CN101967407B - 用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生物质气化可燃气体干法脱除焦油的分离方法和装置，来自生物质气化炉的燃气经冷却器冷却后，与部份生物质原料一起混合进入焦油分离器。在该焦油分离器内，燃气进一步冷却，连同冷却器冷凝出来的焦油，液滴间发生聚结、与生物质原料之间发生吸附和粘附。聚结和粘附的颗粒在旋流场中与燃气发生沉降分离。生物质燃料在旋流分离器中沿器壁的旋转运动起到冲刷作用，从而解决了旋风分离器中焦油粘壁的难题，而且吸附焦油的生物质原料可以回到气化炉再行气化，也可作为燃料燃烧。这样既可以使焦油的热值得以回收利用，同时又很大程度上消除了焦油二次污染的问题。本发明可以保证焦油的高效分离和系统连续长时间运行，且没有污水。

Description

用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法和装置

技术领域

本发明涉及生物质气化和分离的技术领域，具体为一种用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法和设备。

背景技术

目前，可燃气脱除焦油的主要方法可以分为两大类：

（1）化学方法：

热化学脱除法，使焦油在一定的反应条件下发生一系列的化学反应，使大分子的焦油转化成小分子的有用气体，提高生物质的转化率和利用率。该方法主要包括热裂解法和催化裂解法，这方面的专利技术较多，但是由于其工艺复杂、投资大，操作控制要求高，很难在中小装置中推广应用。

（2）物理方法：

物理方法中主要包括：湿法和干法两大类。

湿法可以分为喷淋法和吹泡法，是用水将生物质气中的焦油带走。水洗法脱除焦油工艺中，可燃气依次经过旋风分离器除尘、冷凝器降温、洗涤塔脱除焦油、过滤器脱水，工艺复杂，设备较多。湿法脱除焦油应用的较多，但是湿法脱除焦油主要缺点在于生物质气化可燃气体中易夹带液雾，设备、液体回收及循环装置庞大。大量焦油随水流失造成能源浪费和二次污染。

干法脱除焦油是相对湿法而言的，不采用液体吸收剂而直接通过物理方法将生物质气化可燃气体中的焦油分离下来。

目前专利中干法脱除焦油主要可以分为四类：

（1）静电法：

静电法脱除焦油对进口燃气焦油含量要求很高，一般要求低于（标准状态下）5 g/m³，而且设备成本和操作要求都很高，有发生高压放电、产生电火花、造成爆炸着火的可能性，还很难应用于中小型生物质气化脱除焦油工艺中。

（2）离心分离除焦：

专利（申请号99116313.3，公开号CN1260377A）公开了一种生物质燃气净化方法和装置，将生物质气化可燃气体依次经过分气室分气、凝结室凝结、集气室集气、悬浮分离室分离，使用的设备是旋风分离器和换热器的组合设备，利用相变和离心原理进行分离焦油。专利（申请号200610052449.8，公开号CN1888538A）公开了一种小型生物质气化炉燃气净化和余热利用装置，该装置将旋风分离器、过滤器和换热器结合为一体，结构紧凑。专利ZL200720053482.2公开了一种生物质燃气净化装置，该装置由旋风分离器、冷却器和过滤器组合而成。专利ZL03211462.1公开了一种离心式燃气焦油分离器，利用离心原理和对燃气降温冷却来分离焦油。专利ZL200620051211.9公开了一种制气炉的焦油分离装置，设计了电机带动离心叶片，采用了高速离心的方式分离焦油。

当前离心分离除焦存在的主要问题是焦油会在旋风分离器中凝结粘附在内壁上，间歇式运行会产生严重的结焦现象；同时分离下来的焦油没有很好的处理办法，部分专利采用将旋风分离器分离下来的焦油排放到水中，这不但造成了二次污染，而且造成了能源的浪费。

（3）过滤分离除焦：

是利用吸附性材料来脱除焦油，目前干法都采用过滤法。将吸附性很强的材料装在容器中，当可燃气通过吸附材料时，将可燃气中的焦油过滤出来。专利ZL200320105882.5公开了一种生物质气化机组中的净化器，在净化器中安装了气体挡板和过滤材料。但是该装置更换过滤材料比较麻烦，会增加劳动强度和工作量，不适合连续运行的工艺和焦油量较大的场合。

