專利名稱：用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物質(zhì)的高效潔凈制取合成氣的一種新方法，進(jìn)一步涉及一種用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法。
背景技術(shù)：
由于石油資源儲(chǔ)量有限和國際市場供應(yīng)不穩(wěn)定，從合成氣制造化學(xué)產(chǎn)品日益受到重視。目前合成氣主要通過煤氣化、天然氣氣化以及重渣油氣化等途徑來獲得。生物質(zhì)是一種可再生能源，儲(chǔ)量非常豐富，作為替代能源利用可實(shí)現(xiàn)CO2零排放，且其中的S、N含量低，大大減輕溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。國內(nèi)外有關(guān)生物質(zhì)的高效利用研究主要集中在燃燒、氣化利用方面，通過氣化獲取可燃?xì)鈦砣紵峄虬l(fā)電。常規(guī)的生物質(zhì)熱解氣化效率低，可燃?xì)怏w熱值較低，氣化過程產(chǎn)生的焦油較多，造成燃?xì)鈨艋щy，浪費(fèi)能量和資源。國外采用催化裂解來降低氣化氣體中的焦油含量，但使可燃?xì)怏w生產(chǎn)成本大大增加，焦油仍未能完全消除。
近年來等離子體技術(shù)在煤、天然氣裂解制乙炔以及造紙濃黑液處理方面研究表明等離子體不僅作為熱載體，且可參與熱分解反應(yīng)，產(chǎn)物以固相和氣相形式存在。中國專利申請(88101785.X)用空氣等離子體做為外熱源來加熱反應(yīng)器，通過熱分解紙漿廢液來回收化學(xué)品，生成熔融體(廢液中堿和硫)和氣體(廢液中的有機(jī)部份)分別排出，這樣維持反應(yīng)區(qū)空間的高溫，能量消耗大，同時(shí)工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制比較復(fù)雜。而中國專利申請(90101614.4)則采用氮?dú)?、氮?dú)浠旌蠚怏w做為工作氣體，將黑液直接噴入等離子體焰區(qū)內(nèi)進(jìn)行熱分解反應(yīng)，獲得固體粉末和可燃?xì)怏w，一方面工作氣體中氮?dú)夂扛撸瑲怏w產(chǎn)物分離困難，無法直接得到合成氣，另一方面黑液在高溫等離子體直接分解，能耗也較大。中國專利申請96199884公開了用等離子體熱解氣化煤制取煤氣的方法及設(shè)備，它是將煤和空氣一起預(yù)熱，產(chǎn)生低溫等離子流，以后送入反應(yīng)室，后來大量送入的煤和空氣在此反應(yīng)室高溫環(huán)境下進(jìn)行完全燃燒和氣化。廣泛而又大量存在的固體生物質(zhì)如木粉、谷殼等，是一種很好潛在的能源，用等離子體熱解氣化木粉、谷殼類固體生物質(zhì)制取合成氣的方法至今未見報(bào)導(dǎo)。
發(fā)明的目的本發(fā)明的目的是提供一種可提高氣化效率和氣體品位，徹底消除焦油，提高原料利用價(jià)值，消除環(huán)境污染和降低能耗的用等離子體熱解氣化生物質(zhì)-動(dòng)植物粉末制取合成氣的方法。
發(fā)明的技術(shù)方案一種用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法，依次包括工作氣體(7)在直流電弧等離子體發(fā)生器(4)中被電離成高溫等離子體，并噴射入等離子體氣化反應(yīng)器(5)熱解區(qū)形成3000-10000K高溫環(huán)境；
少量生物質(zhì)原料經(jīng)螺旋進(jìn)料器(10)被載氣(8)攜帶噴入等離子體氣化反應(yīng)器(5)熱解區(qū)，形成大量活性離子存在的高溫反應(yīng)環(huán)境；大量生物質(zhì)原料經(jīng)螺旋進(jìn)料器(10-1)進(jìn)入等離子體氣化反應(yīng)器(5)氣化區(qū)與水蒸氣發(fā)生器(2)產(chǎn)生并經(jīng)過熱的蒸汽(3)在反應(yīng)器高溫區(qū)進(jìn)行快速熱解氣化反應(yīng)，生成粗的化學(xué)合成氣；對(duì)粗的化學(xué)合成氣進(jìn)行提純后處理。
