本發明涉及能源、環保和化工，具體涉及一種生物質雙流化床化學鏈氣化與富氧燃燒耦合生產合成氣的系統及方法。

背景技術：

1、發展綠色液體燃料(如甲醇和航空煤油等)制備技術是保障我國能源安全、優化能源結構的重要途徑之一，對促進我國產業升級，實現交通、化工等領域的可持續發展具有重要意義。以甲醇為例，2022年全球甲醇產量1.1億噸，但其中綠色甲醇產量僅50萬噸左右，不足1％，具有廣闊的市場需求。

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

3、與傳統氣化技術不同，生物質雙流化床化學鏈氣化技術采用載氧體代替傳統的氣化劑，通過載氧體在燃燒反應器和氣化反應器中循環，將空氣中的氧傳遞給生物質，實現免空分、低成本制取高品質合成氣，近年來相關技術發展十分迅速。如專利cn114574250a提出了一種生物質化學鏈氣化制清潔合成氣的方法及裝置，利用雙循環的載氧體和焦油二氧化碳重整催化劑，實現了生物質氣化及其氣態產物中焦油和二氧化碳的原位高效轉化，提升了合成氣的產率和品質，原子和能量利用率顯著提高。

4、除采用氣化技術以外，生物質也可以先通過富氧燃燒生成二氧化碳，二氧化碳再與綠氫結合生產綠色液體燃料。如專利cn113944544a提出了一種基于可再生能源與氫能甲醇化的能源系統，利用生物質富氧燃燒產生的二氧化碳與電解水產生的氫氣合成甲醇，可有效消納可再生能源電力，實現零碳或負碳排放。

5、在現有生物質雙流化床化學鏈氣化過程，氣化反應器中會有部分殘碳剩余，其會隨著載氧體進入燃燒反應器并燃燒變為二氧化碳。由于燃燒反應后煙氣的主要成分為氮氣，二氧化碳捕集成本較高，該煙氣一般經余熱回收和凈化后直接排空，導致化學鏈氣化過程生物質中碳的利用率較低。生物質直接富氧燃燒技術的碳利用率雖然較高，但由于其產物主要為二氧化碳，氧化程度較高，后續加氫制甲醇和航油等過程中還需要消耗額外的氫氣脫氧，對反應條件要求較高，原子利用率和能量效率相對較低。

6、因此，現有技術還有待于改進和發展。

技術實現思路

1、鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種生物質雙流化床化學鏈氣化與富氧燃燒耦合生產合成氣的系統及方法，旨在解決目前生物質化學鏈氣化碳轉化率較低的問題，實現生物質產高品質合成氣的同時聯產高濃度二氧化碳，用于后續合成甲醇和航空煤油等綠色液體燃料，提高生產過程的物質和能量利用效率以及工藝靈活性。

2、本發明的技術方案如下：

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

4、所述料倉(1)與所述給料機(2)連接，所述給料機(2)與所述流化床氣化爐(3)連接，將生物質(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)和所述氣化爐旋風分離器(6)連接，將生物質殘碳和還原載氧體(301)輸入所述下返料器(4)，合成氣(302)輸入所述氣化爐旋風分離器(6)。所述氣化爐旋風分離器(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)和后續化工合成單元連接，將凈化后的合成氣一部分作為循環合成氣(801)輸送至所述流化床氣化爐(3)，其余作為產品合成氣(802)輸入后續化工合成單元。所述下返料器(4)與所述流化床富氧燃燒爐(5)連接，將生物質殘碳和還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)與所述燃燒爐旋風分離器(9)連接，將煙氣和載氧體(501)輸入所述燃燒爐旋風分離器(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)，高溫煙氣(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，用于將低溫煙氣(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)和后續化工合成單元連接，將凈化后的煙氣一部分作為循環二氧化碳(1201)輸送至所述流化床燃燒爐(5)，其余作為產品二氧化碳(1202)輸入后續化工合成單元。

5、一種生物質雙流化床化學鏈氣化與富氧燃燒耦合生產合成氣的方法，其中，采用本發明所述的生物質雙流化床化學鏈氣化與富氧燃燒耦合生產合成氣的系統生產合成氣，所述生產合成氣的方法包括步驟：

