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一种三反应器生物质热解系统及其工作方法 Download PDF

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鲁许鳌
郑小龙
冉旭
班彩英
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Abstract

本发明属于新型生物质热解系统技术领域，特别涉及一种三反应器生物质热解系统及其工作方法。本发明系统由快速流化床氧化炉、第一旋风分离器、烟气管道、第一返料阀、鼓泡流化床煅烧炉、第二返料阀、第二旋风分离器、CO2管路、第三返料阀、回转式热解炉、给料口、燃气出口和热绞龙组成；本发明采用快速流化床氧化炉、鼓泡流化床煅烧炉和回转式热解炉的三反应器设计结构，每个反应器的反应温度等工况参数既独立有彼此相互关联，其主要影响因素在于双化学链的物料选取和配比关系；本发明CO2由零排放转为负排放；燃气中H2组分含量大于80%，减少了生物质能的热损失，同时防止了半焦对环境造成的污染危害。

Description

一种三反应器生物质热解系统及其工作方法
技术领域
本发明属于新型生物质热解系统技术领域，特别涉及一种三反应器生物质热解系统及其工作方法。
背景技术
在当今世界各国的化石能源日渐枯竭的背景下，生物质能作为一种安全可靠、蕴藏量大、对环境友好且可再生的能源形式，越来越受到各国研究人员的重视。近年来，我国的生物质能利用技术发展迅猛，截止2010年底，我国生物质发电装机总量已超过2000 MW。
生物质气化、热解作为在工业生产中大规模利用生物质能的技术手段而得到广泛的推广应用。而现在的把固体生物质转化为气体燃料存在以下问题：
（1）生物质气化产生的燃气混杂了大量N2、CO2和水蒸气等杂质气体，导致燃气的热值较低。
（2）生物质热解过程中产生大量的半焦，随炉渣直接排放到环境中，这种做法既造成了能量的损失，又对环境造成了污染。
（3）通常生物质转化过程中没有脱碳环节，大量的CO2不经过任何处理就直接排放到大气中，引发的温室效应越来越严重，与当今的低碳生产作业方式不相符合。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种三反应器生物质热解系统及其工作方法。
一种三反应器生物质热解系统，其快速流化床氧化炉的上部出口与第一旋风分离器连接；所述第一旋风分离器的顶部设置烟气管道，底部出口通过第一返料阀与鼓泡流化床煅烧炉的上部入口连接；所述鼓泡流化床煅烧炉的下部出口通过第二返料阀与快速流化床氧化炉的下部相连；鼓泡流化床煅烧炉的顶部出口与第二旋风分离器相连；所述第二旋风分离器的顶部通过CO2管路与CO2捕集装置相连，底部出口通过第三返料阀与回转式热解炉连接；所述回转式热解炉顶部设置给料口和燃气出口，下部出口与热绞龙入口端相连；热绞龙出口端与鼓泡流化床煅烧炉的下部相连。
一种三反应器生物质热解系统的工作方法，其具体方案如下：
水蒸气分别自第二返料阀、第一返料阀、鼓泡流化床煅烧炉和第三返料阀进入系统；空气通过快速流化床氧化炉底部进入到系统当中；
生物质物料通过给料口进入到回转式热解炉中，与空气发生气化热解反应后，生成的含有半焦碳粒和CO2的初步燃气产气与来自第三返料阀的CaO进行反应，生成用于工业生产的燃气，反应产生的CaCO3和半焦碳粒经由热绞龙进入到鼓泡流化床煅烧炉进行高温煅烧分解和还原CuO反应，其中半焦碳粒与水蒸气发生反应，所产生的H2、CO连同未反应的半焦碳粒一起与来自第一返料阀和来自快速流化床氧化炉的CuO进行氧化还原反应，并放热使CaCO3分解；鼓泡流化床煅烧炉中CaCO3煅烧分解产生的CaO和CO2以流化态进入到第二旋风分离器，在重力作用下CaO与CO2气固分离开来，CaO通过第三返料阀进入回转式热解炉中，CO2通过CO2管路进入到CO2捕集装置中，至此完成双化学链反应中的其中一个链的循环；
另外一个化学链的循环流程为：来自风机的空气与Cu一同从快速流化床氧化炉的底部进入，并进行快速的氧化反应，生成的CuO在流化状态下的与热废气进入第一旋风分离器，CuO靠重力作用经第一返料阀进入到鼓泡流化床煅烧炉参与氧化还原反应。
本发明的有益效果为：
（1）在进行工业化生产的同时，注重了对系统所产生的高浓度CO2的捕集控制， CO2由零排放转为负排放，焚烧炉出口的CO2浓度大于85%；
（2）通过生物质热解以及进行燃气脱碳，燃气中H2组分含量大于80%；燃气单位热值得到了较大的提高，具有了更高利用价值；
（3）生物质热解所产生的半焦在煅烧反应器中进行气化，减少了生物质能的热损失，同时防止了半焦对环境造成的污染危害。
附图说明
图1为本发明系统装置结构示意图；
