CN114276837A - 一种生物质气化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质气化工艺，包括如下步骤：S1，预处理，将生物质原料进行预处理得到尺寸≤200mm的物料；S2，将所述物料送入竖式气化炉中，隔绝空气对所述物料加热，并采用水蒸气作为气化剂，所述物料自上而下依次经预热、热解、气化以及脱焦得到高温煤气和底灰；S3，所述高温煤气经冷却换热、除尘净化后得到燃气。该生物质气化工艺采用水蒸气作为气化剂，并通过辐射供热，有效控制炉内温度，从而使得物料经预热、热解、气化以及脱焦处理后得到的燃气中焦油含量较低，且燃气中只有CO、H₂、CH₄等可燃性气体，热值不低于2500kCal/Nm³，可用于发电或合成燃料或其它取代化石能源的领域。

Description

一种生物质气化工艺

技术领域

本发明涉及有机固体废弃物资源化处理领域，尤其涉及一种生物质气化工艺。

背景技术

生物质能源是一种可再生的非化石能源，其储量仅次于煤炭、石油和天然气，应用潜力巨大；我国是农业大国，生物质资源非常丰富，仅作物秸秆一项，资源总量就已超过7亿吨，但其中约有33-40％被废弃在田间或露天焚烧，不仅造成了生物质能源的严重浪费，破坏了土壤结构、使生产能力下降，还导致了严重的环境污染，威胁交通运输和人们的生产、生活安全；因此，生物质能源的开发利用具有极其重要的意义。

现有技术中采用生物质气化的方式，通过在高温下将生物质转化为燃气的热化学过程，可以最大限度地实现生物质能源的高效清洁化应用；生物质气化主要采用空气气化、氧气气化、水蒸气气化、水蒸气-氧气混合气化以及氢气气化等，气化装置采用固定床气化炉、鼓泡床气化炉火流化床气化炉等；就现有的生物质气化工艺而言，存在以下制约生物质能源开发利用的问题：(1)多采用空气作为气化剂，燃气中含有大量N₂，因此热值较低，仅可用作燃料使用；(2)气化炉内的生物质气化温度相对较低，无法对大分子焦油进行有效的脱除，因此需要配置单独的焦油脱除装置和污水处理设施；(3)燃气中含有大量的焦油和灰尘，易引起管路阻塞，对工艺稳定性带来较大挑战；(4)上吸式或下吸式固定床气化工艺，需要采用成型的生物质颗粒料作为原料，原料成本较高，经济效益不佳；(5)鼓泡床或流化床气化工艺，需将生物质原料破碎、磨粉后才能满足工艺要求，工艺过程复杂，经济效益较差。

鉴于上述情况，亟待研发一种新的生物质气化工艺，不仅采用的原料无需复杂处理，而且能够保证制备的燃气中仅有CO、H₂、CH₄等可燃性气体，没有N₂等不可燃性气体，同时无需另外配置焦油脱除装置等，可直接脱除大分子焦油，避免燃气管路阻塞影响工艺稳定性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种生物质气化工艺，采用水蒸气作为气化剂，并通过辐射供热，有效控制炉内温度，从而使得物料经预热、热解、气化以及脱焦处理后得到的燃气中焦油含量较低，且燃气中只有CO、H₂、CH₄等可燃性气体，热值不低于2500kCal/Nm³，可用于发电或合成燃料或其它取代化石能源的领域。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提供的一种生物质气化工艺，包括如下步骤：

