CN103343021A - 一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置及其净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置及其净化方法，包括热管换热一段(1)、除尘段(3)、热管换热二段(2)，喷水调温装置(5)和清灰装置(4)，在热管换热一段(1)和热管换热二段(2)中，通过采用调节热管冷凝端工作参数迫使蒸发端管壁温度升高的方法，实现了热管蒸发端管壁上冷凝附着的焦油污垢的在线高效去除，从而使得整个换热过程始终能维持较高的换热效率。该装置结构简单，设计合理，操作方便，具有极高的实用性。

Description

一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置及其净化方法

技术领域

本发明涉及一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置及其净化方法。

背景技术

生物质能是通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量，是唯一可再生的二氧化碳零排放中性燃料。我国的生物质能虽然资源丰富，但是使用方式很不合理，并造成资源浪费和环境污染。若能合理利用这一清洁、可再生能源，将极大地缓解我国的能源短缺和大气污染的现状。而且特别需要指出的是，由于生物质资源本身分布非常分散，从经济利用的角度来看，运输半径决定了其更适合于作为分布式能源加以利用，而并不适合于进行大规模集中利用。

生物质能源转换技术主要包括燃烧、气化、液化、热解、固化以及发酵等多种。其中，生物质气化是生物质原料在缺氧状态下加热反应生成可燃气体的过程，由于生物质气化后能够同时满足热、电、冷、气等多种需求，因而其开发前景被特别看好。不过，生物质资源，特别是其中的秸秆类物质，由于其本身具有高挥发份含量、高碱金属/碱土金属含量及高氯含量的特点，导致生物质气化燃气中含有大量的焦油、碱金属/碱土金属及氯化物，这为生物质气化燃气的后续利用带来了极大的麻烦，也因此，生物质气化燃气的高效净化成为该领域内目前迫切需要解决的瓶颈难题。

其中，生物质气化燃气中的焦油是由200多种大分子多核芳香族碳氢化合物所组成的混合物，因其易引起冷凝、形成浮质、聚合产生更复杂的结构等原因而被视为一种有害成分，不仅导致产气率降低，还会堵塞和腐蚀设备，给过程设备和内燃机运行带来很大问题。然而，燃烧实验表明：焦油同时又有可能成为一种宝贵的能源或化工原料，例如，生物质焦油150℃以下上层馏分和150℃～210℃馏分热值、燃烧动力学特性与柴油相近似，可与柴油混溶，具有替代石油燃料的利用价值；210℃以上馏分则具有较好的燃烧特性，可替代重油燃料。以一台400m²/h的气化炉为例，其焦油估算产量高达每年上百吨。因此，若能将焦油回收，既可以消除污染，还能回收能源，一举多得。

此外，碱金属/碱土金属在生物质气化燃气中的存在形式有多种，就其危害程度而言，碱土金属的危害较轻，而碱金属的危害则非常严重。碱金属又分为有机碱金属和无机碱金属两种，其中，有机碱金属主要是与焦油结合在一起，当焦油被分解时会被释放出来，成为非常细小的颗粒物，一般过滤法难以将其有效脱除；无机碱金属则包括钾、钠单质及其氢氧化物、氯化物等，通常其在600℃以下即会在器壁以及内部等位置发生冷凝，造成积灰、堵塞、腐蚀等一系列问题。因而，大多数燃气利用设备如燃气轮机、燃气内燃机、燃料电池等对于燃气中碱金属的浓度含量均要求极高，必须控制到特定限值以下。

秸秆类生物质中氯元素含量高的特点使得燃气中的HCl/Cl₂浓度也很高。而HCl/Cl₂会引发金属管的高温腐蚀，且温度越高，腐蚀越严重。为控制高温氯腐蚀，通常应将各种金属壁面的温度控制在315℃(FeCl₃的沸点温度)以下。不过，氯腐蚀轻的场合则不受此限制。

