CN108048138A - 基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法及其系统 - Google Patents

基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法及其系统，该方法包括如下步骤：1)将高水分含量的生物质、与来自流化床气化炉的高温床料、流化介质进行热解处理，生成的热解气，同时得到的床料和热解生物炭的混合料；2)将所得的床料和热解生物炭的混合料、生物质原料、气化剂、来自燃煤电站锅炉的热风进行高温气化反应生成合成气，生物质原料气化剩余的惰性物质形成炉渣排出；3)将热解气和合成气作为热量源送入燃煤电站锅炉内燃烧放热，产生的蒸汽用于发电，同时将得到的烟气排出。本发明可以对生物质原料进行分级利用，能实现生物质原料热解、气化分段转化，各转化工段的产物能实现高效多联产。

Description

基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电 方法及其系统
技术领域
本发明涉及生物质转化利用技术领域，具体地指一种基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法及其系统。
背景技术
在我国电力短缺而生物质能源丰富的条件下，生物质发电有着广阔的发展前景。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。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，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，但同时在气化工艺和装备上还存在深入研究开发的广阔空间。
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，目前，生物质气化发电技术的基本原理是把生物质转化为可燃气，它既能解决生物质难于燃用而且分布分散的缺点，又可以充分发挥燃气发电技术设备紧凑而且污染少的优点，所以气化发电是生物质能最有效最洁净的利用方法之一。当前为缓解燃煤电厂电力装机过剩、系统不能满负荷、发电小时数严重不足的状况，采用将生物质直接气化成高温合成气然后送入燃煤锅炉燃烧发电，以达到利用现有燃煤机组的装机容量来利用生物质的目的。
然而，现有的生物质气化工艺存在气化压力低、焦油含量高、气体品质差、系统复杂的问题，在利用常压生物质气化装置生产合成气再耦合发电过程中，合成气需要降温、增压再输送至燃煤锅炉内燃烧，这种方式存在合成气在输送冷却过程中焦油粘接、换热器堵塞的问题，虽然部分项目中冷却换热装置采用导热油作为冷却工质，但依然存在系统复杂、导热油工质稳定性差、价格昂贵的问题。此外，合成气送入燃煤锅炉前需要采用增压风机加压输送，而增压风机在含尘、含油的高温环境下存在长期使用可靠性的问题，风机检修频繁，而影响系统的整体可靠运行。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法及其系统，该系统能实现对生物质原料进行分级低温气化，生产高品质的合成气与燃煤锅炉耦合燃烧发电，所得合成气可直接送入燃煤锅炉下部燃烧器燃烧，合成气输送过程中不需要进行换热冷却。
为实现上述目的，本发明所提供的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法，包括如下步骤：
1)将高水分含量的生物质、与来自流化床气化炉的高温床料、以及输入的流化介质，在流化床热解炉中进行热解处理，生成热解气，同时得到床料和热解生物炭的混合料；
2)将步骤1)中所得的床料和热解生物炭的混合料、与输入的生物质原料、气化剂、以及来自燃煤电站锅炉系统的热风，在流化床气化炉中进行高温气化反应，生成合成气，同时生物质原料气化剩余的惰性物质形成炉渣排出；
3)将步骤1)中所得的热解气和步骤2)中所得的合成气作为热量源送入燃煤电站锅炉系统内燃烧放热，产生的蒸汽用于发电，同时将得到的烟气排出。
进一步地，所述步骤1)中，所得的床料和热解生物炭的混合料分为两部分，第一部分直接送入流化床气化炉内；第二部分分离出热解生物炭后，再送入流化床气化炉内。
进一步地，所述步骤1)中，分离出的热解生物炭应用到步骤1)中与流化介质换热处理，流化介质升温至250～550℃再送入流化床热解炉内。
进一步地，所述步骤1)中，高温床料的温度为650～1100℃，热解气的温度为250～550℃、压力为3～10kpa，床料和热解生物炭的混合料的温度为250～550℃。
进一步地，所述步骤2)中，合成气的温度为650～1100℃、压力为3～10kpa。
