專利名稱：生物質(zhì)與煤共制燃氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的生物質(zhì)廢棄物與煤共同制備燃氣的方法，充分利用生物質(zhì)在煤的協(xié)同作用下制取燃氣，屬于廢物資源化、新能源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
地球上的生物質(zhì)凈增產(chǎn)量巨大，相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍，有極大的開發(fā)、利用潛力。我國農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)占有重要地位，農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)副產(chǎn)品加工過程中產(chǎn)生大量的生物質(zhì)廢棄物，包括各種秸桿、稻殼、牲畜糞便、豆渣、木屑等等，生物質(zhì)廢棄物處理不當(dāng)常常造成環(huán)境污染，包括大氣、水體、土壤等。每年我國稻殼產(chǎn)量3000多萬噸，可收集的秸桿量超過7億噸。稻殼、秸桿的低位熱值約為1200(Tl7000 kj/kg，農(nóng)作物秸桿是一個潛在的、巨大的能源庫?！丁笆濉辟Y源利用指導(dǎo)意見》之《大宗固體廢棄物綜合利用實施方案》提出，2015年秸桿利用率的目標為80%，探尋低成本、高效、便捷的秸桿利用途徑，是秸桿利用關(guān)鍵所在。牲畜糞便的低位熱值約為14000 kj/kg，豆渣的低位熱值約為15000 kj/kg，木屑的低位熱值則更高，基本高于18000 kj/kg。我國生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)量大，加之其較高的熱值特征，生物質(zhì)廢棄物形成了一個潛在的巨型能量庫。我國是一個能源消耗大國，石油儲量較少，對進口石油依賴性大；天然氣儲量也有限；國內(nèi)主要的能源物質(zhì)是煤，煤礦儲量較大，但煤礦是不可再生資源。從長遠發(fā)展來看，不得不考慮時時刻刻存在的能源危機。生物質(zhì)能源是可再生資源，充分利用生物質(zhì)廢棄物能一方面可以減少廢棄物對環(huán)境的污染，另一方面可以緩解能源危機。目前，利用生物質(zhì)制備燃氣得到很多關(guān)注和研究。公開號為CN101774542 A公開了一種生物質(zhì)氣化制氫的系統(tǒng)和方法，采用生物質(zhì)氣化制氫與化學(xué)鍵燃燒相結(jié)合，以金屬氧化物為熱載體和氧載體在三床之間循環(huán)的系統(tǒng)實現(xiàn)低CO2排放制氫。公開號為CN101747945 A公開了一種兩段式生物質(zhì)制備合成氣的方法，該方法將生物質(zhì)裂解，獲得木炭和生物原油，利用輸送泵將生物原油或者木炭與生物原油混合制備的油碳漿送入氣化爐制備合成氣。