CN103666578A - 一种沸腾式生物质气化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沸腾式生物质气化工艺，其在气化炉内进行反应，气化炉包括反应段和尾灰段；反应段和尾灰段上下设置，反应段和尾灰段之间设有炉排；其中：（1）从气化炉反应段的侧部的进料口送入生物质原料，该进料口位于反应段的中部以下，距离反应段底部1/4-1/2高度的位置，反应段内堆积的料高为反应段高度的30%以下；从气化炉尾灰段的侧部通入气化介质；（2）首先使气化炉内的生物质原料在炉排上进行层燃；然后加大气化介质的通入速度，使气化炉内的生物质原料以沸腾状态进行气化反应，生成燃气。

Description

一种沸腾式生物质气化工艺

技术领域

本发明涉及一种沸腾式生物质气化工艺。

背景技术

目前生物质气化工艺主要有两个方向，一为流化床气化工艺，二为固定床气化工艺。流化床气化工艺是生物质燃料在炉内以流化状态完成气化过程；其主要特性为要求炉内生物质原料的存量较少，便于流化。固定床气化工艺是生物质在炉内以堆积的状态存在，以层燃的方式完成气化过程；其特点是要求炉内生物质原料的存量较大。

例如，中国专利01108139.2公开了一种生物质内循环锥形流化床气化工艺，其将生物质(如木屑、枝木亚、玉米杆、稻草、稻壳、麦草等农林剩余物)粉碎成粒度小于5mm的细颗粒，通过螺旋加料器加入流态化气化炉；气化介质为空气或由膜分离装置生产的富氧空气，气化介质经气化炉上段预热后由气化炉下部加入；流态化气化的气化反应段温度控制在600-900℃范围，气化炉上下部的压差100mmH₂O。

中国专利200710063368.2公开了一种循环流化床热解气化方法。该方法为：燃料在热解气化室中进行热解或气化反应，产生煤气和半焦；半焦在燃烧室中燃烧产生的高温循环灰送入热解气化室，为热解气化反应提供热量；热解气化室产生的半焦经设置于该室底部的半焦返料器送入燃烧室下部燃尽。该装置包括热解气化室、半焦返料器、燃烧室、分离器、循环灰返料器、细灰分离器、细灰返料器；热解气化室下部为收缩段，收缩段顶部设有布风装置,收缩段底部与半焦返料器相通。

中国专利201120558492公开了一种生物质固定床多联产气化炉，其包括炉体与炉箅，炉体内部设置均流装置，均流装置将炉体内部分为上、下两部分，上部为反应室，下部为催化裂解室；炉箅呈圆台形，设置在催化裂解室中并与反应室底部连接；炉体顶部还设置有空气进口，炉体底部设置有出炭口，炉体下部设置燃气出口，燃气出口与催化裂解室连通。

中国专利201120482192公开了一种焦油分级收集的固定床生物质气化设备，其包括气化炉，在气化炉的顶部或底部入口设置气化风入口管、出口设置第一导气管，经第一导气管连接有高温过滤除尘器，高温过滤除尘器经第二导气管串连有多个焦油收集器，每个焦油收集器内分别设有冷却器，焦油收集器下设有集焦池，集焦池的底部设有排焦管。根据燃气中焦油成分的馏段不同，利用冷却方式分级收集燃气中的焦油，再根据收集到的成分的不同，有效的利用。

上述技术方案中，流化床气化工艺的主要问题是燃气灰含量高，气化炉本体排灰功能很差；固定床气化工艺的主要问题是燃气焦油含量过高，容易出现烧偏、烧穿现象。

因此，如何提供一种燃气灰含量低、具备排灰功能且燃气焦油含量低的生物质气化工艺成为了业界需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种输出燃气的温度可调、焦油含量可控的生物质气化系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种沸腾式生物质气化工艺，其在气化炉内进行反应，气化炉包括反应段和尾灰段；反应段和尾灰段上下设置，反应段和尾灰段之间设有炉排；其中，

（1）从气化炉反应段的侧部的进料口送入生物质原料，该进料口位于反应段的中部以下，距离反应段底部1/4-1/2高度的位置，反应段内堆积的料高为反应段高度的30%以下；从气化炉尾灰段的侧部通入气化介质；

（2）首先使气化炉内的生物质原料在炉排上进行层燃；然后加大气化介质的通入速度，使气化炉内的生物质原料以沸腾状态进行气化反应，生成燃气。

本发明的沸腾式生物质气化工艺借鉴并结合固定床生物质气化工艺和流化床生物质气化工艺的特点。其气化过程包括启炉点火、层燃状态气化过程、沸腾状态气化过程、熄炉。其中以固定床气化炉的方式进行启炉点火，以流化床气化炉“关料不关风”的方式进行熄炉。因而可以说，本发明的沸腾式生物质气化工艺，前半段近似固定床气化炉的工艺，后半段近似流化床气化炉的工艺。

