氧化钙催化生物质热解的CO2负排放多联产系统及方法

本发明属于生物质能高值化利用，涉及一种氧化钙催化生物质热解的co2负排放多联产系统和方法。

背景技术：

1、生物质通过光合作用吸收来自大气中的co2，将太阳能以含碳有机质的形式进行储存。作为唯一的含碳可再生能源，生物质能的消费过程不会增加大气中总碳排放量，其高值化综合性利用对于实现我国双碳目标具有重要意义。通过进一步对排放的co2进行利用和封存，能够实现co2负排放。

2、生物质的热解技术能将生物质能转化为气液固三相产物。专利cn115595179提出一种生物质流化床热解炭化多联产系统，能够实现连续性、大规模化的生物炭、供热蒸汽、净化生物气的多联产，但没有解决生物质热解技术应用尚存在的几个难题。首先，热解气的主要成分包括h2、co、co2、ch4以及其他碳氢化合物等挥发性物质，虽然热解气可以直接通过燃烧和能量转换实现供热、发电，但其h2/co比例难以调控，气体中含有的co2、ch4、其他碳氢化合物，不利于用于合成烯烃、绿色甲醇等具有高附加值的大宗化学品，无法改变全球大宗化学品生产严重依赖高碳排放化石原料的现状。其次，生物质热解产生的生物质焦油，虽然可以通过热解提质制备生物油液体燃料，但由于热解油组分非常复杂，生产商业可用的生物油液体燃料通常工艺复杂、成本很高、推广应用受到很大限制。此外，生物质热解通常产生固相产物生物炭，未经活化的生物炭通常用于简单燃烧，不但无法发挥生物炭固定大气中co2和利用固体炭实现co2负排放的优势，而且未活化炭存在比表面积和孔径小、官能团数量以及活性位点少等问题，也不利于生物炭的高值化利用。

3、中国专利cn111234850提供了一种可用于提升生物质热解油品质的新型钙基化学链生物质热解系统，该系统基于cao吸收co2的碳酸化反应为生物质热解提供热量，同时利用热解气循环改善热解生物油的品质。但是，该发明仍然没有解决生物质热解气、热解炭未高值化利用的问题。同时，上述发明在热解气循环时，需要消耗大量昂贵的纯净co2以与热解气混合，而这些纯净co2最终在所述发明的燃烧炉中被空气中大量的n2所稀释，向大气环境排放了大量温室气体co2，没有实现生物质热解利用系统的co2负排放。

技术实现思路

1、为了克服已有技术的不足，本发明提供一种氧化钙催化生物质热解的co2负排放多联产系统及方法。本发明基于氧化钙催化生物质热解调控热解合成气中h2/co比例，利用热解合成气制备高价值化学品，再结合生物炭活化装置、富氧燃烧反应装置、co2压缩装置、锅炉、蒸汽轮机等构建了一套高价值化学品、活性炭、纯净co2、热、电多联产的系统和方法。相比传统生物质热解和其他多联产系统，本发明多联产系统具有投资小、成本和能耗低、效率高、用途广以及负碳排放等优势。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种氧化钙催化生物质热解的co2负排放多联产系统，所述系统包括生物质热解单元、气体处理净化单元以及多联产单元，所述生物质热解单元，用于产生调制热解气、高浓度高温co2烟气以及生物炭；所述气体处理净化单元，用于净化热解气和高浓度高温co2烟气并回收其中的热量，向热解单元提供纯净co2并对外提供co2产品，以及向多联产单元提供热解合成气；所述多联产单元，用于生产高价值化学品、活性炭、热能和电力；所述生物质热解单元与气体处理净化单元连接，所述气体处理净化单元与多联产单元连接，所述多联产单元同时与生物质热解单元和气体处理净化单元连接。

4、进一步，所述的生物质热解单元包括热解反应装置、气固分离装置、炭分离装置以及富氧燃烧反应装置，所述热解反应装置的输入端与气固分离装置的固体输出端连接，所述热解反应装置的输出端与炭分离装置的输入端连接，所述炭分离装置的碳酸钙和床料输出端与富氧燃烧反应装置的输入端连接，所述炭分离装置的生物炭输出端与所述多联产单元连接，所述富氧燃烧反应装置的输出端与气固分离装置的输入端连接；

5、所述热解反应装置与热解气热交换器相连，提供高温热解气；所述气固分离装置的气体输出端与气体处理净化单元的co2烟气热交换器相连，提供高温高浓度co2烟气；所述炭分离装置与多联产单元的生物炭活化装置相连，向多联产单元提供生物炭；所述富氧燃烧反应装置与气体处理净化单元的第二除尘净化装置相连，用于接受纯净co2以及利用富氧燃烧产生高浓度co2。