综上所述，燃气中的主要有害杂质焦油、碱金属/碱土金属，以及HCl/Cl₂，均需要设法加以高效脱除。研究表明，对于HCl/Cl₂而言，在中低温条件下采用碱液清洗的方法就可以高效的脱除；对于绝大部分无机碱金属而言，当燃气温度低至400℃附近时，采用过滤法能够对其实现非常理想的过滤脱除效率。比较而言，实际上无机碱金属和HCl/Cl₂比较容易去除，而生物质燃气净化过程中真正的难点其实在于焦油的净化。

目前而言，焦油脱除方法主要包括水洗法、裂解法、过滤法、以及油吸收法等。水洗法的主要缺点包括显热浪费、焦油难回收、洗焦水二次污染等；裂解法包括热裂解法、催化裂解法、等离子体法等多种，其中的催化裂解法尤其被视为最为理想的焦油净化方法之一。不过，所有裂解法都需要解决HCl/Cl₂和碱金属的净化问题，而这只有将燃气降至中低温后才有可能实现。特别是其中的有机碱金属会因焦油在气相中发生二次裂解而被以极细小的颗粒形式释放出来，难以去除。此外，热裂解法的主要缺陷在于焦油分解效率太低，所需高温难以实现，经济性较差等。等离子体法的主要问题则在于电耗过高、处理速度慢、对重焦油转化效率不高，有害副产物NO_x也需要专门设法处理。而催化裂解法目前则至少存在两大问题：即燃气二次加热问题和催化剂问题。其中，二次加热问题是指燃气在进入催化裂解器之前需加热升温(100～200℃)以达到最佳反应温度，需外加热源或者使燃气部分燃烧，这将导致能耗大幅增加或燃气热值明显下降。催化剂问题则是目前催化裂解法亟待解决的瓶颈难题。现有的各种催化剂，例如白云石、橄榄石，镍基催化剂等，不同程度的存在着焦油转化率不高，热稳定性差，机械强度低，燃气含S、Cl时易中毒、或炭沉积失活等诸多难题。总体而言，催化裂解法对于催化环境的要求过于敏感和苛刻，当面对实际的应用场合时，要彻底解决诸如碳沉积、活性下降、中毒、失活等一系列难题，难度极大。

油吸收法具有废水排放低，净化效率高，热能可回收等优点，特别是该法中将捕捉的焦油引回气化炉内分解的方法比裂解法更加简单、廉价及节能，还能提高燃气热值，值得借鉴。该方法先通过一次冷却将燃气降温至400℃以下，再采用与吸收剂油直接接触的方式实现燃气的二次冷却和焦油的吸收脱除。不过，燃气一次冷却过程采用的却是直接喷水的蒸发式放热降温方式，之所以采用这种方式，是因为如果采用间接式换热器，会出现如下难以解决的难题：(1)换热管管壁温度低于焦油的露点温度时，焦油会在换热管管壁上冷凝，并与飞灰等混合在一起，形成极难以清除的粘性污垢，从而造成换热器效率下降，以至堵塞、失效；(2)部分露点温度低于200℃的焦油成分对于金属管具有较强的腐蚀作用；(3)换热管管壁温度高于315℃后，含氯化物高的燃气易造成严重的高温氯腐蚀。上述3点是造成目前不得不使用蒸发式放热降温方式的最主要原因。不过，计算表明，采用蒸发式放热降温方式将燃气从900℃以上降至400℃以下时，损失的燃气显热热量高达700kJ/m³以上，以生物质气化气的热值为500(kJm3计，接近燃气热值的15％，若直接降至常温，则损失的热量接近燃气热值的25％，从而造成了能量的极大浪费。即便在燃气降至低温后再回收其中的部分热量，也会因为其温度过低，缺乏实用价值。综上所述，油吸收法目前有两个未解决好的难题，其一是未同时解决好高温燃气的余热回收和降温的问题，导致了高温燃气显热的浪费；其二是中低温段采用与吸收剂油直接接触的换热方法后，焦油的分离过程造成了吸收剂油的损失，需定期补充，这使得整个系统仍存在较大的能量浪费和较高的运行成本。

