CN106244246A - 生物质气化发电工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质气化发电工艺，包括以下步骤：步骤一、将生物质颗粒加压至表压为0.1～4.0Mpa后，卸料至进料罐中，再输送至流化床气化炉中，与气化剂进行气化反应，制得燃气，备用；步骤二、将步骤一中制得的燃气通过旋风分离器进行旋风除尘，分离出未燃尽的大颗粒物后，返回至流化床气化炉进行再次气化；步骤三、将旋风分离器除尘后的燃气通过热交换器冷却至300～700℃后，通入燃煤锅炉中，与燃煤混合燃烧发电。本发明将生物质颗粒通过气化产生的燃气送入大型燃煤锅炉中，与燃煤混合燃烧发电，节约了发电所需的燃煤量，燃烧产生的CO2量减少，能减轻CO2产生的温室效应，降低电厂NOX的排放。

Description

生物质气化发电工艺
技术领域
本发明涉及一种发电工艺。更具体地说，本发明涉及一种生物质气化发电工艺。
背景技术
利用生物质能发电是生物质利用的一种重要方式，也是国家近些年大力提倡与鼓励的生物质利用方式。生物质发电技术主要分为生物质直燃发电、生物质混合燃烧发电、生物质气化发电。
生物质直燃发电的基本原理是生物质在生物质锅炉中直接燃烧产生蒸汽，利用产生的蒸汽推动汽轮发电机系统进行发电，在原理上与燃煤锅炉火力发电十分类似。通常直燃发电系统的构成包括生物质燃料收集系统、燃料预处理系统、燃料储存系统、燃烧系统、热力系统和烟气处理系统等。生物质直燃发电技术与生物质气化发电技术的主要差别在于燃烧系统和热力系统。直燃发电的规模较大，目前已运行的装置规模为2～50MW，但其投资成本高，需配置大量的运营维护人员，存在严重的碱金属腐蚀及锅炉结焦的问题，对于发电系统的连续运行极为不利，燃烧产生的烟气含有一定量的硫化物和NOX，随着环保政策的收紧，会增加电厂环保方面的投入。生物质直燃厂规模不适宜配置高功率参数的发电机组，综合发电效率仅为21～25％。
生物质混合燃烧发电是指将生物质燃料应用于燃煤电厂，与燃煤混合一起作为燃料发电，产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电。生物质与燃煤混合燃烧发电并非适用于所有燃煤电厂，混烧还存在一些问题，如混烧比例问题，生物质含水量高，与煤混烧后锅炉产生的烟气量较大，直接采用现有锅炉，烟气超过一定限度会使原有热交换器很难适应。除此之外，生物质中含有碱金属，容易引起原电厂脱硝催化剂的失活。且生物质较低的熔点，在燃烧过程中会造成锅炉的结焦以及热交换器的高温腐蚀。
生物质气化发电是将生物质通过热化学方法转化为气体燃料后直接送入锅炉、内燃发电机、燃气机等的燃烧室中燃烧发电。按规模划分，生物质气化发电包括小型气化发电、中型气化发电和大型气化发电。小型气化发电，采用简单的气化-内燃机发电工艺，发电效率一般在14～25％，且发电规模一般小于3MW；中型气化发电采用气化内燃机(或燃气轮机)发电，并带有余热回收系统，综合发电效率可达到25～35％。大规模的气化-燃气轮机联合循环发电系统(IGCC)，能耗比常规的低，总体效率高于40％，但关键技术仍未成熟。传统的生物质气化发电技术工艺流程长，需要配套建设发电系统、全套燃料输送系统、锅炉、汽轮机、发电机及其辅助系统、电网输出系统等，投资成本较高，并且存在焦油含量高、堵塞设备及管道的问题。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种生物质气化发电工艺，其将生物质颗粒通过气化产生的燃气送入大型燃煤锅炉中，与燃煤混合燃烧发电，节约了发电所需的燃煤量，燃烧产生的CO2量减少，能减轻CO2产生的温室效应，并且燃气中主要成分为CO、H2、CH4这些还原性气体，能够降低电厂NOX的排放。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种生物质气化发电工艺，包括以下步骤：
步骤一、将生物质颗粒加压至表压为0.1～4.0Mpa后，卸料至进料罐中，再输送至流化床气化炉中，与气化剂进行气化反应，制得燃气，备用；
步骤二、将步骤一中制得的燃气通过旋风分离器进行旋风除尘，分离出未燃尽的大颗粒物后，返回至流化床气化炉进行再次气化；
步骤三、将旋风分离器除尘后的燃气通过热交换器冷却至300～700℃后，通入燃煤锅炉中，与燃煤混合燃烧发电。
