一種化學鏈燃燒製備合成氣的裝置和方法與流程

2023-09-20 22:27:45 1

本發明屬於合成氣製備技術領域，具體涉及一種化學鏈燃燒製備合成氣的裝置和方法。

背景技術：

生物質能源作為一種潔淨而又可再生的能源，是惟一可替代化石能源轉化成氣態、液態和固態燃料以及其它化工原料或者產品的碳資源。生物質是H2O 和 CO2在太陽能作用下的反應產物，其具有清潔、可再生的優點，並且在整個循環過程中CO2是零排放的。全國農作物秸稈年產量約7億噸，除部分作為造紙原料和畜牧飼料外，約3億噸可作為燃料使用，折合約1.5億噸標準煤。其它農業廢棄物約1.3億噸。利用生物質通過一定手段製備合成氣具有理論可行性。

合成氣是替代傳統石油合成化工產品的重要原料，在化工行業中具有十分重要的地位。隨著化石能源的日益枯竭和日趨嚴重的環境問題，利用生物質熱化學轉化技術製備合成氣具有重要的現實意義。合成氣是以H2和CO為主要組分供化學合成用的一種原料氣，是替代傳統石油合成化工產品的重要原料，其生產和應用在化工行業中具有非常重要的地位，可以作為中間體用於石油化工行業或製備各種高品質液體燃料和化學品，如合成二甲醚、混合醇、氨、降解性聚合物等，其中通過費託合成製備二甲醚是重要的途徑之一。

相比傳統的生物質氣化方式，CO2作為生物質氣化的氣化介質研究較少，目前主要圍繞煤的CO2氣化研究。但是該氣化方式具有其他方式不可代替的優勢，一方面該過程將CO2與生物質中的C進行反應，得到的CO可以作為還原氣、能源氣和液化過程的基本原料等。另一方面，CO2是溫室效應的主要影響氣體，如果該技術能夠得到有效的利用，可以將環境中的CO2加以利用，從而減少環境中的CO2含量。因此生物質的CO2氣化技術具有研究價值。

技術實現要素：

本發明目的在於克服現有技術缺陷，提供一種化學鏈燃燒製備合成氣的裝置和方法，其省去了額外的CO2以及水蒸氣的製備過程，利用生物質化學鏈燃燒產生的氣體產物並產生大量熱的特點，實現了整個反應的能源充分利用。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種化學鏈燃燒製備合成氣的裝置，其包括化學鏈燃燒室、設於化學鏈燃燒室外且位於化學鏈燃燒室上部的生物質熱解室、以及氧載體再生裝置；其中，所述化學鏈燃燒室的頂部設有生物質氧載體混合料進口，化學鏈燃燒室內的下部設有傾斜放置的篩網，篩網將化學鏈燃燒室的下部劃分為集灰區和氧載體儲存區兩部分，集灰區開設有第一出灰口，氧載體儲存區連接有氧載體第一回流管；所述生物質熱解室的上部開設有生物質進料口，生物質熱解室的下部設有第二氣體出口和第二出灰口；所述氧載體再生裝置包括旋風分離器和外部包覆有加熱裝置的氧載體再生管，旋風分離器出口通過氧載體第二回流管與化學鏈燃燒室的頂部相連通，氧載體再生管的一端與旋風分離器進口相連接，氧載體再生管的另一端與氧載體第一回流管相連通，且氧載體再生管遠離旋風分離器的端部開設有空氣進口；所述化學鏈燃燒室的頂部設有第一氣體出口並通過管路與生物質熱解室的頂部相連通，位於生物質熱解室內的化學鏈燃燒室部分的外壁上設有加熱裝置。

具體的，所述化學鏈燃燒室內壁的上部間隔均布有若干向下傾斜的折流板，折流板設置多層，上層折流板的末端位於下層折流板中部的上方。折流板的作用在於減緩自生物質氧載體混合料進口進入的原料的下落速度，延長原料（生物質和氧載體）在化學鏈燃燒室內的反應時間，使其充分發生反應，同時也有利於熱量的傳遞。

