CN105505470B - 生物质气化的装置以及生物质气化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了生物质气化装置和方法。该装置包括：上吸式固定床气化炉，包括第一本体，第一本体限定出第一气化空间，设置有第一生物质进口、第一气化产物出口、第一气化产物进口和燃气出口；下吸式固定床气化炉，包括第二本体，第二本体限定出第二气化空间，设置有第二生物质进口、第二气化产物出口、第二气化产物进口；其中，第一气化产物出口与第二气化产物进口相连；第二气化产物出口与第一气化产物进口相连；第二气化产物进口的位置高于第二气化产物出口，第一气化产物进口的位置高于第一气化产物出口；第一气化产物进口的位置与第一气化产物出口的位置的高度差为第一本体高度的三分之一至二分之一。
Description
技术领域
本发明属于化工领域，具体而言，涉及生物质气化的装置以及生物质气化的方法。
背景技术
生物质能源是世界第四大能源，储量仅次于煤炭、石油和天然气，同时也是储量最为丰富的可再生能源。中国是农业大国，生物质资源非常丰富，仅农业而言，每年有7亿吨以上农业废弃物产生，相当于2.5亿吨原油。然而，生物质能源的利用效率并不高，每年有大量的农作物秸秆田地直接焚烧，不仅造成空气污染、能源浪费，还具有极大的安全隐患。由此可见，生物质能源的开发利用具有极其重要的意义。生物质气化是以生物质为原料，以空气、氧气、水蒸气、氢气中的一种或几种为气化介质，通过高温热化学反应，将其可燃部分转化为燃气的过程。生物质气化技术是将生物质能源高效利用的最有效的方法之一。
然而，目前生物质气化的装置以及生物质气化的方法仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
目前的生物质气化装置，存在气化产物焦油含量高、飞灰较多且易堵塞管路以及燃气显热高导致能量损失等问题。发明人经过深入研究发现，这主要是由于目前生物质气化装置中，上吸式固定床气化炉的燃气出口设于气化炉顶部，热解段产生的焦油大部分由燃气出口排出，导致气化产物中焦油含量较高；而下吸式固定床气化炉则由于燃气出口位于气化炉底部，气化燃气经过氧化段和还原段，导致位于装置下方的燃气出口处排出的气化产物温度较高且飞灰杂质含量高，无法直接利用，从而造成大量燃气显热流失，导致能量利用率较低。此外，目前的上吸式固定床气化炉以及下吸式固定床气化炉由于结构设计方面的缺陷，常常导致生物质气化装置的气化过程中产生焦油、飞灰多易堵塞管路等问题。
有鉴于此，在本发明的第一方面，本发明提出了一种生物质气化的装置。根据本发明的实施例，该装置包括：上吸式固定床气化炉，所述上吸式固定床气化炉包括第一本体，所述第一本体中限定出第一气化空间用于对所述生物质进行气化以便获得气化产物和高温炭，并且所述第一本体上设置有第一生物质进口、第一气化产物出口、第一气化产物进口和燃气出口；下吸式固定床气化炉，所述下吸式固定床气化炉包括第二本体，所述第二本体中限定出第二气化空间用于对所述生物质进行气化以便获得气化产物和高温炭，并且所述第二本体上设置有第二生物质进口、第二气化产物出口以及第二气化产物进口；其中，所述第一生物质进口和所述第二生物质进口分别用于向所述第一气化空间和所述第二气化空间中供给生物质；所述第一气化产物出口与所述第二气化产物进口相连，用于将所述第一气化空间中的所述气化产物输送至所述第二气化空间中；所述第二气化产物出口与所述第一气化产物进口相连，用于将所述第二气化空间中的所述气化产物输送至所述第一气化空间中；以及燃气出口，所述燃气出口用于将气化燃气排出所述上吸式固定床气化炉；以及在竖直方向上，所述第二气化产物进口的位置高于所述第二气化产物出口的位置，所述第一气化产物进口的位置高于所述第一气化产物出口的位置；所述第一气化产物进口的位置与所述第一气化产物出口的位置的高度差为所述第一本体高度的三分之一至二分之一。由此，将上吸式固定床气化炉与下吸式固定床气化炉相结合，进而提高该装置的生物质气化效果，降低产物中焦油含量，回收气化产物中的显热并减少气化产物中的飞灰含量，从而提高该气化装置的气化处理效率。此外，可以将气化产物从该装置的适当位置排出一个固定床气化炉并进入另一个固定床气化炉，从而保证了该装置两个气化炉有效地结合，进而提高该装置的气化处理效率。
根据本发明的实施例，该装置在竖直方向上，所述第一气化空间自上而下依次限定出第一干燥段、第一热解段、第一还原段、第一氧化段，其中，所述第一气化产物出口设置在所述第一还原段的侧壁上；以及所述第一气化产物进口设置在所述第一干燥段的侧壁上。由此，可以将第一气化空间中处理后的气体持续通入第二气化空间处理，从而可以将两个气化空间进行有效结合，进而提高该装置的气化处理效率。
根据本发明的实施例，该装置在竖直方向上，第二气化空间自上而下依次限定出第二干燥段、第二热解段、第二氧化段、第二还原段，其中，所述第二气化产物出口设置在所述第二还原段的侧壁上；以及所述第二气化产物进口设置在所述第二干燥段的侧壁上。由此，可以将第二气化空间中处理后的气体持续通入第一气化空间处理，从而可以将两个气化空间进行有效结合，进而提高该装置的气化处理效率。
