CN101538484B - 内燃加热旋转锥式生物质气化炉 - Google Patents
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Abstract
内燃加热旋转锥式生物质气化炉，其特征是在炉体内部设置两个同心锥，外锥为旋转锥，内锥为固定锥；旋转锥的顶部与下段料筒连接；固定锥的顶部与烟气管道相连通；固定锥的底部端面为封闭，其下部与燃烧管道切向连接；炉体的侧壁设置为夹套结构，夹套自内向外依次为耐高温炉壁、燃气通道、保温层和炉体外壁；燃气自炉内引出的气流通道为：以位于炉体底部、顺着锥状炉底的斜面引向燃气通道底口，燃气输出口位于燃气通道的上部，炉外连接在燃气输出口上输气管道通过引风机接至储气柜。本发明大大提高了生物质气化率和燃气热值。
Description
技术领域
本发明涉及气化装置，更具体地说是以生物质为原料的气化炉。
背景技术
生物质包括林业物质、农业废弃物、城市垃圾和畜禽粪便等。生物质是一种可再生能源，储量丰富，作为替代能源利用，可实现CO2零排放，且其中S、N含量低，大大减轻温室效应和环境污染。
目前，生物质气化技术和燃气利用过程主要存在的问题一是燃气热值较低，由于生物质气化过程中直接引入较多的空气，导致燃气中含氮量超过55％，燃气的热值一般低于7000KJ/m3；二是气化过程产生的焦油较多，由于气化过程引入较多的冷空气，气化炉内温度不够高，导致焦油产率较高，不仅影响气化炉的正常工作和燃气的输送、储存和利用，而且浪费大量的能源和资源；三是生物质裂解后尾渣残碳含量仍较高，不仅处理和处置成本高，而且造成资源浪费。
针对燃气中含有较多焦油的问题，目前的解决方法有两种：一是水洗处理，将燃气中的焦油转移到水溶液中去，这种方法虽然简单，燃气净化效率也较高，但是会产生大量含焦油废水，该类废水处理难度大、成本高，造成二次污染，而且会影响气化系统的高效运转，最终导致燃气成本较高，不利于生物质能源的利用和推广；二是催化裂解，在催化剂的作用下，将焦油裂解为低分子燃气，不仅解决了焦油的危害问题，而且可以提高燃气热值，不产生二次污染。
焦油的催化裂解，无二次污染、可提高生物质气化率和燃气热值，但目前的焦油催化裂解技术仍存在焦油裂解率低、催化剂容易积碳失活、裂解装置复杂、裂解系统本身易粘附焦油等不足，实际使用效果较差。焦油的催化裂解效率与温度有关，温度越高，焦油裂解效率越高，而目前的催化裂解方式要么是燃气通过冷的催化剂床层，催化裂解效率低，要么是通过外加热来提高催化剂床层的温度，能耗增加。如中国专利授权公开号CN1667086A，授权公开日为2005年9月14日，名称为“生物质气化炉净化系统”，公开了“一种生物质气化炉净化系统，其技术方案的要点是：生物质气化炉净化系统由催化器、催化剂、迷宫式储气柜、吸附过滤器、吸附过滤剂、废焦油和废水的收集池组成”。该发明虽有较好的燃气净化效果，但由于催化剂是冷的，对焦油的催化裂解效率极低，后续迷宫式储气柜和吸附过滤器也是利用焦油冷凝后的粘稠特性，将燃气中的焦油截留，达到燃气净化的目的。因此，此净化系统没有真正将焦油催化裂解为可燃性气体，所以不能提高燃气热值；冷凝的焦油很快就会堵塞净化系统的管路和催化、吸附床层，系统不能长时间运转；净化过程将产生含焦油废水，处理困难，易造成二次污染。又如中国专利授权公开号CN1664066A，授权公开日为2005年9月7日，名称为“复合式生物质气化炉及热裂解装置”，公开了“一种复合式生物质气化炉及热裂解装置，其技术方案的要点是：由两座生物质气化炉、四套U型催化器、催化剂、一台鼓风机和风量调节器组成”。该发明虽然提高了催化剂床层的温度，提高了焦油裂解率，但大量冷气通过催化剂床层，影响了焦油的催化裂解效果；含焦油的燃气通过鼓风机，会产生焦油冷凝附着，影响鼓风机正常运转；冷空气直接进入气化炉，使燃烧区温度不高，热解气没经高温裂解，焦油产率较高；装置较复杂，实用性较差。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种内燃加热旋转锥式生物质气化炉，一是提高生物质气化率和燃气热值，降低焦油的产率，避免二次污染；二是提高尾渣残碳的利用利率，避免污水的产生。
