CN101967405B - 生物质气放散装置和使用该装置的生物质气化反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质气放散装置，其包括：水封装置、放散管道，和点火装置，点火装置位于放散管道的出口端。本发明的目的是将生物质气化反应系统多余的，短期内又不能利用的生物质可燃气及时排放出去，如果这部分生物质可燃气不能及时排放，就会造成整个生物质燃气反应系统管道内压力过大，轻则系统故障停运，重则造成爆炸等重大事故的发生。

Description

生物质气放散装置和使用该装置的生物质气化反应系统

技术领域

本发明涉及一种生物质气放散装置，以及使用该生物质气放散装置的生物质气化反应系统。

背景技术

生物质气化已有一百多年的历史了。最初的气化反应器产生于1883年，它以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机。在二次世界大战期间，德国大力发展了用于民用汽车的车载气化器，并形成了与汽车发动机配套的完整技术。当时的生物质气化主要采用固定床气化反应器，其技术水平达到了相当完善的程度。

生物质气化是指将生物质原料加工处理后，送入气化炉中，在缺氧的条件下进行气化裂解，得到可燃气体，有时根据应用需要还要对产出气经行净化处理从而得到优质的产品气。

生物质气化原理是在一定的热力学条件下，借助于气化介质如空气、氧气或水蒸气等的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原、重整反应，热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化成为小分子碳氢化合物，获得CO、H2和CH4等可燃气体。生物质气化主要包括气化反应、合成气催化变换和气体分离净化过程(直接燃用的不用分离净化)。以空气为气化介质为例，生物质气化化学反应通式可以表示为：

CH_1.4O_0.6+0.4O₂+1.5N₂＝0.7CO+0.3CO₂+0.6H₂+0.1H₂O+(1.5N₂)

一般而言，生物质由纤维素、半纤维素、木质素、惰性灰等组成，含氧量和挥发份高，焦炭的活化性强，因此生物质与煤相比，具有更高的气化活性，更适合气化。

从所采用的气化炉的角度来看，生物质气化技术可以分为两大类，一类是固定床气化炉技术，一类是流化床气化炉技术。其中，固定床气化炉又可以分为上吸式固定床气化炉、下吸式固定床气化炉、横吸式固定床气化炉、以及开心式固定床气化炉等；流化床气化炉又可以分为流化床气化炉、双流化床气化炉、以及循环流化床气化炉等。

无论采用何种气化炉，其目的都是进行生物质气化反应，进而产生燃气。这些燃气通过燃气管道送到下游用户处。只有燃气管道相对于气化炉为低压，气化炉产生的燃气才能顺利地通往燃气管道。若下游用户需要的燃气较少，而反应系统产生的燃气较多，多余的燃气使燃气管道内产生高压，导致大量燃气积聚于气化炉中，在气化炉这样的高温环境下，会发生爆炸等危重事故。

除了上述问题外，目前所使用的气化炉还存在如下问题：

(1)气化炉气化效率低。生物质原料不能很好地被气化，能量利用率低，能源浪费较严重，易使气化炉积灰及结渣较多；

(2)燃气发热量偏低。较低的发热量不仅造成储气成本升高，而且造成每户用气量升高，增加了用户支出，限制了用户用气的积极性；

(3)杂质含量高。焦油和灰尘沉积严重，集中供气系统不能进行长期安全运行。不仅影响了生产的连续性，而且造成厂房内火焰上窜，管道形成负压回火爆炸；

(4)二次污染问题。市场上部分生物质气化机组采用湿式净化技术，这样不可避免地向外界排放洗涤过的冷却水，导致冷却水中含有多种有害物质，如酚、氨等。它们对动植物生长及安全构成危害，从而造成二次污染。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种生物质气放散装置，以避免过量产生的燃气导致的危险事故；本发明的另一目的是提供一种使用上述生物质气放散装置的生物质气化反应系统，以达到避免燃气导致的危险事故同时，提高气化效率和燃气发热量，减少焦油和灰尘等杂质的生成，减少二次污染。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于生物质气化反应系统的生物质气放散装置，其包括：

