一種生物質熱解氣化制備合成氣的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物質熱解氣化制備合成氣技術領域，具體涉及一種生物質熱解氣化制備合成氣的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]生物質主要是由植物光合作用固定太陽能而形成的碳水化合物，具有分布廣泛、儲量巨大、環境友好，尤其是溫室氣體零排放等優點，并且是是唯一可以同時轉化為氣體、液體和固體燃料的可再生能源。隨著傳統化石能源的日益減少及由于使用化石能源來帶的環境污染問題的加劇，重視和發展綠色可再生能源已成為各國政府的共識。通過熱化學轉化、生化轉化等方法，能夠將生物質能轉變為清潔的氣體或液體燃料，用于滿足社會生產的需要，具有全面替代化石能源的潛力，是未來能源化工行業重要的發展方向。
[0003]生物質熱解制備合成氣(以HjPCO為主要組分的原料氣)，進而合成多種化工產品(如合成氨、ch3oh、鏈烴或其它精細化學品等)是熱化學轉化技術中最具發展前景的生物質能源資源化利用途徑之一。近年來逐漸受到各國學術界和工業界的重視。
[0004]傳統的生物質氣化制備合成氣工藝通常采用空氣-水蒸氣、氧氣-水蒸氣等作為氣化介質，以固定床、流化床或氣流床為氣化反應器。固定床氣化設備簡單、操作方便，但此工藝存在處理量小、爐內換熱效果差、氣化效率低、氣體中灰分及焦油較多、難以連續生產等不足；流化床和氣流床氣化能夠有效提升處理規模，并實現連續生產，不過流化床氣化工藝一般需要后續設備來處理焦油和重整合成氣等問題，氣流床氣化對生物質原料的研磨要求過高，因此工藝系統復雜、操作繁瑣、能耗較高。
[0005]另外，常規氣化工藝多為內熱式生物質氣化，即向氣化爐里限量引入空氣，依靠生物質自身在空氣中燃燒產生的熱量對未燃燒的生物質直接加熱氣化，但氣體產品含有大量隊和CO2嚴重影響了合成氣的品質，無法滿足后續應用的要求。盡管內熱式氣化技術中采用富氧-水蒸氣氣化方式有助于提高合成氣品質，但需要增加制氧設備、蒸汽發生器和過熱設備等，一次投資較高，系統獨立性及穩定性較差。
[0006]借助電、微波、燃氣或燃油等作為外加熱源進行外熱式氣化，可以在高溫下進行氣體的催化重整，有利于得到較高含量的合成氣產品。與傳統的加熱相比，微波輻射條件下產生的氣體組成具有獨特的優勢:產氣為富氫氣體，稠環烴的含量很少，灰分較少等。但現有微波氣化系統完全采用微波進行加熱并應用于熱解反應，能耗高，經濟性差，
[0007]CN102424359A公開了一種三段式生物質熱解-氣化-催化重整制取合成氣的方法，其將生物質熱解氣化制取合成氣的過程分為生物質低溫熱解、焦炭或半焦高溫氣化和焦油/粗合成氣催化重整三個步驟，且三個反應步驟分別在同一氣化反應裝置中的上段熱解爐膛、下段氣化爐膛和催化劑床層三個相對獨立的空間內連續進行。生物質原料先在熱解反應爐膛中通過低溫熱解制取焦炭或半焦和熱解氣體，后在流化床氣化反應爐膛中通過焦炭或半焦的高溫水蒸汽氣化反應制備出粗合成氣，最后在催化劑床層通過對熱解焦油進行催化裂解及對熱解氣進行催化重整降低焦油產量，最終得到高品質合成氣。該方法將整個生物質氣化制取合成氣的過程分成熱解、氣化和氣體/焦油重整三個步驟，每個步驟均在一個相對獨立的空間內進行，三個步驟相對分開且緊密進行，這樣使得每個步驟反應都進行地比較充分，從而獲得較高品質的合成氣。
[0008]但是，正如前面所述，該方法存在比較明顯的問題，首先，采用的是流化床氣化工藝，對生物質原料的粒度和含水量有較嚴格的要求，需要較復雜的前處理設備；其次，采用水蒸汽或水蒸汽/空氣氣化，需要增加額外的蒸汽發生器和過熱設備，且在高壓下運行，使得裝置整體復雜、安全可靠性降低；特別是，沒有針對催化劑失活的應對措施，整體氣化效率難以保證，裝置很難長期穩定運行。