本发明内燃加热旋转锥式生物质气化炉的结构特点是：
本发明内燃加热旋转锥式生物质气化炉的结构特点是在炉体的内部设置两个同心锥，外锥是绕轴旋转的旋转锥，内锥为固定设置的固定锥；料筒分段设置为上段料筒和下段料筒，旋转锥的顶部与下段料筒连接，上段料筒是与螺旋加料机构相连通；固定锥的顶部与烟气管道相连通；固定锥的底部端面为封闭，其下部与燃烧管道切向连接；助燃空气入口设置在炉体的顶部；炉体的底部为锥状炉底，在锥状炉底内设置雾化器，排渣口位于锥底口，在排渣口上设置螺旋出渣机构；炉体的侧壁设置为夹套结构，夹套自内向外依次为耐高温炉壁、燃气通道、保温层和炉体外壁；燃气自炉内引出的气流通道为：以位于炉体底部、顺着锥状炉底的斜面引向燃气通道底口，燃气输出口位于燃气通道的上部，炉外连接在燃气输出口上输气管道通过引风机接至储气柜。
本发明内燃加热旋转锥式生物质气化炉的结构特点也在于：
所述旋转锥的内表面和固定锥的外表面设置为凹凸不平的表面。
所述上段料筒是由传动机构驱动的可转动件。
在所述上段料筒与下段料筒之间采用螺纹连接，并以锁紧螺钉紧固。
在所述输气管道上设置燃气回流管道，以燃气回流管道为燃烧管道的供气管，燃气回流管道与燃烧管道的入口之间安装有点火箱，点火箱内安装有点火器。
在所述输气管道上设置接热交换器，以所述热交换器中的输水管与所述雾化器相通。
在所述燃气输出口的输气管道上设置旋风分离器，所述旋风分离器的底部输出端设置有集炭箱。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用内燃加热，并将烟气管道的出风口引出在炉体外部，这一结构形式在提高炉膛温度和生物质热解效率的同时，有效避免了燃烧后的空气中的氮气混入炉内，大大提高了生物质气化率和燃气热值；
2、本发明内燃加热的方式可保持较高的炉膛温度，从而提高生物质气化效率，大大降低焦油产率、燃气净化难度和净化成本；
3、本发明以固定锥的内腔为燃烧加热室，通过燃气在固定锥燃烧加热室内燃烧为生物质气化间接加热，实现燃烧烟气与进料的逆向运动，物料与烟气有很好的换热，充分利用烟气的热能；
4、本发明采用固定锥下部与燃烧管道切向连接，使燃烧烟气沿内锥面呈螺旋状上升，实现高效传热；
5、本发明采用旋转锥与固定锥相对转动，物料在两锥体之间作旋转向下运动，物料与锥体紧密接触并处于运动状态，有利于内锥体热量向物料传热，物料加热速率高，满足提高气化产率的要求；
6、本发明采用旋转锥与固定锥相对转动，物料在两锥体之间作旋转向下运动，对物料起到研磨破碎作用，有利于热解产物从物料颗粒中释放，提高气化产率；
7、本发明采用采用旋转锥与固定锥相对转动，物料在两锥体之间作旋转向下运动，增加了物料滞留时间，提高气化产率，降低焦油产率；
8、本发明采用螺纹加锁紧螺钉连接上下料筒，可以调节旋转锥与固定锥之间的间隙，对物料的种类和粒径适应性好，可降低生物质预破碎加工的能耗和成本；
9、本发明炉内所需助燃空气自上端引入，不影响炉膛中下部保持高温，同样起到降低焦油产率，提高生物质气化率和燃气热值的效果；
10、本发明通过在炉底部高温区采用雾化增湿，使水汽与高温残碳发生水煤气反应，产生可燃气，可有效提高资源利用率，降低灰渣产量和处理难度，节约运行成本；
11、本发明通过引风机使燃气在炉内自上而下流动，再经过燃气通道引出炉体，延长了高温燃气在炉内的滞留时间，确保焦油裂解为可燃气体，不会造成燃气输送管道系统的焦油粘附堵塞；降低了炉内的压力，并防止了炉内的燃气反窜回料斗，使进料通畅，整个系统全封闭，负压操作，没有环境污染；
12、本发明采用螺旋加料机构，运转方便、稳定，可以连续运行；
13、本发明在固定锥内的燃烧是以回流的炉内高温燃气为燃料，利于炉内温度的提高及降低能耗；
14、本发明利用高温燃气预热炉内增湿用水，节约能源，减少对炉内温度的影响；
