CN102786989B

CN102786989B - 一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备

Info

Publication number: CN102786989B
Application number: CN 201210288163
Authority: CN
Inventors: 杨巨生; 李红格; 郭建明; 李岩; 金燕; 谢克昌
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: CN102786989A

Abstract

本发明提出一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，包括内外筒结构的流化床燃烧内筒和流化床气化外筒，以及配套的气固分离系统和回料系统，其中，设有两个气化剂入口分别位于流化床气化外筒的上下部，以增强流化效果，使得气化反应充分进行，同时通过改变气化剂中CO₂与水蒸汽的比例得到H₂与CO体积分数比值不同的合成气；设有两个进料口分别进入气化外筒与燃烧内筒，可以通过调节进料量控制反应过程；采用惯性分离器，通过调节压缩空气进量和下L阀推动气进量控制物料循环量，不受其它因素干扰。该气化设备结构简单，热效率高，控制简单方便，具有极强的灵活性。

Description

一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备

技术领域

本发明涉及一种流化床煤气化的设备，特别是一种用于生物质与煤流化床共气化的气化设备。

背景技术

生物质气化是生物质利用的重要途径之一，但生物质单独气化存在一些不足，首先时生物质的供给受到季节的影响，单独气化的规模受到限制；其次是由于生物质处理后形成的颗粒具有不规则性，在流化床气化炉内不易形成稳定的料层，且由于气化温度较低，产生的气体焦油含量大，不易稳定运行。生物质、煤共气化可弥补生物质供给季节性缺陷，且可提高气化温度，促进生物质焦油进一步分解。

开发低焦油产率、高气化效率的气化工艺是生物质气化的发展方向。现有的煤气化技术有待进一步完善，以提高气化效率。生物质与煤共气化不仅可以弥补生物质和煤单独气化时的某些缺陷，而且有利于煤炭资源的可持续利用，并可减少CO₂、SO₂、氮氧化物等污染物的排放量，对环境保护，节约化石能源具有重要意义，极具开发前景。添加生物质改善煤气化过程中主要反应的条件，又能成功的将焦油裂解，不仅可以提高生物质和煤的利用效率，而且对燃气的后续加工利用及环境保护极其有利。

在本发明中，所述生物质是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中产生的禽类粪便和废弃物等物质；所述煤料是低挥发分粉煤、粉焦或煤矸石。

国内外现有的生物质与煤共气化设备大部分是使用现有的煤气化装置并向煤中添加生物质。目前流化床气化装置可分为两类：

第一类是单流化床气化装置，如获得的公告号为CN 201704294 U的一种“生物质和煤复合气化装置”，气化过程与燃烧过程一并同时进行，即通过一个气化炉完成燃料的燃烧气化，装置结构简单，生物质与煤混合完全，热能利用率较高，但是生成合成气中成分复杂，CO₂气体在产物中比例偏高，有效成分偏少；又如获得的公开号为CN 1557919A的 “一种生物质与煤混合流化床气化方法及其装置”，在供风燃烧阶段，向炉内通入煤和空气，使煤料在流化状态下燃烧放出热量；在供蒸汽气化阶段，向炉内供入水蒸汽与生物质，可以得到高热值燃气，并无焦油产生。该装置采用供风燃烧和供蒸汽气化的间歇式操作，利用煤燃烧产生的高温料层来气化煤与生物质，减小了热损失，提高了燃气热值，避免了焦油的产生，却降低了生产效率，增加了操作的复杂性。

第二类是双流化床气化装置，如公获得的告号为CN 200958098Y的一种“固体燃料制备高浓度合成气的双流化床气化-燃烧耦合装置”，气化过程和燃烧过程分别在两个流化床中进行，实现分别控制，通过循环系统使吸热的气化反应和放热的燃烧反应在同一装置完成，可以获得高纯度合成气，实现了装置的高度集成和能量合理协调，但由于燃烧过程与气化过程的分离，热量传递仅以流动材料在燃烧炉和气化炉间的循环流动实现，相对于一体进行时的直接热辐射或对流换热效率要低，而且独立的气化炉与燃烧炉均存在对外散热，散热面积大，系统热损失大。

