CN105885948B - 旋风分离式生物质气化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋风分离式生物质气化装置，为解决南有技术产气热值低问题，是上部为柱形筒、下部为锥形筒带内加热隔层和外隔热层的反应器主体下端有向一侧伸出与加热隔层夹套空间联通的热气流进口和与反应器主体内空间联通的向下卸料口，反应器主体上端有与反应器主体内空间联通的生物质和热载体及气化剂入口和清洁可燃气出口、和与加热隔层夹套空间联通的热气流出口。反应器主体上部配置有内壁负载有贵金属催化剂的出气通道，出气通道上端部联接洁净可燃气出口；生物质和热载体及气化剂入口联通反应器主体上端内壁与出气通道外壁的间隙；热气流出口联通反应器主体上端口的加热隔层夹套空间。生物质和热载体及气化剂入口配有鼓风机；柱形筒和锥形筒分别为圆柱筒和圆锥筒。具有气化速率快，产气热值高的优点。

Description

旋风分离式生物质气化装置

技术领域

本发明涉及一种生物质气化设备，特别涉及一种旋风分离式生物质气化装置。

背景技术

随着人们对能源需求的日益增长，作为主要能源的化石燃料却迅速减少，并且大量化石燃料的使用，导致了全球性气候变暖以及SO_x和NO_x排放量增加，严重污染了大气环境。积极开发利用有利于改善环境的可再生能源对改善能源短缺和环境污染问题至关重要。可再生能源包括风力、太阳能、水电、生物质能、氢能等，而生物质是一种相对稳定的再生资源，它是仅次于煤、石油、天然气等化石能源的第四大能源，占世界能源消耗14％。生物质可以通过各种转化途径，如碳化、裂解、液化、气化等途径制备燃料，然而气化技术路线是生物质转化为高品位燃料研究最为广泛，工业化推广认可度最高的技术之一。中国可用的固体生物质数量巨大，主要以农业废弃物和木材废物为主。由于中国地域广阔，生物质分布分散，收集和运输困难，在中国目前的条件下，难以采用大规模生物质气化技术，所以中小规模的生物质气化装置在中国有独特的优势。

生物质气化是指生物质在高温(＞700℃)条件下，与气化剂(空气、氧气和水蒸汽)反应，不完全氧化，得到小分子可燃混合气体的过程。通常所说的气化，还包括生物质的热解。所用气化剂不同(如空气、煤气、水煤气、混合煤气、氧气以及蒸汽等)，得到的气体燃料组分也不同，气体产物主要有CO、H₂、CO₂、CH₄、N₂以及C_mH_n等烷烃类碳氢化合物。生物质的气化利用又可分为气化发电，间接合成和制氢等。随着生物质气化技术研究的不断深入和发展，使得生物质气化技术的发展更加受到重视，目前的主流气化装置为固定床和流化床气化器，主要以农林废弃物为原料，生产的可燃气主要用于发电。目前，美国、德国、瑞典等国在该领域具有领先水平，其装置一般规模大，自动化程度高，工艺复杂，以发电和供热为主。如，加拿大摩尔公司(Moore Canada ltd.)设计开发的固定床湿式上吸式气化装置、美国标准固体燃料公司(Standard solid fules inc.)设计制造的炭化气化系统、德国因贝尔特能源公司(Imbert energietechnik GMBH)设计制造的下吸式气化器-内燃机发电机组系统等等，气化效率可达60％～90％。我国的科研单位和企业也设计了不同类型的生物质气化装置，中国科学院广州能源所、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、清华大学等许多单位在生物质气化方面开展了大量研发工作。专利200910259509.7公开了一种两次进风气化装置，具有产气量大的特点。专利200680049102.6公开了一种外部加热回转炉式气化装置，具有结构紧凑的优势。专利201010502958.2设计了一种带有多重过滤装置的气化装置，可以生产无焦油洁净燃气。现有专利所述的装置存在一个重大缺陷：所需气化剂用量大，导致产气的热值不高，通常在1000-2000大卡每立方米。

