CN108504396B - 一种生物质分段式气化方法及其专用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种生物质分段式气化方法及其专用设备，该生物质分段式气化方法包括低温气化和高温气化，生物质经干燥后先进入低温气化段进行中低温气化，产生的粗质合成气进入高温气化段进行高温气化、焦油裂解以及固体颗粒灰分脱除，得到不含焦油和灰分的高温可燃气；其中，低温气化段反应温度为600～700℃，高温气化段反应温度为1100～1250℃。专用设备包括依次连接的空气预热器、原料预热室、低温段气化炉和高温段气化炉，空气预热器提供预热空气，预热空气先进入原料预热室干燥生物质原料，然后进入低温段气化炉和高温段气化炉、用作气化剂。该方法及专用设备可有效降低焦油浓度，提高合成气品质，经济效益、能源效益及环境效益均显著提升。

Description

一种生物质分段式气化方法及其专用设备
技术领域
本发明涉及一种生物质气化方法及其设备，特别涉及一种生物质分段式气化方法及其专用设备。
背景技术
当前，化石燃料有限性和环境污染性引起的能源短缺问题和环境污染问题日益突出。生物质能源作为仅次于煤炭、石油和天然气的世界第四位消费能源，以其低污染性、广泛分布性、可再生性等特点受到广泛关注。
目前的3种生物质资源转化利用技术(直接燃烧、热化学转化和生物化学转化技术)中，热化学转化技术相比于其他技术能够提高生物质能的转换效率，获得高品质的气体、液体和固体燃料，便于运输与终端利用。就热化学转化技术中的气化与燃烧做对比，生物质气化较燃烧有明显的优势，具有气体产物应用范围更广泛、气化效率更高、可燃气更灵活多变等特点。生物质气化技术使用空气作为气化介质具有投资少、操作简单的优点，在工业应用中比较广泛，但目前还存在着空气气化产气热值低、焦油含量高，且整个系统气化效率低、经济性差的问题。因此，可选择使用氧气气化提高气化介质中氧浓度，减少N2的稀释效应，提高可燃气中的可燃成分CO、H2含量，且工艺简单、运行稳定。但即使选择使用富氧气体替代纯氧，该工艺仍需要一套相应的制氧设备，制氧成本高，且焦油问题无法得到解决。
针对上述问题，本专利考虑到利用高温气化炉技术进行生物质热转化利用。由于空气燃烧、热等离子体或者两者兼具等可行方案提供一个高温、高热密度的反应环境，使碳基废物中的有机物几乎能完全转化成合成气(主要为CO和H2)，而无机物则可变成无害灰渣，不但能大大减少了生物质气化中焦油的含量，同时能有效脱除飞灰、NOX和SO2，是一种具有发展前途的脱除方法。
发明内容
发明目的：针对现有生物质气化方法存在的问题，本发明提供一种生物质分段式气化方法，并提供该气化方法的专用设备，可实现生物质能源化利用。
技术方案：本发明所述的一种生物质分段式气化方法，包括低温气化段和高温气化段，生物质经干燥后先进入低温气化段于进行中低温气化，产生的粗质合成气携带未完全反应生成的残碳颗粒、焦油及飞灰进入高温汽化段进行高温气化、焦油裂解以及固体颗粒灰分脱除，得到不含焦油和灰分的高温可燃气；其中，低温气化段反应温度为600～700℃，高温气化段反应温度为1100～1250℃。
本发明采用的分段式气化方法可实现生物质的彻底减量化和洁净化处理，并获得高品质洁净可燃气资源，焦油浓度可达到人工煤气国家标准(GB/T 13612-2006)中焦油标准，灰渣经激冷成为无渗滤性的玻璃体碎粒可作为建材，对保护环境具有积极意义。第一阶段低温气化段采用低温气化，温度维持在600～700℃的中低温模式，避免温度过低可能导致气化反应速率过低，而温度过高会引起生物质灰由于灰熔点较低发生结渣的情况，以防造成阻碍系统的连续稳定运行的不良影响；低温气化模式还可有效降低NOx排放，避免产生传统燃烧过程中的局部高温高氧区，无法产生热力型NOx，同时缺氧气氛有利于燃料中氮元素的有效还原，燃料型NOx生成率大幅降低；第二阶段为高温气化段，低温气化段产生的粗质合成气及其携带的飞灰、焦油等直接进入高温气化段，进行进一步气化反应。高温气化段出口高温可燃气温度可达1100～1250℃，反应过程中可燃气、残炭固体颗粒与气化剂之间较大的相对速度有利于气气、气固充分反应，焦油及焦炭可充分转化为小分子气体产物，有效提高气化效率及产气率；同时，飞灰可经高温生成液态灰渣与可燃气分离，解决了低温气化段产出的粗质合成气中焦油、灰分含量高的问题。