【發明內容】
[0009]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種生物質熱解氣化制備合成氣的方法及裝置，其通過綜合分級處理生物質原料、內外熱結合供能、催化氣化及微波重整的方式，獲得高品質的合成氣，且制備合成氣的工藝簡單、氣化效率高，能源利用率高。
[0010]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供一種生物質熱解氣化制備合成氣的方法，其通過將生物質熱解氣化制備合成氣的過程分為低溫烘焙、高溫催化氣化和微波重整三個階段并分別在氣化裝置中三個相對獨立的空間內連續進行，從而獲得高品質的合成氣，其特征在于，
[0011]所述低溫烘焙階段中，生物質原料由給料裝置送入氣化反應裝置進行烘焙處理，產生的H2O和CO2作為后續氣化和重整階段的反應氣化介質，同時獲得具有良好孔隙結構的固體產物，以使得生物質具有更好的氣化反應活性及微波吸收特性；
[0012]所述高溫催化氣化階段中，在反應器中加入高溫催化劑并與經過烘焙的生物質充分混合以發揮其載熱與催化特性，并利用上述烘焙階段產生的氣化介質進行氣化反應，促進半焦氣化和焦油裂解；
[0013]所述微波重整階段中，利用微波作用于上述半焦和催化劑，通過充分利用微波的非熱效應強化半焦氣化和焦油催化重整反應，同時利用微波的熱效應形成有利于合成氣制備的反應條件，從而獲得高品質的合成氣。
[0014]本發明中通過將生物質原料在熱解前期進行低溫烘焙處理，可以使得生物質獲得具有良好孔隙結構的固體產物，其總比表面積約相比原料可以增大至2倍，從而具有更好的氣化反應活性及微波吸收特性，同時期間產生的H2O和0)2等氣體可以作為后續氣化和重整階段的反應介質。
[0015]作為本發明的改進，所述低溫烘焙是指生物質在常壓、絕氧或缺氧的條件下進行的低溫熱解反應。
[0016]作為本發明的改進，所述低溫熱解反應的溫度控制在200?300°C。
[0017]作為本發明的改進，所述高溫催化氣化是指低溫烘焙產生的固體產物結合催化劑在反應器中段進行的焦炭或半焦的催化氣化反應，反應溫度控制為700?900°C。
[0018]作為本發明的改進，所述微波重整是指高溫催化氣化階段產生的焦油及粗合成氣在混合氣流作用下與固體產物利用微波的非熱效應加強半焦氣化和焦油催化重整反應，溫度控制在900?1000°C。
[0019]作為本發明的改進，所述微波重整后的固體焦炭及失活催化劑重新進入燃燒爐中，與經預熱的空氣在燃燒爐中燃燒，產生的固體進入反應器中以在高溫催化氣化階段循環發揮載熱及催化效應。
[0020]作為本發明的改進，所述燃燒產生的氣體經煙氣分離后用于為上述各階段提供所需熱量。
[0021]作為本發明的改進，所述燃燒產生的氣體經煙氣分離后的煙氣用于加熱空氣，以用于進入燃燒爐。
[0022]本發明中，生物質原料由給料裝置送入氣化反應裝置，首先較低溫度下進行烘焙處理，產生的H2O和CO2等氣體作為后續氣化和重整階段的反應介質，同時可獲得具有較好孔隙結構的固體產物(總比表面積約增大2倍)，具有更好的氣化反應活性及微波吸收特性(相比于原始物料)。然后，高溫催化劑在氣化階段加入反應器并與經過烘焙的生物質充分混合，發揮載熱與催化特性，利用烘焙階段產生的氣化介質進行氣化反應，促進半焦氣化和焦油裂解。在重整階段微波作用于半焦和催化劑，充分利用微波的非熱效應，強化半焦氣化和焦油催化重整反應，同時利用微波的熱效應形成有利于合成