相应地，用于实现本发明工艺的沸腾式生物质气化炉在结构上也借鉴并结合固定床生物质气化炉和流化床生物质气化炉的特点。

进料方面，由于固定床气化炉内的料高比较高，通常达到反应段高度的80%，其必须从顶部进料；而流化床气化炉内的生物质燃料以悬浮状态或者流化状态进行气化反应，炉内无所谓料高，因而其进料口可以偏低，设于反应段侧部的中部以下，当生物质原料比较细、粉料多，则进料口可低些，当生物质原料比较粗，则进料口可高些；本发明的沸腾式生物质气化炉内的料高不会很高，一般为反应段高度的25%以下，而其进料口的位置只要略高于料高即可，其进料口借鉴流化床的进料口，设置于反应段的侧部，优选为距离反应段底部1/4-1/2的位置。

排灰和进气方面，由于流化床的炉排的正下方设有风口及风帽，排灰和进气很容易互相影响，即灰渣下落的过程中被风口及风帽阻挡，同时灰渣容易堵塞风口，导致向炉内送风困难，进而影响炉内气化反应的进程。而固定床的进风口通常位于尾灰段的侧面，不会阻挡排灰及被灰渣堵塞。本发明的沸腾式生物质气化炉的排灰和进气借鉴固定床的排灰和进气方式，将进气口设置于尾灰段的侧面。

筒壁方面，固定床气化炉通常为直筒，而流化床气化炉通常在紧邻尾灰段的上方设置开口向上的喇叭口，其目的是通过截面积的变化改变风速，（即截面积越小风速越大，截面积越大风速越小）。根据需要，本发明的沸腾式生物质气化炉可以设置用于改变风速的收口（喇叭口），也可以不设置。

本发明中，沸腾状态是指生物质原料颗粒在气化炉内悬浮的状态。

本发明中，生物质原料从气化炉反应段的侧部进入，落到炉排上，在炉排上进行层燃；待燃烧到一定程度以后，质量变轻，在底部进风口所进空气的吹动作用下，漂浮到反应段的上部，以沸腾状态完成气化过程；气化过程中所生成的燃气由位于反应段侧面上部的燃气出口排出。

本发明中，通过进风口通入气化介质。气化介质可以空气，也可以是在空气中添加了其它成分的气化介质，或者是对空气中各成分进行了调节的气化介质，例如，根据不同的生物质原料、场合以及目的，可以适当地增加或减少氧气、氮气、水蒸气、以及二氧化碳的含量，以控制转化率、产率以及产物如燃气的组成。

本发明的工艺综合了固定床气化工艺和流化床气化工艺的特点，生物质原料反应过程的前半段为固定床的反应过程，后半段为流化床的反应过程，即先层燃后沸腾，先氧化后还原。其在工艺上克服了流化床气化工艺和固定床气化工艺的缺点。相对于流化床气化工艺而言，由于本发明的气化工艺气流速度适宜，燃气携带的固体物质少，进而使燃气含灰分少；由于通过进风口通入气化介质，而进风口位于尾灰段的侧部。相对于流化床气化工艺在炉底设置风帽或布风板，可以更通畅地进行排渣，而不必担心炉渣堵塞位于炉底的风帽、布风板或者进风口。相对于固定床气化工艺而言，由于本发明的气化工艺燃料热解时间较短，所以燃气中焦油含量较低，进而防止焦油析出，阻塞管路。因此，本发明可以很好地满足生物质气化技术工业化的应用需要。

根据本发明另一具体实施方式，（1）中反应段内堆积的料高为反应段高度的5%-15%。

根据本发明另一具体实施方式，（2）中，当气化炉内的生物质原料在炉排上以层燃状态产生燃气之后，加大气化介质的通入速度，使气化炉内的生物质原料以沸腾状态进行气化反应。

根据本发明另一具体实施方式，（1）中通过多级进料装置进行多级送料，生物质原料依次经至少两个进料装置从料仓输送至气化反应器中，下一级进料装置的进料口通过封闭的中间料箱与其上一级进料装置的出料口连接相通。

