阅读说明：本技术 一种富氧高温脱除可燃固废气化焦油的装置和方法 (Device and method for removing combustible solid waste gasification tar at high temperature by oxygen enrichment ) 是由 金保昇 丁琪枫 黄亚继 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种富氧高温脱除可燃固废气化焦油的装置和方法,其中,该装置包括依次连接的流化床气化反应器、旋风分离器和高温富氧气化炉,流化床气化反应器用于将可燃固废气化转化为粗制可燃气,包括气化区域及其底部的风室,其中,气化区域设置可燃固废进料口,风室侧面设置气化剂进气口,气化剂为空气和富氧气体的混合气体；高温富氧气化炉炉壁上开设有富氧气体进气口,用于通过焦油与富氧气体的氧化反应及氧化反应放热后的焦油裂解、缩聚过程脱除粗制可燃气中的焦油；该装置还包括用于提供气化剂和富氧气体的供气设备。该装置可大大降低可燃固废气化后的焦油含量,焦油脱除效率高,同时大大节约了加热成本,最终可得到比较纯净的可燃气。(The invention discloses a device and a method for removing combustible solid waste gasification tar at high temperature by oxygen enrichment, wherein the device comprises a fluidized bed gasification reactor, a cyclone separator and a high-temperature oxygen enrichment gasification furnace which are sequentially connected, the fluidized bed gasification reactor is used for converting combustible solid waste into crude combustible gas by gasification, and comprises a gasification area and an air chamber at the bottom of the gasification area, wherein the gasification area is provided with a combustible solid waste feeding hole, the side surface of the air chamber is provided with a gasification agent air inlet, and the gasification agent is mixed gas of air and oxygen enrichment gas; the furnace wall of the high-temperature oxygen-enriched gasification furnace is provided with an oxygen-enriched gas inlet used for removing tar in the crude combustible gas through the oxidation reaction of the tar and the oxygen-enriched gas and the tar cracking and polycondensation processes after the heat release of the oxidation reaction; the device also comprises a gas supply device for supplying the gasifying agent and the oxygen-enriched gas. The device can greatly reduce the tar content after the gasification of the combustible solid waste, has high tar removal efficiency, greatly saves the heating cost, and finally can obtain purer combustible gas.)

一种富氧高温脱除可燃固废气化焦油的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种可燃固废气化装置和方法，具体涉及一种富氧高温脱除可燃固废气化焦油的装置和方法。

背景技术

近年来全球经济迅速发展，随着工业化和能源消费水平的提高，传统化石燃料如石油、煤、天然气等储量日益减少。为了实现能源的可持续发展，广大学者正积极开发代替化石燃料的可再生能源，这众多的替代能源中，生物质类可燃固废是最丰富的可再生资源，全球年产量约为1.1×10¹¹吨。经过多年的发展，可燃固废燃料如今已经成为重要的化石燃料替代能源。

可燃固废气化技术是可燃固废化学能转化的主要方式之一，通过对可燃固废进行特定技术加工，将其中的碳水化合物转化成高品位、易输送、利用效率高的气体燃料，如果气化产气足够干净则可进一步升级为可再生燃料和化学品。具体而言，可燃固废气化是以可燃固废为原料，以氧气(空气)、水蒸气等作为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将可燃固废部分转化为可燃气的过程；可燃固废气化时主要产物为氢气、一氧化碳、甲烷和乙炔等可燃性气体。

可燃固废气化拥有众多的优点：(1)对于原料的尺寸及种类没有严格要求；(2)相较于其他可燃固废处理技术，可燃固废气化带来的环境污染更少；(3)经过进一步加工的气化产气可在多个领域进行利用。但是，可燃固废气化技术发展也面临了一系列的挑战，气化效率、气体热值和焦油一直是阻碍其发展的三大障碍，其中尤以焦油问题最为严重。过多的焦油会引起管道堵塞、用气设备结垢和腐蚀、燃烧不完全造成能量浪费等一系列问题，并且由于发动机磨损和高维护成本，焦油的存在将严重限制生产气体的使用。

机械方法能起到脱除焦油的作用，通过不同机械方法如水洗刷器、旋风除尘器、文丘里洗刷器可脱除约40～99％焦油，然而，机械方法只能脱除或捕捉产气中的焦油，却不能将焦油的进行资源化利用，焦油的能量被浪费，同时也可能带来水污染等二次污染。热裂解和催化裂解虽然转化率较高但是它们都有一些各自的缺点：为了提高焦油转化率，热裂解需要很高的温度，通常超过1300℃，且需要持续不断地为热裂解反应供热，操作成本较高；催化裂解改善了热裂解的问题，可以在低温下改进产气组分，但是由于镍基和碱金属催化剂存在易积炭、H₂S中毒等种种原因导致催化剂易失活，而白云石催化剂虽然价格低廉但是易破碎，催化剂使用寿命较短。