申请人已申请的公开号为CN 1786123A的专利文献 “内外循环煤气化方法及装置”，解决了上述问题，其提出了一种煤的燃烧与气化交替进行、煤燃烧过程通过高温物料循环以及内、外筒的热传递为煤的气化提供热源、实现内循环与外循环的复合循环的煤气化方法及设备。但其原料与循环物料在惯性分离器中混合进入气化室，无法有效控制调节气化室原料进量与物料循环量，且上L阀处容易发生进料堵塞；水蒸汽入口位于气化室下部，送入燃烧室的循环物料气化反应不够充分。

发明内容

本发明通过对现有生物质与煤流化床共气化的设备进行改进，进一步解决原料与循环物料在惯性分离器中混合进入气化室，未能有效控制调节气化室原料进量与物料循环量，且上L阀处进料容易发生堵塞；水蒸汽入口位于气化室下部，送入燃烧室的循环物料气化反应不够充分，由此提供一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备。

为了实现其上述目的及解决上述问题，本发明所提供的一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备是通过以下技术方案来实现的：

一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，其构成在于：

一流化床燃烧内筒，其顶端套设有惯性分离器；其中上部外表面设置有内筒套管延伸至底端；其外围套设有流化床气化外筒；流化床燃烧内筒与流化床气化外筒的底端依次连通设置有布风板及鼓风座，在鼓风座侧壁设置有至少两个以上的压缩空气入口，落灰管和水封槽位于鼓风座底端；

一流化床气化外筒，其内套设有流化床燃烧内筒；其顶端连通有旋风分离器Ⅱ和环形进料口，顶端内连接有预加热隔板延伸至流化床燃烧内筒的中部；其中部设置有上L阀及其上L阀供气口，以及连通有旋风分离器Ⅰ；其底部连通设置有气化蒸汽入口、燃烧内筒进料口、下L阀供气口以及旋风分离器Ⅱ和旋风分离器Ⅰ的进口管。

在上述的技术方案中，进一步地，所附加的技术特征在于：

所述流化床燃烧内筒与流化床气化外筒内外筒径比为1:2~4；

所述生物质与煤流化床共气化设备高度H_d与流化床气化外筒外径比为5~15:1；

所述惯性分离器呈倒锥形设置，内置有筒状挡板，其倒锥形锥体母线与竖直方向的夹角α₁=15°～75°，其水平投影直径与燃烧内筒直径比为1.5~3:1，其锥体垂直投影高度与锥顶沿中心线距燃烧内筒高度比为1.5~2:1；其挡板高度与锥体垂直投影高度比为2~3:1。

所述预加热隔板的外形呈筒状结构，与燃烧内筒的直径比为2.5~3.5:1；其底部呈倒锥形并延伸至气化外筒的下中部，倒锥形锥体母线与竖直方向的夹角为α₂=15°～45°。

所述内筒套管的上部呈锥形，锥体母线与竖直方向的夹角为α₃=15°～30°；其下部呈倒锥形，倒锥形锥体母线与竖直方向的夹角为α₄=α₁=15°～45°，与预加热隔板底部的倒锥形锥体母线与竖直方向夹角角度相等。

所述气化剂CO₂入口设置于流化床气化外筒的上部，至少设置两个以上。所述气化蒸汽入口设置于流化床气化外筒的下部，至少设置两个以上。

所述环形进料口设置于流化床气化外筒的顶端，至少设置两个以上；所述燃烧内筒进料口设置于流化床气化外筒的下部，连通至流化床燃烧内筒的下部，至少设置两个以上。

所述压缩空气入口设置于鼓风座的倒锥面，至少设置两个以上。

所述上L阀供气口和下L阀供气口是设置有至少两个以上。

本发明实现上述一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，与现有技术相比，其优点与积极效果在于：

以生物质与粉煤或粉焦为原料，这不仅大大降低了成本，还为生物质、粉煤利用开辟了新途径。

设计有惯性分离器、上环室L阀、流化床气化外筒、下环室L阀、流化床燃烧内筒、水封槽等结构，消除了升温过程中烟尘和干馏挥发分的污染。

使用CO₂、水蒸汽气化剂，共气化过程中产生交互促进的作用，提高了合成气的产率。通过改变气化剂中CO₂与水蒸汽的比例，可以得到H₂与CO体积分数比值不同的合成气。而且仅气化煤中易气化的部分，而难气化的部分进入流化床燃烧内筒被燃烧(用空气)，所耗气化剂量较低。

