CN107177381B - 生物质固定床气化发电联产炭、热的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种生物质固定床气化发电联产炭、热的方法，它产生利用中热值可燃气，满足高温高压锅炉的热量要求，提高发电整体效率；采用本方法后氮氧化物含量低，满足环保要求，无需脱氮处理。它包括如下步骤：生物质原料被送入制备中热值生物质可燃气的气化装置内，生物质原料在700‑850℃条件下，采用空气与水蒸汽预混的气化剂作用下气化产生可燃气，可燃气热值为1600‑1800Kcal，温度200‑300℃；可燃气直接送入环保型燃烧腔燃烧后通入高温高压锅炉，燃气在高温高压锅炉内燃烧产生高温高压蒸汽，推动蒸汽轮机发电，对蒸汽轮机排出蒸汽余热进行利用;锅炉尾气通过空气预热器对空气加热，热空气由鼓风机送入分别送入燃烧腔和气化装置，利用其余热。

Description

生物质固定床气化发电联产炭、热的装置及方法
技术领域
本发明涉及的是一种生物质固定床气化发电联产炭、热的装置及工艺方法，属于生物质能源领域。
背景技术
在能源和环境的双重压力下，大力开发清洁的可再生能源已成为摆在世界各国政府面前的一个非常紧迫的世界性课题。生物质能和其他新能源相比，具有可再生、污染少、可运输和储存、与现在能源工业最具相容性等特点，因而特别受到关注。中国是一个农业大国，农林生物质资源丰富、数量巨大、品种多样性。在利好的政策背景下，生物质资源化利用在中国获得了长足的发展，但同时也产生工艺、装备上的很多问题。
生物质气化作为生物质资源化利用中一种热化学转化的方法，在国内多所高校进行了深入研究。人们相续开发了很多气化发电工艺及装备。纵观当前生物质资源化利用气化发电工艺及装备：产品单一，经济效益低；采用湿式净化系统，产生水污染；由于净化不彻底采用内燃机及燃气轮机发电系统稳定性差。南京林业大学团队提出了生物质气化热燃气烧锅炉推动汽轮机发电的多联产工艺，其已获得阶段性成功，但是也碰到了两大问题：一是，生物质气化气燃烧虽然尾气产生氮氧化物含量较低，但是由于环保要求越来越高，势必也需要尾气脱氮处理，脱氮处理费用昂贵，小规模产业项目不适合使用；二是，生物质气化产生的可燃气热值低，不适合高温高压锅炉使用，影响发电整体效益。因此，需要提出一个新的工艺方法解决热值和可燃气环保燃烧的问题。
发明内容
本发明提出的是一种生物质固定床气化发电联产炭、热的方法，其目的旨在解决现有技术存在的上述缺陷，产生中热值可燃气，满足高温高压锅炉的热量要求，提高发电整体效率；采用本方法后氮氧化物含量低，满足环保要求，无需脱氮处理。
本发明所述的生物质固定床气化发电联产炭、热的方法，包括如下步骤：
1）生物质原料被送入制备中热值生物质可燃气的气化装置内，生物质原料在700-850℃条件下，采用空气与水蒸汽预混的气化剂作用下气化产生可燃气，可燃气热值为1600-1800Kcal，温度200-300℃；
2）可燃气直接送入环保型燃烧腔燃烧后通入高温高压锅炉，燃气在高温高压锅炉内燃烧产生高温高压蒸汽，推动蒸汽轮机发电，对蒸汽轮机排出蒸汽余热进行利用;
3）对气化装置排出的炭冷却后收集；
4）锅炉尾气通过空气预热器对空气加热，热空气由鼓风机送入分别送入燃烧腔和气化装置，利用其余热。
上述的生物质固定床气化发电联产炭、热的方法，蒸汽轮机产生的低温水在省煤器500内与锅炉尾气进行热交换后，用于锅炉补水。
本发明同时提供了一种能够产生中热值可燃气，满足高温高压锅炉的热量要求，提高发电整体效率，且无需脱氮处理的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置。
