CN107384483A - 一种规模化的生物质气化和热解工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种规模化的生物质气化和热解工艺，包括以下步骤：生物质在堆放场堆放后，经过加工处理由装料设备加入生物质气化热解炉，该炉最大特点是提供热量的燃烧室与气化热解罐是完全独立的空间，燃烧室的热量是通过隔墙传给气化热解罐的。在气化热解罐中完成气化或热解后，通过水冷后进入净化装置，再由风机送入燃气储存设施。如果在气化热解罐里喷入水蒸汽，就会实现生物质的气化而得到燃气和生物质灰，如果不喷水蒸汽就会实现生物质的热解而得到燃气和生物质炭。与现有生物质的气化或热解工艺比较，本发明既能作为生物质的气化，又能作为生物质的热解，并且还具有原料适应性广、处理量大、燃气热值高、自动化程度高、环保好及成本低等显著优点。

Description

一种规模化的生物质气化和热解工艺
技术领域
本发明涉及生物质的技术领域，具体涉及一种生物质气化和热解工艺，目的在于利用生物质的热解和气化来生产生物质燃气和生物质炭。
背景技术
生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质，包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物，如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物、动物粪便、生活垃圾、生活污水等，有代表性的生物质有各种秸秆、木材、稻壳、花生壳、玉米芯、海藻、蔗渣、稻草、杂草、粪便及有机垃圾等。
生物质的主要特点有：可再生性、低污染性、总量十分丰富、分布非常广泛。生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SO2、NOX少，生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的CO2相当于它排放的CO2的量，因而对大气的CO2净排放量近似于零。生物质燃料的总量十分丰富，生物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算，世界上每年生长的生物质年生产量为1400-1800亿吨，相当于世界总能耗的10倍。随着农林业的发展，特别是炭薪林的推广，生物质资源将越来越多，生物质能源的比重将会越来越大。
目前，美国生物质能占总能源消耗的4％，规划2020年将达12％；欧洲生物质约占总能源消费量的2％，规划2020年生物质燃料替代20％的化石燃料；日本生物质约占总能源消费量的0.9％，规划2020年达12％；中国工程院预测我国农村商品化生物质能，由目前占农村能源的0.2％提高到2020年的12.6％。
我国拥有丰富的生物质资源，每年秸秆年产量高达7亿吨，另外还有1.2亿吨的稻壳、蔗渣、花生壳等,加上粪便和生活有机垃圾，我国每年的生物质资源达到7亿吨标煤以上。
生物质能源的高新转换技术不仅能够大大加快村镇居民实现能源现代化进程，满足农民富裕后对优质能源的迫切需求，同时也可在乡镇企业等生产领域中得到应用。由于中国地广人多，常规能源不可能满足广大农村日益增长的需求，而且秸秆等生物质的直接焚烧产生的大气环境问题日益严重。因此，立足于农村现有的生物质资源，研究新型转换技术，开发新型装备，既是农村发展的迫切需要，又是我国减少排放、保护环境、实施可持续发展的需要。
生物质能转化的主要途径有：燃烧法(包括直接燃烧、压缩成型后燃烧，得到热量或电力)、热化学法(包括气化、热解、直接液化，得到生物质燃气、木炭、生物原油或液化油)、生化法(包括水解、发酵、沼气技术，得到乙醇或沼气)、化学法(包括间接液化、酯化，得到甲醇、醚或生物柴油)，生物质的气化和热解是生物质能转化的主要途径。
生物质气化是为了得到高品质的生物质燃气，生物质气化是在有气化剂(包括空气、氧气、水蒸气、氢气等)的条件下实现生物质热化学转换的一种技术，将原料加热，使较高分子量的有机碳氢化合物链裂解，变成家底分子量的CO、H2、CH4等可燃气体。秸秆、稻壳、柴草等农业废弃物气化利用热值高，据测算，直接燃烧只能利用其热值的20％，这不但造成了资源的极大浪费，而且焚烧的烟雾也对大气环境造成了严重污染；若将其放到气化炉灶内燃烧，则可使热值的利用率提高到80％以上，由于燃烧充分，烟尘排放量少，残余的灰烬也很少(小于7％)，比一般农家直接燃烧热值利用率可提高60％以上。
