CN104152184B - 生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置及其气化方法 - Google Patents

Abstract

一种生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置及其气化方法。现有旋风气化炉的生物质燃料转化率低、生物质气化燃气热值低。本发明的装置包括，旋风热解室(1)内同轴心悬吊中心排气管(2)，旋风热解室(1)、悬浮燃烧室(3)、切换炉排(4)、风环(8)和灰斗(5)依次连接，切换炉排(4)与风环(8)之间设置点火孔(9)；旋风热解室(1)上部切线方向插接一组生物质燃料加料管(6)；悬浮燃烧室(3)下部插接点火燃料加料管(7)。其气化方法包括：生物质燃料由切向喷入旋风热解室(1)后旋转向下运动发生热解反应；热解反应产物中的生物质焦炭颗粒进入悬浮燃烧室(3)，与风环(8)进入的主空气流发生燃烧反应，产生的二氧化碳上行与通过悬浮燃烧室(3)下行的生物质焦炭颗粒发生还原反应。本发明应用于生物质气化装置及气化方法。

Description

生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置及其气化方法

技术领域

本发明涉及一种生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置及其气化方法。

背景技术

生物质气化是农业废弃物减量化与资源化的有效途径。通过气化方式，将农林废弃物转化为清洁、高品位、使用方便的生物质燃气，不仅能够提高资源利用效率，而且对于调整能源结构，减少污染物排放具有现实的意义。空气气化是生物质气化技术中最简单最经济的一种。但由于生物质燃气中含有过多的氮气，降低了燃气的热值，从而影响了生物质燃气的使用。目前，常规的提高生物质燃气热值的方法是采用富氧或者富氧-水蒸气替代空气作为气化介质，但成本大大增加。

授权公告号CN10125341B，授权公告日2011年8月31日，专利名称“旋风气化炉”，该气化炉分上下两部分，上部为圆柱形，下部为圆锥形。炉体上部设置圆柱形燃烧气化室和圆柱形气化室；炉体下部设置圆锥形气化室。圆柱形燃烧气化室上部设置燃料入口且与炉膛切线布置，燃料入口内设置电阻丝点火器；圆锥形气化室中部设置水蒸气入口，底部设置出灰口。授权公告号CN101781582B，授权公告日2013年3月27日，专利名称“一种生物质旋风分级气化方法及装置”，该发明采用旋风气化的方式，生物质燃料由气化介质空气携带切向进入气化炉内，形成旋流流场，发生气化反应。气化反应后颗粒与燃气在气化炉下部的悬浮燃烧室分离，气固分离后的物质中的气体通过中心排气管排出，气固分离后的物质中的飞灰通过气化炉下部的沉降管落入灰斗。授权公告号CN102206514B，授权公告日2013年9月11日，专利名称“两段式生物质旋风高温热解气化炉”，该专利采用燃烧气体燃料获得高温烟气喷入旋风热解气化室，并在气化炉下部喷入水蒸气，使生物质燃料发生热解气化反应，生物质气经上部排气管排出，灰渣落入下部的灰渣箱。以上三种旋风气化技术方式气固混合方式强烈，且都是在运动的过程中进行气化反应，同时完成气固分离的过程，这种气固混合并随之气固分离的方式直接导致生物质气化过程中的碳转化率较低，进而导致系统气化效率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的旋风气化炉运行过程中由于气固分离引起的碳转化率低的问题，进而提供一种生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置及其气化方法。

一种生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，其组成包括：旋风热解室，旋风热解室内同轴心悬吊中心排气管，旋风热解室的下端口同轴心连接悬浮燃烧室的上端口，悬浮燃烧室下端固接切换炉排，切换炉排下部连接风环，风环下部固接灰斗，切换炉排与风环之间设置点火孔；所述旋风热解室上部沿其外表面切线方向插接一个或多个生物质燃料加料管；所述悬浮燃烧室下部插接点火燃料加料管。