用于控制生物质可燃气管道气体压力的水封装置；

用于排放影响生物质可燃气管道气体压力的多余的生物质可燃气的放散管道，该放散管道的一端与水封装置相连；

用于燃烧掉多余的生物质可燃气点火装置，该点火装置位于放散管道的出口端。

优选地，在本发明的放散装置中，水封装置包括储水容器、外罩、内罩、拉杆；其中，储水容器底部可开有一个通孔，外罩罩于储水容器上部，外罩下部置有一个或多个通水孔；外罩上设有燃气出口和放散口，外罩顶部设有供拉杆穿过的通孔；燃气管道的出口端位于储水容器和外罩包围的空间内，且高于储水容器内的水面；内罩罩在燃气管道的出口端上，内罩的顶部设有一拉杆，该拉杆从外罩顶部的通孔穿出。

为了保证装置平稳运行，减少点火的次数，确保多余的生物质可燃气被燃烧排放，本发明的放散装置还可进一步包括蓄热装置，该蓄热装置位于放散管道的出口端，用于储蓄热能，维持局部高温，使放散管道内的燃气经过时被自动点燃。例如，该蓄热装置可为蓄热棒。

为了避免放散的燃气燃烧时发生事故，本发明的放散装置中，放散管道竖直设立，同时将放散管道设得很长，以使放散的燃气在高空燃烧，避免发生事故，实现安全生产。

由于水封装置的储水的容器内会落灰，时间久了会堵塞外罩下部的通水孔，进而使储水的容器内的水进入燃气管道。为了避免这种情况的发生，在水封装置的储水的容器侧壁下部设置用于注入高压水进行吹扫的高压水入口和用于排污的高压水出口。高压水从高压水入口注入，将储水的容器内的落灰从高压水出口排出，实现了储水的容器内的清洁。

另一方面，为了实现本发明的目的，本发明还提供了一种使用上述生物质气放散装置的生物质气化反应系统。该生物质气化反应系统可包括：

用于制备生物质燃气的流化床气化反应器；

为流化床气化反应器提供反应原料的生物质原料供给系统；

设置于流化床气化反应器之外、并对流化床气化反应器之反应产物进行分离的两级以上的分离装置，该两级以上的分离装置至少包括第一分离装置和第二分离装置；

为流化床气化反应器提供气化介质的气化介质供给系统；以及

与流化床气化反应器连接的燃气管道，该燃气管道从放散装置之储水容器的底部开设的一个通孔穿过，且该通孔与燃气管道的结合部密封。

优选地，在本发明的生物质气化反应系统中，流化床气化反应器包括设置于其中部区域的第一进料口和第二进料口、设置于其底部的气化介质入口和废弃物出口、以及设置于其上部区域的物料出口；其中，流化床气化反应器的第一进料口与生物质原料供给系统相接合，流化床气化反应器的气化介质入口与气化介质供给系统相接合；

第一分离装置包括设置于其上部区域的物料入口、设置于其中部区域的物料出口以及设置于其底部的循环出口；其中，第一分离装置的物料入口与流化床气化反应器的物料出口相接合，第一分离装置的循环出口通过第一输送装置与流化床气化反应器的第二进料口相接合；以及

第二分离装置包括设置于其顶部的燃气出口、设置于其上部区域的物料入口、设置于其底部的循环出口；其中，第二分离装置的物料入口与第一分离装置的物料出口相接合，第二分离装置的循环出口通过第二输送装置和第一输送装置与流化床气化反应器的第二进料口相接合；其中，第二分离装置顶部的燃气出口连接燃气管道。

在本发明的生物质气化反应系统中，生物质原料如颗粒状的生物质原料在流化床气化反应器与气化介质发生反应，生物质的聚合物如纤维素等发生热解、氧化、还原、重整等复杂的系列反应，得到CO、H₂和CH₄等燃气，其中，热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化成为小分子碳氢化合物。

流化床气化反应器可以是气化炉，例如可以是塔状的气化塔；气化介质可以空气，也可以是在空气中添加了其它成分的气化介质，或者是对空气中各成分进行了调节的气化介质，例如，根据不同的生物质原料、场合以及目的，可以适当地增加或减少氧气、氮气、水蒸气、以及二氧化碳的含量，以控制转化率、产率以及产物如燃气的组成。

