本發(fā)明涉及生物質(zhì)氣化，具體涉及一種生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、生物質(zhì)制合成氣采用較為廣泛的是生物質(zhì)氣化，通過高溫和氣化劑作用將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣，在這個過程會伴隨著副產(chǎn)物焦油和焦炭產(chǎn)生。水蒸氣氣化和co2氣化方式能夠得到品質(zhì)較好的合成氣，但這兩個過程均是一個強吸熱過程，需要外供熱源才能滿足系統(tǒng)的自熱運行?；瘜W(xué)鏈技術(shù)是一種革新性的化學(xué)轉(zhuǎn)化和能源利用方法。該技術(shù)將傳統(tǒng)的單一化學(xué)轉(zhuǎn)化過程分解為兩個或多個反應(yīng)步驟，實現(xiàn)反應(yīng)與分離的有機結(jié)合。在生物質(zhì)的清潔利用方面，化學(xué)鏈技術(shù)顯示出巨大的應(yīng)用前景。目前，已有研究報道關(guān)注化學(xué)鏈技術(shù)在生物質(zhì)利用方面的應(yīng)用，這些研究主要聚焦于單元技術(shù)裝置的設(shè)計、載氧體的研發(fā)以及反應(yīng)條件的優(yōu)化調(diào)控。化學(xué)鏈氣化技術(shù)借助氧載體傳遞晶格氧從而實現(xiàn)生物質(zhì)的高效氣化，有效避免了空氣氣化時n2的稀釋以及氧氣氣化時高昂的制氧成本。同時，載氧體還作為載熱體維持反應(yīng)器之間熱量平衡，無需外部供熱，即可實現(xiàn)系統(tǒng)自熱運行。
2、在氣化反應(yīng)器中，載氧體為生物質(zhì)提供晶格氧以生成高品質(zhì)合成氣，同時自身被還原。被還原的載氧體送入氧化反應(yīng)器中，被空氣氧化恢復(fù)至初始狀態(tài)。氧化后的載氧體再被送入氣化反應(yīng)器為燃料提供氧，如此通過載氧體在兩個反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)來實現(xiàn)燃料的化學(xué)鏈氣化，最終轉(zhuǎn)化成以h2、co為主的合成氣，但是其反應(yīng)體系復(fù)雜并相互交織，導(dǎo)致生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化還存在著一些挑戰(zhàn)。例如生物質(zhì)氣化反應(yīng)速率較慢、生物質(zhì)氣化生成合成氣的轉(zhuǎn)化率低、合成氣選擇性低等問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置及方法，以解決現(xiàn)有生物質(zhì)氣化反應(yīng)速率較慢、生物質(zhì)氣化生成合成氣的轉(zhuǎn)化率低、合成氣選擇性低的問題。
2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：一種生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，包括：氧化反應(yīng)器、釋氧反應(yīng)器和氣化反應(yīng)器，所述氧化反應(yīng)器連接有第一旋風(fēng)分離器，所述第一旋風(fēng)分離器下部出口連接有第一返料立管，所述第一返料立管連接有第一返料閥，所述第一返料閥與釋氧反應(yīng)器相連，所述釋氧反應(yīng)器連接有第二旋風(fēng)分離器，所述第二旋風(fēng)分離器下部出口連接有第二返料立管，所述第二返料立管連接有第二返料閥，所述第二返料閥與氣化反應(yīng)器相連，所述第二旋風(fēng)分離器頂部連接有氣流管道。
3、作為上述技術(shù)方案的進一步改進：
4、所述氣流管道連接有氣流支管，所述氣流支管通過再循環(huán)風(fēng)機接入氣化反應(yīng)器。
5、所述氧化反應(yīng)器為等徑柱體結(jié)構(gòu)。
6、所述釋氧反應(yīng)器和氣化反應(yīng)器為一體結(jié)構(gòu)，所述釋氧反應(yīng)器為等徑柱體結(jié)構(gòu)，所述氣化反應(yīng)器為包括上小下大的變徑錐體結(jié)構(gòu)和等徑柱體結(jié)構(gòu)，所述釋氧反應(yīng)器直徑與變徑錐體結(jié)構(gòu)最小直徑相等，所述氣化反應(yīng)器的等徑柱體結(jié)構(gòu)與變徑錐體結(jié)構(gòu)最大直徑相等。