就过滤法和吸附法而言，两者的共同点在于都需要先将燃气进行大幅度降温，因为焦油中某些组分的沸点最低可以达到100℃以下，燃气的温度越低，其净化效率就越高。因而，首先将燃气降至低温对于保证这两种方法中的净化效率而言至关重要，例如，对过滤法而言，没有发生冷凝的焦油是不可能被过滤下来的。而对于吸附法而言，温度越低吸附效率越高也是常识。因此，过滤法和吸附法也同样面临着温燃气的降温、余热回收的换热难题。目前，这两种方法也仍然是需要借助蒸发式放热降温方式来实现高温燃气的降温，因而同样造成了大量燃气显热的浪费。

目前，我国生物质气化电站多采用水洗、过滤及活性炭吸附手段来脱除焦油，存在热能浪费、能耗高、污染、过滤材料清洁困难及活性炭吸附效率下降快、易饱和难再生等问题，严重制约了生物质气化技术在我国的推广应用。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，包括热管换热一段(1)、除尘段(3)、热管换热二段(2)，喷水调温装置(5)和清灰装置(4)，其特征在于：

从上游装置来的高温燃气先经热管换热一段(1)降温至400℃附近后再进入除尘段(3)。燃气经高效除尘后，燃气中的飞灰含量降低至极低的水平，且燃气温度进一步降至400℃以下，然后进入热管换热二段(2)，将燃气温度进一步降低至250℃以下后排出，所述清灰装置(4)用于清除热管换热一段(1)的灰尘，喷水调温装置(5)一端位于热管换热一段(1)之后和除尘段之前，另一端位于热管换热二段(2)之后。

2.如权利要求1所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，其特征在于所述热管换热一段(1)包括排灰阀(1-1)、燃气流动空间(1-2)、热水引出管(1-3)、热管冷凝端管束(1-4)、给水引入管(1-5)、给水加热室(1-6)、隔板(1-7)、阀门(1-8)、蒸汽引出管(1-9)、集箱管(1-10)、热管蒸发端管束(1-11)、清灰装置(1-12)、燃气第一进口(1-13)和燃气第一出口(1-14)，所述燃气第一进口(1-13)和燃气第一出口(1-14)位于燃气流动空间(1-2)的两端，排灰阀(1-1)位于燃气流动空间(1-2)的下端，给水加热室(1-6)位于燃气流动空间(1-2)的上部，所述热管蒸发端管束(1-11)下端插入燃气流动空间(1-2)，并且热管蒸发端管束(1-11)之间具有清灰装置(1-12)，所述热管蒸发端管束(1-11)上端和集箱(1-10)连通，该集箱管(1-10)上部和热管冷凝端管束(1-4)相连，并插入给水加热室(1-6)内，该给水加热室(1-6)的一端上部具有蒸汽引出管(1-9)，另一端下部具有热水引出管(1-3)，所述给水引入管(1-5)从给水加热室(1-6)外侧插入，该给水引入管(1-5)上具有阀门(1-8)控制。

3.如权利要求1所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，其特征在于，所述集箱管(1-10)应有多根，每一根集箱管与热管蒸发端管束(1-11)中的部分管排相连后组成一组管排，这样的管排可以有很多组。

4.如权利要求3所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，其特征在于所述隔板(1-7)具有多片，将热管冷凝端管束(1-4)在给水加热室(1-6)内分隔成多个小加热室，所述给水引入管(1-5)也具有多根，每个小加热室单独引入一根给水引入管(1-5)。

5.如权利要求1所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，其特征在于所述热管换热二段(2)和热管换热一段(1)具有相同部件和组成，但不具有清灰装置，排灰装置(1-1)被更改为排焦油装置(2-1)。