在本发明的生物质气化反应系统中，气化介质供给系统可以包括风送装置，如鼓风机，风送装置通过管道连接于流化床气化反应器底部的气化介质入口，将气化介质从流化床气化反应器的底部吹入。

在本发明的生物质气化反应系统中，可以进一步包括热交换装置，其中，来自第二分离装置燃气出口的燃气和来自气化介质供给系统的气化介质流经该热交换装置，并发生热交换，气化介质被预热，燃气被冷却；之后，被预热的气化介质则经由流化床气化反应器的气化介质入口，送入流化床气化反应器，而被冷却的燃气则送至生物质气化反应系统的下游装置。这种设计一方面可以使离开反应系统的产物如燃气降温，以便其进一步被利用；另一方面，可以利用高温燃气预热气化介质，使得进入流化床气化反应器的气化介质达到一定温度，便于流化床气化反应器中的反应平稳进行，充分回收产物所携带的热量。

在本发明的生物质气化反应系统中，其生物质原料供给系统可以包括炉前储料装置和炉前送料装置；其中，炉前储料装置包括缓冲仓和工作仓，缓冲仓和工作仓分别包括进料口和出料口，工作仓的进料口与缓冲仓的出料口接合；炉前送料装置将来自工作仓出料口的原料送入流化床气化反应器的第一进料口。

例如，上述的缓冲仓和工作仓可以上下排布，工作仓的顶部进料口位于缓冲仓的底部出料口的下方；炉前送料装置的进料端位于工作仓的底部出料口下方，其出料端通入流化床气化反应器的第一进料口。

缓冲仓内存有生物质原料如生物质颗粒状原料，工作时，缓冲仓内暂存的生物质颗粒先进入工作仓，通过工作仓落入炉前送料装置。这种设计可以防止反应系统如流化床气化反应器中热的反应气体由工作仓外泄。由于反应气体包含CO、H₂和CH₄等易燃、易爆成分，其外泄的危险性不言而喻。优选地，在缓冲仓和工作仓的底部出料口处均设有阀门，如旋转阀、球阀、滚筒阀等，而且这些旋转阀起到一种锁气装置的作用，例如，当工作仓向流化床气化反应器中供料时，则工作仓的旋转阀处于打开状态，而缓冲仓的旋转阀处于闭合状态；而当缓冲仓向工作仓加料时，则工作仓的旋转阀处于关闭状态，而缓冲仓的旋转阀处于打开状态。这样的设计可以很好地解决向反应系统中加料时防止反应气体外泄的问题。进一步地，缓冲仓可以是多个，例如，可以有多个平行的缓冲仓，每个都与工作仓直接相连，但其旋转阀依次打开，这样的设计可以适应连续进料的反应系统；或者，多个缓冲仓是串联连接，其中，只有一个靠近工作仓的缓冲仓与工作仓直接连接，这样的设计是一种多级锁气装置，进一步降低反应气体外泄的可能性；当然，多个缓冲仓的设计方案也可以是既包括平行连接，也包括串联连接。

优选地，在本发明的生物质气化反应系统中，第一输送装置、第二输送装置和/或炉前送料装置为螺旋输送装置。

进一步地，在本发明的生物质气化反应系统中还包括料仓及送料装置，其中，料仓包括顶部进料口和底部出料口，送料装置包括水平输送带和大倾角输送带；水平输送带位于料仓的底部出料口下方，大倾角输送带的起始端与水平输送带末端相接合，大倾角输送带的末端位于缓冲仓的顶部进料口上方。生物质颗粒状原料从料仓顶部的进料口进入料仓，从料仓底部的出料口落到水平输送带上，再由水平输送带转至大倾角输送带，由大倾角输送带最终完成向缓冲仓加料。

