一种生物质移动床热解流化床气化复合反应装置.pdf

一种生物质移动床热解流化床气化复合反应装置，其装置设有一个带有进料口和气体出口的移动床热解反应段，并在其一端部连通有一个底部带有气化剂输入管和排灰口的流化床气化反应段，移动床热解反应段和流化床气化反应段进行热解和气化反应。本发明将移动床热解和流化床气化有机地结合在一起，物料转化效率高，气化气和生物质逆行运行，出口温度低，热效率高。

1.  一种生物质移动床热解流化床气化复合反应装置，其所述的复合装置设置有：一个一端部带有物料进口(1)和气体出口(2)的移动床热解反应段(3)，另一端部连通有一个底端带有排灰通道(11)和气化剂输入管(8)的流化床气化反应段(6)，移动床热解反应段(3)和流化床气化反应段(6)进行热解和气化复合反应。

2.  如权利要求1所述的一种复合反应装置，其移动床热解反应段(3)的左上部设置有物料进口(1)和气体出口(2)，右端下部通过连接通道(5)连通有流化床气化反应段(6)。

3.  如权利要求1或2所述的一种复合装置，其移动床热解反应段(3)内设置有螺旋推进器I(4)；右半部外设置有电阻丝加热器I(13)。

4.  如权利要求1所述的一种复合反应装置，其流化床气化反应段(6)底端设置有排灰通道(11)和气化剂输入管(8)，气化剂输入管(8)连通有气化剂分布器(7)，排灰通道(11)下端设置有螺旋推进器II(9)通过排灰口(10)排灰。

