一种生物质气化方法与流程

本发明涉及生物质能，尤其涉及一种生物质气化方法。

背景技术：

1、由于化石能源属于不可再生能源，且采用化石能源制甲醇，每生产1吨甲醇排放3吨co2，不但存在严重的碳排放问题，还面临化石能源紧缺问题，因此化石能源制甲醇的发展受到限制。绿色甲醇作为一种清洁能源，不仅可以降低二氧化碳的排放，甚至还可以利用二氧化碳生成甲醇，为化石能源紧缺问题提供了新的路径。

2、目前国际上并无明确的“绿色甲醇”的概念界定。甲醇的绿色与否主要取决于甲醇的合成原料氢气和二氧化碳的来源。根据国际可再生能源署（irena）的建议，按甲醇的生产原料来源将其分为绿醇、蓝醇、灰醇和棕醇。当氢气和二氧化碳的来源均为可再生时，合成的甲醇可以认定为绿醇，即绿色甲醇。目前绿色甲醇主要的生产工艺路线包括两种：

3、一是电制甲醇路线，即通过太阳能风电、光伏获得绿色电力，电解水制氢，并通过捕捉二氧化碳，合成甲醇。

4、二是生物制甲醇路线，即通过裂解或热解方式，将秸秆等原材料的生物质转化为一氧化碳和氢气，再通过高温热解水制氢，合成甲醇。

5、相比于化石能源制甲醇的路线，绿色甲醇的工艺生产路线中可实现二氧化碳接近零排放甚至负排放，将有助于工业和运输部门实现目标。其中，采用生物制甲醇路线具有可再生性、低碳排放以及对环境友好等优势，同时，还可以有效利用农林废弃物等生物质资源，有利于解决能源瓶颈和环境污染等问题。基于该背景，申请人研究开发了一款可以用于生物制甲醇路线中的气化炉，以及采用该气化炉制作可以作为甲醇原料的合成气的生物质气化方法。

技术实现思路

1、生物制甲醇路线在国内目前还只是理论基础，目前还没有出现较成熟的设备以及配套的生物质气化方法，本发明研究开发了一款可以用于生物制甲醇路线中用于生产合成气的气化炉，基于该气化炉配套了生物质气化方法，通过该方法得到的合成气可以作为制备甲醇的原料，该设备和方法弥补了国内生物制甲醇路线的技术空白。通过温度、往炉内输入氧气及蒸汽的时机及比例，得到不同成分的合成气，可以用于不同用途，合成气的主要成分是一氧化碳和氢气，也有少量的甲烷和二氧化碳，基本不含或含有少量焦油，可以作为原料提供给绿色甲醇的生产厂家，也可以配套发电机组进行发电。

2、我国是农业大国，生物质种类多样、分布广泛，资源丰富。研究统计表明，我国每年农林废弃物达到7亿多吨，可用作能源用途的约为3.5亿吨，折合1.8亿吨标准煤，资源丰富，发展潜力巨大。基于我国农林废弃物巨大以及绿色甲醇需求背景下，设计了一款可以用于生物制甲醇路线中用于生产可以作为甲醇原料的合成气的气化炉，所述气化炉包括：炉体，所述炉体为管状结构，炉体呈前后方向横卧固定安装于若干底座上，通过各底座支撑炉体。炉体的前端敞开口由前封头固定密封封盖，炉体的后端敞开口由后封头固定密封封盖；在炉体的内腔中设置有螺旋轴，所述螺旋轴的前端密封穿过前封头上的通孔后通过前部轴承组支撑设置于前封头上，所述螺旋轴的后端密封穿过后封头上的通孔后通过后部轴承组支撑设置于后封头上，螺旋轴由位于炉体外的主驱动装置驱动转动。在炉体的前段顶部开设有与炉体的内腔连通的物料进料口，在物料进料口上设置有物料进料装置；在炉体的前段开设有与炉体的内腔连通的点火口，在点火口处设置有门，门可以通过多个螺栓连接在点火口处；在炉体的后段底部开设有与炉体的内腔连通的出灰口，在出灰口处设置有出灰装置。