7、所述氧化反應(yīng)器下部側(cè)面設(shè)置有第一進料口，所述第一進料口與水平方向成角45°-60°。
8、所述氣化反應(yīng)器下部側(cè)面設(shè)置有第二進料口，所述第二進料口與水平方向成角45°-60°。
9、所述釋氧反應(yīng)器下部側(cè)面設(shè)置有第三進料口，所述第三進料口與水平方向成角45°-60°。
10、所述氧化反應(yīng)器、釋氧反應(yīng)器為快速流化床，所述氣化反應(yīng)器為湍動流化床，所述氣化反應(yīng)器的變徑和等徑交界處設(shè)置流化床氣固出口，并通過第三返料閥與氧化反應(yīng)器下部的進料口相連。
11、本發(fā)明公開了一種生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化方法，包括以下步驟：
12、在氣化反應(yīng)器下部生物質(zhì)熱解氣化生成焦炭、合成氣、焦油，以及低碳烴，同時在載氧體的催化作用下部分焦油，低碳烴和水又反應(yīng)生成合成氣；
13、合成氣通過釋氧反應(yīng)器后進入第二旋風(fēng)分離器中被分離進入氣流管道；
14、來自氧化反應(yīng)器的空氣將載氧體物料流化并氧化后，載氧體經(jīng)第一返料閥流動至釋氧反應(yīng)器，在釋氧反應(yīng)器內(nèi)載氧體在6-10m/s風(fēng)速的作用下往上輸送載氧體顆粒，并釋放氣態(tài)氧氣，
15、釋放氧氣后的載氧體經(jīng)第二旋風(fēng)分離器分離后進入氣化反應(yīng)器，并與生物質(zhì)顆?；旌虾髤⑴c催化生物質(zhì)的熱解氣化反應(yīng)，隨后載氧體經(jīng)第三返料閥重新回到氧化反應(yīng)器中；
16、氣流管道中部分氣體經(jīng)過再循環(huán)風(fēng)機從氣流支管又返回至氣化反應(yīng)器中，再次循環(huán)。
17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
18、優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計，提升氣化效率：傳統(tǒng)單一氣化反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)體系復(fù)雜，多種反應(yīng)相互交織，導(dǎo)致氣化效率低下。本發(fā)明將傳統(tǒng)單一氣化反應(yīng)器解耦為釋氧反應(yīng)器和氣化反應(yīng)器，并整合為一個整體。實現(xiàn)了載氧體還原與生物質(zhì)氣化的分區(qū)控制，有效避免了復(fù)雜反應(yīng)體系對氣化效率的負(fù)面影響。在釋氧反應(yīng)器中，載氧體釋放氧氣，為后續(xù)與合成氣的反應(yīng)創(chuàng)造條件；在氣化反應(yīng)器中，生物質(zhì)進行熱解氣化反應(yīng)，兩個反應(yīng)器各司其職，使得反應(yīng)過程更加有序，從而顯著提升了整體的氣化效率。
19、實現(xiàn)流態(tài)化分區(qū)控制，強化反應(yīng)效果：通過精確控制氣體流速，實現(xiàn)了流態(tài)化分區(qū)控制。氧化反應(yīng)器和釋氧反應(yīng)器采用快速流化床形式，內(nèi)部氣體流速能達到6-10m/s，這種較高的流速使得載氧體能夠在反應(yīng)器內(nèi)快速流動，有利于載氧體的氧化和氧氣的釋放；而氣化反應(yīng)器采用湍動流化床形式，內(nèi)部氣體流速為0.5-1.2m/s，較低的流速保證了生物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時間進行熱解氣化反應(yīng)，同時也有利于載氧體與生物質(zhì)充分接觸，強化了催化反應(yīng)效果。不同的流化狀態(tài)在不同區(qū)域協(xié)同作用，促進了整個化學(xué)鏈氣化過程的高效進行。