S1，预处理，将生物质原料进行预处理得到尺寸≤200mm的物料；

S2，将所述物料送入竖式气化炉中，通过加热的隔绝空气对所述物料加热，并采用水蒸气作为气化剂，所述物料自上而下依次经预热、热解、气化以及脱焦得到高温煤气和底灰；

S3，所述高温煤气经冷却换热、除尘净化后得到燃气。

优选地，所述步骤S1中，所述生物质原料包括秸秆、木材、花生壳、棉籽壳、动物粪便、废旧家具、废轮胎、废包装材料、园林垃圾、建筑有机废弃物中的一种或多种。

优选地，所述步骤S1中，所述预处理为破碎和/或剪切。

优选地，所述步骤S2中，所述竖式气化炉采用辐射加热方式对所述物料隔绝空气加热。

优选地，所述竖式气化炉进行辐射加热所用的燃料为所述步骤S3中制备的燃气。

优选地，所述步骤S2中，所述预热温度为100～250℃；

所述热解温度为200～600℃；

所述气化温度为500～850℃；

所述脱焦温度为800～1100℃。

优选地，所述步骤S2中获得的高温煤气利用负压抽吸的方式从所述竖式气化炉中抽出。

优选地，所述步骤S3中，所述高温煤气采用余热回收装置进行冷却换热，所述冷却换热过程中产生的水蒸气部分进入所述竖式气化炉内作为步骤S2中的气化剂使用。

优选地，所述步骤S3中，经冷却换热的高温煤气采用除尘装置进行除尘净化。

本发明的有益效果为：

1.本发明的生物质气化工艺，生物质原料无需采用生物质颗粒成型或粉料，只需经破碎、剪切至合适尺寸即可，提高了原料的适应性，简化了预处理工艺，有利于降低工序能耗和成本；

2.本发明的生物质气化工艺，采用水蒸气作为生物质气化的介质，并通过辐射供热，有效控制炉内温度，使得物料在炉内高温区完成生物质气化焦油的脱除过程，最终得到的燃气中焦油含量极低，无需再额外配置单独的焦油脱除装置及相关配套设施，同时制得的燃气中仅有CO、H₂、CH₄等可燃性气体，没有N₂等不可燃性气体，燃气的热值不低于2500kcal/Nm³，可用于发电或合成燃料或其他取代化石能源的领域；

3.本发明的生物质气化工艺，物料由气化炉顶部加入，以自身重力向下移动，无需额外消耗能量，系统运行成本低；而且采用辐射连续供热，能控制气化炉下部的温度高达1000～1100℃，使得炉内的大分子焦油充分裂解为小分子气体，从而使得焦油的脱除率达到99.5％以上；

4.本发明的生物质气化工艺，采用辐射连续供热，能够灵活控制炉内温度，使得物料的热解、气化、脱焦等过程均可在炉内完成，工艺简单，控制灵活；

5.本发明的生物质气化工艺中，供热的燃料采用生物质气化工艺中的自产燃气，生物质气化剂采用自产水蒸汽，能源综合利用率高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的生物质气化工艺的流程图；

图2为本发明实施例1～3中的生物质气化工艺的具体流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

图1所示，本发明所提供的生物质气化工艺，包括如下步骤：

S1，预处理，将生物质原料进行预处理得到尺寸≤200mm的物料；

具体操作过程为：生物质原料通过晾干或者晒干或者烘干的方式进行将含水率控制在45wt％以下，采用破碎机或撕碎机对生物质原料进行破碎或者剪切等预处理，得到尺寸≤200mm的物料；其中生物质原料包括秸秆、木材、花生壳、棉籽壳、动物粪便、废旧家具、废轮胎、废包装材料、园林垃圾、建筑有机废弃物中的一种或多种。

S2，将物料送入竖式气化炉中，隔绝空气对物料加热，并采用水蒸气作为气化剂，物料自上而下依次经预热、热解、气化以及脱焦得到高温煤气和底灰；

具体操作过程为：采用皮带运输机等设施将符合尺寸的物料运送至料仓，然后装卸入上料装置运送至竖式气化炉的炉顶部料仓，从顶部卸入竖式气化炉中，采用辐射加热对物料隔绝空气加热，物料在炉内自上而下的运动过程中逐步升温，依次经预热干燥、热解、气化、脱焦得到高温煤气和底灰；

