CN104830377A - 生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置及工艺 - Google Patents

生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置及工艺，联产装置包括流化床热解气化炉、低热值燃气燃烧室、一级分离装置、二级旋风分离器、空气预热器、蒸汽发生装置与烟气处理装置等设备；生产工艺包括将生物质原料在流化床热解气化炉中发生热解、气化反应产生物质炭和高温低热值生物质燃气，利用两级分离装置实现生物炭和燃气的分离，得到高品质生物炭，分离后的高温燃气送入低热值燃烧室燃烧，燃烧所产生的高温烟气送入蒸汽发生装置生产蒸汽。本发明工艺方法先进，生产设备简单可靠，能够有效降低生产成本，提高生产效益。

Description

生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置及工艺
技术领域
本发明属于生物质利用技术领域，具体涉及一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置及工艺。
背景技术
随着全球能源与环境问题的日益凸显，新能源开发成为一项迫切的任务。生物质能源具有资源丰富、可转换为清洁燃料、是唯一可存储和运输的可再生能源、也是唯一可再生炭源等显著特点，在满足未来社会能源需求，推动社会可持续发展等方面将发挥重要作用。生物质具体的种类很多，主要指木材、农作物（秸秆、稻草、麦秆、豆秆、棉花秆、谷壳等）、杂草、藻类等。我国的生物质能也极为丰富，可开发为能源的生物质资源达3亿多吨标煤，而随着农业和林业的发展，特别是随着速生炭薪林的开发推广，我国的生物质资源将越来越多，有非常大的开发和利用潜力。
生物质热解气化燃烧多联产技术是基于生物质可燃组分由挥发分和固定碳两部分组成的特点，采用解耦反应方式，固定碳转化成为高品质生物炭，挥发分转化成为燃气进而燃烧获得热能或者电能。生物质热解气化燃烧多联产技术可以显著提高生物质利用项目的经济性，日益受到重视。在不同类型的生物炭中，竹木质类原料获得竹木炭并深加工成为活性炭；稻壳类原料获得稻壳炭后用于钢厂保温材料或进行深加工获得活性炭和纳米级硅晶体；秸秆类原料获得秸秆炭进而制成高附加值炭基复合肥，通过不同处理方式后，生物炭均可实现高价值应用。但是，我国生物质以秸秆类为主，且收集、运输等多个环节都较为粗放，造成了可利用的生物质具有高碱性、高水分和低热值的特点，采用空气作为气化剂的热解气化工艺导致燃气热值过低，无法采用常规燃烧方式进行利用，极大限制了生物质热解气化多联产技术的原料范围。因此，迫切需要开发能适应高水分、低热值、高碱性生物质在内的多种原料的生物质多联产技术。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种生产成本低、原料适应性广的生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置及其生产工艺。
一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置，包括高温燃气风机，高温燃气风机的出风口处连接有第一管路，第一管路的另一端连接在流化床热解气化炉上，流化床热解气化炉的侧壁上设有生物质给料装置、床料给料装置，另一侧壁上设有反应物出口，底部设有风室，反应物出口处连接有第二管路，第二管路的另一端连接在一级分离装置的进口处，一级分离装置上开设有一级燃气出口及一级生物炭出口，一级燃气出口连接有第四管路，第四管路的另一端连接在二级旋风分离器的进口处，二级旋风分离器上开设有二级燃气出口及二级生物炭出口，二级燃气出口上连接有第五管路及第六管路，第五管路的另一端连接在高温燃气风机的进风口处，第六管路的另一端连接在低热值燃气燃烧室上，低热值燃气燃烧室的底端设有烟气出口，烟气出口上连接有第七管路，第七管路的另一端连接在蒸汽发生装置上，蒸汽发生装置与锅炉给水管路及蒸汽排出管路相接，蒸汽发生装置的上方设有空气预热器，空气预热器上连接有第八管路，第八管路连接在烟气处理装置上，空气预热器上还连接有第九管路及第十管路，第九管路与鼓风机相连接，第十管路与流化床热解气化炉底部的风室相连接，第十管路上还设有连接在低热值燃气燃烧室上的第十一管路。