CN102268297A - 大型生物质成型燃料固定床气化发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，包括上料装置、下吸式气化炉、净化系统和燃气发电机组，所述下吸式气化炉包括炉膛，炉膛包括筒状的水夹层，水夹层的顶部设有顶盖，水夹层的底部连接有灰仓，灰仓包括有灰仓侧部与灰仓底壁，灰仓侧部上设有出气口；灰仓上部设有炉排；所述顶盖上设有料位动力装置，料位动力装置传动连接有一固定板，固定板上固定连接有布料电机，布料电机的输出轴向下伸入顶盖且其底部设有料耙；所述上料装置为上料提升机，上料提升机的出料管穿过所述顶盖伸进炉膛内部。本发明适于以生物质成型燃料为原料，气化炉的结构使其直径突破以往2米的限制，可保证大型气化炉的连续运行，发电功率突破1MW的限制。

Description

大型生物质成型燃料固定床气化发电系统

技术领域

本发明涉及生物质能综合利用技术领域，尤其是一种利用生物质成型燃料作为能源的发电系统。

背景技术

我国是农业大国，农作物秸秆产量约为7亿吨/年，居世界首位。目前， 我国秸秆的主要用途是造纸、饲料、农村生活能源（作为燃料使用），还有一部分用来还田造肥，其余的秸秆被废弃或焚烧。成为“用处不大”但必须处理掉的“废弃物”，每年夏收和秋冬之际，总有大量的小麦、玉米等秸秆在田间焚烧，产生了大量浓重的烟雾，不仅成为农村环境保护的瓶颈问题，甚至成为殃及城市环境的罪魁祸首，已成为农村面源污染的新源头。

随着经济的发展，一次能源供应日益紧张，作为可再生可贮运的生物质能源受到了重视，但由于其具有密度低、分布广、含水率波动大等特点，导致其收贮运成本高，利用效率低，一直不能大规模利用。根据以上特点，河南省科学院能源研究所有限公司在2005与2010年分别完成了实用新型专利CN200520030243.6《生物质颗粒燃料成型机》和CN201020686245.1《一种生物质燃料平模成型机》，可把生物质压缩致密成型，第一种专利成型设备可把含水率低（15～20%），粒度小（最大尺寸小于12mm）的原料加工成直径6～12mm、颗粒密度1.0～1.3t/m³、含水率10～12%的生物质成型燃料。第二种专利成型设备可把含水率较高（18～30%）、粒度较大（最大尺寸小于50mm）的生物质原料加工成直径15～35mm、颗粒密度0.9～1.1t/m³的、含水率13～15%的生物质成型燃料。生物质成型燃料具有含水率小、密度大，贮运成本低，表面光滑、内摩擦力小，增加了生物质的流动性；成型燃料的颗粒大小均匀，透气性好，为设计MW级的固定床气化炉提供了条件。

现有的固定床气化发电系统包括上料装置、下吸式气化炉、净化系统和燃气发电机组，上料装置将生物质成型原料加入气化炉内，气化后燃气经过净化系统净化后送往燃气发电机组发电。

下吸式固定床生物质气化炉主要有炉膛、炉排与灰仓组成。根据原料在炉膛内的状态，自上而下可分为贮料层、干燥层、氧化层、还原层与灰层。在氧化层，部分生物质原料与空气中的氧发生氧化反应，为放热反应，为干燥层、热解层和还原层提供热量，氧化层在水平方向温度分布是否均匀是决定气化炉能否正常运行的关键。现运行的下吸式固定床气化炉，所用原料未进行压缩致密成型，颗粒大小不一，为了保证气化炉的正常运行，要求有较厚的干燥层与热解层。现有固定床气化炉氧化层温度不能监控，在大直径的气化炉中，氧化层易出现偏烧的情况。因此，现有气化炉炉膛直径控制在2m以内，如用于气化发电，发电功率只能在1MW以下。

以未成型的外形尺寸差别较大的生物质为原料进行气化时，整个料层的透气性差别较大，会出现炉膛烧穿，导致氧化层燃烧不均匀，会有一部分氧气进入燃气中，其氧含量不能稳定的控制在1%以内，不能满足静电捕焦设备的要求。燃气中的焦油杂质含量只能控制在50mg/m³以内，不能满足工业用气的要求，更不能满足连续的发电的要求了。现有的生物质固定床气化发电系统一般用于农村炊事用气或不连续的小型发电系统。