由于流化床气化反应器会产生一些固体废弃物，若不及时排除会影响气化反应的正常进行。因而，本发明的生物质反应系统还可以包括排渣装置，该排渣装置可以为一螺旋输送装置，而且该螺旋输送装置的出料端高于其进料端，以防止反应气体经由该排渣装置外泄。由于本发明的气化系统是一微正压系统，这种倾斜设计可以很好地起到锁气作用。进一步地，可以在流化床气化反应器底部的废弃物出口处和排渣装置的出料端均设有阀门，如旋转阀、球阀、滚筒阀等，而且这些旋转阀起到一种锁气装置的作用，例如，当排渣装置向外排渣时，则排渣装置出料端的旋转阀处于打开状态，而流化床气化反应器底部的废弃物出口的旋转阀处于闭合状态；而当流化床气化反应向排渣装置排渣时，则排渣装置出料端的旋转阀处于关闭状态，而流化床气化反应器底部的废弃物出口的旋转阀处于打开状态。

进一步优选地，排渣装置出料端设置有装有水的水容器，以便在排渣装置出料端形成水封。

为了增加生物质颗粒的流化效果，在流化床气化反应器的底部置有多个通风管道，通风管道的进风口与流化床气化反应器的气化介质入口相通，通风管道的出风口上罩有斗笠形的风帽，风帽上置有多个小孔，用于喷出空气同时避免通风管道的出风口被生物质颗粒堵塞。

与现有技术相比，本发明在燃气管道的水封装置上开设放散口及放散管道，使过量产生的燃气通过放散管道排出，维持了燃气管道内的相对低压，避免了过量产生的燃气积聚气化反应系统导致的危险事故；通过点火装置点燃放散管道内排出的燃气，避免了过量产生的燃气泄露到空气中引发的爆炸及人员中毒等危险；通过设置多级分离装置，使生物质颗粒能够充分反应，提高了气化效率，节约了能源，产生了更多燃气，提高了燃气发热量；由于生物质颗粒反应充分，减少了焦油和灰尘的产生，避免了焦油和灰尘在流化床气化反应器内形成的安全隐患，同时减少了处理焦油和灰尘带来的环境污染问题。

以下结合附图和实施例，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明生物质气放散装置具体实施例的结构示意图；

图2是本发明生物质气化反应系统具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明生物质气放散装置的具体实施例，包括：水封装置、放散管道111、点火装置112、蓄热装置如蓄热棒113。

其中，水封装置包括储水的容器123、外罩121、内罩122、拉杆124；储水的容器123内盛有水，储水的容器123侧壁上部置有溢流孔127，储水的容器123侧壁下部设置高压水入口125和高压水出口126；储水的容器123底部开有一个通孔，燃气管道从该通孔穿过，储水的容器123底部的通孔与燃气管道的结合部密封；外罩121罩于储水的容器123上部，外罩121下部置有多个通水孔；外罩上121设有燃气出口128和放散口129，外罩121顶部设有一供拉杆124穿过的通孔；燃气管道的出口端位于储水的容器123和外罩121包围的空间内，且高于储水的容器123内的水面；内罩122罩在燃气管道的出口端上，内罩122顶部设有一拉杆124，该拉杆124从外罩121顶部的通孔穿出，拉杆124与外罩121顶部通孔的结合部密封，以避免燃气泄漏。

放散管道111竖直设立，其一端连接于水封装置外罩121上的放散口129，另一端为出口端；点火装置112位于放散管道111的出口端。蓄热装置如蓄热棒113也位于放散管道111的出口端。

气化反应进时，不停地向储水的容器123内注水。当不需要燃气供应时，内罩122落下，罩在燃气管道的出口端上，此时内罩122的底端位于水面以下，燃气管道内的燃气便被内罩122和储水的容器123内的水封住；当需要燃气供应时，拉杆124拉起罩在燃气管道的出口端的内罩122，燃气便可从外罩121上的燃气出口128和放散口129通过；当气化反应系统的下游用户需要的燃气量少于反应生成的燃气量时，多余的燃气通过水封装置外罩121上的放散口129进入放散管道111，并在放散管道111的出口端被点燃。

如图2所示，本发明生物质气化反应系统的具体实施例，包括：流化床气化反应器如流化床1、第一分离装置如旋风分离器2、第二分离装置如旋风分离器3、气化介质供给系统、热交换装置5、生物质原料供给系统、料仓8、水平输送带91、大倾角输送带92、废弃物管道101、排渣装置如螺旋输送机102、废弃物存储装置103、放散管道111、点火装置112、水封阀12。