本發(fā)明的工作氣體選自氫氣、CH4或水蒸氣中的一種或二種。載氣為CH4或/和CO2。CH4或CO2在等離子體氣化反應(yīng)器(5)氣化區(qū)參與熱解氣化反應(yīng)。本發(fā)明的生物質(zhì)在等離子體氣化反應(yīng)器中是在缺氧的狀態(tài)下不經(jīng)過燃燒直接熱解氣化的，與中國專利申請96199884所述的煤和空氣在反應(yīng)室高溫環(huán)境下進(jìn)行完全燃燒和氣化有明顯的區(qū)別。
本發(fā)明的生物質(zhì)原料包括動(dòng)植物干燥粉末，細(xì)度為60～100mesh(目)。
本發(fā)明的提純后處理工序包括在灰室(6)進(jìn)行沉降和初步冷卻，反應(yīng)殘?jiān)M(jìn)一步通過旋風(fēng)分離系統(tǒng)(12)沉降下來，氣體產(chǎn)物再依次通過過濾系統(tǒng)(13)與化學(xué)吸收系統(tǒng)(14)分離其中的雜質(zhì)(如CO2、H2S等)，最終得到純度較高的化學(xué)合成氣(CO+H2)(15)。
本發(fā)明用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣裝置主要由直流電弧等離子體控制系統(tǒng)(1)與發(fā)生器(4)、等離子體氣化反應(yīng)器(5)、冷卻(9)與凈化系統(tǒng)、螺旋進(jìn)料器(10、10-1)與控制系統(tǒng)、水蒸氣發(fā)生器(2)等組成。等離子體發(fā)生器與灰室均通過冷卻水(9)來降溫，而反應(yīng)器采用保溫層(11)來減少熱量損失。另外通過調(diào)整水蒸氣的流量與生物質(zhì)種類來獲得不同用途的合成氣和副產(chǎn)物，冷卻系統(tǒng)的熱量可回收利用提供反應(yīng)需要的水蒸汽。


圖1為用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣裝置。圖中，1.直流電弧等離子體控制系統(tǒng)，2.水蒸氣發(fā)生器，3.過熱蒸氣，4.等離子體發(fā)生器，5.等離子體氣化反應(yīng)器，6.灰室，7.工作氣體，8.載氣，9.冷卻水，10.螺旋進(jìn)料器，11.保溫層，12旋風(fēng)分離系統(tǒng)，13.過濾系統(tǒng)，14.化學(xué)吸收系統(tǒng)，15.化學(xué)合成氣。
在以下實(shí)施例中將進(jìn)一步說明本發(fā)明，但對(duì)本發(fā)明不構(gòu)成限制。
實(shí)施例一工作氣體H2在直流電弧等離子體發(fā)生器(4)被電離形成約5000K高溫等離子體，噴入等離子體氣化反應(yīng)器(5)熱解區(qū)；生物質(zhì)80mesh杉木粉經(jīng)螺旋進(jìn)料器(10)以2kg/h的速度被載氣CH4(8)攜帶進(jìn)入反應(yīng)器(5)錐形縮口(Φ30)熱解區(qū)，產(chǎn)生大量活性粒子并經(jīng)反應(yīng)器錐形縮口進(jìn)入氣化區(qū)，溫度高于3000K；此時(shí)生物質(zhì)杉木粉經(jīng)螺旋進(jìn)料器(10-1)以8kg/h速度進(jìn)入反應(yīng)器氣化區(qū)中，同時(shí)水蒸氣發(fā)生器(2)產(chǎn)生的經(jīng)過過熱的蒸氣(3)(150～200℃)以8～12kg/h的速度也進(jìn)入反應(yīng)器氣化區(qū)，進(jìn)行快速熱解氣化反應(yīng)3～10ms，反應(yīng)器下部錐形縮口(Φ30)的存在延長了物料停留時(shí)間，使反應(yīng)進(jìn)行比較徹底，氣體產(chǎn)物攜帶的殘?jiān)?jīng)灰室(6)初步沉降后，進(jìn)入旋風(fēng)分離器(12)進(jìn)一步分離和冷卻，再經(jīng)過濾系統(tǒng)(13)除去微細(xì)顆粒，進(jìn)入化學(xué)吸收系統(tǒng)(14)除去CO2、H2S、NH3等，最后得到化學(xué)合成氣(15)，H2和CO的含量達(dá)95～99％，H2與CO的比例為1.8～2.2。