设有两个气化剂入口分别位于流化床气化外筒的上部和下部，增强流化效果，气化反应充分进行。

设有两个进料口分别进入气化外筒与燃烧内筒，可以通过调节进料量控制反应过程。

采用新型惯性分离器，通过调节压缩空气进量和下L阀推动气进量控制物料循环量，不受其它因素干扰，控制简单方便。

在本发明中，流化床燃烧内筒产生的高温烟气经过预加热隔板和生物质与煤料经预处理的混料逆流换热，烟气排出温度低，热效率高。

附图说明

图1是本发明生物质与煤流化床共气化设备的结构示意图。

图2是本发明生物质与煤流化床共气化设备的结构A-A剖面图。

图3是本发明生物质与煤流化床共气化设备的结构B-B剖面图。

图4是本发明生物质与煤流化床共气化设备的结构C-C剖面图。

图中：1：环形进料口；2：预加热隔板；3：气化剂CO₂入口；4：惯性分离器；5：内筒套管；6：上L阀供气口；7：上L阀；8：流化床燃烧内筒；9：流化床气化外筒；10：气化蒸汽入口；11：燃烧内筒进料口；12：布风板；13：鼓风座；14：烟气出口；15：旋风分离器Ⅱ；16：合成气出口；17：旋风分离器Ⅰ；18：下L阀供气口；19：压缩空气入口；20：落灰管；21：水封槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施本发明一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，包括惯性分离器4、流化床燃烧内筒8、流化床气化外筒9、旋风分离器Ⅱ15、旋风分离器Ⅰ17、压缩空气入口19和水封槽21。其设备构成如下：

设置一个流化床燃烧内筒8，其外套设有流化床气化外筒9，顶部连接有内筒套管5和惯性分离器4，下部连通燃烧内筒进料口11，底部设有布风板12、鼓风座13、压缩空气入口19、落灰管20以及水封槽21；

设置一个流化床气化外筒9，其内套设有流化床燃烧内筒8、预加热隔板2，顶部设有环形进料口1、连通有旋风分离器Ⅱ15、惯性分离器4，上部设有气化剂CO₂入口3、上L阀供气口6及上L阀7，下部设有气化蒸汽入口10、燃烧内筒进料口11、下L阀供气口18，下部连通有旋风分离器Ⅰ17，底部设有布风板12、鼓风座13、压缩空气入口19、落灰管20以及水封槽21；

设置一个惯性分离器4，下部连通有流化床燃烧内筒8，上部连通流化床气化外筒9、旋风分离器Ⅱ15，外套设有预加热隔板2；

设置一个旋风分离器Ⅱ15，其一侧上部连通流化床气化外筒9烟气出口管，顶部设有烟气出口14，底部通过回料管连通旋风分离器Ⅰ17；

设置一个旋风分离器Ⅰ17，其一侧上部连通流化床气化外筒9合成气出口管，顶部设有合成气出口16，底部通过回料管连通旋风分离器Ⅱ15与流化床气化外筒9。

流化床燃烧内筒8与流化床气化外筒9内外筒径比为1:2~4；生物质与煤流化床共气化设备总高度H_d与流化床气化外筒9外径比为5~15:1。

惯性分离器4呈倒锥形布置，设有筒状挡板，倒锥形锥体母线与竖直方向的夹角α₁=15°~75°；惯性分离器4水平投影直径与燃烧内筒8直径比为1.5~3:1；惯性分离器4锥体垂直投影高度与锥顶沿中心线距燃烧内筒8高度比为1.5~2:1；惯性分离器4挡板高度与锥体垂直投影高度比为2~3:1；燃烧内筒8中燃烧上升气流进入惯性分离器4，经惯性分离的煤焦沿预加热隔板2与内筒套管5下落进入气化外筒9，分离出的高温烟气经过预加热隔板2与环形进料口1进入的生物质与煤经预处理的混料逆流换热加热物料，沿预加热隔板2与惯性分离器4挡板上升进入烟气出口管道，经旋风分离器Ⅱ15通过烟气出口14排出。

预加热隔板2，其外形呈筒状，与燃烧内筒8直径比为2.5~3.5:1；底部呈倒锥形伸入气化外筒9下部，倒锥形锥体母线与竖直方向的夹角α₂=15°~45°；预加热隔板2将环形进料口1进入的原料与惯性分离器4中分离出的循环物料分隔开，进入气化外筒9下部的原料量由上L阀供气口6进入的推动气进量进行控制调节，惯性分离器4中的循环物料量由经压缩空气入口19进入燃烧内筒8的压缩空气与下L阀推动气进量进行控制调节，进一步解决了原料与循环物料在惯性分离器中混合进入气化室的问题，有效控制调节了气化室原料进量与物料循环量，避免了上L阀的进料堵塞的问题。

