本發(fā)明涉及能源化工，特別涉及一種生物質(zhì)流化床熱解炭化耦合二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、由于化石燃料量的短缺以及其燃燒產(chǎn)生的大量污染物，資源豐富且較為潔凈的生物質(zhì)能的開發(fā)利用受到重視。生物質(zhì)比化石燃料(天然氣、煤炭和石油)更具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。首先，生物質(zhì)提供了連續(xù)的原料供應(yīng)，不會(huì)受到世界能源價(jià)格波動(dòng)或進(jìn)口燃料供應(yīng)不確定性的影響，可以減少對(duì)化石燃料的依賴；其次，生物質(zhì)在其生命周期中是一種二氧化碳中性能源，具有二氧化碳凈零排放優(yōu)勢(shì)。

2、對(duì)于生物質(zhì)能的綜合利用，重要的手段之一是熱解炭化技術(shù)。熱解炭化是生物質(zhì)在絕氧或缺氧的環(huán)境中受熱分解生成生物炭(固體)、生物油(液體)和氣體(生物燃?xì)?三相產(chǎn)物的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。為了多產(chǎn)生生物炭，一般采用較慢的加熱速度以及較長(zhǎng)的固相停留時(shí)間，在較低的反應(yīng)溫度下進(jìn)行熱解。熱解炭化除了生物炭產(chǎn)物以外，還有可燃?xì)狻⒋滓汉徒褂?，生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的生物炭可作為有機(jī)肥料、土壤改良劑、肥料緩釋載體、燃料、污水凈化吸附劑、冶金還原劑、生物基復(fù)合材料及co2封存劑，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境效益。

3、生物質(zhì)的熱解炭化主要為吸熱反應(yīng)，一般炭化過程分為三個(gè)階段：第一階段為干燥階段，溫度小于150℃，原料在反應(yīng)器中吸收熱量，水分蒸發(fā)逸出；第二階段為揮發(fā)熱解階段，反應(yīng)溫度約在150℃～300℃，主要為吸熱反應(yīng)，生物質(zhì)大分子化學(xué)鍵發(fā)生斷裂與重排，產(chǎn)生有機(jī)揮發(fā)分，含有水、二氧化碳、一氧化碳、乙酸等成分；第三階段為全面炭化階段，反應(yīng)溫度大于300℃，生物質(zhì)發(fā)生劇烈的熱解反應(yīng)，產(chǎn)生較多的焦油，醋液以及包含甲烷、乙烯、一氧化碳等的可燃?xì)怏w，并生成固體的生物炭。

4、生物質(zhì)熱解炭化過程所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物的熱值和組成取決于熱解炭化劑的類型和使用量。目前，使用的熱解炭化劑大多是空氣、水蒸氣以及其混合物，但水蒸氣的制備需要消耗大量的能量，故而大量補(bǔ)充水蒸氣的工藝系統(tǒng)能耗較高。而使用co2替代水蒸氣或空氣作為熱解炭化劑具有以下優(yōu)勢(shì)：其一，減少水蒸氣蒸發(fā)所需的能量；其二，合成氣中的h2/co比例易于調(diào)整，以滿足特定的工業(yè)要求；其四，有益于co2循環(huán)利用和降低co2凈排放量；其五，co2可在活性炭中產(chǎn)生更多揮發(fā)物，提高熱解炭化率。

5、目前，應(yīng)用最為廣泛的有固定床(上升式、下吸式、交叉式)熱解炭化反應(yīng)器和流化床(鼓泡流化床、循環(huán)流化床)熱解炭化反應(yīng)器。在固定床熱解炭化反應(yīng)器中，由于生物質(zhì)原料和熱解炭化介質(zhì)之間的傳熱和傳質(zhì)較低且不均勻，會(huì)產(chǎn)生大量的焦油和焦炭。相反，在流化床熱解炭化反應(yīng)器中，生物質(zhì)原料和熱解炭化介質(zhì)之間具有良好的混合和氣固接觸，從而提高了反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化效率，高效的傳熱和傳質(zhì)特性使流化床能夠適應(yīng)不同成分和熱值的各類生物質(zhì)。此外，通過使用床料作為傳熱介質(zhì)和催化劑，可降低產(chǎn)品氣中的焦油濃度，改善產(chǎn)物氣體質(zhì)量?；谝陨?，流化床被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)熱解炭化過程。