例如，该多级进料装置至少包括首级进料装置、末级进料装置，每一级进料装置均包括位于前部上方的进料口、以及位于末端的出料口；首级进料装置、末级进料装置上下排布；首级进料装置的出料口与末级进料装置的进料口直接连接相通，或者通过位于首级进料装置和末级进料装置之间的一级或多级中间进料装置与末级进料装置的进料口间接连接相通；首级进料装置和每一所述中间进料装置的末端均设有封闭的中间料箱，首级进料装置和每一中间物料输送装置的出料口通过其中间料箱与其下一级进料装置的进料口连接相通；末级进料装置的出料口连接至生物质气化炉的进料口。

首级进料装置的进料口为整个多级进料装置的总进料口，末级进料装置的出料口为整个多级进料装置的总出料口。由于生物质物料质轻且体积小，容易四散漂浮，造成粉尘污染。封闭的中间料箱可以有效防止生物质物料从上一级进料装置进入下一级进料装置时的扩散。炉前多级进料装置用于将料仓内的生物质物料输送至生物质气化炉内。料仓内的生物质物料输入至首级进料装置的进料口内。料仓的落料口与首级进料装置的进料口之间也可设置封闭的中间料箱，以防止物料扩散。

通过设置多级进料装置，且各级进料装置之间通过封闭的中间料箱连接相通，当进料装置中输送生物质物料时，可以有效避免生物质气化炉内的气体顺着进料装置反窜进入料仓，进而防止设备反烟导致的料仓架空起拱，下料不畅、人员中毒及料仓爆炸等事故。

根据本发明另一具体实施方式，通过旋转式水冷炉排进行排灰，水冷炉排的每一炉排杆均为导热材料制成的带有空腔的管件（例如金属管或陶瓷管），水冷炉排的每一炉排杆均可在电机的驱动下进行旋转。通过使炉排的炉排杆旋转，可以促进在炉排上堆积的灰渣从炉排的间隙中掉落，进而达到较好的排渣效果。

根据本发明另一具体实施方式，通过旋转叶片式水冷炉排进行排灰，水冷炉排的每一炉排杆均安装有可以该炉排杆为旋转轴进行旋转的叶片，以通过叶片的旋转进行排渣。通过驱动电机带动炉排杆旋转，进而带动炉排杆上的叶片旋转，可以实现更好的排渣效果，有效地对炉排进行连续主动清渣，防止灰渣在炉排上堆积。具体而言，叶片可为螺旋形、多棱柱形、或者刀片形。

根据本发明另一具体实施方式，其启炉方式为：A、点火、以较低流速通入气化介质、进料；B、生物质原料以层燃状态产生燃气之后，加大气化介质的通入速度，使气化炉内的生物质原料以沸腾状态进行气化反应。该启炉方式类似于固定床气化工艺的启炉方式。

根据本发明另一具体实施方式，其熄炉方式为：A、停止进料；B、逐渐降低气化介质的通入速度，待炉内燃料反应完全，关闭气化介质的阀门或风机。该启炉方式类似于流化床气化工艺的启炉方式，即“关料不关风”的熄炉方式。

根据本发明另一具体实施方式，通过分离装置对（2）中产生的燃气进行除尘；将除尘后得到的颗粒物输送回气化炉中参与反应。根据本发明另一具体实施方式，除尘后的燃气输送至燃气用户进行燃烧；燃烧后的尾气输送回气化炉中参与反应。

本发明中，气化炉内进行的反应如下：

C(s)+O₂(g)=CO₂(g)+393.5kj/mol         (1)

CO₂(g)+C(s)=2CO(g)-172.46kj/mol       (2)

2CO(g)+O₂(g)=2CO₂(g)+565kj/mol        (3)

方程式1为气化炉底部氧化区的放热反应，为整个气化过程的热量来源；

方程式2为气化炉中上部还原区的吸热反应，产生CO；

方程式3为生物质燃气在燃烧过程中的氧化放热反应，产生CO₂。

通过观察方程式1和2，不难得出1mol的碳氧化放出的热量远远大于1mol的CO₂还原，其它的热量主要被高温裂解吸收，还有就是推高的气化炉的整体温度。

根据元素守恒和能量守恒，由于单位C氧化放出的热量远远大于CO₂还原吸热，气化过程又必须控制炉温不能太高，否则设备易损坏或炉底灰烧结，所以碳的氧化和还原都收到了炉温的制约，因而有一部分碳因无法被氧化或还原而形成炭灰。

通过将用气单位的CO₂回流，增加了方程式2的反应，同时烟气回流定会带回用热单位的余热，这样就实现了提高碳转化率和整体热效率。同时CO₂在高温下可以氧化焦油，使其变为气态碳氢化合物或CO，减少了焦油含量。通过提高碳转化效率和用热窑炉烟气余热利用，大大提高了整个系统的效率。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