发明内容

发明目的：针对现有可燃固废气化技术中存在的焦油问题，本发明提供一种富氧高温脱除可燃固废气化焦油的装置，还提供了一种基于该装置富氧高温脱除可燃固废气化焦油的方法。

技术方案：本发明所述的一种富氧高温脱除可燃固废气化焦油的装置，包括依次连接的流化床气化反应器、旋风分离器和高温富氧气化炉，流化床气化反应器用于将可燃固废气化转化为粗制可燃气，包括气化区域及其底部的风室，其中，气化区域设置可燃固废进料口，风室侧面设置气化剂进气口，气化剂为空气和富氧气体的混合气体；旋风分离器用于离心分离粗制可燃气中的飞灰颗粒；高温富氧气化炉炉壁上开设有富氧气体进气口，用于通过焦油与富氧气体的氧化反应及氧化反应放热后的焦油裂解、缩聚过程脱除粗制可燃气中的焦油；该装置还包括用于提供气化剂和富氧气体的供气设备。

优选的，供气设备包括依次连接的空气压缩机、用于制造富氧气体的制氧机、空气预热器和气体混合器，空气压缩机的空气出口分两路，一路与制氧机的入口连接，另一路与气体混合器的入口连接；制氧机的富氧气体出口与空气预热器气体入口连接，空气预热器气体出口分为两路，一路与气体混合器气体入口相连，另一路与高温富氧气化炉的富氧气体进气口连接；气体混合器的气体出口与气化剂进气口连接。

其中，富氧气体中氧气浓度优选为30～95％。

可选的，高温富氧气化炉外壁上设有加热器，用于为焦油与富氧气体的氧化反应提供初始反应热。进一步的，高温富氧气化炉的上部可开设有三个富氧气体进气口，三个富氧气体进气口在高温富氧气化炉炉壁上部均匀分布，使炉内氧气分布更加均匀，提高氧气与焦油接触面积，从而可使炉内氧化反应放热分布更加均匀，提高焦油的脱除效率。

本发明所述的基于上述述装置富氧高温脱除可燃固废气化焦油的方法，包括如下步骤：

(1)将可燃固废送入流化床气化反应器的气化区域，采用供气设备向风室内通入气化剂，控制气化区域温度为500～800℃，可燃固废气化反应生成的粗制可燃气送入旋风分离器，经旋风分离后送入高温富氧气化炉；

(2)采用供气设备向高温富氧气化炉内通入富氧气体，控制富氧气体中氧气浓度为30～95％，将高温富氧气化炉升温至1000～1250℃，粗制可燃气包括小分子气体、焦油和气化后的残碳，小分子气体主要包括可燃气如甲烷、氢气、一氧化碳以及其他小分子气体如二氧化碳、氮气等，其中，焦油及少部分可燃气与富氧气体在高温下发生氧化反应，其余大部分可燃气自上而下在高温富氧气化炉中停留1～2s后离开，同时，上述氧化反应释放的热量为焦油裂解、缩聚提供需要的温度，反应后未完全转化的焦油、焦油缩聚形成的炭黑及气化后的残碳一起排出高温富氧气化炉。

优选的，步骤(2)中，焦油与富氧气体的氧化反应开始后，停止加热高温富氧气化炉，氧化反应释放的热量可以维持反应炉温度在较高水平而无需提供外部热源。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)本发明的装置采用富氧气化粗制可燃气脱除焦油的方式，焦油与含氧基团反应的活化能要低于焦油热裂解反应，富氧气体的加入为焦油反应提供了含氧基团，促使焦油发生氧化反应，氧化反应释放大量热量，提高反应空间内温度，促使焦油热裂解、缩聚，通过焦油在高温下的氧化、裂解和缩聚等反应过程，大大降低了焦油含量，焦油脱除效率较高，同时可以脱除部分碳颗粒；(2)而且，氧化反应放热直接为焦油热裂解、缩聚提供了反应温度条件，因此，只需为气化炉提供初始的反应温度即可，氧化反应开始后无需继续提供热量，与现有热裂解工艺反应速度慢且需要持续不断提供热量相比，本发明的装置脱除焦油的速率明显提升、且大大节约了加热成本；(3)本发明采用空气和富氧气体共同作为气化剂，两者结合可以减低可燃气的含氮量，从而提高流化床低温气化产气的热值，结合富氧高温气化焦油，最终可得到比较纯净的可燃气。

附图说明

图1为本发明的一种富氧高温脱除可燃固废气化焦油的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种富氧高温脱除可燃固废气化焦油的装置，如图1，主要包括流化床气化反应器1、旋风分离器2和高温富氧气化炉3，还包括由空气压缩机4、制氧机5、空气预热器6、气体混合器7组成的供气设备。