发明内容

本发明的主要目的是针对现有的生物质气化装置所需气化剂(空气、氧气等)用量大，产气的热值不高的缺陷，设计了一种产气热值高的旋风分离式生物质气化装置。

为实现上述目的，本发明旋风分离式生物质气化装置是上部为柱形筒、下部为锥形筒带内加热隔层和外隔热层的反应器主体下端有向一侧伸出与加热隔层夹套空间联通的热气流进口和与反应器主体内空间联通的向下卸料口，所述反应器主体上端有与反应器主体内空间联通的生物质和热载体及气化剂入口和清洁可燃气出口、和有与加热隔层夹套空间联通的热气流出口。即由以下部分组成：进料装置，反应器主体，加热隔层，出气口，卸料口等组成。该气化装置的主体为反应器，反应器上端为圆柱状，下端为锥形，与旋风分离器的主体结构类似，发明专利201310623246.X“一种旋风分离器”详细阐述了旋风分离装置的结构图，本发明专利在201310623246.X的设计基础上加以关键改进。此外，所述反应器主体上口(进料口)可以为方形，圆形或者其它形状。在圆柱状和锥形体的外部设计了加热隔层，加热隔层的作用是为生物质气化反应提供部分热源，加热隔层将冷态旋风分离装置变为高温气化反应器。反应的热源通过生物质与热载体的直接接触换热及加热隔层的间接传导换热获取。具有气化速率快，产气热值高的优点。

作为优化，所述反应器主体上部配置有内壁负载有贵金属催化剂的出气通道，所述出气通道上端部联接所述洁净可燃气出口；所述生物质和热载体及气化剂入口联通所述反应器主体上端内壁与所述出气通道外壁的间隙；所述热气流出口联通反应器主体上端口的加热隔层夹套空间。

作为优化，所述出气通道由多个并列的竖向子通道组成，并且下部位于所述反应器主体内、上部从所述反应器主体上端口向上伸出；所述生物质和热载体及气化剂入口与所述热气流出口相对配置；所述贵金属催化剂为镍，铂，金，钯，铑的一种或任意多种。

作为优化，所述出气通道位于所述反应器主体轴线上，并且所述出气通道下部外周与所述反应器主体上部内周之间有环形流通空间；所述生物质和热载体及气化剂入口通接向下联通所述环形流通空间的夹套环形进料口，所述夹套环形进料口的内壁为所述出气通道的外周壁；所述出气通道采用蜂窝状多管路并列设计。

作为优化，所述生物质和热载体及气化剂入口为与所述夹套环形进料口侧接的一侧向入口，所述出气通道自所述夹套环形进料口上端伸出后向另一侧通接洁净可燃气出口；所述出气通道下端与所述反应器主体的柱形筒下端平齐。

即改变了出气通道的高度，出气通道的下端与柱形筒体的下端持平，有效避免了气流从进气口直接流向出气口的短路现象；同时，出气通道采用蜂窝状多管路设计，管路可以为圆形，方形或其它形状。多管路设计的目的是增加出气通道的表面积。在出气通道中的内壁上负载有贵金属催化剂，气化过程产生的少量焦油成分在流经出气通道时，在催化剂的作用下进一步裂解为不可冷凝的气体成分，最终反应器出口排出的生物质燃气为不含焦油的洁净燃气。贵金属催化剂可以为镍，铂，金，钯，铑等的一种或几种。

作为优化，所述生物质和热载体及气化剂入口配有鼓风机；所述柱形筒和锥形筒分别为圆柱筒和圆锥筒。作为优化，所述生物质和热载体及气化剂入口通过鼓风机联通生物质和热载体及气化剂供料道；所述热载体为砂子、陶瓷球等易流化的固体物质或者为沸石、自云石等有助于将生物质中的氧以二氧化碳形式除去的球状或颗粒状催化剂材料，所述气化剂为空气或者氧气。

即在进气口设计了鼓风机，鼓风机的作用是为生物质原料提供动力，将其从进料口以一定速度吹入反应器。与生物质一同进入反应器的还需有热载体，热载体可以为砂子、陶瓷球等易流化的固体物质，热载体的主要作用是为反应提供热源，也可以是沸石、白云石等为材料做成的球状催化剂材料，催化剂的主要目的是将生物质中的氧分子以二氧化碳的形式除去，将生物质裂解为氧含量较低的气体。生物质气化完成后在反应器内通过旋风分离原理实现气-固相分离。鼓风机的进气口吸入的气体是搀和少量气化剂的气化过程自身产生的气体产物。气化剂为空气或氧气。