上述低温气化段和高温气化段的气化剂为预热空气，该预热空气由空气预热段提供；优选的，高温可燃气可先通入低温气化段进行热量初级回收利用，得到中温可燃气，然后将中温可燃气通入空气预热段进行热量二级回收利用，得到低温可燃气和预热空气，最后将预热空气用于干燥生物质原料、进行热量三级回收利用，低温可燃气依次经除尘、脱水后得到净化可燃气。通过低温气化段、空气预热段、原料干燥对高温可燃气进行三阶段的热量利用，提高整体的能量利用率，可进一步实现生物质的资源化利用。
其中，高温可燃气的温度为1100～1250℃，中温可燃气的温度为500～650℃，低温可燃气的温度为200～300℃。
本发明所述的一种生物质分段式气化方法的专用设备，包括依次连接的空气预热器、原料预热室、用于对生物质进行中低温气化的低温段气化炉、以及用于进行高温气化、焦油裂解以及固体颗粒灰分脱的高温段气化炉；空气预热器用于提供预热空气，预热空气进入原料预热室干燥生物质原料，出原料预热室的预热空气进入低温段气化炉和高温段气化炉、用作气化剂；低温段气化炉内反应温度为600～700℃，高温段气化炉内反应温度1100～1250℃，干燥后的生物质原料依次经低温段气化炉和高温段气化炉分段气化、得到不含焦油和灰分的高温可燃气。
较优的，低温段气化炉外部设有夹套，高温段气化炉的出气口与该夹套连通，出高温段气化炉的高温可燃气进入夹套中进行热量初级回收利用，得到中温可燃气。
进一步的，空气预热器包括热流部分和冷流部分，冷流部分的进气口连接冷空气，出气口与原料预热室的进气口连接，热流部分的进气口与夹套的出气口连接；出夹套的中温可燃气进入热流部分，与进入冷流部分的冷空气换热，中温可燃气降温形成低温可燃气，冷空气升温形成预热空气、进入原料预热室；实现热量的二级回收利用和三级回收利用。
更进一步的，专用设备还包括除尘器和脱水塔；空气预热器热流部分的出气口与除尘器进气口连接，出空气预热器的低温可燃气依次进入除尘器和脱水塔，得到净化可燃气，从而可进一步能源利用。
其中，低温段气化炉内可添加用于脱除硫、氯等污染物的吸附剂。从而可有效防止金属材料的高温腐蚀，可节省投资费用。
上述生物质分段式气化方法专用设备的整体当量比优选为0.2～0.3，其中，低温段气化炉的当量比优选为0.1～0.2，高温段气化炉的当量比为0.05～0.15。
专用设备中，低温段气化炉可为任何炉型，优选可为固定床或流化床；高温段气化炉也可为任何炉型，优选旋风高温气化炉、等离子体高温气化炉、或旋风等离子体高温气化炉。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的生物质分段式气化方法包括两段低温气化段和高温气化段两段气化反应，低温气化段控制气化温度为600～700℃，可有效防止焦油凝结，高温气化段控制气化温度为1100～1250℃，飞灰可经高温生成液态灰渣与可燃气分离，焦油及焦炭可充分转化为小分子气体产物，有效降低焦油浓度，提高合成气品质，提高气化效率及产气率，经济效益、能源效益及环境效益均得到显著提升；(2)本发明对高温气化段产生的1100～1250℃的高温可燃气的热量进行梯度回收利用，可提高气化系统整体效率，进一步实现生物质的高效能源化利用。
附图说明
图1为本发明的一种生物质分段式气化方法的专用设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种生物质分段式气化方法，包括低温气化段和高温气化段，生物质经干燥后先进入低温气化段于进行中低温气化，产生的粗质合成气携带未完全反应生成的残碳颗粒、焦油及飞灰进入高温汽化段进行高温气化、焦油裂解以及固体颗粒灰分脱除，得到不含焦油和灰分的高温可燃气。
第一段生物质于低温段气化炉中进行中低温热解气化，反应温度为600～700℃，可有效防止焦油凝结，第二段粗质合成气在高温反应器中进行气化、焦油裂解以及固体颗粒灰分脱除，反应温度为1100～1250℃，飞灰可经高温生成液态灰渣与可燃气分离，焦油及焦炭可充分转化为小分子气体产物，有效降低焦油浓度，解决了低温气化段产出的粗质合成气中焦油、灰分含量高的问题，提高了合成气品质、气化效率及产气率，经济效益、能源效益及环境效益均得到显著提升。
