[發明專利]一種生物質化學鏈氣化制清潔合成氣的方法及裝置

有效

• 申請號: 202210388499.2
• 申請日: 2022-04-14
• 公開（公告）號: CN114574250B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 肖亞輝;劉勇;張屹巍;李西營;陳威;毛立群
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: C10J3/48
• 分類號: C10J3/48;C10J3/60;C10J3/84;C10L3/08
• 代理公司: 北京中知法苑知識產權代理有限公司 11226
• 代理人: 李明;趙吉陽

本發明提出一種生物質化學鏈氣化制清潔合成氣的方法及裝置，該方法包括在移動床燃料反應器中利用作為載氧體的循環固體熱載體加熱和氧化生物質以進行氣化反應，生成氣態產物、半焦和還原態載氧體；其中氣態產物在移動床重整反應器中利用作為焦油二氧化碳重整催化劑的循環固體熱載體進行焦油二氧化碳重整反應，獲得清潔合成氣。本發明利用雙循環的載氧體和焦油二氧化碳重整催化劑，實現了生物質氣化及其氣態產物中焦油、二氧化碳和粉塵的原位高效脫除，同時將焦油和二氧化碳轉化為氫氣和一氧化碳，提升了合成氣的產率和品質，且原子和能量利用率顯著提高，獨立的雙循環操作，避免了載氧體和焦油二氧化碳重整催化劑間的接觸和相互污染。

技術領域

本發明屬于能源化工技術領域，涉及一種生物質化學鏈氣化制清潔合成氣的方法及裝置。

背景技術

生物質產量豐富、碳中性及環境友好，是目前唯一可再生的含碳有機能源。生物質的高效清潔轉化是解決目前日益加劇的化石能源危機及改善生態環境不可或缺的重要途徑，其中生物質氣化技術被認為是替代化石能源生產高品質合成氣最具前景的轉化方式。合成氣的主要成分為氫氣和一氧化碳，既可以直接作為燃氣供熱或發電，還可以通過費托合成轉化為液體燃料或高附加值化學品及分離提純后生產純氫。相比于傳統固定床、流化床和氣流床氣化技術，化學鏈氣化是將氣化過程分解為氧化和還原反應，分別在兩個獨立的反應器或反應空間進行，通過載氧體的晶格氧代替氧氣在反應器間循環并傳遞熱量，由于氣化和燃燒反應在空間上相互隔離，因而有效規避了燃燒產生的煙氣和空氣中氮氣對合成氣的稀釋。但生物質氣化過程會伴隨產生大量的焦油副產物，不僅腐蝕、堵塞管路，影響氣化裝置連續化運行，而且降低氣化過程效率。此外，化學鏈氣化過程中載氧體與氣態產物間的氣-固氧化反應較載氧體與生物質間的固-固氧化反應更容易發生，因而載氧體會優先氧化氣態產物中的氫氣和一氧化碳，致使合成氣產率降低且合成氣組成中二氧化碳含量增加，品質差，不適于下游應用。

針對生物質氣化過程焦油和二氧化碳含量高的問題，專利CN107057797A公開了一種復合載氧體、制備方法及其在固體燃料氣化中的應用，該應用方法包括，在燃料反應器中，固體燃料在氧化態復合載氧體和水蒸氣的共同作用下進行氣化反應；氣化反應生成的粗合成氣進入吸收反應器中，在此粗合成氣中的二氧化碳被氧化鈣吸收，獲得高品質合成氣；燃料反應器中還原態的復合載氧體與未完全氣化的半焦進入空氣反應器，其中半焦與通入的熱空氣發生燃燒反應，還原態氧載體被熱空氣氧化再生并被燃燒生成的高溫熱煙氣加熱；經氣固分離器分離后，氧化態載氧體再返回燃料反應器；吸收二氧化碳的氧化鈣進入煅燒反應器，被來自空氣反應器中的熱煙氣加熱和提升，并在提升過程中煅燒再生；再生后的氧化鈣經氣固分離器分離后再返回吸收反應器。該方法的不足在于：利用氧化鈣吸收氣態產物中的二氧化碳，盡管降低了二氧化碳濃度，提高了合成氣品質，但也造成了一定的碳損失，致使合成氣產率及一氧化碳的含量降低，并且焦油沒有充分轉化；另外，空氣反應器和煅燒反應器均采用快速流化床操作，其氣體和固體的停留時間短，導致還原態載氧體和吸收二氧化碳的氧化鈣再生不充分且也難以被加熱到所需的溫度。

專利CN110982558B公開了一種基于化學鏈技術的生物質氣化直接制氫氣和一氧化碳的方法，包括，在流化床燃料反應器中，生物質在負載鐵或鎳的氧化鈣載氧體及水蒸氣作用下進行氣化反應并利用氧化鈣吸收氣態產物中二氧化碳，生產高純度氫氣；反應后的載氧體與未完全氣化的半焦經氣固分離器分離后進入氧氣反應器，在此半焦與通入的氧氣發生部分氧化反應生成一氧化碳，同時放出反應熱使碳酸鈣分解為氧化鈣和二氧化碳，然后產生的二氧化碳再與半焦反應生成一氧化碳。該方法將二氧化碳與半焦反應，既可以降低合成氣中二氧化碳濃度，提高合成氣品質，又可增加合成氣中一氧化碳含量。但也存在如下不足：燃料反應器和氧氣反應器均采用流化床操作，其氣體停留時間短的缺陷會造成燃料反應器中產生的焦油轉化不充分，且未轉化的焦油還容易在氣固分離裝置中冷凝，影響系統穩定運行；另外，氧化反應器中二氧化碳與半焦的氣固接觸時間短，因此二氧化碳也難以充分轉化。

發明內容