CN101737770B - 秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农作物秸秆的利用，特别是指一种秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法。包括秸秆破碎，将破碎后的秸秆置入秸秆气化炉燃烧进行造气反应、气固分离除尘、气体保温输送、秸秆气分配、燃气锅炉内燃烧等工艺步骤。本发明解决了现有技术存在的应用范围窄、投资大、秸秆气成本高等问题，具有应用范围宽、投资小、秸秆气成本低且热值高，经济及社会效益显著等优点。

Description

秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法

所属技术领域

本发明属于农作物秸秆的利用，特别是指一种秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法。

背景技术

生物质秸秆的应用目前主要有三种：一种是将秸秆简单破碎后进行直燃，这种方法简单易行、投资少、见效快，但是燃烧过程是快速的雪崩式燃烧，有部分未被燃烬的可燃成分被排到空气之中，不仅造成了环境污染，还降低了能量转换效率，并且产生的焦油对锅炉影响很大，限制了秸秆直接燃烧技术的推广。第二种是将秸秆经过破碎、粉碎、压块后进行燃烧，这种方式通过降低秸秆表面积，使一次燃烧没有被燃烬的挥发份有时间进行二次燃烧，克服了秸秆散烧的能量转换率不高问题。但是这种方式在压块制作过程中电能消耗过大，使每吨成本至少提高150元以上，与煤炭相比没有成本优势，同时，与煤炭相同热值的秸秆压块比煤炭的体积大，在运输、储藏和燃烧过程中消耗的人工均比煤炭高出许多，因此，秸秆压块在实际应用中还存在很大的问题。第三种是将秸秆进行气化，目前应用最多的、技术较成熟的是以空气为气化剂对秸秆进行气化。

一、秸秆气化行业的动态

以空气为气化剂的秸秆气主要可燃成分为一氧化碳、氢气、甲烷等低烃和焦油等。由于焦油在200℃以下具有从气态变成液态的物理特性，使得秸秆气在储存和燃烧使用过程中堵塞罐体、管道和燃烧器现象十分严重，存在着非常严重的安全隐患。为此，目前的秸秆气生产企业在秸秆气出炉后都要进行清净和降温处理，然后进入储气罐供用户使用。这种秸秆气的使用办法是目前全行业通行的方式。目前的使用秸秆气的用户范围主要包括：新农村建设农户集中供气、城乡结合部小区、学校和部队等集体单位作为厨房用气。但是用气量较小且不稳定，因此，秸秆气在工业上的应用很少且规模较小，更没有在工业锅炉应用的报道。

目前已经通过国家知识产权局涉及秸秆气的25个发明专利中，专利申请号为200910025366.3的徐州燃控科技股份有限公司林冲、陈勇、孙昌栋发明的《一种带焦油回燃的固定床秸秆气化工艺》是上述所有的涉及秸秆气发明中比较接近本技术的专利申请。该专利申请是在保温条件下，先对秸秆气化炉产生的高温可燃气体进行除尘，再用惯性和冷却相结合的方法捕集燃气中的焦油，捕集下来的焦油在气体引射和自身重量作用下自动回流到气化炉高温富氧区进行燃烧和裂解。

目前已经通过国家知识产权局涉及秸秆气的230条实用新型专利中，有以下两项专利接近本技术的内容。

专利号为01200956.3、谢家忠设计的《秸秆气化干燥装置》。该专利是将秸秆气发生炉出口与燃烧器连接，产生燃烧热风后与干燥罐连接。

专利号01272798.9、周才森设计的《植物秸秆气化换热装置》。该专利是由风机、气化炉和燃烧换热室组成，将废弃植物秸秆通过气化炉加工成可燃性气体，然后通过燃烧换热室产生热水或蒸汽。

二、秸秆气行业应用技术分析

从上述的生物质秸秆气化行业的动态和国家知识产权局公布的相关专利情况看，近几年秸秆气化技术在我国有了快速的发展，但应用的范围基本上限制在以农村地区为重点的居民用户上，秸秆气制造的主要内容都在努力地降低秸秆气中的焦油和灰尘的含量上。国内农业部门对秸秆气中的焦油含量有过每立方米不能超过50-60毫克的要求，目前，一般的秸秆气化企业采取各种措施千方百计地除掉秸秆焦油，并通过除焦油的循环水喷淋工序降低秸秆气的温度，为秸秆气的储藏做好安全的保障。目前，秸秆除焦油最为先进的工艺是采用气化炉下出气方法使焦油在气化炉内的高温环境下，自行分解和燃烧，使气化炉的出气口的焦油含量大为降低。与此同时配合多重的焦油清洁装置，将焦油的含量降低至每立方米10毫克以下。