根据本发明的实施例，该装置进一步包括：第一炭出口，所述第一炭出口设置在所述第一本体的底部，用于将所述高温炭排出所述第一气化空间；第二炭出口，所述第二炭出口设置在所述第二本体的底部，用于将所述高温炭排出所述第二气化空间；第一气化剂入口，所述第一气化剂入口设置在所述第一氧化段的侧壁上，用于向所述第一气化空间中供给空气；第二气化剂入口，所述第二气化剂入口设置在所述第二氧化段的侧壁上，用于向所述第二气化空间中供给空气；第一换热器，所述第一换热器用于使所述高温炭与低温空气进行换热处理，以便获得高温空气和中温炭，其中，所述第一换热器包括：第一低温空气入口，所述第一低温空气入口用于向所述第一换热器中供给所述低温空气；高温空气出口，所述高温空气出口分别与所述第一气化剂入口和第二气化剂入口相连，用于将所述高温空气供给至所述第一气化空间和所述第二气化空间；高温炭入口，所述高温炭入口分别与所述第一炭出口和所述第二炭出口相连，用于将所述高温炭供给至所述第一换热器；以及中温炭出口，所述中温炭出口用于将所述中温炭排出所述第一换热器。由此，通过设置第一换热器对产生的高温炭进行处理，进而使高温炭含有的显热得以利用，从而提高该气化装置的能源利用效率。
根据本发明的实施例，该装置进一步包括：第二换热器，所述第二换热器用于使所述中温炭与所述低温空气进行换热处理，以便获得中温空气和低温炭；干燥单元，所述干燥单元分别与所述第二换热器和所述第二生物质进口相连，用于利用所述中温空气对所述生物质进行干燥处理，并将经过所述干燥处理的所述生物质供给至所述第二气化空间，其中，所述第二换热器包括：中温炭入口，所述中温炭入口与所述中温炭出口相连，用于将所述中温炭供给至所述第二换热器；第二低温空气入口，所述第二低温空气入口用于将所述低温空气供给至所述第二换热器；以及中温空气出口，所述中温空气出口与所述干燥单元相连，用于将所述中温空气排出所述第二换热器并供给至所述干燥单元进行所述干燥处理。由此，通过设置第二换热器以及干燥单元，对中温炭以及生物质进行处理，从而提高该气化装置的生物质气化处理效果以及能源利用效率。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种利用前面描述的生物质气化的装置进行生物质气化的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将第一生物质在所述上吸式固定床气化炉中利用高温空气进行气化处理，以便得到第一气化产物和高温炭，将第二生物质在所述下吸式固定床气化炉中利用高温空气进行气化处理，以便得到第二气化产物和高温炭；(2)将所述第一气化产物供给至所述下吸式固定床气化炉中进行焦油高温裂解处理，并将所述第二气化产物供给至所述上吸式固定床气化炉中进行气化处理，以便获得气化燃气；以及(3)从所述上吸式固定床气化炉中收集所述气化燃气。由此，可以通过将上吸式固定床气化炉与下吸式固定床气化炉相结合的方式，提高该方法的生物质处理效率以及处理效果。
根据本发明的实施例，在该方法中，所述高温空气是在所述第一换热器中，利用低温空气与所述高温炭进行第一换热而获得的，并且，所述第一换热将所述高温炭转化为中温炭。由此，可以对该方法中产生的高温炭的显热进行利用，从而提高了该方法的能源利用效率。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：在将第二生物质在所述下吸式固定床气化炉中利用高温空气进行气化处理之前，预先采用中温空气对所述第二生物质进行干燥处理，其中，所述中温空气是在所述第二换热器中，通过所述中温炭与所述低温空气进行第二换热而得到的。由此，利用中温炭预先预热空气并对第二生物质进行干燥，从而提高了该方法的能源利用效率以及生物质气化效率。
根据本发明的实施例，在该方法中，所述第一生物质具有1mm～3cm的粒径，不超过50％的含水量，以及所述第二生物质具有1mm～5cm的粒径，不超过30％的含水量。由此，根据本发明实施例的方法可以降低处理生物质时对生物质粒径以及含水量的要求，从而简化生物质前处理过程。
根据本发明的实施例，所述高温炭的温度为550～650摄氏度，所述中温炭的温度为300～350摄氏度，所述高温空气的温度为200～250摄氏度，所述中温空气的温度为100～150摄氏度；以及所述上吸式固定床气化炉中利用的所述高温空气的当量比为0.18～0.35，所述下吸式固定床气化炉中利用的所述高温空气的当量比为0.25～0.4。由此，在保证利用该方法处理的生物质气化完全的基础上，节省能量，从而降低利用该方法处理生物质的能量消耗。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的用于生物质气化装置的结构示意图；
图2显示了根据本发明另一个实施例的用于生物质气化装置的部分结构示意图；
图3显示了根据本发明又一个实施例的用于生物质气化装置的部分结构示意图；
图4显示了根据本发明又一个实施例的用于生物质气化装置的部分结构示意图；
图5显示了根据本发明又一个实施例的用于生物质气化装置的部分结构示意图；
图6显示了根据本发明又一个实施例的用于生物质气化装置的部分结构示意图；
图7显示了根据本发明又一个实施例的用于生物质气化装置的部分结构示意图；
图8显示了根据本发明又一个实施例的用于生物质气化装置的部分结构示意图；
图9显示了根据本发明一个实施例的用于生物质气化方法的步骤流程图；
图10显示了根据本发明另一个实施例的用于生物质气化方法的步骤流程图；
图11显示了根据本发明又一个实施例的用于生物质气化方法的步骤流程图；
图12显示了根据本发明又一个实施例的用于生物质气化方法的步骤流程图；以及
