CN102329656B

CN102329656B - 下吸式生物质气化反应室及其气化工艺

Info

Publication number: CN102329656B
Application number: CN2011102545907A
Authority: CN
Inventors: 张建超; 张瑜; 姜晨旭; 唐旻; 张建国
Original assignee: 张建超
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: CN102329656A

Abstract

本发明涉及一种下吸式生物质气化反应室及其气化工艺，所述反应室包括自动上料装置、一体式的初级气化区和二次气化区组成的气化区、自动整平装置、振动炉蓖、自动点火装置、自动排渣装置及炉内压力调节系统、炉温监测系统、炉内料位监测系统、进出口气体温度监测系统、进出口压力监测系统和火焰监测系统；所述工艺包括如下步骤：自动上料和进气、初级气化、二次气化、自动排渣。本发明科学环保，具有结构设计合理，自动化程度高，气化反应稳定可控，连续，无间断的显著特点，而且气化效率高，整体热值高；适合大面积推广应用，尤其是可应用于现有燃气发电机组的连续稳定发电。

Description

下吸式生物质气化反应室及其气化工艺

技术领域

本发明涉及生物质气化装置及工艺，生产燃气发电等新能源相关技术，尤其涉及一种生物质气化反应室及其气化工艺。

背景技术

能源与环保是当今世界亟待解决的两大问题，现时绝大多数能源供应仍然依赖化石燃料，然而其燃烧时排放的各类污染物却让环保问题雪上加霜。而事实是，我们所使用的化石燃料，却来源于生物质，而生物质其实是一种100％可再生的清洁能源。

广义上，生物质包括所有的植物，微生物，动物，以及它们产生的废弃物。生物质资源非常丰富，诸如城市固体垃圾(MSW)，林木，农业废弃物和其他富碳有机材料都是优良的生物质资源。每年地球上都因基于叶绿素的光合作用生成1400-1800亿吨生物质。储藏在这些生物质里面的化学能源是世界总能源消耗量的三倍以上，但是我们目前的利用率不足总量的3％。

现有生物质气化反应室利用厌氧燃烧产生可燃气体，但是由于其结构简陋，设计不合理，存在诸多缺陷，如：产气不稳定，排渣进料无法连续操作，气化反应不可控，点火系统原始简陋，无法重复使用，产气焦油含量高造成输气管线阻塞，或者损害腐蚀终端应用设备。因此无法长期连续使用，不便于储存运输或者大面积推广应用，从而无法应用于现有燃气发电机组连续稳定发电。

发明内容

鉴于现有技术所存在的上述问题，本发明旨在公开一种设计更为合理的生物质气化反应室及其气化工艺，其气化效率高，产气稳定可控，尤其实现了不间断连续气化。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种下吸式生物质气化反应室，包括上料装置、气化区、炉蓖、点火装置、排渣装置及炉内压力调节系统、炉温监测系统、炉内料位监测系统、进出口气体温度监测系统、进出口压力监测系统和火焰监测系统，其特征在于：

还包括自动整平装置；

所述上料装置为自动上料装置，位于气化反应室的顶部，包括两级球阀、一个料仓以及一个高低位料位监测器，所述料仓位于两级球阀之间，高低位料位检测器位于其料仓内部；

所述气化区由一体式的初级气化区和二次气化区组成，所述初级所化区在上，二次气化区在下，两者之间设置炉蓖；两套所述炉内压力调节系统分别位于所述初级气化区顶部和二次气化区顶部；

所述炉蓖为振动炉蓖，是上下两层分体结构；下层炉蓖是固定炉蓖，由多个梯型不锈钢齿条呈正梯型放置并通过其两端固定连接于下层炉蓖圈内侧形成，所述固定炉蓖固定于所述气化反应室的耐火材料壁上；上层炉蓖是活动炉蓖，由多个梯型不锈钢齿条呈倒梯型放置并通过其两端固定连接于上层炉蓖圈内侧形成，所述上层炉蓖与液压动力装置连接并连动；所述下层炉蓖的齿条与上层炉蓖的齿条对应咬合，并设定相邻的上下两层炉蓖的齿条咬合处的横向间隙为5-80mm；通过PLC自动控制系统控制所述液压动力装置带动所述上层炉蓖以不大于200次/分钟的频率振动；

