雙筒燃燒氣化制合成氣的方法與裝置的製作方法

2023-05-04 04:47:21 2

專利名稱：雙筒燃燒氣化制合成氣的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用燃燒氣化製取合成氣的技術，尤其涉及一種以煤或生物質半 焦為原料的燃燒氣化制合成氣的方法與一體化裝置。
背景技術：
由於石油資源的日漸匱乏，利用煤炭資源或生物質資源，氣化合成高品位的液體 燃料和化學品正逐漸成為一種資源高效利用方式。煤或生物質轉化為液體燃料的技術方法 很多，有直接液化轉化、酶催化轉化、熱化學轉化等，其中燃燒氣化技術並藉助催化合成將 低品位能源產品轉化為高價值高熱值液體燃料的熱化學轉化技術成為其核心技術，其中燃 燒氣化製取合成氣是其中關鍵的步驟之一。降低裝備與系統運行成本，提高燃料轉化率，是 推廣煤炭或生物質高效氣化轉化的關鍵要素。較早的煤炭或生物質燃燒氣化技術主要有直接氣化，即將煤炭或生物質等固體原料在同--爐內完成燃燒、氧化、氣化、氫化與甲烷化等多過程，其主要化學基元反應為
c+o2—- CO2 (燃燒放熱)
H2+l/202一"> H2O (燃燒放熱)
C+l/202—— CO (部分氧化放熱)
C+C02—— 2C0 (氣化吸熱)
C+H20—— CCHH2 (水蒸汽氣化吸熱)
C+2H2—— CH4 (氫化放熱)
C0+3H ——CH4+H20(甲烷化放熱)
CH4+H2O—--C0+3H2 (重整吸熱)
從上述化學反應可以看出，燃燒氣化通過燃燒過程發出熱量推動後續吸熱反應的
進行，並使反應產物向CO和H2等化學合成原料氣轉化。直接氣化過程中，上述反應過程在燃燒氣化爐內進行，爐內溫度高、氣化反應速度 快、物料轉化效率高、裝備與系統簡單。但其主要問題有氣體產物成份複雜，CO2氣體在 產物中比例偏高，以空氣為助燃氣體時，空氣中的氮氣、惰性氣體排放會帶走大量的反應熱 量。由於有效成份少，熱量損失大，後續氣體合成的難度、成本均較大，也會影響了催化劑的 使用環境與壽命，反應過程控制難度大。實踐證明，直接氣化技術並不是最優的煤或生物質 燃燒氣化轉化合成技術。目前煤或生物質熱化學轉化為合成氣，其大量採用的是更高效的間接氣化技術。 間接氣化採用外部間接加熱的方式提供生成co、H2等合成氣所需要的反應熱。在間接氣化 中，外部熱源提供了合成氣生成反應所需要的溫度，促使高分子烴類與氣化劑反應轉化生 成H2、CO、CH4等小分子氣體。間接氣化技術由於將燃燒過程與氣化過程在不同反應器內分 開進行，燃燒過程中產生的CO2氣體與合成氣分開排出爐體，提高了特定成份合成氣和可燃 氣濃度。間接氣化得到的高燃值、高濃度反應產物H2、CO、CH4,不僅可以作為合成氣的原料 氣，或者精製後作為燃料電池的燃料氣，也可直接通入汽輪機、氣體引擎、鍋爐等作為高熱值工質和燃料。典型的間接氣化裝置如美國雙流化床氣化BCL(美國Battelle Columbus Laboratory, R. Τ. Weeks =Tappi. J.，Vol. 80, No. 5，pp. 147-152(1997))裝置，兩個流化床 分別承擔氣化爐和燃燒爐的功能，供給到氣化爐的生物質在高溫流動材料和從流動床底部 的噴上來的氣化劑作用下進行熱分解，到達爐頂生成的氣體通過螺旋分離器將炭黑和流動 材料從氣體中分離出來，精製氣體引出體系，炭黑和流動材料則送至燃燒爐，炭黑與空氣混 合燃燒，加熱流動材料並通過燃燒爐頂部的螺旋分離器，將高溫流動材料送回氣化爐，提供 氣化反應所需熱量。