图中标号：1-快速流化床氧化炉；2-第一旋风分离器；3-烟气管道；4-第一返料阀；5-鼓泡流化床煅烧炉；6-第二返料阀；7-第二旋风分离器；8-CO2管路；9-第三返料阀；10-回转式热解炉；11-给料口；12-燃气出口；13-热绞龙。
具体实施方式
本发明提供了一种三反应器生物质热解系统及其工作方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种三反应器生物质热解系统，其快速流化床氧化炉1的上部出口与第一旋风分离器2连接；所述第一旋风分离器2的顶部设置烟气管道3，底部出口通过第一返料阀4与鼓泡流化床煅烧炉5的上部入口连接；所述鼓泡流化床煅烧炉5的下部出口通过第二返料阀6与快速流化床氧化炉1的下部相连；鼓泡流化床煅烧炉5的顶部出口与第二旋风分离器7相连；所述第二旋风分离器7的顶部通过CO2管路8与CO2捕集装置相连，底部出口通过第三返料阀9与回转式热解炉10连接；所述回转式热解炉10顶部设置给料口11和燃气出口12，下部出口与热绞龙13入口端相连；热绞龙13出口端与鼓泡流化床煅烧炉5的下部相连。
一种三反应器生物质热解系统的工作方法，其具体方案如下：
水蒸气分别自第二返料阀6、第一返料阀4、鼓泡流化床煅烧炉5和第三返料阀9进入系统；空气通过快速流化床氧化炉1底部进入到系统当中；
生物质物料通过给料口11进入到回转式热解炉10中，与空气发生气化热解反应后，生成的含有半焦碳粒和CO2的初步燃气产气与来自第三返料阀9的CaO进行反应，生成用于工业生产的燃气，反应产生的CaCO3和半焦碳粒经由热绞龙13进入到鼓泡流化床煅烧炉5进行高温煅烧分解和还原CuO反应，其中半焦碳粒与水蒸气发生反应，所产生的H2、CO连同未反应的半焦碳粒一起与来自第一返料阀4和来自快速流化床氧化炉1的CuO进行氧化还原反应，并放热使CaCO3分解；鼓泡流化床煅烧炉5中CaCO3煅烧分解产生的CaO和CO2以流化态进入到第二旋风分离器7，在重力作用下CaO与CO2气固分离开来，CaO通过第三返料阀9进入回转式热解炉10中，CO2通过CO2管路8进入到CO2捕集装置中，至此完成双化学链反应中的其中一个链的循环；
另外一个化学链的循环流程为：来自风机的空气与Cu一同从快速流化床氧化炉1的底部进入，并进行快速的氧化反应，生成的CuO在流化状态下的与热废气进入第一旋风分离器2，CuO靠重力作用经第一返料阀4进入到鼓泡流化床煅烧炉5参与氧化还原反应。
采用双化学链反应，具体反应情况如下：
1、回转式热解炉
[CxHyOz]→tar1+char1→
tar2[CH0.85O0.17]+char2[CH0.20O0.13]
+H2+CO+CO2+CH4+C2H4+          （1）
此反应为以CxHyOz为主体成分的生物质物料在回转式热解炉中发生热解反应，生成由多种气体成分组成的初步裂解气，其中包含了大量的CO2，造成了燃烧的不稳定性，不适于直接燃烧应用。反应吸热，+1000 kJ/kg。
Figure BDA0000289456901
                   （2）
此反应为在生物质物料内加入CaO，以吸附裂解生成的CO2。研究认为，当有水分参与时，此反应更易进行，因此在第四返料阀内通入了适量水蒸气。反应吸热（温度不宜过高），+175.7 kJ/mol。
炉内反应温度控制在650 ℃左右，气化炉内的所需反应热量来自于CaO的物理显热。
2、鼓泡流化床煅烧炉
                      （3）
在回转式热解炉中未能完全反应的碳粒（半焦）进入到高温的鼓泡流化床煅烧炉内与加入的水蒸气发生反应，生成的CO和H2主要用来还原CuO而非作为燃气去进行燃烧应用。反应要吸收大量的热，+131.5 kJ/mol。
2CuO+C→2Cu+CO2                   （4）
CuO+H2→Cu+H2O                    （5）
CuO+CO→Cu+CO2                    （6）
来自快速流化床氧化炉的高温CuO与三种典型的还原剂C、H2、CO发生了氧化还原反应。这三种反应均为放热反应，虽然反应的进行需要加热。反应温度为800 ℃左右。
                     （7）
在流化状态下的鼓泡流化床煅烧炉中，CaCO3热分解产生的CaO随CO2进入旋风分离器，CaO固体物料分离出来后进入到回转式热解炉内，富含CO2的气体进行收集。反应吸热，反应温度为800 ℃左右。
3、快速流化床氧化炉
2Cu+O2→2CuO                    （8）
快速流化床氧化炉中所进行的化学链反应主要为这一双化学链反应过程提供氧化物料CuO，作为一种完成整个系统流程的中间介质。此反应是快速的氧化反应，放出大量的热，温度为850 ℃左右。