优选的是，所述的生物质气化发电工艺中，所述气化剂为空气、富氧空气、纯氧或水蒸气中的任意一种或多种；所述生物质颗粒在流化床气化炉中与气化剂进行气化反应的温度为600～1100℃。
优选的是，所述的生物质气化发电工艺中，所述流化床气化炉内气体的流动速度为0.3～5米/秒。
优选的是，所述的生物质气化发电工艺中，所述生物质颗粒的粒径为1～150mm。
优选的是，所述的生物质气化发电工艺中，所述步骤一中通过螺旋输送机将生物质颗粒输送至流化床气化炉中，所述螺旋输送机中的螺杆靠近螺旋输送机的进料口一端的初始螺距为200～400mm，并向着螺旋输送机的出料口一端按初始螺距的5％的比例逐渐减小至初始螺距的50％后，保持不变。
优选的是，所述的生物质气化发电工艺中，所述步骤一中通过锁斗将生物质颗粒加压至表压为0.1～4.0Mpa。
优选的是，所述的生物质气化发电工艺中，所述步骤一中通过锁斗将生物质颗粒加压至表压为0.1～4.0Mpa之前，还包括将生物质颗粒从贮仓卸料至锁斗中的步骤，其中，所述贮仓的上部为圆柱体形，所述贮仓的下部的直径逐渐缩小呈圆锥形，在所述贮仓的下部设置有搅拌装置，所述搅拌装置包括至少一个桨叶。
优选的是，所述的生物质气化发电工艺中，所述流化床气化炉由圆筒结构的上筒体、圆筒结构的下筒体、以及连接上筒体和下筒体的衔接段构成，所述上筒体和所述下筒体的直径比为1.5～2:1，所述衔接段呈去顶锥形结构，所述衔接段的倾斜角度为45°～75°；所述下筒体的底部设置有布风板，所述布风板为直径上大下小的中空圆台结构，所述布风板与下筒体的底部的夹角为20～55°。
优选的是，所述的生物质气化发电工艺中，所述布风板内设置有床料，所述床料堆置的高度为300～500mm，所述床料为Al2O3球体、合金球和石英砂中的一种或多种。
优选的是，所述的生物质气化发电工艺中，所述流化床气化炉的进料口为1～4个。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明通过锁斗对生物质颗粒进行加压，加压后的生物质颗粒气化强度和气化效率高，未燃尽的大颗粒物通过旋风分离器分离出来后，重新返回流化床气化炉进行再次气化，大大提高了生物质的气化效率，使生物质颗粒的处理量大小可调。
2、本发明对生物质原料的适应性增强，可利用各种热值的生物质原料进行气化发电。
3、采用本发明环保和经济效益好，生成的燃气经过除尘、回收热量后进入燃煤锅炉与燃煤一起燃烧发电，节约了发电所需的燃煤量，燃烧产生的CO2量减少，减轻了CO2产生的温室效应，并且燃气中的主要成分为CO、H2、CH4这些还原性气体，能够降低电厂NOX的排放。
4、采用本发明能节约设备的运行成本，生物质气化产生的燃气燃烧发电，替代了一部分发电所需的燃煤，电厂燃煤锅炉燃烧产生的烟气量减少，烟气中CO2、NOX、SO2浓度降低，减轻了后续配备的脱硫脱硝系统的负荷。
5、采用本发明能够保证设备长期、稳定的运行，气化温度控制弹性大，气化生成的燃气焦油含量低，进入燃煤锅炉燃烧前，焦油一直保持气态，不会产生因其冷凝而堵塞管道、损害设备的问题。
6、本发明通过改变螺杆的螺距，使其先逐渐减小，后不变，这样在输送过程中能逐级增加物料的堆密度，比较节能。通过螺杆的输送能使堆密度达到0.5t/m3～1.3t/m3，以这样的堆密度物料进入流化床气化炉内，有利于生物质与气化剂的接触，利于气化反应的进行。
7、从气化剂进气管进入炉本体相同的气量，筒体的直径越大，气体的流速就越小，筒体的直径越小，气体的流速就越大，由于生物质颗粒是大小不一的，颗粒大的自重大，要使其处于悬浮状态，就需要更大的气速来克服自身的重力，颗粒小的自重小，较小的气速就能使小颗粒处于悬浮状态，本发明利用该原理高效的将生物质颗粒进行分区气化，使自重较小的生物质原料在上筒体中气化、自重较大的生物质原料在下筒体中气化，底部生物质颗粒尺寸大、比表面积小，底部气化温度高，上部生物质颗粒尺寸小，比表面大，上筒体中生物质颗粒气化温度低，因此能够保证大小颗粒完全气化，且充分利用了生物质氧化反应放出的热量，气化效率大大提高，经过物料衡算和能量衡算，气化效率可达到85％。