6.一种采用如权利要求1-5所述的装置进行生物质气化燃气的余热回收与净化的方法，其特征在于所述从生物质气化装置来的高温燃气先经热管换热一段(1)降温至400℃附近后再进入除尘段(3)，此时，由于碱金属已经冷凝而焦油尚未发生冷凝，可以采用过滤等除尘方法将碱金属/碱土金属等固体颗粒飞灰高效去除，而且不会使得焦油冷凝滞留在除尘装置内，因而也就不会造成除尘装置的堵塞和清理困难。经过除尘段(3)后，燃气中的飞灰含量降低至极低的水平，且燃气温度降至400℃以下，此后进入热管换热二段(2)，在该段中燃气温度被进一步降至250℃以下。

尽管燃气中的焦油从350℃就开始冷凝，但是由于焦油发生冷凝的主要温度区间在100～250℃之间，因此，当燃气温度将低于250℃以下后，在下游可以采用各种传统的焦油净化方法将焦油去除，例如过滤法、油吸收法等，均可以以更低的能耗实现更好的焦油脱除效率。注意在热管换热二段(2)中，因冷凝而附着在热管管壁上的焦油在重力作用下会向下流动，并且在燃气流动空间(1-2)的下部汇集，最后通过排焦油阀(2-1)将下部汇集在一起的焦油排出。

在热管传热一段(1)中，仅当热管蒸发端管束(1-11)的管壁温度升高至特定温度区间而使焦油蒸发离开管壁后，清灰装置(1-12)才会启动清除残留飞灰。而在热管传热二段(2)中，冷凝附着在管壁上的焦油，因温度较高而具有较高的流动性，其中的部分焦油会在重力作用下沿管壁流动至燃气流动空间(1-2)最下部后汇集，最后通过排焦油阀(2-1)排出，喷水调温装置(5)则通常是在热管蒸发段升温期间启动，用以调节热管换热二段(2)之后的燃气温度。

此外，换热过程中，冷凝在热管换热一段(1)和热管换热二段(2)的热管管壁上的焦油可以通过定期升高其管壁温度的方法使焦油蒸发去除，这一点主要是通过改变热管冷凝端的工作参数来实现。具体原理如下：由于热管蒸发段管束吸收的热量最终全部需要在热管冷凝端释放出去，因而热管冷凝端管束的换热量应等于热管蒸发端管束的换热量。这样，只要调节热管冷凝端管束的工作参数使其换热量改变，即可实现对于热管蒸发端管束换热量的有效调节。又因为热管蒸发端管束的换热量＝热管蒸发端管束的换热系数×换热面积×(燃气温度-管壁温度)，这样，在热管蒸发端的换热面积、换热系数以及燃气温度不变或变化不大的情况下，通过调节热管冷凝端管束的工作参数即可实现对制热管蒸发端管束的管壁温度的有效控制。调节热管冷凝端管束工作参数的具体方法包括：(1)调节热管冷凝端管束的管外侧吸热工质的换热系数。例如调节流速、压力等；(2)调节热管冷凝端管束的换热面积；(3)调节热管冷凝端管束的管外侧吸热工质的温度。

上述换热过程中，在需要考虑高温氯腐蚀的场合，“热管换热一段”中的热管管壁温度不宜高于315℃(氯腐蚀轻的场合除外)，一般应控制在300℃附近，以在减轻氯腐蚀的同时，也能减少某些高沸点焦油组分在其管壁上发生的冷凝。通过这种控制方法，可以使得在“热管换热一段”的管壁上附着的污垢主要为碱金属/碱土金属等飞灰类固体颗粒物质，而焦油组分所占的比例很低。当管壁上附着的污垢达到一定程度时，则通过调节热管冷凝端管束的工作参数等措施，使热管蒸发端的管壁温度在短期内上升至焦油的露点温度350℃以上使其蒸发。由于这部分污垢中焦油组分所占的比例不高，当受热升温后，绝大部分焦油组分很快就会蒸发离开管壁，最后污垢中基本上只剩下飞灰类杂质，此时通过震打等清灰措施即可将其剥离管壁，从而再次恢复换热管的换热能力。

