CN101055082A - 秸秆低温气化熔融燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
秸秆低温气化熔融燃烧方法是一种具有连续、稳定和安全效果的熔融燃烧方法，具体流程为：预处理后的秸秆送入循环流化床气化炉(4)，发生低温空气气化反应，向气化炉(4)内喷入石灰等吸附剂(f)可实现脱除硫、氯、氟等污染物，旋风分离器(4－2)分离下来的细颗粒惰性床料经过回料器(4－3)送入气化炉(4)，气化产生的可燃气(i)携带含碳灰粒在高温熔融炉(5)内燃烧，熔融的灰渣从底部排出，熔融炉产生的高温烟气依次通过余热锅炉(6)的辐射式蒸发受热面(6－1)、过热器(6－3)、省煤器(6－4)、空预器(6－5)、除尘器(7)，最后由引风机(8)从烟囱(9)排空。产生的过热蒸汽(d)用于汽轮发电机(11)发电。
Description
技术领域
本发明涉及一种秸秆低温气化熔融燃烧方法，属于秸秆处理的技术领域。
背景技术
能源是人类生存与发展的前提和基础。当今人类对化石能源的极大依赖，不仅给环境带来严重的污染，并且由于这种能源的逐渐匮乏，还必将成为未来社会的潜在危机。在能源和环境的双重压力下，使得人类不得不开始寻找一种相对比较清洁的可再生能源，而秸秆是目前比较理想的选择之一，其具有以下特点：①可再生性；②低污染性；③广泛的分布性。利用秸秆发电，不仅可为缺电地区提供宝贵的电力，而且会改善大气酸雨环境，减少大气中二氧化碳含量，对环境保护非常有利。目前，在秸秆发电技术中，比较成熟的有直接燃烧发电和气化发电两种类型。
在秸秆直接燃烧发电方面，国外以丹麦BWE公司为代表，在专用锅炉中直接燃烧产生蒸汽，通过汽轮发电机转换为电能。目前已有较多应用实例。我国已引进该技术，建立示范工程。秸秆密度小悬浮燃烧份额高，秸秆原料中挥发分占70％以上，燃烧炉内燃烧组织不良时极易产生碳黑，即使团聚后的碳黑，其粒径也大多在10μm以下，要使得这些碳黑完全燃烬，需要较高的燃烧温度，但由于秸秆中碱金属、卤素含量较高，高温时易引起炉内结焦，特别在流化床燃烧炉中，碱金属的化合物与床料易形成低共熔点化合物，导致流化床结渣不能正常流化。同时秸秆直接燃烧时还存在高低温腐蚀、燃烧难稳定、烟气中飘尘含量高等问题。
秸秆气化发电技术可分为三类：①气化炉产生的可燃气在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。燃气轮机必须进行相应的改造，将热值较低的可燃气增压到0.5-3.0MPa之间，否则发电效率较低。②可燃气在内燃机内燃烧带动发电机发电。前两种方式要求可燃气稳定，且必须净化。采用传统的固定床或流化床对秸秆直接气化，生成的可燃气中焦油含量较高，而目前的净化措施难以使之完全去除，这样会引起管路堵塞和积炭，严重影响燃气轮机和内燃机稳定运行。③可燃气作为蒸汽锅炉的燃料燃烧，生产蒸汽带动汽轮发电机发电。这种方式在气体成分和热值有变化时能够保持稳定的燃烧状态。但蒸汽锅炉的燃烧温度同样受秸秆中特有的碱金属、卤素的限制。
发明内容
技术问题：本发明针对目前在利用秸秆发电过程中出现的炉内结焦、管道焦油阻塞等问题，提出一种秸秆低温气化熔融燃烧方法，该方法具有连续、稳定和安全的效果。
