CN101974351A - 规模化固定床生物质气化发电生产工艺及成套设备 - Google Patents

Abstract

一种规模化固定床生物质气化发电生产工艺及成套设备，其特征在于由四个部分组成：(1)原料预处理部分，主要包括原料收集、烘干和成型系统：(2)生物质气化部分，主要为大型生物质固定床气化炉及其相关配套设施；(3)气体净化部分，主要包括除灰、除焦油、脱硫、脱氯等设备；(4)燃气发电部分，深度净化后的燃气主要利用内燃机中燃烧发电。此外，本工艺中还包括水处理及换热等附属系统。本发明利用废弃农作物秸秆等生物质为原料，利于合理利用资源及环境保护。本发明所产气体热值较高，并且综合利用所产残渣及焦油，开源节流。本发明同时充分利用了各环节中的产生的能量，从而使热效率大大提高，降低了运行成本。

Description

规模化固定床生物质气化发电生产工艺及成套设备

技术领域

本发明涉及一种规模化固定床生物质气化发电生产工艺及成套设备，属于生物质能源领域。

背景技术

中国是一个农业大国，生物质资源十分丰富。中国拥有充足的可发展能源作物，同时还包括各种荒地、荒草地、盐碱地、沼泽地等。如加以有效利用，开发潜力将十分巨大。生物质发电主要是利用农业、林业和工业废弃物为原料，也可以将城市垃圾为原料，采取直接燃烧或气化的发电方式。近年来中国能源、电力供求趋紧，国内外发电行业对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的关注。于是生物质能发电行业应运而生。开发利用可再生能源，对于保障能源安全、保护生态环境、实现可持续发展具有重要意义。国家已经决定，将安排资金支持可再生能源的技术研发、设备制造及检测认证等产业服务体系建设。总的说来，生物质能发电行业有着广阔的发展前景。

生物质气化是将一次能源转化为清洁的二次能源的重要途径之一，其产品主要为燃料气，含有较高的热值。相对于直接燃烧发电，有利于环境保护。为此，人们开发了各种类型的生物质气化发电工艺。如我国台湾省黄家笙等人的专利《一种生物质能循环发电工艺及其发电系统》(专利号：200810087169.X)；昆明电研新能源科技开发有限公司《生物质能源气化发电装置》(专利号：200820081327.6)；北京瑞威环能能源技术有限公司《控气型热分解系统生物质气化发电装置》(专利号：200720155628.4)；武汉力人投资有限公司《利用生物质发电的方法》(专利号：200710151203.0)；哈尔滨工大格瑞环保能源科技有限公司《生物质高温热解气化发电系统》(专利号：200910071440.5)等。但目前这些工艺普遍存在如下缺点：采用生物质热解气化，热效率和转化率不高；生物质一般不经过预处理，由于其低密度致使生产能力低或者设备庞大，很难付诸生产实践；气体净化系统采用传统的旋风分离及过滤方式除去飞灰及焦油，跑冒滴漏现象严重，设备很难稳定运行。这些不足造成上述专利很难在工程实际中得到很好的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述反应装置的缺陷，提供一种生产能力大、能量利用效率高，且资源和能源均可合理化利用的生物质气化发电生产工艺及成套设备。

由于生物质气化发电工艺因技术可行性，环境友好性和经济合理性制约其可行性。生物质特别是农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素等有机物以及少量灰分(主要含钾、铝、铁、硅、氮及少量硫、氯等无机元素)。与煤相比，生物质反应活性高，因此可在较低的温度下进行气化，可节约能耗。同时生物质本身含有的钾等金属元素可作为催化剂促进反应的进行，使反应速率加快，节省反应时间。且这些元素在生物质中分布均匀，与有机质接触良好，可突破传统固固相接触(如外加催化剂与煤)的传质阻力而使生物质气化反应趋于完全，不会产生反应不均一的现象。然而生物质本身也存在固有的缺陷，如农作物秸秆大都存在堆积密度小、自然堆积较大(在气化炉里容易产生架桥、穿孔现象)、木炭机械强度低(不能保持原有形状，容易在反应层中形成空洞，致使气流分布不均匀)和灰熔点低(＜1050℃，固态排渣困难)等缺点。因此在进入气化炉之前需要成型使生物质相对密度达到1g/cm³左右才能很好的应用于固定床。