所述自动整平装置包括动力部分和整平器；所述动力部分位于初级气化区的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；所述整平器位于初级气化区内部，包括套装固定于中心轴上的整平转臂；所述液压推动装置的缸头与减速电机相连接，减速电机的输出端与中心轴相连接，所述中心轴、减速电机的输出轴及缸头的中心线与所述气化区的中心线重合；

所述点火装置为自动点火装置，位于所述初级气化区下端的反应室侧壁处，包括油枪、点火器和推进系统；

所述排渣装置为自动排渣装置，与所述二次气化区底部的排渣通道相连接，包括两级球阀、一个料仓以及一个高低位料位监测器，所述料仓位于两级球阀之间，高低位料位检测器位于其料仓内部；

二次气化区的混合气体出气管路经输气管路连接至蒸汽换热器的进气管路；

所述气化区的进气管路分别经蒸汽缓冲罐和空气缓冲罐连接蒸汽换热器和空气预热装置的出气管路。

进一步的，所述初级气化区和二次气化区的耐火层均由硅酸铝耐火混凝土浇筑形成，保温层由陶瓷纤维包裹而成，初级气化区的进气口位于初级气化区顶部；二次气化区的进气口位于二次气化区的上部，其混合气体出气口位于二级气化区中部。

进一步的，所述振动炉蓖的不锈钢齿条的上底宽约10-100mm，上底与下底的宽度为1∶2-2∶3，厚度为20-150mm。

进一步的，自动整平装置的所述液压推动装置的行程为50-500mm，所述减速电机的转速为5-20rpm。

进一步的，所述炉温监测系统包括4-16个热电偶，均匀分布于所述初级气化区内。

生物质气化工艺，是在所述的生物质气化反应室内，装入生物质燃料，将含水量不大于20％的农作物废弃物或有机垃圾，18％以下为最佳燃料，装入气化反应室的炉内，并通过自动整平装置整平；

所述的农作物废弃物包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秆、花生壳大豆秆、瓜子壳及生物杂草、树叶、树枝等；所述有机垃圾包括旧报纸、纸盒、用过的方便筷子、废纸、废麻布、废旧手套等；

通过厌氧燃烧、并产生可燃气体：燃料点燃后在整套气体发生装备密封的前提下，用鼓风机向气化反应室内吹入空气、蒸汽或混合气体，引发炉内厌氧燃烧，并不断形成含有CO、H₂、CH₄、C₂H₆、CnHm的混合燃气；同时使用电机带动水环压缩机从另一端配合向里抽气，促使气体流动；

气化反应室中产生的燃气在炉中自上而下流动，产生的焦油，在燃烧层和还原层被裂解为可燃气体，所以出炉的燃气中焦油含量较低，经过加入适量的蒸汽和热空气的混合气体介质，气化效率可高达75％。

所述生物质气化工艺，具体说，包括如下步骤：

(1)上料和进气：生物质原料进入自动上料系统，一级球阀打开，原料进入料仓，料位监测装置检测到高位信号时，一级球阀关闭，之后二级球阀打开，原料进入初级气化区，料位监测装置检测到低位信号时，二级球阀关闭；同时，用鼓风机向气化反应室吹入经预热的气化介质；

所述生物质原料需要干燥至含水率≤20％，粉碎至直径≤30mm；

(2)初级气化：生物质原料进入初级气化区后，在微波料位监测仪检测到高位信号后，停止进料，由自动整平系统进行整平，之后由自动点火系统进行点火，火焰监测装置监测火焰达到预定指标后，油枪退出炉膛，大气联通管关闭，初级气化开始，即通过厌氧燃烧，形成燃气：在初级气化区，原料分为5层，分别为干燥层、热解层、燃烧层、还原层、灰烬层，均布的热电偶不间断向控制台传输各个料层的温度，通过控制进气量和整平装置的动作对初级气化区的5个层面进行控制和调整；