技术方案：本发明的秸秆气化熔融方法为：
(1)秸秆在循环流化床气化炉内进行低温气化，气化温度为400-650℃。流化床内存有大量的惰性床料，能够迅速加热新进炉的秸秆使其达到气化反应温度，其蓄热功能还可减小由于加料不均匀、秸秆种类和水分变化引起的炉内温度波动。
(2)气化炉出口设置高温旋风分离器，将随可燃气带出炉外的细颗粒惰性床料分离下来，经过回料器重新送回气化炉，以此在炉内形成高浓度颗粒物料的循环，其热载体功能可使气化炉沿高度方向温度趋于一致，以利于秸秆气化反应、炉内高效脱氯，并防止炉内结焦。
(3)向气化炉内添加石灰等吸附剂，可以定向脱除硫、氯、氟等污染物，特别是深度脱氯之后，可以防止金属材料的高温腐蚀，因此可以采用常规材料制造后面的余热锅炉，大大节省投资费用，并实现高效发电。
(4)气化炉产生的可燃气携带未完全反应的含碳灰粒进入高温立式旋风熔融炉进行熔融燃烧，燃烧温度为1000-1500℃，气体停留时间为2-3s，可保证可燃气体和灰中所含的碳完全燃烬。燃烬后的灰份呈熔融状态从熔融炉底部排入急冷水槽。
(5)熔融炉排出的高温烟气依次通过余热锅炉的辐射式蒸发受热面、过热器、省煤器、空预器和除尘器，最后经过引风机从烟囱排空。余热锅炉产生的高温或中温过热蒸汽进入汽轮发电机并网发电。秸秆气化和熔融燃烧产生的部分碱金属蒸汽凝结在辐射式蒸发受热面上，经过振打和吹扫，一部分落入辐射式蒸发受热面底部灰斗，其余随烟气进入尾部烟道和除尘器，分别被尾部烟道下方灰斗和除尘器捕集。
(6)秸秆在气化炉中气化时，其中所含的碱金属部分会迁移至惰性床料表面，当惰性床料表面碱金属含量达到一定浓度时，惰性床料将发生相互粘结，严重时造成气化炉流化恶化，影响气化炉正常运行，因此需定期排出部分床料。排出的热床料进入气化炉下部的冷却水槽，经水浸泡再生后可重新作为床料加入气化炉。
(7)空气在空预器中预热到300-400℃后分成两部分，一部分进入气化炉，作为气化介质与秸秆进行气化反应；其余作为燃烧空气进入熔融炉，使可燃气体和灰中的碳完全燃烬。
(8)余热锅炉和除尘器收集的飞灰以及浸泡床料的废水均含有丰富的碱金属，这些碱金属是植物生长所必须的，可直接作为肥料(如钾肥)施于农田。
流化床气化熔融技术较早使用于城市生活垃圾，如日本荏原制作所开发的荏原式。本发明与城市生活垃圾气化熔融技术的区别在于：
(1)秸秆相对于城市生活垃圾较易气化，加上使用循环流化床气化炉，炉内气化反应速率高，可大型化。
(2)由于预热后的热空气温度较高，秸秆物种比较单一，秸秆入炉前无需干燥处理，也无需辅助燃料。而城市生活垃圾气化熔融对入炉前垃圾水分有一定要求，若热值低于6000kJ/kg，必须添加煤或柴油作为辅助燃料。
(3)城市生活垃圾气化熔融系统中，气化炉产生的底渣、余热锅炉和除尘器捕集的飞灰均需送到熔融炉进行熔融，而本发明中，由于秸秆灰分很低，且气化后灰分粒度很细。气化后的床料上富集秸秆中的部分矿物质，只需经过水浸泡后，可重新作为床料。而浸泡后的废水、余热锅炉和除尘器收集的飞灰均含有丰富的植物生长需要的矿物质，可直接施于农田。