图13显示了根据本发明又一个实施例的用于生物质气化方法的步骤流程图。
附图标记说明：
100：第一本体
110：第一生物质进口
120：第一气化产物出口
130：第一气化产物进口
140：第一干燥段
150：第一热解段
160：第一还原段
170：第一氧化段
180：第一炭出口
190：第一气化剂入口
200：第二本体
210：第二生物质进口
220：第二气化产物出口
230：第二气化产物进口
240：第二干燥段
250：第二热解段
260：第二还原段
270：第二氧化段
280：第二炭出口
290：第二气化剂入口
300：燃气出口
10：气孔
20：导气管
1000：上吸式固定床气化炉
2000：下吸式固定床气化炉
3000：第一换热器
3100：第一低温空气入口
3200：高温空气出口
3300：高温炭入口
3400：中温炭出口
4000：第二换热器
4100：第二低温空气入口
4200：中温空气出口
4300：中温炭入口
5000：干燥单元
6000：净化单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
目前的生物质气化装置，存在气化产物焦油含量高、飞灰较多且易堵塞管路以及燃气显热高导致能量损失等问题。发明人经过深入研究发现，这主要是由于目前生物质气化装置中，上吸式固定床气化炉的燃气出口设于气化炉顶部，热解段产生的焦油大部分由燃气出口排出，导致气化燃气中焦油含量较高；而下吸式固定床气化炉的燃气出口位于气化炉底部，气化燃气经过氧化段和还原段，导致为于装置下方的燃气出口处排出的气化产物温度较高且含有大量灰分杂质，无法直接利用，从而造成大量燃气显热流失，导致能量利用率较低。此外，目前的上吸式固定床气化炉以及下吸式固定床气化炉的结构设计方面的缺陷，常常导致生物质气化装置产生的气化燃气焦油含量高且难以处理，气化过程中产生飞灰多易堵塞管路等问题。
有鉴于此，在本发明的第一方面，本发明提出了一种用于生物质气化的装置。根据本发明的实施例，参考图1，该装置包括：上吸式固定床气化炉1000以及下吸式固定床气化炉2000。具体地，根据本发明的实施例，上吸式固定床气化炉1000包括第一本体100，以便限定出第一气化空间对生物质进行上吸式气化处理，并获得气化产物以及高温炭，并且，第一本体100上设置有第一生物质进口110、第一气化产物出口120、第一气化产物进口130以及燃气出口300。下吸式固定床气化炉2000包括第二本体200，以便限定出第二气化空间对生物质进行下吸式气化处理并获得高温炭以及气化产物，并且，第二本体200上设置有第二生物质进口210、第二气化产物出口220以及第二气化产物进口230。换句话说，生物质通过第一生物质进口110进入第一本体100，并通过第二生物质进口210进入第二本体200中进行气化处理。并且，第一气化产物出口120与第二气化产物进口230相连，将经过第一气化空间处理的气化产物供给至第二气化空间中进行气化处理；同时，第二气化产物出口220与第一气化产物进口130相连，将经过第二气化空间处理的气化产物供给至第一气化空间中进行过滤及换热处理。最终，经过上述气化处理的气化燃气由燃气出口300排出该装置。在竖直方向上，第二气化产物进口230的位置高于第二气化产物出口220的位置，第一气化产物进口130的位置高于第一气化产物出口120的位置；第一气化产物进口130的位置与第一气化产物出口120的位置的高度差为第一本体100高度的三分之一至二分之一。由此，可以有效地将上吸式固定床气化炉1000与下吸式固定床气化炉2000结合，使生物质经过气化处理后生成气化燃气，进而降低气化燃气中的焦油含量以及飞灰含量，从而提高该装置的生物质处理效果。此外，可以保证从第一气化产物出口120排出的气化燃气已经经过了第一本体100的处理，并且从第二气化产物出口220排出的气化燃气也经过第二本体200的处理，进而提高该装置气化处理生物质的效果。此外，第一气化产物进口130的位置与第一气化产物出口120的位置的高度差能够保证第一本体100中第一干燥层140具有足够的高度，以便实现料封，避免上吸式固定床气化炉1000中燃气回流而对该装置的安全性造成影响。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“连通”等应作广义理解。例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介或部件、接口以及通道间接相连。本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，只要满足根据本发明实施例的装置的各个部件之间的连接关系以及生物质或气化燃气在其流动线路上的上下游关系即可。此外，本文中采用的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了方便理解，下面对根据本发明实施例的用于生物质气化装置的各个部件进行详细描述。
