CN104629809A - 用富氧燃烧锅炉高温烟气制取高热值生物质气化气的系统 - Google Patents

用富氧燃烧锅炉高温烟气制取高热值生物质气化气的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，包括循环流化床气化器、旋风分离器；循环流化床气化器具有进料口，该进料口用于将生物质物料输入至循环流化床气化器；循环流化床气化器还设置有进气口，该进气口用于输入富氧燃烧锅炉的烟气；循环流化床气化器用于在富氧燃烧锅炉烟气的作用下将生物质物料气化得到气化气；旋风分离器与循环流化床气化器连接，用于分离气化气。将生物质气化系统与富氧燃烧锅炉系统配合使用，采用富氧燃烧锅炉的烟气为生物质气化反应的气化剂，既提高了富氧燃烧锅炉系统的能量利用效率，又提高了生物质气化气的品质，使整体热能的利用效率提高、降低了生产成本。

Description

用富氧燃烧锅炉高温烟气制取高热值生物质气化气的系统
技术领域
本发明属于生物质气化制取高热值气化气工艺领域，更具体地，涉及一种用富氧燃烧锅炉高温烟气制取生物质气化气的系统。
背景技术
生物质能是由太阳能转化而来的、以化学能形式储藏在生物质中的能量。作为能源利用的生物质主要有农业、林业废弃物、畜禽粪便、有机废水等。与传统能源相比，生物质能具有明显的优点，可再生性和无污染性。在目前全球化石能源紧缺的环境下，生物质能具有十分可观的发展前景。
生物质气化技术，作为生物质能热化学利用方式的一种，是利用氧气、二氧化碳、空气、水蒸气或这些气体的混合气作为气化剂，在高温下用热化学手段将低品位的固态生物质燃料转化成清洁的高品位气体燃料(即，将固态生物质燃料气化得到气化气)。生成的气体燃料燃烧后只生成水和二氧化碳，清洁无污染，有利于缓和日益严重的环境问题。
生物质气化反应需要提供高的热量作为反应条件，目前的生物质气化技术大多需要采用通入部分氧气或者空气来提供气化过程所需热量，成本高、热能利用效率偏低，并且，由于原料气化剂气体和生成的气化气提纯成本大，所得气化气中通常含有部分不能燃烧的杂质气体(如氮气等)，对气化气热值的负面影响大，导致生物质气化反应的经济性差，阻碍了该技术的推广应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于一种用富氧燃烧锅炉高温烟气制取生物质气化气的系统，其中通过对其关键的气化气体介质、气体输入输出方式、物料传输方式、以及关键组件的结构及其连接方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决生物质气化成本高、气化气热值偏低的问题，并且通过对参与生物质气化的气体进行调整，能够达到进一步调整气化气组成、提高气化气性能的技术效果。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，包括循环流化床气化器、旋风分离器；
所述循环流化床气化器具有进料口，该进料口用于将生物质物料输入至所述循环流化床气化器；所述循环流化床气化器还设置有进气口，该进气口用于输入富氧燃烧锅炉的烟气；所述循环流化床气化器用于在所述富氧燃烧锅炉烟气的作用下将所述生物质物料气化得到气化气；
所述旋风分离器与所述循环流化床气化器连接，用于分离所述气化气。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述富氧燃烧锅炉的烟气由温度为900℃～1000℃的高温烟气和温度为120℃～140℃的低温烟气混合而成；所述循环流化床气化器的进气口前还设置有气体混合器，该气体混合器与所述循环流化床气化器的进气口连接，用于混合所述富氧燃烧锅炉的高温烟气和低温烟气，从而调整所述富氧燃烧锅炉的烟气的温度。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述气体混合器还设置有外部气体进口，用于混合所述富氧燃烧锅炉的高温烟气、低温烟气和外部气体，从而得到混合有外部气体的富氧燃烧锅炉的烟气，进而调整所述气化气的组成成分；所述外部气体优选为以下气体的至少一种：水蒸气、氧气、二氧化碳。