5.  如权利要求1或4所述的一种复合反应装置，其流化床气化反应段(6)外设置有电阻丝加热器II(12)。

一种生物质移动床热解流化床气化复合反应装置
技术领域
本发明涉及一种生物质热解和生物质气化复合反应装置，特别是一种用于同时实现生物质热解与生物质气化生产可燃气体燃料的生物质气化装置。
背景技术
生物质产生生物质能的主要技术手段是生物质气化反应，生物质气化是利用氧气或含氧物质做气化剂，将固体生物质中的碳氧化合物生成可燃气体的过程。在此过程中，还伴随有碳与水蒸气的反应及碳与氢的反应。
生物质气化过程的基本反应包括原料的干燥(100～150℃)，热分解反应(＞160℃)，还原反应(二氧化碳还原的反应、水蒸气还原的反应、甲烷生成反应及一氧化碳变换反应)，氧化反应(炭与氧发生氧化反应生成二氧化碳及一氧化碳)。
固体生物质气化时所用的设备是生物质气化的核心，包括固定床气化器和流化床气化器两种类型，而固定床气化器和流化床气化器又都有多种不同形式。
固定床气化器可分为下吸式气化器、上吸式气化器、平吸式气化器以及这三种类型的变种及其相互结合构成的复合式气化反应器。其优点是气化器结构简单，操作方便，运行安全可靠，产出气体中焦油含量少等。其不足是不同类型的固定床气化器对原料有不同的要求，产出气出炉温度高，气化器内温度分布不均匀，生产能力不能在较大范围内波动，连续运作能力不强。
流化床气化器按气化器结构和气化过程可分为鼓泡床气化器、循环流化床气化器、双流化床气化器及携带床气化器。与固定床相比，流化床内温度均匀，气固混合改善，热量与质量的传递加速，反应剧烈，气化强度高，生产能力可在较大范围内波动，适用于连续运转的场合。其不足是系统复杂，产出气体中的带出物较多，运行控制和检测手段较复杂，设备投资大。
现有文献CN1446880A公开报道了“一种负压燃烧的生物质气化方法核装置”，采用引风机与烟管或煤气出口相连接，在反应器内部形成一个负压环境，确保生产能连续进行，不会发生煤气泄漏，保证了生产的安全。但负压条件下产品气中会带出大量的未反应炭颗粒，降低了原料利用效率和产气率。
现有文献CN1221777A公开报道了一种“生物质氧气气化产生中热值气体的方法及装置”，该反应器采用循环流化床，在富氧气氛下快速流化，加热和气化，未反应的炭在床外经气固分离，再循环回到炉内继续反应。富氧气氛下虽然提高了原料的转化率，但产品气中氧含量提高，致使产品气热值受限。
现有文献CN101161777A公开报道了一种“新型生物质固体颗粒热解反应器”，该装置能在隔绝空气的条件下，通过调节热解反应器的振动、底部壁面的倾斜角度和加热温度，即可根据要求实现对生物质固体颗粒的热解气化、热解液化和热解炭化，不需要通入流化载气，内部也不需要安装运动部件。隔绝空气条件下，生物质原料热解后剩余大量的残炭，且产品气量受限；原料气化效率不高，产品气热值低。
现有文献CN1274739A公开报道了一种“生物质中热值气化系统”，该系统主要包括气化炉、催化裂解降CO系统、分离器及二级可燃气冷却器等。生物质原料经提升机送入气化炉，经间壁式加热和热解气化反应转换成中热值可燃性气体，通过催化裂解降CO系统后，经分离器和二级可燃气冷却器，脱水以及除燃气中含有的剩余焦油和杂质，焦油进入焦油沉清池，生产的可燃气体大部分供用户，少量可燃气体经燃烧器和燃烧室烧给气化炉供热，气化炉排出的半焦还田。
现有生物质气化装置使用单一类型的反应器装置，同时，为了提高生物质原料的转化率大都采用空气、纯氧做气化剂，此举虽然能提高生物质的转化率，但增加了产品气中氮气或氧的含量，降低了产品气的热值。
由于利用固定床和流化床对生物质进行气化都存在一定的不足，而现有气化反应器都没有将固定床反应器和流化床反应器优点发挥出来，因此，在生物质气化工艺上迫切需要将固定床气化器和流化床气化器各自的优点发挥出来，进一步提高生物质气化的能力。
本发明装置主要解决生物质热解和生物质气化两个独立过程的合理统一问题，充分利用生物质在生物质热解和生物质气化两个过程的特性，结合固定床和流化床各自的优点，进一步提高生物质热能转化效率和气化气热值，把分散的、低品位的，低附加值的、不易运输的生物质转化为高品位的、清洁的、高附加值的、能够远距离运输的燃气产品。另外，由于生物质原料含硫和含氮量均较低，灰分份额也较小，燃烧过程中SO_X、NO_X和灰尘排放量均比化石燃料小得多。同时，生物质在其利用过程中，对大气环境的二氧化碳净排放量为零，不会像化石燃料一样引起和加剧温室效应。符合环保及二氧化碳减排的要求。
发明内容
本发明利用电加热将移动床热解和流化床气化有机地结合在一起，对生物质进行热解和气化反应，以克服单一使用移动床或流化床对生物质进行气化反应的不足，并提供一种生物质移动床热解和流化床气化复合反应装置。
本发明所述的一种生物质移动床热解和流化床气化复合反应装置，包括电阻丝加热器、螺旋输送器、移动床热解器和流化床气化器，其所述的复合装置设置有：一个一端部带有物料进口和气体出口的移动床热解反应段，另一端部连通有一个底端带有排灰通道和气化剂输入管的流化床气化反应段，移动床热解反应段和流化床气化反应段进行热解和气化复合反应。