上述换热过程中，“除尘段”所处的温度区间一般应设置在400℃附近，具体的温度区间还跟所采用的除尘方法或装置能够承受的最高温度、焦油的露点温度以及可保证有效去除碱金属的最高温度有关，设置原则为：(1)最高温度应不超过能有效去除碱金属类飞灰的温度；(2)最低温度应高于焦油开始冷凝的温度350℃；(3)最高温度还应低于除尘设备能够承受的最高温度。例如对于某种布袋除尘器而言，其能承受的最高温度为370℃，则除尘段设置的温度区间应在350～370℃之间。

上述换热过程中，“热管换热二段”中的热管管壁温度一般应控制在200℃附近，除非采用了专门的耐腐蚀材料，否则温度不宜太低。原因在于冷凝在管壁上的某些焦油组分对其产生低温腐蚀。在“热管换热二段”中，燃气温度将从400℃附近降低至250℃以下。在此换热段中，由于飞灰已经被高效滤除，管壁上附着的主要是焦油，且因换热管的管壁温度较高，附着在管壁上的焦油的粘度大大下降，具有较好的流动性，因而其中的很大一部分焦油可以通过自流式的方式离开热管管壁，进而被收集它用。对于个别沸点较高、粘度较高的焦油组分，不易通过自流式方式离开热管管壁，则当管壁上冷凝附着的焦油达到一定程度时，可以调节热管冷凝端管束的工作参数等措施，使相应热管蒸发端管束的管壁温度上升至350℃以上，使其上附着的焦油组分蒸发离开管壁，从而再次恢复换热管的换热能力。

上述换热过程中，“喷水调温装置”的主要作用在于在某些特殊情况下向燃气中喷入一定量的水，以将燃气温度降至相应处理过程所要求的区间。喷水点布置在如下两个位置，一个位于“热管换热一段”之后和除尘段之前，另一个位于“热管换热二段”之后。上述“某些特殊情况”包括：(1)在需要提高热管管壁温度以蒸发去除焦油时，热管换热段出口燃气温度将会升高，当燃气温度超出下游处理过程或设备所要求的温度区间时，需要进行喷水减温；(2)当因气化过程的工况变化导致燃气温度超出下游处理过程或设备所要求的温度区间时，也需要进行喷水减温。

通过采用本装置，最终可以达到如下的有益效果：(1)回收燃气中的余热，从而大幅度地提高了整个气化过程的能源转换率；(2)避免了焦油的二次污染，并可以回收焦油；(3)与其他焦油净化方法配合使用时，如过滤法、吸附法、油吸收法等，能够以更低的能耗实现更高的净化效率。

本发明结构简单，设计合理，操作方便，具有极高的实用性。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明专利的主要原理和处理流程示意图；

图2是本发明专利中“热管换热一段”回收燃气余热用于产生蒸汽/热水时的一种工作原理及装置图；

图3是本发明专利中“热管换热二段”回收燃气余热用于产生蒸汽/热水时的一种工作原理及装置图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明专利的原理和处理流程示意图，由如下5部分组成：包括热管换热一段(1)、除尘段(3)、热管换热二段(2)，喷水调温装置(5)和清灰装置(4)。从上游装置来的高温燃气先经“热管换热一段”降温至400℃附近后再进入“除尘段”。燃气经高效除尘后，燃气中的飞灰含量降低至极低的水平，且燃气温度进一步降至400℃以下，然后进入“热管换热二段”，将燃气温度进一步降低至250℃以下。此后在下游就可以采用多种方法将燃气中的焦油去除，如过滤法、油吸收法等。由于焦油在350℃以下才会冷凝，因此在“除尘段”内仅有飞灰滞留。不过，在“热管换热一段”中，当燃气中的氯化物特别是氯化氢的含量较高而必须考虑氯腐蚀时，热管蒸发端管束的管壁温度通常应控制在315℃以下(氯腐蚀很轻的场合不受此限制)，低于焦油的冷凝温度，因此管壁上附着的污垢不但包括飞灰，也含有少量的高沸点焦油组分。这部分污垢的去除方法采用的是先升高热管蒸发端的管壁温度使焦油蒸发，再利用“清灰装置”(如震打装置)将残留的飞灰清除的路线。“热管传热二段”的工作温度位于焦油的冷凝区间内，且飞灰已经基本被去除干净，因而附着在其管壁上的物质主要是粘性较低、具有良好流动性的焦油，这部分焦油可通过自流式的方式离开相应热管蒸发端的管壁，并被收集排出。但是每隔一定的时间，也需要采用类似于在“热管换热一段”中所采用的利用管壁升温蒸发去除焦油的措施，以去除某些沸点高、粘度大、不易通过自流式方式离开而逐渐在热管管壁上累积的焦油。