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述生物质物料的粒径不超过50mm。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述循环流化床气化器的进料口通有所述富氧燃烧锅炉的低温烟气，便于所述生物质物料的传输。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述经所述气体混合器混合得到的富氧燃烧锅炉的烟气的温度为800℃～900℃。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述高温烟气和低温烟气均经过除尘处理。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述旋风分离器还与喷淋塔连接，该喷淋塔用于除去所述气化气中的焦油；所述喷淋塔分别与污水处理装置和风机连接，所述气化气经过所述风机被传输至储气柜。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述储气柜与所述富氧燃烧锅炉的炉膛相连，使所述气化气在需要时被输送至富氧燃烧锅炉用于富氧燃烧。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述高温烟气是富氧燃烧锅炉高温过热器前端的烟气。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.将生物质气化系统与富氧燃烧锅炉系统配合使用，采用富氧燃烧锅炉的烟气为生物质气化反应的气化剂，既提高了富氧燃烧锅炉系统的能量利用效率，又提高了生物质气化气的品质，使整体热能的利用效率提高、降低了生产成本。
富氧燃烧技术是通过分离空气得到氧气，并使用燃烧后得到的烟气代替了空气中的氮气、与氧气混合后继续反应的，得到的烟气中二氧化碳含量很高(二氧化碳的含量可达到80％-95％，并含有少量氧气和水蒸气)。富氧燃烧产生的烟气除了循环用于富氧燃烧外、一般直接排放，利用率低。
而将富氧燃烧的烟气用于生物质气化，由于烟气中二氧化碳的含量极高，与生物质物料在高温下反应后，能使生物质物料气化得到主要成分为CO的气化气，减少了其他杂质气体(如氮气)的含量，大大提高了制得气化气的热值，提升了气化气的性能，扩展了气化气的应用范围；并且，由于富氧燃烧烟气的温度高(可达1000℃)，用于生物质气化时，无需再对生物质气化反应提供额外的热能，整体的能量利用效率高。
另一方面，通过将富氧燃烧锅炉与生物质气化系统配合使用，使CO2在排放前多经过了一道气化的工艺，延长了碳基生命周期(即，碳元素从被绿色植物固定、到被人类燃烧等利用释放、在到被绿色植物固定的周期)，缓解了温室效应。
另外，通过将生物质气化系统与富氧燃烧锅炉耦合，可以使富氧燃烧机组能长期在高负荷、高经济性条件下运行。富氧燃烧机组能够用于发电，但由于电能存储上的困难，往往是根据需要的电量调整富氧燃烧机组的负荷，富氧燃烧机组的负荷往往不是最大化的，增加了富氧燃烧机组的运行成本。而通过生物质气化系统可以将富氧燃烧产生的过剩能量用于生产生物质气化气，由于气化气的储存方便，可以使富氧燃烧机组保持在高负荷运行，从而降低富氧燃烧机组的运行成本。
2.通过对富氧燃烧的烟气进行分流，得到高温烟气和低温烟气，并将两者再次混合用于生物质气化系统，能够灵活调整参与生物质气化反应的富氧燃烧烟气的温度。
富氧燃烧后得到高温过热器前端的烟气的温度为900℃～1000℃，直接用于生物质气化反应的话会造成热能的浪费。通过将富氧燃烧的烟气分流，使一部分烟气继续保持高温(对应高温烟气)，另一部分烟气经换热过程(例如，加热锅炉给水发电)后温度下降至120℃～140℃(对应低温烟气)。
