CN101346455A - 生物质气化装置 - Google Patents

Abstract

[目的]一种紧凑的生物质气化装置，其能够气化各种各样的生物质材料，而不管那些材料的尺寸和/或它们的含水量，并且还能够基本上移除气化过程中生成的焦油组分。[手段]一种生物质气化装置，其主要包括：外部加热回转炉－式热裂化单元(2)，其间接加热和热裂化生物质材料，以从生物质材料生成含焦油的裂解气和炭；和气化单元(3)，其接收来自热裂化单元(2)的含焦油的裂解气和炭，并且将裂解气中的焦油组分热裂化，以及通过引入其中的氧化气体将炭气化。

Description

生物质气化装置

技术领域

本发明涉及一种紧凑结构的生物质气化装置，该装置能够气化各种各样的生物质物质，而不管它们的尺寸和/或含水量，并且能够移除高百分比的在气化过程中生成的焦油。

相关技术

下列参考文献1和2描述了能够从生物质材料生成裂解气的气化系统。参考文献1描述了一种“生物质气化系统及其操作方法”，其中，将气体重整塔连接到释放由气化炉(gasifire)中的生物质生成的燃料气的供给系统，所述气体重整塔的目的在于，将燃料气的温度升高到可以使燃料气中的焦油组分热裂化的加工温度。作为冷却燃料气的手段，气体冷却塔被安装在气体重整塔的下游。而且，残存的在气化炉中生成的炭被用作用于热气流发生器的燃料，所述热气流发生器生成气化炉使用的热能。

参考文献2是一种“模制生物质用固定床气化器的方法”，其描述了一种利用倒风式固定床气化炉的生物质气化方法。

[参考文献1]日本未审查专利公布2005-247992

[参考文献2]日本未审查专利公布2004-250574

发明内容

通过本发明解决的缺点

参考文献2描述了一种所谓的倒风炉，其具有某些操作限制：需要进料到炉中的生物质材料不是纤维状物质例如竹子或树皮、不具有变化的尺寸，并且不包含过量的水。此类炉子对所述方法具有各种限制，因为它不能气化各种类型、尺寸和水含量的生物质材料。而且，此类炉子的另外的缺点(ramification)在于，难以随意地控制其中的气化温度。

参考文献1公开了一种回转炉，其施加间接加热，以从生物质生成裂解气。由于裂解气中包含大量的焦油组分，因此作为移除焦油组分的手段，必须在回转炉的下游安装气体重整塔。而且，由于离开气体重整塔的裂解气的温度为1,100℃，因此还必须安置气体冷却塔。这些装置的安装导致了异常巨大尺寸的气化系统。

考虑到相关技术中的缺点，本发明是一种紧凑结构的生物质气化装置，该装置能够气化各种各样的生物质材料，而不管这些生物质材料的尺寸和/或含水量，并且能够移除高百分比的在气化过程中生成的焦油组分。解决相关技术中的缺点的手段

生物质气化装置发明由以下组成：外部加热回转炉-式热裂化单元，其间接加热和热裂化生物质材料，以从生物质材料生成含焦油的裂解气和炭；和气化单元，其接收来自热裂化单元的含焦油的裂解气和炭，并且热裂化裂解气中的焦油组分，以及通过引入其中的氧化气体使炭气化。

气化单元优选包括：焦油组分热裂化区域，焦油组分在其中热裂化；以及炭气化区域，炭在其中气化并且从其中排放残留的灰分。

气化单元优选具有竖-式炉结构。

发明效果

生物质气化装置发明能够加工生物质材料，而不管它们的类型、尺寸或含水量，能够提供改进的焦油组分移除功能，并且能够形成紧凑的物理尺寸的结构。

本发明的优选实施方案

以下参考附图描述生物质气化装置发明的优选实施方案。如图1和图2中所示，生物质气化装置1包括热裂化单元2，该热裂化单元2的结构为外部加热回转炉形式，为了生成含焦油的裂解气和炭，所述热裂化单元2间接施加热能，以热裂化生物质材料。生物质气化装置1还包括气化单元3，氧化气体被引入气化单元3中，以热裂化焦油组分并且气化从热裂化单元2排放的炭。气化单元3包括热裂化焦油组分的焦油组分热裂化区域‘A’，以及气化炭并且排放残留灰分的炭气化区域‘B’。气化单元3具有竖-式炉结构。

热裂化单元2具有外部加热回转炉结构，主要包括：具有水平布置的空心圆筒结构的反应室4，以及包围反应室4的水平布置的空心圆筒室5。反应室4从装载口4a到排出口4b稍微倾斜。反应室4与外部环境密封隔离，以提供非-氧化环境。供给到室5的内部区域中的热介质起热源的作用，室5通过所述热源间接加热反应室4。通过调节阀8的操作，保持在材料进料斗6中的生物质材料由进料器7供给到推进器9，所述推进器9将生物质材料运送到反应室4中。

