基于高浓度氧气-水蒸气气化的中热值生物燃气生产装置

1.本实用新型提供了一种基于高浓度氧气-水蒸气气化的生物质高品质燃气生产系统，是一种高浓度氧气-水蒸气气化、甲烷化、低能耗制氧、余热发电等工艺的协同系统，属于生物质利用和生物燃气生产领域。

背景技术：

2.随着社会的快速发展，能源及相关的环境问题已经凸显。公众对清洁能源的需求日益迫切，特别是民用领域对清洁燃气的期盼。在此背景下，我国天然气市场呈现需求量逐年升高，供需矛盾逐年增大、对外依存度大、冬夏耗量峰谷差值大、农村城市差异大的特点。
3.生物质是资源总量丰富、分布广泛的碳中性可再生资源。利用生物质气化合成燃料替代化石燃料是促进节能减排、分布式能源结构转型的重要途径之一。生物质燃气是燃气领域的重要补充途径之一。
4.基于微生物厌氧发酵的沼气生产方法虽然已经商业化，可产生富甲烷、低h2、安全性高的生物质燃气。但其原料有限，转化速度慢、效率低，对外界环境的变化较为敏感，这阻碍了该技术的发展势头和广泛应用。
5.基于空气或低浓度氧气气化所产生的燃气中n2含量高，热值低，不能满足现有燃烧器具的应用要求，输送经济性差。另外，气化所得的产物气co和h2浓度高，危险性高，不宜直接作为民用燃气，需进行甲烷化工艺的等处理。
6.基于热化学的生物质合成天然气工艺包含水蒸气气化、合成气净化、甲烷化、粗天然气压缩、co2分离等步骤。其中，作为关键环节的生物质气化采用水蒸气为气化介质，一般使用双流化床，或者燃烧与气化分区进行的自热式反应器。上述气化装置设计制造和实际运行困难，维护工作量大成本高、不利于中小型项目应用。此外，目前主流的双流化床气化反应器，通过燃烧生物质或半焦提供气化反应所需热量。这种方式需要设置一套完整复杂的烟气处理设施，导致实际工艺流程复杂，且辅助设备繁多，成本高昂，导致基于气化的生物燃气缺乏竞争力。
7.在技术与成本的双重限制下，生物质燃气产业在我国及世界其他地区整体发展较为缓慢。因此，可从气化设备、系统集成的角度进行改进创新，降低气化反应器设计和制造难度，提高系统物质和能量转换效率，降低设备和运行成本。

