制备合成气的系统和方法与流程

1.本发明属于煤气化领域，具体涉及一种制备合成气的系统和方法。


背景技术：

2.我国生物质原料丰富，但是利用率低，且国家对生物质处理的要求非常严格。目前，生物质资源与煤共气化的大部分工艺是将生物质直接制成浆体与煤粉掺混制成水煤浆，但其缺陷是由于生物质中含有大量的纤维素、木质素，导致生物质和煤共制浆的成浆浓度不高，不利于生物质煤浆的工业化应用。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种制备合成气的系统和方法，采用本申请的系统不仅解决了生物质成浆性差的问题，而且实现了生物质的资源化和减量化处理。
4.在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备合成气的系统。根据本发明的实施例，所述系统包括：
5.水热碳化反应器，所述水热碳化反应器具有生物质入口、水热碳化液体出口和水热碳浆体出口；
6.磨煤机，所述磨煤机具有粒煤入口、水热碳浆体入口、添加剂入口和混合浆体出口，所述水热碳浆体入口与所述水热碳浆体出口相连；
7.气化炉，所述气化炉具有混合浆体入口、空气入口、水蒸汽入口、合成气出口和灰渣出口，所述混合浆体入口与所述混合浆体出口相连。
8.根据本发明实施例的制备合成气的系统，通过将生物质供给至水热碳化反应器中进行水热碳化反应，水热碳化过程中生物质发生脱羧、脱水等反应，含氧官能团减少，含碳量增加，同时使生物质内在水分释放出来，降低了含水率，从而可以解决生物质本身成浆性差的问题，然后将水热反应过程得到的水热碳浆体供给至磨煤机中与粒煤和添加剂进行研磨，既利用水热碳浆体中的水分制成混合浆体，省去了浆状产物进行高压脱水的环节，同时节省制浆清水的使用，最后将得到的混合浆体供给至气化炉中与空气和水蒸汽进行气化反应制备合成气。由此，采用本申请的系统不仅解决了生物质成浆性差的问题，而且实现了生物质的资源化和减量化处理。
9.另外，根据本发明上述实施例的制备合成气的系统还可以具有如下附加的技术特征：
10.在本发明的一些实施例中，所述水热碳化反应器内设有搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌轴和搅拌桨，所述搅拌桨沿所述搅拌轴的高度方向间隔布置，并且上下相邻的所述搅拌浆交错分布。由此，使得水热碳化反应更加均匀。
11.在本发明的一些实施例中，上述系统进一步包括：煤料斗，所述煤料斗内设有格栅，并且所述煤料斗设有块煤入口和煤颗粒出口；破碎机，所述破碎机具有煤颗粒入口和粒
煤出口，所述煤颗粒入口与所述煤颗粒出口相连，所述粒煤出口与所述粒煤入口相连。
12.在本发明的一些实施例中，上述系统进一步包括：称量给料器，所述称量给料器分别与所述煤颗粒出口和所述煤颗粒入口相连。
13.在本发明的一些实施例中，上述系统进一步包括：水热碳浆体输送泵，所述水热碳浆体输送泵分别与所述水热碳浆体出口和所述水热碳浆体入口相连。
14.在本发明的一些实施例中，上述系统进一步包括：煤浆槽，所述煤浆槽分别与所述混合浆体出口和所述混合浆体入口相连。
15.在本发明的一些实施例中，上述系统进一步包括：混合浆体输送泵，所述混合浆体输送泵分别与所述煤浆槽和所述混合浆体入口相连。
16.在本发明的一些实施例中，所述气化炉为气流床气化炉。
17.在本发明的第二个方面，本发明提出了一种利用上述制备合成气的系统实施制备合成气的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：
18.(1)将生物质供给至所述水热碳化反应器中进行水热反应，以便得到水热碳化液体和水热碳浆体；
19.(2)将所述水热碳浆体与粒煤和添加剂供给至所述磨煤机中进行磨煤，以便得到混合浆体；
20.(3)将所述混合浆体供给至所述气化炉中与空气和水蒸汽进行混合气化，以便得到合成气和灰渣。
21.根据本发明实施例的制备合成气的方法，通过将生物质供给至水热碳化反应器中进行水热碳化反应，水热碳化过程中生物质发生脱羧、脱水等反应，含氧官能团减少，含碳量增加，同时使生物质内在水分释放出来，降低了含水率，从而可以解决生物质本身成浆性差的问题，然后将水热反应过程得到的水热碳浆体供给至磨煤机中与粒煤和添加剂进行研磨，即利用水热碳浆体中的水分制成混合浆体，省去了浆状产物进行高压脱水的环节，同时节省制浆清水的使用，最后将得到的混合浆体供给至气化炉中与空气和水蒸汽进行气化反应制备合成气。由此，采用本申请的方法不仅解决了生物质成浆性差的问题，而且实现了生物质的资源化和减量化处理。