(3)二次气化：初次气化形成的固体余渣和结焦灰渣，经振动炉蓖的振动和挤压变为小颗粒炉渣顺利排放至二次气化区，同时向二次气化区再次通入预热的气化介质，进行二次气化；

(4)自动排渣：炉渣进入自动排渣系统后，一级球阀保持打开，炉渣进入料仓，料位监测装置检测到高位信号时，一级球阀关闭，之后二级球阀打开进行排渣，料位监测系统检测到低位信号时二级球阀关闭。

所述预热的气化介质为不低于160℃的蒸汽和/或热空气，蒸汽的温度可达到200℃以上，在进入所述气化反应室之前进行预先混合，或单独使用蒸汽或热空气。

所述气化介质的预热是通过下述方式实现的：

蒸汽换热：产出的混合气体通过二级气化区的排气口输送至蒸汽换热器，此时混合气体的温度为600～800℃，所述混合气体与水进行换热产生的部分高温蒸汽(温度达到164℃以上)经过蒸汽缓冲罐和调节阀进入气化区，作为气化介质参与还原反应并调节炉内温度，其余的蒸汽进入其他热回收装置；所述混合气体换热后进入后续的过滤装置。

空气换热：经过蒸汽换热器排出的混合气体输入内外双旋风换热除尘器，利用余热，将处于所述换热除尘器外层的空气加热，加热后的热空气温度可达到160℃以上，再经空气缓冲罐送入气化区，作为气化介质参与裂解气化反应。

在初级气化过程上，预热至160℃以上的蒸汽和热空气组成的混合气化介质，提前裂解原料，加快原料中水分释出，平衡气化反应室内的温度，促使燃烧层的温度快速提高，增强气化效率；初级气化后，原料经高温裂解气化反应，形成的固体余渣和结焦的灰渣，通过振动炉蓖的振动和挤压粉碎，可连续顺利排入二次气化区；二次气化过程中，再次利用预热至160℃以上的蒸汽和热空气组成的混合气化介质，对反应后的固体余渣和焦油等进行二次裂解，生成更多燃气，并减少了燃气中的焦油含量。

采用预热至160℃以上的热空气和蒸汽的混合气化介质，当蒸汽的温度达到200℃以上时，使得原料最大限度地快速反应，增加气化强度，进而可减少所述气化反应室的截面面积，减小设备体积，并平衡气化室的压力；尤其是增加了生成的混合气体中氢气的含量，减少部分氮气，提高气化效率和燃气热值。

与现有技术相比，本发明的优势显而易见：

(1)经过初级气化和二次气化，燃气流经燃烧层和还原层，焦油成分被裂解为燃气，气化效率可达到75％，较现有技术所达到的60％～70％的气化效率得到明显提高；

(2)原料添加与排渣可同时连续进行，不会产生空气倒流入气化反应室的情况，操作更安全可控，同时实现了连续无间断气化；

(3)自动整平装置可控的旋转下压动作，实现了更有效可控的整平操作，更有利于所述气化反应室的在氧化过程中的密封和连接气化。

(4)振动炉篦通过振动和挤压的共同作用完全解决了结焦和大颗粒炉渣无法排出的问题；

(5)点火装置实现完全自动化控制，使用寿命延长；

(6)气化反应室的初级气化区内均布的热电偶监控各料层温度，气化反应稳定可控；

(7)采用蒸汽与热空气作为气化介质，充分回收所产燃气余热的同时，提高气化反应室气化效率，燃气中氮气含量降低，氢气含量增加，尤其是焦油含量降低，整体热值得到提高。

综上，本发明所述的下吸式生物质气化反应室及其气化工艺，更科学更环保，具有结构设计合理，自动化程度高，气化反应稳定可控，连续，无间断的显著特点，而且气化效率高，整体热值高；适合大面积推广应用，尤其是可应用于现有燃气发电机组的连续稳定发电。

