本发明涉及生物质气化技术领域，尤其是涉及 一种炉内去除焦油的生物质复 合气化装置。 技术背景

由于石油资源的日渐匮乏，环境污染及温室效 应问题的日益严重， 从丰富的 生物质农林废弃物资源（如秸秆等）获取高品 位燃料和化学品正逐渐成为一种发 展趋势，在国内外引起高度关注。生物质气化 技术可将各种废弃的生物质转化成 为高品位的气体燃料， 用于工业发电、 热电联产、 集中供气、 工业采暖供热， 以 及作为合成气合成液体燃料以及为燃料电池提 供气源等。生物质气化过程由于技 术灵活、产物品位高、用途广泛等特点， 成为利用低品位生物质中最有前景的技 术之一。国内外生物质气化技术已受到广泛重 视，相关研究也取得了显著的进展。 但目前气化技术仍然存在瓶颈问题，尤其用于 低品位生物质时， 常规的气化方式 不论从焦油含量、 气化效率、 燃气成分等方面都无法满足需要， 因此， 迫切需要 研究焦油含量低、燃气组份调控能力强以及操 作方便的气化工艺， 解决目前存在 的瓶颈， 使生物质气化工艺实现新的突破， 在新的应用领域凸显其优势地位。

针对不同的工业用途， 国内外对生物质气化技术进行了大量的研究开 发工 作， 开发出固定床、 流化床、 气流床等不同的生物质气化工艺。 不论采用哪种气 化工艺， 焦油的产生是气化技术的共性问题。焦油在高 温时呈气态， 与可燃气体 完全混合， 而在低温时凝结为液态， 其分离和处理极为困难。焦油的存在不仅降 低了气化效率、 气体热值， 更严重的是焦油在低温时凝结为液态， 容易和水、 焦 炭、 灰等结合， 堵塞输气管道， 影响气化设备的正常运行； 凝结为细小液滴的焦 油难以燃烬， 在燃烧时容易产生碳黑等颗粒， 对燃气设备造成极大的损害。焦油 的存在大大降低了合成气的利用价值， 阻止了气化技术的高端应用， 是气化技术 高效大规模应用的瓶颈问题。

目前工业上常用的焦油去除方法主要是炉外去 除， 如干式过滤、 湿式洗涤、 催化裂解等。 过滤和水洗方法虽然操作简单、 成本较低， 但是效率不高， 为防止 二次污染， 需要增加额外的净化设备和废水处理设备， 不仅占地较大， 也增加了 投资成本， 而且处理掉的焦油不能利用， 造成能源的浪费。 催化裂解系统简单、 能量利用率高， 且对生物质燃气组分具有调变作用而成为国内 外研究的热点， 但 需要消耗大量的额外能量，还需要额外的辅助 设备，增加了系统的复杂性和投资。 同时， 由于催化剂失活、 机械磨损和应用成本等问题， 目前主要用于试验研究， 还未形成商业化的专用催化剂系列，尤其在催 化剂的使用寿命方面离商业化还存 在较大的距离。

焦油也可通过炉内去除的方法即在气化炉内抑 制焦油产生并将产生的焦油 原位转化为目标产物气， 实现气化炉内粗合成气中不含焦油。炉内脱除 可以通过 优化气化炉结构设计、优化气化过程操作参数 、气化炉内添加催化剂等方法实现， 从而达到减少气化炉出口燃气中焦油含量的目 的。这种方法是目前研究的热点和 今后发展方向。

国内外气化技术的发展趋势是开发高效、低焦 油、燃气组份调控能力较强的 气化工艺。针对焦油的有效脱除和燃气的高端 利用， 国内外开展了新型气化工艺 的研究。如：丹麦技术大学设计了两段式气化 炉，所得燃气中焦油含量大大降低； 德国 Choren公司提出了温和热解和高温热解两步法制 高质量合成气的工艺， 合 成气中几乎不含焦油。这些装置的特点是将诸 多的反应器串联在一条连续的流程 上，燃料先在间接加热式裂解器中干燥和热解 ， 裂解的产物紧接着在裂解器及焦 炭气化器间的狭窄地带进行部分氧化，产物气 流经热的焦碳床， 从而使产物气中 的焦油裂解并达到较低的含量。