根据本发明的实施例，参考图2，在上吸式固定床气化炉中，第一气化空间自上而下依次包括：第一干燥段140、第一热解段150、第一还原段160以及第一氧化段170。其中，根据本发明的实施例，第一干燥段140的温度为30～200摄氏度，用于干燥进入上吸式固定床气化炉1000中的生物质原料，以便除去原料中的水分，并对生物质原料进行预先加热；第一热解段150的温度为200～500摄氏度，以便经过干燥段的生物质在缺氧条件下进行裂解，生成部分热解气同时产生副产物炭以及焦油；第一还原段160的温度为700～900摄氏度，并且在缺氧条件下完成生多个吸热的还原反应，例如，根据本发明的实施例，还原反应包括：炭与二氧化碳反应生成一氧化碳、炭与氢气反应生成甲烷等反应，以便增加热解产物中CO以及CH4的含量，增加气化燃气热值；第一氧化段170的温度为700～1100摄氏度，并且在该段有空气的注入，以便在氧气存在的情况下完成生物质以及炭的部分燃烧以及焦油的裂解，同时为气化反应供给热量。此外，根据本发明的具体实施例，在第一干燥段140的顶部设置有第一生物质进口110(图中未示出)，并且在第一还原段160的侧壁上设置有第一气化产物出口120，以便将经过第一还原段160处理的生物质气化燃气排出上吸式固定床气化炉1000进行进一步处理；在第一干燥段140的侧壁上设置有第一气化产物进口130，以便将经过处理的生物质气化燃气引入第一气化空间，并且在第一干燥段140的侧壁上设置有燃气出口300，以便将经过处理的气化燃气排出该装置。由此，可以得到具有焦油以及飞灰含量较少的气化燃气，从而提高该装用于生物质气化的气化效果。
根据本发明的实施例，参考图3，在下吸式固定床气化炉中，第二气化空间自上而下依次包括：第二干燥段240、第二热解段250、第二氧化段270以及第二还原段260。其中，第二干燥段240与第一干燥段140的温度相同，用于对生物质原料进行干燥；第二热解段250与第一热解段150的温度相同，用于裂解生物质生成热解气以及焦油、炭副产物；第二氧化段270与第一氧化段170温度相同，用于完成生物质的部分燃烧以及焦油的裂解；第二还原段260与第一还原段160温度相同，用于完成还原反应以增加气化燃气的热值。此外，根据本发明的实施例，第二干燥段240的侧壁上设置有第二气化产物进口230。并且，第二气化产物进口230与第一气化产物出口120相连，以便将经过第一本体100中处理的气化燃气供给至第二干燥段240中进行进一步气化处理；第二还原段260的侧壁上设置有第二气化产物出口220，并且第二气化产物出口220与第一气化产物进口130相连，以便将经过第二还原段260处理的气化产物供给至第一本体100中，并最终由燃气出口300排出该装置，从而获得具有焦油以及飞灰含量较少的气化燃气，从而提高该装用于生物质气化的气化效果。
根据本发明的实施例，该用于生物质气化的装置中，在竖直方向上，第二气化产物进口230的位置高于第二气化产物出口220的位置，第一气化产物进口130的位置高于第一气化产物出口120的位置，并且，第一气化产物进口130的位置与第一气化产物出口120的位置的高度差为第一本体100高度的三分之一至二分之一。由此，可以保证从第一气化产物出口120排出的气化燃气已经经过了第一本体100的处理，并且从第二气化产物出口220排出的气化燃气也经过第二本体200的处理，进而提高该装置气化处理生物质的效果。此外，第一气化产物进口130的位置与第一气化产物出口120的位置的高度差能够保证第一本体100中第一干燥层140具有足够的高度，以便实现料封，避免上吸式固定床气化炉1000中燃气回流而对该装置的安全性造成影响。
此外，根据本发明的实施例，参考图4，上吸式固定床气化炉1000进一步包括第一炭出口180以及第一气化剂入口190，下吸式固定床气化炉2000进一步包括第二炭出口280以及第二气化剂入口290。具体地，根据本发明的实施例，第一炭出口180设置在第一本体100的底部，用于将气化处理过程中产生的高温炭排出第一气化空间；第二炭出口280设置在第二本体的底部，用于将气化处理过程中产生的高温炭排出第二气化空间。第一气化剂入口190设置在第一氧化段170的侧壁上，用于向第一气化空间中供应空气，以便完成第一氧化段170中的气化处理；第二气化剂入口290设置在第二氧化段270的侧壁上，用于向第二气化空间中供应空气，以便完成第二氧化段270中的气化处理。由此，可以将第一本体100以及第二本体200中的高温炭排出并进行利用，从而提高根据本发明实施例的装置的能源利用效率。
根据本发明的实施例，该用于生物质气化的装置还可以具有第一换热器3000，用于对高温炭与低温空气进行换热处理，以便获得高温空气和中温炭。根据本发明的实施例，参考图4，第一换热器3000包括第一低温空气入口3100，高温空气出口3200，高温炭入口3300以及中温炭出口3400。具体地，根据本发明的实施例，第一低温空气入口3100用于向第一换热器3000中供给低温空气，其中，低温空气为室温空气。高温炭入口3300与第一炭出口180以及第二炭出口280相连，利用从第一本体以及第二本体200中排出的高温炭与低温空气进行换热处理，将低温空气转换为高温空气并从高温空气出口3200排出，高温空气出口3200与第一气化剂入口190以及第二气化剂入口290相连，从而将高温空气通过第一气化剂入口190供给至第一气化空间并通过第二气化剂入口290供给至第二气化空间，利用该高温空气进行生物质的氧化处理；同时，经过换热将高温炭转化为中温炭，并通过中温炭出口3400排出第一换热器3000。由此，可以利用生物质气化过程中产生的高温炭对低温空气进行预热，从而提高了进入第一气化空间以及第二气化空间的空气温度，从而提高了生物质氧化处理的效率，同时利用了高温炭含有的显热，进而提高了该装置的能源利用效率。