参与生物质气化反应的富氧燃烧锅炉烟气是通过将高温烟气与低温烟气混合得到的，通过控制高温烟气与低温烟气的比例，能够对参与生物质气化反应的富氧燃烧锅炉烟气的温度进行调整。本发明优选的用于生物质气化的烟气的温度为800℃～900℃，在该温度范围下，生物质物料的气化效果好，在生物质物料充足的情况下，烟气中的CO2和水蒸气等成分能够迅速与生物质物料反应，生成的气化气热值高。另外，高温烟气与低温烟气的体积比可进一步优选为(85％～95％):(5％～15％)，既能确保生物质气化反应的高效进行，又能提高整个系统的能量利用效率。
3.制得的生物质气化气的组成可根据生产需要灵活调整。通过向循环流化床气化器中引入外部气体，即，使这些外部气体参与生物质气化反应，能够改进制得的气化气的气体组成。例如，引入的外部气体可以为水蒸气，通过增加反应气体中水蒸气的比例，能够提高氢气在生成气化气中的比例，进一步改进气化气的性能。生物质种类的适用性好，工业生产实用性强。
4.生物质气化气可以使富氧燃烧锅炉的燃烧更加稳定。由于富氧燃烧是将烟气循环利用的，将烟气用于生物质气化反应后该部分烟气即被消耗，对富氧燃烧反应本身产生干扰；而在需要时(如对富氧燃烧锅炉燃烧负荷稳定性有更高要求和突发负荷波动时)，通过将生物质气化得到的气化气部分送回至富氧燃烧锅炉燃烧，由于该气化气的杂质气体含量少、热值高，能够使富氧燃烧锅炉中的燃烧反应稳定，并且能够进一步提高富氧燃烧的产能，在实际生产应用时，能够保证富氧燃烧系统的稳定性、提高产能。另外，为了进一步确保富氧燃烧的稳定进行，用于生物质气化的烟气(包括高温烟气)为富氧燃烧总烟气的10％～20％(热值比)。
国内目前涉及用烟气气化生物质生产生物质气化气的发明主要目的大多是再燃用于发电，属于燃料提质预处理，无法起到气化气生产和负荷调节的作用。
5.生物质气化反应稳定。由于采用低温烟气传输生物质物料，既可以促进生物质物料的输运、及时补充生物质物料原料，又可以对物料进行预热，利于气化反应的进行。
6.简化了利用富氧燃烧发电电站的负荷调控操作。富氧燃烧发电的电站是将燃料燃烧的化学能转化为烟气的热能，再转化为水的热能，最终转化为电能。传统电站的负荷调控操作是采用固定煤水比的方式(即，固定燃料量与给水量的比)，因此，当需要调整负荷时，需要同时调整燃料量与水量。而通过将富氧燃烧的烟气用于生物质气化，可以使富氧燃烧的锅炉保持在满负荷运行(即，燃料消耗量保持在最大值)，仅需调整工质量(如，给水量)即可控制发电量，简化了富氧燃烧发电电站的负荷调控操作。
附图说明
图1是本发明的系统方案示意图，该图省略了部分与气化系统无关的富氧燃烧锅炉前端设备；
图中附图标记的含义如下：1为富氧锅炉炉膛；2为高温过热器；3为空气预热器；4为除尘器；5为引风机；6为烟囱；7为高温烟气管道；8为高温防尘罩；9为低温烟气管道；10为二元/三元气体混合器；11为料斗；12为循环流化床气化器；13为旋风分离器；14为喷淋塔；15为污水处理装置；16为风机；17为气柜；18为用户。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
利用富氧燃烧锅炉高温烟气制取高热值气化气系统包含用于进料的生物质料斗11、用于去除烟尘的高温防尘罩3、用于进气的高温和低温烟气管道7和9、及二元/三元气体混合器10、循环流化床气化器12、旋风分离器13、其下部设置的用于去除焦油的喷淋塔14和污水处理装置15、风机16和用于储存生物质气化气的气柜17。
本系统在运行时，首先将破碎后粒径不大于50mm的生物质用部分来自低温烟气管道9的低温烟气携带输送至生物质料斗11，进料至循环流化床反应器12的中下部。来自富氧锅炉炉膛1中高温过热器2之前通过高温烟气管道7并经过高温防尘罩8去除烟尘后的高温烟气和来自锅炉末端经由低温烟气管道9输送的低温排烟，进入二元/三元气体混合器10混合后，由两端进入循环流化床气化器12。根据需要可以通入少量其他气化剂进入二元/三元气体混合器10来调整气化介质的成分比例。通入循环流化床气化器12的气化剂自下而上流动，使生物质固体颗粒进入流化状态，并由自身的高温提供气化反应所需的热量。在循环流化床气化器12中发生生物质气化反应，生成的生物质气输出反应器，未反应完全的颗粒和灰分经由旋风分离器13循环至气化反应器12内再次反应，灰分从气化反应器12的底部排出。生成的生物质气化气经反应器输出后，经过喷淋塔14以去除焦油，喷淋后的用水从下部流出至污水处理装置15以循环利用，经过污水处理装置15处理后的焦油送入循环流化床气化器中再次气化。去除焦油后的生物质气化气由风机16送至气柜17储存或输送至用户18进行后续使用。在机组负荷波动大时，可以将气柜17中储存的部分生物质气化气循环至富氧燃烧锅炉炉膛1中再燃，使机组稳定运行。
