱交換器將氣化劑CO2預熱至35(T600°C。
9.根據權利要求I所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法，其特征在于所述步驟4)中，用以調節潔凈合成氣成分至H2/C0為2:1。
10.一種為實現權利要求I所述方法而設計的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化設備，包括氣化爐(I)、余熱換熱器(2)、余熱鍋爐(3)、旋風除塵器(4)、洗氣塔(5)、變換反應塔(7)、脫硫塔(8)、合成氣脫碳塔(9)、催化合成塔(10)和尾氣脫碳塔(11)，其特征在于 所述氣化爐(I)的合成氣出口( 18 )與余熱換熱器(2 )的熱介質輸入端相連，所述余熱換熱器(2)的熱介質輸出端與余熱鍋爐(3)的熱源輸入端相連，所述余熱鍋爐(3)的熱源輸出端與旋風除塵器(4)的進氣端相連，所述旋風除塵器(4)的出氣端與洗氣塔(5)的進口相連，所述洗氣塔(5)的出口通過壓縮機(6)與變換反應塔(7)的進氣口相連，所述余熱鍋爐(3)的蒸汽輸出端與變換反應塔(7)的蒸汽入口相連； 所述變換反應塔(7)的出氣口與脫硫塔(8)的輸入端相連，所述脫硫塔(8)的輸出端與合成氣脫碳塔(9)的輸入口相連，所述合成氣脫碳塔(9)的輸出口與催化合成塔(10)的原料進口相連，所述催化合成塔(10)的副產物出口與尾氣脫碳塔(11)的尾氣進口相連，所述尾氣脫碳塔(11)和合成氣脫碳塔(9)的CO2出口同時與余熱換熱器(2)的冷介質輸入端相 連，所述余熱換熱器(2)的冷介質輸出端與氣化爐(I)的氣化劑進口相連。
11.根據權利要求10所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化系統，其特征在于所述尾氣脫碳塔(11)和合成氣脫碳塔(9)的CO2出口同時與氣柜(12)的進口相連，所述氣柜(12 )的出口通過鼓風機(13)與余熱換熱器(2 )的冷介質輸入端相連。
12.根據權利要求11所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化系統，其特征在于所述氣柜(12)的進口還與啟動煅燒爐(32)的CO2輸出口相連。
13.根據權利要求10或11或12所述的生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化系統，其特征在于所述氣化爐(I)的內腔下部設置有布風板(19)，所述布風板(19)下方的爐壁上設置有主氣化劑進口(20)，所述布風板(19)上方的爐壁上設置有輔氣化劑進口(16)，所述輔氣化劑進口(16)上方的爐壁上設置有外部輔助能量入口(15)，所述余熱換熱器(2)的冷介質輸出端分為兩路，一路與主氣化劑進口(20)相連，另一路與輔氣化劑進口(16)相連。
全文摘要
本發明公開了一種生物質燃料二氧化碳循環無氧氣化方法及設備，具體來說是一種僅利用二氧化碳作為氣化劑將生物質等固體燃料氣化成高品質合成氣，且回收合成氣自身二氧化碳氣體及合成氣后續利用工藝中生成的二氧化碳氣體進行氣化循環的整體工藝方法及設備，達到整套系統溫室氣體二氧化碳排放量為零的目的。該發明具有無氧耗，制取合成氣品質高，冷媒氣效率高，系統操作簡單，且整套系統溫室氣體二氧化碳排放量為零等顯著優點。
文檔編號C10J1/00GK102796561SQ20121028215
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月9日 優先權日2012年8月9日
發明者張巖豐, 張亮, 夏明貴, 劉文焱 申請人:武漢凱迪工程技術研究總院有限公司