22.另外，根据本发明上述实施例的制备合成气的方法还可以具有如下附加的技术特征：
23.在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述水热反应的温度为180
‑
220℃，时间为4
‑
8h。由此，可以提高水热碳化反应效率。
24.在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述水热碳浆体的含水率为35wt％
‑
40wt％。
25.在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述水热碳浆体与所述粒煤和所述添加剂质量比为(10
‑
15)：(85
‑
90)：(0.1
‑
1)。
26.在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述添加剂为萘磺酸甲醛缩合物。
27.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
29.图1是根据本发明一个实施例的制备合成气的系统结构示意图；
30.图2是根据本发明再一个实施例的制备合成气的系统结构示意图；
31.图3是根据本发明一个实施例的制备合成气的方法流程示意图。
具体实施方式
32.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备合成气的系统。根据本发明的实施例，参考图1，该系统包括：水热碳化反应器100、磨煤机200和气化炉300。
37.根据本发明的实施例，参考图1，水热碳化反应器100具有生物质入口101、水热碳化液体出口102和水热碳浆体出口103，且适于将生物质进行水热碳化反应，以便得到水热碳化液体和水热碳浆体。发明人发现，通过将生物质供给至水热碳化反应器中进行水热碳化反应，水热碳化过程中生物质发生脱羧、脱水等反应，含氧官能团减少，含碳量增加，同时使生物质内在水分释放出来，降低了含水率，从而可以解决生物质本身成浆性差的问题。具体的，参考图1，水热碳化反应器100内设有搅拌装置11，搅拌装置11包括搅拌轴111和搅拌桨112，搅拌桨112沿搅拌轴111的高度方向间隔布置，并且上下相邻的搅拌浆112交错分布，从而使得水热碳化反应更加均匀。同时，水热碳化反应产物为固液混合物，待反应后静止沉淀后，上层液体即为水热碳化液体，浆状产物即为水热碳浆体。优选地，水热反应的温度为180
‑
220℃，时间为4
‑
8h；并且水热碳浆体的含水率为35％
‑
40％。
38.根据本发明的实施例，参考图1，磨煤机200具有粒煤入口201、水热碳浆体入口
202、添加剂入口203和混合浆体出口204，水热碳浆体入口202与水热碳浆体出口103相连，且适于将粒煤与水热碳浆体和添加剂混合进行研磨处理，从而将粒煤粉碎，且与水热碳浆体混合均匀，并且添加剂可以降低水煤浆的黏度，得到稳定性好的混合浆体。发明人发现，将水热反应过程得到的水热碳浆体供给至磨煤机中与粒煤和添加剂进行研磨，既利用水热碳浆体中的水分制成混合浆体，省去了浆状产物进行高压脱水的环节，同时节省制浆清水的使用。具体的，添加剂为萘磺酸甲醛缩合物(nsf)；优选地，水热碳浆体与粒煤和添加剂质量比为(10
‑
15)：(85
‑
90)：(0.1
‑
1)。发明人发现，水热碳浆体热值约为原煤热值的一半，若水热碳浆体添加量过多，易造成混合浆体热值低的情况；为得到高浓度、低黏度且具备良好稳定性的混合浆体，需要加入一定量的添加剂，添加剂用量过少难以满足流动性和稳定性的要求，而若添加剂用量过多，会使制浆成本增加。由此，在该添加剂比例下可以在保证混合浆体高浓度和低黏度的同时不增加制浆成本。