這些方法制氣過程中或需要外部系統(tǒng)提供水蒸氣，或需要催化劑，或?qū)α呀膺^程中產(chǎn)生的焦油的處理有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種生物質(zhì)與煤共制燃氣的方法，該方法以生物質(zhì)為主要原料，添加一定量的煤制備生物質(zhì)燃氣，制備方法主要包括預(yù)熱干燥、一次中溫氣化、二次高溫氣化及燃氣凈化等程序，其中利用燃氣的余熱預(yù)熱干燥生物質(zhì)，預(yù)熱干燥步驟產(chǎn)生的水蒸氣用作一次中溫氣化的氣化劑，一次氣化產(chǎn)生的生物碳用于去除燃氣中的焦油，除焦油后的木炭經(jīng)過粉碎與一次氣化產(chǎn)生的燃氣進行二次高溫氣化，二次高溫氣化后的燃氣去除焦油、進一步凈化后制得所需燃氣。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):(1)對生物質(zhì)進行初步破碎，使其粒徑小于2cm，利用后續(xù)工序余熱進對物料進行預(yù)熱和干燥，干燥后的含水率低于5%。干燥過程產(chǎn)生的水蒸氣輸送到一次中溫氣化裝置；
(2)將步驟(I)干燥后的物料送入粉磨設(shè)備，粉磨后物料粒徑小于I_，得到粉末狀生物質(zhì)；
(3)步驟(2)得到的粉末狀生物質(zhì)與煤粉送入一次中溫氣化裝置，與步驟(I)產(chǎn)生的水蒸氣在一次中溫氣化裝置中進行一次氣化，水蒸氣的通入量以一次中溫氣化反應(yīng)裝置中的相對濕度為參照，一次中溫氣化反應(yīng)裝置中的相對濕度控制在7%~10%范圍內(nèi)，其中摻入的煤粉質(zhì)量為粉末狀生物質(zhì)質(zhì)量的59TlO% (以干基計)，一次中溫氣化的溫度為300 ^500oC,制得燃氣、生物碳及灰分；
(4)一次中溫氣化后得到的燃氣通往二次高溫氣化裝置，一次氣化得到的生物碳輸送到二次高溫氣化燃氣裝置之后的除焦油裝置，作為除焦油物質(zhì)富集焦油，可連續(xù)更換；
(5)對步驟(4)中除焦油后的生物碳進行粉磨，粉磨后物料的的粒徑小于0.5mm，得到粉磨狀含焦油生物碳；
(6)將一次中溫氣化得到的燃氣和粉磨狀含焦油生物碳輸送到二次高溫氣化裝置進行二次高溫氣化(含焦油生物碳的添加量以生物碳的產(chǎn)生量和反應(yīng)器的容積而定，控制在(T0.15 t/m3*h)，二次高溫氣化的溫度控制在110(Tl30(TC，得到燃氣；
(7)二次高溫氣化得到的燃氣輸送到除焦油裝置，去除燃氣中的焦油等雜質(zhì)，此步驟配有熱交換器，降低溫度以促進吸附凈化，并利用燃氣余熱對初步破碎的生物質(zhì)進行預(yù)熱和干燥；
(8)除焦油后的燃氣輸送到凈化裝置進一步凈化，除去燃氣中的灰塵等雜質(zhì)，得到優(yōu)質(zhì)成品燃氣。

本發(fā)明方法中步驟(I)原料的預(yù)熱干燥過程產(chǎn)生的蒸氣可以作為步驟(3)的氣化齊U，既為氣化過程提供了氣化劑，又節(jié)能、減少廢物排放；步驟(3) —次中溫氣化產(chǎn)生的生物碳作為氣體中焦油的吸附劑，并在步驟(6) 二次高溫氣化過程中進一步氣化。本發(fā)明原理如下:生物質(zhì)的主要組成是C、H、O、N，在一定的熱力學(xué)條件下生物分子可以發(fā)生熱裂解、氧化還原反應(yīng)，生成小分子氣體、生物碳及灰分。生物質(zhì)在300°C溫度條件下開始氣化，生成C0、C02、H2、CH4、焦油、生物碳等物質(zhì)，當(dāng)溫度高于800°C時焦油開始裂解，溫度為1100°C 1300°C時絕大部分焦油被裂解，主要的反應(yīng)式有:
生物質(zhì)+ 02/H20 — CO + CO2 + H2 + CH4 + CHX +大分子有機物+焦油+灰分+C (生物碳)+其它；