本发明还提供一种为实现上述方法而设计的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电系统，包括流化床热解炉、流化床气化炉、以及燃煤电站锅炉，所述流化床热解炉上设置有用于供高水分含量的生物质进入的第一生物质进口，所述流化床气化炉上设置有用于供生物质原料进入的第二生物质进口；
所述流化床热解炉的高温床料进口与流化床气化炉的高温床料出口连接，所述流化床热解炉的床料和热解生物炭的混合料出口与流化床气化炉的进料口连接；
所述流化床热解炉的热解气出口与燃煤电站锅炉的热解气进口连接，所述流化床气化炉的合成气出口与燃煤电站锅炉的合成气进口连接；所述燃煤电站锅炉的热风出口与流化床气化炉的进风口连接。
进一步地，所述流化床热解炉的床料和热解生物炭的混合料出口与流化床气化炉的进料口之间的管路上还并联有支路，所述支路上设置有生物炭分离器，所述生物炭分离器上设置有用于供热解生物炭排出的排炭口。
进一步地，它还包括用于供热解生物炭与流化介质换热的换热器，所述换热器的进炭口与生物炭分离器的排炭口连接，所述换热器上设置有用于换热后低温生物炭排出的出炭口、用于供流化介质进入的介质进口、以及用于供换热后高温流化介质排出的介质出口，所述换热器的介质出口与流化床热解炉的流化介质进口连接。
进一步地，所述流化床气化炉上设置有用于供气化剂进入的进气口。
进一步地，所述流化床气化炉上还设置有用于供炉渣排出的排渣口。
再进一步地，它还包括汽轮机，所述燃煤电站锅炉上还设置有空气进口、蒸汽出口和烟气出口，所述蒸汽出口与汽轮机的蒸汽进口连接。
更进一步地，所述气化剂和流化介质为空气、纯氧、蒸汽、二氧化碳中的一种；所述流化床热解炉和流化床气化炉内的床料为石英砂或橄榄石中的一种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明采用中低温双流化床气化炉对生物质原料进行分级利用，在与燃煤电厂耦合发电系统中，合成气输送过程不需要设置复杂的合成气冷却系统，也不需要增压风机，系统简单可靠，极大减少运行成本。
其二，本发明采用中低温双流化床气化炉对生物质原料进行分级利用，能适应生物质种类多样性的特点，可依据各类型生物质原料的典型特性，采用系统中多处不同的进料口选择性进料，因而能综合利用各种类型的生物质原料。
其三，本发明采用中低温双流化床气化炉对生物质原料进行分级利用，能更有效实现生物质气化与燃煤锅炉耦合发电，合成气热值高，有利于生物质合成气在煤粉锅炉内燃烧，特别是可以作为燃煤电厂的启动燃烧器原料使用，节省燃油或其他化石燃料的使用。
其四，本发明采用中低温双流化床气化炉对生物质原料进行分级利用，能实现生物质原料热解、气化分段转化，各转化工段的产物能实现高效多联产，合成气能与燃煤电厂耦合式发电，热解段产生的生物炭经分离可以作为商品直接出售，高热值热解气可以提取甲烷气，或者热解气与内燃机进行分布式能源发电利用，能实现整体项目经济效益最佳。
其五，本发明采用中低温双流化床气化炉对生物质原料进行分级利用，投资小、系统可靠、无易损装置，年运行小时数高、经济效率好。
附图说明
图1为一种基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电工艺系统的工艺流程图；
图中，流化床热解炉1(第一生物质进口1.1、高温床料进口1.2、混合料出口1.3、热解气出口1.4、流化介质进口1.5)、流化床气化炉2(第二生物质进口2.1、高温床料出口2.2、进料口2.3、合成气出口2.4、进风口2.5、进气口2.6、排渣口2.7)、燃煤电站锅炉3(热解气进口3.1、合成气进口3.2、热风出口3.3、空气进口(3.4、蒸汽出口3.5和烟气出口3.6)、支路4、生物炭分离器5(排炭口5.1)、换热器6(进炭口6.1、出炭口6.2、介质进口6.3、介质出口6.4)、汽轮机7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示为一种基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电工艺系统，包括流化床热解炉1、流化床气化炉2、以及燃煤电站锅炉3，流化床热解炉1上设置有用于供高水分含量的生物质进入的第一生物质进口1.1，流化床气化炉2上设置有用于供生物质原料进入的第二生物质进口2.1；流化床热解炉1的高温床料进口1.2与流化床气化炉2的高温床料出口2.2连接，流化床热解炉1的床料和热解生物炭的混合料出口1.3与流化床气化炉2的进料口2.3连接；