生物质材料通过装载口4a进料到热裂化单元2中，此后，通过间接施加热能使它干燥和热裂化，以生成含焦油的裂解气和通过排出口4b离开的炭。

热裂化单元2，更具体地，外部加热回转炉的排出口4b与气化单元3连接。如图2中所示，气化单元3具有垂直的竖-式炉结构，所述垂直的竖-式炉结构包括将以从最顶部到底部依次描述的下列部件。它们是：

插入口10，其连接到热裂化单元2的排出口4b，并且含焦油的裂解气和炭通过其进料到气化单元3；

第一蓄积器11，其在插入口10之下作为漏斗-状隔室形成，暂时储存从插入口10向下流动的炭；

第一氧化气体供给部13，其在第一蓄积器11以下作为环-状圆筒隔室形成，以在内部限定连接到第一蓄积器11的下流管12，并且将氧化气体例如空气引入到下流管12中；

第二蓄积器14，其作为布置在下流管12以下并且连接到下流管12的隔室形成，所述第二蓄积器12为通过下流管12从第一蓄积器11向下流动的炭提供暂时储存的空间；

气体排出口15，其形成在第一氧化气体供给部13正下方的第二蓄积器14的顶部，并且将在热裂化单元2和气化单元3中生成的作为可燃组分的燃料气排出；

第二氧化气体部16，其具有将第二蓄积器14的下部形成为变窄的漏斗-状形状的环-状隔室结构，所述第二氧化气体部16向下导引炭，同时允许将氧化气体例如空气引入到第二蓄积器14中；和

灰分阱18，其作为在第二蓄积器14正下方的隔室形成，所述灰分阱18通过炉蓖17连接到第二蓄积器14，以收集作为最终产物的灰分。

在该过程的最后残留的灰分被收集在灰分阱18中，并且通过螺旋进料器19和调节阀20的操作，将它从灰分阱18运送到灰分接收器21。

裂解气和炭通过插入口10从热裂化单元2移动到气化单元3。作为由(随后描述的)气体供给系统22生成的吸力的结果，裂解气被从第一蓄积器11吸引进入到由第一氧化气体供给部13包围的下流管12中，并且它从所述下流管12流向第二蓄积器14的气体排出口15。在暂时保持在第一蓄积器11中的时候，炭同时通过下流管12从第一蓄积器11落入到第二蓄积器14中。蓄积在第二蓄积器14中的炭同时穿过第二氧化气体供给部16，并且它从所述第二氧化气体供给部16通过炉蓖17落入到灰分阱18中。用于气化焦油组分的焦油组分热裂化区域‘A’是氧化气体通过流管12在第一氧化气体供给部13的外围流动的区域，而炭气化区域‘B’是第二蓄积器14中的氧化气体在第二气体供给部16的外围流动的区域。炭气化区域‘B’是将由气化的炭生成的灰分排放的区域。

生物质气化装置1具有包括气体供给系统22的结构，所述气体供给系统22连接到气化单元3的气体排出口15，并且将生成的燃料气进料到内燃发电机(gas engine electrical generator)23。在此实施方案中，燃料气不仅用作对内燃发电机23供以动力的燃料，而且用作该装置中需要热功率源的全部设备所利用的热源。这些设备包括空气预-加热器24、用于生成热水的热交换器25以及用于生成蒸汽的锅炉26。该燃料气还用作用于热裂化单元2的热源。

作为从气化单元3吸引出燃料气的手段，将吸风机27安装到气体供给系统22。在气体排出口15和吸风机27之间，以从气体排出口15起的顺序方式分别安装空气预-加热器24和过滤器28，所述空气预-加热器24通过排出的燃料气的温度加热空气，而所述过滤器28从燃料气移除外来粒子。鼓风机29连接到空气预-加热器24的引入侧。第一和第二氧化气体供给部13和16以及燃烧器30(其安装在外部加热回转炉的隔室5之内)的空气引入口30a连接到空气预-加热器24的排放侧。通过鼓风机29吸入的空气被经过空气预-加热器24的燃料气加热，并且供给到第一和第二氧化气体供给部13和16以及燃烧器30。吸风机27的排出口连接到热交换器25的引入侧以及燃烧器30的燃料引入口30b。

吸风机27吸取穿过用于离子移除的过滤器28的燃料气，并且将燃料气的一部分发送到热交换器25，以及将残留的部分发送到燃烧器30。供给到燃烧器30的燃料气与从空气-预加热器24流入的空气一起燃烧，并且应用所产生的热能来加热室5中的热介质。保持在供给到热交换器25的燃料气中的热能用于生成热水。热交换器25的排放侧连接到内燃发电机23的燃料气引入部，该内燃发电机23燃烧燃料气以生成电。从而燃料气被内燃发电机23消耗。