大分子有機物(烴、芳香化合物)一CO + H2O + H2 + CO2 +CH4 + O2 ；
C + O2 — CO2 ;C + O2 — CO ;
C + H2O — CO + H2 ;C + H2 — CH4 ；
C +CO2 — CO ;焦油 + C + O2 — CO + CH4+C02 +H2O ；
本發(fā)明中生物質(zhì)是指農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)副產(chǎn)品加工過程中產(chǎn)生大量的生物質(zhì)廢棄物，包括各種秸桿、稻殼、牲畜糞便、豆渣、木屑等等。本發(fā)明的優(yōu)點:
本發(fā)明利用生物質(zhì)廢棄物制備生物質(zhì)燃氣，添加少量的煤促進和提高生物質(zhì)熱裂解及效率。生物質(zhì)預(yù)熱干燥過程利用的是工藝中產(chǎn)生的余熱，干燥步驟產(chǎn)生的水蒸氣作為一次中溫氣化的氣化劑，即為工藝提供了氣化劑，又減少了廢物的排放。氣化分兩個階段，一次中溫氣化和二次高溫氣化，可以減少氣化過程能量的消耗。中溫階段使大部分生物質(zhì)氣化，得到部分生物碳，得到的生物碳可以作為燃氣中焦油的去除物質(zhì)。除焦油的生物碳經(jīng)過粉磨返回到二次高溫氣化裝置，與一次中溫氣化燃氣在高溫下進行裂解，使焦油充分裂解成為小分子燃氣物質(zhì)，減少了燃氣中焦油的含量，提高了燃氣的熱值。燃氣經(jīng)過凈化后用熱交換器冷卻，余熱用于對初始生物質(zhì)預(yù)熱和干燥，充分利用余熱、節(jié)約能源。整個工藝不僅實現(xiàn)了利用生物質(zhì)廢棄物制備燃氣，燃氣的熱值較高，能達到燃氣使用的標準。既獲得新能源，使廢物資源化，且工藝中充分合理利用中間產(chǎn)物、余熱，減少污染物質(zhì)排放和能源消耗，符合清潔生產(chǎn)的理念。


圖1為本發(fā)明生物質(zhì)與煤共制燃氣的工藝流程示意圖。
具體實施例方式下面通過附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明保護范圍不局限于所述內(nèi)容。實施例1:生物質(zhì)與煤共制燃氣的方法，具體操作如下:
(1)以秸桿、牛糞為主要生物質(zhì)原料，對秸桿進行破碎，使其粒徑小于2cm，預(yù)熱并干燥至含水率為3%，秸桿和牛糞質(zhì)量比為1:1，用后續(xù)工序得到的余熱對秸桿和牛糞預(yù)熱干燥(初次啟動時此步驟需要外源提供熱)，干燥過程產(chǎn)生的水蒸氣輸送到一次中溫氣化裝置；
(2)將步驟(I)干燥后的物料送入粉磨設(shè)備，粉磨后物料粒徑小于1_，得到粉狀生物
質(zhì)；
(3)步驟(2)得到的粉狀生物質(zhì)與煤粉送入一次中溫氣化裝置，與步驟(I)產(chǎn)生的水蒸氣在一次中溫氣化裝置中進行一次氣化，其中煤粉的添加量為粉狀生物質(zhì)干基質(zhì)量的5%，一次中溫氣化的溫度在30(T450°C范圍內(nèi)，一次中溫裝置中通入水蒸氣后，相對濕度約8%，氣化后得到主要成分為C0、C02、H2、CH4的燃氣，氣體中含有焦油，此外形成部分生物碳及灰分；
(4)一次中溫氣化后得到的燃氣通往二次高溫氣化裝置，一次氣化得到的生物碳輸送到二次高溫氣化燃氣裝置之后的除焦油裝置中作為除焦油物質(zhì)富集焦油，可連續(xù)更換；