39.根据本发明的实施例，参考图1，气化炉300具有混合浆体入口301、空气入口302、水蒸汽入口303、合成气出口304和灰渣出口305，混合浆体入口301与混合浆体出口204相连，且适于将上述得到的混合浆料进行气化反应，以便得到合成气和灰渣。优选地，本申请的气化炉为气流床气化炉。具体的，气流床气化炉采用加压条件，温度也相对较高，气化强度高于其他炉型，且采用液态排渣，使得生物质灰熔点低这一特点成为优势。对于现有的煤气流床气化技术，进料方式一般为水煤浆进料或气力输送进料，但是对于生物质而言，由于生物质成浆性差，无法采用水煤浆进料；若采用气力输送，由于生物质密度低而粒径大，只能采用稀相输送，耗气量高，产气热值低。而本申请通过将生物质原料制成水热碳浆体，成浆性有所提高，与煤掺混后可采用水煤浆进料。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对气流床气化炉中反应条件如温度压力等进行选择，此处不再赘述。
40.根据本发明实施例的制备合成气的系统，通过将生物质供给至水热碳化反应器中进行水热碳化反应，水热碳化过程中生物质发生脱羧、脱水等反应，含氧官能团减少，含碳量增加，同时使生物质内在水分释放出来，降低了含水率，从而可以解决生物质本身成浆性差的问题，然后将水热反应过程得到的水热碳浆体供给至磨煤机中与粒煤和添加剂进行研磨，既利用水热碳浆体中的水分制成混合浆体，省去了浆状产物进行高压脱水的环节，同时节省制浆清水的使用，最后将得到的混合浆体供给至气化炉中与空气和水蒸汽进行气化反应制备合成气。由此，采用本申请的系统不仅解决了生物质成浆性差的问题，而且实现了生物质的资源化和减量化处理。
41.进一步地，参考图2，上述制备合成气的系统还包括：煤料斗400、破碎机500、称量给料器600、水热碳浆体输送泵700、煤浆槽800和混合浆体输送泵900。
42.根据本发明的实施例，参考图2，煤料斗400内设有格栅40，并且煤料斗400设有块煤入口401和煤颗粒出口402，且适于将块煤经过格栅。具体的，格栅40的设置以使粒径不高于50mm的煤块可以经过，即得到粒径不高于50mm的煤颗粒。
43.根据本发明的实施例，参考图2，破碎机500具有煤颗粒入口501和粒煤出口502，煤颗粒入口501与煤颗粒出口402相连，粒煤出口502与粒煤入口201相连，且适于将粒径不高于50mm的块煤进行破碎，得到粒煤，并将该粒煤供给至磨煤机200中与水热碳浆体与添加剂进行研磨。
44.根据本发明的实施例，参考图2，称量给料器600分别与煤颗粒出口501和煤颗粒入
口402相连，且适于实现煤颗粒的定量给料。
45.根据本发明的实施例，参考图2，水热碳浆体输送泵700分别与水热碳浆体出口103和水热碳浆体入口202相连，且适于采用水热碳浆体输送泵将水热碳化反应器100得到的水热碳浆体供给至磨煤机200中。
46.根据本发明的实施例，参考图2，煤浆槽800分别与混合浆体出口204和混合浆体入口301相连，且适于磨煤机200中的得到的混合浆体供给至气化炉300之前，预先将混合浆体存储于煤浆槽800中暂存。
47.根据本发明的实施例，参考图2，混合浆体输送泵900分别与煤浆槽800和混合浆体入口301相连，且适于采用混合浆体输送泵900将存储在煤浆槽800中的混合浆体供给至气化炉300中。
48.如下所述，根据本发明实施例的制备合成气的系统具有如下至少之一的效果：
49.(1)本发明将生物质经水热碳化处理，使其内在水分释放出来，降低了含水率，水热碳化过程中生物质发生脱羧、脱水等反应，含氧官能团减少，含碳量增加，因此，成浆性有所提高，在与煤掺混制浆时可适当提高生物质的添加量，有利于减少煤的使用，以及生物质的资源化利用。
50.(2)以废弃的生物质为原料，采用了操作简单、能耗低的水热碳化技术，废弃生物质经水热碳化处理后，含碳量高，能量密度接近褐煤。本发明将反应后的水热碳浆体与煤混合，利用水热碳浆体中的水分，制成混合浆，省去了浆状产物进行高压脱水的环节，同时节省制浆清水的使用，工艺经济、节能、环保。
51.(3)煤料斗设有格栅，阻止了粒径大于50mm的煤块进入破碎机，提高破碎效率，减少破碎机的损耗。煤料斗与称量给料器相连，通过设置每次制浆所需煤的质量，控制进入破碎机的煤量，遵循用多少煤破多少煤的原则，减少破碎机的工作负荷。
52.(4)本发明选取气流床气化炉，将水热碳和煤掺混制成混合煤浆，进料稳定，与其他炉型的生物质气化炉相比，采用加压条件，温度相对较高，气化强度高于其他炉型；且采用液态排渣，使得生物质灰熔点低这一特点成为优势，有利于生物质气流床气化炉的大规模使用。