根据本发明的实施例，该用于生物质气化的装置还可以具有第二换热器4000，用于对中温炭以及低温空气进行换热处理，以便获得低温炭以及中温空气。根据本发明的实施例，参考图5，第二换热器4000具有第二低温空气入口4100，中温空气出口4200以及中温炭入口4300。具体地，根据本发明的实施例，第二低温空气入口4100用于向第二换热器4000中供给低温空气，其中，低温空气为室温空气。中温炭入口4300与中温炭出口3400相连，利用从第一换热器3000中排出的中温炭与低温空气进行换热处理，将低温空气转换为中温空气并从中温空气出口4200排出；同时，经过换热将中温炭转化为低温炭。由此，可以利用中温炭对低温空气进行预热并用于后续处理，从而提高该装置的能源利用效率。
根据本发明的实施例，该装置可以进一步具有干燥单元5000。根据本发明的实施例，参考图6，干燥单元5000分别与第二换热器4000以及第二生物质进口210相连，用于利用从中温空气出口4200中排出的中温空气对生物质原料进行干燥处理，并将处理后的干燥的生物质通过第二生物质进口210供给至第二气化空间内进行气化处理。由此，利用中温空气预先对生物质进行处理，从而提高了第二气化空间内气化处理的效率，从而提高了该用于生物质气化的装置的处理效果。
在本发明中，高温炭特指从第一气化空间以及第二气化空间中直接排出的在气化生物质过程中产生的炭；中温炭特指高温炭经过第一换热器3000处理后得到的炭；低温炭特指中温炭经过第二换热器4000处理后得到的炭。并且，本领域技术人员能够理解，此处的高温、中温以及低温为相对温度，即高温炭的温度高于中温炭与低温炭，中温炭的温度高于低温炭。具体而言，根据本发明的一个实施例，高温炭的温度可以为550～650摄氏度，中温炭的温度可以为300～350摄氏度，低温炭的温度可以为120～150摄氏度。
同时，在本发明中，低温空气特指不需要额外加热或冷却处理的具有室温的空气；中温空气特指低温空气与中温炭换热后得到的空气；高温空气特指低温空气与高温炭换热后得到的空气。并且，此处的高温、中温以及低温为相对温度，即高温空气的温度高于中温空气与低温空气，中温空气的温度高于低温空气。具体而言，根据本发明的一个实施例，高温空气的温度可以为200～250摄氏度，中温空气的温度可以为100～150摄氏度，低温空气的温度可以为0～35摄氏度。
此外，根据本发明的实施例，该用于生物质气化的装置还可以进一步具有净化单元6000。根据本发明的实施例，参考图7，净化单元6000与燃气出口300相连，对气化燃气进行净化处理，从而获得清洁燃气。由此，可以进一步提高该装置的生物质气化处理效果。
综上所述，在本发明的第一方面，本发明提出了一种具有上吸式固定床气化炉以及下吸式固定床气化炉的用于生物质气化的装置。具体地，根据本发明的实施例，该装置在上吸式固定床气化炉1000的第一还原段160侧壁上设置有第一气化产物出口120，将经过第一气化空间处理的气化产物由第二气化产物进口230供给至下吸式固定床气化炉2000中进行气化处理。由此，经过了第一还原段160处理的具有一定一氧化碳、甲烷、氢气、二氧化碳含量的气化产物，通过下吸式固定床气化炉2000的气化处理，特别是第二氧化段270的处理，实现焦油的大部分裂解。与此同时，从第二气化产物进口230进入第二气化空间的气化产物中含有部分灰分，该部分灰分具有催化裂解焦油的作用，从而降低气化产物中的焦油含量并提高燃气热值。此后，该部分气化产物通过第二气化产物出口220排出第二气化空间并通过第一气化产物进口130再次进入第一气化空间的第一干燥段140，利用该气化产物对第一干燥段140中的生物质原料进行干燥预热，从而实现气化产物显热的回收，同时可以滤去气化产物中大部分的飞灰以及焦油，得到的气化燃气通过燃气出口300排出。由于经过上述处理的气化燃气中飞灰以及焦油含量较小，因此简化了气化燃气后续净化处理工艺。因此，利用本发明实施例的装置对生物质进行气化处理时，对生物质原料的粒径、含水量要求均较低。例如，根据本发明的实施例，由第一生物质进口110进入第一本体100中的生物质可以具有1毫米～3厘米的粒径以及不高于50％的含水率；由第二生物质进口210进入第二本体200中的生物质可以具有1毫米～5厘米的粒径以及不高于30％的含水率。同时，上吸式固定床气化炉1000可以具有0.18～0.35的空气当量比，下吸式固定床气化炉2000可以具有0.25～0.4的空气当量比。由此，可以利用根据本发明实施例的装置，达到高效利用能源并有效地气化处理生物质的目的，以便得到具有较少焦油含量以及灰分的生物质气化燃气。
此外，本领域技术人员能够理解，在不付出创造性劳动的前提下，对根据本发明实施例的装置进行的相关改动以及优化也属于本发明的保护范围。例如，参考图8，根据本发明的一些实施例，该用于生物质气化的装置还可以具备以下结构：在第一氧化段170以及第二氧化段270的侧壁上设置气孔10，进而可以通过环绕在该装置侧壁上的多个气孔为第一氧化段170以及第二氧化段270提供均匀的空气供给，从而提高生物质氧化处理效率；在下吸式固定床气化炉2000中设置导气管20，以便避免由于压力过大导致气化产物回流，从而提高系统的稳定性。此外，还可以在该装置的外部加设保温层，以便保持该装置内部温度恒定；在第一气化产物出口120处加设引风机，以便将气化产物从上吸式固定床气化炉1000中排出。由此，可以通过上述部件的加设，进一步提高该装置的生物质气化处理效果。