本发明所述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，它包括制备中热值生物质可燃气的气化装置200、用于生物质气化可燃气稳定燃烧的环保型燃烧腔300，高温高压锅炉400、空气预热器600、烟气抽风机700、蒸汽轮机900、发电机；
气化装置200中的可燃气出口与环保型燃烧腔300中的燃烧管相通，环保型燃烧腔300中的出口高温烟气管与高温高压锅炉400的燃气入口相通；高温高压锅炉400的蒸汽出口与蒸汽轮机900的蒸汽入口相通；高温高压锅炉400的尾气排放管与空气预热器600的壳程相通，空气预热管经空气预热器600的管程后分别与燃烧管、气化装置相通。
上述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，蒸汽轮机900的低温水出口通过省煤器500与高温高压锅炉400的补水口相通；高温高压锅炉400的尾气排放管分别省煤器500、空气预热器600相通。
上述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，制备中热值生物质可燃气的气化装置200包括气化炉和蒸汽发生进气系统；在气化炉中上部设置有密闭进料装置2，在气化炉底部设置螺旋出料布气装置5，螺旋出料布气装置5中转动的螺旋轴29为外周带有螺旋叶片的中空轴，中空轴上均匀设置把中空轴内部与气化炉内部连通的出气孔；蒸汽发生进气系统包括汽包11、循环热水泵12、布置于气化炉中下部的加热盘管4、混合器13、风机17以及阀门；加热盘管出口通过循环热水泵12与汽包的进水口9相连，汽包的出水口10与加热盘管进口相连；汽包的水蒸气出口7通过阀门15连接在混合器13的进入口；风机17出口通过阀门14连接在混合器13的进入口；混合器13出口与通过旋转接头30与螺旋轴29一端相通；风机17入口与空气预热器600的空气出口相连。
上述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，螺旋出料布气装置5包括多个平行的穿过气化炉底部的梯形出炭槽28，每个梯形出炭槽28内设置一根转动的螺旋轴29；伸出气化炉外部的各梯形出炭槽28的端部连接有一个出炭仓26，出炭仓26内设置有一根转动的二级出炭螺旋27。
上述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，环保型燃烧腔300被蜂窝状的蓄热体46分割成一级腔体45和二级腔体48；燃烧管41与生物质燃气进口和一次布风管54相通，燃烧管41与一级腔体45相连接，一级腔体45上设置有点火枪42、热电偶T1，在二级腔体48内设置与蜂窝状的蓄热体46相对的二次布风管47、热电偶T2，二级腔体48与出口高温烟气管51相连，一次布风管54、风量调节阀52与二次风管47、风量调节阀53一起连接到送风风机49上，控制器50与热电偶T1、热电偶T2、风量调节阀52、风量调节阀53、送风风机49相连接；送风风机49入口与空气预热器600的空气出口相连。
上述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，所述的蜂窝状的蓄热体46与进口燃烧管41端部距离为燃烧火焰长度的1.1-1.3倍，蓄热体与燃烧管同轴，蓄热体中间部分具有与燃烧管截面积一样大的不开孔区域，蓄热体外周部分上开有通孔，通孔的通流面积为蓄热体外周部分截面积的40-50%，蓄热体材料采用锆刚玉砖、镁铬砖。
上述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，通过一次布风管54进入燃烧管内的一次进风量为可燃气所需风量的90%左右，通过二次布风管进入二级腔体内二次进风量为可燃气所需风量的10%；一级腔体的温度在1000度以下。
