[發明專利]一種氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉化方法及設備

有效

• 申請號: 201010551143.3
• 申請日: 2010-11-19
• 公開（公告）號: CN102465042A
• 公開（公告）日: 2012-05-23
• 發明（設計）人: 張大雷;任永志;劉建坤;李曉偉;王貴路;崔亨哲
• 申請（專利權）人: 遼寧省能源研究所
• 主分類號: C10J3/64
• 分類號: C10J3/64;C10J3/20;C10J3/84;C10J3/80
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術領域

本發明涉及可再生能源領域的生物質能再利用，特別提供了一種氣化與高溫裂解耦合生物質熱化學轉換方法與設備。

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背景技術

生物質能具有可再生性、低污染性、廣泛分布性的特點，因此對生物質能開發利用的研究是我國可持續發展技術的重要內容之一。該領域的生物質氣化技術是生物質熱化學轉化技術中最為重要的一種形式，它作為一種高效清潔的使用方法，在提高生物質利用率及減少污染方面有重要作用，對提高農村生活水平、改善生態環境、保障國家能源安全等方面具有重要意義。

目前以空氣作為氣化劑的生物質氣化機組，因為空氣含有很高的惰性成分（即79%的氮氣），不僅不參與氣化反應，反而稀釋了產出燃氣中可燃組分的含量，從而降低了燃氣的熱值。同時，當前生物質氣化機組普遍存在的焦油問題成為制約生物質氣化技術發展的主要瓶頸；焦油是生物質氣化過程中不可避免的副產物，成分非常復雜，大部分是苯的衍生物及多環芳烴，并且其在高溫時呈氣態，與可燃氣完全混合，而在低溫時（一般低于200℃）凝結為黏稠的液態，分離和處理較為困難。

生物質氣化的基本原理是將生物質原料在氣化劑（空氣，氧氣或水蒸氣等）的參與下進行不完全燃燒,使較高分子量的有機碳氫化合物鏈裂解,變成較低分子量的CO、H₂、CH₄等可燃性氣體；因此，生物質氣化方法包含2個內容，即熱化學過程和保證熱化學過程順利進行所需條件的裝置，熱化學過程是相當復雜的，下述化學反應式可以近似地描述該過程：

C+O₂←→CO₂+394?kJ?????????????????????????（1）

C+CO₂←→2CO-172kJ?????????????????????????（2）

H₂O+CO←→CO₂+H₂-2.89?kJ????????????????????（3）

H₂O+C←→CO+H₂-175?kJ???????????????????????（4）

C+2H₂←→CH₄+75?kJ???????????????????????????（5）

在上述5個化學反應式中，式（1）是至關重要的，通過式（1）的氧化反應所放出的熱量使爐內的溫度升高，保證其余反應能夠順利進行。試驗表明，溫度是衡量氣化過程進行順利與否的一個重要影響因素，要使氣化過程順利地進行，能量的供給是必不可少的，氣化反應總體上是一個吸熱反應，裝置內反應區的溫度對氣體中可燃成分的比例以及氣化強度有重要影響，隨著反應溫度的升高，氣化速率隨之加快，CO₂含量減少，可燃成分增加；將上述5個化學反應式加合，則得：

4C+O₂+2H₂O→CO₂+2CO+CH₄+121kJ??????????????（6）

式（6）表明，當75%的C元素被氣化為可燃氣體后，余下的121?kJ熱量已不足以驅動反應式（2）、（4）的進行，而反應式（3）、（5）因為沒有CO、H₂也不能進行，因此氣化效率的最高值為75％左右，余下的熱量主要消耗在空氣和原料的升溫過程中，氣體和灰分也帶出了大量的熱。

傳統的氣化工藝是將預處理過的生物質原料投入氣化爐（1）進行氣化反應，使生產出的粗燃氣經過多級復合凈化設備（2）凈化（包括旋風除塵、降溫、水洗、分離、過濾）后，送給用戶使用；

經傳統氣化工藝產出氣中的焦油只是通過物理方法使之發生了轉移，具有焦油去除率低，洗焦廢水污染環境的局限性。

隨著生物質氣化氣使用范圍的不斷拓展，對產出氣的使用要求也越來越高，要求產出氣中焦油、灰含量低于10mg/Nm³或更低，但由于原料、操作方法等因素的影響，絕大多數實際運行的機組焦油、灰含量高于使用要求，帶來不同程度的問題。

總體來說，焦油的存在對氣化有以下幾點不利影響：

（1）焦油產物的能量一般占總能量的5%～15%，這部分能量在低溫時難以與可燃氣體一起被利用，造成浪費；

（2）焦油在低溫時凝結為液態，容易和水、灰分、固體顆粒等雜質結合在一起，堵塞輸氣管道，卡死閥門，腐蝕設備；