專利名稱：一種生物質(zhì)復(fù)合氣化的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物質(zhì)氣化技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及到一種爐內(nèi)去除焦油的一體化生物質(zhì)復(fù)合 氣化的方法及裝置。
背景技術(shù)：
由于石油資源的日漸匱乏，環(huán)境污染及溫室效應(yīng)問題的日益嚴重，從豐富的生物質(zhì)農(nóng)林 廢棄物資源(如秸稈等)獲取高品位液體燃料和化學(xué)品正逐漸成為一種發(fā)展趨勢，在國內(nèi)外 引起高度關(guān)注。生物質(zhì)氣化技術(shù)可將各種廢棄的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為高品位的氣體燃料，是通過 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑制取液體燃料、化學(xué)品，并用于發(fā)電、供氣和供熱的主要核心技術(shù)。生物質(zhì) 基液體燃料和化學(xué)品的市場前景將最終取決于成本的競爭性，而高效、經(jīng)濟的生物質(zhì)氣化工 藝是發(fā)展生物質(zhì)間接液化技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以必須解決目前氣化技術(shù)存在的瓶頸問題，減 少焦油含量、提高氣化效率和產(chǎn)氣質(zhì)量。針對不同的工業(yè)用途，國內(nèi)外對生物質(zhì)氣化技術(shù)進行了大量的研究開發(fā)工作，開發(fā)出固 定床、流化床、氣流床等不同的生物質(zhì)氣化工藝。固定床氣化工藝反應(yīng)速度慢、處理量小， 不易放大；流化床氣化工藝反應(yīng)速度快，處理量大，有利于大規(guī)模生產(chǎn)，所以得到了廣泛的 應(yīng)用；而氣流床的研究主要停留在試驗驗證階段。不論采用哪種氣化工藝，焦油的產(chǎn)生是氣 化技術(shù)的共性問題。焦油在高溫時呈氣態(tài)，與可燃氣體完全混合，而在低溫時凝結(jié)為液態(tài)， 其分離和處理極為困難。焦油的存在不僅降低了氣化效率、氣體熱值，更嚴重的是焦油在低 溫時凝結(jié)為液態(tài)，容易和水、焦炭等結(jié)合，堵塞輸氣管道，影響氣化設(shè)備的正常運行；凝結(jié)為細小液滴的焦油難以燃燼，在燃燒時容易產(chǎn)生碳黑等顆粒，對燃氣設(shè)備造成極大的損害。 焦油的存在大大降低了合成氣的利用價值，阻止了氣化技術(shù)的高端應(yīng)用，是氣化技術(shù)高效大 規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題。目前工業(yè)上常用的焦油去除方法主要是爐外去除，如干式過濾、濕式洗滌、催化裂解等。 過濾和水洗方法雖然操作簡單、成本較低，但是效率不高，為防止二次污染，需要增加額外 的凈化設(shè)備和廢水處理設(shè)備，不僅占地較大，也增加了投資成本，而且處理掉的焦油不能利 用，造成能源的浪費。催化裂解因系統(tǒng)簡單、能量利用率高，且對生物質(zhì)燃氣組分具有調(diào)變 作用而成為國內(nèi)外研究的熱點，但需要消耗大量的額外能量，還需要額外的輔助設(shè)備，增加 了系統(tǒng)的復(fù)雜性和投資；同時，由于催化劑失活、機械磨損和應(yīng)用成本等問題，目前主要用 于試驗研究，還未形成商業(yè)化的專用催化劑系列，尤其在催化劑的使用壽命方面離商業(yè)化還 存在較大的距離。焦油也可通過爐內(nèi)去除的方法即在氣化爐內(nèi)抑制焦油產(chǎn)生并將產(chǎn)生的焦油原位轉(zhuǎn)化為目 標(biāo)產(chǎn)物氣，實現(xiàn)氣化爐內(nèi)粗合成氣中不含焦油。