众所周知，电捕焦油器与机械除焦油器相比，具有捕焦油效率高、阻力损失小、气体处理量大等特点，不仅可保证后续工序对气体质量的要求，提高产品回收率，而且可明显改善操作环境。但电捕焦油器一般要求燃气进口氧气含量低于1％，否则存在爆炸隐患。生物质中本身氧含量较高，且气化过程中要补加空气实现自热，需要防止过多的氧以氧气的方式从气化炉中排出才能应用电捕焦油器。通过优化气化炉结构和操作条件，完全可以使绝大多数氧元素以碳氧化物和水的形式排出。经过深度净化的生物质燃气完全可满足发电的需要。通过以上分析可见，在生物质气化发电工艺中，成型是前提，气化是关键，净化是保障。满足以上要求后，技术上是完全可行的。

相对于煤和石油等化石能源来讲，生物质原料通常含有的S、Cl等元素较少(一般低于0.5％)，气化所得燃气含H₂S、SO₂以及HCl等也就较低，可采用气固相净化工序脱除，完全能满足后续发电机中对硫、氯含量的要求。本发明也考虑了对这些微量有害物质的脱除，因此满足环境友好的要求。

生物质分布广泛，价格低廉，可节约原料成本。因为生物质气化过程中温度较低、反应完全，可降低传统火力发电对于设备材质以及尺寸的要求，节约设备成本。同时较短的工艺流程和适当的能量集成方式可节约操作成本，提高气化及发电效率。如果再加上减少排放三废的费用，可进一步节约资金。此外，生物质灰可作为复合肥及建筑材料产生相当可观的经济效益。因此相对于煤发电，生物质气化发电技术在经济上是有竞争优势的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种规模化固定床生物质气化发电生产工艺及成套设备，其特征在于包括原料预处理、生物质固定床气化、气体净化和燃气发电等部分。

根据本发明的生产工艺，其特征在于原料预处理包括生物质收集、烘干和成型。

根据本发明，其中气体净化部分采用两段水(热水和冷水)喷淋净化，主要用于脱除飞灰及冷却，采用电捕的方法除去焦油，并利用干法脱除气体中微量含氯、硫组分。所得燃气基本不含有害气体，且氧含量低，热值高。

根据本发明，其特征在于燃气可用于内燃机发电，同时可回收废热，节约能耗。

根据本发明，同时还包括水处理及能量集成系统等附属设施。

一种规模化固定床生物质气化发电生产工艺，其特征在于，由如下步骤组成：

(1)原料预处理，主要包括原料成型步骤；还进一步包括成型步骤之前的原料收集和烘干步骤；

(2)生物质气化，主要包括在大型生物质固定床气化炉中气化的步骤；

(3)气体净化，主要包括除灰、除焦油、脱硫、脱氯步骤；

(4)燃气发电，主要包括深度净化后的燃气主要利用内燃机燃烧发电。

此外，本工艺中还包括水处理及换热等步骤及附属系统。

本发明还涉及规模化固定床生物质气化发电成套设备，其特征在于，包括原料预处理、生物质固定床气化、气体净化和燃气发电装置。

根据本发明，所述的原料预处理装置包括生物质收集、烘干和成型装置。

根据本发明的优选方案，本发明的设备由如下部件组成：

(1)原料预处理装置，主要包括原料收集、烘干和成型装置：

(2)生物质气化装置，主要包括大型生物质固定床气化炉及其相关配套设施；

(3)气体净化装置，主要包括除灰、除焦油、脱硫、脱氯等设备；

(4)燃气发电装置，深度净化后的燃气主要利用内燃机中燃烧发电。

此外，本工艺中还包括水处理及换热等附属系统。本发明利用废弃农作物秸秆等生物质为原料，利于合理利用资源及环境保护。本发明所产气体热值较高，并且综合利用所产残渣及焦油，开源节流。本发明同时充分利用了各环节中的产生的能量，从而使热效率大大提高，降低了运行成本。

生物质原料利用滚轴式压缩机将其压缩成为尺寸均一、密度高(1g/cm³以上)、机械强度高的棒状，成型生物质的相对密度优选为1.1-1.2kg/m³以上的棒状；可使生物质在气化炉内分布均匀，且利于生产能力的提高。