根據報導，按BLC工藝以木材為原料所生產的氣體組成為H2 21%, CO 43%, CH4 16%, CO2 13%，高位發熱量達到 17. 8MJ/m3。國內專利公開號為CN101255987的發明申請材料「雙流化床燃燒氣化物料循環系 統」，其特徵在於包括流化床氣化爐和循環流化床燃燒爐，流化床氣化爐的中部與返料器的進 料室連接，經返料器出料室與循環流化床燃燒爐下部連接，循環流化床燃燒爐上部經高溫分 離器與雙向控料器的進料室連接，然後分成兩路，一路經高溫錐型閥與流化床氣化爐的下部 相連接，另一路經雙向控料器的返料室與循環流化床燃燒爐的下部連接。該專利與上述美國 BCL技術有些類似，同樣採用流動材料實現燃燒爐對氣化爐進行間接加熱氣化，不同的只是 採用了結構複雜的雙向控料器、返料器和高溫錐形閥去控制物料在兩爐間的循環流動。從已公開的間接氣化方案中，流化床燃燒爐與流化床氣化爐分開獨立布置，利用 高溫流動材料在燃燒爐與氣化爐間循環，將燃燒爐內熱量傳遞到氣化爐，以維持氣化爐內 反應溫度成為該技術的顯著特徵之一。也就是說，燃燒爐對氣化爐的加熱過程是藉助流動 材料在兩爐間的循環流動實現的。固體的高溫流動材料在兩爐間的流動需要藉助螺旋分離 器和控料器實施。這類裝置存在的主要不足之處主要有1)燃燒爐向氣化爐的熱量傳遞是以流動材料在一定的氣流速度並藉助螺旋分離 器和控料器在兩爐間的循環流動實現的，能源傳遞效率取決於流動材料的熱容和在兩爐間 的循環流動情況，相對於直接的熱輻射傳熱或對流換熱效率要低；2)獨立的燃燒爐與氣化爐等高溫爐體均存在對外散熱，散熱面積大，系統的熱損 失大；3)為保證固體流動材料在燃燒爐與氣化爐之間的流動轉運，需要的高溫控制部件 多，設備故障率高，系統使用與維護存在一定的困難。

發明內容
本發明的目的是提供一種雙筒燃燒氣化制合成氣的方法與裝置。即採用燃燒與氣 化分區控制，使物料在燃燒爐內燃燒產生高溫，直接通過燃燒爐壁的熱輻射和對流換熱向 氣化爐供應熱量，加熱氣化爐內反應物料和爐區溫度，提高氣化反應溫度，維持物料在氣化 爐內的氣化反應正常進行；而由於燃燒爐與氣化爐的分區運行，物料的熱解、氣化、燃燒過 程相對獨立，便於實現燃燒爐與氣化爐內參數的分區控制與優化，即通過分區給料與溫度 控制，提高氣化效率；通過氣體條件控制，實現氣體組分的定向調控；利用結構、物料流動 優化設計與熱利用優化設計，實現裝置高效低能耗運行。為達到以上目的，本發明提供的雙筒燃燒氣化制合成氣的方法包括以下步驟(1) 煤或生物質半焦等物料經料鬥由送料器送入氣化爐內轉盤，在一定溫度下轉盤內的物料熱解並釋放出揮發氣體；(2)供料系統根據氣化爐內氣化反應需要和燃燒爐內溫度控制需 要，控制轉盤轉速或供料閥口的大小，由轉盤將物料轉運至氣化爐和燃燒爐供料閥口，物料 的供應量由轉盤轉動速度、供料閥口大小與外部給料速度控制；(3)在氣化爐內物料與通 入的氣化劑的反應生成合成氣體，在燃燒爐內物料燃燒放熱，提供氣化爐反應所需要的熱 量；(4)物料在熱解區釋放出的細小焦炭顆粒或焦油，在氣化爐上部高溫和催化劑的作用 下，與氣化劑反應進一步轉化為合成氣體；(5)氣化爐產生的氣體和燃燒爐產出的氣體，分 別進入旋風分離器，將氣體中的焦炭和催化劑等顆粒分離出來，由旋風分離器下部的固體 回流裝置，回流到氣化爐內繼續反應，提高系統的炭轉化率。