20、采用催化載氧體，提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率和合成氣質(zhì)量：采用帶有催化功能的釋氧型載氧體，這種載氧體具有多重優(yōu)勢。在釋氧反應(yīng)器中，載氧體釋放氧氣，與部分合成氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，放出的熱量可以補給生物質(zhì)熱解所需的能量，減少了外部供熱的需求，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自熱運行。釋放氧氣后，載氧體表面暴露出金屬元素，返回氣化反應(yīng)器后，這些金屬元素能夠催化生物質(zhì)的熱解氣化反應(yīng)。以銅基載氧體為例，其釋放氧氣后，銅元素可以促進生物質(zhì)中大分子有機物的分解，使生物質(zhì)更充分地轉(zhuǎn)化為合成氣，提高了生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。同時，催化作用還能夠減少合成氣中焦油、低碳烴等雜質(zhì)的含量，提升了合成氣的質(zhì)量，使合成氣更適合后續(xù)的利用。
1.一種生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，其特征在于，包括：氧化反應(yīng)器(3)、釋氧反應(yīng)器(9)和氣化反應(yīng)器(8)，所述氧化反應(yīng)器(3)連接有第一旋風(fēng)分離器(41)，所述第一旋風(fēng)分離器(41)下部出口連接有第一返料立管(51)，所述第一返料立管(51)連接有第一返料閥(61)，所述第一返料閥(61)與釋氧反應(yīng)器(9)相連，所述釋氧反應(yīng)器(9)連接有第二旋風(fēng)分離器(42)，所述第二旋風(fēng)分離器(42)下部出口連接有第二返料立管(52)，所述第二返料立管(52)連接有第二返料閥(62)，所述第二返料閥(62)與氣化反應(yīng)器(8)相連，所述第二旋風(fēng)分離器(42)頂部連接有氣流管道(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，其特征在于：所述氣流管道(10)連接有氣流支管(11)，所述氣流支管(11)通過再循環(huán)風(fēng)機(12)接入氣化反應(yīng)器(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，其特征在于：所述氧化反應(yīng)器(3)為等徑柱體結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，其特征在于：所述釋氧反應(yīng)器(9)和氣化反應(yīng)器(8)為一體結(jié)構(gòu)，所述釋氧反應(yīng)器(9)為等徑柱體結(jié)構(gòu)，所述氣化反應(yīng)器(8)為包括上小下大的變徑錐體結(jié)構(gòu)和等徑柱體結(jié)構(gòu)，所述釋氧反應(yīng)器(9)直徑與變徑錐體結(jié)構(gòu)最小直徑相等，所述氣化反應(yīng)器(8)的等徑柱體結(jié)構(gòu)與變徑錐體結(jié)構(gòu)最大直徑相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，其特征在于：所述氧化反應(yīng)器(3)下部側(cè)面設(shè)置有第一進料口(71)，所述第一進料口(71)與水平方向成角45°-60°。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，其特征在于：所述氣化反應(yīng)器(8)下部側(cè)面設(shè)置有第二進料口(72)，所述第二進料口(72)與水平方向成角45°-60°。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，其特征在于：所述釋氧反應(yīng)器(9)下部側(cè)面設(shè)置有第三進料口(73)，所述第三進料口(73)與水平方向成角45°-60°。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，其特征在于：所述氧化反應(yīng)器(3)、釋氧反應(yīng)器(9)為快速流化床，所述氣化反應(yīng)器(8)為湍動流化床，所述氣化反應(yīng)器(8)的變徑和等徑交界處設(shè)置流化床氣固出口，并通過第三返料閥(63)與氧化反應(yīng)器(3)下部的進料口相連。
9.一種生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化方法，使用權(quán)利要求8所述的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化裝置，其特征在于，包括以下步驟：