本发明的有益效果：本发明是把生物质原料的收集、削片至3-5cm后，在皮输送或者提升机作用下，被送入利用中热值生物质可燃气的气化装置内，气化制得的热燃气通过环保型燃烧腔燃烧后送入高温高压锅炉，燃气在高温高压锅炉内燃烧产生高温高压蒸汽，推动蒸汽轮机发电，蒸汽轮机排出蒸汽余热用来供暖，从气化装置底部排出的炭冷却收集后，根据生物质原料不同，可用于制作烧烤炭、炭基肥、活性炭等。锅炉尾气通过空气预热器对空气加热，热空气由鼓风机送入分别送入燃烧腔和气化装置，利用其余热。
1）不需要外热将可燃气热值提高，满足高温高压锅炉的热量需求，提高了发电效率。
2）采用环保型燃烧腔，在燃气热值波动情况下，保证完全燃烧，稳定运行同时降低了氮氧化物产生量，更环保。
3）产品多样化，将尾气预热加以充分利用。
附图说明
图1是一种生物质固定床气化发电联产炭、热的工艺流程图
图2是用于制备中热值生物质可燃气的气化装置
图3是密闭进料装置的示意图。
图4是螺旋出料布气装置主视图。
图5是螺旋出料布气装置俯视图。
图6是螺旋出料布气装置侧视图。
图7是用于生物质气化可燃气稳定燃烧的环保型燃烧腔的结构示意图。
图8是一种蓄热体的示意图。
图9是另一种蓄热体的示意图。
图10是二次布风管的示意图。
图11是图10的左视图。
图12是图11的局部放大图。
图中：
100是生物质预处理装置（切片、提升机）、200是制备中热值生物质可燃气的气化装置、300是用于生物质气化可燃气稳定燃烧的环保型燃烧腔、400是高温高压锅炉、500是省煤器、600是空气预热器、700是烟气抽风机、800是排气筒、900是蒸汽轮机、1000是发电机。
1是减速器带动旋转的铺料器、2是密闭进料装置、3是燃气出口、4是加热盘管、5是螺旋出料布气装置、6是破桥装置、7是蒸汽出口、8是补水口、9是进水口、10是出水口、11是汽包、12是循环热水泵、13是混合器、14是阀门一、15是阀门二、16是阀门三、17是风机。
18是料斗、19是刀阀一、20是进料装置料位计、21是中间过渡料仓、22是刀阀二、23是进料螺旋。
24是炉内出炭螺旋叶片、25是减速电机、26是出炭仓、27是二级出炭螺旋、28是梯形出炭槽、29是螺旋轴、30是旋转接头、31是混合气化剂进口、32是料位计。
41是燃烧管、42是有点火枪、43是看火门、45是一级腔体、46是蓄热体、461是蓄热体中间部分，462是蓄热体的外周部分（开孔区域），463是通孔；47是二次风管、471是二次风管出风孔、48是二级腔体、49是送风风机、50是控制器、51是出口高温烟气管、52是风量调节阀、53是风量调节阀、54是一次布风管。
具体实施方式
参见图1所示的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，气化装置200中的可燃气出口与环保型燃烧腔300中的燃烧管相通，环保型燃烧腔300中的出口高温烟气管与高温高压锅炉400的燃气入口相通；高温高压锅炉400的蒸汽出口与蒸汽轮机900的蒸汽入口相通；高温高压锅炉400的尾气排放管依次与省煤器500、空气预热器600的壳程相通。空气预热管经空气预热器600的管程后分别与气化装置200中的风机17入口、环保型燃烧腔300中的送风风机49入口相连，使得热空气被送入燃烧管、气化装置内。蒸汽轮机900的低温水出口通过省煤器500与高温高压锅炉400的补水口相通。蒸汽轮机900带动发电机1000发电。
参见图2所示的用于制备中热值生物质可燃气的气化装置，气化炉上部设置有减速器带动旋转的铺料器1用于将密闭进料装置2所进气化原料铺平，将密闭进料装置2根据设置在气化炉炉体上的料位计32控制其加料，在螺旋出料布气装置5的上方300mm炉壁上布置有加热盘管4，炉体下部设置有破桥装置6用于防止反应层出现架桥。