发源于内燃发电机23的废气系统31被连接到外部加热回转炉的室5的热介质引入口，因而允许将来自发电机23的废气供给到室5，以用作对外部加热回转炉施加热能的热介质。此废气是通过燃烧器30加热的。室5的热介质排放口通过排放系统32连接到锅炉26，并且将来自发电机23的废气从室5供给到生成蒸汽的锅炉26，所述气体用作热介质。连接到锅炉26的废气处理单元33对用于在锅炉26中生成蒸汽的废气进行废气处理。而且，发源于内燃发电机23的废气系统31和发源于室5的排放系统32通过可控阀34连接，因而被布置在两者之间的所述可控阀34作为将废气系统31连接到室5的手段可以是关闭的；或可以是开启的，以绕开室5并且将来自发电机23的废气直接导向锅炉26。

以下将解释如实施方案所述的生物质气化装置1的操作。离开材料进料斗6的生物质材料通过装载口4a进入到热裂化单元2的反应室4中。由于反应室4的旋转运动以及倾斜布置，因此生物质材料移动通过反应室4，同时被流过室5的热介质间接加热。热能的间接施加使生物质材料干燥，并且同时生成可燃裂解气和炭形式的工艺剩余物。裂解气含有焦油组分。裂解气和炭从热裂化单元2的排出口4b流出，并且进入温度为约600℃的气化单元3。

进料到气化单元3中的炭暂时保持在第一蓄积器11中，并且同时通过下流管12向下落入第二蓄积器14中。通过气体供给系统22的吸风机27将含焦油的裂解气吸引向气体排出口15。在从第一蓄积器11延伸到气体排出口15的焦油组分热裂化区域‘A’中，炭和裂解气的一部分通过从第一氧化气体供给部13所供给的空气的注射而燃烧，并且将在第一氧化气体供给部13周围的区域中的下流管12中的温度升高至约1,100至1200℃，以将裂解气中的焦油组分热裂化和气化。

在将包含在裂解气中的焦油组分热裂化以后，通过吸风机27将裂解气吸引向气体排出口15，在此期间，炭进行气-固反应，例如碳氧化反应(C+CO₂→2CO)或水-气化反应(C+H₂O→CO+H₂)。即，通过先前的燃烧反应已经生成的二氧化碳和蒸汽被炭中的碳组分还原，从而产生可燃的燃料气，例如一氧化碳或氢。

向下流入第二蓄积器14中的炭进行由通过从第二氧化气体部分16注射的空气所产生的燃烧反应，所述反应生成具有作为其主要组分的二氧化碳和蒸汽的燃料气。这样的燃料气向上通过第二蓄积器14而移动到气体排出口15，在此期间，炭通过燃料气而发生先前指出的气-固反应，从而产生一氧化碳和氢。换言之，发生燃烧反应的在第一和第二氧化气体供给部13和16(焦油组分热裂化区域‘A’和炭气化区域‘B’)之间的区域变为还原区域‘C’。

因此，通过气体排出口15，将裂解气和可燃燃料气以温度为约800℃燃料气形式排出，所述裂解气是在热裂化单元2中生成的，并且其焦油组分在通过第一氧化气体供给部13时被移除，而所述可燃燃料气是在第二氧化气体供给部16的周围基于炭的气-固反应将炭气化而产生的。将由第二蓄积器14中的炭的气化所生成的灰分收集在灰分阱18中，并且将它从所述灰分阱18排放进入到灰分接收器21中。

重申的是，此实施方案中所述的生物质气化装置1具有包括以外部加热回转炉形式的热裂化单元2以及气化单元3的结构，所述热裂化单元2干燥并热裂化生物质材料，而所述气化单元3被供给已经在热裂化单元2中热裂化的温度为约600℃的裂解气以及炭。

如本领域中已知的，具有如本实施方案中的热裂化单元2的结构的外部加热回转炉配备有具有如空心圆筒结构的旋转反应室4，在所述旋转反应室4中，生物质材料被混合、运送和间接加热，同时生成裂解气和炭。因此，可以假定，室4中的蒸汽的生成以及其内蒸汽的注射可能具有使生成的气体改性的效果。此特殊结构实现了这样的气化方法，所述气化方法对于具有纤维状稠度(fibrous consistency)的生物质材料的处理没有限制，并且不需要进料到反应室4中的生物质材料具有均匀的尺寸。关于生物质的含水量，此结构实现了不需要限制待处理的生物质材料的含水量的气化方法，因为，如常规已知的，存在着其中可能利用蒸汽注射的气化方法。因此，可以得到几乎不具有限制的气化方法，即，能够使具有各种尺寸和含水量的更多种生物质材料气化的方法。