（4）其它除焦方式：

专利ZL200820021852.9中公开了一种射吸式生物质气净化装置，通过导流的射吸原理，让可燃气体中的灰尘和焦油产生急剧粘结，使其产生碰撞及离心运动，以达到分离焦油的目的。专利ZL200720020812.8公开了一种柴草炉的焦油分离器，该分离器中设计了很多水平设置的隔板，增加了可燃气体在分离器中的行程，来尽量多地分离焦油。这两种技术的焦油分离效率不高，同时存在焦油粘附在容器内壁面现象，不方便清理焦油。

干法中的过滤法解决了湿法脱除焦油带来的水污染问题，过滤材料可以选用可燃的生物质，可同时解决焦油能量的利用问题。在工程应用中，由于焦油沉积严重且粘附焦油的滤料难以处理，而且需要经常更换滤料，不能连续工作，增加了劳动强度和工作量，因此该方法多与其它净化方法联合使用。

在目前比较常用的生物质气化燃气净化系统中，高温燃气首先进入到旋风分离器进行除尘，然后再冷却降温进行除焦。除焦系统中一般不采用旋风分离器，这主要是因为降温后焦油会冷凝粘附在旋风分离器内壁表面，引起结焦现象。随着系统的运行，特别是小型生物质气化系统的频繁开停，旋风分离器内壁表面的结焦会更加严重，而且很难清理，时间长了不但会降低旋风分离器的分离效率，而且还会发生焦块脱落阻塞排料口而造成旋风分离器失效的故障。目前热化学脱除焦油法工艺复杂、成本高以及操作难度大限制了其在中小型生物质气化脱除焦油工艺中的推广。物理脱除焦油法工艺简单，成本低，应用较多，但是静电法设备成本和操作要求都很高，湿法脱除焦油会产生焦油的二次污染问题。干法脱除焦油虽然消除了焦油对水的二次污染，但是目前采用的过滤法脱除焦油需要经常更换过滤介质，不能连续工作，增加劳动强度和工作量。因此，脱除焦油技术成了生物质燃气利用的瓶颈。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种能够保证连续工作、净化能力强、焦油可回收和循环利用的生物质气化可燃气体干法脱除焦油的分离方法和装置。在旋风分离器内的旋流场中，通过降温使焦油从可燃气体中冷凝出来，利用生物质原料作为吸附介质和粘附载体，再利用生物质燃料在旋流分离器中沿器壁旋转运动产生的冲刷作用，解决旋风分离器中焦油粘壁的难题，而且吸附和粘附了焦油液滴的生物质原料可以再行气化，也可作为燃料燃烧，这样既消除了焦油二次污染的问题，同时又可以使焦油的热值得以回收利用。本发明可以保证系统连续长时间运行，减小了劳动强度和工作量，而且不会产生污水。

本发明提供了生物质气化可燃气体干法脱除焦油的分离方法和装置，该装置包括料仓、气化炉、冷却器、加料器、文丘里管、焦油分离器、过滤器、罗茨风机和循环水系统。

按照本发明提供的生物质气化可燃气体干法脱除焦油的分离方法，气化炉产生的燃气首先进入冷却器对其降温，冷却后的温度控制在150～220℃。降温后的可燃气体通过文丘里管与生物质原料混合一起进入到焦油分离器中。利用循环水对燃气进一步冷却，使进入旋风分离器的燃气降温至常温。当温度低于200℃以后，可燃气体中的焦油开始冷凝，生物质原料作为焦油液体的吸附介质和粘附载体，冷凝的焦油液滴吸附和粘附在生物质原料表面；焦油液滴和生物质原料在旋流场中离心力的作用下向旋风分离器壁面运动，到达旋风分离器壁面以后沿着壁面螺旋向下运动，最后落入旋风分离器底部的料斗中。吸附和粘附焦油的生物质原料在沿着旋风分离器壁面螺旋向下运动时，可以冲刷壁面粘附的焦油，消除旋风分离器中焦油粘壁现象，保证传热冷却效果。净化后的可燃气体再进入到过滤器中进行进一步脱除焦油，过滤器中仍然采用生物质原料作为过滤介质，过滤器采用两台并联设计，一开一备，便于切换更换过滤介质。由于可燃气体中的焦油到达焦油分离器后大部分冷凝下来，并被生物质原料吸附（或粘附）或旋流聚结、离心沉降分离出来，而进入到过滤器中气体中焦油含量很小，这样就大大减轻了过滤器的负荷，减少了过滤器更换过滤介质的次数，可以保证装置长时间连续运行。

