本發(fā)明涉及能源、環(huán)保和化工，具體涉及一種生物質(zhì)雙流化床化學(xué)鏈氣化與富氧燃燒耦合生產(chǎn)合成氣的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、發(fā)展綠色液體燃料(如甲醇和航空煤油等)制備技術(shù)是保障我國(guó)能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要途徑之一，對(duì)促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)交通、化工等領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。以甲醇為例，2022年全球甲醇產(chǎn)量1.1億噸，但其中綠色甲醇產(chǎn)量?jī)H50萬(wàn)噸左右，不足1％，具有廣闊的市場(chǎng)需求。

2、生物質(zhì)是唯一可直接轉(zhuǎn)化為含碳液體燃料的可再生資源，在綠色液體燃料制備領(lǐng)域有著不可替代的作用。氣化合成是以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)綠色液體燃料的高效路線之一。該路線先通過(guò)氣化方式將生物質(zhì)制成合成氣(co+h2)，合成氣再經(jīng)由催化合成方式制備液體燃料。如專(zhuān)利cn119020073a提出了一種生物質(zhì)雙流化床耦合電解水制氫的燃料生成系統(tǒng)，以水蒸氣為氣化劑，利用雙流化床氣化爐生產(chǎn)高品質(zhì)合成氣，同時(shí)與電解水系統(tǒng)獲得的氫氣結(jié)合，用于生產(chǎn)液體燃料，可有效降低生產(chǎn)過(guò)程的能耗和成本。

3、與傳統(tǒng)氣化技術(shù)不同，生物質(zhì)雙流化床化學(xué)鏈氣化技術(shù)采用載氧體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣化劑，通過(guò)載氧體在燃燒反應(yīng)器和氣化反應(yīng)器中循環(huán)，將空氣中的氧傳遞給生物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)免空分、低成本制取高品質(zhì)合成氣，近年來(lái)相關(guān)技術(shù)發(fā)展十分迅速。如專(zhuān)利cn114574250a提出了一種生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化制清潔合成氣的方法及裝置，利用雙循環(huán)的載氧體和焦油二氧化碳重整催化劑，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)氣化及其氣態(tài)產(chǎn)物中焦油和二氧化碳的原位高效轉(zhuǎn)化，提升了合成氣的產(chǎn)率和品質(zhì)，原子和能量利用率顯著提高。

4、除采用氣化技術(shù)以外，生物質(zhì)也可以先通過(guò)富氧燃燒生成二氧化碳，二氧化碳再與綠氫結(jié)合生產(chǎn)綠色液體燃料。如專(zhuān)利cn113944544a提出了一種基于可再生能源與氫能甲醇化的能源系統(tǒng)，利用生物質(zhì)富氧燃燒產(chǎn)生的二氧化碳與電解水產(chǎn)生的氫氣合成甲醇，可有效消納可再生能源電力，實(shí)現(xiàn)零碳或負(fù)碳排放。

5、在現(xiàn)有生物質(zhì)雙流化床化學(xué)鏈氣化過(guò)程，氣化反應(yīng)器中會(huì)有部分殘?zhí)际Ｓ啵鋾?huì)隨著載氧體進(jìn)入燃燒反應(yīng)器并燃燒變?yōu)槎趸?。由于燃燒反?yīng)后煙氣的主要成分為氮?dú)猓趸疾都杀据^高，該煙氣一般經(jīng)余熱回收和凈化后直接排空，導(dǎo)致化學(xué)鏈氣化過(guò)程生物質(zhì)中碳的利用率較低。生物質(zhì)直接富氧燃燒技術(shù)的碳利用率雖然較高，但由于其產(chǎn)物主要為二氧化碳，氧化程度較高，后續(xù)加氫制甲醇和航油等過(guò)程中還需要消耗額外的氫氣脫氧，對(duì)反應(yīng)條件要求較高，原子利用率和能量效率相對(duì)較低。

6、因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種生物質(zhì)雙流化床化學(xué)鏈氣化與富氧燃燒耦合生產(chǎn)合成氣的系統(tǒng)及方法，旨在解決目前生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化碳轉(zhuǎn)化率較低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)產(chǎn)高品質(zhì)合成氣的同時(shí)聯(lián)產(chǎn)高濃度二氧化碳，用于后續(xù)合成甲醇和航空煤油等綠色液體燃料，提高生產(chǎn)過(guò)程的物質(zhì)和能量利用效率以及工藝靈活性。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、結(jié)合圖1所示，本發(fā)明提供的一種生物質(zhì)雙流化床化學(xué)鏈氣化與富氧燃燒耦合生產(chǎn)合成氣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括料倉(cāng)(1)、給料機(jī)(2)、流化床氣化爐(3)、下返料器(4)、流化床富氧燃燒爐(5)、氣化爐旋風(fēng)分離器(6)、合成氣換熱器(7)、合成氣凈化器(8)、燃燒爐旋風(fēng)分離器(9)、上返料器(10)、煙氣換熱器(11)和煙氣凈化器(12)。

