1.本发明涉及生物质能再利用技术领域，特别是涉及一种可燃碳基质废弃物气化合成气提质的工艺方法及设备。


背景技术：

2.生物质能源分布广泛，具有可再生性和低污染性等特点，因此对生物质能开发利用的研究是我国可持续发展技术的重要内容之一。生物质是自然界唯一含碳可再生资源，可直接转化为绿色液体燃料，在未来能源结构和碳减排中占据重要地位。生物质气化合成低碳混合醇液体燃料能实现生物质全组分利用，是最有前景的高效转化途径之一。但是，以农林废弃物为代表的低质生物质氢碳比低、含水高，气化合成过程中存在低碳混合醇产率低、目标产物分离提纯难等问题，亟待解决。
3.目前生物质气化合成气主要是通过空气或者氧气气化后，再经过高温加热装置时与高压水蒸气进行化学反应，从而得到较高氢碳比的合成气。实验表明，温度是衡量气化过程进行顺利与否的一个重要影响因素，要使气化过程顺利地进行，能量的供给是必不可少的，气化反应总体上是一个吸热反应，要想使还原反应进行的彻底就需要装置内有足够的热量和充足的停留时间。炉内温度起着决定性的作用，对气体中的可燃组分、气体产率和气化强度等都有着重要影响，随着反应温度的升高，气化速率加快，co2含量减少，气体中的可燃组分值增加；当碳元素被气化转化为可燃气体后，剩余的热量不足以为反应式提供充足热量，致使还原反应难以进行，实验中余下的热量主要消耗在空气和原料的升温过程中，产生的粗可燃气也带出了大量的热量。炉内热量不充足温度偏低也会导致焦油的生产，减少氢气和一氧化碳的生成。
4.传统的气化工艺是采用富氧—水蒸气气化来提高氢碳比，气化剂和水蒸气混合后在预热器进行预热保证水蒸气的温度，然后被送到炉体气体室内，通过布风板进到炉内进行气化反应，气化剂温度较低，会吸收一部分热量，使还原反应进行的不彻底，而且水蒸气属于额外添加的气化剂，进到炉内后由于传热性会先吸收炉内的热量再进行反应，这样会降低气化效率。传统气化工艺会产出一定量的焦油，而焦油具有粘附性很容易吸附在管壁表面造成管道堵塞，且洗焦废水易污染环境。随着生物质气化合成气定向合成醇液体燃料的不断研究，对气化产出气的要求也越来越高，要求产出气中有较高的氢碳比、焦油和灰含量低于10mg/nm3或更低，传统工艺的气化需要额外加入水蒸气，增加了生产成本，也会降低炉内温度不利于气化反应的进行；焦油的生成量同样会增多，造成能量的损失。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可燃碳基质废弃物气化合成气提质的工艺方法及设备，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可燃碳基质废弃物气化合成气提质的工艺设备，包括鼓泡流化床，所述鼓泡流化床的内部设置有内置预热管道，
所述鼓泡流化床和内置预热管道之间形成加热腔，所述内置预热管道内部从上到下依次为稀相区和密相区；所述加热腔的底端和密相区的底端之间连通有第二气化剂输送管；所述加热腔的顶端连通有第一气化剂输送管，所述第一气化剂输送管的进口处连通有水蒸气发生器和气化剂混合箱，所述气化剂混合箱连通有鼓风机和氧气瓶；
7.所述稀相区和密相区之间连通有上料机构，所述上料机构的外侧套设有用于预热上料机构内部原料的原料预热箱；所述稀相区的顶端连通有旋风除尘器，所述旋风除尘器与原料预热箱的进气端连通，所述原料预热箱的出气端连通有净化装置。
8.优选的，所述气化剂混合箱和鼓风机之间设置有第一流量计，所述气化剂混合箱和氧气瓶之间设置有第二流量计，所述第一气化剂输送管与水蒸气发生器之间设置有第三流量计。
9.优选的，所述第一气化剂输送管的出口连通有若干组气化剂分支管路，所述气化剂分支管路均与加热腔连通且任意相邻两组气化剂分支管路之间的距离相同；所述第二气化剂输送管设置有不少于两组且任意相邻两组第二气化剂输送管之间的距离相同。
10.优选的，所述鼓泡流化床在密相区内固定连接有布风板，所述布风板设置在所述第二气化剂输送管进气口和出气口之间。