将热管管壁温度控制在特定温度区间的方法可以通过合理地选定相应管排区段的设计参数来实现。例如，在正常换热过程中，顺着燃气流动的方向燃气温度会因放热而逐渐降低。而在一般情况下，热管蒸发端管束的管壁温度也会因此而逐渐下降。为此，本例中采用了增大换热过程的热阻(特别是热管冷凝端换热过程的热阻)从而降低换热量的方法来使得热管的管壁温度沿着燃气流动的方向保持不变，或维持在特定的温度区间。热管蒸发段换热过程的换热计算式可以参考下式：

Q＝αF(t_g-t_b)

Q—总换热量；

α—换热系数；

F—换热面积；

t_g—燃气温度

t_b—热管蒸发端管壁温度

对于热管蒸发端的换热过程而言，在α、F以及t_g不变或变化不大的前提下，Q降低也就意味着t_b会升高。通过这种方法，只要在设计时选择的参数合理，就完全可以将热管蒸发端的管壁温度控制在设定的温度区间。

同理，通过改变热管蒸发端或冷凝端的换热系数、换热面积或工质温度等参数，同样可以达到控制热管蒸发端管壁温度的目的。

实施例1：“热管换热一段”回收燃气余热产生蒸汽或热水

如图2所示，是本发明专利中“热管换热一段”回收燃气余热用于产生蒸汽或热水时的一种工作原理及装置图，包括排灰装置(1-1)、燃气流动空间(1-2)、热水引出管(1-3)、热管冷凝端管束(1-4)、给水引入管(1-5)、给水加热室(1-6)、隔板(1-7)、阀门(1-8)、蒸汽引出管(1-9)、集箱(1-10)、U型热管蒸发端管束(1-11)、清灰装置(1-12)、燃气第一进口(1-13)和燃气第一出口(1-14)。一排或多排热管的蒸发端管束(1-11)的上端与集箱(1-10)相连通，从集箱(1-10)的上部引出热管的冷凝端管束(1-3)，直接插入到给水加热室(1-6)内，但与给水加热室(1-6)的内部空间不相连通。给水加热室(1-6)的空间又被隔板(1-7)分隔成多个小加热室，每排热管冷凝端管束(1-4)作为加热管束分别插入到其中的一个小加热室内。热管蒸发端管束(1-11)的管内工作介质(可以是萘、联苯、导热姆、无机工质等)产生的蒸汽在集箱(1-10)内汇集后向上进入热管冷凝端管束(1-4)的管内，并在管内以冷凝放热的形式，将热量传递给管束外给水加热室(1-6)内来自给水引入管(1-5)的给水。工作介质放出热量后变回液态，依靠重力作用再次流回下方的热管蒸发端管束(1-11)的管内，周而复始。给水加热室(1-6)被隔板(1-7)分割成多个小加热室，每个小加热室的液面高度均可通过阀门(1-8)实现单独调节。注意此处对液面高度的调节也即是对热管冷凝端管束换热面积的调节。当该装置用于产生蒸汽时，给水加热室(1-6)内各个小加热室内产生的蒸汽在上部空间汇集后通过蒸汽引出管(1-9)引出。当该装置用于产生热水时，给水在给水加热室(1-6)内的各个小加热室被加热后通过热水引出管(1-3)引出。热管蒸发端管束(1-11)直接插入到由金属外壳围成的燃气流动空间(1-2)内，用于吸收高温燃气的余热。当燃气中氯化物(特别是氯化氢)含量较高必须考虑高温氯腐蚀时，热管蒸发端管束(1-11)的管壁温度一般应控制在315℃以下，通常可控制在300℃附近。氯腐蚀很轻的场合则不受此限制。此外，热管冷凝端管束(1-4)的换热面积一般应远小于热管蒸发端管束(1-11)，以确保可以实现对热管蒸发端管束(1-11)的管壁温度的有效调节，进而确保其上所附着的焦油组分的蒸发去除。清灰装置(1-12)用于定期将管壁上附着的飞灰清除，而由清灰装置(1-12)清除下来灰垢则通过排灰阀(1-1)排出到装置的外部。