6、現(xiàn)有的流化床生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)存在產(chǎn)品氣中二氧化碳及焦油含量高、碳轉(zhuǎn)化率低、熱解炭化系統(tǒng)整體能量利用效率低的問題，需要添加昂貴高效的氣體凈化設(shè)備，對(duì)粗質(zhì)產(chǎn)品氣進(jìn)一步處理，工藝路線復(fù)雜，整體生產(chǎn)成本高。此外，由于生物質(zhì)的大小、形狀和反應(yīng)性的可變性，在粉碎處理后，生物質(zhì)顆粒通常為細(xì)長(zhǎng)形狀，適用于球形顆粒的既定原理可能不直接適用于細(xì)長(zhǎng)顆粒，這也增加了流化床熱解炭化反應(yīng)器處理此類非球形顆粒的復(fù)雜性。

7、因此，亟需開發(fā)一種新型生物質(zhì)熱解炭化耦合二氧化碳循環(huán)技術(shù)，解決生物質(zhì)熱解炭化工藝過程中，低碳轉(zhuǎn)化率、能耗較高和煙氣二氧化碳濃度低等關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)熱解炭化過程的負(fù)碳排放。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種生物質(zhì)流化床熱解炭化耦合二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)及方法，至少解決現(xiàn)有生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)中低碳轉(zhuǎn)化率、高能耗的問題。

2、本發(fā)明的上述目的可采用下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供一種生物質(zhì)流化床熱解炭化耦合二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，包括：流化床熱解炭化反應(yīng)器，具有軸向延伸的殼體，所述殼體上設(shè)有供生物質(zhì)顆粒進(jìn)入的進(jìn)料口，所述殼體內(nèi)設(shè)有加熱浸沒管；顆粒床-旋風(fēng)重整凈化反應(yīng)器，具有旋風(fēng)外殼、自所述旋風(fēng)外殼的上端插入至所述旋風(fēng)外殼內(nèi)并沿軸向延伸的內(nèi)置顆粒床、以及自所述內(nèi)置顆粒床的上端插入至所述內(nèi)置顆粒床內(nèi)并沿軸向延伸的排煙管，所述排煙管通過循環(huán)支管與所述殼體相連接，所述循環(huán)支管用于將所述排煙管內(nèi)二氧化碳濃度低于預(yù)設(shè)值的氣相產(chǎn)品送回至所述殼體內(nèi)；所述內(nèi)置顆粒床的側(cè)壁上設(shè)有多個(gè)氣流孔，所述內(nèi)置顆粒床的上端與所述殼體的下端相連接；所述旋風(fēng)外殼的上端與所述殼體的上端相連接，所述旋風(fēng)外殼的上端設(shè)置有第一氣體入口，所述旋風(fēng)外殼的下端設(shè)置有排渣口；提升管組件，用于將所述顆粒床-旋風(fēng)重整凈化反應(yīng)器排出的固相提升并輸送至所述殼體內(nèi)。

4、具體地，所述提升管組件包括依次連接的預(yù)提升段、提升段和旋風(fēng)段，所述預(yù)提升段的下端與所述內(nèi)置顆粒床的下端相連接，所述旋風(fēng)段的下端與所述殼體的下端相連接，所述預(yù)提升段的下端設(shè)置有第二氣體入口，所述旋風(fēng)段的上端設(shè)置有排塵口。

5、優(yōu)選地，所述生物質(zhì)流化床熱解炭化耦合二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)還包括返料器，所述返料器連接于所述殼體和所述內(nèi)置顆粒床之間，所述返料器的下端設(shè)置有第三氣體入口。

6、具體地，所述返料器通過第一斜管與所述殼體相連接，所述內(nèi)置顆粒床通過第二斜管與所述返料器相連接，所述預(yù)提升段通過第三斜管與所述內(nèi)置顆粒床相連接，所述旋風(fēng)段通過第四斜管與所述殼體相連接。

7、進(jìn)一步地，所述殼體內(nèi)還設(shè)有氣體分布器，所述氣體分布器位于所述加熱浸沒管的下方，所述氣體分布器的入口與所述循環(huán)支管相連接。

8、進(jìn)一步地，所述生物質(zhì)流化床熱解炭化耦合二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)還包括冷卻分離器，所述冷卻分離器連接在所述排煙管的自由端。

