[发明专利]两段式生物质制备合成气的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及可再生能源技术领域，特别涉及由秸秆、稻壳、木屑、木柴等生物质原料制备合成气的方法。

【背景技术】

生物质能源是人类最早利用的能源之一，目前在中国农村仍然大量用于燃烧取热。但是长期以来，由于经济性的限制，生物质转化为电力或燃油等其他高品位能源产品的技术一直没有能够实现产业化。近年来，由于石油等化石能源的日益短缺，特别是由于二氧化碳排放引起的温室效应已经严重威胁人们的生存环境，生物质这种能够在大循环内实现二氧化碳零排放的可再生能源又一次进入人们的视野。

利用秸秆、稻壳、木柴等生物质原料通过高温热化学方法制备含有氢气和一氧化碳的合成气的技术已经得到广泛的研究。影响合成气的生产效率和组成的因素有很多，包括生物质原料的种类、粒径、含有的水分和灰份、气化炉的类型、气化压力、和温度等等。目前用于生物质气化的气化炉大致可以分为三种：固定床、流化床和气流床，Higman和van der Burgt在气化》(Gasfication，GulfProfessional Publishing，2003)一书中已有详细的描述。固定床气化炉的结构简单，操作方便，但是炉中温度不均匀，出口合成气中含有大量焦油。流化床气化炉炉内的温度分布较均匀，但是对原料的物理特性很敏感，操作不易控制，运行温度一般也较低，出口合成气中焦油含量也相当可观。由于气化产物中都含有大量的焦油，固定床气化炉和流化床气化炉一般都需要后续设备处理焦油的问题，使得气化工艺及系统都变得十分复杂。

相较之下，以壳牌和德士古为代表的气流床气化炉能较好地解决焦油的问题。气流床的运行温度较高，炉内温度比较均匀，焦油在气流床中全部裂解，同时气流床具有很好的放大特性，特别适用于大型工业化的应用。然而，气流床气化对固体原料粒径的要求较高，进入气流床的原料需要磨成很细小的颗粒，这给含有大量纤维的生物质原料的研磨提出了另外一个技术难题。

通过分段处理生物质原料以避免向气化炉里直接输送生物质固体是解决气流床对固体颗粒尺寸要求的方法之一，美国专利6863878、美国专利7013816、和中国专利200510043836.0都提出来类似的解决方案。生物质固体首先在500℃左右这种较低的温度下通过慢速热裂解制备裂解气和易于研磨的木炭，然后将木炭离线研磨成细小的颗粒后与裂解气一起送往气化炉进行气化反应制备合成气。值得一提的是德国科林公司提出的称作Carbo-V过程的三段式生物质气化技术。生物质首先在400-500℃低温下碳化为热解气和木炭，含有焦油的热解气在高温下燃烧分解，而木炭经研磨后送入气化炉还原燃烧气从而制备合成气。所有这些方法中，原则上都是将生物质转化为木炭，然后将木炭送入气化炉。

为了提高自身及下游合成气进行化学转化过程的效率，气化炉一般都在高压的条件下运行，采用纯氧作为气化剂。无论采用哪种类型的气化炉，也无论是否分段采用预先碳化的方法，生物质的气化一般都涉及两个问题，即高压下的固体输送和纯氧气化。高压下的固体输送在工业实践中是一件非常复杂繁琐的任务，固体物质的定量控制更是一个严酷的挑战，其效果严重影响气化炉的稳定运行以及合成气的质量和生产效率。纯氧气化对提高生物质气化效率在技术上很有帮助，但是由于必须采用昂贵的空分设备制备纯氧，这对规模普遍偏小型的生物质项目来说，需要进行详细的经济评估，这也是限制生物质气化技术的发展，使得其难于实现产业化突破的影响因素之一。

生物质的另一种利用方法是通过快速热裂解制备生物原油(D.Mohan et al，Pyrolysis of Wood/Biomass for Bio-oil：A Critical Review，Energy&Fuels 2006，20，848-889)。生物原油的成分非常复杂，由数百种不同的物质组成，含有大量的氧和水，热值低。在大多数情况下，生物原油只能用作低品位的锅炉燃油，必须经过繁琐的提纯过程才能得到少量有用的化学品。生物原油经过一定的加工处理后，也能够用于柴油机发电，只是油泵等辅助设施都需要一定程度的改造以适应生物原油的物理特性。合成气通过净化处理后可用于制取甲醇、乙醇、二甲醚、烯烃、柴油、石脑油等液体燃料，属于可再生能源领域。

【发明内容】

本发明旨在解决制备合成气时高压下固体输送的技术难题，提供一种两段式生物质制备合成气的方法。

上述目的由以下技术方案实现：