为了方便理解，下面对利用该用于生物质气化的装置进行生物质气化处理的方法进行描述：
根据本发明的实施例，参考图4以及图9，生物质原料分别通过第一生物质进口110进入第一气化空间，即上吸式固定床，依次经过第一干燥段140、第一热解段150、第一还原段160以及第一氧化段170进行气化处理，并通过第二生物质进口210进入第二气化空间，即下吸式固定床，依次经过第二干燥段240、第二热解段250、第二氧化段270以及第二还原段260进行气化处理。第一气化空间中的气化产物通过设置在第一还原段160侧壁上的第一气化产物出口120排出，并通过与第一气化产物出口120相连的第二气化产物进口230进入第二气化空间的第二干燥段240继续进行气化处理，以便进一步降低气化产物中的焦油含量并提高燃气热值。第二气化空间中的气化产物通过设置在第二还原段260侧壁上的第二气化产物出口220排出第二气化空间，并通过与第二气化产物出口220相连的第一气化产物进口130进入第一气化空间中的第一干燥段140进行处理，以便降低气化产物中的焦油以及飞灰含量，同时对第一生物质原料进行预热干燥。气化产物经过第一干燥段140的再次处理后，由燃气出口300排出该装置。此外，还可以通过与燃气出口300相连的净化单元6000对气化燃气进行进一步的净化处理。由此，可以将上吸式固定床气化炉1000与下吸式固定床气化炉2000结合，从而提高了该装置用于生物质气化的处理效率以及效果。
此外，根据本发明的实施例，在利用该装置进行生物质气化时，还可以将上述气化处理过程中产生的高温炭通入第一换热器3000中，以便利用第一换热器3000，使高温炭与低温空气进行换热，以便获得高温空气以及中温炭。其中，高温空气通入第一氧化段170(位于上吸式固定床，参考图9)以及第二氧化段270(位于下吸式固定床，参考图9)中用于生物质的氧化处理。中温炭通过第二换热器4000与低温空气继续进行换热，并获得中温空气以及低温炭。其中，中温空气用于在干燥单元5000中对进入第二气化空间(即下吸式固定床，参考图9)的生物质预先进行干燥处理。由此，可以增强利用该装置进行生物质气化处理的能源利用效率，并且提高气化的处理效率以及效果。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种利用前面描述的生物质气化的装置进行生物质气化的方法。根据本发明的实施例，参考图10，该方法包括：
S100：气化处理
根据本发明的实施例，在该步骤中，在上吸式固定床气化炉中，利用高温空气对第一生物质进行气化处理，得到第一气化产物以及高温炭；并且，在下吸式固定床气化炉中，利用高温空气对第二生物质进行气化处理，以便得到第二气化产物和高温炭。具体地，根据本发明的实施例，第一生物质进入上吸式固定床气化炉中，依次经过第一干燥段处理、第一热解段处理、第一还原段处理以及第一氧化段处理。其中，第一干燥段处理用于干燥第一生物质，以便除去其所含水分，并对第一生物质进行预先加热；第一热解段处理用于使第一生物质在缺氧条件下进行裂解，生成热解气的同时产生副产物高温炭以及焦油；第一还原段处理用于在缺氧条件，使气化产物下完成生多个还原反应，例如，根据本发明的实施例，还原反应包括：炭与二氧化碳反应生成一氧化碳、炭与氢气反应生成甲烷等反应，以便增加热解产物中CO以及CH4的含量，从而增加气化产物热值；第一氧化段用于在高温空气中，使第一生物质进行部分燃烧，同时完成焦油的裂解，进而得到第一气化产物。此外，根据本发明的实施例，第二生物质进入下吸式固定床气化炉中，依次经过第二干燥段处理、第二热解段处理、第二氧化段处理以及第二还原段处理。其中，第二干燥段与第一干燥段具有相同的特征以及优点，第二热解段与第一热解段具有相同的特征以及优点，第二氧化段与第一氧化段具有相同的特征以及优点，第二还原段与第一还原段具有相同的特征以及优点，在此不再赘述。由此，经过上述下吸式固定床气化炉的处理，使第二生物质气化得到第二气化产物以及高温炭。此外，根据本发明的实施例，上吸式固定床气化炉中高温空气的当量比可以为0.18～0.35，下吸式固定床气化炉中高温空气的当量比可以为0.25～0.4。由此，可以得到第一气化产物以及第二气化产物，提高该方法生物质气化的效果以及效率。
此外，根据本发明的实施例，参考图11，用于第一氧化段以及第二氧化段的高温空气是通过以下步骤获得的：
S10：第一换热
根据本发明的实施例，利用对第一生物质以及第二生物质进行气化处理过程中产生的高温炭以及低温空气进行换热，利用高温炭对低温空气进行加热，以便产生高温空气和中温炭。其中，低温空气为不需额外进行加热或冷却处理的室温空气。具体来说，根据本发明的实施例，低温空气的温度可以为0～35摄氏度，高温空气的温度可以为200～250摄氏度，高温炭的温度可以为550～650摄氏度，中温炭的温度可以为100～150摄氏度。由此，可以使高温炭中含有的显热得到有效利用，同时获得高温空气，进而可以提高第一氧化段和第二氧化段的生物质化处理效果。
此外，为了进一步提高下吸式固定床气化炉中对第二生物质的气化处理效果，在第二生物质进入下吸式固定床气化炉之前，可以采用中温空气对第二生物质进行干燥处理，以便降低第二生物质中的含水量，进而提高第二生物质的气化处理效果。具体地，参考图12，中温空气是通过以下步骤获得的：
S20：第二换热