其中，料仓8的顶部具有进料口，底部具有出料口；水平输送带91位于料仓8的底部出料口下方，大倾角输送带92的起始端与水平输送带91的末端相接合，大倾角输送带91的末端位于缓冲仓61的顶部进料口上方。

生物质原料供给系统包括缓冲仓61、工作仓62、炉前送料装置(如螺旋输送机7)。缓冲仓61的顶部具有进料口，底部具有出料口；工作仓62的顶部具有进料口，底部具有出料口；缓冲仓61和工作仓62上下排布，工作仓62的顶部进料口位于缓冲仓61的底部出料口的下方；缓冲仓61的底部出料口处设有旋转阀。炉前送料装置如螺旋输送机7的起始端位于工作仓62的底部出料口下方，其终端通入流化床1的第一进料口。

流化床1中部具有第一进料口和第二进料口；其底部具有气化介质入口和废弃物出口；其上部具有物料出口。废弃物出口连接废弃物管道101，废弃物管道101出口处置有排渣装置如螺旋输送机102。螺旋输送机102向上倾斜，即其出料端高于其进料端。螺旋输送机102的出料端置有废弃物存储装置103。

第一分离装置如旋风分离器2的上部具有物料入口，该物料入口与流化床1的物料出口通过管道相连；其中部具有物料出口；其底部具有循环出口；该循环出口通过管道连接一回收物暂存装置21，回收物暂存装置21的底部出口外具有通向流化床1第二进料口的第一输送装置如螺旋输送机。

第二分离装置如旋风分离器3的上部具有物料入口；其顶部具有燃气出口，燃气出口连接燃气管道；其底部具有循环出口；循环出口外具有通向回收物暂存装置21的第二输送装置如螺旋输送机。

热交换装置5包括燃气入口、燃气出口及空气入口、空气出口；燃气入口和燃气出口分别连接燃气管道；空气入口和空气出口分别连接空气管道。

第二分离装置如旋风分离器3的燃气出口设有水封阀12，水封阀12位于热交换装置5之前。水封阀12上设有一个放散口，该放散口连接放散管道111，放散管道111的出口端设有点火装置112。

本实施方式中，气化介质供给系统为与热交换装置5相连的风送装置(如鼓风机4)及相应的管道；当然，在其它实施方式中完全可以采用其它形式的气化介质供给系统。风送装置如鼓风机4通过空气管道连接于热交换装置5的空气入口，热交换装置5的空气出口连接于流化床1底部的气化介质入口，将空气从流化床1的底部吹入。流化床1的底部置有多个通风管道，通风管道的进风口与流化床1的空气入口相通，通风管道的出风口上罩有斗笠形的风帽，风帽上置有多个小孔。

本实施例的工作过程如下：

生物质颗粒从料仓8经水平输送带91及大倾角输送带92进入缓冲仓61，经缓冲仓61进入工作仓62，然后经螺旋输送机7进入流化床1。鼓风机4向流化床1中送风。在流化床1中生物质颗粒与空气作用生成CO、H₂和CH₄等燃气和固体废弃物。固体废弃物经废弃物管道101及螺旋输送机102进入废弃物存储装置103。

燃气和未完全反应的生物质颗粒进入旋风分离器2，经分离后燃气和较轻的生物质颗粒进入旋风分离器3，较重的生物质颗粒通过螺旋输送机返回流化床1继续参加反应。

在旋风分离器3内，燃气和较轻的生物质颗粒进一步分离，燃气进入燃气管道，通过热交换装置5加热用于反应的空气，同时燃气被冷却，被冷却的燃气送至生物质气化反应系统的下游装置。多余的燃气进入放散管道111，在放散管道111的端部点燃。

Claims (9)