内筒套管5，其上部呈锥形，锥体母线与竖直方向的夹角为α₃=15°~30°；其下部呈倒锥形，倒锥形锥体母线与竖直方向的夹角α₄=α₁=15°~45°，与预加热隔板2底部倒锥形锥体母线与竖直方向夹角角度相等。

气化剂CO₂入口3设置于流化床气化外筒9的上部，至少设置两个以上，进一步设置为2~3个；气化蒸汽入口10设置于流化床气化外筒9的下部，至少设置两个以上，进一步设置为2~3个；气化剂CO₂入口3与气化蒸汽入口10分别位于流化床气化外筒的上部和下部，能够增强流化效果，使气化反应充分进行。

环形进料口1设置于流化床气化外筒9的顶端，至少设置两个以上，进一步设置为4~8个；燃烧内筒进料口11设置于流化床气化外筒9的下部，连通至流化床燃烧内筒8的下部，至少设置两个以上，进一步设置为2~3个；可分别调节环形进料口1与燃烧内筒进料口11的进料量控制反应过程。

压缩空气入口19设置于鼓风座13的倒锥面，至少设置两个以上，进一步设置为4~8个。

上L阀供气口6和下L阀供气口18是设置有至少两个以上，进一步设置为4~8个。

基于本发明上述的一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，实现该设备的一种用于生物质与煤流化床共气化方法如下：

步骤一，原料预处理。在本发明方法中，所述原料是根据农村的生活环境，将农林作物除果实以外的秸秆等，以及所及含有木质素的叶、茎、杆等，并将所及的生物质粉碎为小于5mm的粒料；再将包括低挥发分的粉煤、粉焦或煤矸石等煤料粉碎为0.1～2mm的粒料，按生物质粒料与煤粒料的质量比为0.25～1：1的比例进行混合均匀，构成生物质煤混料，备用；

步骤二，在流化床气化外筒9中进行气化。将生物质煤混料通过环形进料口1经预加热隔板2加入上L阀7中，经过预加热隔板2预热温度由20～30℃升高为400～500℃，再由上L阀供气口6进入的推动气将其推入流化床气化外筒9中，通过气化剂CO₂入口3与气化蒸汽入口10加入气化剂进行气化，气化剂为按质量比为2：3的CO₂与过热水蒸汽，气化反应产生的气体通过旋风分离器Ⅰ17进行气固分离后经合成气出口16输出，可通过改变气化剂中CO₂与水蒸汽的比例，得到H₂与CO体积分数比值不同的合成气；

步骤三，在流化床燃烧内筒8中进行气化。将生物质煤混料通过燃烧内筒进料口11直接加入燃烧内筒8中；流化床气化外筒9中未气化反应的煤焦，由气化外筒9下部的下L阀供气口18进入的推动气推入流化床燃烧内筒8中；直接加入燃烧内筒8的生物质煤混料由气化外筒9进入燃烧内筒8的未气化反应的煤焦与由压缩空气入口19进入燃烧内筒8的压缩空气进行燃烧反应，后由压缩空气推动气流沿燃烧内筒8上升，部分煤焦随燃烧气流进入惯性分离器4，经惯性分离出的煤焦沿预加热隔板2与内筒套管5下落进入气化外筒9中进行循环气化，循环过程中高温循环物料为气化反应提供热量，物料循环量通过压缩空气入口19的压缩空气进量和下L阀供气口18的下L阀推动气进量进行控制调节；在流化床燃烧内筒8中燃烧煤焦产生的高温烟气经过预加热隔板2与生物质煤混料逆流换热加热物料，后通过旋风分离器Ⅱ15由烟气出口14排出，降低烟气出口温度的同时预热了生物质煤混料，流化床燃烧内筒8中燃烧产生的灰渣由底部落灰管20排出；

步骤四，是经旋风分离器Ⅱ15和旋风分离器Ⅰ17排出的飞灰沿回料管进入流化床气化外筒9中；水封槽21实现燃烧内筒8与环境的隔离，消除了升温过程中烟尘和干馏挥发分的污染，压缩空气由鼓风座13进入布风板12实现燃烧内筒8内物料的流化提升燃烧。