附图说明

图1是实施例的结构示意图；

图2是实施例的俯视图；

图3是上料装置的结构示意图；

图4为振动炉蓖的结构示意图；

图5为单层炉蓖(下层或上层)的结构示意图；

图6为上层炉蓖与液压缸的连接连动结构示意图。图中，

101 自动上料装置 1011、1013 一级、二级气动偏心球阀 1012 料仓

102 自动整平装置 1021 动力部分 1022 整平转臂 1023 中心轴

103 初级气化区 104 自动点火装置

105 振动炉蓖 1051 上层炉蓖 1052 下层炉蓖 2000 液压缸

106 二次气化区

107 自动排渣装置

3 蒸汽换热器

4 蒸汽缓冲罐

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的具体说明。

一种下吸式生物质气化反应室，如图1、图2所示，自上而下包括自动上料装置101、自动整平装置102、初级气化区103、自动点火装置104、振动炉蓖105、二次气化区106、自动排渣装置107，以及分别位于初级气化区103顶部和二次气化区106顶部的两套炉内压力调节系统、均匀分布于初级气化区103内的12个热电偶组成的炉温监测系统、由两个微波料位探测仪组成安装于初级气化区内的炉内料位监测系统、分别安装于气体进口输送管和出口管口处的进出口气体温度监测系统和气体进出口压力监测系统，以及位于点火器上方的火焰监测系统；

所述自动上料装置101，位于气化反应室的顶部，如图3所示，包括两级气动偏心球阀1011和1013、一个料仓1012以及一个高低位料位监测器，所述料仓1012位于两级球阀1011和1013之间，高低位料位检测器位于其料仓1012内部；

气化区由一体式的初级气化区103和二次气化区106组成，所述初级所化区103在上，二次气化区106在下，两者之间设置振动炉蓖105；气化区的耐火层均由硅酸铝耐火混凝土浇筑形成，保温层由陶瓷纤维包裹而成；初级气化区的混合气体介质进气口位于初级气化区103顶部；二次气化区的混合气体介质进气口位于二次气化区106的上部，其混合气体出气口位于二级气化区106中部。

所述振动炉蓖105，如图4所示，是上下两层分体结构；下层炉蓖1052是固定炉蓖，由多个梯型不锈钢齿条呈正梯型放置并通过其两端固定连接于下层炉蓖圈内侧形成，如图5所示，所述固定炉蓖1052固定于所述气化反应室的耐火材料壁上；上层炉蓖1051是活动炉蓖，由多个梯型不锈钢齿条呈倒梯型放置并通过其两端固定连接于上层炉蓖圈内侧形成，如图5所示；所述上层炉蓖1051与液压动力装置2000连接并连动，如图6所示；所述下层炉蓖1052的齿条与上层炉蓖1051的齿条对应咬合，并设定相邻的上下两层炉蓖的齿条咬合处的横向间隙为5-80mm；所述不锈钢齿条的上底宽约20mm，下底宽约40mm。通过PLC自动控制系统控制所述液压动力装置带动所述上层炉蓖以不大于200次/分钟的频率振动；

所述自动整平装置102包括动力部分1021和十字型整平转臂1022；所述动力部分1021位于初级气化区103的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；所述整平转臂1022位于初级气化区103内部，套装固定于中心轴1023上；所述液压推动装置的缸头与减速电机相连接，减速电机的输出端与中心轴1023相连接，所述中心轴1023、减速电机的输出轴及缸头的中心线与所述气化区的中心线重合；自动整平装置102的所述液压推动装置的行程为50-500mm，所述减速电机的转速为5-20rpm。

所述自动点火装置104，位于所述初级气化区103下端的反应室侧壁处，包括油枪、点火器和推进系统；

所述自动排渣装置107，与所述二次气化区106底部的排渣通道相连接，包括两级气动偏心球阀、一个料仓以及一个高低位料位监测器，所述料仓位于两级球阀之间，高低位料位检测器位于其料仓内部；