目前生物质气化的主要装置有：固定床气化炉(包括上吸式气化炉、下吸式气化炉、平吸式气化炉和开心式气化炉)、流化床气化炉(包括鼓泡流化床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床气化炉和携带床气化炉)。目前商业生产的各种气化炉均有共同的缺点：1)、通过加入空气实现不完全燃烧来提供热量，这种方式使得生物质燃气热值降低，只能达到3-5MJ/Nm3；2)、气化炉的生物质处理量小，单炉的生物质燃气量小，不适合集中大规模生产生物质燃气；3)、燃气焦油含量高，容易堵塞管道等设备；4)、现有气化炉对生物质原料的适应性差。
生物质热解是为了得到高品质的生物质炭或生物质油，生物质热解是在与氧气隔绝的高温条件下，使较高分子量的有机碳氢化合物链裂解，变成家底分子量的CO、H2、CH4等可燃气体，并得到固体生物质炭或液态生物质油。现有的生物质热解装置的最大缺点在于单炉产气量和产炭量均太低，不能满足大批量生产生物质炭的需要。
需要特别说明的是目前生物质的气化或热解均是在不同的装置中完成的。
发明内容
本发明的发明目的在于，提供了一种规模化的生物质气化和热解工艺，在同一套装置中完成生物质的气化或热解两大功能，与现有生物质气化或热解工艺比较，本发明具有原料适应性广、处理量大、燃气热值高、自动化程度高、环保好及成本低等显著优点。
为了实现以上技术效果，本发明提供了一种规模化的生物质气化和热解工艺，具体包括以下步骤：
(1)生物质运至堆场，完成生物质处理后，通过运输装置运至气化热解炉的炉顶，由装料设施装入气化热解炉中的气化热解罐；
(2)气化热解炉中的燃烧室与气化热解罐是完全独立的空间，燃烧室燃烧产生的热量通过隔墙传给气化热解罐，燃烧室内的温度为600-1300℃，气化热解罐内的温度为500-1200℃；
(3)生物质在气化热解罐中完成气化或热解，产生的燃气与灰或炭一同向下运行，经过水冷装置后，其温度降到200℃以下；
(4)降温后的燃气经过净化装置，由风机送入燃气储存设施，灰或炭在水冷装置和/或净化装置等处收集后外运；
(5)储存设施里的燃气一部分作为气化热解炉中燃烧室的燃料，其余的燃气全部外供作为民用燃料、工业燃料或工业原料，生物制炭可作为工业原料，生物质灰可作为农业肥料。
所述生物质为一切有生命的可以再生的有机物质的一种或多种，具体包括各种秸秆、木材、稻壳、花生壳、玉米芯、海藻、蔗渣、稻草、杂草、粪便或有机垃圾的一种或多种。
所述生物质处理为生物质的剪切、破碎、压块或干燥的一种或多种。
所述隔墙是由高导热、抗氧化、抗还原、耐热震的高温耐火砖砌筑而成。
所述燃烧室燃烧产生的高温烟气排出燃烧室后，通过换热器来预热燃烧室燃烧用助燃气体和/或干燥生物质原料。
所述气化热解罐喷入水蒸汽进行生物质气化，最终得到燃气(热值约为16～19MJ/Nm3)和生物质灰；如果气化热解罐不喷入水蒸汽进行生物质热解，最后得到燃气(热值约为10～15MJ/Nm3)和生物质炭。喷入气化热解罐的水蒸汽来源于水冷装置。
所述水冷装置为一级水冷装置或两级水冷装置。
所述风机为引风机和/或加压机。
所述净化装置为旋风除尘器、重力除尘器、布袋除尘器或电除尘器的一种或多种。
本发明所采用的技术方案使用了如图2所示的生物质气化热解炉3，所示气化热解炉3为实施例所用设备，主要由气化热解罐4和燃烧室5模块化组合而成。生物质原料通过料仓1和加料装置2装入气化热解罐4中，多个气化热解罐4布置在一个很大的燃烧室5中，每个气化热解罐4和燃烧室5之间设有传热隔墙12。通过燃烧室5中的燃烧器6燃烧燃气产生气化热解罐4所需要的热量，热量通过隔墙12传给各个气化热解罐4中，各气化热解罐4内的温度基本一致，如果打开气化热解罐上部的水蒸汽管道11进行生物质气化，产品得到生物质燃气和生物质灰，如果关闭水蒸汽管道11进行生物质热解，产品得到生物质燃气和生物质炭。生物质燃气与灰或炭一起向下运行，通过一级水冷7和排料装置8后，在二级水冷9中进一步快速冷却，最后通过排料装置10排出。
实施本发明一种生物质的气化和热解工艺，具有以下有益效果：
1)气化和热解两大功能合为一体：本发明作为处理生物质的工艺和装置，既能作为生物质热解得到燃气和生物质炭，又能在通入水蒸汽后通过生物质气化得到燃气和生物质灰，两项功能合为一套装置，这是生物质气化和热解技术的一项重要突破，生产组织的灵活性大大提高；