3、在炉体的底部由前向后间隔开设有若干与炉体的内腔连通的气体进口，在每个气体进口上均密封连接有一个喷嘴箱，所述喷嘴箱中设置有一块隔板，隔板将喷嘴箱的内腔上下隔开形成上部空腔和下部空腔，在隔板上开设有若干竖向通孔，位于隔板上方的各喷嘴竖向放置且各喷嘴的进气口分别与对应竖向通孔密封连接，在上部空腔中设置有将各喷嘴的喷气孔以下部位埋没的混凝土层；选取至少一个喷嘴箱作为蒸汽进气喷嘴箱，剩余喷嘴箱作为其他气体进气喷嘴箱，且其他气体进气喷嘴箱数量不为零，在每个蒸汽进气喷嘴箱上均开设有二个与对应蒸汽进气喷嘴箱的下部空腔连通的蒸汽进口，每个蒸汽进口上均密封连接有一根蒸汽管道，在每根蒸汽管道上均设置有第一阀门；在每个其他气体进气喷嘴箱上均开设有一个与对应其他气体进气喷嘴箱的下部空腔连通的气体进口，每个气体进口上均密封连接有一根气体管道，在每根气体管道上均设置有第二阀门；各气体管道的另一端、各蒸汽管道的另一端均与主管道密封连通，主管道的进气口与换热器的气体换热管道的出口密封连通，换热器的气体换热管道的进口通过送风管道与鼓风机的吹风口密封连通；在炉体的后段顶部开设有与炉体的内腔连通的合成气出口，合成气出口通过第一气体输送管道与换热器的合成气换热管道的进口连通，换热器的合成气换热管道的出口通过第二气体输送管道与引风机的吸气口密封连通；在炉体尾部或者第一气体输送管道或者第二气体输送管道上设置有气体检测仪。

4、螺旋轴由金属材料制成，而管式气化炉在正常气化运行的过程中，炉体内的温度在800℃左右，高温工作环境对金属材料有影响，为了保护螺旋轴，延长螺旋轴的使用寿命，本方案在螺旋轴的轴上以及螺旋轴的螺旋叶片上均设置有一层耐火泥层。此外，还可以采用将螺旋轴的轴设计为具有冷却水通道的中空轴结构，冷却水通道的进水口端通过第一旋转接头与进水管密封连通，冷却水通道的出水口端通过第二旋转接头与出水管密封连通，通过冷却水来为螺旋轴进行降温。最优先方案是既设置耐火泥层，又设置冷却水通道，二者结合更优。

5、进一步地，前述的气化炉，其中，所述气体管道的管径为135～165厘米，所述蒸汽管道的管径为20～30厘米。最优方案是：所述气体管道的管径为150厘米，所述蒸汽管道的管径为25厘米。

6、炉体外壳体是金属材料制成，炉体的内腔壁则是涂覆有耐火层，因而肉眼是无法直接观测到炉体的内腔中的气化情况的，针对于该问题，本方案在炉体上由前向后间隔设置有若干与炉体的内腔连通的观察孔，在每个观察孔上均安装有视镜，工作人员可以通过视镜来了解炉体内的情况。

7、此外，本方案在炉体上由前向后间隔设置有若干用于测量对应位置处的炉体的内腔中的温度的第一热电偶，通过第一热电偶来实时监测炉体内气化温度。 在主管道上设置有用于测量主管道内流经气体温度的第二热电偶。管式气化炉正常运行过程中，操作人员可以根据各第一热电偶的温度、第二热电偶的温度以及气体检测仪检测到的合成气中各气体的成分及占比，调整往炉内输入不同比例的氧气、蒸汽，通过控制各类气量的比例以及炉体内温度，进而获得所需合格的合成气。

8、此外，本方案在炉体上由前向后间隔设置有若干与炉体的内腔连通的人孔，每个人孔上均封盖有封盖，人孔的设置便于停炉检修的时候操作人员更方便的进入炉体内。

9、进一步地，前述的气化炉，其中，在第二气体输送管道上设置有取样管，在取样管上设置有第三阀门，第三阀门处于常关状态，在需要检测合成气时打开第三阀门，就可以进行取样了。

10、进一步地，前述的气化炉，其中，所述物料进料装置包括：第一进料斗、第二进料斗、第三进料斗、输送机、第一绞龙、第二绞龙和闸阀，所述输送机的出料端固定安装于第一进料斗的侧部进料口处，所述第一进料斗的底部出料口与第二进料斗的顶部进料口之间通过闸阀密封连接，所述第二进料斗的底部出料口向第三进料斗的侧部进料口密封输送物料由第一绞龙承接，所述第三进料斗的底部出料口向炉体的物料进料口密封输送物料由第二绞龙承接。