4、所述料倉(cāng)(1)與所述給料機(jī)(2)連接，所述給料機(jī)(2)與所述流化床氣化爐(3)連接，將生物質(zhì)(101)輸入所述流化床氣化爐(3)。所述流化床氣化爐(3)分別與所述下返料器(4)和所述氣化爐旋風(fēng)分離器(6)連接，將生物質(zhì)殘?zhí)己瓦€原載氧體(301)輸入所述下返料器(4)，合成氣(302)輸入所述氣化爐旋風(fēng)分離器(6)。所述氣化爐旋風(fēng)分離器(6)與所述合成氣換熱器(7)連接，將高溫合成氣(601)輸入所述合成氣換熱器(7)。所述合成氣換熱器(7)和所述合成氣凈化器(8)連接，將低溫合成氣(701)輸入所述合成氣凈化器(8)。所述合成氣凈化器(8)分別與所述流化床氣化爐(3)和后續(xù)化工合成單元連接，將凈化后的合成氣一部分作為循環(huán)合成氣(801)輸送至所述流化床氣化爐(3)，其余作為產(chǎn)品合成氣(802)輸入后續(xù)化工合成單元。所述下返料器(4)與所述流化床富氧燃燒爐(5)連接，將生物質(zhì)殘?zhí)己瓦€原載氧體輸送至所述流化床富氧燃燒爐(5)。所述流化床富氧燃燒爐(5)與所述燃燒爐旋風(fēng)分離器(9)連接，將煙氣和載氧體(501)輸入所述燃燒爐旋風(fēng)分離器(9)，灰渣(502)則從流化床富氧燃燒爐(5)底部排出。所述燃燒爐旋風(fēng)分離器(9)分別與所述上返料器(10)和所述煙氣換熱器(11)連接，將氧化載氧體(901)輸入所述上返料器(10)，高溫?zé)煔?902)輸入所述煙氣換熱器(11)。所述上返料器(10)與所述流化床氣化爐(3)連接，用于將氧化載氧體輸送回所述流化床氣化爐(3)。所述煙氣換熱器(11)與所述煙氣凈化器(12)連接，用于將低溫?zé)煔?1101)輸入所述煙氣凈化器(12)。所述煙氣凈化器(12)分別與所述流化床富氧燃燒爐(5)和后續(xù)化工合成單元連接，將凈化后的煙氣一部分作為循環(huán)二氧化碳(1201)輸送至所述流化床燃燒爐(5)，其余作為產(chǎn)品二氧化碳(1202)輸入后續(xù)化工合成單元。

5、一種生物質(zhì)雙流化床化學(xué)鏈氣化與富氧燃燒耦合生產(chǎn)合成氣的方法，其中，采用本發(fā)明所述的生物質(zhì)雙流化床化學(xué)鏈氣化與富氧燃燒耦合生產(chǎn)合成氣的系統(tǒng)生產(chǎn)合成氣，所述生產(chǎn)合成氣的方法包括步驟：

6、利用給料機(jī)(2)將料倉(cāng)(1)中的生物質(zhì)(101)輸送至流化床氣化爐(3)。在流化床氣化爐(3)中，生物質(zhì)(101)與高溫的氧化載氧體(901)接觸并發(fā)生化學(xué)鏈氣化反應(yīng)，得到以co和h2為主的合成氣(302)。合成氣(302)從頂部離開(kāi)流化床氣化爐(3)，進(jìn)入氣化爐旋風(fēng)分離器(6)，經(jīng)旋風(fēng)作用分離出飛灰(602)后進(jìn)入合成氣換熱器(7)。反應(yīng)后剩余的固體生物質(zhì)殘?zhí)己瓦€原載氧體(301)則在重力作用下從底部離開(kāi)流化床氣化爐(3)，進(jìn)入下返料器(4)。在下返料器(4)中，生物質(zhì)殘?zhí)己瓦€原載氧體(301)在下返料風(fēng)(401)的作用下進(jìn)入流化床富氧燃燒爐(5)底部。

7、在流化床富氧燃燒爐(5)中，生物質(zhì)殘?zhí)己瓦€原載氧體(301)與流化氣中的氧氣(503)接觸。其中，生物質(zhì)殘?zhí)及l(fā)生富氧燃燒反應(yīng)，生成以co2和h2o為主的煙氣。還原載氧體則發(fā)生氧化反應(yīng)，重新轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸d氧體。反應(yīng)后的煙氣和載氧體(501)從頂部離開(kāi)流化床富氧燃燒爐(5)，進(jìn)入燃燒爐旋風(fēng)分離器(9)。生物質(zhì)殘?zhí)既紵螽a(chǎn)生的灰渣(502)從流化床富氧燃燒爐(5)底部排出。在燃燒爐旋風(fēng)分離器(9)中，通過(guò)旋風(fēng)作用將高溫?zé)煔馀c氧化載氧體分離。其中，氧化載氧體(901)進(jìn)入上返料器(10)，在上返料風(fēng)(1001)的作用下返回流化床氣化爐(3)，重復(fù)與生物質(zhì)(101)的化學(xué)鏈氣化反應(yīng)。而高溫?zé)煔?902)則進(jìn)入煙氣換熱器(11)。

