[发明专利]一种生物质化学链气化制清洁合成气的方法及装置

说明书

本发明提出一种生物质化学链气化制清洁合成气的方法及装置，该方法包括在移动床燃料反应器中利用作为载氧体的循环固体热载体加热和氧化生物质以进行气化反应，生成气态产物、半焦和还原态载氧体；其中气态产物在移动床重整反应器中利用作为焦油二氧化碳重整催化剂的循环固体热载体进行焦油二氧化碳重整反应，获得清洁合成气。本发明利用双循环的载氧体和焦油二氧化碳重整催化剂，实现了生物质气化及其气态产物中焦油、二氧化碳和粉尘的原位高效脱除，同时将焦油和二氧化碳转化为氢气和一氧化碳，提升了合成气的产率和品质，且原子和能量利用率显著提高，独立的双循环操作，避免了载氧体和焦油二氧化碳重整催化剂间的接触和相互污染。

技术领域

本发明属于能源化工技术领域，涉及一种生物质化学链气化制清洁合成气的方法及装置。

背景技术

生物质产量丰富、碳中性及环境友好，是目前唯一可再生的含碳有机能源。生物质的高效清洁转化是解决目前日益加剧的化石能源危机及改善生态环境不可或缺的重要途径，其中生物质气化技术被认为是替代化石能源生产高品质合成气最具前景的转化方式。合成气的主要成分为氢气和一氧化碳，既可以直接作为燃气供热或发电，还可以通过费托合成转化为液体燃料或高附加值化学品及分离提纯后生产纯氢。相比于传统固定床、流化床和气流床气化技术，化学链气化是将气化过程分解为氧化和还原反应，分别在两个独立的反应器或反应空间进行，通过载氧体的晶格氧代替氧气在反应器间循环并传递热量，由于气化和燃烧反应在空间上相互隔离，因而有效规避了燃烧产生的烟气和空气中氮气对合成气的稀释。但生物质气化过程会伴随产生大量的焦油副产物，不仅腐蚀、堵塞管路，影响气化装置连续化运行，而且降低气化过程效率。此外，化学链气化过程中载氧体与气态产物间的气-固氧化反应较载氧体与生物质间的固-固氧化反应更容易发生，因而载氧体会优先氧化气态产物中的氢气和一氧化碳，致使合成气产率降低且合成气组成中二氧化碳含量增加，品质差，不适于下游应用。

针对生物质气化过程焦油和二氧化碳含量高的问题，专利CN107057797A公开了一种复合载氧体、制备方法及其在固体燃料气化中的应用，该应用方法包括，在燃料反应器中，固体燃料在氧化态复合载氧体和水蒸气的共同作用下进行气化反应；气化反应生成的粗合成气进入吸收反应器中，在此粗合成气中的二氧化碳被氧化钙吸收，获得高品质合成气；燃料反应器中还原态的复合载氧体与未完全气化的半焦进入空气反应器，其中半焦与通入的热空气发生燃烧反应，还原态氧载体被热空气氧化再生并被燃烧生成的高温热烟气加热；经气固分离器分离后，氧化态载氧体再返回燃料反应器；吸收二氧化碳的氧化钙进入煅烧反应器，被来自空气反应器中的热烟气加热和提升，并在提升过程中煅烧再生；再生后的氧化钙经气固分离器分离后再返回吸收反应器。该方法的不足在于：利用氧化钙吸收气态产物中的二氧化碳，尽管降低了二氧化碳浓度，提高了合成气品质，但也造成了一定的碳损失，致使合成气产率及一氧化碳的含量降低，并且焦油没有充分转化；另外，空气反应器和煅烧反应器均采用快速流化床操作，其气体和固体的停留时间短，导致还原态载氧体和吸收二氧化碳的氧化钙再生不充分且也难以被加热到所需的温度。

专利CN110982558B公开了一种基于化学链技术的生物质气化直接制氢气和一氧化碳的方法，包括，在流化床燃料反应器中，生物质在负载铁或镍的氧化钙载氧体及水蒸气作用下进行气化反应并利用氧化钙吸收气态产物中二氧化碳，生产高纯度氢气；反应后的载氧体与未完全气化的半焦经气固分离器分离后进入氧气反应器，在此半焦与通入的氧气发生部分氧化反应生成一氧化碳，同时放出反应热使碳酸钙分解为氧化钙和二氧化碳，然后产生的二氧化碳再与半焦反应生成一氧化碳。该方法将二氧化碳与半焦反应，既可以降低合成气中二氧化碳浓度，提高合成气品质，又可增加合成气中一氧化碳含量。但也存在如下不足：燃料反应器和氧气反应器均采用流化床操作，其气体停留时间短的缺陷会造成燃料反应器中产生的焦油转化不充分，且未转化的焦油还容易在气固分离装置中冷凝，影响系统稳定运行；另外，氧化反应器中二氧化碳与半焦的气固接触时间短，因此二氧化碳也难以充分转化。

发明内容