一种利用上述装置进行的生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化方法，

第一步，启炉：将切换炉排放置于空隙炉排状态，由点火燃料加料管加入生物质燃料，由点火孔向气化装置内通入空气，之后通过点火孔将生物质燃料点燃，使炉排上部产生持续的燃烧火焰；

第二步，预热：由点火燃料加料管添加生物质燃料，保证炉排上部生物质燃料稳定燃烧，当气化装置上部旋风热解室的温度达到400℃时，停止从点火燃料加料管添加生物质燃料，将切换炉排由空隙炉排切换至落料档位；之后由空气携带生物质燃料从生物质燃料加料管切向喷入旋风热解室，生物质燃料完全燃烧产生的热量为气化装置预热，直至旋风热解室的温度达到600℃；

第三步，气化反应：将气化用生物质燃料由副空气流携带通过生物质燃料加料管切向喷入旋风热解室，所述副空气流携带生物质燃料旋转向下运动，在旋风热解室内形成旋流流场并发生热解反应，其产物包括生物质燃气和生物质焦炭颗粒；

所述生物质燃气在旋流流场作用下由下反转至上形成内旋气流，由中心排气管底部进入并从顶部排出，所述副空气流携带热解后的生物质焦炭颗粒进入悬浮燃烧室；

所述生物质焦炭颗粒继续下行，与由风环进入的主空气流发生燃烧反应，释放热量；燃烧反应产生的灰下行落入灰斗，燃烧反应生成的二氧化碳上行，与通过悬浮燃烧室下行的生物质焦炭颗粒发生还原反应，形成的一氧化碳烟气气流由中心排气管底部进入并从顶部排出。

本发明的有益效果是：

本发明主要利用悬浮燃烧室和其上部连接的旋风热解室作为旋风热解-悬浮燃烧复合气化场所，基于传统的旋风气化气固分离，在气化装置下部形成高浓度的生物质焦炭区的特点，加入主空气流，形成上部生物质原料旋风热解、下部生物质焦炭悬浮燃烧相结合的复合气化方式，该旋风热解-悬浮燃烧复合气化方式强化了气化装置内的分区：高温反应室为生物质挥发分析出的主热解区，悬浮燃烧室的上半部分为下行焦炭与上行二氧化碳的主还原区，悬浮燃烧室的下半部分为下行焦炭与主空气流的主燃烧区。主燃烧区产生的二氧化碳浓度增加，强化了与生物质热解产生的焦炭的还原反应，从而使系统的碳转化率提高了10％-30％，生物质燃气的热值提高了20％-40％。

气化装置下部通过悬浮燃烧的方式形成主燃烧区，同时加大了主空气流与气化装置上部生物质热解析出的挥发分之间的距离，副空气流携带生物质燃料旋转向下运动，在旋风热解室内形成旋流流场，由于旋风流场的作用，生物质燃气与生物质焦炭在悬浮燃烧室分离，为构建主热解区和主燃烧区的强化分区提供了充分的条件，而主热解区和主燃烧区的强化分区，使生物质燃气通过中心排气管上行，热解过程中产生的可燃挥发分气体与主空气流发生燃烧的份额降低。因此，与传统的旋风气化方式相比，旋风热解-悬浮燃烧复合气化方式提高了气化过程中生物质燃料的转化率，增加了生物质燃气的热值。

附图说明

附图1是本发明的主视示意图，

附图2为附图1的后视图，

附图3为附图1的俯视图，

附图4为附图1的A-A剖面图，且为切换炉排处进行的剖面结构示意图，

附图5为本发明涉及的风环的结构示意图，

附图6为本发明进行热烟气再循环时结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，其组成包括：旋风热解室1，旋风热解室1内同轴心悬吊中心排气管2，旋风热解室1的下端口同轴心连接悬浮燃烧室3的上端口，悬浮燃烧室3下端固接切换炉排4，切换炉排4下部连接风环8，风环8下部固接灰斗5，切换炉排4与风环8之间设置点火孔9；所述旋风热解室1上部沿其外表面切线方向插接一个或多个生物质燃料加料管6；所述悬浮燃烧室3下部插接点火燃料加料管7。风环8还具有楔形口，通过所述楔形口实现主空气流喷入气化装置的方向为斜向上，一方面保证燃烧后的灰正常竖直下落进入灰斗，另一方面避免下落的灰堵塞风环8。