作为优化，所述反应器主体的下端口内配置有节流帽；所述锥形筒高度与所述柱形筒内径比为1∶1-3∶1。更具体是在反应器锥形部分的底端，与卸料段交接的地方，设计了一个节流帽，节流帽的作用是在卸料口形成一定的物料堆积，既可以起到密封作用，又可以起到延长物料滞留时间的作用，未完全反应的生物质可以在节流帽附近完成裂解反应。节流帽通过支架焊接在下料口的上方；节流帽可以为圆锥状实心或空心结构。

作为优化，所述节流帽为下部外周与所述反应器主体的下端口内壁有排料间隙的锥形帽；所述锥形筒高度与所述柱形筒内径比为1∶1-1.5∶1。即筒体高度与筒体内径的比例为1∶1-1.5∶1与锥体高度与筒体内径的比例为1∶1-3∶1之间。

作为优化，通过改变反应器主体柱形筒部分的高度和下部为锥形筒部分的锥度，将物料在反应器内的滞留时间控制在1-3秒。即改变筒体的高度及锥形体的锥度，由此可以控制物料在反应器内部的滞留时间在1-3秒。

与现有技术相比，本发明有如下进步：

1)通过改变旋风分离装置的筒体高度及锥形体的锥度，延长了生物质在反应器内部的滞留时间。

2)在反应器锥形部分的底端，设计了节流帽，既可以起到密封作用，保证空气无法从反应器底部进入反应器，又可以起到延长物料滞留时间的作用，可以实现生物质完全气化。

3)气化过程仅需少量空气或者氧气作为气化剂，降低了气体产物被大量载气稀释的缺陷。传统的流化床反应器，必须使用大量的惰性气体，如氮气等，作为流化气。流化气的作用是将床体材料鼓泡流化，流化气的使用会大大降低产气热值。本专利不需要将热载体鼓泡流化，因此无需大量载气，仅需少量载气将热载体吹入反应器即可。载气为可燃气(系统自身气体产物)混合少量空气或者氧气。与流化床反应器相比，载气量降低70％，产气的热值提高3倍以上。载气中的02重量比为6.7％，氮气重量比为22.4％。

4)生物质气化后产生的气体产物可以迅速离开反应器，与固定床反应器相比，采用本发明可以提高气固分离速率40倍以上，在进行气化反应的同时，实现高效气固分离。其原理是：气固分离时间不是由出气口的位置决定的。在流化床反应器中，气体产物必须从反应器底部沿着反应器向上流动，流动过程中，会一直与热载体直接接触换热，这个时间大约数秒。而本发明的反应器，生物质与热载体沿着反应器的器壁轴向流动换热，生物质气化后，气体产物立刻立刻器壁，沿着反应器中轴的气路上流离开反应器，而热载体在重力和离心力的作用下一直沿着反应器的器壁向下流动，气体产物与热载体的直接接触时间极短，0.05-0.1秒。

5)采用平行排列的多管路出气通道，并在出气通道中的内壁上负载贵金属催化剂。蜂窝状多管路设计大大增加了出气通道的表面积，贵金属催化剂的活性与其表面积直接相关，表面积越大，活性越高。由此，在高温作用下催化剂可以有效裂解焦油成分，反应器出口排出的生物质燃气为不含焦油的洁净燃气。