11.优选的，所述上料机构包括进料管，所述进料管的内部设置有螺旋叶片，所述螺旋叶片通过电机驱动；所述进料管靠近鼓泡流化床的一端设置有出料口，所述进料管远离鼓泡流化床的一端连通有进料斗；所述原料预热箱为管式结构，所述原料预热箱套接在进料管的外侧，所述进料管和原料预热箱之间形成预热腔，所述旋风除尘器和净化装置分别连接在预热腔的进气端和出气端。
12.优选的，所述鼓泡流化床的侧壁上设置有耐火水泥保温层，所述旋风除尘器和原料预热箱的侧壁上设置有岩棉保温层。
13.一种可燃碳基质废弃物气化合成气提质的工艺方法，包括以下步骤：
14.步骤一.空气和氧气按照比例进行混合，形成初步混合的气化剂；
15.步骤二.将步骤一初步混合得到的气化剂与水蒸气按照比例形成气化剂，将气化剂输送到鼓泡流化床内的加热腔内进行预热；
16.步骤三.步骤二中预热后的气化剂加热到590℃
‑
615℃后输送至密相区内，与经过预热的原料进行气化反应产生粗燃气；
17.步骤四.对步骤三得到的粗燃气进行除尘处理，除尘处理后的粗燃气对步骤三中的原料进行预热后进行净化处理。
18.优选的，步骤四中，所述粗燃气对原料进行预热后产生的被烘干的原料和水蒸气全部输送入稀相区和密相区；所述粗燃气进入预热腔的温度不低于550℃，被烘干的原料的含水率不高于15％。
19.本发明公开了以下技术效果：本发明通过粗燃气中的能量预热原料，处理后的原料在热解气化过程中，降低了大分子可凝性液体产物的产量，并且由于热量的补给和烘干出的水蒸气直接参与化学反应，提高了可燃气的质量，增加了氢气和一氧化碳的含量，测得h2/co比达到1.65，合成气品质得到明显提升，有利于后续合成气调变和合成液体燃料；同时本发明减少了传统富氧
‑
水蒸气气化过程中所需要的水蒸气量，降低了传统富氧
‑
水蒸气气化所产生的炉内热量损失，降低了产生水蒸气所产生的电能消耗。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明设备结构示意图；
22.其中，1为鼓风机，2为氧气瓶，3为气化剂混合箱，4为鼓泡流化床，5为内置预热管道，6为密相区，7为风室，8为第二气化剂输送管，9为稀相区，10为气化剂分支管路，11为旋风除尘器，12为上料机构，13为原料预热箱，14为水蒸气发生器，15为加热腔，16为第一气化剂输送管，17为第一流量计，18为第二流量计，19为第三流量计，20为预热腔，21为布风板，121为进料管，122为螺旋叶片，123为进料斗。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.参照图1，本发明提供一种可燃碳基质废弃物气化合成气提质的工艺设备，包括鼓泡流化床4，鼓泡流化床4的内部设置有内置预热管道5，鼓泡流化床4和内置预热管道5之间形成加热腔15，内置预热管道5内部从上到下依次为稀相区9和密相区6；加热腔15的底端和密相区6的底端之间连通有第二气化剂输送管8；加热腔15的顶端连通有第一气化剂输送管16，第一气化剂输送管16的进口处连通有水蒸气发生器14和气化剂混合箱3，气化剂混合箱3连通有鼓风机1和氧气瓶2。
26.稀相区9和密相区6之间连通有上料机构12，上料机构12的外侧套设有用于预热上料机构12内部原料的原料预热箱13；稀相区9的顶端连通有旋风除尘器11，旋风除尘器11与原料预热箱13的进气端连通，原料预热箱13的出气端连通有净化装置。
27.进一步优化方案，气化剂混合箱3和鼓风机1之间设置有第一流量计17，气化剂混合箱3和氧气瓶2之间设置有第二流量计18，第一气化剂输送管16与水蒸气发生器14之间设置有第三流量计19。通过第一流量计17、第二流量计18和第三流量计19分别计量气化剂中空气、氧气和水蒸气的用量。