专利申请号为200910025366.3《一种带焦油回燃的固定床秸秆气化工艺》的发明专利申请，其基本原理就是在保温的条件下，进行除尘，然后利用惯性的条件下，将焦油捕集下来，并重新回气化炉内燃烧或者裂解。

专利号为01200956.3《秸秆气化干燥装置》的实用新型专利，其基本原理就是将发生炉产生的秸秆气从出口与体积较小的燃烧器连接，产生燃烧热风后与干燥罐连接。

专利号为01272798.9植物秸秆气化换热装置》的实用新型专利，其基本原理就是将废弃植物秸秆通过气化炉加工成可燃性气体，然后通过燃烧换热室产生热水或蒸汽，上述两个实用新型专利均是秸秆气直燃的实例。也间接地证明了秸秆气可以直燃的特性。

三、现有秸秆气应用的存在的不足和原因

现有的秸秆气基本上都应用在农村，而且大部分专利都是针对个人和小规模用户设计的，由于小型的秸秆气化装置在焦油处理上的缺陷，至今仍然无理想的针对个人和小型用户的秸秆气化装置，下面就目前秸秆气化市场中大规模生产装置存在的问题进行讨论。

1、应用范围窄：从秸秆气化行业现状和专利文献中可以看出，目前的秸秆气化的应用范围相对比较窄，大部分都应用在农村用户和城乡结合部的集中供气工程上。在25个涉及秸秆气的发明专利中绝大多数都是气化炉体或机组的发明，在秸秆气的应用上没有发现秸秆气在工业上的应用相关范例。在230个涉及秸秆气实用新型专利中只有两条专利是秸秆应用类专利，但是，这两条专利距离工业锅炉应用上相差甚远，其影响面不大。这些相关专利对于推进秸秆气在工业化的应用影响不大。

2、气化规模小：从现有的秸秆气行业信息和专利文献中我们可以看到，秸秆气行业具有的规模小、连续性差，运行不平稳。目前秸秆气的生产量从查到的资料看：绝大多数的秸秆气化炉都是针对农村个人用户及小范围的农村集中供气工程，只有山东兖州新世纪秸秆气工程公司给洛阳部队加工的每小时生产秸秆气1000立方米的生活用锅炉是目前最大生产能力的秸秆气化炉，即使这样的规模也难以在工业企业中大规模的推广也应用。目前消耗化石能源的主体就是工业企业，如果没有在工业企业应用的专利技术，秸秆气化进行大规模面推广价值不会很宽。

3、投资额偏大：目前的各种秸秆气化技术主要都是针对农村的生活用户，在秸秆气化工程中要有原料预处理系统、气化炉系统、焦油清净系统、动力输送系统、储气罐和管网。其中后三项占整个投资比例达到80％以上，对于广大农村用户来讲靠自身的经济实力难以承受，这就限制了秸秆气项目的广泛推广使用。例如：为一个400户农村用户(农村用户地点相当分散)设计一套秸秆气化系统，除需要投资5万元的一套秸秆预处理系统外，还需要投资15万元购买一套每小时生产秸秆气500立方米的气化炉及15万元左右的焦油清净装置。需要有一个至少5万元的罗茨风机输送系统，还要投资30万元建设一个1000立方米的秸秆气的储气罐。还要需要建设一条用户到储气罐的投资规模大约在50万元——120万元的秸秆气的输送管网。因此，建设这样一个农村秸秆气的供气体系至少需要投资120万元，这对于目前经济实力并不雄厚的农村地区无疑是一个天文数字。