本发明所述的一种复合反应装置中，其所述的移动床热解反应段的左上部设置有物料进口和气体出口，右端下部通过连接通道连通有流化床气化反应段；所述的移动床热解反应段内设置有螺旋推进器I；右半部外设置有电阻丝加热器I；所述的流化床气化反应段底端设置有排灰通道和气化剂输入管，气化剂输入管连通有气化剂分布器，排灰通道下端设置有螺旋推进器II通过排灰口)排灰；所述的流化床气化反应段外设置有电阻丝加热器II。
本发明装置采用电阻丝加热器加热，可根据原料和气化气的变化灵活调节反应温度；反应温度较低时，可将进料速度减慢，热解和气化时间延长，气体产出速率降低；反应温度较高时，可将进料速度加快，热解和气化时间缩短，气体产出速率升高；另外，可根据原料供应及用气量的情况实时开停车，方便灵活。
本发明将移动床热解和气流床气化有机地结合于一起，与生物质秸秆热解前比重小、难以移动需移动热解，热解后残留炭透气性差需流化床气化的特点相匹配，提高了物料的转化效率。在这一过程中的气化气和生物质物料逆行运行，出口温度低，热效率高，产品气含尘量低，易于净化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1：物料进口；2：气体出口；3：移动床热解反应段；4：螺旋推进器I；5：连接通道；6：流化床气化反应段；7：气化剂分布器；8：气化剂输入管；9：螺旋推进器II；10：排灰口；11：排灰通道；12：电阻丝加热器II；13：电阻丝加热器I；
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施方式进一步详细描述本发明提出的一种生物质移动床热解流化床气化复合反应装置，所属技术领域的技术人员能够理解和实现本发明所述的技术方案，并且也能够达到本发明的所述效果。
实施方式
参见图1，实施本发明所述的一种生物质移动床热解流化床气化复合反应装置，包括移动床热解反应段和流化床气化反应段。原料由物料进口1进入螺旋推进的移动床热解反应段3，生物质受热脱水干燥，热解析出挥发份，随热解完成，在螺旋推进器I 4的作用下，从移动床热解反应段3经连接通道5口进入流化床气化反应段6，在流化床气化反应段6内与下部气化剂输入管8进入，再经气化剂分布器7进入上升的气化剂发生气化反应。气化反应后剩余的气化残留物(灰分)从排灰通道11进入排灰螺旋器II9，在螺旋推进器II9的推进作用下，将灰从排灰口10排出。
在流化床气化反应段6产生的高温气化气、部分未反应的固体物料及部分灰分等，通过连接通道5进入移动床热解反应段3，一方面与热解气发生二次反应，参与热解反应；另一方面与移动床热解反应段3内的物料进行热交换，提高热量利用效率。气化气和热解气混合成为产品气，产品气与物料逆行换热后从气体出口2排出送往净化工段，再经净化后输出产品气。
通过调节进料速度和气化剂输入的速度，确保流化床气化反应段6内部物料处于流化状态，同时也可以控制物料在流化床气化反应段6内部的停留时间。
根据原料含水量的不同，通过电阻丝加热器II 12控制移动床热解反应段3的热解温度；通过螺旋推进器I 4控制进料速度。
移动床热解反应段3产生的焦油随热解残炭进入流化床气化反应段6，或高温裂解、或二次参与气化反应，提高原料的利用效率，降低产品气中的焦油含量，减轻后续产品气净化工段的负担，降低产品气净化工段的投资成本。
螺旋推进物料的移动床热解反应段3的反应温度是500～700℃，反应温度通过电阻丝加热器II 12控制。
流化床气化反应段6的反应温度是700～900℃，反应温度通过电阻丝加热器I 13控制。
螺旋推进物料的移动床热解反应段3的电阻丝加热器II 12与流化床气化反应段6的电阻丝加热器I 13控温相互独立。
实施本发明的一种生物质移动床热解和流化床气化复合装置，该装置采用电阻丝加热器I 13和电阻丝加热器II 12加热为生物质热解和气化过程提供热量；反应装置前段为移动床热解反应段3，后段为流化床气化反应段6，两段之间通过连接通道5连接。生物质首先在移动床热解反应段3进行热解反应，热解后的残炭然后在流化床气化反应段6进行气化反应，且气体出口2位于移动床热解反应段3，流化床气化反应段6的气化气经移动床热解段3与物料进行热交换，出气口气体温度降低，提高了热利用率。
气化剂采用水蒸气(可混入部分空气)，由流化床气化反应段6底部经气化剂分布器7进入流化床气化反应段6，降低了产品气中的氧含量。产品气中的一氧化碳、甲烷和氢气含量增加，产品气的热值高；炉灰由底部经排灰口10排出炉外。
生物质原料在移动床热解反应段3主要发生生物质热分解反应；当温度低于150℃时，生物质有机质热分解速度非常缓慢，化学组成也几乎不发生变化，这个过程主要是水分蒸发。随着螺旋推进器I 4推进物料的前行，温度逐渐升高，热分解反应开始明显，有机组成也开始变化；高于200℃，半纤维素开始分解，生成CO₂和CO等气体；高于400℃时，生物质发生剧烈的热分解，产生大量的气体，其组成中CO₂和CO逐渐减少，而CH₄和H₂等开始增多，此时已排出生物质原料中的大部分挥发组分，原料基本上完成热解炭化过程。因此，将移动床热解反应段3的反应温度设计为500～700℃，目的是为了让生物质原料尽可能的完全地释放挥发份，热解炭化完全。