对于生物质原料的成型处理设备，可采用本申请人于同日提交的发明名称为“秸秆原料预处理、原料成型双磨设备”的专利申请，其全文引入本文作为参考。

其中所述的成型双磨设备优选包括两个串联的料斗(位于设备上部的称为“一级料斗”；位于下部的料斗称为“二级料斗”)，料斗底部的平磨盘上按圆周均匀镶嵌若干模口(位于一级料斗中的模口称为一级模口，位于二级料斗中的模口称为二级模口)。在两个料斗内对称设置两个挤压轮，由贯穿两个料斗的中心转轴连接。在平磨盘上方与模口对应位置，所述挤压轮侧面设有可适应于模口对应位置的啮合齿。串联料斗中的两个挤压轮分别安装在同一水平设置的横梁的两端，所述横梁安装于穿过平磨盘上的通孔，并通过中心转轴连接。出料口下部设有卸料盘(围绕中心转轴但非一体)，可由小功率电机驱动。所述中心转轴通过料斗通孔延伸至底部大皮带轮，由电机驱动其高速运转。从而使粉碎的生物质秸秆挤压成型。更优选的是所述模口为倒置圆台状。

优选的实施方式如下：

预先粉碎的生物质秸秆原料通过传送带由料斗顶部连续装入，由挤压轮和平磨盘的模口粗成型并进入二级成型部位，由二级部位的挤压轮和平磨盘的模口进一步成型为高密度棒状成品并排出料斗。利用该生物质成型设备处理稻秸秆，原料粉碎至50-100mm，两料斗的料仓容积为0.6m³，一级和二级模口直径为30-40mm，锥度为1-3°，电机总额定功率为35kW，处理量可达650t/h，成型后生物质密度可达1.1-1.2kg/m³。

根据本发明，所述的气化炉为大规模固定床气化炉，具有良好的操作弹性，既可用于空气气化也能用于蒸汽气化，便于工业应用。

气化炉内径为1-5m，优选2-4m，高径比为0.5-4，优选1.5-2。采用固定床方式。上部进料，底部排灰；下部进气(空气和水蒸气的混合气体作为气化剂)，顶部排气(粗燃气)。通入空气的目的是实现自热，通入水蒸气的目的有两个：一是调节气化炉底部温度，满足固态排灰的要求；二是利用变换反应调节燃气中H₂/CO摩尔比，从而提高燃气热值。通过此气化炉可使燃气热值＞6MJ/kg，氧气含量在0.6％以下，优选0.5％以下。硫氯含量极低，便于净化、深加工及利用，利于环保。

对于大规模固定床气化炉，可采用本申请人于同日提交的发明名称为“规模化固定床生物质气化炉及低含氧燃气的生产工艺”或“规模化固定床生物质气化炉”的专利申请，其全文引入本文作为参考。

优选的气化炉包括进料装置、炉体、炉篦、排灰装置和空气进口。顶部设进料装置，包括料斗闸门，计量加料器和计量锁气器，可实现连续进料。气化炉顶部设燃气排放口，后可接各种气体净化及深加工装置。气化炉的炉体为一个组合体，由外层金属壳体和内层耐火防碱金属腐蚀的衬里组成。气化炉炉篦为耐热铸铁铸成，炉篦设在进风管上，下部与可旋转托盘相连，既用于排灰，也作为气体分布板，使炉内气流均匀。排灰装置包括刮刀及灰盘，可有效将灰排出炉外。气化炉底部设有空气进口，也可进富氧或纯氧。其中所述的固定床气化炉以压缩成型秸秆生物质为原料，生物质湿度为5-15％。原料气化时可以空气、富氧或纯氧为气化剂，也可以以后续净化工艺处理后获得水蒸汽和空气的混合气体(空气与水蒸汽的体积比优选为6∶1)作为气化剂进行气化反应，气碳比为1.48-1.5m³/kg；操作温度例如为1115-1150℃。

气体净化工序中，利用水洗塔除去粗燃气中夹杂的飞灰，以及部分硫化物氮氧化物等杂质，同时降低燃气温度至80℃以下，满足中温电捕焦油的要求。

该工艺中电捕焦油分为中温和常温两种，首先利用中温电捕焦油器除去大部分焦油，然后通过间冷塔将燃气冷却至常温，再利用常温电捕焦油器除去余下的少部分焦油。

前已述及，生物质燃气中含有S、Cl等杂质很少，因此并不需要火力发电厂复杂的脱除流程及庞大的脱除设备。仅需要利用干法脱除(如Fe₂O₃、ZnO和CaCO₃等)的方式即可使S、Cl含量分别降至30ppm、0.5ppm以下。完全满足内燃机对这些杂质的要求，同时保证烟气外排时不污染大气。