4、秸秆气的成本偏高：建立一套为农村服务的秸秆气化装置，必须要有除焦油这道重要的工序，这套系统是循环冷却水对焦油和灰尘进行洗涤和冷却，将焦油捕集到循环水中。这样一个过程需要将500摄氏度的秸秆气降低到30摄氏度的常温状态，首先是浪费了大量的气化过程所产生的大量显热。例如：一个每天生产5000立方米的秸秆气化站，每天将气化炉的显热消耗量折合成标准煤大约为0.2吨，按照目前标准煤价格每吨750元计算，每天损失额价值为150元，全年按300天计算，总金额为4.5万元。仅显热的损失，每立方米的秸秆气成本增加为0.03元。其次，气化炉初始阶段产生的焦油含量每立方米为200毫克左右，每天产生的焦油量大约为1千克。用循环水清洁焦油和灰尘用电及罗茨风机与普通风机用电功率差合计增大的功率大约为5千瓦，每天按生产10小时计算，多耗用的电为50千瓦时，按照目前电价为每度电为0.65元计算，每天增加用电费用为32.5元，相当于每立方米的秸秆气增加成本为0.0065元。上述费用还不包括用人成本的增加费用情况下，每立方米达到了0.0365元。按照秸秆原料的价格每公斤0.2元计算，秸秆气的原料成本折合每立方米仅有0.1元，若取消这些费用情况下，将使秸秆造气费用大幅下降，给使用者增加使用效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法，以达到降低秸秆气应用工程造价、提高秸秆气热值、降低生产成本的目的。

本发明的整体技术构思是：

秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法，包括秸秆破碎，将破碎后的秸秆置入秸秆气化炉燃烧进行造气反应，还包括如下工艺步骤：

A、气固分离除尘：自秸秆气化炉顶部置入的秸秆下落燃烧后产生的气体在负压的作用下，自秸秆气化炉底部被抽出并进行除尘；

B、气体保温输送：将步骤A中制备的秸秆气保持在温度为350-400℃、管道输送压力为2300-2600Pa，气体流量为3300-3800m³/小时输送到阀组分配器；

C、秸秆气分配：步骤B中的高温秸秆气通过阀组分配器按比例与空气混合后，输送到锅炉的燃烧器中；

D、燃气锅炉内燃烧：秸秆气在锅炉的燃烧器内燃烧与工质发生热交换并产生蒸汽。

本发明的具体的技术解决方案还有：

步骤A中的除尘为旋风除尘。经过除尘后的秸秆气在负压下经管道输送。

为使秸秆气的抽送便于实现，同时满足装配的需要。步骤A中秸秆燃烧后产生的气体是在离心风机的作用下自秸秆气化炉的底部被抽出。更为优选的是采用不锈钢高压离心风机。

因秸秆气的热值较低，为保证秸秆气的顺利燃烧，步骤C、D的燃烧器中设置有天然气点火装置。

所述的秸秆优选采用选用棉花秸秆。

秸秆破碎是将秸秆破碎成5-15厘米的段。

本发明中反应过程的工作原理如下：

将棉花秸秆破碎为长度为5厘米-15厘米的短段，用皮带输送器输送到气化炉的进料口入炉进行造气反应。富含氧气的空气也从炉的上部与秸秆段一同进入炉内，秸秆与下部的热气接触后被干燥，被干燥的秸秆在下行途中达到秸秆的燃点后开始进行氧化反应和干馏反应，形成了甲烷等低烃类物质和焦油等大分子量物质。干馏反应剩余的秸秆被炭化并向下形成炽热的炭还原层，氧化反应在600-800摄氏度条件下产生的二氧化碳气体和大部分热量在底部风机的抽吸下进入还原层与炭进行吸热的还原反应，产出主要燃气成分一氧化碳。在干燥层与氧化层之间还存在着产生氢气的置换反应，也形成了另外一个重要的燃气成分氢气。在氧化层内形成的焦油遇到高温后部分被分解，这样为下一步焦油的使用奠定了良好的条件。产生的秸秆气体在气化炉底进行旋风除尘，将秸秆灰尘甩到炉底的水面上。然后在离心风机的作用下进行秸秆气的输送，保持温度350——400度摄氏度、管道输送压力2300-2600帕斯卡，气体流量3300-3800立方米/小时，使秸秆气中的焦油始终保持气体状态，通过阀组分配器等安全装置将秸秆气送入到燃烧器中，此阶段的主要目的有三条：第一是防止因保温管道泄露温度降低使秸秆气中的焦油由气态变成液态堵塞风机和管道。第二就是使气化炉生成的没有被吸热反应吸收完全的显热能进入到燃气锅炉内。第三就是提升和保持进入下一道燃烧器中的秸秆气的压力保持稳定。燃烧器由烧嘴和外套为螺旋进风的空气进口组成，使秸秆气和空气进行混合，为了保证低热值的秸秆气能够顺利燃烧，还配有天然气的点火装置。被点燃的秸秆气在锅炉的燃烧室中燃烧，所产生的热烟气通过锅炉的冷壁管和烟管将热量传递给锅炉炉体内的软水，并使其蒸发生成达到工作压力的水蒸气。