8、本发明将布风板设置为中空圆台结构，相对于常规平面布风板，其特点为气体的流通截面积更大，布风更加均匀，布风口流速控制更加方便，可以保持生物质原料反应，且流过圆锥形布风板的气体量更多，提高了气化炉处理生物质的能力，气化炉处理生物质的能力为50～1200吨/天。
9、本发明的床料采用Al2O3床料、铝合金球床料和石英砂床料中的一种或多种，与常规的床料相比，具有更高的耐磨性和更好的传热效果。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的生物质气化发工艺的流程图；
图2为本发明所述的生物质气化发电工艺所用装置的结构示意图；
图3为本发明所述的贮仓的结构示意图；
图4为本发明所述的流化床气化炉的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至图4所示，本发明提供一种生物质气化发电工艺，包括以下步骤：
步骤一、将生物质颗粒通过加压设备加压至表压为0.1～4.0Mpa后，卸料至进料罐3中，再通过输送装置输送至流化床气化炉5中，与气化剂9进行气化反应，制得燃气，备用；流化床气化炉5用于将生物质颗粒进行气化，以得到燃气，燃气的主要成分为H2、CO2、CH4、CO、H2O。可通过螺旋输送机4将生物质颗粒输送至流化床气化炉5中，也可根据需要采取别的输送方式。可通过锁斗2为生物质颗粒加压，根据使用需要，也采用其他的加压设备。
步骤二、将步骤一中制得的燃气通过旋风分离器6进行旋风除尘，分离出未燃尽的大颗粒物后，返回至流化床气化炉5进行再次气化；旋风除尘时，旋风分离器6的进气口与流化床气化炉5的燃气出口连通，旋风分离器6的排灰口与流化床气化炉5的进料口连通，将燃气中未燃尽的大颗粒物分离出来，重新返回流化床气化炉5进行再次气化。
步骤三、将旋风分离器6除尘后的燃气通过热交换器7冷却至300～700℃后，通入燃煤锅炉8中，与燃煤10混合燃烧发电。热交换器7的热介质入口与旋风分离器6的出气口连通，用于冷却燃气。热交换器7中的冷介质为水或油。热交换器7的燃气(热介质)出口与燃煤锅炉8连通。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，先将生物质颗粒通过加压设备加压至表压为0.1～4.0Mpa后，卸料至进料罐3中，再由进料罐3卸料至输送装置中，经带压运行的输送装置送至流化床气化炉5，与从流化床气化炉5底部通入的气化剂9进行气化反应，生成的燃气进入热交换器7中，在热交换器7中回收燃气携带的热量用于产生蒸汽，产生的蒸汽并入原电厂的蒸汽管网中，燃气经冷却，温度降至300～700℃后，通入电厂的燃煤锅炉8，与燃煤10一起燃烧产生蒸汽发电。本方案中，因燃气中的焦油以气态的形式存在，不会因焦油冷凝产生堵塞设备和管道的问题。
通过锁斗2对生物质颗粒加压，能缩小气体分子间的距离，增加流化床气化炉5中单位体积内氧气的浓度，加快氧气进入生物质颗粒内部空间的速度，使生物质颗粒的处理量大小可调。压力越大，生物质颗粒在流化床气化炉5中的处理量越大，压力越小生物质颗粒在流化床气化炉5中的处理量越小，实际压力根据实际的处理量来确定。
所述的生物质气化发电工艺中，所述气化剂9为空气、富氧空气、纯氧或水蒸气中的任意一种或多种；所述生物质颗粒在流化床气化炉5中与气化剂9进行气化反应的温度为600～1100℃。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，气化温度根据生物质原料中碱金属的灰熔点进行调节，气化温度要控制在灰熔点以下，避免碱金属在炉内结焦。
所述的生物质气化发电工艺中，所述流化床气化炉5内气体的流动速度为0.3～5米/秒。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，通过控制流动速度能使生物质颗粒处在悬浮状态。
所述的生物质气化发电工艺中，所述生物质颗粒的粒径为1～150mm。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，生物质颗粒的粒径为1～150mm时，能在流化床气化炉5内达到“沸腾”的状态，保证流化床气化炉5内生物质的受热面均匀。