由上可见， 目前炉内脱除焦油的气化工艺多是利用几个反 应器的串联实现， 只有公开号为 "CN101225315A" 的中国专利提出了一体化的生物质复合气化装 置， 但由于受到结构空间的限制， 颗粒停留时间短， 炉内二次反应不充分， 组分 调变能力不强。 发明内容

本发明提供一种生物质复合气化装置， 可将热解、 燃烧、 气化、 焦油裂解、 重整和组分调控等反应相对分开， 实现参数分区控制和优化匹配， 同时所有过程 在一套装置中完成， 即使不使用催化剂也可达到降低焦油含量、调 节气体组分的 目的。

为达到以上目的， 本发明采取了以下的技术方案：

本发明装置包括复合气化炉，所述复合气化炉 由内部依次连通的气化炉上流 段、气化炉横流段和气化炉下流段组成。在所 述气化炉上流段设置有生物质进料 口和一次气化剂入口； 在气化炉横流段上设置有二次气化剂入口； 气化炉下流段 的下部设置有燃气出口， 气化炉下流段底部为灰分分离区， 设置有灰分出口。

所述气化炉上流段和下流段直径可以相同， 下流段高度大于或等于上流段 高度的 2/3， 上流段和下流段内的流体流动方向相反， 上流段截面积和横流段截 面积之比大于 10。

所述一次气化剂入口可设置在气化炉上流段的 底部， 使一次气化剂由气化 炉上流段的底部进入气化炉。

所述一次气化剂和二次气化剂为空气或氧气或 富氧空气， 并可根据反应需 要加入的水蒸气。所述气化炉上流段和下流段 为圆截面， 横流段为方形截面， 上 流段和下流段由横流段切向连接，生物质在气 化炉上流段热解气化产生的燃气夹 带细小固体颗粒经气化炉横流段切向进入气化 炉下流段。由于部分燃气与二次气 化剂在横流段发生氧化反应， 温度迅速升高， 体积迅速膨胀， 而且上流段截面积 和横流段截面积之比大于 10， 所以横流段流速可达到上流段流速的 10倍以上，燃 气切向进入下流段时形成高速旋风， 有利于燃气混合及固体灰粒分离， 同时延长 了气化炉下流段的焦油裂解、 重整、 二次反应时间。

生物质在气化炉上流段内发生热解、 气化和生物质焦炭部分燃烧反应， 在 气化炉横流段内发生生物质燃气部分燃烧反应 ， 在气化炉下流段内发生焦油裂 解、 重整、 二次反应。

在本装置中， 气化炉上流段作为生物质热解气化区， 温度为 500— 900°C， 其中气化炉上流段的中、 上部为生物质热解区， 温度为 500— 700°C， 气化炉上流 段的下部为生物质焦炭气化和部分燃烧区， 温度 800-900°C ; 气化炉下流段作为 焦油裂解、 重整、 二次反应区为高温区， 温度可达到 1000-1300°C ; 气化炉下流 段下部燃气出口处的燃气出口管可伸入下流段 内约 1/4-1/2气化炉下流段圆截面 直径的位置， 防止沿下流段壁面下旋分离的固体灰粒进入燃 气出口管， 下流段的 底部为灰分分离区， 设置有灰分出口。通过加入不同的气化剂， 控制炉内不同区 的温度， 调节燃气的组分， 在一个炉内实现不同工况的控制和优化。 本发明生物质复合气化装置将热解、 气化、 裂解、 重整、 部分氧化过程在同 一反应器内复合， 实现参数分区控制和优化。 该装置具有气化效率高、 焦油含量 低、 气体组分调控能力强、 负荷适应能力强、 原料适用性强、 运行稳定、 易于放 大的特点。该装置用于生物质气化可以使燃气 中的焦油含量≤20 mg/Nm ³ ，而且运 行稳定、 连续， 可应用于多种领域， 如发电、 供热、 供气、 合成液体燃料等。 附图说明