技术实现要素：

8.本实用新型的目的是克服现有技术中存在的上述不足，提供一种基于高浓度氧气-水蒸气气化的生物质中高品质燃气生产装置，以解决上述背景技术中的问题。
9.本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于高浓度氧气-水蒸气气化的中热值生物燃气生产装置，沿物料运行方向，由破碎及干燥装置、中温加热热解器、高浓度氧气-水蒸气气化器、产物气分离净化装置、产物气冷凝器、合成气压缩机、合成气冷却器、等温甲烷化反应器、合成气冷凝器、co2分离装置依次串联；其中高浓度氧气-水蒸气气
化器的进气口分别和蒸汽发生器、低能耗空分制氧装置连接，高浓度氧气-水蒸气气化器、产物气分离净化装置、焦油收集器组成一个气体-焦油循环回路，在气化器内部，氧气与部分原料发生燃烧反应释放热量，满足气化反应所需的热量和温度。
10.所述的等温甲烷化反应器的进水口和加热器连接，加热器和甲烷化用水水泵连接。
11.低能耗空分制氧装置和余热发电装置连接。
12.有益效果
13.1.本实用新型由高浓度氧气-水蒸气气化、低能耗空分制氧、甲烷化、余热发电等单元协作生产中热值生物燃气，高浓度氧气-水蒸气气化的作用是在结构简单、操作方面的单个气化器内实现低n2合成气的生产。
14.2.本实用新型的气化单元的特征为：原料干燥、预热热解均使用回收的余热，高温气化反应耗热主要由部分原料与氧气发生氧化放热反应提供。对气化的高温反应段，采用高浓度o2加水蒸气的气化方式，避免了合成气被大量的n2稀释，又避免了纯氧气化所需纯氧的高能耗。系统在空分制氧能耗与合成气中n2浓度之间达到良好的平衡，还使得气化和放热发生在一个反应器内部，大大简化了气化反应器结构、传统水蒸气气化装置的燃烧烟气处理设施。甲烷化产生的合成气中主要成分是ch4、co2和n2，其中ch4浓度不低于35 vol.%。
15.3.本实用新型采用高浓度氧气作为主要气化介质，浓度在80%至90%之间，由低能耗空分制氧装置提供，实际供氧量/理论完全反应耗氧量的比值在0.10~0.40之间。由于氧气的加入，气化产物气中的焦油含量降低，减轻了后续产物气净化的负荷。
16.4.收集的焦油经过积累后，通过专用的焦油喷注管道送入氧化核心区，借助上区域的高温和反应活性特性，从而加速焦油的裂解重整。综合以上实现焦油的零外排。
17.5.生产过程产生大量的中高温热能，通过余热发电可以基本满足生产过程内的电耗需求；也可构成燃气-热-n2联产系统，向外界供应工业蒸汽和高浓度氮气，或民用采暖热水，从而提高综合能效和经济效益。
18.6.本实用新型系统的电耗，包括低能耗制氧的电耗，主要来自余热发电；当余热不足时，使用生成的部分燃气，通过燃气内燃机进行补充，燃气内燃机高温排烟同时供给余热发电装置，并增加其发电功率；当余热发电有剩余时，将多余电力供给当地电网。
附图说明
19.图1为本实用新型的基于高浓度氧气-水蒸气气化的中热值生物燃气生产系统流程图，主要设备和装置有：
20.1.破碎及干燥装置；2.气化用水水泵；3.蒸汽发生器；4.低能耗空分制氧装置；5.高浓度氧气-水蒸气气化器；6.产物气换热器；7.分离净化装置；8.焦油收集器9.产物气冷凝器；10.压缩机；11.等温甲烷化反应器；12.甲烷化用水水泵；13.加热器；14.合成气冷凝器；15.燃气内燃机；16.余热发电装置。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对于本实用新型做进一步详细说明。本实用新型并不局限于以下实施案例。
22.本实用新型的一种基于高浓度氧气-水蒸气气化的中热值生物燃气生产装置，沿物料运行方向，由多段式气化装置构成，依次由破碎及干燥装置、高浓度氧气-水蒸气气化器、产物气换热器、分离净化装置、产物气冷凝器、合成气压缩机、等温甲烷化反应器、合成气冷凝器依次串联；其中高浓度氧气-水蒸气气化器的进气口分别和蒸汽发生器、低能耗空分制氧装置连接，高浓度氧气-水蒸气气化器、产物气换热器、分离净化装置、焦油收集器组成一个气体-焦油循环回路。
23.生物质原料首先进入1.破碎及干燥装置进行破碎和干燥，热源来自产物气和合成气的中低温余热回收。加热后的原料温度在100℃~120℃之间，含水量不高于20%。然后，干燥后的生物质进入5.高浓度氧气-水蒸气气化器，在高浓度o2和水蒸气的气氛下进行气化反应，获得以co、co2和h2为主要成分的产物气。气化用水经过2.气化用水水泵和3.蒸汽发生器产生，所需热量为产物冷却和甲烷化放热。高浓度氧气来自4.低能耗空分制氧装置，产生的o2纯度在80%~90%之间，能耗在270 kwh/t氧气。5.高浓度氧气-水蒸气气化器运行中o2当量比（实际供氧量/理论完全氧化耗氧量，er）范围：0.10~0.45。水蒸气/生物质质量比（s/b）范围：0.3~0.8。气化温度700~1200℃。生物质的气化和氧化发生一个设备空间即可完成复杂的加热、热解与气化重整反应。气化所需热量主要由部分生物质氧化燃烧提供。
24.气化产生的高温产物气进入6产物气换热器，进行冷却换热回收热量，然后进去7.分离净化装置，实现灰分分离、产物气降温，颗粒物过滤，将其中的微量焦油和多余水分冷凝分离。焦油在8.焦油收集器中积累，达到一定数量后，通过焦油喷注管道注入5.高浓度氧气-水蒸气气化器内部的氧气浓度高、温度高的反应区域。借助强氧化和高温的特性，促进焦油的裂解与重整，实现焦油的零外排。产物气进入9.产物气冷凝器继续冷却降温，将多余水分析，以满足压缩机的进气要求。
25.合格的产物气经过10.产物气压缩机升压，同时进行必要的温度调节。为了促进甲烷化反应器的重整反应、抑制反应积碳，需要同时向甲烷化反应器喷入一定量的水蒸气，甲烷化所需水由11.甲烷化用水水泵和12.加热器处理。水蒸汽/合成气的质量比范围：0.6~1.0。升压后的产物气和水蒸气导入11.等温甲烷化反应器，进行甲烷化反应，产生以ch4和co2为主的合成气。甲烷化反应参数为300~400℃，0.5~1.6mpa，运行方式为等温。
26.甲烷化获得合成气经过14.合成气冷凝器冷却，回收部分热量，并冷凝析出多余水分，即可获得成分与填埋气相似的富甲烷化合成气。根据当地需要，此类气体可以直接供应所需的用户使用，也可使用co2分离装置继续提升热值。
27.系统内空分装置、压缩机、水泵等装置的电耗，主要有余热发电供应。当余热发电不足时，由燃气内燃机进行补充，同时，燃气内燃机的排烟进入余热发电装置，进行利用。当余热发电量过多数，可供入当地电网。
实施例
28.以麦秸为气化原料，进料量为125 kg/h，低位热值为15.7 mj/kg。原料经110℃预热干燥后在常压下气化，er和s/b分别为：0.21和0.4；氧气浓度为80%。产物气进入冷凝过滤及分离器，分级冷却至25 ℃或以下。其中，产物气主要成分的浓度如下：ch4：9.0%；co2：18.1%；co：35.4%； h2：34.4%；n2：3.0%，其余为水蒸气及c
mhn
。
29.使用压缩机，将净化后的产物气提压至0.65mpa。同时使用水泵获得0.7 mpa的甲
烷化用水，然后通过预热器产生300 ℃和约0.65 mpa的水蒸气。两股物流均导入等温甲烷化反应器，水蒸气/产物气比值为0.8，甲烷化运行温度300℃，压力0.5 mpa。甲烷化获得的合成气主要成分浓度如下，ch4：37.6%；co2：53.3%；co：0.03%；h2：3.3%；n2：5.6%；高位热值和低位热值分别为15.4 mj/m3和13.8 mj/m3。此合成气的成分与填埋气的相似。此时，余热发电量能够完全满系统内耗电需求，且略有富余，可供入电网。本案例生物燃气产率为0.871 nm3/kg、系统能量效率为77.8%。
30.虽然本实用新型已公开如上实施例，但其并非用以限定本实用新型的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和范围内所作的改动，均应属于本实用新型的保护范围。