产生的高温可燃气通过第一段低温气化段进行余热利用，利用产生的中温可燃气对空气以及原料进行预热，可在保证可燃气生产效率的同时，焦油浓度可达到人工煤气国家标准(GB/T 13612-2006)中焦油标准，提高合成气品质，实现生物质的高效能源化利用。
如图1，本发明的生物质分段式气化方法的专用设备主要包括依次连接的空气预热器6、原料换热室2、低温段气化炉3和高温段气化炉4。低温段气化炉3炉型不限，固定床、流化床等炉型都可选，图中仅以流化床形式示意；高温段气化炉4炉型不限，旋风高温气化炉、等离子体高温气化炉、旋风等离子体高温气化炉等炉型都可选。
空气预热器6用于提供预热空气H，原料换热室2用于干燥生物质原料A，空气预热器6可连接送风机1，采用送风机1抽入空气预热器6中的预热空气H，对生物质原料A进行干燥、得到干燥生物质B。
干燥生物质B进入低温段气化炉3进行中低温气化，得到粗质合成气C。低温段气化炉3内反应温度维持在600～700℃，避免温度过低可能导致气化反应速率，过低而温度过高会引起生物质灰由于灰熔点较低发生结渣的情况，以防造成阻碍系统的连续稳定运行的不良影响；低温段气化炉3的低温气化模式还可有效降低NOx排放，炉膛中温度避免产生传统燃烧过程中的局部高温高氧区，无法产生热力型NOx，同时缺氧气氛有利于燃料中氮元素的有效还原，燃料型NOx生成率大幅降低。
低温段气化炉3内还可添加吸附剂，减少生物质热处理中极易产生的酸性有害气体HCl、HF等，在低温段气化炉3的低温环境对氯化物分解的抑制作用下，加强大部分HCl、HF向氯化物及固态氟化物的转化，固态氟化物随高温段气化炉固体残渣排出，实现深度脱氯。
低温段气化炉3产生的粗质合成气及其携带的飞灰、焦油等直接进入高温段气化炉4，进行进一步气化反应。高温段气化炉反应温度为1100～1250℃，反应过程中可燃气、残炭固体颗粒与气化剂之间较大的相对速度有利于气气、气固充分反应，焦油及焦炭可充分转化为小分子气体产物，有效提高气化效率及产气率；同时，飞灰可经高温生成液态灰渣与可燃气分离，解决了低温段气化炉产出的粗质合成气中焦油、灰分含量高的问题。通过低温和高温分段式气化可实现生物质的彻底减量化和洁净化处理，并获得高品质洁净可燃气资源，焦油浓度大大降低，灰渣经激冷成为无渗滤性的玻璃体碎粒可作为建材，对保护环境具有积极意义。
专用设备的整体当量比α维持在0.2～0.3，其中，低温段气化炉3当量比α控制在0.1～0.2，炉内温度维持在600～700℃；高温段气化炉4当量比α控制在0.05～0.15，系统整体当量比高温可燃气E温度可达1100～1250℃，为实现生物质的高效能源化利用，可对高温可燃气E的热量进行梯度回收利用。
可在低温段气化炉3外部设置夹套5，夹套5可为螺旋式，采用低温段气化炉外的螺旋式夹套5、空气预热器6、原料预热室2对高温段气化炉产生的高温可燃气E进行三阶段的热量利用，可在保证可燃气生产效率的同时，降低焦油浓度，提高合成气品质，实现生物质的高效能源化利用。具体的，高温段气化炉中产生的高温可燃气通入低温段气化炉3外侧设置的螺旋式夹套，高温可燃气E对低温段气化炉3进行热量传送，进行初级余热利用，高温可燃气E降温形成中温可燃气I，中温可燃气I温度维持在500～650℃；利用产生的中温可燃气I对进入空气预热器6内的冷空气G进行预热，形成200～300℃的低温可燃气J，同时得到预热空气H，预热空气H可对生物质原料A进行预热干燥。
本发明的专用设备还可包括布袋除尘器7、脱水塔8和引风机9；空气预热器6包括热流部分和冷流部分，热流部分可由管道连接于螺旋式夹套5中温可燃气I出口与布袋除尘器7低温可燃气J进口之间，低温可燃气J进入布袋除尘器7除尘、脱水塔8脱水后可由引风机9抽出、进一步回收利用；冷流部分可由管道连接于由送风机1抽入的冷空气G与原料预热室2预热空气H进口之间，利用螺旋式夹套5出口的中温可燃气I对冷空气G进行预热；生物质原料A经过预热空气H的干燥成为干燥生物质B，送入低温段气化炉3，为高温可燃气E的利用提供了一种方法。
本发明的专用设备的工作过程为：