(4)本发明中，为了控制气态碱金属盐在过热器管壁上凝结，在熔融炉出口特别设计四周水冷壁加双面水冷屏的辐射式蒸发受热面结构，主要基于以下考虑：①使得烟气进入过热器前温度降到碱金属盐的软化温度以下；②布置较多的辐射式蒸发受热面，可大大降低辐射式蒸发受热面高度；③在辐射式蒸发受热面上凝结的灰渣，基本上都是碱金属盐，可通过机械振打装置收集灰渣。该灰渣可用作农业肥料。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点有：
(1)采用循环流化床低温气化技术，可以适用于任何种类的秸秆及其混合物；并可大型化生产，单台循环流化床气化炉即可和12MW或25MW发电系统匹配。
(2)气化炉产生的气化产物(可燃气、可燃气携带的飞灰、焦油等)直接进入熔融炉，焦油在熔融炉内彻底分解燃烧，彻底解决焦油问题。
(3)气化炉内添加的石灰等吸附剂可实现干法定向脱除硫、氯、氟等污染物，特别是深度脱氯之后，可以防止金属材料的高温腐蚀，因此可以采用常规材料制造后面的余热锅炉，大大节省投资费用，并实现高效发电。
(4)采用旋风熔融炉，可燃气、可燃颗粒与助燃空气之间存在较大的相对速度，气气反应、气固反应充分，可将过剩空气系数控制在较低的水平，同时实行分级燃烧，从而大大减少NOX排放和尾部烟气热损失。
(5)余热锅炉和除尘器收集的飞灰以及浸泡床料的废水均含有丰富的碱金属，这些碱金属是植物生长所必须的，可直接作为肥料(如钾肥)施于农田。
附图说明
图1是本发明的秸秆气化熔融发电技术示意图，其中有：储存室1、破碎机2、皮带轮输送机3、循环流化床气化炉4、螺旋加料器4-1、旋风分离器4-2、回料器4-3、吸附剂料仓4-4、布风板4-5、风室4-6、放料管4-7、冷却水槽4-8、捞渣机4-9、高温旋风熔融炉5、急冷水槽5-1、余热锅炉6、辐射式蒸发受热面6-1、水冷管屏6-1-1、机械振打装置6-1-2、螺旋排灰机6-2、过热器6-3、省煤器6-4、空预器6-5、除尘器7、引风机8、烟囱9、送风机10、汽轮发电机11。其中还包括秸秆a、冷空气b、热空气c、过热蒸汽d、床料e、吸附剂f、废水g、熔渣h、可燃气i、高温烟气j、飞灰k。
具体实施方案
本发明的秸秆低温气化熔融燃烧方法为：
1)秸秆在循环流化床气化炉4内进行低温气化，气化温度为400-650℃；循环流化床气化炉4内存有大量的惰性床料，能够迅速加热新进炉的秸秆使其达到气化反应温度，其蓄热功能还可减小由于加料不均匀、秸秆种类和水分变化引起的炉内温度波动。
2)循环流化床气化炉4出口设置高温旋风分离器4-2，将随可燃气带出炉外的细颗粒惰性床料分离下来，经过回料器重新送回循环流化床气化炉4，以此在炉内形成高浓度颗粒物料的循环，其热载体功能可使气化炉沿高度方向温度趋于一致，以利于秸秆气化反应、炉内高效脱氯，并防止炉内结焦，
3)向循环流化床气化炉4内添加石灰吸附剂，定向脱除硫、氯、氟等污染物，特别是深度脱氯之后，可以防止金属材料的高温腐蚀，
4)循环流化床气化炉4产生的可燃气携带未完全反应的含碳灰粒进入高温旋风熔融炉5进行熔融燃烧，气体停留时间为2-3s，可保证可燃气体和灰中所含的碳完全燃烬，燃烬后的灰份呈熔融状态从熔融炉底部排入急冷水槽，