生物质原料在移动床热解反应段3完成热解炭化过程，其热解残炭进入流化床气化反应段6进行气化反应。本装置采用水蒸气(可补入部分空气)为气化剂气化，该气化过程主要进行水蒸气还原的反应、二氧化碳还原的反应、甲烷生成反应和一氧化碳变换反应，其主要反应方程式为：
水蒸气还原的反应：
C+H₂O_(g)＝CO+H₂；ΔH＝+118.628kJ/mol    (1)
C+2H₂O_(g)＝CO₂+2H₂；ΔH＝+75.114kJ/mol    (2)
二氧化碳还原的反应：
C+CO₂＝2CO；ΔH＝+162.142kJ/mol    (3)
甲烷生成的反应：
2C+2H₂O＝CH₄+CO_2(g)；ΔH＝-677.286kJ/mol    (4)
C+2H₂＝CH₄；ΔH＝-752.400kJ/mol    (5)
CO+3H₂＝CH₄+H₂O_(g)；ΔH＝-2035.66kJ/mol    (6)
CO₂+4H₂＝CH₄+H₂O_(g)；ΔH＝-827.514kJ/mol    (7)
一氧化碳变换反应：
CO+H₂O_(g)＝CO₂+H₂；ΔH＝-43.514kJ/mol    (8)
(1)和(2)两个反应都是吸热反应，因此温度增加都将有利于水蒸气还原反应的进行。但生成CO和CO₂的反应平衡常数是不同的。在温度低于700℃时，生成CO₂反应常数比生成CO的大，此温度下不利于CO的生成，有利于CO₂的生成。当温度高于700℃时情况恰恰相反，有利于生成CO的反应进行。且随着温度的增加，(1)式的反应平衡常数上升速度快，(2)式的反应平衡常数上升速度慢，由此可知，提高温度有利于提高CO含量和降低CO₂含量；此外，温度低于700℃时，水蒸气与炭的反应速率极为缓慢。(3)式是强烈的吸热反应，因而温度愈高，CO₂的还原将愈彻底，CO的形成将更多。有效的CO₂还原温度是在800℃以上，随温度的升高，CO₂的含量急剧减少。900℃时，(3)式的平衡组分为：CO＝97.88％，CO₂＝2.12％。(4)式是强烈的放热反应，甲烷是稳定的化合物，当温度高于600℃时，甲烷就不在稳定了，因而反应将向分解的方向CH₄＝C+2H₂进行；(5)、(6)和(7)是生成甲烷的放热反应，800℃时，C+H₂反应混合物的组成为：CH₄＝4.41％，H₂＝95.59％。(8)式是气化阶段生成的CO与水蒸气之间的反应，是提供气化过程中甲烷化反应所需H₂源的基本反应；但温度高于850℃时，此反应的正反应速度高于逆反应速度，通常要求反应温度高于900℃时该反应才能顺利进行。因此，将流化床气化反应段反应温度设计为700～900℃，一方面是为了提高产品气中H₂、CO和CH₄的含量，降低CO₂含量，提高产品气的热值；另一方面是为了降低对装置材料的要求，降低了投资成本。
气化剂中补入部分空气时，气化过程可发生氧化反应：
C+O₂＝CO₂；ΔH＝-408.177kJ/mol    (9)
2C+O₂＝2CO；ΔH＝-246.034kJ/mol    (10)
除生成CO₂外，由于是限氧燃烧，氧气的供给是不充分的，因而不完全燃烧反应同时发生，生成一氧化碳，同时放出热量。当外部供热不能满足气化反应所需的热量时，可向气化剂中补入空气，利用氧化反应放出的热量为气化反应提供一部分热量。
本装置实施气化过程在流化床气化反应段6。气化剂由气化剂输入管8经气化剂分布器7进入流化床气化反应段6。气化反应在流化床气化反应段6下层主要有(1)、(2)和(4)反应进行；当气化剂中补入空气时，反应(9)和(10)也同时进行。在流化床气化反应段6上层主要有(3)、(5)、(6)、(7)和(8)反应进行。气化反应所得气化气跟随热流一起进入移动床热解反应段3。反应后的灰分落进排灰通道11经螺旋推进器9从排灰口10排出。该设计下，由于气化气和热流方向一致，所以工作时不必消耗很大的动力；此外，排灰通道10由于受到进风的冷却，工作安全可靠。
本装置实施热解过程在移动床热解反应段3，该反应段前段为干燥区，后段为热解区。在热解区，来自流化床气化反应段6的高温气化气在移动床热解反应段3内一方面为热解过程提供一部分热量，提高热利用效率；另一方面高温气化气与热解气及部分热解焦油进行二次反应，同时，气化气和热解气在流经移动床热解反应段3时得到滤清，可以使气体出口气体中灰分减少，减轻后续气体净化工序的负担。在干燥区，气化气和热解气与生物质原料进行热交换，使生物质内的水分蒸发，变成干物料，有效利用气体余热，降低出口气体的温度，提高热效率。
本发明装置由移动床热解反应段和流化床气化反应段两段组成。移动床热解反应段内带有螺旋推进器，其中左半部上设有进料口和气体出口，右半部上设有电阻丝加热器。移动床热解反应段下部与流化床气化反应段上部连接，流化床气化反应段底部设有气化剂输入管和排灰口，流化床气化反应段外部设有电阻丝加热器；气化剂输入管与气化剂分布器连接，排灰通道的下端设置有螺旋推进器并通过排灰口排灰。