9、具體地，當(dāng)所述排煙管內(nèi)的氣相產(chǎn)品中二氧化碳濃度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，所述循環(huán)支管被導(dǎo)通；當(dāng)所述排煙管內(nèi)的氣相產(chǎn)品中二氧化碳濃度不低于預(yù)設(shè)值時(shí)，所述循環(huán)支管被截?cái)唷?/p>

10、本發(fā)明的另一目的是提供一種生物質(zhì)流化床熱解炭化耦合二氧化碳循環(huán)方法，所述方法適用于如上所述的生物質(zhì)流化床熱解炭化耦合二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，包括：開啟所述加熱浸沒管對(duì)所述殼體進(jìn)行預(yù)熱，自所述進(jìn)料口向所述殼體通入生物質(zhì)顆粒，所述生物質(zhì)顆粒在所述加熱浸沒管的作用下發(fā)生熱解炭化反應(yīng)，并分別向所述旋風(fēng)外殼和所述內(nèi)置顆粒床輸送熱解炭化反應(yīng)產(chǎn)出的氣相產(chǎn)品和固相產(chǎn)品；向所述第一氣體入口通入高溫富氧氣體，使被輸送至所述旋風(fēng)外殼的氣相產(chǎn)品和被輸送至所述內(nèi)置顆粒床的固相產(chǎn)品發(fā)生重整凈化反應(yīng)，并分別向所述排煙管和所述提升管組件輸送重整凈化反應(yīng)產(chǎn)出的氣相產(chǎn)品和固相產(chǎn)品；向所述提升管組件通入流化氣體，將被輸送至所述提升管組件的固相產(chǎn)品提升并輸送至所述殼體內(nèi)。

11、優(yōu)選地，當(dāng)所述排煙管內(nèi)氣相產(chǎn)品中的二氧化碳濃度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，氣相產(chǎn)品經(jīng)所述循環(huán)支管進(jìn)入所述殼體內(nèi)，氣相產(chǎn)品中的二氧化碳作為熱解炭化劑參與生物質(zhì)顆粒的熱解炭化反應(yīng)。

12、具體地，所述流化床熱解炭化反應(yīng)器的反應(yīng)溫度為600℃～800℃，所述顆粒床-旋風(fēng)重整凈化反應(yīng)器的反應(yīng)溫度為1200℃～1400℃。

13、本發(fā)明的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明所提供的生物質(zhì)流化床熱解炭化耦合二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)通過在流化床熱解炭化反應(yīng)器的殼體內(nèi)設(shè)置加熱浸沒管，以弱化生物質(zhì)的物料外形影響，強(qiáng)化顆?；旌?，調(diào)節(jié)床層溫度，進(jìn)而提高生物質(zhì)熱解炭化轉(zhuǎn)化率；通過設(shè)置顆粒床-旋風(fēng)重整凈化反應(yīng)器，將生物質(zhì)熱解炭化產(chǎn)生的焦炭作為顆粒床-旋風(fēng)重整凈化反應(yīng)器內(nèi)置顆粒床床料，強(qiáng)化產(chǎn)氣中焦油的催化裂解，可進(jìn)一步降低焦油濃度，同時(shí)解決流化床熱解炭化反應(yīng)器中焦油與焦炭接觸時(shí)間短、催化效果不佳的問題，并起到產(chǎn)氣顆粒床精細(xì)凈化的作用，實(shí)現(xiàn)焦油重整、焦炭熱解炭化及產(chǎn)氣凈化過程耦合，提高了產(chǎn)氣潔凈度及熱值，實(shí)現(xiàn)熱解炭化過程負(fù)碳排放，相比多段式工藝流程，減少了化石燃料的使用，降低了運(yùn)行成本；并通過設(shè)置循環(huán)支管，將排煙管內(nèi)二氧化碳濃度未達(dá)標(biāo)的氣相產(chǎn)品送回至殼體內(nèi)作為熱解炭化劑，實(shí)現(xiàn)了氣相攜帶熱量的循環(huán)利用，改善了產(chǎn)氣中co/h2比率，降低了系統(tǒng)能源的消耗，提高了生物質(zhì)中炭的利用率；還通過設(shè)置提升管組件，將顆粒床-旋風(fēng)重整凈化反應(yīng)器輸出的固相送回流化床熱解炭化反應(yīng)器的殼體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)固相攜帶熱量的循環(huán)利用。