5)熔融炉排出的高温烟气依次通过余热锅炉6的辐射式蒸发受热面6-1、过热器6-3、省煤器6-4、空预器6-5、除尘器7，最后经过引风机8从烟囱9排空；余热锅炉6产生的高温或中温过热蒸汽进入汽轮发电机11并网发电，秸秆气化和熔融燃烧产生的部分碱金属蒸汽凝结在锅炉6的辐射式蒸发受热面6-1上，经过振打和吹扫，一部分落入辐射式蒸发受热面底部灰斗，其余随烟气进入尾部烟道和除尘器7，分别被尾部烟道下方灰斗和除尘器捕集，
6)秸秆在循环流化床气化炉4中气化时，其中所含的碱金属部分会迁移至惰性床料e表面，当惰性床料e表面碱金属含量达到一定浓度时，惰性床料e将发生相互粘结，严重时造成气化炉流化恶化，影响气化炉正常运行，因此需定期排出部分床料e，排出的热床料e进入循环流化床气化炉4下部的冷却水槽4-8，经水浸泡再生后可重新作为床料加入循环流化床气化炉4。
7)空气在空预器6-5中预热到300-400℃后分成两部分，一部分进入循环流化床气化炉4，作为气化介质与秸秆进行气化反应；其余作为燃烧空气进入高温旋风熔融炉5，使可燃气体和灰中的碳完全燃烬，
8)余热锅炉6和除尘器7收集的飞灰以及浸泡床料的废水均含有丰富的碱金属，这些碱金属是植物生长所必须的，可直接作为肥料施于农田。
秸秆a包括玉米秆、小麦秆、稻秆、油料作物秸秆、豆类作物秸秆、杂粮作物秸秆、棉花秆等农业废弃物。
储存室1内的秸秆在破碎机2破碎后，由螺旋加料器4-1加入循环流化床气化炉4，气化温度为400-650℃。采用秸秆内含有的水分和从空预器6-5过来的热空气c作为气化剂，热空气c经过风室4-6、布风板4-5进入炉膛。布风板4-5为水平式，中间设有放料管4-7。吸附剂料仓4-4中的吸附剂f通过回料器4-3加入气化炉4，实现干法脱除硫、氯、氟等污染物。循环流化床气化炉4顶部出来的可燃气i进入旋风分离器4-2，分离出细颗粒惰性床料，分离下来的床料由回料器4-3重新进入气化炉4。放料管4-7排出的床料经过冷却水槽4-8中水浸泡后，由捞渣机4-9捞出后可重新作为床料。旋风分离器4-2出来的可燃气i携带含碳灰粒一同进入高温旋风熔融炉5，燃烧温度为1000-1500℃，热空气c从熔融炉5顶部和切向进入熔融炉，实现分级、低氧燃烧。熔渣h从熔融炉5底部排出，经急冷水槽5-1后，由捞渣机4-9捞出后用作地基材料。高温旋风熔融炉5产生的高温烟气j进入余热锅炉6，在辐射式蒸发受热面6-1中，将热量传给水冷管屏6-1-1，温度降到650-750℃后进入过热器6-3，这样能保证碱金属盐不在过热器上凝结，可以采用常规材料制造后面的余热锅炉。凝结在水冷管屏6-1-1上的碱金属盐在机械振打装置6-1-2的作用下，经过螺旋排灰机6-2排出。冷却床料的废水g、余热锅炉6和除尘器7收集下来的飞灰k由于含有丰富的植物生长需要的矿物质，可直接施于农田。过热器6-3出来的烟气，依次经过省煤器6-4、空预器6-5、除尘器7、引风机8后，最终由烟囱9排出。送风机10过来的冷空气b在空预器6-5中预热到300-400℃后，分成两部分，一部分热空气c进入气化炉4，一部分进入熔融炉5。余热锅炉6产生的过热蒸汽d用于汽轮发电机11发电。
Claims (6)
1.一种秸秆低温气化熔融燃烧方法，其特征在于该方法为：
1)秸秆在循环流化床气化炉(4)内进行低温气化，气化温度为400-650℃；循环流化床气化炉(4)内存有大量的惰性床料，能够迅速加热新进炉的秸秆使其达到气化反应温度，其蓄热功能还可减小由于加料不均匀、秸秆种类和水分变化引起的炉内温度波动。