其中预热干燥过程中，预热温度为100～250℃；热解过程中，物料在热解温度为200～600℃的条件下，生成热解气和生物质炭；气化过程中，生物质炭在500～850℃的气化温度下发生炭的气化反应C+H₂O→CO+H₂，在750℃以上时炭的气化反应比较明显，在900℃以上时，焦油的裂解转化较为彻底，热解气中的一部分焦油在水蒸气和生物质炭的作用下(其中生物质炭作为催化剂，接触时间大于0.5s时，转化率可达99.5％以上)，发生裂解转化为H₂、CO或CO₂；脱焦过程中，为保证热解气中焦油充分裂解转化，控制脱焦温度为800～1100℃，气化过程中未气化的生物质炭充分气化，同时脱焦的热解气充分裂解转化为小分子可燃性气体。

上述获得的高温煤气利用负压抽吸的方式从竖式气化炉中抽出，比如采用抽风机等，一方面能将高温煤气抽出，另一方面确保炉内为微负压气氛(压强为-50～-100Pa)，防止炉内的高温煤气外泄；同时由于大部分焦油裂解，不存在大颗粒物质，因而便于排气过程的顺利进行。

S3，高温煤气经冷却换热、除尘净化后得到燃气；

具体操作过程为：从竖式气化炉底部抽出的高温煤气的温度高达1100℃，因此需要先进行冷却降温，便于后续处理；其中高温煤气采用余热回收装置进行冷却换热，预热回收装置可以设为蒸汽发生器和/或余热锅炉和/或换热器等，一方面使高温煤气的温度降至70℃左右，另一方面可回收高温煤气的余热而产生的高温高压水蒸气；冷却换热过程中产生的水蒸气，一部分水蒸气可进入竖式气化炉内作为步骤S2中的气化剂在生物质气化和脱焦过程中使用，另外为防止物料自上而下运动过程中出现悬料而影响炉况顺行，可定期通入高压蒸汽对物料进行搅动疏松，从而保证物料下行顺畅，炉况顺行稳定；温度降低的高温煤气采用除尘装置进行除尘净化得到燃气，充入燃气柜内储存；其中除尘装置可以设置为重力除尘器和/或旋风除尘器和/或布袋除尘器和/或电除尘器等；燃气柜中一部分燃气作为竖式气化炉的辐射加热的燃料，实现持续供热，燃烧后产生的烟气的热量可用于烘干生物质原料；另一部分燃气可直接外销或发电后并入国家电网。

本发明的物料经生物质气化后产生的炉灰，一部分在竖式气化炉底部的冷却设备作用下冷却换热后，可通过卸灰装置从竖式气化炉炉底以底灰排出，采用皮带机等设备送至堆场存储,底灰可作为化肥返田再利用；另一部分高温煤气除尘净化过程产生的飞灰也送至堆场，可作为建材原料使用；

其中上述生物质气化工艺中产生的燃料的热值≥2500kCal/Nm³。

下面结合具体的例子对本发明的生物质气化工艺进一步介绍，具体的流程参见图2。

实施例1

本实施例中的生物质原料：木材加工厂的“三剩物”；

如图2所示，本实施例中的生物质原料采用如下方式处理：

在原料堆场经简单晾晒至含水率小于40wt％后，用破碎机对生物质原料进行破碎、剪切等预处理，剪切后的碎木屑尺寸控制在200mm以内作为物料；

将破碎预处理后的物料，用皮带运输机运送至料仓，由上料小车运送至竖式气化炉的炉顶料仓，通过炉顶料仓将物料卸入竖式气化炉内；竖式气化炉内采用辐射加热对物料隔绝空气加热，物料在炉内自上而下的运动过程中逐步升温，依次经预热、热解、气化、脱焦得到高温煤气和底灰；其中预热温度为100℃，热解温度为250℃，气化温度为750℃，脱焦温度为950℃，气化和脱焦过程中，完成对生物质热解气化的中间产物—生物质炭的气化和大分子焦油的分解脱除，大部分焦油裂解转化为小分子可燃性气体，焦油的脱除率达到99.5％；脱焦后获得的高温煤气采用抽风机负压抽吸排出竖式气化炉；