進一步的，所述氧載體第一回流管與氧載體儲存區的連接處設有用以控制兩者連通或閉合的插板。

使用上述裝置進行化學鏈燃燒製備合成氣的方法，其包括如下步驟：

1）通過加熱裝置控制化學鏈燃燒室內的溫度在800－900℃；將原料生物質和氧載體混合後自生物質氧載體混合料進口進入化學鏈燃燒室內，在下落過程中發生化學鏈燃燒反應，燃燒反應後的小顆粒產物通過篩網並落入集灰區內，燃燒反應後的大顆粒產物自篩網滑落入氧載體儲存區內；同時，燃燒反應產生的CO2氣體與水蒸氣自第一氣體出口排出並通過管路進入生物質熱解室內，與自生物質進料口進入的生物質發生熱解反應，熱解反應產生的合成氣自第二氣體出口排出；

2）通過加熱裝置控制氧載體再生管內的溫度在850－950℃；氧載體儲存區內的大顆粒產物自氧載體第一回流管排出並進入氧載體再生管內，與自空氣進口進入的空氣混合後一起輸送至旋風分離器內，在輸送至旋風分離器內的過程中大顆粒產物與空氣發生放熱反應實現氧載體的再生；

3）再生的氧載體通過旋風分離器和氧載體第二回流管進入化學鏈燃燒室內參與再次燃燒反應，實現循環利用。

具體的，所述生物質為農作物秸稈（如小麥秸稈、玉米秸稈等），所述氧載體為三氧化二鐵顆粒。

本發明裝置中主要包括兩個反應過程：

1、生物質的化學鏈燃燒過程。化學鏈燃燒是一種新型的燃燒方式，具有高效、內分離CO2、低NOx等特點。化學鏈燃燒系統包括兩個連接的化學鏈燃燒室和氧載體再生裝置，固體氧載體顆粒在化學鏈燃燒室和氧載體再生裝置之間循環。燃料進入化學鏈燃燒室後被氧載體顆粒的晶格氧氧化，完全氧化後主要生成CO2和少量的水蒸氣。由於沒有空氣的稀釋，產物純度很高，將水蒸氣冷凝後即可得到純度較高的CO2，而無需消耗額外的能量進行分離，所得的CO2可用於其它用途。其反應式為：

氧載體的再生反應式為：

2、生物質與化學鏈燃燒產物CO2以及H2O（氣體）的熱解反應過程。生物質在化學鏈燃燒室中經過化學鏈燃燒，產物氣（主要是CO2與H2O），可直接通入到燃燒反應器外的生物質熱解室。氧載體在氧載體再生裝置中再生時放出的熱量可以為外側生物質熱解室內生物質與CO2與H2O發生的氧化還原反應提供部分熱量。多餘的CO2可用於後期的直接封存。發生的主要化學反應有：

。

本發明的創新點主要在於：1）生物質化學鏈燃燒的主要氣體產物（CO2+H2O）直接通入外部的生物質熱解室內，作為生物質熱解的氣體原料用於生物質的氣化；2）利用生物質化學鏈燃燒過程中氧載體再生時放出的熱量被氧載體帶入化學鏈燃燒室內，為外部生物質熱解室內的生物質氣化反應補入了部分熱量，氧載體同時起到熱載體的作用，實現了化學能量的梯級利用，使系統能源利用率得到明顯提高；3）實現氧載體的再生和循環利用，節約了原料；4）化學鏈燃燒室內折流板的設計延長了原料在化學鏈燃燒室內的反應時間，使其充分發生反應，同時也有利於熱量的傳遞。5）篩網的設計可以實現化學鏈燃燒反應後大、小顆粒產物的分離，從而便於大顆粒的氧載體再生和循環使用。

本發明裝置結構簡單、操作方便，實現了原料氧載體的重複循環利用，並且化學鏈燃燒產生的氣體產物被直接用作生物質熱解的氣體原料，製備合成出了合成氣。本發明省去了額外的CO2與H2O製備過程，利用生物質化學鏈燃燒產生的氣體產物並產生大量熱的特點，實現了整個反應的能源充分利用。

附圖說明

圖1為本發明所述化學鏈燃燒製備合成氣的裝置的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合實施例對本發明的技術方案作進一步地詳細介紹，但本發明的保護範圍並不局限於此。