爐內(nèi)脫除可以通過優(yōu)化氣化爐結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu) 化氣化過程操作參數(shù)、氣化爐內(nèi)添加催化劑等方法實現(xiàn)，從而達到減少氣化爐出口燃氣中焦 油含量的目的。這種方法是目前研究的熱點和今后發(fā)展方向。國內(nèi)外氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢是開發(fā)高效、低焦油、燃氣組份調(diào)控能力較強的氣化工藝。 針對焦油的有效脫除和燃氣的高端利用，國內(nèi)外開展了新型氣化工藝的研究。如丹麥技術(shù) 大學(xué)設(shè)計了兩段式氣化爐，所得燃氣中焦油含量大大降低；德國Choren公司提出了溫和熱解 和高溫?zé)峤鈨刹椒ㄖ聘哔|(zhì)量合成氣的工藝，合成氣中幾乎不含焦油。這些裝置的特點是將諸 多的反應(yīng)器串聯(lián)在一條連續(xù)的流程上，燃料先在間接加熱式裂解器中干燥和熱解，裂解的產(chǎn)物緊接著在裂解器及焦炭氣化器間的狹窄地帶進行部分氧化，產(chǎn)物氣流經(jīng)熱的焦碳床，從而 使產(chǎn)物氣中的焦油裂解并達到較低的含量。授權(quán)公告號為CN1116383的發(fā)明專利"一種復(fù)合式生物質(zhì)氣化爐及其燃氣制備方法"揭 示了一種農(nóng)作物廢棄物處理設(shè)備及由固態(tài)含碳物料生產(chǎn)燃氣的方法，其發(fā)明目的是提供一種 農(nóng)村地區(qū)適用的、小型的燃氣制備裝置和方法，如說明書中內(nèi)容所述，固定床下吸式氣化爐 的近處設(shè)置有一個生物質(zhì)干餾爐，然而專利說明書中公開的這種復(fù)合氣化爐僅是多種裝置的 簡單疊加。授權(quán)公告號為CN1272404C的發(fā)明專利"一種低焦油生物質(zhì)氣化方法和裝置"，其特征在 于該裝置包括一個熱解反應(yīng)器和一個裂解氣化器，熱解反應(yīng)器中的熱解產(chǎn)物進入一個串聯(lián)的 裂解氣化器。所述氣化器為一個固定床下吸式氣化爐。該發(fā)明通過兩個串聯(lián)的反應(yīng)器實現(xiàn)將 熱解和氣化兩個過程分開，得到焦油含量較低的可燃氣體，但在反應(yīng)器放大，運行穩(wěn)定性等 方面都無法滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。公開號為CN1664066的發(fā)明申請"復(fù)合式生物質(zhì)氣化爐及熱裂解裝置"公開了一種復(fù)合 式的氣化爐裝置，但從該專利說明書中可以知悉，該復(fù)合氣化爐也僅是多個裝置的簡單疊加， 如專利說明書中所述，其主要的技術(shù)方案是該主體設(shè)備由兩座氣化爐構(gòu)成，還包括四套U型 催化器， 一臺鼓風(fēng)機和風(fēng)量調(diào)節(jié)器等組成。公開號為CN101021336的發(fā)明申請"一種生物質(zhì)復(fù)合式氣化爐"是一種使生物質(zhì)氣化燃 燒的小型爐具。如該專利發(fā)明目的所述，其將全氣化及半氣化兩種爐具的技術(shù)優(yōu)勢進行有機 結(jié)合，提供一種不需使用風(fēng)機的生物質(zhì)復(fù)合式氣化爐，從該專利的附圖中不難看出，該復(fù)合 式氣化爐也是多個裝置的簡單疊加。由上可見，目前爐內(nèi)脫除焦油的氣化工藝多是利用幾個反應(yīng)器的串聯(lián)實現(xiàn)，還沒有一體 化的生物質(zhì)復(fù)合氣化裝置，即使目前存在所謂的復(fù)合氣化爐結(jié)構(gòu)，也只是幾種裝置的簡單疊 加和串接，沒有創(chuàng)造性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對焦油的脫除和燃氣高端利用，提供一種低焦油的一體化生物質(zhì)復(fù)合 氣化方法和裝置，即利用"多級"氣化概念，將生物質(zhì)熱解、焦炭氣化、重組分氣化過程相 對分開，實現(xiàn)參數(shù)分區(qū)控制和優(yōu)化匹配。