技术特征：

1.一种基于高浓度氧气-水蒸气气化的中热值生物燃气生产装置，其特征在于，沿物料运行方向，由破碎及干燥装置、高浓度氧气-水蒸气气化器、产物气换热器、产物气分离净化装置、产物气冷凝器、合成气压缩机、合成气冷却器、等温甲烷化反应器、合成气冷凝器、燃气内燃机、余热发电装置依次串联；其中高浓度氧气-水蒸气气化器的进气口分别和蒸汽发生器、低能耗空分制氧装置连接，高浓度氧气-水蒸气气化器、产物气换热器、产物气分离净化装置、焦油收集器组成一个气体-焦油循环回路。2.如权利要求1所述的一种基于高浓度氧气-水蒸气气化的中热值生物燃气生产装置，其特征在于，所述的等温甲烷化反应器的等温甲烷化反应器的进水口与加热器连接，加热器与甲烷化用水水泵连接。3.如权利要求1所述的一种基于高浓度氧气-水蒸气气化的中热值生物燃气生产装置，其特征在于，低能耗空分制氧装置和余热发电装置连接。4.如权利要求1所述的一种基于高浓度氧气-水蒸气气化的中热值生物燃气生产装置，其特征在于，所述的高浓度氧气-水蒸气气化器高浓度氧气的供入采用多喷嘴设计，产物气中的焦油经过冷凝分离和收集后，喷入部分氧气喷嘴附近的高氧浓度、高温度区域，从而将焦油燃烧去除。

技术总结

本实用新型公开了一种基于高浓度氧气-水蒸气气化的中热值生物燃气生产装置，包括生物质原料破碎干燥、高浓度氧气-水蒸气气化单元、低能耗空分制氧装置、产物气净化装置、等温甲烷化装置、CO2分离装置、余热发电装置单元等构成。本实用新型气化设备简单，设计和运行难度低，系统内部能量回收与再利用充分，可行性强，规模缩放容易，适合城乡农林废弃物、生活垃圾等资源的综合利用。等资源的综合利用。等资源的综合利用。