而且，外部加热回转炉，由于接触热传递机理而提供了高的热传递系数；提供了有效率的生物质-基气化机理；通过对室5中的温度控制和/或对生物质材料被保持在反应室4过程中的时间的控制，简化了对气化温度和生成的裂解气和炭的量的控制；并且使气化单元3的综合操作最优化。

将热裂化单元2中生成的含焦油的裂化气和炭供给到气化单元3，在所述气化单元3中，氧化气体的注射将温度升高到移除焦油组分并且气化炭的点。因此，尽管气化单元3可能在结构和操作上显得类似于倒风炉，但是它不同于常规倒风炉，这不仅由于仅分开成为焦油组分热裂化区域‘A’和炭气化区域‘B’，而且因为它是实现由生物质材料有效率生成燃料气的简化结构。换言之，通过该方法实现了高度有效率的焦油移除功能，在所述方法中，裂解气流入到气化单元3中，在所述气化单元3中，焦油组分在通过从第一氧化气体供给部3注射的空气所产生的燃烧反应的高温区域中被热裂化。因而，通过消除对回转炉的下游通常需要安装的气体重整塔和附属气体冷却设备的需要，此结构实现了更加紧凑的系统。

进一步解释的是，在此实施方案中所述的生物质气化装置1进行这样的最初过程，其中，外部加热回转炉形式的热裂化单元2能够气化各种各样的生物质材料。对于在热裂化单元2的下游中的随后过程，简易的倒风式的气化部3提供了不需要生物质干燥或热裂化功能的有效的焦油移除和炭气化能力。因而，本发明可以制成为能够气化各种各样的生物质材料，同时提供有效率的焦油移除能力的更简易结构。

气化单元3至少包括焦油组分热裂化区域‘A’和炭气化区域‘B’，并且因而能够在前一区域中裂化焦油，并且在后一区域中气化炭。而且，最初的生物质气化过程是通过热裂化单元2(以外部加热回转炉的形式)进行的，因此随后的焦油移除和炭气化过程可以通过气化单元3进行，所述气化单元3具有在尺寸上更紧凑地制成的简易竖-式炉结构，因为它不需要进行生物质干燥和生物质热裂化的功能。因此，气化单元3是简易并且紧凑的竖-式炉，其具有简化生物质气化装置1结构的作用。

此外，通过消除对外部热源的需要、使用由装置生成的燃料气作为燃烧器30燃烧的燃料以加热热裂化单元2、并且将来自装置的废热用作用于加热热裂化单元2的另外热能，使得该系统的操作高度合理化。而且，存在的优点在于，能够将生物质材料进料到外部加热回转炉(热裂化单元2)中，而不用关注它们的含水量的程度，从而可以将在其中生成的蒸汽用作气化单元3中的气化剂。

虽然该实施方案的描述规定空气作为供给到第一和第二氧化气体供给部13和16的氧化气体，但是还可以使用其它的氧化气体以及与蒸汽混合的气体。气化反应可以通过混入蒸汽来控制，并且可以优选地调节生成的气体。此外，可以使用斯特林发动机来代替本实施方案中指出的内燃发电机23。

关于具体化的生物质气化装置1的初步计算显示，在热裂化单元2中生成的裂解气在气化单元3中处于1,100℃的温度。暴露于此温度3秒以后，离开气体排出口15的燃料气的焦油密度从34g/m³减少到0.006g/m³(由标准条件计算)。换言之，焦油组分减少约99％。

附图简述

图1是生物质气化装置发明的优选实施方案的方框图。

图2是包括气体供给系统的生物质气化装置发明的优选实施方案的详细示意图。

附图标记的解释

1生物质气化装置

2热裂化单元

3气化单元

‘A’焦油组分热裂化区域

‘B’炭气化区域

‘C’还原区域

Claims (3)

1.一种生物质气化装置，包括：

外部加热回转炉-式热裂化单元，其间接加热和热裂化生物质材料，以从所述生物质材料生成含焦油的裂解气和炭，和

气化单元，其接收来自所述热裂化单元的含焦油的裂解气和炭，并且将所述裂解气中的所述焦油组分热裂化，以及通过引入其中的氧化气体将所述炭气化。

2.根据权利要求1所述的生物质气化装置，其中所述气化单元包括：焦油组分热裂化区域，在该区域中，将所述焦油组分热裂化；和炭气化区域，在该区域中，将所述炭气化并且将残留的灰分从该区域排出。

3.根据权利要求1或2所述的生物质气化装置，其中所述气化单元具有竖-式炉的结构。

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