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述烟气处理装置包括依次连接的除尘器、引风机及烟囱。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述风室中设有布风板。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述流化床热解气化炉底部设有排渣装置。
一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽的生产工艺，采用一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置进行生产，包括以下步骤：
（1）、通过生物质给料装置、床料给料装置往流化床热解气化炉内加入生物质原料和床料；
（2）、运行空气预热器，空气预热器通过第十管路、第十一管路，将预热后的高温空气送入低热值燃气燃烧室，其余的高温空气通过第十管路送入流化床热解气化炉，生物质原料与床料在流化床热解气化炉发生热解及气化反应，生成高温生物质燃气和生物炭；
（3）、高温生物质燃气和生物炭，依次进入一级分离装置和二级旋风分离器，分离出的生物炭从一级生物炭出口及二级生物炭出口中被收集；分离出高温燃气通过第五管路、第六管路分别进入高温燃气风机与低热值燃气燃烧室，进入高温燃气风机的高温燃气再通过第一管路进入流化床热解气化炉；在流化床热解气化炉中，从空气预热器进入的高温空气与高温燃气发生燃烧反应，为生物质热解气化提供能量；
（4）、运行低热值燃气燃烧室，高温燃气和预热后的高温空气在低热值燃气燃烧室内充分燃烧，产生高温烟气，高温烟气依次通过蒸汽发生装置和空气预热器回收热量后经过烟气处理装置排放。
作为上述技术方案的进一步描述：
其中，生物质原料的含水量不高于50%，生物质尺寸不大于10cm。
作为上述技术方案的进一步描述：
其中，流化床热解气化炉内温度为500~750℃。
作为上述技术方案的进一步描述：
其中，低热值燃气燃烧室为绝热燃烧室，燃烧炉温度为700~1000℃，空气预热温度为200~500℃。
作为上述技术方案的进一步描述：
其中，床料为耐磨粗床料颗粒，包括石英砂、氧化铝球，粒径为0.5~5mm。
作为上述技术方案的进一步描述：
其中，床料给料装置设置在生物质给料装置的下方，床料颗粒由床料给料装置加入在流化床热解气化炉下部，形成稳定流化床密相区域。
本发明通过将生物质原料在流化床热解气化炉中发生热解、气化反应产生物质炭和高温低热值生物质燃气，利用两级分离装置实现生物炭和燃气的分离，得到高品质生物炭，一部分生物质燃气送回流化床热解气化炉与送入的热空气燃烧反应放热，提供生物质热解气化所需的热量，并降低生物质炭的燃烧量；剩余高温生物质燃气则直接进入低热值燃气燃烧室燃烧产生高温烟气，所产生的高温烟气通过余热回收后即进行烟气处理，余热回收装置所产生的高温空气一部分送入流化床热解气化炉，另一部分则送入低热值燃气燃烧室；所产生的高温蒸汽可用于外供蒸汽。工艺方法先进，适用于包括高湿、高碱低热值在内的所有生物质，生产设备简单可靠，能够有效降低生产成本，提高生产效益。
附图说明
图1为本发明中生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置，包括高温燃气风机1，高温燃气风机1的出风口处连接有第一管路2，第一管路2的另一端连接在流化床热解气化炉3上，流化床热解气化炉3的侧壁上设有生物质给料装置301、床料给料装置302，另一侧壁上设有反应物出口303，底部设有风室304，反应物出口303处连接有第二管路4，第二管路4的另一端连接在一级分离装置5的进口处，一级分离装置5上开设有一级燃气出口501及一级生物炭出口502，一级燃气出口501连接有第