高温煤气利用蒸汽发生器进行冷却降温并回收余热产生水蒸气，30％(体积比)的水蒸气作为竖式气化炉的气化剂在生物质气化和脱焦过程中再次利用，70％(体积比)水蒸气冷凝后回收；而降温后的高温煤气经布袋除尘器净化后得到燃气，充入燃气柜内储存备用；燃气柜中储存的燃气，20％(体积比)的燃气作为竖式气化炉辐射加热的燃料，与助燃空气燃烧，实现对竖式气化炉的持续供热，通过燃气、助燃空气的供气速度等来控制加热温度分别处于预热、热解、气化和脱焦的合理温度范围；剩余80％(体积比)的燃气外销；

炉内物料经生物质气化后剩余的炉灰，一部分为脱焦后得到的底灰自然沉降落入竖式气化炉底部，经竖式气化炉底部的冷却设备冷却后，通过卸灰装置送至堆场储存，可作为化肥返田再利用，另一部分随高温煤气排出竖式气化炉，经冷却换热、净化分离后得到的飞灰(飞灰约占炉灰的40wt％左右)送至堆场储存，后续可作为建材原料；

其中，本实施例中底灰的产生量约为物料的3wt％；对其成分进行分析，结果显示主要成分为SiO₂：51.4wt％、CaO：19.5wt％、MgO：7.8wt％、Al₂O₃：5.1wt％、Fe₂O₃：1.7wt％、K₂O：9.5wt％、Na₂O：0.4wt％，底灰的熔点为1327℃，其在气化炉内未发生熔融粘接现象。

本实施例中的燃气成分参见表1，其热值达到2540kCal/Nm³。

实施例2

本实施例中的生物质原料：废旧家具、废纸板和废轮胎质量比为1：1：1的混合物；

如图2所示，本实施例中的生物质原料采用如下方式处理：

在原料堆场经简单晾晒至含水率小于40wt％后，用破碎机对生物质原料进行破碎、剪切等预处理，剪切后的碎木屑尺寸控制在200mm以内作为物料；

将破碎预处理后的物料，用皮带运输机运送至料仓，由上料小车运送至竖式气化炉的炉顶料仓，通过炉顶料仓将物料卸入竖式气化炉内；竖式气化炉内采用辐射加热对物料隔绝空气加热，物料在炉内自上而下的运动过程中逐步升温，依次经预热干燥、热解、气化、脱焦得到高温煤气和炉灰；其中预热温度为250℃，热解温度为600℃，气化温度为850℃，脱焦温度为1100℃，气化和脱焦过程中，完成对生物质热解气化的中间产物—生物质炭的气化和大分子焦油的分解脱除，大部分焦油裂解转化为小分子可燃性气体，焦油的脱除率达到99.8％；脱焦后获得的高温煤气采用抽风机负压抽吸排出竖式气化炉；

高温煤气利用蒸汽发生器进行冷却降温并回收余热产生水蒸气，40％(体积比)的水蒸气作为竖式气化炉的气化剂在生物质气化和脱焦过程中再次利用，60％(体积比)的水蒸气冷凝后回收；而降温后的高温煤气经布袋除尘器净化后得到燃气，充入燃气柜内储存备用；燃气柜中储存的燃气，30％(体积比)的燃气作为竖式气化炉辐射加热的燃料，与助燃空气燃烧，实现对竖式气化炉的持续供热，通过燃气、助燃空气的供气速度等来控制加热温度分别处于预热、热解、气化和脱焦的合理温度范围；剩余70％(体积比)的燃气外销；