图 1为本发明装置实施例结构示意图 （正视图）；

图 2为图 1的俯视结构示意图。

附图标记说明：

1.气化炉上流段 2. 气化炉下流段 3. 生物质进料口 4.生物质热解区 5.焦炭气化和部分燃烧区 6.—次气化剂入口 7.气化炉横流段 8.二次气化剂 入口 9.灰分分离区 10.燃气出口 具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明内容做 进一步的说明。

如图 1、 2所示， 本发明装置包括复合气化炉， 所述复合气化炉由内部依次 连通的气化炉上流段 1、 气化炉横流段 7和气化炉下流段 2组成。 在气化炉上流 段 1设置有生物质进料口 3， 底部设置有一次气化剂入口 6; 气化炉上流段 1的 中、 上部为生物质热解区 4， 下部为焦炭气化和部分燃烧区 5。 气化炉上流段和 下流段为圆截面，气化炉上流段 1和气化炉下流段 2的直径可以相同， 下流段高 度大于或等于上流段高度的 2/3， 气化炉横流段 7为方形截面， 上流段 1的截面 积和横流段 Ί的截面积之比大于 10， 生物质在气化炉上流段 1热解气化产生的 燃气夹带细小固体颗粒经气化炉横流段 7切向进入气化炉下流段 2。在所述气化 炉横流段 7入口设置有二次气化剂入口 8。气化炉下流段 2的下部设置有燃气出 口 10， 燃气出口管伸入下流段内约 1/4-1/2气化炉下流段圆截面直径的位置， 底 部为灰分分离区 9， 设置有灰分出口。

实施例 1 :

生物质木屑从进料口 3加入复合气化炉上流段 1内的热解区 4，在 500-700°C 温度下发生热解反应， 生物质释放出挥发气体， 并生成固体焦炭； 焦炭大颗粒向 下流入气化炉上流段 1内的焦炭气化和部分燃烧区 5， 在一次气化剂入口 6加入 的富氧空气 （0 ₂ 浓度 90%) 的作用下， 少部分焦炭发生氧化反应， 使焦炭气化 和部分燃烧区 5温度达到 800-900°C，大部分焦炭则发生气化反应生成可� �气体； 自焦炭气化和部分燃烧区 5向上流动的高温气体为生物质热解区 4提供生物质热 解所需的热量， 维持热解区 4的温度在 500-700°C ; 生物质在气化炉上流段 1内 反应产生的气体夹带细小固体颗粒经气化炉横 流段 7 切向进入气化炉下流段 2 内。从二次气化剂进气口 8加入适量二次富氧空气， 使部分可燃气体发生氧化反 应， 温度迅速升高， 体积迅速膨胀， 而且由于上流段 1的截面积和横流段 7的截 面积之比大于 10， 所以横流段 7的流速可达到上流段 1的流速的 10倍以上， 燃 气切向进入下流段 2 时形成高速旋风。 气化炉下流段 2 内的局部温度可达到 1200°C左右，焦油在此高温条件下发生裂解反� �转化成可燃气体， 同时燃气夹带 的颗粒中的残碳还可通过二次反应转化成可燃 气体；在燃气切向高速旋转进入气 化炉下流段 2的过程中，其携带的固体灰粒在离心力作用� �从气体中分离出来向 下流入气化炉下流段 2的下部连接的灰分分离区 9， 可燃气体则从气化炉下流段 2下部的燃气出口 10进入下游装置。 富氧空气当量比 ER=0.21-0.29时， 得到的 燃气成分为 H ₂ 21.4%-25.4%, N ₂ 2.9%-3.8%, CO 38.8%-45.2%, CH ₄ 4.9%-7.0%, C0 ₂ 18.5%-25.1%, 气化效率 74.9%-85.0%， 碳转化率 91.8%-99.6%。在气化炉下 流段 2内没有通入二次富氧空气气化剂的情况下， 燃气出口 10可燃气体中焦油 的含量为 900 mg/m ³ ; 当通入二次富氧空气气化剂时， 焦油在高温区发生裂解反 应， 燃气出口 10的可燃气体中焦油的含量降至 20 mg/m ³ 以下。 焦油裂解后燃气 中各组分的含量无明显变化， 因为焦油裂解除 N ₂ 外其他气体都有产生， 但焦油 裂解成可燃气体使生物质产气率由 1.07 Nm ³ /kg提高到 1.21 Nm ³ /kg。