所述的生物质气化发电工艺中，所述步骤一中通过螺旋输送机4将生物质颗粒输送至流化床气化炉5中，流化床气化炉5的进料口与螺旋输送机4的出料口连通，所述螺旋输送机4中的螺杆靠近螺旋输送机4的进料口一端的初始螺距为200～400mm，并向着螺旋输送机4的出料口一端按初始螺距的5％的比例逐渐减小至初始螺距的50％后，保持不变。初始螺距为N mm，接着后一个螺距相对于前一个螺距减小15mm，直至螺距为N/2mm后，保持不变。具体地，例如，初始螺距为300mm，之后的螺距依次为285、270、255、240……每次减小15mm，直至螺距为150mm后，保持不变。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，螺杆的螺距先逐渐减小，后不变，这样在输送过程中能逐级增加物料的堆密度，比较节能。通过螺杆的输送能使堆密度达到0.5t/m3～1.3t/m3，以这样的堆密度物料进入流化床气化炉5内，有利于生物质与气化剂9的接触，利于气化反应的进行。
所述的生物质气化发电工艺中，所述步骤一中通过锁斗2将生物质颗粒加压至表压为0.1～4.0Mpa。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，生物质气化发电装置包括：
贮仓1，其内设置有容纳生物质颗粒的空腔；
锁斗2，锁斗2的进料口与贮仓1的出料口连通；
进料罐3，进料罐3的进料口与锁斗2的出料口连通；
螺旋输送机4，其内部封闭，螺旋输送机4的进料口与进料罐3的出料口连通；
流化床气化炉5，流化床气化炉5的进料口与螺旋输送机4的出料口连通；
旋风分离器6，旋风分离器6的进气口与流化床气化炉5的燃气出口连通，旋风分离器6的排灰口与流化床气化炉的进料口连通；
热交换器7，热交换器7的热介质入口与旋风分离器6的出气口连通；
燃煤锅炉8，其与热交换器的燃气(热介质)出口连通。
本方案提供的生物质气化发电工艺具体为，将储存在贮仓1中的生物质颗粒卸料至锁斗2中，通过锁斗2对生物质颗粒加压至0.1～4MPa(表压)后，卸料至进料罐3中，经带压运行的螺旋输送机4送至流化床气化炉5，与从流化床气化炉5底部通入的气化剂9进行气化反应，生成的燃气进入热交换器7中，在热交换器7中回收燃气携带的热量用于产生蒸汽，产生的蒸汽并入原电厂的蒸汽管网中，燃气经冷却，温度降至300～700℃后，通入电厂的燃煤锅炉8，与燃煤10一起燃烧产生蒸汽发电。本方案中，因燃气中的焦油以气态的形式存在，不会因焦油冷凝产生堵塞设备和管道的问题。
所述的生物质气化发电工艺中，所述步骤一中通过锁斗2将生物质颗粒加压至表压为0.1～4.0Mpa之前，还包括将生物质颗粒从贮仓1卸料至锁斗2中的步骤，其中，所述贮仓1的上部为圆柱体形，所述贮仓1的下部的直径逐渐缩小呈圆锥形，在所述贮仓1的下部设置有搅拌装置，所述搅拌装置包括至少一个桨叶11。当所述桨叶11的数量为2个时，2个桨叶11在一条直线上，当所述桨叶11的数量为至少3个时，至少3个桨叶11在所述贮仓1的下部等间距设置，且位于同一个圆周上。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，通过搅拌装置不断搅拌，能防止蓬松的生物质颗粒搭桥(聚集在一起)。实际使用时，设置1～4个桨叶11即可，桨叶11的具体设置个数根据贮仓1的大小和贮仓1中生物质颗粒的储存量来确定。
所述的生物质气化发电工艺中，所述流化床气化炉5由圆筒结构的上筒体12、圆筒结构的下筒体13、以及连接上筒体12和下筒体13的衔接段14构成，所述上筒体12和所述下筒体13的直径比为1.5～2:1，所述衔接段14呈去顶锥形结构，所述衔接段14的倾斜角度为45°～75°；所述下筒体13的底部设置有布风板15，所述布风板15为直径上大下小的中空圆台结构，所述布风板15与下筒体13的底部的夹角为20～55°。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，将生物质颗粒进行分区气化，使自重较小的生物质原料在上筒体12中气化、自重较大的生物质原料在下筒体13中气化，底部生物质颗粒尺寸大、比表面积小，底部气化温度高，上部生物质颗粒尺寸小，比表面大，上筒体12中生物质颗粒气化温度低，因此能够保证大小颗粒完全气化，且充分利用了生物质氧化反应放出的热量，气化效率大大提高，经过物料衡算和能量衡算，气化效率可达到85％。