實施例1

如圖1所示，一種化學鏈燃燒製備合成氣的裝置，其包括化學鏈燃燒室7、設於化學鏈燃燒室7外且位於化學鏈燃燒室7上部的生物質熱解室8、以及氧載體再生裝置；其中，所述化學鏈燃燒室7的頂部設有生物質氧載體混合料進口15，化學鏈燃燒室7內的下部設有傾斜放置的篩網3，篩網3的上端固定於化學鏈燃燒室7的側壁，篩網3的下端固定於化學鏈燃燒室7的底面，篩網3將化學鏈燃燒室7的下部劃分為集灰區5和氧載體儲存區2兩部分，集灰區5開設有第一出灰口4，氧載體儲存區2連接有氧載體第一回流管21；所述生物質熱解室8的上部開設有兩個生物質進料口（即第一生物質進料口9和第二生物質進料口16），生物質熱解室8的下部設有第二氣體出口6和第二出灰口22；所述氧載體再生裝置包括旋風分離器12和外部包覆有第一加熱裝置14的氧載體再生管17，旋風分離器12出口通過氧載體第二回流管10與化學鏈燃燒室7的頂部相連通，氧載體再生管17的一端與旋風分離器12進口相連接，氧載體再生管17的另一端與氧載體第一回流管21相連通，且氧載體再生管17遠離旋風分離器12的端部開設有空氣進口20；所述化學鏈燃燒室7的頂部設有第一氣體出口並通過管路與生物質熱解室8的頂部相連通（如，與第一氣體出口直接連接的管路分為三個支路，其中的兩個支路11並聯且均與生物質熱解室8的頂部相連通，剩餘的那個支路13上設有閥門用於收集多餘的CO2氣體和水蒸氣），位於生物質熱解室8內的化學鏈燃燒室7部分的外壁上設有第二加熱裝置19。所述化學鏈燃燒室7內壁的上部間隔均布有若干向下傾斜的折流板18，折流板18設置4層，上層折流板的末端位於下層折流板中部的上方。所述氧載體第一回流管21與氧載體儲存區2的連接處設有用以控制兩者連通或閉合的插板1。

第一加熱裝置14、第二加熱裝置19可以為常用的電加熱裝置，如電加熱管、電爐絲等，只要能實現800－950℃範圍的加熱即可，此為本領域共知常識，故此不再贅述。

使用上述裝置進行化學鏈燃燒製備合成氣的方法，其包括如下步驟：

1）通過第二加熱裝置19控制化學鏈燃燒室7內的溫度在850℃左右；將原料生物質（如小麥秸稈、玉米秸稈等，需預先粉碎以利於反應燃燒完全）和氧載體（三氧化二鐵顆粒，顆粒粒度大於生物質顆粒粒度）混合後自生物質氧載體混合料進口15進入化學鏈燃燒室7內，在下落過程中發生化學鏈燃燒反應。當生物質與氧載體燃燒反應完全後，剩下的生物質灰與氧載體繼續下落，當與篩網3接觸時，由於氧載體與生物質灰的顆粒度不同，小顆粒的生物質灰通過篩網3並落入集灰區內5（可通過第一出灰口4排出），顆粒度較大的氧載體自篩網3滑落入氧載體儲存區2內；

同時，燃燒反應產生的產物CO2氣體與水蒸氣自第一氣體出口排出並通過兩個支路11進入生物質熱解室8內用作氣化劑（多餘的CO2氣體和水蒸氣經過支路13進行收集，水蒸氣冷凝分離後，剩餘的CO2壓縮封存），與自第一生物質進料口9和第二生物質進料口16進入的生物質發生熱解反應，熱解反應產生的合成氣自第二氣體出口6排出（生物質熱解室8內產生的固體雜物可通過第二出灰口22定期排出）；

2）通過第一加熱裝置14控制氧載體再生管17內的溫度在900℃左右；氧載體儲存區2內收集的氧載體顆粒自氧載體第一回流管21排出並進入氧載體再生管17內，與自空氣進口20進入的預熱後高溫空氣混合後一起輸送至旋風分離器12內，在輸送至旋風分離器12內的過程中氧載體顆粒與空氣發生氧化放熱反應，氧載體的晶格氧得到補充，實現氧載體的再生，並通過旋風分離器12實現空氣與再生的氧載體的分離；

3）再生的氧載體通過旋風分離器12和氧載體第二回流管10重新進入化學鏈燃燒室7內參與再次燃燒反應，如此實現氧載體的循環利用。同時，氧載體與空氣發生氧化放熱反應放出的熱量被氧載體直接帶入化學鏈燃燒室7內，為外層生物質熱解室8內的生物質氣化補充了熱量，氧載體同時起到熱載體的作用，實現了化學能量的梯級利用，使系統能源利用率得到顯著提高。