本發明的雙筒燃燒氣化制合成氣的方法可通過以下所述的裝置來實現，所述的雙 筒燃燒氣化制合成氣的裝置包括燃燒爐、氣化爐、供料系統、氣固分離系統與熱量回收利用 系統等組成，其中燃燒爐與氣化爐呈雙筒套裝一體結構，燃燒爐為裝置的內筒，氣化爐處於 外筒與內筒之間的環形空間，可分區實施氣化爐反應控制。燃燒爐外壁可以有肋片以強化 燃燒爐向氣化爐的熱傳遞過程。所述的燃燒爐和氣化爐與供料系統連接。供料系統包括料鬥、送料器、驅動齒輪、 轉盤、氣化劑和助燃氣輸入通道及溫度控制系統等組成；用於反應的物料由外界輸送到料 鬥，經由送料器送入氣化爐內的轉盤上；轉盤安裝於燃燒爐外壁上的固定支架上，由固定於 送料器上的驅動齒輪帶動轉盤繞燃燒爐轉動，將物料供應至燃燒爐供料閥口和氣化爐供料 閥口 ；燃燒爐供料閥口的開度大小可由調節閥單獨控制，或者與燃燒爐可燃氣體供應調節 閥聯動控制；氣化爐供料閥口的開度大小可由調節閥單獨控制，或者與氣化爐氣化劑供應 調節閥聯動控制；供料系統還負責向燃燒爐供應空氣等，向氣化爐供應氣化劑如水蒸汽等。所述的燃燒爐和氣化爐出氣口分別與氣固分離系統連接。燃燒爐和氣化爐的上部 出氣口連接氣固分離器和固體回流裝置，分離的固體顆粒回流到氣化爐進一步反應。所述的熱量回收利用系統包括利用燃燒爐煙氣和合成氣餘熱製造水蒸汽氣化劑 和熱空氣的換熱器和加熱器等。本發明與現有技術相比，具有如下有益效果1)由於本發明採用燃燒爐和氣化爐雙筒一體化結構，燃燒爐內物料燃燒產生的高 溫，通過燃燒爐壁向氣化爐散熱，加熱並維持氣化爐內溫度。燃燒爐與氣化爐熱交換過程通 過熱輻射與對流換熱直接完成，省去了流動材料在兩爐間循環流動的熱傳遞過程，裝置熱 損失較少，運行熱效率高。2)本發明的氣化爐內有一活動轉盤，活動轉盤與供料系統連接，由供料系統控制 轉盤轉動速度、供應閥口開度與物料供應量，進而控制向燃燒爐和氣化爐內物料供應量，較 好地解決了爐內物料輸送與分配技術難題，實現爐內反應過程與溫度控制目標，裝置運行 可控性能高。3)本發明中燃燒爐與氣化爐及供料系統實現結構與功能一體化集成設計，裝置結 構緊湊，集成度高，安裝佔地面積小，維護管理方便。該系統裝置可廣泛地用於燃燒、氣化、冶金、催化合成和再生工藝中。


圖1是本發明實施例裝置的組成結構示意圖。
附圖標記說明1.燃燒爐，2.氣化爐，3.轉盤，4.驅動齒輪，5.送料器，6.料鬥， 7.燃燒爐供料閥口，8.氣化爐供料閥口，9.氣固分離器，10.氣固分離器，11.固體回流裝 置，12.加熱器，13.換熱器，14.氣氣換熱器，15.氣氣換熱器
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發明內容做進一步說明如附圖1所示，一種雙筒燃燒氣化制合成氣的方法，將煤或生物質半焦產品由料 鬥6經過送料器5送入安裝於氣化爐2內的轉盤3上，轉盤3由固定於送料器5上的驅動 齒輪4驅動轉動，轉盤3轉動過程中，物料在轉盤3上熱解釋放出揮發氣體，同時轉盤3將 物料轉運至燃燒爐供料閥口 7進入燃燒爐1、或者將物料轉運至各分區氣化爐供料閥口 8進 入氣化爐2內。