总之，现有的生物质固定床气化发电系统具有如下的缺陷：1.系统中的气化炉直径不能加大（2m以内），导致用于发电时发电功率小于1MW。2.燃气中焦油杂质含量高（只能控制在50mg/m³以下）。3.净化系统为湿式净化，污水处理难度大，要定期更换净化用水，有大量废水排放。4. 燃气中的氧含量不能稳定的控制在1%以内，达不到使用静电捕焦设备的要求，净化效果受到限制。5.现有的气化炉中的出灰机构出灰时需要停炉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，该发电系统中气化炉的结构适于以生物质成型燃料为原料，发电功率突破1MW的限制。

为实现上述目的，本发明的大型生物质成型燃料固定床气化发电系统包括上料装置、下吸式气化炉、净化系统和燃气发电机组，所述下吸式气化炉包括炉膛，炉膛包括筒状的水夹层，水夹层的顶部设有顶盖，水夹层的底部连接有灰仓，灰仓包括有灰仓侧部与灰仓底壁，灰仓侧部上设有出气口；灰仓上部设有炉排；所述顶盖上设有料位动力装置，料位动力装置传动连接有一固定板，固定板上固定连接有布料电机，布料电机的输出轴向下伸入顶盖且其底部设有料耙；所述上料装置为上料提升机，上料提升机的出料管穿过所述顶盖伸进炉膛内部。

所述灰仓下方设有除灰电机，除灰电机连接有减速器，减速器的输出轴向上伸入灰仓且其顶端高于所述炉排，所述减速器输出轴的顶端连接有第一灰耙，灰仓底壁上方的减速器输出轴上设有第二灰耙；灰仓底壁上设有落灰口，落灰口连接有第一出灰搅龙。

该发电系统还包括有换热系统，换热系统包括第一换热器、第二换热器和晾水塔，第一和第二换热器分别与所述晾水塔通过循环水管路循环连通，晾水塔出口处的循环水管路上设有循环泵；所述净化系统包括气路旋风分离器、过滤器、第一除液器、第二除液器和电捕焦器， 所述气路旋风分离器的出灰口处设有第二出灰搅龙；所述气化炉的出气口通过气路依次与所述的气路旋风分离器，过滤器、第一换热器、第一除液器、电捕焦器、第二换热器、第二除液器以及排风机串联连接，所述排风机的出气口连接有贮气柜，贮气柜的出气口与所述燃气发电机组相连接； 所述第一和第二除液器、所述第一和第二换热器以及所述电捕焦器分别通过管路与一贮液池相连接；所述过滤器内选用的滤料是成型后的生物质，作为滤料的生物质的密度在1.1t/m3以上。

所述第一和第二出灰搅龙的出口处皆通过出灰管路连接有尘路旋风分离器，第一和第二出灰搅龙出口处的出灰管路上设有闭风器；所述尘路旋风分离器通过出灰管路连接有布袋除尘器，布袋除尘器通过出灰管路连接有储灰仓。

所述电捕焦器进气口前的气路上通过旁通管路连接有旁路排空机构，旁路排空机构包括设在所述旁通管路上的引风机，引风机前的旁通管路上设有旁通阀。

所述引风机通过管路连接有燃烧装置，燃烧装置上设置有以液化气或油为燃料的辅助燃烧器。

所述过滤器与所述第一换热器之间的气路上设有压力计和温度计，所述电捕焦器与所述第二换热器之间的气路上设有压力计和温度计，所述第二换热器和第二除液器之间的气路上设有压力计和温度计。

作为滤料的生物质的直径为30mm，长度为30～60mm。

本发明具有如下的优点：

1. 本发明以生物质成型燃料为原料，可保证大型气化炉的连续运行。成型后的生物质，其颗粒均匀，流动性好，在大型气化炉内气化时，可保证炉内气流均匀，从而温度分布均匀，不易出现局部高温，为设计大型的下吸式固定床气化炉提供了可能。由于料耙可随布料电机上下移动，因此通过料耙的转动能够保证料层分布均匀。大型固定床气化炉的最大难题是氧化层各部分的温度分布均匀。气化炉料层自上而下可分为储料层、干燥层、热解层、氧化层、还原层与灰层（料层分布与现有技术相同）。气化炉直径放大以后（3m以上），氧化层易出现局部高温，当温度超过950℃时就会出现结渣问题，进一步导致布风的不均匀，更加剧了温度的不均匀，最终使气化炉不能正常运行。在本发明中，由于可以通过上料提升机连续加料，因此可减少贮料层、干燥层与热解层的厚度，使这三层的总厚度控制在100～150mm以内。氧化层温度均匀时，热量可均匀的向上传递，干燥层与热解层可保持厚度均匀。当氧化层出现局部高温时，其向热解层与干燥层传递的热量增加，干燥层与热解层转化为氧化层，工作人员可以根据这一特征采取相应的局部降温措施。水夹层的设置可带走部分的反应热量，在停炉时可使炉内氧化层上部的原料迅速降温，从而利于封火。由于气化炉得以加大，因此产气量得到提高，用于发电时发电功率得以突破以往同类产品最大发电功率（1MW）的限制。