蒸汽换热器4通过输气管路与二次气化区106的混合气体出气管路连接；4蒸汽缓冲罐3通过输气管路分别连接至蒸汽换热器4的蒸汽出气管路和气化区的蒸汽进气管路；所述蒸汽换热器4上，装有液位计与压力表，用于监测蒸汽换热器内部压力与水位；同时有温度计，用于监测所产生的蒸汽温度，并配有安全阀，用于压力过大时泄压；所述蒸汽缓冲罐3，在其蒸汽入口处配有温度计，出口处配有压力表与流量计，并于出口处设置调节阀加以控制。

所述的生物质气化反应室的生物质气化工艺，包括如下步骤：

(1)上料和进气：生物质原料干燥至含水率≤18％，粉碎至直径≤30mm，进入自动上料系统，第一道球阀打开，原料进入料仓，料位监测装置检测到高位信号时，第一道球阀关闭，之后第二道球阀打开，原料进入初级气化区，料位监测装置检测到低位信号时，第二道球阀关闭；同时，用鼓风机向气化反应室吹入160℃的热空气和200℃蒸汽组成的混合气体介质；

(2)初级气化：生物质原料进入初级气化区后，在微波料位监测仪检测到高位信号后，停止进料，由自动整平系统进行整平，之后由自动点火系统进行点火，火焰监测装置监测火焰达到预定指标后，油枪退出炉膛，大气联通管关闭，初级气化开始，即通过厌氧燃烧，形成燃气：在初级气化区，原料分为5层，分别为干燥层、热解层、燃烧层、还原层、灰烬层，均布的热电偶不间断向控制台传输各个料层的温度，通过控制进气量和整平装置的动作对初级气化区的5个层面进行控制和调整；各个层面的反应如下

①干燥层，温度约达100℃

该层通过200℃的空气和水蒸气对物料进行干燥，提取出物料中的H₂O，生成水蒸气。

②热解层和燃烧层，温度约500℃～1000℃

主要反应：

A：CH_1.4O_0.6+0.6O₂+1.6N₂→0.7CO+0.6H₂+0.3CO₂+0.1H₂O+1.6N₂

B：CH_1.6O_0.6+0.4H₂O→CO+1.1H₂

C：C+O₂→CO₂

D：C+CO→CO₂

该层通过生物质原料和脱挥反应的生成物部分氧化，并释放大量的热量，将区域温度提升至1000摄氏度以上，生成CO，H₂，CO₂，H₂O。

③还原层，温度约850℃

主要反应：

A：C+CO₂→2CO (还原反应)

B：C+H₂O→CO+H₂ (还原反应)

C：CH_1.6O_0.6+0.4H₂O→CO+1.1H₂ (氧化反应)

该层为无氧反应区，这些反应将炉床的温度降至750-800℃，任何在炉床上方生成，并残余的焦油在此将会被热解，并进一步增加混合气体的产气量，

CH_1.6O_0.6+0.4H₂O→CO+1.1H₂

部分在火焰热解中生成的二氧化碳在此同焦结发生碳溶损反应，并增加产出混合气体的能量密度

C+CO₂→2CO

部分在干燥和火焰热解过程中生成的水蒸气又同焦结反应，使混合气体中氢气含量增加

C+H₂O→CO+H₂。

④灰烬层

在还原层之下，就是灰烬收集区。每隔一段时间，灰烬就通过炉篦，聚集到气化炉底部。

(3)二次气化：初次气化形成的固体余渣和结焦灰渣，经振动炉蓖的振动和挤压变为小颗粒炉渣顺利排放至二次气化区，同时向二次气化区再次通入热空气和蒸汽的混合气化介质，进行二次气化；发生如下反应：