低温段气化炉3前部原料换热室2用于保证干燥生物质B进料，可采用送风机1抽入空气预热器6中的预热空气H将生物质原料A干燥成为干燥生物质B，送入低温段气化炉3；低温段气化炉3通入经过空气预热器6预热以及原料换热室2换热后的已预热空气H作为气化剂；低温段气化炉3外侧可设置有螺旋式夹套5，下方设置管道供底渣D排放；其中原料换热室2干燥生物质B出口与低温段气化炉3相连接，低温段气化炉3排放粗质合成气C出口与高温段气化炉4可燃气进口相连。高温段气化炉4通过连接管与前端低温段气化炉3相连；高温段气化炉4中产生的高温可燃气E通入低温段气化炉3外侧设置的螺旋式夹套5；高温段气化炉4底部排出灰分高温作用下产生固体残渣F；高温段气化炉4可选择通入经过空气预热器6预热以及原料换热室2换热后的已预热空气H，以达到高温段气化炉4高温的效果。空气预热器6中热流部分由管道连接于螺旋式夹套5中温可燃气I出口与布袋除尘器7低温可燃气J进口之间，冷流部分由管道连接于由送风机1抽入的空气G与原料预热室2预热空气H进口之间；空气预热器6低温可燃气J进入布袋除尘器7后进入脱水塔8，布袋除尘器7底部连接排灰管排出粉尘K，净化可燃气L由引风机9抽出进行进一步能源利用。

Claims (9)

1.一种生物质分段式气化方法，其特征在于，包括低温气化段和高温气化段，生物质经干燥后先进入低温气化段进行中低温气化，产生的粗质合成气携带未完全反应生成的残碳颗粒、焦油及飞灰进入高温气化段进行高温气化、焦油裂解以及固体颗粒灰分脱除，得到不含焦油和灰分的高温可燃气；其中，低温气化段反应温度为600～700℃，高温气化段反应温度为1100～1250℃；
所述低温气化段和高温气化段的气化剂为预热空气，该预热空气由空气预热段提供；所述高温可燃气先通入低温气化段进行热量初级回收利用，得到中温可燃气，然后将中温可燃气通入空气预热段进行热量二级回收利用，得到低温可燃气和预热空气，最后将预热空气用于干燥生物质原料、进行热量三级回收利用，低温可燃气依次经除尘、脱水后得到净化可燃气。
2.根据权利要求1所述的生物质分段式气化方法，其特征在于，所述高温可燃气的温度为1100～1250℃，中温可燃气的温度为500～650℃，低温可燃气的温度为200～300℃。
3.一种权利要求1所述的生物质分段式气化方法的专用设备，其特征在于，包括依次连接的空气预热器、原料预热室、用于对生物质进行中低温气化的低温段气化炉、以及用于进行高温气化、焦油裂解以及固体颗粒灰分脱的高温段气化炉，所述空气预热器用于提供预热空气，预热空气进入原料预热室干燥生物质原料，出原料预热室的预热空气进入低温段气化炉和高温段气化炉、用作气化剂；所述低温段气化炉内反应温度为600～700℃，高温段气化炉内反应温度1100～1250℃，干燥后的生物质原料依次经低温段气化炉和高温段气化炉分段气化、得到不含焦油和灰分的高温可燃气。
4.根据权利要求3所述的生物质分段式气化方法的专用设备，其特征在于，所述低温段气化炉外部设有夹套，高温段气化炉的出气口与该夹套连通，出高温段气化炉的高温可燃气进入夹套中进行热量初级回收利用，得到中温可燃气。
5.根据权利要求4所述的生物质分段式气化方法的专用设备，其特征在于，所述空气预热器包括热流部分和冷流部分，冷流部分的进气口连接冷空气，出气口与原料预热室的进气口连接，热流部分的进气口与夹套的出气口连接；出夹套的中温可燃气进入热流部分，与进入冷流部分的冷空气换热，中温可燃气降温形成低温可燃气，冷空气升温形成预热空气、进入原料预热室。
6.根据权利要求5所述的生物质分段式气化方法的专用设备，其特征在于，所述专用设备还包括除尘器和脱水塔；所述空气预热器热流部分的出气口与除尘器进气口连接，出空气预热器的低温可燃气依次进入除尘器和脱水塔，得到净化可燃气。
7.根据权利要求3所述的生物质分段式气化方法的专用设备，其特征在于，所述低温段气化炉内添加用于脱除硫、氯等污染物的吸附剂。
8.根据权利要求3所述的生物质分段式气化方法的专用设备，其特征在于，所述专用设备的整体当量比为0.2～0.3，其中，低温段气化炉的当量比为0.1～0.2，高温段气化炉的当量比为0.05～0.15。
9.根据权利要求3所述的生物质分段式气化方法的专用设备，其特征在于，所述低温段气化炉为固定床或流化床，所述高温段气化炉为旋风高温气化炉、等离子体高温气化炉、或旋风等离子体高温气化炉。
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