2. 当料层厚度达到设计上限时，第一灰耙与第二灰耙同时转动，第一灰耙的转动扰动炉排上的灰层，一部分灰会从炉排上落下进入灰仓，第二灰耙的转动可把灰仓中的灰分带入第一出灰搅龙并向外输出。料层厚度达到设计下限时停止出灰。上述出灰结构和出灰过程可连续把灰层中的灰分在不停炉的情况下排出，从而保证了气化炉的连续运行。

3. 从气化炉中排出的高温生物质燃气含有大量的固体颗粒，通过净化系统中的旋风分离器时10μm以上的固体颗粒被分离出去；燃气接着通过过滤器时大部分10μm以下的固体颗粒被过滤掉。滤料的选型是因为生物质中挥发份含量达到70%以上，在温度达到450℃时挥发份即可大量析出，析出后留下的空隙可贮存燃气中小粒径的灰分，同时在高温时成型燃料热解产生的炭也可与燃气中少量的氧反应，生成CO，从而使燃气中的氧稳定控制在1%以下，为电捕焦器的稳定工作提供了条件。滤料中析出的挥发分进入燃气后可提高燃气的发热量。换热系统的设置能够方便地将燃气温度降低至需要的温度，具体是第一换热器将燃气温度降低至80度以下，以使电捕焦器能够高效地工作；第二换热器将燃气温度降至常温（45度以下），便于通过排风机送往贮气柜和燃气发电机组并燃烧发电。贮液池的设置便于收集废液，避免废液向环境中排放。

4. 闭风器的设置能够防止出灰时空气进入气化炉内。布袋除尘器和储灰仓的设置便于过滤并储存灰尘。

5. 气化炉启动时，由于炉膛温度没达到工作温度，氧化层没全部形成，烟气中的氧含量大于1%，但有一部分的可燃成分，此时的气体不能进入工作的电捕焦器。旁路排空机构的设置，便于在发电系统刚开始运行，燃气中氧气含量大于1%时通过旁路排空机构将燃气排出，避免氧气含量过高的燃气进入电捕焦器从而形成安全隐患。

6. 燃烧装置的设置便于将不可稳定燃烧的燃气燃烧后再排放出去，从而减少对大气的污染。启动气化炉时，辅助燃烧器可把烟气中的炭颗粒、CO等有害成分烧掉，从而达到气化炉启动时无污染物排放。

7. 便于监控本发电系统中各处的温度和压力，保证系统的正常工作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中下吸式气化炉的结构示意图；

图3是图2的A－A截面图；

图4是图2的B－B截面图；

图5是火把式燃烧装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示（图1中箭头所示方向为管路中介质的流动方向，图3中箭头方向为料耙的转动方向），本发明的大型生物质成型燃料固定床气化发电系统包括上料装置1、下吸式气化炉、净化系统和燃气发电机组2，所述下吸式气化炉包括炉膛，炉膛包括筒状的水夹层21，水夹层21的顶部设有顶盖22，水夹层21的底部连接有灰仓，灰仓包括有灰仓侧部23A与灰仓底壁23B，灰仓侧部23A上设有出气口24；灰仓与水夹层21的结合部设有耐火材料25，以利于保持还原层的温度，提高气化效率。灰仓上部设有炉排26；所述顶盖22上设有料位动力装置27，料位动力装置27传动连接有一固定板28，固定板28上固定连接有布料电机29，布料电机29的输出轴29A向下伸入顶盖22且其底部设有料耙31；所述上料装置1为上料提升机，上料提升机的出料管3穿过所述顶盖22伸进炉膛内部。所述料位动力装置27最好采用料位电动机，料位电动机通过丝杠4与固定板28传动连接。

如图2至图4所示，所述灰仓下方设有除灰电机6，除灰电机6连接有减速器7，减速器7的输出轴7A向上伸入灰仓且其顶端高于所述炉排26，所述减速器输出轴7A的顶端连接有第一灰耙8，灰仓底壁23B上方的减速器输出轴7A上设有第二灰耙9；灰仓底壁23B上设有落灰口11，落灰口11连接有第一出灰搅龙12。