根据本发明的实施例，采用第一换热产生的中温炭，对低温空气进行第二换热处理，以便得到中温空气和低温炭。具体来说，根据本发明的实施例，中温空气的温度可以为300～350摄氏度，低温炭的温度可以为120～150摄氏度。由此，可以对中温炭中含有的显热进行利用，进而提高该方法的能源利用效率。
S200：交叉供给
在该步骤中，根据本发明的实施例，将第一气化产物供给至下吸式固定床气化炉中进行气化处理，同时，将第二气化产物供给至上吸式固定床气化炉中进行气化处理，以便获得气化燃气。具体来说，根据本发明的实施例，将经过上吸式固定床气化炉中第一还原段处理的气化产物，通过燃气管通入至下吸式固定床气化炉的第二干燥段进行再次处理；同时，将经过下吸式固定床气化炉第二还原段处理的气化产物通过燃气管通入至上吸式固定床气化炉的干燥段进行处理。由此，经过上吸式固定床气化炉处理的得到的第一气化产物，进入下吸式固定床气化炉后进一步进行气化反应，以便使第一气化产物中含有的焦油进行二次裂解，以便提高气化产物中的燃气热值；同时，第二气化产物以及经过下吸式固定床气化炉处理的第一气化产物的气化产物混合物可以通过燃气导管进入上吸式固定床气化炉中，经过第一干燥层以便对气化产物混合物中的飞灰进行过滤，同时上述气化产物混合物再次经过上吸式固定床气化炉的处理，以便进一步降低气化产物中的焦油含量并增加燃气热值。由于采用了上述交叉供给的方式，因此利用该方法处理生物质时对生物质的历经以及含水量要求较低。例如，根据本发明的实施例，第一生物质可以具有1mm～3cm的粒径以及不超过50％的含水量；第二生物质可以具有1mm～5cm的粒径以及不超过30％的含水量。由此，可以通过上述交叉供给方式，将上吸式固定床气化炉与下吸式固定床气化炉结合，便于大规模生产，并且能够提高生物质气化的效率以及效果。
S300：收集气化燃气
根据本发明的实施例，在该步骤中，从上吸式气化炉的第一干燥层侧壁处收集气化燃气。由此，经过干燥处理并过滤飞灰后，气化燃气排出上吸式固定床气化炉，以便简化后续燃气处理步骤。
此外，根据本发明的实施例，参考图13，该方法还可以进一步包括：
S400：净化处理
根据本发明的实施例，在该步骤中，对排出上吸式固定床气化炉的气化燃气进行进一步净化处理，以便获得洁净燃气。由此，可以进一步提高利用该装置获得的生物质气化燃气的质量。
下面通过具体实施例对本发明进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅是用于说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
以木屑为原料，下吸式固定床木屑平均粒径为2cm，含水率为25％；上吸式固定床木屑粒径为4cm，含水率为40％；将含水率25％木屑和含水率40％的木屑分别加入到下吸式固定床气化炉和上吸式固定床气化炉中，上吸式固定床气化炉中产生的气化燃气经引风机由燃气导管导入到下吸式固定床气化炉的第二干燥段中，经由导气管直接进入其第二氧化段，同时下吸式固定床气化炉的气化燃气经过其第二氧化段，所有经过第二氧化段的燃气一起由燃气导管导入到上吸式固定床气化炉第一干燥段，由燃气出口导出，高温炭分别由上吸式固定床气化炉和下吸式固定床气化炉的炉底排出；低温空气与高温炭换热制备高温空气，供两固定床气化炉气化；中温炭与低温空气换热得到的中温空气用于给下吸式固定床气化炉的原料预热干燥。
两固定床气化炉气化介质均为空气，上吸式固定床气化炉空气的当量比为0.19，下吸式固定床气化炉空气当量比为0.32。燃气出口温度为290℃，气化燃气低位热值7.2MJ/m3，燃气焦油含量72mg/m3。
实施例2
以甘蔗渣为原料，将甘蔗渣干燥粗成型，下吸式固定床甘蔗渣平均粒径2cm，含水率30％，上吸式固定床气化炉甘蔗渣平均粒径4cm，含水率40％；将含水率30％的甘蔗渣成型颗粒和含水率40％的甘蔗渣成型颗粒分别加入到下吸式固定床气化炉和上吸式固定床气化炉中，上吸式气化炉中产生的气化燃气经引风机由燃气导管导入到下吸式固定床气化炉的第二干燥段中，经由导气管直接进入其第二氧化段，同时下吸式固定床气化炉的气化燃气经过第二氧化段，所有经过第二氧化段的燃气一起由燃气导管导入到上吸式固定床气化炉第一干燥段，由燃气出口导出，高温炭分别由上吸式固定床气化炉和下吸式固定床气化炉的炉底排出；低温空气与高温炭换热制备高温空气，供两固定床气化炉气化；中温炭与低温空气换热得到的中温空气用于给下吸式固定床原料预热干燥。
两固定床气化炉气化介质均为空气，上吸式固定床气化炉空气的当量比为0.22，下吸式固定床气化炉空气当量比为0.36。燃气出口温度为300℃，气化燃气低位热值8.21MJ/m3，燃气焦油含量80mg/m3。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种生物质气化的装置，其特征在于，包括：
上吸式固定床气化炉，所述上吸式固定床气化炉包括第一本体，所述第一本体中限定出第一气化空间用于对所述生物质进行气化以便获得气化产物和高温炭，并且所述第一本体上设置有第一生物质进口、第一气化产物出口、第一气化产物进口和燃气出口；
下吸式固定床气化炉，所述下吸式固定床气化炉包括第二本体，所述第二本体中限定出第二气化空间用于对所述生物质进行气化以便获得气化产物和高温炭，并且所述第二本体上设置有第二生物质进口、第二气化产物出口以及第二气化产物进口；
其中，
所述第一生物质进口和所述第二生物质进口分别用于向所述第一气化空间和所述第二气化空间中供给生物质；