6、再进一步，所述的气体处理净化单元包括热解气热交换器、第一除尘净化装置、冷凝装置、co2烟气热交换器、第二除尘净化装置和co2压缩装置，所述热解气热交换器与第一除尘净化装置连接，所述第一除尘净化装置与冷凝装置连接，所述co2烟气热交换器与第二除尘净化装置连接，所述第二除尘净化装置与co2压缩装置连接；

7、所述热解气热交换器、co2烟气热交换器分别与多联产单元的余热锅炉相连，用于产生高温水或高温水蒸气，实现热量高效回收；所述的第二除尘净化装置与富氧燃烧反应装置以及co2压缩装置相连，向富氧燃烧反应装置提供co2气体并对外实现co2产品输出；所述的冷凝装置分别与燃油锅炉和化学品合成装置相连，提供生物油和热解合成气。

8、更进一步，所述的多联产单元包括生物炭活化装置、破碎筛分装置、水蒸气冷凝装置、化学品合成装置、燃油锅炉、第三除尘净化装置、燃炭锅炉、第四除尘净化装置、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵、冷却塔、循环水泵、供热蒸汽热交换器和脱硫脱硝装置，所述生物炭活化装置与破碎筛分装置，用于产生活性炭产品。所述化学品合成装置与余热锅炉相连，用于输出高价值化学品并提供尾气燃料；所述余热锅炉与蒸汽轮机相连，用于产生并输出高温水蒸气，最终输出电和热；所述的燃油锅炉和燃炭锅炉分别与外部水泵相连，将外界的低温水加热成高温水或水蒸气；所述余热锅炉还与生物炭活化装置相连并提供用于生物炭活化的高温水蒸气。

9、一种氧化钙催化生物质热解的co2负排放多联产方法，该方法首先得到热解燃料合成气、高纯co2、生物炭，并通过对热解产物的进一步处理得到高价值化学品、co2产品、活性炭、热能和电力，过程如下：

10、步骤1、生物质在氧化钙的作用下催化热解产生调质热解气以及生物炭，其中，调整氧化钙与生物质的比例，可以实现对热解气中h2和co的比例的调控，以输出h2和co比例合适、能满足不同高价值化学品合成应用场景的合成气；

11、步骤2、热解所得高温热解气以及高温co2中的显热通过热交换器回收，将来自余热锅炉中的水加热，产生高温水或高温水蒸气，对热量实现高效回收利用；经过显热回收后，热解气进一步通过冷凝分离得到生物油，co2气体送往热解单元的富氧燃烧装置将碳酸钙分解以获得高浓度高温co2烟气；

12、步骤3、将分离焦油后的清洁合成气通入化学品合成装置，生成所需的高价值化学品；

13、步骤4、利用co2压缩装置将处理后的纯净co2气体压缩成高压co2产品，满足co2利用或co2封存的要求；

14、步骤5、热解生物炭利用来自余热锅炉的水蒸气进行活化，然后对生物炭进行破碎、筛分，得到粒径合适且均匀的活性炭和残炭；利用燃炭锅炉和燃油锅炉分别燃烧残炭和冷凝得到的生物油，利用产生的热量将低温水加热并输出给热用户；利用余热锅炉燃烧燃料气尾气，并利用吸热介质将尾气燃烧热量和从各单元回收的余热产生高温水或高温水蒸气；余热锅炉产生的其余水蒸气通入蒸汽轮机发电并输出给电用户，蒸汽轮机做功后的低压蒸汽供往低压蒸汽热交换器产热并输出给热用户,实现能量的梯级利用。

15、本发明的有益效果主要表现在：

16、1、在生物质热解过程中加入含有cao的物质，通过调整氧化钙的加入比例实现对生物质热解气中h2与co的比例的精准调控，不但避免了传统方法所需要的合成气催化调质、重整变化等复杂单元和过程，同时提高了生物质热解燃料气的产率，有利于低成本、精准合成具有高附加值的大宗化学品，缓解全球大宗化学品生产严重依赖高碳排放化石原料的现状，符合生物质高值化利用和绿色化工发展的要求。

17、2、通过耦合富氧燃烧反应装置和生物炭活化装置，基于cao催化生物质热解技术同时制备获得纯净co2产品和高价值生物质活性炭，避免了生物质所含碳元素排放到大气环境，实现了对大气环境的co2负排放，有助于实现碳达峰碳中和目标和应对全球气候变化危机。

18、3、本发明对cao催化生物质热解系统物质、能量进行合理的回收和综合利用，将产品生产过程中多余燃料气尾气、生物油、生物质残炭进入锅炉燃烧并产生高温水蒸气或高温水，通过多个换热器将各单元介质的高温显热传递到水蒸气，并用于蒸汽轮机发电和供热，实现了生物质能量充分、科学、高效利用。

19、4、本发明通过cao催化生物质热解技术提供高值化学品、co2、活性炭、电、热等多个产品，能够满足下游用户的多元化产品需求。