本发明的工艺综合了固定床气化工艺和流化床气化工艺的特点，生物质原料反应过程的前半段为固定床的反应过程，后半段为流化床的反应过程，即先层燃后沸腾，先氧化后还原。其在工艺上克服了流化床气化工艺和固定床气化工艺的缺点。相对于流化床气化工艺而言，由于本发明的气化工艺气流速度适宜，燃气携带的固体物质少，进而使燃气含灰分少；由于通过进风口通入气化介质，而进风口位于尾灰段的侧部。相对于流化床气化工艺在炉底设置风帽或布风板，可以更通畅地进行排渣，而不必担心炉渣堵塞位于炉底的风帽、布风板或者进风口。相对于固定床气化工艺而言，由于本发明的气化工艺燃料热解时间较短，所以燃气中焦油含量较低，进而防止焦油析出，阻塞管路。因此，本发明可以很好地满足生物质气化技术工业化的应用需要。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是实现实施例1的沸腾式生物质气化工艺的系统结构示意图；

图2是实现实施例2中的炉排的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的沸腾式生物质气化工艺包括如下步骤：

（1）以固定床的方式进行启炉：在气化炉内点火，从气化炉尾灰段的侧部以较小的流速通入气化介质（空气），从气化炉反应段的侧部的进料口送入生物质原料，该进料口位于距离反应段底部1/4高度的位置；其中，通过多级进料装置进行多级送料；

（2）首先使气化炉内的生物质原料在炉排上进行层燃；生物质原料以层燃状态产生燃气之后，加大气化介质的通入速度，使气化炉内的生物质原料以沸腾状态进行气化反应，产生燃气；整个过程中控制反应段内堆积的料高为反应段高度的25%以下；

（3）通过分离装置对（2）中产生的燃气进行除尘，将除尘后得到的颗粒物输送回气化炉中参与反应；除尘后的燃气输送至燃气用户进行燃烧，燃烧后的尾气输送回气化炉中参与反应；

（4）以流化床的方式进行熄炉：首先停止进料；然后逐渐降低气化介质的通入速度，直至完全关闭。

如图1所示，实现本实施例的工艺的沸腾式生物质气化系统，包括料仓、多级（两级）进料装置1、沸腾式生物质气化炉2、除尘装置（例如单筒旋风除尘装置3）、温度调节装置4、燃气用户5。

其中，两级进料装置1包括首级进料装置101、中间料箱102、末级进料装置103。首级进料装置101为可调速的悬臂式螺旋输送装置。其包括位于前部上方的进料口、以及位于末端的出料口。料仓的落料口与首级进料装置101前部上方的进料口连接相通。首级进料装置101末端的出料口为向上的斜口，该斜口上设有压盖。斜口所在平面与悬臂式螺旋输送装置的轴线所成角度为45°左右。压盖具有自动复位机构。另外，首级进料装置101出料口之前的一段叶片去掉。首级进料装置101的出料口相对于水平面向上倾斜10°。封闭的中间料箱102设置于首级进料装置101的末端。中间料箱102内设有两个料位计，其中一个为低位料位计，另一个为高位料位计。末级进料装置103为悬臂式螺旋输送装置，其包括位于前部上方的进料口、以及位于末端的出料口。其出料口相对于水平面向上倾斜15°，其的出料口连接至生物质气化炉2的进料口。首级进料装置101、末级进料装置103上下排布；首级进料装置101的出料口与末级进料装置103的进料口通过中间料箱102直接连接相通。

沸腾式生物质气化炉2包括反应段21和尾灰段22；反应段21和尾灰段22上下设置，反应段21和尾灰段22之间设有炉排。其中，反应段21为竖直设置的筒体，其顶端密封。反应段21的侧部设有进料口211、烟气回流入口212、燃气出口213。进料口211位于反应段21的中部以下；燃气出口213设置于反应段21的侧面上部。尾灰段22为锥斗状，其位于反应段21的下方；尾灰段22的底部设有出渣口221；尾灰段22的侧部设有进风口222。出渣口221设有尾灰输送装置，该尾灰输送装置的末端通向料仓（图中未示）。

除尘装置3包括气体入口31、气体出口32以及出渣口33，气体入口31和沸腾式生物质气化炉2的燃气出口213通过管道连接。除尘装置3包括灰箱34，该灰箱34设置于出渣口33的下方。灰箱34的下部设有螺旋输送机35，该螺旋输送机35的另一端通向料仓（图中未示）。