物料在氣化爐2內受熱發生熱解並釋放出揮發氣體，同時在水蒸汽氣化劑 的作用下高溫物料中的碳反應得到合成氣體；反應過程中所需要的熱量由燃燒爐1向氣化 爐2內輻射傳熱和對流換熱提供。在需要時，可在氣化爐2內直接加入催化劑，對物料熱解 氣體和氣化中產生的焦油轉化為合成氣體；燃燒爐1燃燒產生的煙氣經過氣固分離器9將 固體顆粒分離出來，由固體回流裝置11回到氣化爐2中繼續反應生成合成氣體，分離後的 煙氣則經過加熱器12將熱量傳遞給水蒸汽，或者將煙氣經過氣氣換熱器14將熱量傳遞給 助燃空氣，使煙氣餘熱得以回收利用；而氣化爐2中產生的合成氣經過氣固分離器10將固 體顆粒分離出來，由固體回流裝置11回到氣化爐2中繼續反應生成合成氣體，精製後的合 成氣經過換熱器13加熱給水以獲取氣化劑水蒸汽，並將剩餘的熱量通過氣氣換熱器15加 熱空氣，使餘熱得到回收利用。一種雙筒燃燒氣化制合成氣的裝置，其特徵包括由燃燒爐1和氣化爐2組成的雙 筒體結構，以及由轉盤3、驅動齒輪4、送料器5、料鬥6等組成的供料部件，以及由氣固分離 器9、氣固分離器10和固體回流裝置11等組成的氣固分離系統，以及由加熱器12、換熱器 13、氣氣換熱器14和15等組成的熱量回收利用系統組成。其特徵還包括雙筒結構的內筒 為燃燒爐1，雙筒結構的內外筒間的環形空間為氣化爐2。轉盤3安裝於氣化爐2內的固定 支架上，轉盤3內有多個料倉並開有多個出料口，轉盤3內側出料口與燃燒爐1上供料閥口 7匹配，當轉盤3內側出料口轉至供料閥口 7處時，轉盤3內的物料便由供料閥口 7進入燃 燒爐1內；轉盤3外側出料口分別與氣化爐2內不同區塊的供料閥口 8匹配，當轉盤3外 側出料口轉至其對應供料閥口 8處時，轉盤3內的物料便由其供料閥口 8進入相應區塊的 氣化爐2內。轉盤3—側邊有與驅動齒輪4配對的齒輪副，驅動齒輪4由固定於送料器5 內的驅動軸驅動，並帶動轉盤3轉動，供料系統根據驅動齒輪4轉動情況，判斷轉盤3中料 倉的對應位置，並根據需要由供料器5給出物料；料鬥6內的物料，經過送料器5送入轉盤 3的料倉內，在需要轉盤3轉動時，固定在送料器5上的驅動齒輪4帶動轉盤3轉動，並完 成物料的轉運和分配。燃燒爐供料閥口 7的開度大小可由調節閥單獨控制，或者與燃燒爐 1可燃氣體供應調節閥聯動控制；氣化爐供料閥口 8的開度大小可由調節閥單獨控制，或者 與氣化爐2氣化劑供應調節閥聯動控制；燃燒爐1上部出口的煙氣經過氣固分離器9將未 完全燃燼的小顆粒物料分離出來進入固體回流裝置11，淨化後的煙氣可用於加熱器12加 熱給水獲取高溫水蒸汽作為氣化劑使用，餘熱進一步經過氣氣換熱器14加熱空氣；氣化爐 2上部出口的合成氣經過氣固分離器10將未完全反應的小顆粒物料和催化劑分離出來進入固體回流裝置11，淨化後的高溫合成氣可利用換熱器13將熱量輸送到給水獲取氣化劑 水蒸汽使用，餘熱進一步加熱空氣得到利用；固體回流裝置11內回收的物料，被送回氣化 爐內參與反應，得到合成氣，提高系統的炭轉化率。
權利要求