(5)對步驟(4)中除焦油后的生物碳進行粉磨，粉磨后物料的的粒徑小于0.5 mm，得到粉磨狀含焦油生物碳；
(6)將一次中溫氣化得到的燃氣和粉磨狀含焦油生物碳輸送到二次高溫氣化裝置進行二次高溫氣化，粉磨狀含焦油生物碳的添加量為0.1 t/m3*h，二次高溫氣化的溫度控制在110(Tl250°C范圍內(nèi)，氣化后得到主要成分為C0、C02、H2、CH4的燃氣，氣體中含有少量焦油，并產(chǎn)生一定量灰分；
(7)二次高溫氣化得到的燃氣輸送到除焦油裝置，去除燃氣中的焦油，配備的熱交換系統(tǒng)使焦油初步凈化的主體過程溫度低于50°C，燃氣余熱對秸桿和牛糞進行預(yù)熱和干燥；經(jīng)過除焦油裝置中生物碳的作用后，燃氣中焦油量減少約90% ；
(8)除焦油后的燃氣輸送到凈化裝置采用常規(guī)方法進一步凈化，除去燃氣中的灰塵等雜質(zhì)，進一步凈化燃氣，使灰塵、焦油等指標符合生物質(zhì)氣化可燃氣性能指標，灰塵及焦油含量為6 8 mg/m3 ;成品燃氣的低熱值約為16 MJ/m3。實施例2:生物質(zhì)與煤共制燃氣的方法，具體操作如下:
(1)以秸桿、豆渣為主要生物質(zhì)原料，對秸桿進行破碎，使其粒徑小于2cm，預(yù)熱并干燥至含水率為2%，秸桿和牛糞質(zhì)量比為2:1，用后續(xù)工序得到的余熱對秸桿和豆渣預(yù)熱干燥(初次啟動時此步驟需要外源提供熱)，干燥過程產(chǎn)生的水蒸氣輸送到一次中溫氣化裝置；
(2)將步驟(1)干燥后的物料送入粉磨設(shè)備，粉磨后物料粒徑小于1_，得到粉狀生物質(zhì)。(3)步驟(2)得到的粉狀生物質(zhì)與煤粉送入一次中溫氣化裝置，與步驟(I)產(chǎn)生的水蒸氣在一次中溫氣化裝置中進行一次氣化，其中摻入的煤粉質(zhì)量為粉末狀生物質(zhì)的8%，一次中溫氣化的溫度保持在35(T400 °C范圍內(nèi)，一次中溫裝置中通入水蒸氣后，相對濕度約9% ;氣化后得到主要成分為C0、C02、H2、CH4的燃氣，氣體中含有焦油，此外形成部分生物碳及灰分；
(4)一次中溫氣化后得到的燃氣通往二次高溫氣化裝置，一次氣化得到的生物碳輸送到二次高溫氣化燃氣裝置之后的除焦油裝置中作為除焦油物質(zhì)富集焦油，可連續(xù)更換；
(5)對步驟(4)中除焦油后的生物碳進行粉磨，粉磨后物料的的粒徑小于0.5 mm，得到粉磨狀含焦油生物碳；
(6)將一次中溫氣化得到的燃氣和粉磨狀含焦油生物碳輸送到二次高溫氣化裝置進行二次高溫氣化，粉磨狀含焦油生物碳的添加量為0.08 t/m3*h, 二次高溫氣化的溫度控制在1150 1300°C范圍內(nèi)，氣化后得到主要成分為C0、C02、H2、CH4的燃氣，氣體中含有少量焦油，并產(chǎn)生一定量灰分；
(7)二次高溫氣化得到的燃氣輸送到除焦油裝置，去除燃氣中的焦油，配備的熱交換系統(tǒng)使焦油初步凈化的主體過程溫度低于50°C。燃氣余熱對秸桿和牛糞進行預(yù)熱和干燥；經(jīng)過除焦油裝置中生物碳的作用后，燃氣中焦油量減少約90% ；
(8)除焦油后的燃氣輸送到凈化裝置采用常規(guī)方法進一步凈化，除去燃氣中的灰塵等雜質(zhì)，進一步凈化燃氣，使灰塵、焦油等指標符合生物質(zhì)氣化可燃氣性能指標，灰塵及焦油含量為5 8 mg/m3 ;成品燃氣的低熱值約為15.5 MJ/m3。實施例3:生物質(zhì)與煤共制燃氣的方法，具體操作如下:
(1)以木屑、枝葉為主要生物質(zhì)原料，對木屑、枝葉進行破碎，使其粒徑小于2cm，預(yù)熱并干燥至含水率為3%，木屑、枝葉質(zhì)量比為1:2，用后續(xù)工序得到的余熱對木屑、枝葉預(yù)熱干燥(初次啟動時此步驟需要外源提供熱)，干燥過程產(chǎn)生的水蒸氣輸送到一次中溫氣化裝置；
(2)將步驟(I)干燥后的物料送入粉磨設(shè)備，粉磨后物料粒徑小于I_，得到粉末狀生物質(zhì)；
(3)步驟(2)得到的粉末狀生物質(zhì)與煤粉送入一次中溫氣化裝置，與步驟(I)產(chǎn)生的水蒸氣在一次中溫氣化裝置中進行一次氣化；其中煤粉的添加量為粉狀生物質(zhì)干基質(zhì)量的10%，一次中溫氣化的溫度保持在35(T500°C范圍內(nèi)，一次中溫裝置中通入水蒸氣后，相對濕度約7%，氣化后得到主要成分為CO、CO2, H2, CH4的燃氣，氣體中含有焦油，此外形成部分生物碳及灰分；(4)一次中溫氣化后得到的燃氣通往二次高溫氣化裝置，一次氣化得到的生物碳輸送到二次高溫氣化燃氣裝置之后的除焦油裝置中作為除焦油物質(zhì)富集焦油，可連續(xù)更換；
(5)對步驟(4)中除焦油后的生物碳進行粉磨，粉磨后物料的的粒徑小于0.5 mm，得到粉磨狀含焦油生物碳，
(6)將一次中溫氣化得到的燃氣和粉磨狀含焦油生物碳輸送到二次高溫氣化裝置進行二次高溫氣化，粉磨狀含焦油生物碳的添加量為0.14 t/m3*h，二次高溫氣化的溫度控制在iio(ri2oo°c范圍內(nèi)，氣化后得到主要成分為co、co2、h2、ch4的燃氣，氣體中含有少量焦油，并產(chǎn)生一定量灰分；
(7)二次高溫氣化得到的燃氣輸送到除焦油裝置，去除燃氣中的焦油；配備的熱交換系統(tǒng)使焦油初步凈化的主體過程溫度低于50°C。燃氣余熱對秸桿和牛糞進行預(yù)熱和干燥，經(jīng)過除焦油裝置中生物碳的作用后，燃氣中焦油量減少約90% ；
(8)除焦油后的燃氣輸送到凈化裝置采用常規(guī)方法進一步凈化，除去燃氣中的灰塵等雜質(zhì)，進一步凈化燃氣，使灰塵、焦油等指標符合生物質(zhì)氣化可燃氣性能指標，灰塵及焦油含量為6 8 mg/m3，成品燃氣的低熱值約為17.5 MJ/m3。實施例4:生物質(zhì)與煤共制燃氣的方法，具體操作如下:
(1)以稻殼、煙草秸桿為主要生物質(zhì)原料，對煙草秸桿進行破碎，使其粒徑小于2cm，預(yù)熱并干燥至含水率為3%，稻殼、煙草秸桿質(zhì)量比為3:2，用后續(xù)工序得到的余熱對稻殼、煙草秸桿預(yù)熱干燥(初次啟動時此步驟需要外源提供熱)，干燥過程產(chǎn)生的水蒸氣輸送到一次中溫氣化裝置；
(2)將步驟(I)干燥后的物料送入粉磨設(shè)備，粉磨后物料粒徑小于I_，得到粉末狀生物質(zhì)； (3)步驟(2)得到的粉末狀生物質(zhì)與煤粉送入一次中溫氣化裝置，與步驟(I)產(chǎn)生的水蒸氣在一次中溫氣化裝置中進行一次氣化；其中煤粉的添加量為粉狀生物質(zhì)干基質(zhì)量的7%，一次中溫氣化的溫度保持在35(T450°C范圍內(nèi)，一次中溫裝置中通入水蒸氣后，相對濕度約9%，氣化后得到主要成分為CO、CO2, H2, CH4的燃氣，氣體中含有焦油，此外形成部分生物碳及灰分；