流化床热解炉1的热解气出口1.4与燃煤电站锅炉3的热解气进口3.1连接，流化床气化炉2的合成气出口2.4与燃煤电站锅炉3的合成气进口3.2连接；燃煤电站锅炉3的热风出口3.3与流化床气化炉2的进风口2.5连接。流化床热解炉1的床料和热解生物炭的混合料出口1.3与流化床气化炉2的进料口2.3之间还设置有支路4，支路4上设置有生物炭分离器5，生物炭分离器5上还设置有用于供热解生物炭排出的排炭口5.1。
它还包括用于供热解生物炭与流化介质换热的换热器6，换热器6的进炭口6.1与生物炭分离器5的排炭口5.1连接，换热器6上设置有用于换热后低温生物炭排出的出炭口6.2、用于供流化介质进入的介质进口6.3、以及用于供换热后高温流化介质排出的介质出口6.4，换热器6的介质出口6.4与流化床热解炉1的流化介质进口1.5连接。流化床气化炉2上设置有用于供气化剂进入的进气口2.6。流化床气化炉2上还设置有用于供炉渣排出的排渣口2.7。燃煤电站锅炉3上还设置有空气进口3.4、蒸汽出口3.5和烟气出口3.6，蒸汽出口3.5与汽轮机7的蒸汽进口连接。气化剂和流化介质为空气、纯氧、蒸汽、二氧化碳中的一种；流化床热解炉1和流化床气化炉2内的床料为石英砂或橄榄石中的一种。
本发明基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法，包括如下步骤：
1)将高水分含量的生物质送入流化床热解炉1内，与来自流化床气化炉2温度为650～1100℃的高温床料、以及输入的流化介质(空气、纯氧、蒸汽、二氧化碳等)进行热解处理，利用输入的高温床料来维持炉内的整体温度介于约250～550℃以内，温度控制主要作用是既能保证生物质的快速热解速率，又能避免燃料在炉内的粘结，利用来自流化床气化炉2的高温物料在流化介质的流化作用下，床内物料不断的上下翻涌，具有混合均匀、传热传质迅速的特性，能最大限度满足热解炉内物料加热的均匀性；优选地，流化床热解炉1温度介于约350～450℃以内，压力控制在表压为3～10kpa，依据不同热解产物的需要调整热解温度及控制热解速率，生成热解气，同时得到床料和热解生物炭的混合料；流化床热解炉1出口的热解气是含有大量轻质焦油的高热值合成气，主要成分为甲烷、氢气、一氧化碳、轻质焦油等，含有极其少量热解水分；
该床料和热解生物炭的混合料可以从一个料腿直接送入后续流化床气化炉2内再次气化，也可以依据生产需要部分混合料从另外一个料腿中引出，并分离热解出生物炭后，床料物质再次循环送入流化床气化炉2，分离出的热解生物炭应用到步骤1)中与流化介质换热处理，流化介质升温至250～550℃再送入流化床热解炉内，热解生物炭经过冷却可以作为商品对外销售。由于本工艺采用低温流化床热解技术，热解温度在250～550℃以内，且分离过程中采用气浮法对热解生物炭激冷处理，热解生物炭疏松多孔，相比于煤基焦炭、活性炭有更好的微孔结构，且质地更轻、无毒无害，是水处理、化工、环保领域适用性很广的活性炭原材料，市场应用前景广泛。
2)将步骤1)中所得的床料和热解生物炭的混合料、热解生物炭与输入的生物质原料和气化剂(空气、纯氧、蒸汽、二氧化碳等)、以及来自燃煤电站锅炉3的热风(热风为一次风、二次风、三次风的一种或者多种混合)进行高温气化反应，生成合成气，生物质原料气化剩余的惰性物质形成炉渣排出；气化温度控制在650～1100℃，压力控制在表压3～10kpa，生物质原料经过干燥、热解等热化学过程后，其主要挥发分物质已经转化脱出或炭化固化，在流化床气化炉2内参与反应的物质主要为高热值的固定碳组分，此时采用循环流化床(CFB)或者鼓泡床(BFB)型式的流化床气化炉2与气化剂(空气、纯氧、蒸汽、二氧化碳等)一起进行气化反应，一方面将热解生物炭完全转化为高品质的合成气，由于生物质原料已经经过了干燥、热解工艺，在气化炉内气化的原料为热解生物炭，气化所得的合成气中不含焦油；另一方面从热解炉循环而来的床料物质在流化床气化炉2能被加热升温，高温床料物质能为流化床热解炉1提供足够的热能。
此外，流化床气化炉2产生合成气还可以作为气体原料进行化工合成，生产甲醇、合成油、合成氨等化工产品。流化床气化炉2还设有生物质原料入口，可以在流化床气化炉内直接送入生物质原料来补充气化，一方面提高系统气化能力，另一方面也能平衡流化床热解炉1及流化床气化炉2中的物质与能量平衡。
3)将步骤1)中所得250～550℃的热解气和步骤2)中所得650～1100℃的合成气作为热量源送入燃煤电站锅炉3中，热解气和合成气输送过程中可分别除尘处理，满足管道的正常输送要求即可；热解气属于低温合成气，热解气热值高，可以从煤粉炉底部燃烧区喷入，必要时可以作为煤粉炉启动燃烧器使用；合成气属于中温合成气，合成气其热值较低，但气体温度已经达到了合成气燃点，喷入煤粉炉后遇空气能自燃，可以从煤粉炉的风口喷入作为辅助原料；在燃煤电站锅炉内燃烧放热，产生蒸汽用于汽轮机发电，换热后烟气一起从燃煤电厂烟囱排放。