28.进一步优化方案，第一气化剂输送管16的出口连通有若干组气化剂分支管路10，气化剂分支管路10均与加热腔15连通且任意相邻两组气化剂分支管路10之间的距离相同；气化剂分支管路10设置有五路，在每路气化剂分支管路10上均安装小型孔板流量计，测试五路气化剂分支管路10中的气体流量，保证气化剂均匀输送至加热腔15。第二气化剂输送管8设置有不少于两组且任意相邻两组第二气化剂输送管8之间的距离相同。
29.进一步优化方案，鼓泡流化床4在密相区6内固定连接有布风板21，布风板21设置在第二气化剂输送管8进气口和出气口之间。
30.进一步优化方案，上料机构12包括进料管121，进料管121的内部设置有螺旋叶片122，螺旋叶片122通过电机驱动；进料管121靠近鼓泡流化床4的一端设置有出料口，进料管121远离鼓泡流化床4的一端连通有进料斗123；原料预热箱13为管式结构，原料预热箱13套接在进料管121的外侧，进料管121和原料预热箱13之间形成预热腔20，旋风除尘器11和净化装置分别连接在预热腔20的进气端和出气端。
31.进一步优化方案，鼓泡流化床4的侧壁上设置有耐火水泥保温层，旋风除尘器11和原料预热箱13的侧壁上设置有岩棉保温层。
32.一种可燃碳基质废弃物气化合成气提质的工艺方法，包括以下步骤：
33.步骤一.空气和氧气按照比例进行混合，形成初步混合的气化剂；即鼓风机1和氧气瓶2分别向气化剂混合箱3提供空气和氧气，并通过第一流量计17、第二流量计18进行计量，形成初步混合的气化剂。
34.步骤二.将步骤一初步混合得到的气化剂与水蒸气按照比例形成气化剂，将气化剂输送到鼓泡流化床4内的加热腔15内进行预热；气化剂进到加热腔15后迅速扩散并充满，气化剂的流速降低，在加热腔15内进行预热，由于内置预热管道5设置在炉体内，且内置预热管道5与鼓泡流化床4的高程是相同的，且密相区6和稀相区9高度之和为7.5m，保证气化剂有足够的停留时间，使气化剂的温度t1超过600℃。
35.步骤三.步骤二中预热后的气化剂加热到590℃
‑
615℃后输送至密相区6内，加热腔15的底端和密相区6的底端之间连通有第二气化剂输送管8，通过第二气化剂输送管8将气化剂输送到风室7内，使气化剂扩散并混合均匀，优选气化剂加热到600℃，600℃的气化剂通过布风板21进到密相区6内进行气化反应。气化剂与经过预热的原料进行气化反应产生粗燃气。
36.步骤四.对步骤三得到的粗燃气进行除尘处理，除尘处理后的粗燃气对步骤三中的原料进行预热后进行净化处理。粗燃气通过传送输送到预热腔20，预热腔20对进料管121内的原料进行预热，产生的被烘干的原料和水蒸气全部输送入稀相区9和密相区6；粗燃气进入预热腔20的温度不低于550℃，被烘干的原料的含水率不高于15％。原料通过上料机构12中的螺旋叶片122输送至稀相区9和密相区6内，进料管121的长度不小于为2000mm，保证原料充足的预热时间，使原料的含水率降低到要求以下，与炉内的高温气化剂进行气化反应。产出的粗燃气从炉体顶部输送至旋风除尘器11，经过旋风除尘器11除去粗燃气中的大颗粒杂质等，然后通过管道输送到预热腔20内对原料进行预热。等炉内气化反应达到平衡后，炉体出口的温度t3为600℃，经过旋风除尘器11后温度t4、t5测得为550℃，经过原料预热后产出气的温度t6为350℃，之后在鼓引配合下产出的可燃气进行净化装置内。
37.气化所需要的原料含水率要求15％以下，而生物质原料的工业分析得到内在原位水分在5％左右，也就是说单位质量的原料含水率在20％左右，原料经过预热，表面的水分随着原料吸热的进行先释放出来，随着原料温度的升高内在的原位水分也逐渐释放出来，之后被烘干的原料、水蒸气和传热得到的热量一起进到炉内参加反应。
38.气化剂与原料发生气化反应后生成二氧化碳、水蒸气、一氧化碳、氢气、甲烷、焦炭和焦油等，产生大量的热量，原料在炉内进行着复杂的氧化还原反应，生成所需要的可燃气组分。
39.根据克拉伯龙方程式pv＝nrt得到，气化剂的温度由常温升到600℃时体积会变为