在正常换热状态下，高温燃气先经燃气进口进入到“热管换热一段”内，经过充分换热后降温至400℃附近，再经燃气出口离开“热管换热一段”。在换热过程中，燃气中会有少量焦油组分冷凝在热管换热器的管壁上，并与飞灰一起，在换热管壁上形成混合污垢。当管壁上附着的混合灰垢达到一定量时，即开始进行灰垢清理步骤，清理步骤分为如下两步：(1)对于需要进行除垢的区段，则通过调节阀门(1-8)，改变给水加热室(1-6)的相应小加热室内给水的液面高度、流速，或改变给水的进口温度等措施，使热管蒸发端管束(1-11)的管壁温度上升至350℃以上，从而使其上附着的焦油组分挥发；(2)焦油挥发后，清灰装置(1-12)开始工作，将管壁上残留的飞灰装置清除，并通过排灰阀(1-1)将清理下来的飞灰排出。灰垢被清除后，该区段热管蒸发端的换热能力随即得到恢复，此后再将热管蒸发端管束11的管壁温度恢复至正常换热状态即可。

实施例2：“热管换热二段”回收燃气余热产生蒸汽或热水

如图3所示，是本发明专利中“热管换热二段”回收燃气余热产生蒸汽时的一种工作原理及装置图，包括排焦油装置(2-1)、燃气流动空间(2-2)、热水引出管(2-3)、热管冷凝端管束(2-4)、给水引入管(2-5)、给水加热室(2-6)、隔板(2-7)、阀门(2-8)、蒸汽引出管(2-9)、集箱管(2-10)、热管蒸发端管束(2-11)、燃气第一进口(2-12)和燃气第一出口(2-13)。

图3中所示的“热管换热二段”与图2中“热管换热一段”的结构和控制方式基本类似，不同的地方在于如下3点：(1)图3中去掉了图2中的清灰装置(1-12)；(2)图2中的排灰阀(1-1)在图3中被更改为排焦油阀(2-1)；(3)在正常换热状态时，图3中热管蒸发端管束11的管壁温度应控制在200℃附近，而不是图2中的300℃附近。造成以上不同的原因有如下两点：(1)燃气在进入“热管换热二段”前已经降至400℃附近，且需要将燃气进一步降至250℃以下，因而图3中热管蒸发端管束11的管壁温度应下降，以保证换热过程有足够经济的温差，但为了防止低温腐蚀又不能降的太低；(2)燃气在进入“热管换热二段”前已经经历过除尘段，燃气中飞灰的含量非常低，在图3中“热管换热二段”的热管蒸发端管束11的管壁上附着的只有冷凝下来的焦油，因而不再需要清灰装置和排灰阀，但是仍然需要排焦油阀。其他控制管壁温度变化的方法措施则相同。

应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，包括热管换热一段(1)、除尘段(3)、热管换热二段(2)，喷水调温装置(5)和清灰装置(4)，其特征在于：