1.一种用于生物质气化反应系统的生物质气放散装置，其包括：

用于控制生物质可燃气管道气体压力的水封装置；所述的水封装置包括储水容器、外罩、内罩、拉杆；其中，所述储水容器底部开有一个通孔，所述外罩罩于所述储水容器上部，所述外罩下部置有多个通水孔；所述外罩上设有燃气出口和放散口，所述外罩顶部设有供拉杆穿过的通孔；所述燃气管道的出口端位于所述储水容器和所述外罩包围的空间内，且高于所述储水容器内的水面；所述内罩罩在燃气管道的出口端上，所述内罩的顶部设有一拉杆，该拉杆从所述外罩顶部的通孔穿出；

用于排放影响生物质可燃气管道气体压力的多余的生物质可燃气的放散管道，该放散管道的一端与所述水封装置相连；

用于燃烧掉所述多余的生物质可燃气点火装置，该点火装置位于所述放散管道的出口端。

2.如权利要求1所述的放散装置，其特征在于，所述放散装置还包括蓄热装置，所述蓄热装置位于所述放散管道的出口端。

3.如权利要求2所述的放散装置，其特征在于，所述蓄热装置为蓄热棒。

4.如权利要求1所述的放散装置，其特征在于，所述水封装置的储水的容器侧壁下部设有用于注入高压水进行吹扫的高压水入口和用于排污的高压水出口。

5.一种采用如权利要求1-4之一所述的放散装置的生物质气化反应系统。

6.如权利要求5所述的生物质气化反应系统，其中，该生物质气化反应系统包括：

用于制备生物质燃气的流化床气化反应器；

为所述流化床气化反应器提供反应原料的生物质原料供给系统；

设置于所述流化床气化反应器之外、并对所述流化床气化反应器之反应产物进行分离的两级以上的分离装置，该两级以上的分离装置至少包括第一分离装置和第二分离装置；

为所述流化床气化反应器提供气化介质的气化介质供给系统；以及

与所述流化床气化反应器连接的燃气管道，该燃气管道从所述放散装置之储水容器的底部开设的一个通孔穿过，且该通孔与所述燃气管道的结合部密封。

7.如权利要求6所述的生物质气化反应系统，其中：

所述的流化床气化反应器包括设置于其中部区域的第一进料口和第二进料口、设置于其底部的气化介质入口和废弃物出口、以及设置于其上部区域的物料出口；其中，所述流化床气化反应器的第一进料口与所述生物质原料供给系统相接合，所述流化床气化反应器的气化介质入口与所述的气化介质供给系统相接合；

所述的第一分离装置包括设置于其上部区域的物料入口、设置于其中部区域的物料出口以及设置于其底部的循环出口；其中，所述第一分离装置的物料入口与所述流化床气化反应器的物料出口相接合，所述第一分离装置的循环出口通过第一输送装置与所述流化床气化反应器的第二进料口相接合；以及

所述的第二分离装置包括设置于其顶部的燃气出口、设置于其上部区域的物料入口、设置于其底部的循环出口；其中，所述第二分离装置的物料入口与所述第一分离装置的物料出口相接合，所述第二分离装置的循环出口通过第二输送装置和第一输送装置与所述流化床气化反应器的第二进料口相接合；其中，所述的第二分离装置顶部的燃气出口连接所述的燃气管道。

8.如权利要求7所述的生物质气化反应系统，其特征在于，所述的生物质气化反应系统进一步包括热交换装置，其中，来自所述第二分离装置燃气出口的燃气和来自所述气化介质供给系统的气化介质流经该热交换装置，并发生热交换，气化介质被预热，燃气被冷却；之后，被预热的气化介质则经由所述流化床气化反应器的气化介质入口，送入所述流化床气化反应器，被冷却的燃气则送至所述生物质气化反应系统的下游装置。

9.如权利要求7所述的生物质气化反应系统，其特征在于，所述的生物质原料供给系统包括炉前储料装置和炉前送料装置；其中，所述炉前储料装置包括缓冲仓和工作仓，所述缓冲仓和所述工作仓分别包括进料口和出料口，所述工作仓的进料口与所述缓冲仓的出料口接合；所述炉前送料装置将来自所述工作仓出料口的原料送入所述流化床气化反应器的第一进料口；所述缓冲仓和工作仓的底部出料口处均设有旋转阀。

Images