即通過重組分氣化過程控制，降低焦油含量；生物 質(zhì)焦炭氣化過程控制，提高氣化效率；通過氣化條件分區(qū)控制，實現(xiàn)氣體組分的定向調(diào)控。 并利用流化床和氣流床相耦合的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)生物質(zhì)多級氣化過程的一體化設(shè)計，使所有反應(yīng) 能在一套反應(yīng)裝置中進行。為達到以上目的，本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn) 一種生物質(zhì)復(fù)合氣化的方法，該 方法包括下列步驟(1)生物質(zhì)原料從位于熱解區(qū)的進料口加入復(fù)合氣化爐內(nèi)，在500-600 'C溫度下發(fā)生熱解反應(yīng)，生物質(zhì)釋放出揮發(fā)氣體，并生成固體焦炭；(2)焦炭大顆粒向下流 入復(fù)合氣化爐內(nèi)的焦炭氣化區(qū)，在一次氣化劑的作用下，少部分焦炭發(fā)生氧化反應(yīng)，使焦炭 氣化區(qū)溫度達到100(TC以上，大部分焦炭則發(fā)生氣化反應(yīng)生成可燃氣體；(3)自焦炭氣化區(qū) 向上流動的高溫氣體為生物質(zhì)熱解區(qū)提供生物質(zhì)熱解所需的熱量，維持熱解區(qū)溫度在500-600 °C; (4)生物質(zhì)熱解區(qū)釋放出的帶細小焦炭顆粒的反應(yīng)氣體和催化劑向上快速流經(jīng)重組分氣 化區(qū)，在二次氣化劑作用下，發(fā)生部分氧化反應(yīng)，重組分氣化區(qū)溫度達到100(TC以上，使揮 發(fā)分中的焦油重組分在高溫和催化劑作用下同時發(fā)生熱裂解和催化裂解反應(yīng)，焦油重組分轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)可燃氣體，既降低了粗合成氣中焦油的含量，又提高了氣體產(chǎn)量和氣化效率。(5)重 組分氣化區(qū)未反應(yīng)的焦炭以及夾帶在氣體中的催化劑細顆粒通過上部的出氣管接到旋風(fēng)分離 器進行氣固分離，同時通過旋風(fēng)分離器下部回流裝置，將固體顆粒送回焦炭氣化區(qū)，提高系 統(tǒng)的碳轉(zhuǎn)化率。所述一次氣化劑和二次氣化劑為空氣或氧氣或水蒸氣或富氧中的一種或幾種。 在上述步驟(1)中，在熱解區(qū)的加料口加入催化劑，催化劑的加入有利于氣體組分的 定向生成。本發(fā)明生物質(zhì)復(fù)合氣化方法可通過以下所述的裝置來實現(xiàn)， 一種低焦油生物質(zhì)復(fù)合氣化裝置，所述復(fù)合氣化裝置包括復(fù)合氣化爐，所述復(fù)合氣化爐內(nèi)包括由熱解區(qū)和焦炭氣化區(qū)組成的流化床以及由重組分氣化區(qū)構(gòu)成的氣流床。所述重組分氣化區(qū)和焦炭氣化區(qū)的截面積小于所述熱解區(qū)的截面積。在所述熱解區(qū)上設(shè)置有生物質(zhì)進料口，在所述焦炭氣化區(qū)上設(shè)置有一次氣化劑輸入口，在所述重組分氣化區(qū)上設(shè)置有二次氣化劑輸入口。所述的生物質(zhì)復(fù)合氣化裝置還包括有與所述復(fù)合氣化爐連接的氣固分離和固體回流裝置。在本裝置中，重組分氣化區(qū)和焦炭氣化區(qū)為高溫區(qū)，溫度達到100(TC以上，生物質(zhì)熱解區(qū)為中溫區(qū)，溫度約為500°C_600'C，通過加入不同的氣化劑，控制爐內(nèi)不同區(qū)的溫度，調(diào)節(jié)燃氣的組分，在一個爐內(nèi)實現(xiàn)不同工況的控制和優(yōu)化。本發(fā)明生物質(zhì)復(fù)合氣化方法是利用流化床和氣流床相耦合的方式，將熱解、氣化、部分氧化過程在同一反應(yīng)器內(nèi)復(fù)合，實現(xiàn)參數(shù)分區(qū)控制和優(yōu)化。該工藝具有氣化效率高、焦油含量低、氣體組分調(diào)控能力強、負荷適應(yīng)能力強、原料適用性強、運行穩(wěn)定、易于放大的特點。該氣化方法可達到如下技術(shù)指標(biāo)氣化效率2 80%，碳轉(zhuǎn)化率^98%，焦油含量520mg/Nm3。且運行穩(wěn)定、連續(xù)，可適用于多種領(lǐng)域，如發(fā)電、供熱、供氣、合成液體燃料等。