原来的3倍多，体积膨胀单位体积内的物质的量减少，而系统采用鼓引配合，可知从布风板21进到炉内的气化剂量没有减少，故气化反应参数当量比er减小了。上述反应式可以看到氧化反应后剩余的热量不足以支持更多的还原反应进行，因而当气化剂预热至600℃时就会带进大量的热量到密相区，这样为还原反应提供了热量保障。
40.第二气化剂输送管8上设置有t1温度测点，气化剂混合箱3出口处设置有t2温度测点，稀相区9出气口处设置有t3温度测点，旋风除尘器11出气口处设置有t4温度测点，预热腔20的进气端和出气端分别设置有t5温度测点和t6温度测点。
41.目前生物质气化合成气主要是通过空气或者氧气气化后，再经过高温加热装置时与高压水蒸气进行化学反应，从而得到较高氢碳比的合成气。这样合成气中含有一部分惰性气体—氮气，不仅不参与气化反应，反而稀释了产出燃气中可燃组分的含量，影响合成醇液体燃料的质量。同时，在未进入高温装置前合成气中焦油会依附在管道壁上，含有的可燃基质不能很好地被利用，而焦油中大部分是苯的衍生物及多环芳烃，并且其在高温时呈气态，与可燃气完全混合，而在低温时(一般低于200℃)凝结为黏稠的液态，分离和处理较为困难，可以通过炉内气化高温反应减少焦油的生成量，使其裂解转化为氢气和一氧化碳。
42.生物质气化的基本原理是将生物质原料在气化剂(空气，氧气或水蒸气等)的参与下进行不完全燃烧，使较高分子量的有机碳氢化合物链裂解，变成较低分子量的co、h2、ch4等可燃性气体。生物质气化方法包含两个过程，一是热化学反应过程；二是热化学反应过程条件所需要的设备。从化学角度考虑，热化学过程是非常复杂的，其中涉及到较多的化学方程式，主要关联到如式(1)
‑
(6)所示的方程式：
43.c+o2←→
co2+408.8kj(1)
44.2c+o2←→
2co+246.44kj(2)
45.c+co2←→
2co
‑
162.41kj(3)
46.h2o+co
←→
co2+h2‑
43.58kj(4)
47.h2o+c
←→
co+h2‑
118.82kj(5)
48.2h2o+c
←→
co2+2h2‑
75.24kj(6)
49.在上述6个化学反应式中，可以看到式(1)和(2)是至关重要的，通过上述两个氧化反应放出热量，使炉内温度升高为还原反应式(3)
‑
(6)提供所需要的热量。实验表明，温度是衡量气化过程进行顺利与否的一个重要影响因素，要使气化过程顺利地进行，能量的供给是必不可少的，气化反应总体上是一个吸热反应，要想使还原反应进行的彻底就需要装置内有足够的热量和充足的停留时间。炉内温度起着决定性的作用，对气体中的可燃组分、气体产率和气化强度等都有着重要影响，随着反应温度的升高，气化速率加快，co2含量减少，气体中的可燃组分值增加；将上述6个化学反应式加合，则得：
50.3c+o2+2h2o
→
co2+2co+2h2+127.6kj(7)
51.式(7)表明，当碳元素被气化转化为可燃气体后，剩余的热量(127.6kj)不足以为反应式(3)
‑
(6)提供充足热量，致使还原反应难以进行，实验中余下的热量主要消耗在空气和原料的升温过程中，产生的粗可燃气也带出了大量的热量。炉内热量不充足温度偏低也会导致焦油的生产，减少氢气和一氧化碳的生成。
52.传统的气化工艺是采用富氧
‑
水蒸气气化来提高氢碳比，气化剂(氧气)和水蒸气混合后在预热器进行预热保证水蒸气的温度，然后被送到炉体气体室内，通过布风板进到
炉内进行气化反应，气化剂温度较低，会吸收一部分热量，使还原反应进行的不彻底，而且水蒸气属于额外添加的气化剂，进到炉内后由于传热性会先吸收炉内的热量再进行反应，这样会降低气化效率。
53.传统气化工艺会产出一定量的焦油，这些焦油会通过后续的物理方法或其它方法进行去除，而焦油具有粘附性很容易吸附在管壁表面造成管道堵塞，且洗焦废水易污染环境。焦油主要为芳香族化合物，裂解后会产生氢气和一氧化碳，如下式(8)：
54.c
n
h
m
+nh2o
←→
(n+m/2)h2+nco(8)