6)采用本发明的生物质气化工艺，与流化床气化工艺相比，可以省掉气化过程后的旋风分离步骤，简化了工艺流程，降低了设备投资。

7)本发明具有设备紧凑、集成度高、综合经济性好的特点，更适合工业化应用。

采用上述技术方案后，本发明旋风分离式生物质气化装置具有气化速率快，产气热值高的优点。

附图说明

图1是本发明旋风分离式生物质气化装置结构示意图；

图2是本发明旋风分离式生物质气化装置中节流帽及相关部分的结构示意图。

具体实施方式

如图所示，本发明旋风分离式生物质气化装置是上部为柱形筒、下部为锥形筒带内加热隔层10和外隔热层的反应器主体1下端有向一侧伸出与加热隔层10夹套空间联通的热气流进口2和与反应器主体1内空间联通的向下卸料口3，所述反应器主体1上端有与反应器主体1内空间联通的生物质和热载体及气化剂入口4和清洁可燃气出口5、和与加热隔层10夹套空间联通的热气流出口6。所述生物质和热载体及气化剂入口4配有鼓风机；优选所述柱形筒和锥形筒分别为圆柱筒和圆锥筒。所述生物质和热载体及气化剂入口4通过鼓风机联通生物质和热载体及气化剂供料道；所述热载体为砂子、陶瓷球等易流化的固体物质或者为沸石、白云石等有助于将生物质中的氧以二氧化碳形式除去的球状或颗粒状催化剂材料，所述气化剂为空气或者氧气。通过改变反应器主体1柱形筒部分的高度和下部为锥形筒部分的锥度，将物料在反应器内的滞留时间控制在1-3秒。

所述反应器主体1的下端口内配置有节流帽7；所述节流帽7为下部外周与所述反应器主体1的下端口内壁有排料间隙的锥形帽，更具体是在反应器锥形部分的底端，与卸料段交接的地方，设计了一个圆锥形或者棱锥形节流帽7；所述锥形筒高度与所述柱形筒内径比为1∶1-3∶1。优选所述锥形筒高度与所述柱形筒内径比为1∶1-1.5∶1。节流帽通过支架焊接在下卸料口3的上方；节流帽7可以为圆锥状实心或空心结构，图2中支架标号为71，焊接点标号为77。

所述反应器主体1上部配置有内壁负载有贵金属催化剂层9的出气通道8，所述出气通道8上端部联接所述洁净可燃气出口5；所述生物质和热载体及气化剂入口4联通所述反应器主体1上端内壁与所述出气通道8外壁的间隙；所述热气流出口6联通反应器主体1上端口的加热隔层10夹套空间。

具体是所述出气通道8由多个并列的竖向子通道组成，并且下部位于所述反应器主体1内、上部从所述反应器主体1上端口向上伸出；所述生物质和热载体及气化剂入口4与所述热气流出口6相对配置；所述贵金属催化剂为镍，铂，金，钯，铑的一种或任意多种。

更具体是所述出气通道8位于所述反应器主体1轴线上，并且所述出气通道8下部外周与所述反应器主体1上部内周之间有环形流通空间；所述生物质和热载体及气化剂入口4通接向下联通所述环形流通空间的夹套环形进料口，所述夹套环形进料口的内壁为所述出气通道8的外周壁；所述出气通道8采用蜂窝状多管路并列设计。

最具体是所述生物质和热载体及气化剂入口4为与所述夹套环形进料口侧接的一侧向入口，所述出气通道8自所述夹套环形进料口上端伸出后向另一侧通接洁净可燃气出口5；所述出气通道8下端与所述反应器主体1的柱形筒下端平齐。

与现有技术相比，本发明有如下进步：

1)通过改变旋风分离装置的筒体高度及锥形体的锥度，延长了生物质在反应器内部的滞留时间。

2)在反应器锥形部分的底端，设计了节流帽，既可以起到密封作用，保证空气无法从反应器底部进入反应器，又可以起到延长物料滞留时间的作用，可以实现生物质完全气化。

3)气化过程仅需少量空气或者氧气作为气化剂，降低了气体产物被大量载气稀释的缺陷。传统的流化床反应器，必须使用大量的惰性气体，如氮气等，作为流化气。流化气的作用是将床体材料鼓泡流化，流化气的使用会大大降低产气热值。本专利不需要将热载体鼓泡流化，因此无需大量载气，仅需少量载气将热载体吹入反应器即可。载气为可燃气(系统自身气体产物)混合少量空气或者氧气。与流化床反应器相比，载气量降低70％，产气的热值提高3倍以上。载气中的02重量比为6.7％，氮气重量比为22.4％。