炉内物料经生物质气化后剩余的炉灰，一部分为脱焦后得到的底灰自然沉降落入竖式气化炉底部，经竖式气化炉底部的冷却设备冷却后，通过卸灰装置送至堆场储存，可作为化肥返田再利用，另一部分随高温煤气排出竖式气化炉，经冷却换热、净化分离后得到的飞灰(飞灰约占炉灰的35wt％左右)送至堆场储存，后续可作为建材原料；

其中，本实施例中底灰的产生量约为物料的2wt％；对其成分进行分析，结果显示主要成分为SiO₂：45.4wt％、CaO：18.5wt％、MgO：5.8wt％、Al₂O₃：4.2wt％、Fe₂O₃：2.7wt％、K₂O：10.5wt％、Na₂O：1.4wt％，底灰的熔点为1315℃，其在气化炉内未发生熔融粘接现象。

本实施例中的燃气成分参见表1，其热值达到2539kCal/Nm³。

实施例3

本实施例中的生物质原料：园林垃圾；

如图2所示，本实施例中的生物质原料采用如下方式处理：

在原料堆场经简单晾晒至含水率小于45wt％后，用破碎机生物质原料料进行破碎、剪切等预处理，剪切后的碎木屑尺寸控制在200mm以内作为物料；

将破碎预处理后的物料，用皮带运输机运送至料仓，由上料小车运送至竖式气化炉的炉顶料仓，通过炉顶料仓将物料卸入竖式气化炉内；竖式气化炉内采用辐射加热对物料隔绝空气加热，物料在炉内自上而下的运动过程中逐步升温，依次经预热干燥、热解、气化、脱焦得到高温煤气和底灰；其中预热温度为200℃，热解温度为550℃，气化温度为800℃，脱焦温度为1000℃，气化和脱焦过程中，完成对生物质热解气化的中间产物—生物质炭的气化和大分子焦油的分解脱除，大部分焦油裂解转化为小分子可燃性气体，焦油的脱除率达到99.6％；脱焦后获得的高温煤气采用抽风机负压抽吸排出竖式气化炉；

高温煤气利用蒸汽发生器(余热回收装置)进行冷却降温并回收余热产生水蒸气，35％(体积比)的水蒸气作为竖式气化炉的气化剂在生物质气化和脱焦过程中再次利用，65％(体积比)的水蒸气冷凝后回收；而降温后的高温煤气经布袋除尘器(除尘装置)净化后得到燃气，充入燃气柜内储存备用；燃气柜中储存的燃气，15％(体积比)的燃气作为竖式气化炉辐射加热的燃料，与助燃空气燃烧，实现对竖式气化炉的持续供热，通过燃气、助燃空气的供气速度等来控制加热温度分别处于预热、热解、气化和脱焦的合理温度范围；剩余85％(体积比)的燃气外销；

炉内物料经生物质气化后剩余的炉灰，一部分为脱焦后得到的底灰自然沉降落入竖式气化炉底部，经竖式气化炉底部的冷却设备冷却后，通过卸灰装置送至堆场储存，可作为化肥返田再利用，另一部分随高温煤气排出竖式气化炉，经冷却换热、净化分离后得到的飞灰(飞灰约占炉灰的35wt％左右)送至堆场储存，后续可作为建材原料；

其中，本实施例中底灰的产生量约为物料的3wt％；对其成分进行分析，结果显示主要成分为SiO₂：35.2wt％、CaO：20.5wt％、MgO：7.2wt％、Al₂O₃：5.2wt％、Fe₂O₃：0.7wt％、K₂O：11.5wt％、Na₂O：2.5wt％，底灰的熔点为1300℃，其在气化炉内未发生熔融粘接现象。