通过改变风环8出风口面积来调节悬浮燃烧所需的风速5-20m/s。

具体实施方式二：

本实施方式与具体实施方式一不同的是：

所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，所述切换炉排4具有落料档位和空隙炉排，所述落料档位和所述空隙炉排工作时与悬浮燃烧室3同中心轴设置。

具体实施方式三：

本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，所述生物质燃料加料管6呈圆筒形，生物质燃料加料管6为水平方向均匀排列于旋风热解室1外壁，且同时针方向设置。

具体实施方式四：

本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，点火燃料加料管7呈圆筒形，点火燃料加料管7中心轴线与水平方向夹角为60°-70°，且点火燃料加料管7中心轴线延长线与悬浮燃烧室3的中心轴线延长线相交。

具体实施方式五：

本实施方式与具体实施方式一、二或四不同的是：所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，所述风环8上还具有上还具有楔形进气口和水蒸气接口，当悬浮燃烧区温度达到800℃以上时通入水蒸气，生物质焦炭与水蒸气反应，从而增加生物质燃气中氢气和一氧化碳的含量，以提高生物质燃气的热值。

具体实施方式六：

本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，如图6所示，针对高水分的生物质燃料，中心排气管2还通过烟气管道连接旋风热解室1，所述烟气管道上安装再循环风机10，实现从气化装置的出口—中心排气管2引出一股热烟气，通过再循环风机10将热烟气送入旋风热解室1，以调节旋风热解室1的温度场，为生物质燃料的热解反应补充热量。

具体实施方式七：

基于具体实施方式一至六的生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化方法，

第一步，启炉：将切换炉排4放置于空隙炉排状态，由点火燃料加料管7加入生物质燃料，由点火孔9向气化装置内通入空气，之后通过点火孔9将生物质燃料点燃，使炉排4上部产生持续的燃烧火焰；

第二步，预热：由点火燃料加料管7添加生物质燃料，保证炉排4上部生物质燃料稳定燃烧，当气化装置上部旋风热解室1的温度达到400℃时，停止从点火燃料加料管7添加生物质燃料，将切换炉排4由空隙炉排切换至落料档位；之后由空气携带生物质燃料从生物质燃料加料管6切向喷入旋风热解室1，生物质燃料完全燃烧产生的热量为气化装置预热，直至旋风热解室1的温度达到600℃；

第三步，气化反应：气化反应：将气化用生物质燃料由副空气流携带通过生物质燃料加料管6切向喷入旋风热解室1，所述副空气流携带生物质燃料旋转向下运动，在旋风热解室1内形成旋流流场并发生热解反应，其产物包括生物质燃气和生物质焦炭颗粒；

所述生物质燃气在旋流流场作用下由下反转至上形成内旋气流，由中心排气管2底部进入并从顶部排出，所述副空气流携带热解后的生物质焦炭颗粒进入悬浮燃烧室3；

所述生物质焦炭颗粒继续下行，与由风环8进入的主空气流发生燃烧反应，释放热量；燃烧反应产生的灰下行落入灰斗5，燃烧反应生成的二氧化碳上行，与通过悬浮燃烧室3下行的生物质焦炭颗粒发生还原反应，形成的一氧化碳烟气气流由中心排气管2底部进入并从顶部排出。

副空气流携带生物质燃料由极少的空气携带从装置上部的生物质燃料加料管6切向进入，形成旋风热解，析出可燃的挥发分气体并形成生物质焦炭颗粒；从装置下部风环8给入主空气流，与生物质焦炭形成悬浮燃烧。上部的生物质燃料旋风热解和下部的生物质焦炭悬浮燃烧构成了生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化方式。