15、本发明对物料粒径适应性好，对粒径没有严格要求，具有流化床的效率，但克服了流化床的缺点；
16、本发明结构紧凑，可以采用矩形或圆筒形结构以降低对材料强度的要求，在选择加工材料上更加灵活。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中标号：1螺旋加料机构、2上段料筒、3下段料筒、4炉体、5风量调节阀、6风量流量计、7炉体外壁、8保温层、9燃气通道、10耐高温炉壁、11锥状炉底、12排渣口、13螺旋出渣机构、14雾化器、15点火箱、16点火器、17集炭箱、18进水阀门、19进水流量计、20空气流量计、21空气量调节阀、22风机、23阻火器、24回流燃气流量计、25回流燃气量调节阀、26燃气回流管道、27引风机、28热交换器、29旋风分离器、30输气管道、31燃气输出口、32燃烧管道、33固定锥、34旋转锥、35轴承、36带传动机构、37变频电机、38烟气管道。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步描述。
具体实施方式
参见图1，采用矩形或圆筒体形状的炉体4，在炉体4的内部设置两个同心锥，外锥是绕轴旋转的旋转锥34，内锥是固定不动的固定锥33；料筒分段设置为上段料筒2和下段料筒3，旋转锥34的上部与下段料筒3连接，上段料筒2是与螺旋加料机构1相连通；固定锥33的上部与烟气管道38相连通；固定锥33的底部端面为封闭，其下部与燃烧管道32切向连接；助燃空气入口设置在炉体4的顶部；炉体4底部为锥状炉底11，在锥状炉底11内设置雾化器14，排渣口12位于锥底口，在排渣口12上设置螺旋出渣机构13；炉体4的侧壁设置为夹套结构，夹套自内向外依次为耐高温炉壁10、燃气通道9、保温层8和炉体外壁7；燃气自炉内引出的气流通道为：以位于炉体底部、顺着锥状炉底的斜面引向燃气通道9底口，燃气输出口31位于燃气通道9的上部，炉外连接在燃气输出口31上输气管道30通过引风机27接至储气柜。
本实施例中，利用气化燃气的燃烧为热解气化供热，具体是将燃气输出口31通过引风机27，并经燃气回流管道26接入点火箱15，燃气回流管道26为燃烧管道32的供气管，燃气回流管道26与燃烧管道32的入口之间安装有点火箱15、阻火器23、回流燃气流量计24和回流燃气量调节阀25，在点火箱15内安装有点火器16。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
将旋转锥34的内表面和固定锥33的外表面设置为凹凸不平的表面。
上段料筒2是由传动机构驱动的可转动件，相应设置轴承35和带传动机构36，由变频电机37进行驱动；在上段料筒2与下段料筒3之间采用螺纹连接，并以锁紧螺钉进行紧固。
在输气管道30上设置接热交换器28，雾化器14是与来自热交换器28中的输水管相通，在输水管上设置进水流量计19和进水阀门18，雾化器中的水在通过热交换器28时，与高温燃气进行热交换，得到温升，有利于保持炉内温度、提高气化效果。
在燃气输出口31的输气管道30上设置旋风分离器29，旋风分离器29的底部输出端接集炭箱17。
本实施例给出了生物质热解气化设备，其结构简单、加工制作成本低廉、运行操作和管理维护简便；内燃式加热大大降低了燃气中的含氮量，燃气热值比现有设备提高2～3倍；可以维持很高的炉膛温度，降低焦油产率、提高生物质气化率；燃气净化过程始终在高温条件下进行，焦油裂解率高、净化效果好；采用雾化增湿技术，利用水煤气反应提高气化率、降低残碳量。适用于各种生物质原料，生产高热值燃气，可供村镇、家庭、种养殖场、宾馆、浴室、机关和厂矿企业等使用。
工作过程中，生物质原料由进料斗经螺旋加料机构1均匀送入炉内，物料在经上段料筒2和下段料筒3下落，料筒连同旋转锥34在变频电机37的驱动下经带传动作旋转运动，物料下落过程中经由烟气管道38传递来的热量首先被干燥，物料喂入到两锥体之间后作旋转向下运动，并经从固定锥内转递来的热量加热发生热裂解。这种加热方式使物料与锥体紧密接触并处于运动状态，有利于内锥体热量向物料传热，物料加热速率高，满足提高气化产率的要求，另外对物料起到研磨破碎作用，有利于热解产物从物料颗粒中释放，提高气化产率。