将布风板15设置为中空圆台结构，相对于常规平面布风板15，其特点为气体的流通截面积更大，布风更加均匀，布风口流速控制更加方便，可以保持生物质原料反应，且流过圆锥形布风板15的气体量更多，提高了气化炉处理生物质的能力，气化炉处理生物质的能力为50～1200吨/天。
所述的生物质气化发电工艺中，所述布风板15内设置有床料16，所述床料16堆置的高度为300～500mm，所述床料16为Al2O3球体、合金球和石英砂中的一种或多种。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，床料16采用Al2O3床料16、铝合金球床料16和石英砂床料16中的一种或多种，与常规的床料16相比，具有更高的耐磨性和更好的传热效果。
所述的生物质气化发电工艺中，所述流化床气化炉5的进料口为1～4个。
螺旋输送机4通过流化床气化炉5的进料口向流化床气化炉5内输送生物质颗粒，旋风分离器6通过流化床气化炉5的进料口向流化床气化炉5返回未燃尽的大颗粒物。
本方案提供的生物质气化发电工艺中，根据生物质颗粒的处理量的不同将进料口设置的多或少。
综上所述，本发明提供的生物质气化发电工艺，技术先进、环保，经济效益巨大。与传统的处理生物质的技术相比，具有处理规模灵活、生物质原料适应性强、气化强度和气化效率高、燃气中焦油含量极低，且不用去除焦油等优势，并且气化产生的燃气与电站的燃煤锅炉8联用发电，有益于环保，经济效益巨大。不久的将来，本发明提供的工艺，必将引领能源利用领域新的发展方向。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种生物质气化发电工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将生物质颗粒加压至表压为0.1～4.0Mpa后，卸料至进料罐中，再输送至流化床气化炉中，与气化剂进行气化反应，制得燃气，备用；
步骤二、将步骤一中制得的燃气通过旋风分离器进行旋风除尘，分离出未燃尽的大颗粒物后，返回至流化床气化炉进行再次气化；
步骤三、将旋风分离器除尘后的燃气通过热交换器冷却至300～700℃后，通入燃煤锅炉中，与燃煤混合燃烧发电。
2.如权利要求1所述的生物质气化发电工艺，其特征在于，所述气化剂为空气、富氧空气、纯氧或水蒸气中的任意一种或多种；所述生物质颗粒在流化床气化炉中与气化剂进行气化反应的温度为600～1100℃。
3.如权利要求1所述的生物质气化发电工艺，其特征在于，所述流化床气化炉内气体的流动速度为0.3～5米/秒。
4.如权利要求1所述的生物质气化发电工艺，其特征在于，所述生物质颗粒的粒径为1～150mm。
5.如权利要求1所述的生物质气化发电工艺，其特征在于，所述步骤一中通过螺旋输送机将生物质颗粒输送至流化床气化炉中，所述螺旋输送机中的螺杆靠近螺旋输送机的进料口一端的初始螺距为200～400mm，并向着螺旋输送机的出料口一端按初始螺距的5％的比例逐渐减小至初始螺距的50％后，保持不变。
6.如权利要求1所述的生物质气化发电工艺，其特征在于，所述步骤一中通过锁斗将生物质颗粒加压至表压为0.1～4.0Mpa。
7.如权利要求6所述的生物质气化发电工艺，其特征在于，所述步骤一中通过锁斗将生物质颗粒加压至表压为0.1～4.0Mpa之前，还包括将生物质颗粒从贮仓卸料至锁斗中的步骤，其中，所述贮仓的上部为圆柱体形，所述贮仓的下部的直径逐渐缩小呈圆锥形，在所述贮仓的下部设置有搅拌装置，所述搅拌装置包括至少一个桨叶。
8.如权利要求1所述的生物质气化发电工艺，其特征在于，所述流化床气化炉由圆筒结构的上筒体、圆筒结构的下筒体、以及连接上筒体和下筒体的衔接段构成，所述上筒体和所述下筒体的直径比为1.5～2:1，所述衔接段呈去顶锥形结构，所述衔接段的倾斜角度为45°～75°；所述下筒体的底部设置有布风板，所述布风板为直径上大下小的中空圆台结构，所述布风板与下筒体的底部的夹角为20～55°。
9.如权利要求8所述的生物质气化发电工艺，其特征在于，所述布风板内设置有床料，所述床料堆置的高度为300～500mm，所述床料为Al2O3球体、合金球和石英砂中的一种或多种。
10.如权利要求8所述的生物质气化发电工艺，其特征在于，所述流化床气化炉的进料口为1～4个。
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