以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将高水分含量的生物质、与来自流化床气化炉的高温床料、以及输入的流化介质，在流化床热解炉中进行热解处理，生成热解气，同时得到床料和热解生物炭的混合料；
2)将步骤1)中所得的床料和热解生物炭的混合料、与输入的生物质原料、气化剂、以及来自燃煤电站锅炉系统的热风，在流化床气化炉中进行高温气化反应，生成合成气，同时生物质原料气化剩余的惰性物质形成炉渣排出；
3)将步骤1)中所得的热解气和步骤2)中所得的合成气作为热量源送入燃煤电站锅炉系统内燃烧放热，产生的蒸汽用于发电，同时将得到的烟气排出。
2.根据权利要求1所述的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法，其特征在于：所述步骤1)中，所得的床料和热解生物炭的混合料分为两部分，第一部分直接送入步骤2)的流化床气化炉内；第二部分分离出热解生物炭后，再送入步骤2)的流化床气化炉内。
3.根据权利要求2所述的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法，其特征在于：所述步骤1)中，分离出的热解生物炭应用到步骤1)中与流化介质换热处理，流化介质升温至250～550℃再送入流化床热解炉内。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法，其特征在于：所述步骤1)中，高温床料的温度为650～1100℃，热解气的温度为250～550℃、压力为3～10kpa，床料和热解生物炭的混合料的温度为250～550℃。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电方法，其特征在于：所述步骤2)中，合成气的温度为650～1100℃、压力为3～10kpa。
6.一种为实现权利要求1所述方法而设计的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电系统，包括流化床热解炉(1)、流化床气化炉(2)、以及燃煤电站锅炉(3)，其特征在于：
所述流化床热解炉(1)上设置有用于供高水分含量的生物质进入的第一生物质进口(1.1)，所述流化床气化炉(2)上设置有用于供生物质原料进入的第二生物质进口(2.1)；
所述流化床热解炉(1)的高温床料进口(1.2)与流化床气化炉(2)的高温床料出口(2.2)连接，所述流化床热解炉(1)的床料和热解生物炭的混合料出口(1.3)与流化床气化炉(2)的进料口(2.3)连接；
所述流化床热解炉(1)的热解气出口(1.4)与燃煤电站锅炉(3)的热解气进口(3.1)连接，所述流化床气化炉(2)的合成气出口(2.4)与燃煤电站锅炉(3)的合成气进口(3.2)连接；所述燃煤电站锅炉(3)的热风出口(3.3)与流化床气化炉(2)的进风口(2.5)连接。
7.根据权利要求6所述的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电系统，其特征在于：所述流化床热解炉(1)的床料和热解生物炭的混合料出口(1.3)与流化床气化炉(2)的进料口(2.3)之间的管路上还并联有支路(4)，所述支路(4)上设置有生物炭分离器(5)，所述生物炭分离器(5)上设置有用于供热解生物炭排出的排炭口(5.1)。
8.根据权利要求7所述的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电系统，其特征在于：它还包括用于供热解生物炭与流化介质换热的换热器(6)，所述换热器(6)的进炭口(6.1)与生物炭分离器(5)的排炭口(5.1)连接，所述换热器(6)上设置有用于换热后低温生物炭排出的出炭口(6.2)、用于供流化介质进入的介质进口(6.3)、以及用于供换热后高温流化介质排出的介质出口(6.4)，所述换热器(6)的介质出口(6.4)与流化床热解炉(1)的流化介质进口(1.5)连接。
9.根据权利要求6或7或8所述的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电系统，其特征在于：它还包括汽轮机(7)，所述燃煤电站锅炉(3)上设置有空气进口(3.4)、蒸汽出口(3.5)和烟气出口(3.6)，所述蒸汽出口(3.5)与汽轮机(7)的蒸汽进口连接。
10.根据权利要求6或7或8所述的基于中低温双流化床的生物质分级转化与燃煤锅炉耦合发电系统，其特征在于：所述气化剂和流化介质为空气、纯氧、蒸汽、二氧化碳中的一种；所述流化床热解炉(1)和流化床气化炉(2)内的床料为石英砂或橄榄石中的一种。
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