四管路6，第四管路6的另一端连接在二级旋风分离器7的进口处，二级旋风分离器7上开设有二级燃气出口701及二级生物炭出口702，二级燃气出口701上连接有第五管路8及第六管路9，第五管路8的另一端连接在高温燃气风机1的进风口处，第六管路9的另一端连接在低热值燃气燃烧室10上，低热值燃气燃烧室10的底端设有烟气出口101，烟气出口101上连接有第七管路11，第七管路11的另一端连接在蒸汽发生装置12上，蒸汽发生装置12与锅炉给水管路13及蒸汽排出管路14相接，蒸汽发生装置12的上方设有空气预热器15，空气预热器15上连接有第八管路16，第八管路16连接在烟气处理装置上，烟气处理装置包括依次连接的除尘器17、引风机18及烟囱19；空气预热器15上还连接有第九管路20及第十管路21，第九管路20与鼓风机22相连接，第十管路21与流化床热解气化炉3底部的风室304相连接，第十管路21上还设有连接在低热值燃气燃烧室10上的第十一管路23。
本实施例中，风室304中设有布风板305。目的在于，能够将空气预热器15中加热后的空气均匀的送入流化床热解气化炉中，便于高效的完成反应。
本实施例中，流化床热解气化炉3底部设有排渣装置306。目的在于，能够方便的收集在流化床热解气化炉3在反应后，出现的废渣。
采用本装置对生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽的生产工艺，包括以下步骤：
（1）、通过生物质给料装置301、床料给料装置302往流化床热解气化炉3内加入生物质原料和床料；
（2）、运行空气预热器15，空气预热器15通过第十管路21、第十一管路23，将预热后的高温空气送入低热值燃气燃烧室10，其余的高温空气通过第十管路21送入流化床热解气化炉3，生物质原料与床料在流化床热解气化炉3发生热解及气化反应，生成高温生物质燃气和生物炭；
（3）、高温生物质燃气和生物炭，依次进入一级分离装置5和二级旋风分离器7，分离出的生物炭从一级生物炭出口502及二级生物炭出口702中被分离收集；分离出的高温燃气通过第五管路8、第六管路9分别进入高温燃气风机1与低热值燃气燃烧室10，进入高温燃气风机1的高温燃气再通过第一管路2进入流化床热解气化炉3，在流化床热解气化炉3中，从空气预热器15进入的高温空气与高温燃气发生燃烧反应，为生物质热解气化提供能量；
（4）、运行低热值燃气燃烧室10，高温燃气和预热后的高温空气在低热值燃气燃烧室10内充分燃烧，产生高温烟气，高温烟气依次通过蒸汽发生装置12和空气预热器15回收热量后经过除尘器17、引风机18及烟囱19后排放，同时引风机18在抽吸过程中，将流化床热解气化炉3与生物质给料装置301、床料给料装置302相接的两个给料进口调整微负压，便于物料的进入。
其中，生物质原料的含水量不高于50%，生物质尺寸不大于10cm。
其中，流化床热解气化炉3内温度为500~750℃，低温热解气化，避免了碱金属析出造成腐蚀，K，Na等碱金属大量析出的温度在750℃以上，有效的降低了对水冷壁的腐蚀，炉内速度为2~5m/s。
其中，低热值燃气燃烧室10为绝热燃烧室，燃烧炉温度为700~1000℃，空气预热温度为200~500℃。
其中，床料为耐磨粗床料颗粒，包括石英砂、氧化铝球等不易破碎耐高温颗粒，粒径为0.5~5mm。
其中，床料给料装置302设置在生物质给料装置301的下方，床料颗粒由床料给料装置302加入在流化床热解气化炉3下部，形成稳定流化床密相区域，通过床料颗粒粒度及强度的控制，避免床料颗粒被燃气携带出热解气化炉。
实施例1
将含水量33%、粒径为5cm的木片由生物质给料装置301给入流化床热解气化炉3，粒径为4mm的陶瓷球由床料给料装置302给入流化床热解气化炉3，空气经空气预热器15预热至300℃后一部分送入流化床热解气化炉3，另一部分分级送入低热值燃气燃烧室10，流化床热解气化炉3内的反应温度为700℃，木片在流化床热解气化炉3内发生热解和气化反应，生成高温生物质燃气和生物质炭，高温生物质燃气携带生物炭依次经过一级分离装置5和二级旋风分离器7分离出生物质炭，生物炭含固定碳含量81%；高温燃气经过一级分离装置5和二级旋风分离器7后分为两路，一路通过高温燃气风机1送入流化床热解气化炉3下部，剩余部分送入低热值燃气燃烧室10；高温生物质燃气和预热后的高温空气在低热值燃气燃烧室10内充分燃烧，产生850℃的高温烟气，高温烟气通过蒸汽发生装置12产生压力为3.82MPa、温度为450℃的过热蒸汽，烟气再经空气预热器15回收热量后经过除尘器17、引风机18及烟囱19后排放，系统运行稳定。