其中，床层温度根据压缩空气量、气化剂量和生物质量/煤量的比值参数调节来达到预期温度，这些参数的调节范围为：压缩空气量/煤和生物质混料总量的比值为1～2.5m³空气/kg混料，气化剂总量/煤和生物质混料总量的比值为0.1～0.5Kg气化剂/kg混料，生物质料量/煤料量的比值为0.25～1：1。此时流化床气化外筒8中气化温度维持在700～900℃，流化床燃烧内筒9中气化温度维持在900～1100℃，可获得较好的气化效果，气化效率高。

其中，物料循环量根据压缩空气入口速度、上下L阀推动气速度、气化剂入口速度进行调节，这些参数的调节范围为：压缩空气入口19进气速度为1～5m/s，上L阀供气口6与下L阀供气口18进入推动气速度为0.06～1.2m/s，气化剂CO₂入口3与气化蒸汽入口10进气速度为0.8～2.0m/s。此时流化床内外筒间有足够稳定的物料循环量可以保证有足够连续的热量供气化吸热，且可达到较好的流化效果，避免物料堆积堵塞。

Claims

1.一种用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，其特征在于：

一流化床燃烧内筒（8），其顶端套设有惯性分离器（4）；其中上部外表面设置有内筒套管（5）延伸至底端；其外围套设有流化床气化外筒（9）；流化床燃烧内筒（8）与流化床气化外筒（9）的底端依次连通设置有布风板（12）及鼓风座（13），在鼓风座（13）侧壁设置有两个或两个以上的压缩空气入口（19），落灰管（20）和水封槽（21）位于鼓风座（13）底端；

一流化床气化外筒（9），其内套设有流化床燃烧内筒（8）；其顶端连通有旋风分离器Ⅱ（15）和环形进料口（1），顶端内连接有预加热隔板（2）延伸至流化床燃烧内筒（8）的中部；其上部设置有气化剂CO₂入口（3）；其中部设置有上L阀（7）及其上L阀供气口（6），以及连通有旋风分离器Ⅰ（17）；其底部连通设置有气化蒸汽入口（10）、燃烧内筒进料口（11）、下L阀供气口（18）以及旋风分离器Ⅱ（15）和旋风分离器Ⅰ（17）的进口管；

所述惯性分离器（4）呈倒锥形设置，内置有筒状挡板，其倒锥形锥体母线与竖直方向的夹角α₁=15°～75°，其水平投影直径与流化床燃烧内筒（8）直径比为1.5~3:1，其锥体垂直投影高度与锥顶沿中心线距流化床燃烧内筒（8）高度比为1.5~2:1；其挡板高度与锥体垂直投影高度比为2~3:1；

所述预加热隔板（2）的外形呈筒状结构，与流化床燃烧内筒（8）的直径比为2.5~3.5:1；其底部呈倒锥形并延伸至气化外筒（9）的下中部，倒锥形锥体母线与竖直方向的夹角为α₂=15°～45°；

所述内筒套管（5）的上部呈锥形，锥体母线与竖直方向的夹角为α₃=15°～30°；其下部呈倒锥形，倒锥形锥体母线与竖直方向的夹角为α₄=α₁=15°～45°，与预加热隔板（2）底部的倒锥形锥体母线与竖直方向夹角角度相等。

2.如权利要求1所述的用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，其所述流化床燃烧内筒（8）与流化床气化外筒（9）内外筒径比为1:2~4。

3.如权利要求1所述的用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，其所述生物质与煤流化床共气化设备高度H_d与流化床气化外筒（9）外径比为5~15:1。

4.如权利要求1所述的用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，其所述气化剂CO₂入口（3）设置于流化床气化外筒（9）的上部，设置两个或两个以上，所述气化蒸汽入口（10）设置于流化床气化外筒（9）的下部，设置两个或两个以上。

5.如权利要求1所述的用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，其所述环形进料口（1）设置于流化床气化外筒（9）的顶端，设置两个或两个以上；所述燃烧内筒进料口（11）设置于流化床气化外筒（9）的下部，连通至流化床燃烧内筒（8）的下部，设置两个或两个以上。

6.如权利要求1所述的用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，其所述压缩空气入口（19）设置于鼓风座（13）的倒锥面，设置两个或两个以上。

7.如权利要求1所述的用于生物质与煤流化床共气化方法的设备，其所述上L阀供气口（6）和下L阀供气口（18）是设置有两个或两个以上。