按照本发明提供的焦油分离器由旋风分离器、料斗和冷却水夹套组成，循环冷却水从旋风分离器的夹套中流过，对旋风分离器进行降温。料斗收集的带有焦油的生物质原料可以回到气化炉进行气化产气，吸附焦油后增加了生物质原料的热值，亦可以作为燃料进行燃烧。

本发明具有积极有效的效益：

1.  充分利用生物资源，回收利用可燃气体中的副产品焦油，解决了焦油冷凝堵塞管道设备等的危害。

2.  利用本专利的干法脱除焦油，不但避免了湿法脱除焦油的二次污染问题，还可以增加原料的热值。

3.  创新了焦油吸收工艺，利用稻壳、木屑、粉碎的甘蔗等生物质原料来做分离剂，降低了焦油分离成本，同时还可以保证装置的连续运行。

附图说明

图1为本发明的生物质气化可燃气体干法脱除焦油的分离工艺流程器。

图2为本发明的盘管冷却式焦油分离器。

图3为本发明的折流板冷却多管式焦油分离器。

图中：1.料仓，2.气化炉，3.冷却器，4.加料器，5.文丘里管，6.焦油分离器，7.过滤器， 8.罗茨风机，9.水槽，10.水泵，11.焦油分离器入口，12.焦油分离器出口，13.冷却水入口，14.冷却水出口，15.焦油分离器排料口，16.旋风分离器， 17.冷却盘管，18.料斗，19.折流板。

具体实施方式

为了能够更清楚的了解本发明特点，举以下实例说明。

实施例：

图1中，生物质气化工艺中主要包括料仓1、气化炉2、冷却器3、加料器4、文丘里管5、焦油分离器6、过滤器7、罗茨风机8、水槽9和水泵10。其核心分离设备焦油分离器6是将旋风分离器16和冷却器有机结合为一体化的设计可以采用单管式焦油分离器（图2），也可以采用折流板冷却多管式焦油分离器（图3）。图2中，单管式焦油分离器处理量较小，操作时可以多台并联使用。单管式焦油分离器由焦油分离器入口11、焦油分离器出口12、、冷却水出口14、焦油分离器排料口15和料斗18组成；焦油分离器入口11和焦油分离器出口12设置于旋风分离器16上端；冷却盘管17螺旋缠绕在旋风分离器16上，冷却盘管17的上端口为冷却水入口13，冷却盘管17的下端口为冷却水出口14；旋风分离器16下部设置一个料斗18，料斗18的结构为筒锥结构。图3中，折流板冷却多管式焦油分离器为多管式焦油分离器，适用于处理量较大的场所，且占地面积较小。折流板冷却多管式焦油分离器开口主要包括焦油分离器入口11、焦油分离器出口12、冷却水入口13、冷却水出口14、焦油分离器排料口15；折流板冷却多管式焦油分离器内部主要由多个旋风分离器16和折流板19组成，多个旋风分离器16可以串联也可以并联，折流板19相互交错布置，来改变冷却水的路径和停留时间，以增加换热效果。循环水系统主要由水槽9和水泵10组成，水泵10的入口连接在水槽9中，水泵10的出口分别连接到冷却器3的循环水入口和焦油分离器6的冷却水入口13。冷却器3为列管式换热器，且垂直安装。

图1中，稻壳等生物质原料由料仓1进入到气化炉2中进行高温气化，气化产生的可燃气体进入到冷却器3中进行降温至150～220℃，冷却后的可燃气体在文丘里管5中与加料器4排下的生物质原料混合，一起进入到焦油分离器6中。加料器4底部采用星形加料器进行加料，能够阻止空气的进入。焦油分离器6中带有冷却系统，进入焦油分离器6中的可燃气体温度低于200℃以后开始冷凝成液滴。在焦油分离器6的离心场中，同时发生焦油的冷凝，焦油液体的聚结、吸附和粘附、离心分离多个过程。在离心力的作用下，吸附和粘附焦油的生物质原料运动到焦油分离器6内壁，在这个过程中，部分焦油液滴会吸附和粘附在生物质原料的表面；焦油分离器6内壁面处的稻壳等生物质原料浓度最高，还有部分液滴运动到焦油分离器6内壁面处被稻壳等生物质原料吸附和粘附。吸附和粘附焦油的生物质原料被分离到焦油分离器内壁以后，会沿着内壁向下做旋转运动，这样可以对旋风分离器16内壁产生冲刷作用，防止壁面结焦。吸附和粘附焦油的生物质原料继续向下运动到焦油分离器6底部的料斗18中，排出后可以重新进入到气化炉2中进行气化，还可以将其作为燃料，以充分利用焦油的热值。焦油分离器6中净化后的可燃气体再进入到过滤器7中进行过滤，进一步除去气体中携带的生物质原料颗粒和焦油液滴。过滤器7仍然可以利用稻壳等生物质原料作为过滤介质，可以大大降低成本，为了保证系统连续运行以及更换过滤介质，可以设计两台过滤器7并联，一台运行一台备用。过滤器7出来的可燃气体通过罗茨风机8增压后进入到储罐和管网中。