蒸汽发生进气系统由汽包11、循环热水泵12、混合器13、阀门、风机17等组成。汽包11上设有补水口8、进水口9、出水口10、水蒸气出口7。加热盘管4出口通过循环热水泵12与汽包进水口9相连，汽包11的水蒸气出口7与通过阀门二15与混合器13相连，供气化剂风机17出口通过与阀门一14与混合器13相连，混合器13出口通过旋转接头30与螺旋轴29相连，混合器13实现了空气与利用气化炉反应区热量产生的水蒸汽的混合，并把它们通过螺旋轴29均匀进入到反应区。
参见图3所示的密闭进料装置，包括料斗18、中间过渡料仓21、底仓、进料螺旋23等。料斗18与中间过渡料仓21之间设置刀阀一19，中间过渡料仓21与底仓之间设置刀阀二22，底仓下部设置伸入气化炉内的进料螺旋23。原料首先进入料斗18，继而打开刀阀一19，原料进入中间过渡料仓21，关闭刀阀一19，打开刀阀二22，原料进入底仓。然后打开进料螺旋23，原料进入气化炉，同时关闭刀阀二22，继而实现密闭进料
螺旋出料布气装置5除了可以出炭外还用于实现均匀布气。对照图4-6所示螺旋出料布气装置的示意图，其由炉内出炭螺旋叶片24、减速电机25、出炭仓26、二级出炭螺旋27、梯形出炭槽28、旋转接头30组成。减速电机25带动带有炉内出炭螺旋叶片24的螺旋轴29旋转出炭，出炭仓26与梯形出炭槽28两端相连，出炭仓26内设置连接二级出炭螺旋27。炉内出炭螺旋24上的螺旋轴管29上均匀分布有布气用出气孔，用于均匀布气化剂入气化炉。
制备中热值生物质可燃气的气化装置的优点：
阀门与混合器相连，供气化剂风机出口与阀门、混合器相连，混合器出口与出料螺旋中间轴相连，实现了空气与利用气化炉反应区热量产生水蒸汽混合后，均匀进入到反应区。
螺旋出料布气装置中，作为中空轴的螺旋轴均匀布置出气孔，实现一机两用，均匀出料的同时均匀布气，并对气化剂进行预热。
在反应区布置盘管，利用反应区热量制得水蒸汽，简单，方便。
炉外采用空气与水蒸汽的预混合系统，保证在进水蒸汽反应的同时，可以提供足够热量，不引起反应温度下降，保证气化的稳定进行。
对照图7所示的用于生物质气化可燃气稳定燃烧的环保型燃烧腔，包括与生物质燃气进口和一次布风管54相通的燃烧管41，燃烧管41与一级腔体45相连接，一级腔体45是上设置有点火枪42、看火门43、热电偶T1，一级腔体的后端与蜂窝状的蓄热体46相连，蜂窝状的蓄热体46后部与二级腔体48相连接，二级腔体48内（蜂窝状的蓄热体46后部）设置有二次布风管47、热电偶T2，二级腔体48与出口高温烟气管51相连，一次布风管54通过风量调节阀52、二次风管47通过风量调节阀53一起连接到送风风机49上，控制器50与热电偶T1、热电偶T2、风量调节阀52、风量调节阀53、送风风机49、压力变送器P1、压力变送器P2相连接，继而形成燃烧腔。
控制器50，其一，控制一次进风量为可燃气所需风量的90%左右，二次进风量为可燃气所需风量的10%左右；其二，控制一级腔体的温度在1000度以下，控制器从热电偶T1获得超温信号，调整风量调节阀52和风量调节阀53，降低一次风风量，同时提高二次风风量。
对照图8、9所示蓄热体，蓄热体46形状根据腔体形状变化，可以是方形，也可以设计成圆形，蓄热体46前端面与进口燃烧管41端部距离为燃烧火焰长度的1.1-1.3倍，蓄热体开孔通流面积为蜂窝状的蓄热横截面积的40-50%，蓄热体中间部分461不开孔，该不开孔区域的截面积与燃烧管截面积基本一样大，蓄热体的外周部分462是开孔区域，该区域上开有通孔463，各通孔的通流面积（截面积）之和为蓄热体外周部分开孔区域截面积的40-50%，蓄热体材料采用蓄热、耐温能力强的锆刚玉砖、镁铬砖等。