对于气体净化工艺，可参考本申请人于同日提交的发明名称为“一种应用于生物质气化过程的气体深度净化工艺”的专利申请，其全文引入本文作为参考。

其中所述的气体深度净化工艺，将由气化炉出来的粗燃气分别经过水洗塔、中温电捕焦油器、间冷塔、常温电捕焦油器、脱氯塔和脱硫塔后，最终可得到深度净化的净燃气。该净化工艺可将生物质燃气焦油、硫和氯可分别脱至8ppm、30ppm以及0.5ppm以下。完全满足后续进一步利用的要求。

对于燃气发电工艺及设备，可采用本领域常规的工艺及设备，没有特别要求。

附图说明

图1是本发明规模化固定床生物质气化发电成套设备示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。本领域技术人员了解，下述具体实施方式不得作为对本发明的限制，任何对本发明的改进都没有背离本发明的精神。

如图1所示，收集到的生物质利用成型机压缩成高密度的棒状(1.1-1.2kg/m³)进入气化炉。该生物质气化炉的炉内径为3m，高为3m，日处理压缩成型秸秆51吨。其中气化炉使用空气与水蒸气(来源于后续间冷塔中排出的高温水汽)的混合气作为气化剂在气化炉底入炉向上流动，该气化剂与自上而下的原料逆流接触，在燃烧层中充分反应提供气化所需热量，气化完全后以灰的方式由底部排出。气化炉产生的气化气、干馏气及焦油等混合气由炉体顶部排出，该粗燃气分别经过水洗塔、中温电捕焦油器、间冷塔、常温电捕焦油器、脱氯塔和脱硫塔，除去99％以上的灰，并将生物质燃气焦油、硫和氯可分别脱至8ppm、30ppm以及0.5ppm以下。由深度净化工序排出的净燃气进入内燃机燃烧发电，并利用变压器转变为35kV高压电远程输送。此外，该工艺中还包括残渣回收、废水处理以及烟气排放等附属设施。

上述气化炉中的生物质转化率为98％，气化强度为294.8kg/m²h，出口燃气含氧量为0.4％，发电负荷2MW。

Claims (10)

1.一种规模化固定床生物质气化发电生产工艺，其特征在于包括原料预处理、生物质固定床气化、气体净化和燃气发电步骤。

2.根据权利要求1的生产工艺，其特征在于原料预处理步骤包括生物质收集、烘干和成型步骤。

3.根据权利要求1或2的生产工艺，其中所述的生物质原料选自农作物秸秆，成型后的相对密度为1.1-1.2kg/m³。

4.根据权利要求1-3任一项的生产工艺，其特征在于所述的气化炉为大规模固定床气化炉。

5.根据权利要求1-4任一项的生产工艺，其特征在于气体净化部分采用两段水(热水和冷水)喷淋净化，采用电捕的方法除去焦油，并利用干法脱除气体中微量含氯、硫组分。

6.根据权利要求1-5任一项的生产工艺，其特征在于燃气可用于内燃机发电。

7.根据权利要求1-6任一项的电生产工艺，其特征在于，由如下步骤组成：

(1)原料预处理，主要包括原料收集、烘干步骤和原料成型步骤；

(2)生物质气化，主要包括在大型生物质固定床气化炉中气化的步骤；

(3)气体净化，主要包括除灰、除焦油、脱硫、脱氯步骤；

(4)燃气发电，主要包括深度净化后的燃气主要利用内燃机燃烧发电。

8.一种规模化固定床生物质气化发电的成套设备，其特征在于包括原料预处理、生物质固定床气化、气体净化和燃气发电装置。

9.根据权利要求8的成套设备，其特征在于原料预处理装置包括生物质收集、烘干和成型装置。

10.根据权利要求8或9的成套设备，其特征在于，由如下结构组成：

(1)原料预处理装置，主要包括原料收集、烘干和成型装置：

(2)生物质气化装置，主要包括大型生物质固定床气化炉；

(3)气体净化装置，主要包括除灰、除焦油、脱硫、脱氯设备；

(4)燃气发电装置，主要包括内燃机。