2)原料的适应性非常广泛：本发明适应各种生物质的气化或热解，适应性千差万别的各种生物质的处理，并且原料的尺寸上很宽松，这种适应性远优于现有的各种气化或热解的工艺和装置；
3)能够实现规模化生产：本发明中的气化热解罐的数量可以根据用户需要进行模块化组合，以实现不同的产量目标，也为实现规模化生产创造了很好的条件；
4)生物质燃气热值高：本发明中提供热量的燃烧室和进行气化或热解的气化热解罐是完全独立的空间，在气化热解罐中没有加入空气、氧气、氮气，使得最终得到的生物质燃气的热值更高(气化燃气的热值能够达到19MJ/Nm3或更高，热解燃气的热值能够达到15MJ/Nm3或更高)，有利于燃气得到更好地使用，生物质燃气用来发电能够产生很好的经济效益；
5)热量利用很好：本发明通过换热器来预热燃烧室燃烧用助燃气体和/或干燥生物质原料，热量损失小，综合热效率高；
6)生产成本较低：本发明生物质原料适应性很好，加工成本低，正常生产的燃料为自产的生物质燃气，生产维护简单方便，这些都使得总的生产成本有竞争力；
7)自动化程度高：本发明实现了生物质气化或热解的连续生产制度，自动化程度高，为产量提高创造了条件，也为产品利用提供了方便；
8)环保效果很好：本发明的燃气和灰或炭一起下行通过了整个气化热解炉的高温区，这样在热解区产生的焦油在高温区几乎都能气化，使得生物质燃气中的焦油显著减少，远低于其它型式的气化炉或热解炉，因此本发明的环保好。
附图说明
图1为本发明生物质的气化和热解的工艺流程示意图；
图2为本发明生物质的气化热解炉示意图。
具体实施方式
为了使本发明技术方案更容易理解，现结合附图采用具体实施例的方式，对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述。应当注意，在此所述的实施例仅为本发明的部分实施例，而非本发明的全部实现方式，所述实施例只有示例性，其作用只在于为审查员及公众提供理解本发明内容更为直观明了的方式，而不是对本发明所述技术方案的限制。在不脱离本发明构思的前提下，所有本领域普通技术人员没有做出创造性劳动就能想到的其它实施方式，及其它对本发明技术方案的简单替换和各种变化，都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种规模化的生物质气化工艺，其主要生产步骤包括：
1)各种秸秆(包括玉米秸秆、高粱秸秆等)运至堆场进行分类和储存，完成剪切(最长尺寸控制在150mm以内)和烘干处理后，通过料斗运至气化热解炉的炉顶，先装入加料仓，通过加料装置装入气化热解炉的气化热解罐；
2)气化热解罐的大小为宽度630mm、长度1600mm、高度6000mm的罐体，可容纳秸秆约600kg，每个罐小时处理秸秆重量约300kg，一个罐一年处理量约2400t，60个罐一年的生物质处理量达到14.4万吨；
3)气化热解炉中的燃烧室与气化热解罐是完全独立的空间，燃烧室中燃烧产生的热量通过隔墙传给气化热解罐，燃烧室的温度为1150℃，气化热解罐的温度为1000℃；
4)燃烧室产生的高温烟气排出燃烧室后，通过换热器来预热燃烧室燃烧用助燃气体和干燥秸秆，预热后助燃空气的温度达到600℃，秸秆的水分含量小于20％；
5)在气化热解罐上部通入水蒸汽，水蒸汽作为气化剂，秸秆在气化热解罐中完成气化，产生的燃气和灰主要在引风机的抽吸作用下是一同向下运行的，经过一级冷却后，其温度降到650℃；
6)燃气和灰通过二级水冷后，其温度快速降到200℃以下，然后燃气经过旋风除尘器和布袋除尘器后得到净化后的生物质燃气，其热值约17.5MJ/Nm3(4180kcal/Nm3)，小时燃气量达到21600Nm3/h(每年1.71亿Nm3)，由引风机送入燃气燃气柜，生物质灰在净化装置处收集后外运；
7)5万m3的燃气柜里燃气约20-25％作为生物质处理炉中燃烧室的燃料，其余约75-80％的燃气全部外供，生物质燃气作为民用燃料或发电，生物质灰(约540kg/h,4280t/a)可作为农业肥料。
本发明工艺还具有以下优点：
1)该工艺可以处理高热值(21MJ/Nm3)的生物质原料，也可以处理低热值(12MJ/Nm3)的生物质原料，该工艺对原料的适应性很强；
2)该工艺的能源利用都很充分，能源浪费很少，并且资源都得到循环利用；
3)该工艺中气化热解罐的数量或大小均可以根据要求进行调整和模块化的组合，从而实现规模化的生产；
4)该工艺生产的生物质燃气可以替代煤炭作为发电的燃料，减轻环境压力，同时解决偏远地区的电力供应问题。