(4)一次中溫氣化后得到的燃氣通往二次高溫氣化裝置，一次氣化得到的生物碳輸送到二次高溫氣化燃氣裝置之后的除焦油裝置中作為除焦油物質(zhì)富集焦油，可連續(xù)更換；
(5)將一次中溫氣化得到的燃氣輸送到二次高溫氣化裝置進行二次高溫氣化，二次高溫氣化的溫度控制在120(Tl30(TC范圍內(nèi)，氣化后得到主要成分為CO、CO2, H2, CH4的燃氣，氣體中含有少量焦油，并產(chǎn)生少量灰分；
(6)二次高溫氣化得到的燃氣輸送到除焦油裝置，去除燃氣中的焦油；配備的熱交換系統(tǒng)使焦油初步凈化的主體過程溫度低于50°C，燃氣余熱對稻殼、煙草秸桿進行預(yù)熱和干燥，經(jīng)過除焦油裝置中生物碳的作用后，燃氣中焦油量減少約90% ；
(7)除焦油后的燃氣輸送到凈化裝置采用常規(guī)方法進一步凈化，除去燃氣中的灰塵等雜質(zhì)，進一步凈化燃氣，使灰塵、焦油等指標符合生物質(zhì)氣化可燃氣性能指標，灰塵及焦油含量為5 8 mg/m3，成品燃氣的低熱值約為15.8 MJ/m3。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)與煤共制燃氣的方法，其特征在于按如下步驟進行: (1)將生物質(zhì)粉碎至粒徑小于2cm，預(yù)熱并干燥至含水率低于5%，干燥過程中產(chǎn)生的水蒸氣輸送到一次中溫氣化過程中； (2)干燥后物料粉碎至粒徑小于1_，得到粉狀生物質(zhì)； (3)將粉狀生物質(zhì)與煤粉送入一次中溫氣化裝置中，在300-500°C下進行氣化，其中煤粉的添加量為粉狀生物質(zhì)干基質(zhì)量的5-10%，一次中溫氣化反應(yīng)裝置中的相對濕度控制在79TlO%范圍內(nèi)；一次中溫氣化后得到的生物渣放入除焦油裝置中作為除焦油物質(zhì)，富集焦油后的生物渣，粉磨至粒徑小于0.5mm,制得含焦油生物碳； (4)將一次中溫氣化后得到的燃氣和/或含焦油生物碳通入二次高溫氣化裝置在1100-1300°C下進行二次高溫氣化，其中含焦油生物碳的添加量為(T0.15 t/m3*h ； (5)二次高溫氣化得到的燃氣輸送到除焦油裝置，去除燃氣中的焦油，然后輸送到凈化裝置中進一步凈化，凈化后燃氣進行熱交換，制得成品燃氣和余熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述生物質(zhì)與煤共制燃氣的方法，其特征在于:熱交換產(chǎn)生的余熱用于步驟(I)中原料生物質(zhì)的干燥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物質(zhì)與煤共制燃氣的方法，該方法以生物質(zhì)為主要原料，添加一定量的煤制備生物質(zhì)燃氣，制備過程包括預(yù)熱干燥、一次中溫氣化、二次高溫氣化及燃氣凈化等程序，通過本發(fā)明方法制得的燃氣熱值較高，能達到燃氣使用的標準，本發(fā)明方法既獲得新能源，使廢物資源化，且工藝中充分合理利用中間產(chǎn)物、余熱，減少污染物質(zhì)排放和能源消耗，符合清潔生產(chǎn)的理念。
文檔編號C10J3/66GK103074113SQ201310059969
公開日2013年5月1日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者寧平, 馬懿星, 瞿廣飛, 曾金花, 林奕璐 申請人:昆明理工大學(xué)