圖1為本發(fā)明實施例裝置結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標(biāo)記說明1、復(fù)合氣化爐，2、熱解區(qū)，3、重組分氣化區(qū)，4、焦炭氣化區(qū)，5、 一次氣化劑輸入口， 6、 二次氣化劑輸入口， 7、生物質(zhì)進料口， 8、氣固分離和固體回流裝置。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明內(nèi)容做進一步的說明-請參閱圖l所示， 一種生物質(zhì)復(fù)合氣化方法，生物質(zhì)原料從位于熱解區(qū)2的進料口7加 入復(fù)合氣化爐1內(nèi)，在500-60(TC溫度下發(fā)生熱解反應(yīng)，生物質(zhì)釋放出揮發(fā)氣體，并生成固 體焦炭；焦炭大顆粒向下流入復(fù)合氣化爐1內(nèi)的焦炭氣化區(qū)4， 一次氣化劑由一次氣化劑輸 入口 5加入，在一次氣化劑的作用下，少部分焦炭發(fā)生氧化反應(yīng)，使焦炭氣化區(qū)溫度達到1000 'C以上，大部分焦炭則發(fā)生氣化反應(yīng)生成可燃氣體；自焦炭氣化區(qū)4向上流動的高溫氣體為 生物質(zhì)熱解區(qū)2提供生物質(zhì)熱解所需的熱量，維持熱解區(qū)2的溫度在500-60(TC;生物質(zhì)在 熱解區(qū)2反應(yīng)后釋放出的帶細小焦炭顆粒的反應(yīng)氣體和催化劑向上快速流經(jīng)重組分氣化區(qū)3， 二次氣化劑由二次氣化劑輸入口 6加入，在二次氣化劑作用下，發(fā)生部分氧化反應(yīng)，重組分 氣化區(qū)3溫度達到IOO(TC以上，使揮發(fā)分中的焦油重組分在高溫和催化劑作用條件下同時發(fā) 生熱裂解和催化裂解，焦油重組分轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)可燃氣體。未反應(yīng)的焦炭通過氣固分離和固體 回流裝置8返回焦炭氣化區(qū)4進一步參加反應(yīng)，可燃氣體從氣固分離和固體回流裝置8的上 部輸出。
權(quán)利要求
1、一種生物質(zhì)復(fù)合氣化的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟(1)生物質(zhì)原料從位于熱解區(qū)的進料口加入復(fù)合氣化爐內(nèi)，在500-600℃溫度下發(fā)生熱解反應(yīng)，生物質(zhì)釋放出揮發(fā)氣體，并生成固體焦炭；(2)焦炭大顆粒向下流入復(fù)合氣化爐內(nèi)的焦炭氣化區(qū)，在一次氣化劑的作用下，少部分焦炭發(fā)生氧化反應(yīng)，使焦炭氣化區(qū)溫度達到1000℃以上，大部分焦炭則發(fā)生氣化反應(yīng)生成可燃氣體；(3)自焦炭氣化區(qū)向上流動的高溫氣體為生物質(zhì)熱解區(qū)提供生物質(zhì)熱解所需的熱量，維持熱解區(qū)溫度在500-600℃；(4)生物質(zhì)熱解區(qū)釋放出的帶細小焦炭顆粒的反應(yīng)氣體和催化劑向上快速流經(jīng)焦油重組分氣化區(qū)，在二次氣化劑的作用下，發(fā)生部分氧化反應(yīng)，重組分氣化區(qū)溫度達到1000℃以上，使揮發(fā)分中的焦油重組分在高溫和催化劑作用下同時發(fā)生熱裂解和催化裂解反應(yīng)，焦油重組分轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)可燃氣體；(5)重組分氣化區(qū)未反應(yīng)的焦炭以及夾帶在氣體中的催化劑細顆粒通過上部的出氣管接到旋風(fēng)分離器進行氣固分離，燃氣通過旋風(fēng)分離器上部排出，固體顆粒通過旋風(fēng)分離器下部回流裝置被送回焦炭氣化區(qū)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)復(fù)合氣化的方法，其特征在于所述一次氣化劑和二次氣化劑為空氣或氧氣或水蒸氣或富氧中的一種或幾種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物質(zhì)復(fù)合氣化的方法，其特征在于在上述步驟(l)中，在熱解區(qū)的進料口加入催化劑。