實(shí)施例二以CH4代替H2作為工作氣體、以CO2代替CH4作為載氣進(jìn)行與實(shí)施例一一樣的用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的反應(yīng)，最后得到的化學(xué)合成氣與實(shí)施例一的沒有明顯區(qū)別，H2和CO的含量達(dá)95～99％，H2與CO的比例為1.8～2.2。
本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、充分利用熱等離子體提供的高溫、高能量反應(yīng)環(huán)境，氣化效率高，徹底裂解生物質(zhì)成為小分子氣體，使氣化過程無焦油形成，消除了環(huán)境污染。
2、利用固體生物質(zhì)自身特性，氧含量高利于形成CO氣體，硫、氮含量低減少合成氣的精制凈化負(fù)荷，水分較高，可參與氣化反應(yīng)，可省略干燥工序。
3、分段進(jìn)料可提供大量活性離子參與等離子體氣化反應(yīng)，大大降低系統(tǒng)的能量消耗。
4、整個(gè)處理過程都處于封閉系統(tǒng)之中；工作氣體為氫氣、CH4或水蒸氣；載氣采用CH4或CO2，它們參與了熱解氣化反應(yīng)，不影響氣體產(chǎn)物組成。
5、氣化混合氣體中以H2和CO為主，CO2、H2S、NH3等雜質(zhì)含量很低，氣體精制過程簡單。工作氣體水蒸氣的熱量來源于氣化氣體的冷卻放熱。
6、通過調(diào)整工作氣體組成、生物質(zhì)原料類型，可獲得不同用途的合成氣和副產(chǎn)物。
7、反應(yīng)器錐形縮口存在延長了物料停留時(shí)間，使反應(yīng)進(jìn)行完全。
權(quán)利要求
1.一種用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法，依次包括工作氣體(7)在直流電弧等離子體發(fā)生器(4)中被電離成高溫等離子體，并噴射入等離子體氣化反應(yīng)器(5)熱解區(qū)形成高溫環(huán)境；少量生物質(zhì)原料經(jīng)螺旋進(jìn)料器(10)被載氣(8)攜帶噴入等離子體氣化反應(yīng)器(5)熱解區(qū)，形成大量活性離子存在的高溫反應(yīng)環(huán)境；大量生物質(zhì)原料經(jīng)螺旋進(jìn)料器(10-1)進(jìn)入等離子體氣化反應(yīng)器(5)氣化區(qū)與水蒸氣發(fā)生器(2)產(chǎn)生并經(jīng)過熱的蒸汽(3)在反應(yīng)器高溫區(qū)進(jìn)行快速熱解氣化反應(yīng)，生成粗的化學(xué)合成氣；對(duì)粗的化學(xué)合成氣進(jìn)行提純后處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法，其特征在于工作氣體(7)在直流電弧等離子體發(fā)生器(4)中被電離成高溫等離子體，并噴射入等離子體氣化反應(yīng)器(5)熱解區(qū)形成高溫環(huán)境的溫度為3000-10000K；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法，其特征在于工作氣體選自氫氣、CH4或水蒸氣中的一種或二種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法，其特征在于載氣為CH4或/和CO2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法，其特征在于生物質(zhì)原料包括動(dòng)植物干燥粉末。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法，其特征在于生物質(zhì)原料干燥粉末細(xì)度為60-100mesh。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的方法，包括工作氣體(7)氫氣、CH
文檔編號(hào)C10B53/02GK1420155SQ0112993
公開日2003年5月28日 申請日期2001年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月20日
發(fā)明者趙增立, 樊友三, 吳創(chuàng)之, 李海濱, 陳勇 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所