8、在合成氣換熱器(7)中，通過(guò)高溫合成氣(601)與水或者循環(huán)合成氣換熱進(jìn)行余熱回收，降溫后的低溫合成氣(701)進(jìn)入合成氣凈化器(8)進(jìn)行凈化處理，進(jìn)一步去除合成氣中含有的粉塵和焦油等雜質(zhì)。凈化后的合成氣一部分作為循環(huán)合成氣(801)，經(jīng)預(yù)熱后輸入流化床氣化爐(3)，剩余的則作為產(chǎn)品合成氣(802)輸入后續(xù)化工合成系統(tǒng)。

9、在煙氣換熱器(11)中，通過(guò)高溫?zé)煔?902)與水或者循環(huán)二氧化碳換熱進(jìn)行余熱回收，降溫后的低溫?zé)煔?1101)進(jìn)入煙氣凈化器(12)進(jìn)行凈化處理，脫除煙氣中的粉塵等污染物組分，得到以二氧化碳為主的氣體。其中，部分二氧化碳作為循環(huán)二氧化碳(1201)，經(jīng)預(yù)熱后按一定比例與氧氣(503)混合，輸入流化床富氧燃燒爐(5)，剩余的則作為產(chǎn)品二氧化碳(1202)輸入后續(xù)化工合成系統(tǒng)。

10、優(yōu)選地，所述流化床氣化爐(3)的溫度為700-950℃，所述流化床富氧燃燒爐(5)的溫度為750-1000℃。

11、優(yōu)選地，所述流化床氣化爐(3)的流化氣為循環(huán)合成氣或水蒸氣或循環(huán)合成氣和水蒸氣的混合氣；所述流化床富氧燃燒爐(5)的流化氣為循環(huán)二氧化碳(1201)與所述氧氣(503)的混合氣，所述氧氣(503)來(lái)源于電解水制氫的副產(chǎn)氧氣或者空氣分離制得的氧氣，所述氧氣(503)在混合氣中的體積濃度為21％-50％。

12、優(yōu)選地，所述下返料器(4)為u型閥或v型閥或l型閥或機(jī)械返料閥，所述上返料器(10)為u型閥或v型閥或l型閥或機(jī)械返料閥，所述下返料風(fēng)(401)為水蒸氣或循環(huán)二氧化碳，所述上返料風(fēng)(1001)為水蒸氣或循環(huán)合成氣。

13、優(yōu)選地，所述合成氣換熱器(7)換熱后用于產(chǎn)蒸汽或預(yù)熱所述循環(huán)合成氣(801)，所述煙氣換熱器(11)換熱后用于產(chǎn)蒸汽或預(yù)熱所述循環(huán)二氧化碳(1201)。

14、優(yōu)選地，本發(fā)明所述生物質(zhì)包括但不限于農(nóng)作物秸稈、林業(yè)廢棄物、城市生活垃圾和污泥等中的一種或多種。對(duì)于原生生物質(zhì)，應(yīng)經(jīng)過(guò)破碎等預(yù)處理后輸入本發(fā)明所述系統(tǒng)。

15、本發(fā)明具有以下有益效果：(1)通過(guò)生物質(zhì)雙流化床化學(xué)鏈氣化與富氧燃燒技術(shù)耦合，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)合成氣與高濃度二氧化碳的聯(lián)產(chǎn)，有效提高了以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)綠色液體燃料工藝組織的靈活性；(2)通過(guò)把傳統(tǒng)生物質(zhì)雙流化床化學(xué)鏈氣化技術(shù)中的空氣燃燒爐改為富氧燃燒爐，將傳統(tǒng)生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化過(guò)程剩余的殘?zhí)纪ㄟ^(guò)富氧燃燒進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高濃度二氧化碳，可以將原來(lái)空氣燃燒爐無(wú)法低成本回收的煙氣(有效成分為二氧化碳)高效回收，作為化工合成的原料，從而提高了生物質(zhì)中的碳轉(zhuǎn)化率，解決了目前生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化過(guò)程原料碳轉(zhuǎn)化率較低的問(wèn)題；(3)通過(guò)化學(xué)鏈氣化技術(shù)，將生物質(zhì)中大部分碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳，僅少部分采用富氧燃燒轉(zhuǎn)化為二氧化碳，在保證生物質(zhì)高碳轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，有效降低了對(duì)后續(xù)合成綠色液體燃料工藝參數(shù)的要求，提高了系統(tǒng)的能量效率。