2)循环流化床气化炉(4)出口设置高温旋风分离器(4-2)，将随可燃气带出炉外的细颗粒惰性床料分离下来，经过回料器重新送回循环流化床气化炉(4)，以此在炉内形成高浓度颗粒物料的循环，其热载体功能可使气化炉沿高度方向温度趋于一致，以利于秸秆气化反应、炉内高效脱氯，并防止炉内结焦，
3)向循环流化床气化炉(4)内添加石灰吸附剂，定向脱除硫、氯、氟等污染物，特别是深度脱氯之后，可以防止金属材料的高温腐蚀，
4)循环流化床气化炉(4)产生的可燃气携带未完全反应的含碳灰粒进入高温旋风熔融炉(5)进行熔融燃烧，气体停留时间为2-3s，可保证可燃气体和灰中所含的碳完全燃烬，燃烬后的灰份呈熔融状态从熔融炉底部排入急冷水槽，
5)熔融炉排出的高温烟气依次通过余热锅炉(6)的辐射式蒸发受热面(6-1)、过热器(6-3)、省煤器(6-4)、空预器(6-5)、除尘器(7)，最后经过引风机(8)从烟囱(9)排空；余热锅炉(6)产生的高温或中温过热蒸汽进入汽轮发电机(11)并网发电，秸秆气化和熔融燃烧产生的部分碱金属蒸汽凝结在锅炉(6)的辐射式蒸发受热面(6-1)上，经过振打和吹扫，一部分落入辐射式蒸发受热面底部灰斗，其余随烟气进入尾部烟道和除尘器(7)，分别被尾部烟道下方灰斗和除尘器捕集，
6)秸秆在循环流化床气化炉(4)中气化时，其中所含的碱金属部分会迁移至惰性床料(e)表面，当惰性床料(e)表面碱金属含量达到一定浓度时，惰性床料(e)将发生相互粘结，严重时造成气化炉流化恶化，影响气化炉正常运行，因此需定期排出部分床料(e)，排出的热床料(e)进入循环流化床气化炉(4)下部的冷却水槽(4-8)，经水浸泡再生后可重新作为床料加入循环流化床气化炉(4)。
7)空气在空预器(6-5)中预热到300-400℃后分成两部分，一部分进入循环流化床气化炉(4)，作为气化介质与秸秆进行气化反应；其余作为燃烧空气进入高温旋风熔融炉(5)，使可燃气体和灰中的碳完全燃烬，
8)余热锅炉(6)和除尘器(7)收集的飞灰以及浸泡床料的废水均含有丰富的碱金属，这些碱金属是植物生长所必须的，可直接作为肥料施于农田。
2.根据权利要求1所述的秸秆低温气化熔融燃烧方法，其特征在于秸秆(a)包括玉米秆、小麦秆、稻秆、油料作物秸秆、豆类作物秸秆、杂粮作物秸秆、棉花秆等农业废弃物。
3.根据权利要求1所述的秸秆低温气化熔融燃烧方法，其特征在于低温气化炉采用循环流化床气化炉(4)，气化炉温度为400-650℃。
4.根据权利要求1所述的秸秆低温气化熔融燃烧方法，其特征在于熔融炉采用高温旋风式熔融炉(5)，燃烧温度为1000-1500℃。
5.根据权利要求1所述的秸秆低温气化熔融燃烧方法，其特征在于余热锅炉(6)的辐射式蒸发受热面(6-1)由四周水冷壁加双面水冷屏(6-1-1)构成，确保过热器(6-3)进口烟气温度为650-750℃。
6.根据权利要求1所述的秸秆低温气化熔融燃烧方法，其特征在于从空预器(6-5)出来的热空气温度为300-400℃。
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