实施例2
将含水量38%、粒径为0.5cm的稻壳由生物质给料装置301给入流化床热解气化炉3，粒径为5mm的陶瓷球由床料给料装置302给入流化床热解气化炉3，空气经空气预热器15预热至380℃后一部分送入流化床热解气化炉3，另一部分分级送入低热值燃气燃烧室10，流化床热解气化炉3内的反应温度为730℃，稻壳在流化床热解气化炉3内发生热解和气化反应，生成高温生物质燃气和生物质炭，高温生物质燃气携带生物炭依次经过一级分离装置5和二级旋风分离器7分离出生物质炭，生物炭含固定碳含量55%；高温燃气经过一级分离装置5和二级旋风分离器7后分为两路，一路通过高温燃气风机1送入流化床热解气化炉3下部，剩余部分送入低热值燃气燃烧室10；高温生物质燃气和预热后的高温空气在低热值燃气燃烧室10内充分燃烧，产生950℃的高温烟气，高温烟气通过蒸汽发生装置12产生压力为3.82MPa、温度为450℃的过热蒸汽，烟气再经空气预热器15回收热量后经过除尘器17、引风机18及烟囱19后排放，系统运行稳定。
实施例3
将含水量45%、粒径为0.1cm的木屑由生物质给料装置301给入流化床热解气化炉3，粒径为3mm的氧化铝球由床料给料装置302给入流化床热解气化炉3，空气经空气预热器15预热至280℃后一部分送入流化床热解气化炉3，另一部分分级送入低热值燃气燃烧室10，流化床热解气化炉3内的反应温度为680℃，木屑在流化床热解气化炉3内发生热解和气化反应，生成高温生物质燃气和生物质炭，高温生物质燃气携带生物炭依次经过一级分离装置5和二级旋风分离器7分离出生物质炭，生物炭含固定碳含量83%；高温燃气经过一级分离装置5和二级旋风分离器7后分为两路，一路通过高温燃气风机1送入流化床热解气化炉3下部，剩余部分送入低热值燃气燃烧室10；高温生物质燃气和预热后的高温空气在低热值燃气燃烧室10内充分燃烧，产生980℃的高温烟气，高温烟气通过蒸汽发生装置12产生压力为3.82MPa、温度为450℃的过热蒸汽，烟气再经空气预热器15回收热量后经过除尘器17、引风机18及烟囱19后排放，系统运行稳定。
本发明的工作原理为：
从工业分析的角度，生物质的可燃组分由挥发分和固定碳两部分组成，为了得到高品质生物炭，最理想反应状态是通过尽可能燃烧生物质中挥发分，为热解气化提供能量，避免固定碳的烧损。在以空气为气化剂的热解气化过程中会同时发生挥发分燃烧和固定碳燃烧，需要加入其它可燃气体尽量消耗空气中的氧。本发明中采用热燃气回送到流化床热解气化炉底部的方式，利用热燃气的燃烧速率远高于固定碳燃烧速率的特点，消耗掉空气中多余的氧，减少固定碳烧损，同时为热解气化提供能量。
在生物质原料水分含量较高情况下，气化产生的生物质燃气热值仅有2000kJ/Nm3左右，采用常规燃烧方式无法燃烧。本发明中利用生物质燃气为500℃以上的热燃气特点，直接将热燃气通入绝热的低热值燃气燃烧室，同时通入预热的高温空气，实现低热值燃气的彻底燃尽。低热值燃气燃烧产生的能量利用蒸汽发生器和空气预热器进行吸收，提高系统效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置，其特征在于：包括高温燃气风机，高温燃气风机的出风口处连接有第一管路，第一管路的另一端连接在流化床热解气化炉上，流化床热解气化炉的侧壁上设有生物质给料装置、床料给料装置，另一侧壁上设有反应物出口，底部设有风室，反应物出口处连接有第二管路，第二管路的另一端连接在一级分离装置的进口处，一级分离装置上开设有一级燃气出口及一级生物炭出口，一级燃气出口连接有第四管路，第四管路的另一端连接在二级旋风分离器的进口处，二级旋风分离器