雙筒燃燒氣化制合成氣的方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟(1)煤或生物質半焦等物料經料鬥由送料器送入氣化爐內轉盤上，在一定溫度下轉盤內的物料熱解並釋放出揮發氣體；(2)供料系統根據氣化爐內氣化反應需要和燃燒爐內溫度控制需要，控制轉盤轉速和供料量，由轉盤將物料送至氣化爐和燃燒爐的物料供料閥口；(3)在氣化爐內物料與氣化劑的反應生成可燃合成氣，在燃燒爐內物料燃燒放熱，熱量通過爐壁向氣化爐傳遞，提供氣化爐氣化反應所需要的熱量；(4)物料在熱解區釋放出的細小焦炭顆粒或焦油，在氣化爐上部區高溫和催化劑的共同作用下，與氣化劑反應轉化為輕質可燃氣體；(5)氣化爐和燃燒爐產出的氣體經過旋風分離器，將氣體中的焦炭和催化劑等顆粒分離出來，由旋風分離器下部的固體回流裝置，回流到氣化爐內繼續反應，提高系統的炭轉化率。
2.用於實現權利要求1所述方法的一種雙筒燃燒氣化制合成氣的裝置，其特徵在於 所述的雙筒燃燒氣化制合成氣的裝置包括呈雙筒結構的燃燒爐(1)和氣化爐(2)，以及與 燃燒爐(1)和氣化爐(2)配套的供料系統、氣固分離系統和熱量回收利用系統等組成。其 特徵還包括，燃燒爐(1)為內筒，氣化爐(2)分布於內筒與外筒間的環形空間，並可分隔為 幾個氣化區；供料系統由料鬥(6)、送料器(5)、驅動齒輪(4)、轉盤(3)和供氣管道及附件 等組成，送料器(5)將料鬥(6)內的物料，輸送到轉盤(3)內，轉盤(3)為安裝於氣化爐(2) 內並可繞燃燒爐(1)轉動的環形物料託盤，轉盤(3)與固定於送料器(5)上的驅動齒輪(4) 嚙合，並由驅動齒輪(4)帶動轉動，將物料送至燃燒爐(1)和氣化爐(2)內。
3.如權利要求2所述的一種雙筒燃燒氣化制合成氣的裝置，其特徵在於轉盤(3)內 有多個料倉並開有多個出料口，轉盤(3)內側出料口與燃燒爐(1)上供料閥口(7)匹配，當 轉盤(3)內側出料口轉至供料閥口(7)處時，轉盤(3)內的物料便由供料閥口(7)進入燃 燒爐⑴內 』轉盤⑶外側出料口分別與氣化爐⑵內不同區塊的供料閥口⑶匹配，當轉 盤(3)外側出料口轉至其對應供料閥口(8)處時，轉盤(3)內的物料便由其供料閥口(8) 進入相應區塊的氣化爐(2)內。
4.如權利要求2所述的一種雙筒燃燒氣化制合成氣的裝置，其特徵在於轉盤(3)— 側邊有與驅動齒輪(4)配對的齒輪副，驅動齒輪(4)由固定於送料器(5)內的驅動軸驅動， 並帶動轉盤(3)轉動。
5.如權利要求2所述的一種雙筒燃燒氣化制合成氣的裝置，其特徵在於燃燒爐供料 閥口(7)的開度大小可由調節閥單獨控制，或者與燃燒爐(1)可燃氣體供應調節閥聯動控 制；氣化爐供料閥口(8)的開度大小可由調節閥單獨控制，或者與氣化爐(2)氣化劑供應調 節閥聯動控制。
全文摘要
一種雙筒燃燒氣化制合成氣的方法與裝置，包括雙筒結構的燃燒爐和氣化爐，以及配套的供料系統、氣固分離系統與熱量回收利用系統等組成的間接氣化裝置，其中燃燒爐為裝置的內筒，氣化爐處於外筒與內筒之間的環形空間，可分區實施氣化爐反應控制。物料的供應由料鬥、送料器、驅動齒輪和轉盤等組成，並由送料器將料鬥內物料送至氣化爐內的轉盤上，由轉盤分別送至燃燒爐和氣化爐供料閥口，實現物料的分配與運輸。本發明提供了一個更加高效的間接氣化方法和緊湊的一體化裝置，裝置可靠性高，能源利用效率高，可用於煤炭或生物質定向氣化，或者作為煤炭和生物質燃燒製取可燃高熱值氣體的配套裝備。
文檔編號C10J3/20GK101921625SQ20101024205
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者吳懷之, 張東柯 申請人:中國科學院青島生物能源與過程研究所