55.随着生物质气化合成气定向合成醇液体燃料的不断研究，对气化产出气的要求也越来越高，要求产出气中有较高的氢碳比、焦油和灰含量低于10mg/nm3或更低，传统工艺的气化需要额外加入水蒸气，增加了生产成本，也会降低炉内温度不利于气化反应的进行；焦油的生成量同样会增多，造成能量的损失。
56.对比例1
57.以50kg/h自供热鼓泡流化床为反应装置，以木屑为原料。传统富氧
‑
水蒸气气化实验是空气、氧气和水蒸气在预热混合箱内充分混合并被预热，经过保温的管路进到炉体风室中再度混合，然后通过布风板进到炉内密相区与上料装置输送的原料进行气化反应，产出气由炉体顶部送出，经过旋风除尘、水浴冷却除焦等净化设备，最后由引风机输送至储气罐中。水蒸气发生器出来的温度是169℃，气化剂经过预热保温后维持在160℃，t1温度测点和t5温度测点的温度分别为160℃和25℃。工艺采用鼓引配合，保证炉出口处的压力为微负压，待系统正常稳定后开始测试。
58.实施例2
59.步骤一.空气和氧气按照比例进行混合，在气化剂混合箱3内形成初步混合的气化剂。
60.步骤二.将步骤一初步混合得到的气化剂与水蒸气按照比例形成气化剂，将气化剂输送到鼓泡流化床4内的加热腔15内进行预热。
61.步骤三.步骤二中预热后的气化剂加热后输送至密相区6内，t1温度测点的温度为595.0℃，气化剂与经过预热的原料进行气化反应产生粗燃气。
62.步骤四.对步骤三得到的粗燃气进行除尘处理，除尘处理后的粗燃气对步骤三中的原料进行预热后进行净化处理，t5温度测点的温度556.3℃。
63.整个工艺采用鼓引配合，保证炉出口处的压力为微负压，待系统正常稳定后开始测试。
64.实施例3
65.步骤一.空气和氧气按照比例进行混合，在气化剂混合箱3内形成初步混合的气化剂。
66.步骤二.将步骤一初步混合得到的气化剂与水蒸气按照比例形成气化剂，将气化剂输送到鼓泡流化床4内的加热腔15内进行预热。
67.步骤三.步骤二中预热后的气化剂加热后输送至密相区6内，t1温度测点的温度为602.7℃，气化剂与经过预热的原料进行气化反应产生粗燃气。
68.步骤四.对步骤三得到的粗燃气进行除尘处理，除尘处理后的粗燃气对步骤三中的原料进行预热后进行净化处理，t5温度测点的温度548.9℃。
69.整个工艺采用鼓引配合，保证炉出口处的压力为微负压，待系统正常稳定后开始测试。
70.实施例4
71.步骤一.空气和氧气按照比例进行混合，在气化剂混合箱3内形成初步混合的气化剂。
72.步骤二.将步骤一初步混合得到的气化剂与水蒸气按照比例形成气化剂，将气化剂输送到鼓泡流化床4内的加热腔15内进行预热。
73.步骤三.步骤二中预热后的气化剂加热后输送至密相区6内，t1温度测点的温度为610.8℃，气化剂与经过预热的原料进行气化反应产生粗燃气。
74.步骤四.对步骤三得到的粗燃气进行除尘处理，除尘处理后的粗燃气对步骤三中的原料进行预热后进行净化处理，t5温度测点的温度552.9℃。
75.整个工艺采用鼓引配合，保证炉出口处的压力为微负压，待系统正常稳定后开始测试。
76.对比例1、实施例2、实施例3和实施例4收集气体，通过色相光谱测量气体组分，测试结果如下表所示：
77.气相色谱测得气体组分表
[0078][0079]
上述表中，1号是对比例1传统富氧—水蒸气气化实验得到的可燃气体组分；2、3和4是实施例2、实施例3和实施例4使用本发明方案实验得到的可燃气体组分。从表中可以看到，对气化剂和原料进行高温预热后h2/co比得到了明显提高，达到了1.65的水平，co2和大分子链气体组分明显降低，气体热值也明显增加，有利于后续合成气调变和合成液体燃料。
[0080]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0081]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。