富氧燃烧锅炉的烟气的主要成分为二氧化碳、水蒸气和氧气，参与生物质气化反应得到的气化气的主要成分为一氧化碳、氢气、甲烷和二氧化碳。通过利用富氧燃烧锅炉的烟气，将低品位的生物质能转化为了高品位气化气，在气化过程中无需外加热源，减少温室气体和污染物排放，提高富氧燃烧和生物质气化两者整体的能量利用效率，降低了生产成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，包括循环流化床气化器、旋风分离器；
所述循环流化床气化器具有进料口，该进料口用于将生物质物料输入至所述循环流化床气化器；所述循环流化床气化器还设置有进气口，该进气口用于输入富氧燃烧锅炉的烟气；所述循环流化床气化器用于在所述富氧燃烧锅炉烟气的作用下将所述生物质物料气化得到气化气；
所述旋风分离器与所述循环流化床气化器连接，用于分离所述气化气。
2.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，所述富氧燃烧锅炉的烟气由温度为900℃～1000℃的高温烟气和温度为120℃～140℃的低温烟气混合而成；所述循环流化床气化器的进气口前还设置有气体混合器，该气体混合器与所述循环流化床气化器的进气口连接，用于混合所述富氧燃烧锅炉的高温烟气和低温烟气，从而调整所述富氧燃烧锅炉的烟气的温度。
3.如权利要求2所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，所述气体混合器还设置有外部气体进口，用于混合所述富氧燃烧锅炉的高温烟气、低温烟气和外部气体，从而得到混合有外部气体的富氧燃烧锅炉的烟气，进而调整所述气化气的组成成分；所述外部气体优选为以下气体的至少一种：水蒸气、氧气、二氧化碳。
4.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，所述生物质物料的粒径不超过50mm。
5.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，所述循环流化床气化器的进料口通有所述富氧燃烧锅炉的低温烟气，便于所述生物质物料的传输。
6.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，所述经所述气体混合器混合得到的富氧燃烧锅炉的烟气的温度为800℃～900℃。
7.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，所述高温烟气和低温烟气均经过除尘处理。
8.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，所述旋风分离器还与喷淋塔连接，该喷淋塔用于除去所述气化气中的焦油；所述喷淋塔分别与污水处理装置和风机连接，所述气化气经过所述风机被传输至储气柜。
9.如权利要求1－8任意一项所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，所述储气柜与所述富氧燃烧锅炉的炉膛相连，使所述气化气在需要时被输送至富氧燃烧锅炉用于富氧燃烧。
10.如权利要求1－9任意一项所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的系统，其特征在于，所述高温烟气是富氧燃烧锅炉高温过热器前端的烟气。
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