实施例 2:

生物质木屑从进料口 3加入复合气化炉上流段 1内的热解区 4，在 500-700°C 温度下发生热解反应， 生物质释放出挥发气体， 并生成固体焦炭； 焦炭大颗粒向 下流入气化炉上流段 1内的焦炭气化和部分燃烧区 5， 在从一次气化剂入口 6加 入的富氧空气 （0 ₂ 浓度 90%) 的作用下， 少部分焦炭发生氧化反应， 使焦炭气 化和部分燃烧区 5温度达到 800-900°C， 大部分焦炭则发生气化反应生成可燃气 体； 自焦炭气化和部分燃烧区 5向上流动的高温气体为生物质热解区 4提供生物 质热解所需的热量， 维持热解区 4的温度在 500-700°C ; 生物质在气化炉上流段 1内反应产生的气体夹带细小固体颗粒经气化� �横流段 7切向进入气化炉下流段 2内。 从二次气化剂进气口 8加入适量二次富氧空气， 使部分可燃气体发生氧化 反应， 温度迅速升高， 体积迅速膨胀， 而且由于上流段 1的截面积和横流段 7的 截面积之比大于 10， 所以横流段 7的流速可达到上流段 1的流速的 10倍以上， 燃气切向进入下流段 2时形成高速旋风。 为提高燃气出口 10可燃气体中 H ₂ /CO 比， 即提高 H ₂ 含量， 降低 CO含量， 提高合成气质量， 在二次气化剂中加入水 蒸气， 通过水气变换反应 CO+H ₂ 0→C0 ₂ +H ₂ 以及水蒸气重整反应， 对气体组分 进行调控。在二次气化剂反应条件下气化炉下 流段 2内的局部温度可达到 1100°C 左右，焦油在此高温条件下发生裂解反应转化 成可燃气体， 水汽变换反应使燃气 中的 H ₂ 和 CO组分受到定向调控； 同时燃气夹带的粒中的残碳还可通过二次反 应转化成可燃气体； 在燃气切向高速旋转进入气化炉下流段 2的过程中， 其携带 的固体灰粒在离心力作用下从气体中分离出来 向下流入气化炉下流段 2 的下部 连接的灰分分离区 9， 可燃气体则从气化炉下流段 2下部的燃气出口 10进入下 游装置。 在富氧空气当量比 ER=0.26情况下， 当水蒸气 /生物质原料比 （质量） S/B=0.1-0.5 时， 得到的燃气成分为 H ₂ 24.6%-28.7%, N ₂ 2.8%-3.8%, CO 27.1%-33.8%, CH ₄ 3.9%-4.1%, C0 ₂ 29.3%-32.7%, 气化效率 73.9%-78%, 碳转化 率 97.5%-98.4%。与实施例 1比较可知， 通过添加水蒸气使 H ₂ /CO平均值由 0.56 提高到 0.88， 最高已达到 1.0以上， 有利于后续的合成反应应用， 但是 C0 ₂ 含量 增加， 合成前需要进行脱除。