少量的辅助氧化剂从炉蓖下方被注进混合气体当中，并进一步降低气体中焦油的含量，增加氢气含量和总的气体产量。

C+O₂→CO₂

C+H₂O→CO+H₂

2CO+O₂→2CO₂

C+CO₂→2CO

所述热空气和蒸汽的混合气化介质分别利用气化形成的混合气体的余热通过蒸汽换热和空气换热获得：

蒸汽换热：产出的混合气体通过二级气化室的排气口输送至蒸汽换热器，此时混合气的温度为600～775℃，所述混合气体与水进行换热产生的部分高温蒸汽经过蒸汽缓冲罐和调节阀进入气化区，参与还原反应并调节炉内温度，其余的蒸汽进入其他热回收装置；所述混合气体换热后进入后续的过滤装置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种下吸式生物质气化反应室，包括上料装置、气化区、炉蓖、点火装置、排渣装置及炉内压力调节系统、炉温监测系统、炉内料位监测系统、进出口气体温度监测系统、进出口压力监测系统和火焰监测系统，其特征在于：

还包括自动整平装置；

2.根据权利要求1所述的生物质气化反应室，其特征在于：

所述初级气化区和二次气化区的耐火层均由硅酸铝耐火混凝土浇筑形成，保温层由陶瓷纤维包裹而成，初级气化区的进气口位于初级气化区顶部；二次气化区的进气口位于二次气化区的上部，其混合气体出气口位于二级气化区中部。

3.根据权利要求1所述的生物质气化反应室，其特征在于：

所述振动炉蓖的不锈钢齿条的上底宽约10-100mm，上底与下底的宽度为1：2-2：3,厚度为20-150mm。

4.根据权利要求1所述的生物质气化反应室，其特征在于：

自动整平装置的所述液压推动装置的行程为50-500mm,所述减速电机的转速为5-20rpm。

5.根据权利要求1所述的生物质气化反应室，其特征在于：

所述炉温监测系统包括4-16个热电偶，均匀分布于所述初级气化区内。

6.一种如权利要求1所述的生物质气化反应室的生物质气化工艺，包括如下步骤：

（a）上料和进气：生物质原料进入自动上料系统，一级球阀打开，原料进入料仓，料位监测装置检测到高位信号时，一级球阀关闭，之后二级球阀打开，原料进入初级气化区，料位监测装置检测到低位信号时，二级球阀关闭；同时，用鼓风机向气化反应室吹入经预热的气化介质；所述生物质原料的含水率≤20%，直径≤30mm；

（b）初级气化：生物质原料进入初级气化区后，在微波料位监测仪检测到高位信号后，停止进料，由自动整平系统进行整平，之后由自动点火系统进行点火，火焰监测装置监测火焰达到预定指标后，油枪退出炉膛，大气联通管关闭，初级气化开始，即通过厌氧燃烧，形成燃气：在初级气化区，原料分为5层，分别为干燥层、热解层、燃烧层、还原层、灰烬层，均布的热电偶不间断向控制台传输各个料层的温度，通过控制进气量和整平装置的动作对初级气化区的5个层面进行控制和调整；形成混合气体包括CO、H₂、CH₄、C₂H₆、CnHm、N₂、CO₂；

（c）二次气化：初次气化形成的固体余渣和结焦灰渣，经振动炉蓖的振动和挤压变为小颗粒炉渣顺利排放至二次气化区，同时向二次气化区再次通入预热的气化介质，进行二次气化；

（d）自动排渣：炉渣进入自动排渣系统后，一级球阀保持打开，炉渣进入料仓，料位监测装置检测到高位信号时，一级球阀关闭，之后二级球阀打开进行排渣，料位监测系统检测到低位信号时二级球阀关闭。

7.根据权利要求6所述的生物质气化工艺，其特征在于：

所述步骤（a）中的生物质原料的含水率≤18%。

8.根据权利要求7所述的生物质气化工艺，其特征在于：

所述预热的气化介质为不低于160℃的蒸汽和/或热空气。

9.根据权利要求8所述的生物质气化工艺，其特征在于：

所述蒸汽温度不低于200℃。