实施例2
如图1所示，本发明还提供了一种规模化的生物质热解工艺，其主要生产步骤包括：
1)各种木材(包括柳木、松木等)运至堆场进行分类和储存，完成剪切、破碎(最大尺寸控制在150x150x150mm以内)和烘干等处理后，通过运输装置运至气化热解炉的炉顶，先装入加料仓，通过加料装置装入气化热解炉的气化热解罐；
2)气化热解罐的大小为宽度630mm、长度1600mm、高度6000mm的罐体，可容纳木块约1200kg，每个罐小时处理木块重量约1200kg，一个罐一年处理量约10000t，60个罐一年的生物质处理量最少达到60万吨；
3)气化热解炉中的燃烧室与气化热解罐是完全独立的空间，燃烧室中燃烧产生的热量通过隔墙传给气化热解罐，燃烧室的温度为1100℃，气化热解罐的温度为950℃；
4)燃烧室产生的高温烟气排出燃烧室后，通过换热器来预热燃烧室燃烧用助燃气体和干燥木块，预热后助燃空气的温度达到500℃，木块的水分含量小于20％；
5)木块在气化热解罐中完成热解，产生的燃气和炭主要在引风机的抽吸作用下是一同向下运行的，经过一级冷却后，其温度降到650℃；
6)燃气和炭通过二级水冷后，其温度快速降到200℃以下，然后燃气经过旋风除尘器和布袋除尘器后得到净化后的生物质燃气，其热值约12.5MJ/Nm3(3000kcal/Nm3)，小时燃气处理达到25200Nm3/h(每年2.0亿Nm3)，由引风机送入燃气燃气柜，生物质炭(每年约24万吨)在净化装置处收集后外运；
7)5万m3的燃气柜里燃气约15-20％作为生物质处理炉中燃烧室的燃料，其余约80-85％的燃气全部外供，生物质燃气作为民用燃料或发电，生物质炭是很好的工业原料。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种规模化的生物质气化和热解工艺，其特征在于具体包括以下步骤：
(1)生物质运至堆场，完成生物质处理后，通过运输装置运至气化热解炉的炉顶，由装料设施装入气化热解炉中的气化热解罐；
(2)气化热解炉中的燃烧室与气化热解罐是完全独立的空间，燃烧室燃烧产生的热量通过隔墙传给气化热解罐，燃烧室内的温度为600-1300℃，气化热解罐内的温度为500-1200℃；
(3)生物质在气化热解罐中完成气化或热解，产生的燃气与灰或炭一同向下运行，经过水冷装置后，其温度降到200℃以下；
(4)降温后的燃气经过净化装置，由风机送入燃气储存设施，灰或炭在水冷装置和/或净化装置等处收集后外运；
(5)储存设施里的燃气一部分作为气化热解炉中燃烧室的燃料，其余的燃气全部外供作为民用燃料、工业燃料或工业原料，生物制炭可作为工业原料，生物质灰可作为农业肥料。
2.根据权利要求1所述规模化的生物质气化和热解工艺，其特征在于，所述步骤(1)中生物质为一切有生命的可以再生的有机物质的一种或多种，具体包括各种秸秆、木材、稻壳、花生壳、玉米芯、海藻、蔗渣、稻草、杂草、粪便或有机垃圾的一种或多种。
3.根据权利要求1所述规模化的生物质气化和热解工艺，其特征在于，所述步骤(1)中生物质处理为生物质的剪切、破碎、压块或干燥的一种或多种。
4.根据权利要求1所述规模化的生物质气化和热解工艺，其特征在于，所述步骤(2)中隔墙是由高导热、抗氧化、抗还原、耐热震的高温耐火砖砌筑而成。
5.根据权利要求1所述规模化的生物质气化和热解工艺，其特征在于，所述步骤(2)中燃烧室燃烧产生的高温烟气排出燃烧室后，通过换热器来预热燃烧室燃烧用助燃气体和/或干燥生物质原料。
6.根据权利要求1所述规模化的生物质气化和热解工艺，其特征在于，所述步骤(3)中气化热解罐喷入水蒸汽进行生物质气化，最终得到燃气(热值约为16～19MJ/Nm3)和生物质灰；如果气化热解罐不喷入水蒸汽进行生物质热解，最后得到燃气(热值约为10～15MJ/Nm3)和生物质炭。喷入气化热解罐的水蒸汽来源于水冷装置。
7.根据权利要求1所述规模化的生物质气化和热解工艺，其特征在于，所述步骤(3)中水冷装置为一级水冷装置或两级水冷装置。
8.根据权利要求1所述规模化的生物质气化和热解工艺，其特征在于，所述步骤(4)中风机为引风机和/或加压机。
9.根据权利要求1所述规模化的生物质气化和热解工艺，其特征在于，所述步骤(4)中净化装置为旋风除尘器、重力除尘器、布袋除尘器或电除尘器的一种或多种。
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