4、 一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1所述復(fù)合氣化方法的復(fù)合氣化裝置，其特征在于所述復(fù)合氣含量較佳的為質(zhì)量百分比2~20%，更佳的為質(zhì)量百分比5~15%。本發(fā)明中，所述的這類速率增助劑含有羧基基團，但不包括氨基酸類化 合物，較佳的為有機酸或有機酸鹽，其中更優(yōu)選酒石酸或酒石酸鉀。所述的 速率增助劑的含量較佳的為質(zhì)量百分比0.1 3%，更佳的為質(zhì)量百分比 0.1%~2%。本發(fā)明中所述的速率增助劑能夠增加阻擋層，同時有效提高低介 電材料和金屬銅的拋光速率。本發(fā)明中，所述的緩蝕劑為除苯并三氮唑以外的緩蝕劑，較佳的選自下 列中的一個或多個5-氨基四氮唑(ATA)、 5-甲基四氮唑和苯基巰基四氮唑。所述的緩蝕劑的含量較佳的為質(zhì)量百分比0.005~3%，更佳的為質(zhì)量百分比 0.05~1%。本發(fā)明中，所述的氧化劑為非鐵型的氧化劑，例如雙氧水，含量較佳的 為質(zhì)量百分比1 3%。本發(fā)明實例中，氧化劑采用質(zhì)量百分比1~3%時，更能 顯著提高Ta和CDO的拋光速率，同時保持金屬銅的拋光速率基本不變，因 此能夠控制Ta和CDO與銅之間的選擇比。本發(fā)明中，所述的拋光液的pH值較佳的為10~12。本發(fā)明中，所述的拋光液還可進一步含有表面活性劑。所述的表面活性 劑可為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑和兩性離 子表面活性劑。這些表面活性劑能夠?qū)a、 CDO、 TEOS和Cu的拋光速率 作進一步的調(diào)整和控制。本發(fā)明的積極進步效果在于 (1)本發(fā)明的堿性拋光液對CDO和Ta有較高的拋光速率。其中主要有效成分為含有羧基基團的非氨基酸類的速率增助劑(如有機酸或有機酸鹽)，以及較高量的非鐵型的氧化劑。(3)采用除苯并三氮唑以外的緩蝕劑(如5-氨基四氮唑、5-甲基四氮
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物質(zhì)復(fù)合氣化的方法和裝置，通過將流化床和氣流床相耦合，將熱解、氣化、部分氧化過程在同一反應(yīng)器內(nèi)復(fù)合。生物質(zhì)首先在500-600℃條件下發(fā)生熱解反應(yīng)，生成焦炭；大顆粒焦炭在焦炭氣化區(qū)發(fā)生部分氧化反應(yīng)和氣化反應(yīng)，為熱解區(qū)提供熱量并生成可燃氣體；熱解區(qū)釋放出的帶細小焦炭顆粒的反應(yīng)氣體和催化劑向上快速流經(jīng)重組分氣化區(qū)，在二次氣化劑作用下發(fā)生部分氧化反應(yīng)，焦油重組分在1000℃以上高溫和催化劑作用下同時發(fā)生熱裂解和催化裂解反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)可燃氣體；未反應(yīng)的焦炭通過氣固分離和固體回流裝置返回爐內(nèi)。本發(fā)明具有氣化效率高、焦油含量低、氣體組分調(diào)控能力強、運行穩(wěn)定、易于放大的特點。
文檔編號C10B53/02GK101225315SQ20071003267
公開日2008年7月23日 申請日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者吳創(chuàng)之, 周肇秋, 蔡建渝, 陰秀麗, 馬隆龍 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所