上开设有二级燃气出口及二级生物炭出口，二级燃气出口上连接有第五管路及第六管路，第五管路的另一端连接在高温燃气风机的进风口处，第六管路的另一端连接在低热值燃气燃烧室上，低热值燃气燃烧室的底端设有烟气出口，烟气出口上连接有第七管路，第七管路的另一端连接在蒸汽发生装置上，蒸汽发生装置与锅炉给水管路及蒸汽排出管路相接，蒸汽发生装置的上方设有空气预热器，空气预热器上连接有第八管路，第八管路连接在烟气处理装置上，空气预热器上还连接有第九管路及第十管路，第九管路与鼓风机相连接，第十管路与流化床热解气化炉底部的风室相连接，第十管路上还设有连接在低热值燃气燃烧室上的第十一管路。
2.根据权利要求1所述的一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置，其特征在于：所述烟气处理装置包括依次连接的除尘器、引风机及烟囱。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置，其特征在于：所述风室中设有布风板。
4.根据权利要求1或2所述的一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置，其特征在于：所述流化床热解气化炉底部设有排渣装置。
5.一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽的生产工艺，采用一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽联产装置进行生产， 其特征在于：包括以下步骤：
（1）、通过生物质给料装置、床料给料装置往流化床热解气化炉内加入生物质原料和床料；
（2）、运行空气预热器，空气预热器通过第十管路、第十一管路，将预热后的高温空气送入低热值燃气燃烧室，其余的高温空气通过第十管路送入流化床热解气化炉，生物质原料与床料在流化床热解气化炉发生热解及气化反应，生成高温生物质燃气和生物炭； 
（3）、高温生物质燃气和生物炭，依次进入一级分离装置和二级旋风分离器，分离出的生物炭从一级生物炭出口及二级生物炭出口中被收集；分离出高温燃气通过第五管路、第六管路分别进入高温燃气风机与低热值燃气燃烧室，进入高温燃气风机的高温燃气再通过第一管路进入流化床热解气化炉；在流化床热解气化炉中，从空气预热器进入的高温空气与高温燃气发生燃烧反应，为生物质热解气化提供能量；
（4）、运行低热值燃气燃烧室，高温燃气和预热后的高温空气在低热值燃气燃烧室内充分燃烧，产生高温烟气，高温烟气依次通过蒸汽发生装置和空气预热器回收热量后经过烟气处理装置排放。
6.根据权利要求5所述的一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽的生产工艺，其特征在于：所述生物质原料的含水量不高于50%，生物质尺寸不大于10cm。
7.根据权利要求5或6所述的一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽的生产工艺，其特征在于：所述流化床热解气化炉内温度为500~750℃。
8.根据权利要求5或6所述的一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽的生产工艺，其特征在于：所述低热值燃气燃烧室为绝热燃烧室，燃烧炉温度为700~1000℃，空气预热温度为200~500℃。
9.根据权利要求5或6所述的一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽的生产工艺，其特征在于：所述床料为耐磨粗床料颗粒，包括石英砂、氧化铝球，粒径为0.5~5mm。
10.根据权利要求5或6所述的一种生物质热解气化燃烧分段转化生物炭/蒸汽的生产工艺，其特征在于：所述床料给料装置设置在生物质给料装置的下方，床料颗粒由床料给料装置加入在流化床热解气化炉下部，形成稳定流化床密相区域。
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