对照图10、11所示的二次布风管，二次布风管47距离蓄热体46后端面距离100-200cm之间，其布风管也根据腔体形状变化，可以是方形，也可以设计成圆形，其朝向蓄热体46的侧部均匀开有二次风管出风孔71。
生物质气化可燃气稳定燃烧的环保型燃烧腔的优点：
1）本燃烧器可以适应可燃气热值大范围波动，本燃烧腔内采用蜂窝状的蓄热体，蓄热体散热慢，保证了其温度始终高于可燃气的燃点，即保证低热值可燃气的稳定燃烧。
2）本燃烧腔采用了两级燃烧腔体、两级自动配风结构，控制燃烧温度以及给可燃气燃烧创造还原性的氛围，以达到控制尾气氮氧化物含量的目的。
对照附图1，以木材原料为例：经过切片的原料经过生物质预处理装置100（用鼓式切片机切片至3-6cm左右）、提升机通过气化装置200中的密闭进料装置2进入气化炉内。风机17鼓入来自空气预热器10的热空气；同时气化炉下部加热盘管4水逐步吸收反应区的热量在汽包中形成蒸汽，经过阀门二15，蒸汽与热空气在混合器13中混合后，由风机17送入气化炉中出炭螺旋轴中，再通过螺旋轴上的出气孔均匀布入气化炉，在700-850℃发生氧化-还原反应，同时由于通入一定比例的水蒸汽发生加氢反应，气化后产生热燃气（热燃气温度200-300℃含有提取液、焦油、粉尘），热值为1600-1800Kcal。气化装置200下部产生的生物质炭经过常规设备内轴和外壳通水的螺旋冷却收集后打包入库，根据生物质原料不同，可用于制作烧烤炭、炭基肥、活性炭等。
气化炉底部设置有破桥装置可以防止反应区架桥；设置有独特的螺旋出料布气装置，保证了出料布气均匀；利用反应区热量的蒸汽发生进气系统以及采用蒸汽与热空气采用炉外混合进气方式，保证反应稳定，同时混合气化将可燃气热值提高至1600-1800KCAL，满足高温高压锅炉使用要求。
含有提取液、焦油、粉尘的热燃气在风机27的正压下送入环保燃烧腔300燃烧。控制器50控制送入一级腔体45内的一次风风量为总风量的90%,送入二级腔体48内的二次风风量为总风量10%。在一级腔体形成一个限氧燃烧的环境，而燃料型氮氧化物是在氧化气氛下产生，一级腔体产生燃烧型氮氧化物量就会大大降低。还有10%可燃气没有燃烧，通过二级腔体供入氧气进行燃烧，通过控制一级腔体送风量控制一级腔体的温度在1000度以下，如果超温，控制器50会自动降低一次风的风量，这样降低了热力型氮氧化物的产生。蓄热体46在可燃气燃烧火焰灼烧下，始终保持温度，当可燃气出现大的波动时，比如可燃气热值突然降低至650kacl，此时火焰由于配风可能瞬间断火，当可燃气直接喷射到高温蓄热体上，立刻复燃（即使不能立刻燃烧，低热值可燃气也会立刻被氧化），同时控制器自动调整供风量，保证供氧，这样保证可燃气不因为热值波动，不燃烧的可燃气在后续锅炉中集蓄引起安全事故，同时也保证了燃烧腔的稳定运行。该燃烧腔既可以实现热值波动的生物质气化热燃气稳定燃烧，又降低氮氧化物含量，保障了燃烧的环保性。
燃烧腔300燃烧的高温烟气通过出口高温烟气管51直接送入锅炉400中，锅炉400产生高温高压蒸汽推动蒸汽轮机900，进而带动发电机1000发电，蒸汽经过汽轮机部分蒸汽供热使用，低温水进入凝气器回省煤器500用于锅炉补水。锅炉400尾气经过先经过省煤器500，再经过空气预热器600对气化剂进行预热，预热后空气送入燃烧腔300和气化炉200，尾气最终通过排气筒800排出。
本发明采用制备中热值生物质可燃气的气化装置产生可燃气热值可以达到1600-1800kcal，燃烧满足者高温高压锅炉的发热量要求，可以提高发电效率；采用环保型燃烧腔，燃烧稳定同时降低尾气氮氧化物的含量，尾气无需加装脱硝装置即可满足排放要求；产品多样，经济效益好，可规模化使用。