流化床气化反应器1用于将可燃固废气化转化为粗制可燃气。其包括自上而下设置的气化区域11和风室12，且风室12底部设置排渣口13；其中，气化区域11设置可燃固废进料口14，该可燃固废进料口14可与给料器连接；风室12侧面设置气化剂进气口15，气化剂采用空气与富氧气体的混合气体，该气化剂由供气设备提供。

流化床气化反应器1的气体出口可通过管道与旋风分离器2的进风口连接，旋风分离器2的出风口可通过导管与高温富氧气化炉3的气体入口相连，且旋风分离器2底部设有排渣口21；流化床气化反应生成的粗制可燃气包括可燃气、焦油和气化后的残碳，进入旋风分离器2后，经旋风分离脱除粗制可燃气中的飞灰颗粒，然后再送入高温富氧气化炉3中进一步脱除焦油。

高温富氧气化炉3炉壁上开设有富氧气体进气口31，富氧气体进气口31也与供气设备连接；富氧气体进入高温富氧气化炉3中，与粗制可燃气中的焦油进行氧化反应，氧化反应释放大量的热量，进一步实现焦油高温下的热裂解和缩聚，最终大大降低焦油含量。富氧气体进气口31可为三个，三个富氧气体进气口在高温富氧气化炉炉壁上部均匀分布，使炉内氧气分布更加均匀，提高氧气与焦油接触面积，从而可使炉内氧化反应放热分布更加均匀，提高焦油的脱除效率。高温富氧气化炉3外壁上还设置有加热器32，为焦油的氧化反应提供温度条件；由于氧化反应释放大量的热量，该热量直接为焦油热裂解、缩聚提供了反应温度条件，因此，加热器32只需为高温富氧气化炉3提供初始的反应温度即可，氧化反应开始后无需继续提供热量，从而可大大节约加热成本。高温富氧气化炉3底部还设有出口33，粗制可燃气进入高温富氧气化炉3中，自上而下流动，自出口33离开气化炉，同时，焦油与富氧气体反应后未完全转化的焦油、焦油缩聚形成的炭黑及粗制可燃气中的残碳一起自出口33排出高温富氧气化炉3。

供气设备用于为装置提供气化剂和富氧气体。供气设备中，空气压缩机4的空气出口分两路，一路与制氧机5的气体入口连接，一路与气体混合器7的气体入口连接；制氧机5的富氧气体出口与空气预热器6的冷气入口连接，空气预热器6的热气出口分为两路，一路与气体混合器7的气体入口连接，将制得的富氧气体预热后与空气在气体混合器7中混合、得到气化剂，送入流化床气化反应器1中使用；空气预热器6的富氧气体出口另一路与高温富氧气化炉3的富氧气体进气口31连接，为高温富氧气化炉3提供反应所需的富氧气体。富氧气体中氧气浓度控制为30～95％；气化剂中空气与富氧气体的比例根据实际工况配置。

采用上述装置富氧高温脱除可燃固废气化焦油的方法，包括如下步骤：

(1)将可燃固废从可燃固废进料口14送入流化床气化反应器1的气化区域11，打开空气压缩机4、制氧机5、空气预热器6和气体混合器7，制氧机5制造的富氧气体中氧气浓度为30～95％，富氧气体与空气压缩机4制造的空气经空气预热器6预热至200～300℃后通入气体混合器7混合得到气化剂，再经气化剂进气口15送入流化床气化反应器1的风室12内，气化剂流量及含氧量可通过流量计控制；流化床温度控制在500～800℃，生成的粗制可燃气送入旋风分离器2，经旋风分离后送入高温富氧气化炉3；粗制可燃气包括可燃气、焦油和气化后的残碳；

(2)粗制可燃气进入高温富氧气化炉3后，制氧机5制造的富氧气体经空气预热器6预热后由富氧气体进气口31垂直通入高温富氧气化炉3，通过加热器32将高温富氧气化炉3升温至1000～1250℃，大部分可燃气自上而下在高温富氧气化炉3中停留1～2s后离开，焦油、少部分可燃气与富氧气体在高温下发生氧化反应，氧化反应后即关闭加热器32，氧化反应释放大量的热量，使焦油裂解、缩聚，通过氧化反应、裂解、缩聚脱除大部分焦油，反应后未完全转化的焦油、焦油缩聚形成的炭黑及气化后的残碳自出口33一起排出高温富氧气化炉3。

应用例

在流化床气化反应器1内流化床温度为676℃，气化剂中氧气浓度为32.5％，气化剂流量12Nm³/h，高温富氧气化炉3温度为1250℃，富氧气体流量2Nm³/h，富氧气体氧气浓度为90％的工况下，生物质产气率为1.3Nm³/kg，两段式气化后气化产气的热值为10MJ/Nm³，焦油含量约为20mg/m³，焦油转化率达到约99％，生物质流化床气化生成的焦油几乎完全脱除。