Claims (2)

1.一种三反应器生物质热解系统，其特征在于：快速流化床氧化炉（1）的上部出口与第一旋风分离器（2）连接；所述第一旋风分离器（2）的顶部设置烟气管道（3），底部出口通过第一返料阀（4）与鼓泡流化床煅烧炉（5）的上部入口连接；所述鼓泡流化床煅烧炉（5）的下部出口通过第二返料阀（6）与快速流化床氧化炉（1）的下部相连；鼓泡流化床煅烧炉（5）的顶部出口与第二旋风分离器（7）相连；所述第二旋风分离器（7）的顶部通过CO2管路（8）与CO2捕集装置相连，底部出口通过第三返料阀（9）与回转式热解炉（10）连接；所述回转式热解炉（10）顶部设置给料口（11）和燃气出口（12），下部出口与热绞龙（13）入口端相连；热绞龙（13）出口端与鼓泡流化床煅烧炉（5）的下部相连。
2.一种如权利要求1所述的三反应器生物质热解系统的工作方法，其特征在于，具体方案如下：
水蒸气分别自第二返料阀（6）、第一返料阀（4）、鼓泡流化床煅烧炉（5）和第三返料阀（9）进入系统；空气通过快速流化床氧化炉（1）底部进入到系统当中；
生物质物料通过给料口（11）进入到回转式热解炉（10）中，与空气发生气化热解反应后，生成的含有半焦碳粒和CO2的初步燃气产气与来自第三返料阀（9）的CaO进行反应，生成用于工业生产的燃气，反应产生的CaCO3和半焦碳粒经由热绞龙（13）进入到鼓泡流化床煅烧炉（5）进行高温煅烧分解和还原CuO反应，其中半焦碳粒与水蒸气发生反应，所产生的H2、CO连同未反应的半焦碳粒一起与来自第一返料阀（4）和来自快速流化床氧化炉（1）的CuO进行氧化还原反应，并放热使CaCO3分解；鼓泡流化床煅烧炉（5）中CaCO3煅烧分解产生的CaO和CO2以流化态进入到第二旋风分离器（7），在重力作用下CaO与CO2气固分离开来，CaO通过第三返料阀（9）进入回转式热解炉（10）中，CO2通过CO2管路（8）进入到CO2捕集装置中，至此完成双化学链反应中的其中一个链的循环；
另外一个化学链的循环流程为：来自风机的空气与Cu一同从快速流化床氧化炉（1）的底部进入，并进行快速的氧化反应，生成的CuO在流化状态下的与热废气进入第一旋风分离器（2），CuO靠重力作用经第一返料阀（4）进入到鼓泡流化床煅烧炉（5）参与氧化还原反应。
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