所述第一气化产物出口与所述第二气化产物进口相连，用于将所述第一气化空间中的所述气化产物输送至所述第二气化空间中；
所述第二气化产物出口与所述第一气化产物进口相连，用于将所述第二气化空间中的所述气化产物输送至所述第一气化空间中；
燃气出口，所述燃气出口用于将气化燃气排出所述上吸式固定床气化炉；以及
在竖直方向上，所述第二气化产物进口的位置高于所述第二气化产物出口的位置，所述第一气化产物进口的位置高于所述第一气化产物出口的位置；所述第一气化产物进口的位置与所述第一气化产物出口的位置的高度差为所述第一本体高度的三分之一至二分之一。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在竖直方向上，所述第一气化空间自上而下依次限定出第一干燥段、第一热解段、第一还原段、第一氧化段，
其中，
所述第一气化产物出口设置在所述第一还原段的侧壁上；以及
所述第一气化产物进口设置在所述第一干燥段的侧壁上；
所述第二气化空间自上而下依次限定出第二干燥段、第二热解段、第二氧化段、第二还原段，
其中，
所述第二气化产物出口设置在所述第二还原段的侧壁上；以及
所述第二气化产物进口设置在所述第二干燥段的侧壁上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，进一步包括：
第一炭出口，所述第一炭出口设置在所述第一本体的底部，用于将所述高温炭排出所述第一气化空间；
第二炭出口，所述第二炭出口设置在所述第二本体的底部，用于将所述高温炭排出所述第二气化空间；
第一气化剂入口，所述第一气化剂入口设置在所述第一氧化段的侧壁上，用于向所述第一气化空间中供给空气；
第二气化剂入口，所述第二气化剂入口设置在所述第二氧化段的侧壁上，用于向所述第二气化空间中供给空气；
第一换热器，所述第一换热器用于使所述高温炭与低温空气进行换热处理，以便获得高温空气和中温炭，
其中，
所述第一换热器包括：
第一低温空气入口，所述第一低温空气入口用于向所述第一换热器中供给所述低温空气；
高温空气出口，所述高温空气出口分别与所述第一气化剂入口和第二气化剂入口相连，用于将所述高温空气供给至所述第一气化空间和所述第二气化空间；
高温炭入口，所述高温炭入口分别与所述第一炭出口和所述第二炭出口相连，用于将所述高温炭供给至所述第一换热器；以及
中温炭出口，所述中温炭出口用于将所述中温炭排出所述第一换热器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，进一步包括：
第二换热器，所述第二换热器用于使所述中温炭与所述低温空气进行换热处理，以便获得中温空气和低温炭；
干燥单元，所述干燥单元分别与所述第二换热器和所述第二生物质进口相连，用于利用所述中温空气对所述生物质进行干燥处理，并将经过所述干燥处理的所述生物质供给至所述第二气化空间，
其中，所述第二换热器包括：
中温炭入口，所述中温炭入口与所述中温炭出口相连，用于将所述中温炭供给至所述第二换热器；
第二低温空气入口，所述第二低温空气入口用于将所述低温空气供给至所述第二换热器；以及
中温空气出口，所述中温空气出口与所述干燥单元相连，用于将所述中温空气排出所述第二换热器并供给至所述干燥单元进行所述干燥处理。
5.一种利用权利要求1～4任一项所述的生物质气化的装置进行生物质气化的方法，其特征在于，包括：
(1)将第一生物质在所述上吸式固定床气化炉中利用高温空气进行气化处理，以便得到第一气化产物和高温炭，将第二生物质在所述下吸式固定床气化炉中利用高温空气进行气化处理，以便得到第二气化产物和高温炭；
(2)将所述第一气化产物供给至所述下吸式固定床气化炉中进行气化处理，并将所述第二气化产物供给至所述上吸式固定床气化炉中进行气化处理，以便获得气化燃气；以及
(3)从所述上吸式固定床气化炉中收集所述气化燃气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述高温空气是在第一换热器中，利用低温空气与所述高温炭进行第一换热而获得的，并且，所述第一换热将所述高温炭转化为中温炭。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在将第二生物质在所述下吸式固定床气化炉中利用高温空气进行气化处理之前，预先采用中温空气对所述第二生物质进行干燥处理，
其中，所述中温空气是在第二换热器中，通过所述中温炭与所述低温空气进行第二换热而得到的。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一生物质具有1mm～3cm的粒径，不超过50％的含水量，以及
所述第二生物质具有1mm～5cm的粒径，不超过30％的含水量。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高温炭的温度为550～650摄氏度，所述中温炭的温度为300～350摄氏度，所述高温空气的温度为200～250摄氏度，所述中温空气的温度为100～150摄氏度；以及
所述上吸式固定床气化炉中利用的所述高温空气的当量比为0.18～0.35，所述下吸式固定床气化炉中利用的所述高温空气的当量比为0.25～0.4。
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