11、进一步地，前述的气化炉，其中，所述出灰装置包括：出灰斗、出灰绞龙、尾部罩壳，所述出灰斗的顶部进料口与炉体的出灰口密封连接，所述出灰斗的底部出料口与出灰绞龙的进料口密封连通，所述出灰绞龙的出料口密封穿过尾部罩壳侧壁的通孔后伸入尾部罩壳中，所述出灰绞龙的出料口的端面为倾斜面，盖板顶部铰接于出灰绞龙的出料端且盖板能在自重作用下遮盖于出灰绞龙的出料口的端面上，将出灰绞龙的出料口遮盖住；在出灰绞龙上设置有为出灰绞龙进行冷却的冷却系统。

12、采用上述气化炉制备甲醇原料的生物质气化方法的具体步骤为：

13、s1、生物质原料准备：生物质可以选择废木料、玉米秸秆、芦竹等，将生物质加工成尺寸＜10mm的碎状的生物质原料，并保证生物质原料的含水率＜20%，热值不低于3800大卡；

14、s2、气化炉点火预热：通过点火口往炉体内加入生物质原料，并对生物质原料进行点火，使生物质原料燃烧，在生物质原料燃烧的同时，各第一阀门关闭，打开各第二阀门，启动鼓风机和引风机，常温氧气经鼓风机、送风管道、换热器、主管道、各气体管道、各其他气体进气喷嘴箱后进入炉内；燃烧产生的气体则通过合成气出口、第一气体输送管道、换热器、第二气体输送管道被引风机抽出；

15、s3、生物质原料进料气化：当炉内温度上升至500±50℃时开始进行生物质原料进料，其中，温度最优是保持在500±5℃；启动物料进料装置及主驱动装置，生物质原料通过物料进料装置、物料进料口进入炉体的内腔中，然后通过转动的螺旋轴沿螺旋轴的螺旋槽由后向前螺旋输送；在生物质原料进料的同时，常温氧气经鼓风机、送风管道进入换热器中，与被引风机抽入换热器中的合成气进行间接换热，吸收合成气中的热量后通过各气体管道、各其他气体进气喷嘴箱后进入炉内；

16、s4、第一阶段氧气通入量调整：当炉内温度上升至800±50℃时维持该温度，其中，温度最优时保持在800±5℃；观察气体检测仪，若气体检测仪检测出合成气中的二氧化碳的质量浓度超过20%，则通过调整各第二阀门的开度来减少通入炉内的氧气的通入量，直至合成气中的二氧化碳的质量浓度不超过20%；

17、s5、第二阶段氧气和蒸汽通入量调整：关闭各第二阀门，使氧气不再通入炉内；打开各第一阀门，蒸汽经鼓风机、送风管道、换热器、主管道、各蒸汽管道、各蒸汽进气喷嘴箱后进入炉内，观察气体检测仪，根据气体检测仪检测出的一氧化碳的质量浓度和氢气的质量浓度来调整氧气和蒸汽的通入量，直至合成气中一氧化碳的质量浓度不低于40%，氢气的质量浓度不低于20%，即得到合格的合成气。

18、本发明的有益效果是：①物料进料装置中通过第一进料斗、闸阀和第二进料斗的配合，以及第二进料斗、第一绞龙和第三进料斗的配合，以及第三进料斗、第二绞龙和物料进料口的配合，实现三重密封，有效阻隔空气跟随物料投料进入炉体内，以保证后续往炉内输入不同比例的氧气、蒸汽的过程中能够精确控制各类气量的比例，提高合成气的质量及产量；此外，空气中含有氮气，而甲醇中则不含氮，因而需要阻隔空气，也是为了提高合成气的质量及产量；②将炉体中产出的合成气与往炉内输入的气体进行间接热交换，既能降低合成气的温度，又能利用合成气的热量加热输入炉内气体，节省能耗；③气化过程中炉内温度始终维持在800℃左右，能够保证得到的合成气每立方米含有的焦油不超过50mg；④炉体中产生的合成气可以作为原料提供给绿色甲醇的生产厂家，也可以配套发电机组进行发电。