如图1所示，该发电系统还包括有换热系统，换热系统包括第一换热器13、第二换热器14和晾水塔15，第一和第二换热器13、14分别与所述晾水塔15通过循环水管路16循环连通，晾水塔15出口处的循环水管路16上设有循环泵17。其中，第一和第二换热器13、14皆采用列管换热器。

如图1和图2所示，所述净化系统包括气路旋风分离器18、过滤器19、第一除液器41、第二除液器42和电捕焦器43， 所述气路旋风分离器18的出灰口处设有第二出灰搅龙44；所述气化炉的出气口24通过气路45依次与所述的气路旋风分离器18，过滤器19、第一换热器13、第一除液器41、电捕焦器43、第二换热器14、第二除液器42以及排风机46串联连接，所述排风机46的出气口连接有贮气柜47，贮气柜47的出气口与所述燃气发电机组2相连接；其中排风机46最好采用罗茨风机。所述第一和第二除液器41、42、所述第一和第二换热器13、14以及所述电捕焦器43分别通过管路与一贮液池48相连接。所述过滤器19内选用的滤料是成型后的生物质，作为滤料的生物质的具体参数为：直径30mm，长度30～60mm,密度1.1t/m³以上。

如图1和图2所示，所述第一和第二出灰搅龙12、44的出口处皆通过出灰管路49连接有尘路旋风分离器52，第一和第二出灰搅龙12、44出口处的出灰管路49上设有闭风器51；所述尘路旋风分离器52通过出灰管路49连接有布袋除尘器53，布袋除尘器53通过出灰管路49连接有储灰仓61。

如图1所示，所述电捕焦器43进气口前的气路45上通过旁通管路54连接有旁路排空机构，旁路排空机构包括设在所述旁通管路54上的引风机55，引风机55前的旁通管路54上设有旁通阀56。

如图1所示，所述引风机55通过管路连接有燃烧装置57，所述燃烧装置57可以是图5所示的火把式燃烧装置，也可以是其它各种类型的燃烧装置。如图5所示，在燃烧装置57上最好设置有以液化气或油为燃料的辅助燃烧器62。当排空不可燃的废气时，辅助燃烧器62开始工作，可把烟气中的炭颗粒、CO等有害成分烧掉，从而达到气化炉启动时无污染物排放。

如图1所示，所述过滤器19与所述第一换热器13之间的气路45上设有压力计58和温度计59，所述电捕焦器43与所述第二换热器14之间的气路45上设有压力计58和温度计59，所述第二换热器14和第二除液器42之间的气路45上设有压力计58和温度计59，以便于监控本发电系统中各处的温度和压力，保证系统的正常工作。

如图1至图5所示，正常工作时，上料提升机将贮料场内的生物质成型燃料提升后通过出料管3送入下吸式气化炉的炉膛，在炉膛内形成料层32并进行气化。当炉膛内料层32厚度达到上限时，上料提升机停止上料，第一灰耙8开始转动，灰分落入灰仓，第二灰耙9的转动把灰仓内的灰分带入出灰搅龙并经闭风器51排出。出灰的同时炉膛内的料层32下降，当料层32厚度降至下限时再开始加料。从而保证气化炉的连续运行。气化后的高温燃气（温度约为440℃）通过气路45依次通过气路旋风分离器18、过滤器19、第一换热器13、第一除液器41、电捕焦器43、第二换热器14和第二除液器42，最后燃气经过排风机46送往贮气柜47并最终进入燃气发电机燃烧发电。其中，在循环泵17的作用下换热系统内的循环水不断流动，将第一和第二换热器13、14内的热量带到晾水塔15内释放到环境中去，降温后的循环水又循环流动到第一和第二换热器13、14内进行换热。

燃气通过气路旋风分离器18时，燃气中所包含的10μm以上的固体颗粒被分离出去；燃气接着通过第一换热器13后其温度下降至80℃以下以便于捕焦气对燃气进一步净化；第一次温降后的燃气通过第一除液器41除液，降温燃气中的焦油、水等液体通过管路流到贮液池48贮存。除液后的燃气在正常工作的状态下进入电捕焦器43进一步深度净化（在本发电系统刚开始运行、氧化层未全部形成并导致燃气中氧气含量大于1%时，打开旁通阀56和引风机55，将燃气抽出去并供给燃烧装置57，经过燃烧后再排放至大气中），深度净化后燃气中的杂质含量降至10mg/m³以下。经过电捕焦器43净化后的燃气通过第二换热器14降温至常温（45℃以下）后流入第二除液器42，二次降温后的燃气中的焦油、水等液体经管路流入贮液池48贮存。二次除液后的燃气被排风机46抽送至贮气柜47，进而送往燃气发电机组2燃烧发电。