Claims (6)

1.生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，其特征是：它包括制备中热值生物质可燃气的气化装置（200）、用于生物质气化可燃气稳定燃烧的环保型燃烧腔（300），高温高压锅炉（400）、空气预热器（600）、烟气抽风机（700）、蒸汽轮机（900）、发电机；
气化装置（200）中的可燃气出口与环保型燃烧腔（300）中的燃烧管相通，环保型燃烧腔（300）中的出口高温烟气管与高温高压锅炉（400）的燃气入口相通；高温高压锅炉（400）的蒸汽出口与蒸汽轮机（900）的蒸汽入口相通；高温高压锅炉（400）的尾气排放管与空气预热器（600）的壳程相通，空气预热管经空气预热器（600）的管程后分别与燃烧管、气化装置相通；
环保型燃烧腔（300）被蜂窝状的蓄热体(46)分割成一级腔体(45)和二级腔体(48)；燃烧管(41)与生物质燃气进口和一次布风管(54)相通，燃烧管(41)与一级腔体(45)相连接，一级腔体(45)上设置有点火枪(42)、热电偶T1，在二级腔体(48)内设置与蜂窝状的蓄热体(46)相对的二次布风管(47)、热电偶T2，二级腔体(48)与出口高温烟气管(51)相连，一次布风管(54)、风量调节阀(52)与二次风管(47)、风量调节阀(53)一起连接到送风风机(49)上，控制器(50)与热电偶T1、热电偶T2、风量调节阀(52)、风量调节阀(53)、送风风机(49)相连接；送风风机(49)入口与空气预热器（600）的空气出口相连。
2.如权利要求1所述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，其特征是：蒸汽轮机（900）的低温水出口通过省煤器（500）与高温高压锅炉（400）的补水口相通；高温高压锅炉（400）的尾气排放管依次与省煤器（500）、空气预热器（600）相通。
3.如权利要求1所述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，其特征是：制备中热值生物质可燃气的气化装置(200)包括气化炉和蒸汽发生进气系统；在气化炉中上部设置有密闭进料装置（2），在气化炉底部设置螺旋出料布气装置（5），螺旋出料布气装置（5）中转动的螺旋轴（29）为外周带有螺旋叶片的中空轴，中空轴上均匀设置把中空轴内部与气化炉内部连通的出气孔；蒸汽发生进气系统包括汽包（11）、循环热水泵（12）、布置于气化炉中下部的加热盘管（4）、混合器（13）、风机（17）以及阀门；加热盘管出口通过循环热水泵（12）与汽包的进水口（9）相连，汽包的出水口（10）与加热盘管进口相连；汽包的水蒸气出口（7）通过阀门（15）连接在混合器（13）的进入口；风机（17）出口通过阀门（14）连接在混合器（13）的进入口；混合器（13）出口通过旋转接头（30）与螺旋轴（29）一端相通；风机（17）入口与空气预热器（600）的空气出口相连。
4.根据权利要求3所述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，其特征是：螺旋出料布气装置（5）包括多个平行的穿过气化炉底部的梯形出炭槽（28），每个梯形出炭槽（28）内设置一根转动的螺旋轴（29）；伸出气化炉外部的各梯形出炭槽（28）的端部连接有一个出炭仓（26），出炭仓（26）内设置有一根转动的二级出炭螺旋（27）。
5.如权利要求1所述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，其特征是：所述的蜂窝状的蓄热体(46)与进口燃烧管(41)端部距离为燃烧火焰长度的1.1-1.3倍，蓄热体与燃烧管同轴，蓄热体中间部分具有与燃烧管截面积一样大的不开孔区域，蓄热体外周部分上开有通孔，通孔的通流面积为蓄热体外周部分截面积的40-50%，蓄热体材料采用锆刚玉砖、镁铬砖。
6.如权利要求5所述的生物质固定床气化发电联产炭、热的装置，其特征是：通过一次布风管(54)进入燃烧管内的一次进风量为可燃气所需风量的90%左右，通过二次布风管进入二级腔体内二次进风量为可燃气所需风量的10%；一级腔体的温度在1000度以下。
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Record date: 20230215

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20170919

Assignee: Shandong Nuanjin Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANJING FORESTRY University

Contract record no.: X2023320000233

Denomination of invention: Device and method for biomass fixed bed gasification power generation combined with carbon and heat production

Granted publication date: 20190827

License type: Common License

Record date: 20231121