53.在本发明的再一个方面，本发明提出了一种采用上述系统制备合成气的方法。根据本发明的实施例，参考图3，该方法包括：
54.s100：将生物质供给至水热碳化反应器中进行水热反应
55.该步骤中，将生物质供给至水热碳化反应器中进行水热反应，得到水热碳化液体和水热碳浆体。发明人发现，通过将生物质供给至水热碳化反应器中进行水热碳化反应，水热碳化过程中生物质发生脱羧、脱水等反应，含氧官能团减少，含碳量增加，同时使生物质内在水分释放出来，降低了含水率，从而可以解决生物质本身成浆性差的问题。优选地，水热反应的温度为180
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220℃，时间为4
‑
8h；并且水热碳浆体的含水率为35％
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40％。
56.s200：将水热碳浆体与粒煤和添加剂供给至磨煤机中进行磨煤
57.该步骤中，将上述得到的水热碳浆体与粒煤和添加剂供给至磨煤机中进行研磨处理，从而将粒煤粉碎，且与水热碳浆体混合均匀，并且添加剂可以降低水煤浆的黏度，得到稳定性好的混合浆体。发明人发现，将水热反应过程得到的水热碳浆体供给至磨煤机中与粒煤和添加剂进行研磨，既利用水热碳浆体中的水分制成混合浆体，省去了浆状产物进行
高压脱水的环节，同时节省制浆清水的使用。具体的，添加剂为萘磺酸甲醛缩合物(nsf)；优选地，水热碳浆体与粒煤和添加剂质量比为(10
‑
15)：(85
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90)：(0.1
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1)。发明人发现，水热碳浆体热值约为原煤热值的一半，若水热碳浆体添加量过多，易造成混合浆体热值低的情况；为得到高浓度、低黏度且具备良好稳定性的混合浆体，需要加入一定量的添加剂，添加剂用量过少难以满足流动性和稳定性的要求，而若添加量用量过多，会使制浆成本增加。由此，在该添加剂比例下可以在保证混合浆体高浓度和低黏度的同时不增加制浆成本。
58.s300：将混合浆体供给至气化炉中与空气和水蒸汽进行混合气化
59.该步骤中，将上述混合浆体供给至所述气化炉中与空气和水蒸汽进行混合气化，以便得到合成气和灰渣。优选地，本申请的气化炉为气流床气化炉。具体的，气流床气化炉采用加压条件，温度也相对较高，气化强度高于其他炉型，且采用液态排渣，使得生物质灰熔点低这一特点成为优势。对于现有的煤气流床气化技术，进料方式一般为水煤浆进料或气力输送进料，但是对于生物质而言，由于生物质成浆性差，无法采用水煤浆进料；若采用气力输送，由于生物质密度低而粒径大，只能采用稀相输送，耗气量高，产气热值低。而本申请通过将生物质原料制成水热碳浆体，成浆性有所提高，与煤掺混后可采用水煤浆进料。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对气流床气化炉中反应条件如温度压力等进行选择，此处不再赘述。
60.根据本发明实施例的制备合成气的方法，通过将生物质供给至水热碳化反应器中进行水热碳化反应，水热碳化过程中生物质发生脱羧、脱水等反应，含氧官能团减少，含碳量增加，同时使生物质内在水分释放出来，降低了含水率，从而可以解决生物质本身成浆性差的问题，然后将水热反应过程得到的水热碳浆体供给至磨煤机中与粒煤和添加剂进行研磨，既利用水热碳浆体中的水分制成混合浆体，省去了浆状产物进行高压脱水的环节，同时节省制浆清水的使用，最后将得到的混合浆体供给至气化炉中与空气和水蒸汽进行气化反应制备合成气。由此，采用本申请的方法不仅解决了生物质成浆性差的问题，而且实现了生物质的资源化和减量化处理。需要说明的是，上述针对制备合成气的系统所描述的特征和优点同样适用于该制备合成气的方法，此处不再赘述。
61.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
62.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。