热解气化产物从旋转锥下端排出旋转锥内部空间。助燃空气经风量流量计6和风量调节阀5从位于炉体顶部的助燃空气入口引入；燃气顺着锥状炉底的斜面引向燃气通道9底口进入燃气通道9，由于燃气的温度很高，所以不会在燃起通道9中形成粘附，在引风机27的抽吸下，高温燃气从燃气输出口31经输气管道30进入旋风分离器29，经旋风除尘后灰尘落入旋风分离器29下端的集炭箱17，高温燃气从旋风分离器29的顶部气体出口经输气管道进入热交换器28，其热量被冷却水带走，最后，送入储气柜。由于炉内温度很高，燃气中的焦油经高温裂解转化为可燃气的效率得到大大提高。炉体4内少量的灰渣在炉体4中重力沉降。
部分高温燃气在燃气回流管道26中经回流燃气量调节阀25、回流燃气流量计24和阻火器23进入点火箱15中，助燃空气自风机22经空气量调节阀21和空气流量计20引入，通过点火器16点火燃烧，燃烧后的高温气体流经燃烧管道32进入固定锥33的内腔，并沿内锥面呈螺旋状上升，最后，废气经烟气管道38排出炉体。这种内燃加热的方式使炉膛内维持很高的温度，大大降低了焦油产率，提高了生物质气化率，并且有效避免了大量氮气混入燃气中，极大地提高了燃气热值。
由雾化器14产生高温水汽，生物质气化后的含碳残渣在炉膛高温区与雾化水汽发生水煤气反应，进一步产生可燃气，提高了生物质气化率，降低了灰渣量和灰渣处置成本，少量灰渣由螺旋出渣机构13排出。
Claims (7)
1.内燃加热旋转锥式生物质气化炉，其特征是在炉体(4)的内部设置两个同心锥，外锥是绕轴旋转的旋转锥(34)，内锥为固定设置的固定锥(33)；料筒分段设置为上段料筒(2)和下段料筒(3)，所述旋转锥(34)的顶部与下段料筒(3)连接，上段料筒(2)是与螺旋加料机构(1)相连通；固定锥(33)的顶部与烟气管道(38)相连通；所述固定锥(33)的底部端面为封闭，其下部与燃烧管道(32)切向连接；助燃空气入口设置在炉体(4)的顶部；所述炉体(4)的底部为锥状炉底(11)，在锥状炉底(11)内设置雾化器(14)，排渣口(12)位于锥底口，在所述排渣口(12)上设置螺旋出渣机构(13)；所述炉体(4)的侧壁设置为夹套结构，所述夹套自内向外依次为耐高温炉壁(10)、燃气通道(9)、保温层(8)和炉体外壁(7)；燃气自炉内引出的气流通道为：以位于炉体底部、顺着锥状炉底的斜面引向燃气通道(9)底口，燃气输出口(31)位于燃气通道(9)的上部，炉外连接在燃气输出口(31)上输气管道(30)通过引风机(27)接至储气柜。
2.根据权利要求1所述的内燃加热旋转锥式生物质气化炉，其特征是所述旋转锥(34)的内表面和固定锥(33)的外表面设置为凹凸不平的表面。
3.根据权利要求1所述的内燃加热旋转锥式生物质气化炉，其特征是所述上段料筒(2)是由传动机构驱动的可转动件。
4.根据权利要求1所述的内燃加热旋转锥式生物质气化炉，其特征是在所述上段料筒(2)与下段料筒(3)之间采用螺纹连接，并以锁紧螺钉紧固。
5.根据权利要求1所述的内燃加热旋转锥式生物质气化炉，其特征是在所述输气管道(30)上设置燃气回流管道(26)，以所述燃气回流管道(26)为燃烧管道(32)的供气管，燃气回流管道(26)与燃烧管道(32)的入口之间安装有点火箱(15)，所述点火箱(15)内安装有点火器(16)。
6.根据权利要求1所述的内燃加热旋转锥式生物质气化炉，其特征是在所述输气管道(30)上设置接热交换器(28)，以所述热交换器(28)中的输水管与所述雾化器(14)相通。
7.根据权利要求1所述的内燃加热旋转锥式生物质气化炉，其特征是在所述燃气输出口(31)的输气管道(30)上设置旋风分离器(29)，所述旋风分离器(29)的底部输出端设置有集炭箱(17)。
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