4)生物质气化后产生的气体产物可以迅速离开反应器，与固定床反应器相比，采用本发明可以提高气固分离速率40倍以上，在进行气化反应的同时，实现高效气固分离。其原理是：气固分离时间不是由出气口的位置决定的。在流化床反应器中，气体产物必须从反应器底部沿着反应器向上流动，流动过程中，会一直与热载体直接接触换热，这个时间大约数秒。而本发明的反应器，生物质与热载体沿着反应器的器壁轴向流动换热，生物质气化后，气体产物立刻立刻器壁，沿着反应器中轴的气路上流离开反应器，而热载体在重力和离心力的作用下一直沿着反应器的器壁向下流动，气体产物与热载体的直接接触时间极短，0.05-0.1秒。

5)采用平行排列的多管路出气通道，并在出气通道中的内壁上负载贵金属催化剂。蜂窝状多管路设计大大增加了出气通道的表面积，贵金属催化剂的活性与其表面积直接相关，表面积越大，活性越高。由此，在高温作用下催化剂可以有效裂解焦油成分，反应器出口排出的生物质燃气为不含焦油的洁净燃气。

6)采用本发明的生物质气化工艺，与流化床气化工艺相比，可以省掉气化过程后的旋风分离步骤，简化了工艺流程，降低了设备投资。

8)本发明具有设备紧凑、集成度高、综合经济性好的特点，更适合工业化应用。

Claims (6)

1.一种旋风分离式生物质气化装置，其特征在于上部为柱形筒、下部为锥形筒带内加热隔层和外隔热层的反应器主体下端有向一侧伸出与加热隔层夹套空间联通的热气流进口和与反应器主体内空间联通的向下卸料口，所述反应器主体上端有与反应器主体内空间联通的生物质和热载体及气化剂入口和清洁可燃气出口、和与加热隔层夹套空间联通的热气流出口；所述反应器主体上部配置有内壁负载有贵金属催化剂的出气通道，所述出气通道上端部联接所述清洁可燃气出口；

所述生物质和热载体及气化剂入口联通所述反应器主体上端内壁与所述出气通道外壁的间隙；所述热气流出口联通反应器主体上端口的加热隔层夹套空间；所述出气通道由多个并列的竖向子通道组成，并且下部位于所述反应器主体内、上部从所述反应器主体上端口向上伸出；所述生物质和热载体及气化剂入口与所述热气流出口相对配置；所述贵金属催化剂为镍，铂，金，钯，铑的一种或任意多种；所述出气通道位于所述反应器主体轴线上，并且所述出气通道下部外周与所述反应器主体上部内周之间有环形流通空间；所述生物质和热载体及气化剂入口通接向下联通所述环形流通空间的夹套环形进料口，所述夹套环形进料口的内壁为所述出气通道的外周壁；所述出气通道采用蜂窝状多管路并列设计；

通过改变反应器主体柱形筒部分的高度和下部为锥形筒部分的锥度，将物料在反应器内的滞留时间控制在1-3秒。

2.根据权利要求1所述气化装置，其特征在于所述生物质和热载体及气化剂入口为与所述夹套环形进料口侧接的一侧向入口，所述出气通道自所述夹套环形进料口上端伸出后向另一侧通接清洁可燃气出口；所述出气通道下端与所述反应器主体的柱形筒下端平齐。

3.根据权利要求1所述气化装置，其特征在于所述生物质和热载体及气化剂入口配有鼓风机；所述柱形筒和锥形筒分别为圆柱筒和圆锥筒。

4.根据权利要求3所述气化装置，其特征在于所述生物质和热载体及气化剂入口通过鼓风机联通生物质和热载体及气化剂供料道；所述热载体为砂子、陶瓷球易流化的固体物质或者为沸石、白云石有助于将生物质中的氧以二氧化碳形式除去的球状或颗粒状催化剂材料，所述气化剂为空气或者氧气。

5.根据权利要求1所述气化装置，其特征在于所述反应器主体的下端口内配置有节流帽；所述锥形筒高度与所述柱形筒内径比为1∶1-3∶1。

6.根据权利要求5所述气化装置，其特征在于所述节流帽为下部外周与所述反应器主体的下端口内壁有排料间隙的锥形帽；所述锥形筒高度与所述柱形筒内径比为1∶1-1.5∶1。

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