从上游装置来的高温燃气先经热管换热一段(1)降温至400℃附近后再进入除尘段(3)。燃气经高效除尘后，燃气中的飞灰含量降低至极低的水平，且燃气温度进一步降至400℃以下，然后进入热管换热二段(2)，将燃气温度进一步降低至250℃以下后排出，所述清灰装置(4)用于清除热管换热一段(1)管壁上附着的飞灰，喷水调温装置(5)一端位于热管换热一段(1)之后和除尘段之前，另一端位于热管换热二段(2)之后。

2.如权利要求1所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，其特征在于所述热管换热一段(1)包括排灰阀(1-1)、燃气流动空间(1-2)、热水引出管(1-3)、热管冷凝端管束(1-4)、给水引入管(1-5)、给水加热室(1-6)、隔板(1-7)、阀门(1-8)、蒸汽引出管(1-9)、集箱管(1-10)、热管蒸发端管束(1-11)、清灰装置(1-12)、燃气第一进口(1-13)和燃气第一出口(1-14)，所述燃气第一进口(1-13)和燃气第一出口(1-14)位于燃气流动空间(1-2)的两端，排灰阀(1-1)位于燃气流动空间(1-2)的下端，给水加热室(1-6)位于燃气流动空间(1-2)的上部，所述热管蒸发端管束(1-11)下端插入燃气流动空间(1-2)，并且热管蒸发端管束(1-11)之间具有清灰装置(1-12)，所述热管蒸发端管束(1-11)上端和集箱管(1-10)连通，该集箱管(1-10)上部和热管冷凝端管束(1-4)相连，并插入给水加热室(1-6)内，该给水加热室(1-6)的一端上部具有蒸汽引出管(1-9)，另一端下部具有热水引出管(1-3)，所述给水引入管(1-5)从给水加热室(1-6)外侧插入，该给水引入管(1-5)上具有阀门(1-8)控制。

3.如权利要求1所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，其特征在于所述集箱管(1-10)有多根，每一根集箱管与热管蒸发端管束(1-11)中的部分管排相连后组成一组管排。

4.如权利要求3所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，其特征在于所述隔板(1-7)具有多片，将热管冷凝端管束(1-4)在给水加热室(1-6)内分隔成多个小加热室，所述给水引入管(1-5)也具有多根，每个小加热室单独引入一根给水引入管(1-5)。

5.如权利要求1所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化装置，其特征在于所述热管换热二段(2)和热管换热一段(1)具有相同部件和组成，但不具有清灰装置，排灰阀(1-1)被更改为排焦油阀(2-1)。

6.一种采用如权利要求1-5所述的装置进行生物质气化燃气的余热回收与净化的方法，其特征在于所述从生物质气化装置来的高温燃气先经热管换热一段(1)降温至400℃附近后再进入除尘段(3)，此时，由于碱金属已经冷凝而焦油尚未发生冷凝，可以采用过滤、布袋除尘器等除尘方法将碱金属/碱土金属等固体颗粒飞灰高效去除。经过除尘段(3)后，燃气中的飞灰含量降低至极低的水平，且燃气温度降至400℃以下，此后进入热管换热二段(2)，将燃气温度进一步降至250℃以下。

7.如权利要求6所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化的方法，其特征在于，在热管换热一段(1)及热管换热二段(2)的换热过程中，当换热器的效率下降幅度超过5％，则调节热管冷凝端的工作参数，使得蒸发端管壁温度升高至焦油的露点温度以上，从而使冷凝在蒸发端热管管壁上的焦油污垢受热蒸发，恢复热管换热器的换热效率。

8.如权利要求7所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化的方法，所述调节热管冷凝端的工作参数的方法是：改变热管冷凝端管束外待加热工质的换热系数。

9.如权利要求7所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化的方法，所述调节热管冷凝端的工作参数的方法是：改变热管冷凝端与管外待加热工质之间的换热面积。

10.如权利要求7所述的一种生物质气化燃气的余热回收与净化的方法，所述调节热管冷凝端的工作参数的方法是：改变待加热工质的入口温度。

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