最后应当申明的是，以上实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解：任何对本发明局部修改或等同替换，而不脱离本发明的精神和设计原则的，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法，其特征在于，气化炉产生的燃气首先进入冷却器对其降温，冷却后的温度控制在150～220℃；降温后的可燃气体通过文丘里管与生物质原料混合一起进入到焦油分离器中；利用循环水对燃气进一步冷却，使进入旋风分离器的燃气降温至常温；当温度低于200℃以后，可燃气体中的焦油开始冷凝，生物质原料作为焦油液体的吸附介质和粘附载体，冷凝的焦油液滴吸附和粘附在生物质原料表面；焦油液滴和生物质原料在旋流场中离心力的作用下向旋风分离器壁面运动，到达旋风分离器壁面以后沿着壁面螺旋向下运动，最后落入旋风分离器底部的料斗中；吸附和粘附焦油的生物质原料在沿着旋风分离器壁面螺旋向下运动时，冲刷壁面粘附的焦油，消除旋风分离器中焦油粘壁现象，保证传热冷却效果；净化后的可燃气体再进入到过滤器中进行进一步脱除焦油，过滤器中仍然采用生物质原料作为过滤介质，过滤器采用两台并联，一开一备，便于切换更换过滤介质；由于可燃气体中的焦油到达焦油分离器后大部分冷凝下来，并被生物质原料吸附、粘附或旋流聚结、离心沉降分离出来，而进入到过滤器中气体中焦油含量很小，减轻了过滤器的负荷，减少了过滤器更换过滤介质的次数，保证装置长时间连续运行。

2.一种实施根据权利要求1所述用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法的装置，其特征在于，包括料仓（1）、气化炉（2）、冷却器（3）、加料器（4）、文丘里管（5）、焦油分离器（6）、过滤器（7）、罗茨风机（8）和循环水系统；所述焦油分离器（6）为单管式焦油分离器或者折流板冷却多管式焦油分离器，所述单管式焦油分离器是将旋风分离器（16）和冷却器（3）结合为一体化。

3.根据权利要求2所述的用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法的装置，其特征在于，所述单管式焦油分离器由焦油分离器入口（11）、焦油分离器出口（12）、冷却水出口（14）、焦油分离器排料口（15）和料斗（18）组成；焦油分离器入口（11）和焦油分离器出口（12）设置于旋风分离器（16）上端；冷却盘管（17）螺旋缠绕在旋风分离器（16）上，冷却盘管（17）的上端口为冷却水入口（13），冷却盘管（17）的下端口为冷却水出口（14）；旋风分离器（16）下部设置一个料斗（18），料斗（18）的结构为筒锥结构。

4.根据权利要求2或3所述的用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法的装置，其特征在于，单管式焦油分离器为一台或多台并联。

5.根据权利要求2所述的用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法的装置，其特征在于，所述折流板冷却多管式焦油分离器开口包括焦油分离器入口（11）、焦油分离器出口（12）、冷却水入口（13）、冷却水出口（14）、焦油分离器排料口（15）；所述折流板冷却多管式焦油分离器内部由多个旋风分离器（16）和折流板（19）组成，多个旋风分离器（16）串联或并联，折流板（19）相互交错布置。

6.根据权利要求2、3或5所述的用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法的装置，其特征在于，所述冷却器（3）为列管式换热器，且垂直安装。

7.根据权利要求6所述的用于生物质气化可燃气体脱除焦油的分离方法的装置，其特征在于，所述循环水系统主要由水槽（9）和水泵（10）组成，水泵（10）的入口连接在水槽（9）中，水泵（10）的出口分别连接到冷却器（3）的循环水入口和焦油分离器（6）的冷却水入口（13）。

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