本发明中所采用的设备如秸秆气化炉、工业锅炉、燃烧器、离心风机等均为现有设备，其中秸秆气化炉采用的为炉下吸秸秆气，炉内除尘的结构，在此不再赘述。

本发明所取得的实质性特点和显著的技术进步在于：

1、减少了焦油清净、焦油储罐和管网等工序，使秸秆气应用工程的总造价80％以上。

2、将目前秸秆气应用领域拓展到排放量的工业企业中。

3、提高了秸秆气的热值，使每立方米秸秆气的总热值达到1682大卡。

4、按照原有热值做计算，秸秆气的总成本下降到每立方米0.10元以下。

5、本项目所产生的经济效益和社会效益显著，不仅有利于应用企业降低生产成本，提高自身的节能和环保水平；而且可实现生物质能源代替化石能源，有助于改变我国煤、油单一的能源结构；还有助于改变农村秸秆直烧的不良习惯，对于解决农村地区废弃和焚烧农作物秸秆、污染环境的问题具有积极意义。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述，但不应理解为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的保护内容为主。

实施例1

本实施例的整体工艺包括秸秆破碎，将破碎后的秸秆置入秸秆气化炉燃烧进行造气反应，还包括如下工艺步骤：

A、气固分离除尘：自秸秆气化炉顶部置入的秸秆下落燃烧后产生的气体在负压的作用下，自秸秆气化炉底部被抽出并进行除尘；

B、气体保温输送：将步骤A中制备的秸秆气保持在温度为350℃、管道输送压力为2300Pa，气体流量为3300m³/小时输送到阀组分配器；

C、秸秆气分配：步骤B中的高温秸秆气通过阀组分配器按比例与空气混合后，输送到锅炉的燃烧器中；

D、燃气锅炉内燃烧：秸秆气在锅炉的燃烧器内燃烧与工质发生热交换并产生蒸汽。

步骤A中的除尘为旋风除尘。

步骤A中秸秆燃烧后产生的气体是在不锈钢高压离心风机的作用下自秸秆气化炉的底部被抽出。

步骤C、D的燃烧器中设置有天然气点火装置。

秸秆选用棉花秸秆。

秸秆破碎是将秸秆破碎成5-15厘米的段。

实施例2

本实施例中步骤B的秸秆气保温输送的条件为：温度为400℃、管道输送压力为2600Pa，气体流量为3800m³/小时，其余条件同实施例1。

实施例3

本实施例中步骤B的秸秆气保温输送的条件为：温度为380℃、管道输送压力为2400Pa，气体流量为3600m³/小时，其余条件同实施例1。

Claims (6)

1.秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法，包括秸秆破碎，将破碎后的秸秆置入秸秆气化炉燃烧进行造气反应，其特征在于还包括如下工艺步骤：

A、气固分离除尘：自秸秆气化炉顶部置入的秸秆下落燃烧后产生的气体在负压的作用下，自秸秆气化炉底部被抽出并进行除尘；

B、气体保温输送：将步骤A中制备的秸秆气保持在温度为350-400℃、管道输送压力为2300-2600Pa、气体流量为3300-3800m³/小时输送到阀组分配器；

C、秸秆气分配：步骤B中的高温秸秆气通过阀组分配器后，输送到锅炉的燃烧器中并按比例与空气混合；

D、燃气锅炉内燃烧：秸秆气在锅炉的燃烧室内燃烧与工质发生热交换并产生蒸汽。

2.根据权利要求1所述的秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法，其特征在于所述的步骤A中的除尘为旋风除尘。

3.根据权利要求1所述的秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法，其特征在于所述的步骤A中秸秆燃烧后产生的气体是在离心风机的作用下自秸秆气化炉的底部被抽出。

4.根据权利要求1所述的秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法，其特征在于所述的步骤C的燃烧器中设置有天然气点火装置。

5.根据权利要求1所述的秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法，其特征在于所述的秸秆选用棉花秸秆。

6.根据权利要求1所述的秸秆气化高温燃烧工业锅炉的方法，其特征在于所述的秸秆破碎是将秸秆破碎成5-15厘米的段。