6、利用給料機(2)將料倉(1)中的生物質(101)輸送至流化床氣化爐(3)。在流化床氣化爐(3)中，生物質(101)與高溫的氧化載氧體(901)接觸并發生化學鏈氣化反應，得到以co和h2為主的合成氣(302)。合成氣(302)從頂部離開流化床氣化爐(3)，進入氣化爐旋風分離器(6)，經旋風作用分離出飛灰(602)后進入合成氣換熱器(7)。反應后剩余的固體生物質殘碳和還原載氧體(301)則在重力作用下從底部離開流化床氣化爐(3)，進入下返料器(4)。在下返料器(4)中，生物質殘碳和還原載氧體(301)在下返料風(401)的作用下進入流化床富氧燃燒爐(5)底部。

7、在流化床富氧燃燒爐(5)中，生物質殘碳和還原載氧體(301)與流化氣中的氧氣(503)接觸。其中，生物質殘碳發生富氧燃燒反應，生成以co2和h2o為主的煙氣。還原載氧體則發生氧化反應，重新轉變為氧化載氧體。反應后的煙氣和載氧體(501)從頂部離開流化床富氧燃燒爐(5)，進入燃燒爐旋風分離器(9)。生物質殘碳燃燒后產生的灰渣(502)從流化床富氧燃燒爐(5)底部排出。在燃燒爐旋風分離器(9)中，通過旋風作用將高溫煙氣與氧化載氧體分離。其中，氧化載氧體(901)進入上返料器(10)，在上返料風(1001)的作用下返回流化床氣化爐(3)，重復與生物質(101)的化學鏈氣化反應。而高溫煙氣(902)則進入煙氣換熱器(11)。

8、在合成氣換熱器(7)中，通過高溫合成氣(601)與水或者循環合成氣換熱進行余熱回收，降溫后的低溫合成氣(701)進入合成氣凈化器(8)進行凈化處理，進一步去除合成氣中含有的粉塵和焦油等雜質。凈化后的合成氣一部分作為循環合成氣(801)，經預熱后輸入流化床氣化爐(3)，剩余的則作為產品合成氣(802)輸入后續化工合成系統。

9、在煙氣換熱器(11)中，通過高溫煙氣(902)與水或者循環二氧化碳換熱進行余熱回收，降溫后的低溫煙氣(1101)進入煙氣凈化器(12)進行凈化處理，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二氧化碳(1201)，經預熱后按一定比例與氧氣(503)混合，輸入流化床富氧燃燒爐(5)，剩余的則作為產品二氧化碳(1202)輸入后續化工合成系統。

10、優選地，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、優選地，所述流化床氣化爐(3)的流化氣為循環合成氣或水蒸氣或循環合成氣和水蒸氣的混合氣；所述流化床富氧燃燒爐(5)的流化氣為循環二氧化碳(1201)與所述氧氣(503)的混合氣，所述氧氣(503)來源于電解水制氫的副產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、優選地，所述下返料器(4)為u型閥或v型閥或l型閥或機械返料閥，所述上返料器(10)為u型閥或v型閥或l型閥或機械返料閥，所述下返料風(401)為水蒸氣或循環二氧化碳，所述上返料風(1001)為水蒸氣或循環合成氣。

13、優選地，所述合成氣換熱器(7)換熱后用于產蒸汽或預熱所述循環合成氣(801)，所述煙氣換熱器(11)換熱后用于產蒸汽或預熱所述循環二氧化碳(1201)。

14、優選地，本發明所述生物質包括但不限于農作物秸稈、林業廢棄物、城市生活垃圾和污泥等中的一種或多種。對于原生生物質，應經過破碎等預處理后輸入本發明所述系統。

15、本發明具有以下有益效果：(1)通過生物質雙流化床化學鏈氣化與富氧燃燒技術耦合，實現了高品質合成氣與高濃度二氧化碳的聯產，有效提高了以生物質為原料生產綠色液體燃料工藝組織的靈活性；(2)通過把傳統生物質雙流化床化學鏈氣化技術中的空氣燃燒爐改為富氧燃燒爐，將傳統生物質化學鏈氣化過程剩余的殘碳通過富氧燃燒進一步轉化為高濃度二氧化碳，可以將原來空氣燃燒爐無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，從而提高了生物質中的碳轉化率，解決了目前生物質化學鏈氣化過程原料碳轉化率較低的問題；(3)通過化學鏈氣化技術，將生物質中大部分碳轉化為一氧化碳，僅少部分采用富氧燃燒轉化為二氧化碳，在保證生物質高碳轉化率的同時，有效降低了對后續合成綠色液體燃料工藝參數的要求，提高了系統的能量效率。