具体实施方式八：

本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化方法，第三步所述气化反应中，旋风热解室1的生物质燃料加料管6通入的副空气流的流速为15-30m/s。

具体实施方式九：

本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化方法，第三步所述气化反应中，控制悬浮燃烧区的燃烧温度为800-950℃，所述主空气流流速为5-20m/s。

Claims (8)

1.一种生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，其组成包括：旋风热解室(1)，其特征是：旋风热解室(1)内同轴心悬吊中心排气管(2)，旋风热解室(1)的下端口同轴心连接悬浮燃烧室(3)的上端口，悬浮燃烧室(3)下端固接切换炉排(4)，切换炉排(4)下部连接风环(8)，风环(8)下部固接灰斗(5)，切换炉排(4)与风环(8)之间设置点火孔(9)；所述旋风热解室(1)上部沿其外表面切线方向插接一个或多个生物质燃料加料管(6)；所述悬浮燃烧室(3)下部插接点火燃料加料管(7)。

2.根据权利要求1所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，其特征是：所述切换炉排(4)具有落料档位和空隙炉排。

3.根据权利要求1或2所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，其特征是：点火燃料加料管(7)呈圆筒形，点火燃料加料管(7)中心轴线与水平方向夹角为60-70°，且点火燃料加料管(7)中心轴线延长线与悬浮燃烧室(3)的中心轴线延长线相交。

4.根据权利要求3所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，其特征是：所述风环(8)上还具有楔形进气口和水蒸气接口。

5.根据权利要求1、2或4所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化装置，其特征是：所述中心排气管(2)还通过烟气管道连接旋风热解室(1)，所述烟气管道上安装再循环风机(10)。

6.一种利用权利要求1至5之一所述装置进行的生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化方法，其特征是：第一步，启炉：将切换炉排(4)放置于空隙炉排状态，由点火燃料加料管(7)加入生物质燃料，由点火孔(9)向气化装置内通入空气，之后通过点火孔(9)将生物质燃料点燃，使切换炉排(4)上部产生持续的燃烧火焰；

第二步，预热：由点火燃料加料管(7)添加生物质燃料，保证切换炉排(4)上部生物质燃料稳定燃烧，当气化装置上部旋风热解室(1)的温度达到400℃时，停止从点火燃料加料管(7)添加生物质燃料，将切换炉排(4)由空隙炉排切换至落料档位；之后由空气携带生物质燃料从生物质燃料加料管(6)切向喷入旋风热解室(1)，生物质燃料完全燃烧产生的热量为气化装置预热，直至旋风热解室(1)的温度达到600℃；

第三步，气化反应：将气化用生物质燃料由副空气流携带通过生物质燃料加料管(6)切向喷入旋风热解室(1)，所述副空气流携带生物质燃料旋转向下运动，在旋风热解室(1)内形成旋流流场并发生热解反应，其产物包括生物质燃气和生物质焦炭颗粒；

所述生物质燃气在旋流流场作用下由下反转至上形成内旋气流，由中心排气管(2)底部进入并从顶部排出，所述副空气流携带热解后的生物质焦炭颗粒进入悬浮燃烧室(3)；

所述生物质焦炭颗粒继续下行，与由风环(8)进入的主空气流发生燃烧反应，释放热量；燃烧反应产生的灰下行落入灰斗(5)，燃烧反应生成的二氧化碳上行，与通过悬浮燃烧室(3)下行的生物质焦炭颗粒发生还原反应，形成的一氧化碳烟气气流由中心排气管(2)底部进入并从顶部排出。

7.根据权利要求6所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化方法，其特征是：第三步所述热解反应中，旋风热解室(1)的生物质燃料加料管(6)通入的副空气流的流速为15-30m/s。

8.根据权利要求6或7所述生物质旋风热解-悬浮燃烧复合气化方法，其特征是：第三步所述气化反应中，控制悬浮燃烧区的燃烧温度为800-950℃，所述主空气流流速为5-20m/s。