    由于本发明以生物质成型燃料作为原料、气化炉直径可以加大，因此产气量得到提高，用于发电时发电功率得以突破以往同类产品最大发电功率（1MW）的限制。本发明的出灰结构和出灰过程可连续把灰层中的灰分在不停炉的情况下排出，从而保证了气化炉的连续运行。料耙31可在料位动力装置27的带动下随布料电机29上下移动，从而保证料层分布均匀。净化系统的设置能够保证电捕焦器43的正常工作，使生物质燃气得到最大程度的净化。旁路排空机构的设置，便于在发电系统刚开始运行，燃气中氧气含量大于1%时通过旁路排空机构将燃气排出，避免氧气含量过高的燃气进入电捕焦器43从而形成安全隐患。

Claims (8)

1.大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，包括上料装置、下吸式气化炉、净化系统和燃气发电机组，其特征在于：所述下吸式气化炉包括炉膛，炉膛包括筒状的水夹层，水夹层的顶部设有顶盖，水夹层的底部连接有灰仓，灰仓包括有灰仓侧部与灰仓底壁，灰仓侧部上设有出气口；灰仓上部设有炉排；所述顶盖上设有料位动力装置，料位动力装置传动连接有一固定板，固定板上固定连接有布料电机，布料电机的输出轴向下伸入顶盖且其底部设有料耙；所述上料装置为上料提升机，上料提升机的出料管穿过所述顶盖伸进炉膛内部。

2.根据权利要求1所述的大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，其特征在于：所述灰仓下方设有除灰电机，除灰电机连接有减速器，减速器的输出轴向上伸入灰仓且其顶端高于所述炉排，所述减速器输出轴的顶端连接有第一灰耙，灰仓底壁上方的减速器输出轴上设有第二灰耙；灰仓底壁上设有落灰口，落灰口连接有第一出灰搅龙。

3.根据权利要求1或2所述的大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，其特征在于：该发电系统还包括有换热系统，换热系统包括第一换热器、第二换热器和晾水塔，第一和第二换热器分别与所述晾水塔通过循环水管路循环连通，晾水塔出口处的循环水管路上设有循环泵；

所述净化系统包括气路旋风分离器、过滤器、第一除液器、第二除液器和电捕焦器， 所述气路旋风分离器的出灰口处设有第二出灰搅龙；

所述气化炉的出气口通过气路依次与所述的气路旋风分离器，过滤器、第一换热器、第一除液器、电捕焦器、第二换热器、第二除液器以及排风机串联连接，所述排风机的出气口连接有贮气柜，贮气柜的出气口与所述燃气发电机组相连接； 

所述第一和第二除液器、所述第一和第二换热器以及所述电捕焦器分别通过管路与一贮液池相连接；

所述过滤器内选用的滤料是成型后的生物质，作为滤料的生物质的密度在1.1t/m3以上。

4. 根据权利要求3所述的大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，其特征在于：所述第一和第二出灰搅龙的出口处皆通过出灰管路连接有尘路旋风分离器，第一和第二出灰搅龙出口处的出灰管路上设有闭风器；所述尘路旋风分离器通过出灰管路连接有布袋除尘器，布袋除尘器通过出灰管路连接有储灰仓。

5.根据权利要求3所述的大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，其特征在于：所述电捕焦器进气口前的气路上通过旁通管路连接有旁路排空机构，旁路排空机构包括设在所述旁通管路上的引风机，引风机前的旁通管路上设有旁通阀。

6.根据权利要求5所述的大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，其特征在于：所述引风机通过管路连接有燃烧装置，燃烧装置上设置有以液化气或油为燃料的辅助燃烧器。

7.根据权利要求3所述的大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，其特征在于：所述过滤器与所述第一换热器之间的气路上设有压力计和温度计，所述电捕焦器与所述第二换热器之间的气路上设有压力计和温度计，所述第二换热器和第二除液器之间的气路上设有压力计和温度计。

8.根据权利要求3所述的大型生物质成型燃料固定床气化发电系统，其特征在于：作为滤料的生物质的直径为30mm，长度为30～60mm。

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