温度调节器4包括燃气入口、燃气出口、空气入口、空气出口；燃气入口连接燃气输入管道411，燃气出口连接燃气输出管道412，该燃气输出管道412上设有引风机，其末端通向燃气用户5。空气入口连接空气输入管道421，空气输入管道421的端部设有鼓风机。空气出口连接空气输出管道422，空气输出管道422的另一端连接至沸腾式生物质气化炉2的进风口222。空气输入管道421和空气输出管道422之间设有用于连通二者的连通管道423，该连通管道上设有阀门。空气输出管道422上设有流量计。

燃气用户5设有烟气回流管道51，用于将燃气燃烧之后的烟气输送至气化炉。该烟气回流管道51上设有引风机，其末端连接至沸腾式生物质气化炉2的烟气回流入口212。

另外，除尘装置3和温度调节装置4之间的燃气输入管道411上设有水封装置，水封装置连接有放散用的管道。

燃气输出管道412和空气输出管道422上均设有放散装置。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：通过旋转叶片式水冷炉排进行排灰，水冷炉排的每一炉排杆均为导热材料制成的带有空腔的管件，水冷炉排的每一炉排杆均可在电机的驱动下进行旋转，水冷炉排的每一炉排杆均安装有可以该炉排杆为旋转轴进行旋转的叶片，以通过叶片的旋转进行排渣。

如图2所示，实现本实施例的工艺的炉排为水冷炉排8，其包括可调速的驱动电机801、多条并行排列的炉排杆802。驱动电机801用于驱动每条炉排杆802进行旋转。每条炉排杆802均为带有空腔的金属管，每条炉排杆802的两端均位于气化炉的炉体2之外，每条炉排杆802的两端均设有水冷旋转接头。每条炉排杆802均安装有螺旋形叶片803，螺旋形叶片803可以该炉排杆为旋转轴进行旋转，螺旋形叶片803均位于气化炉的炉体内。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种沸腾式生物质气化工艺，其在气化炉内进行反应，所述气化炉包括反应段和尾灰段；所述反应段和尾灰段上下设置，所述反应段和尾灰段之间设有炉排；其中，

（1）从所述气化炉反应段的侧部的进料口送入生物质原料，该进料口位于所述反应段的中部以下，距离所述反应段底部1/4-1/2高度的位置，所述反应段内堆积的料高为反应段高度的30%以下；从所述气化炉尾灰段的侧部通入气化介质；

（2）首先使所述气化炉内的生物质原料在所述炉排上进行层燃；然后加大气化介质的通入速度，使所述气化炉内的生物质原料以沸腾状态进行气化反应，生成燃气。

2.如权利要求1所述的沸腾式生物质气化工艺，其中，（1）中，所述反应段内堆积的料高为所述反应段高度的5%-15%。

3.如权利要求1所述的沸腾式生物质气化工艺，其中，（2）中，当所述气化炉内的生物质原料在所述炉排上以层燃状态产生燃气之后，加大气化介质的通入速度，使所述气化炉内的生物质原料以沸腾状态进行气化反应。

4.如权利要求1所述的沸腾式生物质气化工艺，其中，（1）中通过多级进料装置进行多级送料，生物质原料依次经至少两个进料装置从料仓输送至气化反应器中，下一级进料装置的进料口通过封闭的中间料箱与其上一级进料装置的出料口连接相通。

5.如权利要求1所述的沸腾式生物质气化工艺，其中，通过旋转式水冷炉排进行排灰，水冷炉排的每一炉排杆均为导热材料制成的带有空腔的管件，水冷炉排的每一炉排杆均可在电机的驱动下进行旋转。

6.如权利要求5所述的沸腾式生物质气化工艺，其中，通过旋转叶片式水冷炉排进行排灰，水冷炉排的每一炉排杆均安装有可以该炉排杆为旋转轴进行旋转的叶片，以通过叶片的旋转进行排渣。

7.如权利要求1所述的沸腾式生物质气化工艺，其启炉方式为：

A、点火、以较低流速通入气化介质、进料；

B、生物质原料以层燃状态产生燃气之后，加大气化介质的通入速度，使所述气化炉内的生物质原料以沸腾状态进行气化反应。

8.如权利要求1所述的沸腾式生物质气化工艺，其熄炉方式为：

A、停止进料；

B、逐渐降低气化介质的通入速度，待炉内燃料反应完全，关闭气化介质的阀门或风机。

9.如权利要求1所述的沸腾式生物质气化工艺，其中，通过分离装置对（2）中产生的燃气进行除尘；将除尘后得到的颗粒物输送回所述气化炉中参与反应。

10.如权利要求9所述的沸腾式生物质气化工艺，其中，除尘后的燃气输送至燃气用户进行燃烧；燃烧后的尾气输送回气化炉中参与反应。

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