本实施例中的燃气成分参见表1，其热值达到2658kCal/Nm³。

表1实施例1～3中燃气成分及热值

结合实施例1～3，本发明的生物质气化工艺，生物质原料无需采用生物质颗粒成型或粉料，只需经破碎、剪切至合适尺寸即可，提高了原料的适应性，简化了预处理工艺，有利于降低工序能耗和成本；该生物质气化工艺，采用水蒸气作为生物质气化的介质，并通过辐射供热方式，有效分区控制炉内温度，综合热效率可达90％以上，使得物料在炉内高温区完成生物质气化焦油的脱除过程，最终得到的燃气中焦油含量极低，无需再额外配置单独的焦油脱除装置及相关配套设施，同时制得的燃气中仅有CO、H₂、CH₄等可燃性气体，没有N₂等不可燃性气体，燃气的热值不低于2500kcal/Nm³，可用于发电或合成燃料或其他取代化石能源的领域；该生物质气化工艺的物料由气化炉顶部加入，以自身重力向下移动，无需额外消耗能量，系统运行成本低，而且采用辐射连续供热，能控制气化炉下部的温度高达1000～1100℃，使得炉内的大分子焦油充分裂解为小分子气体，焦油的脱除率达到99.5％以上；同时，该生物质气化工艺采用辐射连续供热，能够灵活控制炉内温度，使得物料的热解、气化、脱焦等过程均可在炉内完成，工艺简单，控制灵活；该生物质气化工艺中，供热的燃料采用生物质气化工艺中的自产燃气，生物质气化剂采用自产水蒸汽，能源综合利用率高。另外本发明的生物质气化工艺采用负压抽吸的方式排气，炉内呈负压状态，因此也可对生活垃圾进行无害化处理(没有气味泄漏)，同时产生可燃气体(垃圾变资源)，由于采用下吸式制气，二噁英经过1000℃以上高温区至少2s，在此过程中，即使可燃气体中有二噁英也在2s中的时间内全部分解，而处于再次合成二噁英温度(400℃左右)的时间不到0.3s，因此该竖式气化炉也可用作垃圾处理炉；另外必要的时候，竖式气化炉可将水蒸气入口关闭，用作干馏裂解炉制备生物质炭。

综上所述，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种生物质气化工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1，预处理，将生物质原料进行预处理，得到尺寸≤200mm的物料；

S2，将所述物料送入竖式气化炉中，通过加热的隔绝空气对所述物料加热，并采用水蒸气作为气化剂，所述物料自上而下依次经预热、热解、气化以及脱焦得到高温煤气和底灰；

S3，所述高温煤气经冷却换热、除尘净化后得到燃气。

2.如权利要求1所述的生物质气化工艺，其特征在于，所述步骤S1中，所述生物质原料包括秸秆、木材、花生壳、棉籽壳、动物粪便、废旧家具、废轮胎、废包装材料、园林垃圾、建筑有机废弃物中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的生物质气化工艺，其特征在于，所述步骤S1中，所述预处理为破碎和/或剪切。

4.如权利要求1所述的生物质气化工艺，其特征在于，所述步骤S2中，所述竖式气化炉采用辐射加热方式对所述物料隔绝空气加热。

5.如权利要求4所述的生物质气化工艺，其特征在于，所述竖式气化炉进行辐射加热所用的燃料为所述步骤S3中制备的燃气。

6.如权利要求1所述的生物质气化工艺，其特征在于，所述步骤S2中，所述预热温度为100～250℃；

所述热解温度为200～600℃；

所述气化温度为500～850℃；

所述脱焦温度为800～1100℃。

7.如权利要求1所述的生物质气化工艺，其特征在于，所述步骤S2中获得的高温煤气利用负压抽吸的方式从所述竖式气化炉中抽出。

8.如权利要求1所述的生物质气化工艺，其特征在于，所述步骤S3中，所述高温煤气采用余热回收装置进行冷却换热，所述冷却换热过程中产生的水蒸气部分进入所述竖式气化炉内作为步骤S2中的气化剂使用。

9.如权利要求1所述的生物质气化工艺，其特征在于，所述步骤S3中，经冷却换热的高温煤气采用除尘装置进行除尘净化。

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