CN108728169A - 可降低焦油含量的生物质气化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可降低焦油含量的生物质气化系统，包括流化床气化炉、裂解炉、下吸式旋风分离器、外加炭粒储备区、第一焦油含量测量仪、第二焦油含量测量仪以及控制部。控制部根据第一焦油含量测量仪及第二焦油含量测量仪的测量结果控制外加炭粒储备区的输出量、裂解炉水蒸气进入通道的进气量、裂解炉前段空气进气口的进气量和裂解炉后段空气进气口的进气量。

Description

可降低焦油含量的生物质气化系统

技术领域

本发明涉及生物质气化领域，具体涉及一种可降低焦油含量的生物质气化系统。

背景技术

伴随着工业和现代文明的进步，新能源的开发以及环境保护成为当今人类面临的首要问题。基于化石燃料的不可再生性和在使用过程中对环境的恶劣影响，生物质能将逐渐成为本世纪的主要能源之一。生物质在我国丰富而广泛，若大力发展生物质气化技术，将对缓解能源供求矛盾和减少环境污染有着十分重要的意义。生物质气化技术是生物质高效利用的重要方法之一，也是当前生物质能技术研究的热点之一。现阶段生物质气化技术已经进入实用阶段，在我国也有了小规模的集中供气、供热及气化发电等方面的应用。

生物质气化的目标是得到尽可能多的可燃性气体，现有的生物质气化技术采用使部分生物质燃料低氧燃烧，然后利用其烟气所具有的热量和剩余氧气对其生物质物料进行热解和气化的方法，这种方法将会产生大量的焦油。目前生物质气化所得气体中的焦油含量一般会高达20g/m³以上，焦油的产生不仅会引起管道堵塞，影响操作系统的正常运行，同时焦油中的许多物质具有致癌作用。另外，现有的生物质燃气净化都采用水洗法，不仅会造成严重的环境污染，而且也造成了能源的浪费。所以，如何进一步裂解焦油，将焦油尽可能转化为具有较高热值的气体(如CO,H₂,CH₄等)，对于洁净高效利用生物质具有重要的意义。而自生物质气化技术问世以来，现有的生物质气化炉生成燃气中一直存在所含焦油量高的不足。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的技术目的在于如何对生成燃气中的焦油进行高效净化，以达到降低焦油含量。

本发明的生物质气化系统包括流化床气化炉、裂解炉、下吸式旋风分离器、外加炭粒储备区、第一焦油含量测量仪、第二焦油含量测量仪以及控制部。流化床气化炉具有用以使生物质原料进入的进料口、用以使空气流进入的第一进气口、用以使产生的灰渣落入的灰渣存储区和用以使产生的夹杂有炭及焦油的可燃气排出的气化炉出口，灰渣存储区设置于流化床气化炉的底部，气化炉出口设置于流化床气化炉的顶部，进料口设置于灰渣存储区和气化炉出口之间且相对邻近于气化炉出口，第一进气口设置于灰渣存储区和气化炉出口之间且相对邻近于灰渣存储区。裂解炉具有可燃气进入通道、第一催化剂入口、第二催化剂入口、水蒸气进入通道、前段空气进气口、后段空气进气口和裂解炉出口，该第一催化剂入口和该第二催化剂入口分别设置于该裂解炉的顶部，该裂解炉出口设置于该裂解炉的底部，该可燃气进入通道及该前段空气进气口分别设置于该第一催化剂入口和该裂解炉出口之间且皆相对邻近于该裂解炉的顶部，该后段空气进气口对应设置于该前段空气进气口和该裂解炉出口之间，该水蒸气进入通道对应设置于该前段空气进气口和该后段空气进气口之间。下吸式旋风分离器具有用以使该流化床气化炉产生的夹杂有炭及焦油的可燃气进入的进料通道、用以在旋风分离作用下使炭粒落入的炭粒收集区和用以使夹杂着焦油的可燃气进入该可燃气进入通道的出料通道，该进料通道位于该下吸式旋风分离器的顶部且连通于该气化炉出口，该炭粒收集区位于该下吸式旋风分离器的底部且连通于该第一催化剂入口。外加炭粒储备区输出量可控地连通于该第二催化剂入口。第一焦油含量测量仪设置于该可燃气进入通道内。第二焦油含量测量仪设置于该裂解炉出口处。控制部数据连接于该第一焦油含量测量仪和该第二焦油含量测量仪，该控制部根据该第一焦油含量测量仪及该第二焦油含量测量仪的测量结果控制该外加炭粒储备区的输出量、该水蒸气进入通道的进气量、该前段空气进气口的进气量和该后段空气进气口的进气量。

较佳地，第一进气口、前段空气进气口和后段空气进气口分别连通于出风量可控的鼓风机。

较佳地，下吸式旋风分离器包括用以使从该进料通道进入的气流产生旋转的导向叶片和用以使气流中炭粒分离的筒体，该炭粒收集区位于该筒体的底部，该出料通道设置于该筒体的中部。

较佳地，外加炭粒储备区与第二催化剂入口之间设置有炭粒控制器，该炭粒控制器数据连接于该控制部。

较佳地，前段空气进气口的进气量大于后段空气进气口的进气量。

较佳地，裂解炉包括用以调整裂解炉内温度的温度控制器，该温度控制器数据连接于该控制部。

较佳地，流化床气化炉包括进料斗和与进料斗连通的螺旋进料器，该螺旋进料器用以将由该进料斗落下的生物质原料输送至该流化床气化炉的进料口。

与现有技术相比，本发明的可降低焦油含量的生物质气化系统通过在裂解过程中根据侦测结果加入适量的催化剂炭、通入适量的空气和水蒸气，并保证催化反应所需要的温度以及裂解时间，可大大降低可燃气中的焦油含量，以达到清洁能源的标准。

附图说明

图1为本发明一实施例的生物质气化系统的示意图。

图2为本发明另一实施例的生物质气化系统的示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

请参见图1，图1为本发明一实施例的生物质气化系统100的示意图。生物质气化系统100包括流化床气化炉10、裂解炉20、下吸式旋风分离器30、外加炭粒储备区40、第一焦油含量测量仪51、第二焦油含量测量仪52以及控制部60。

流化床气化炉10具有用以使生物质原料进入的进料口11、用以使空气流进入的第一进气口12、用以使产生的灰渣落入的灰渣存储区13和用以使产生的夹杂有炭及焦油的可燃气排出的气化炉出口14，灰渣存储区13设置于流化床气化炉10的底部，气化炉出口14设置于流化床气化炉10的顶部，进料口11设置于灰渣存储区13和气化炉出口14之间且相对邻近于气化炉出口14，第一进气口12设置于灰渣存储区13和气化炉出口14之间且相对邻近于灰渣存储区13。优选地，气化炉出口14的气体温度为600℃至660℃。

在实际应用中，生物质颗粒进入流化床气化炉后，与气化剂(空气和水蒸气)混合后进入一个高温的颗粒流化床，颗粒可以是沙子，也可以是灰渣。由于在流化床内，气体和燃料强烈混合充分接触故受热均匀，在炉内呈“沸腾”的状态。于是气化过程的不同阶段(如在固定床气化炉里分别进行的干燥、热解、氧化和还原反应)，已经无法区分，而且各点的温度非常均匀，因而操作变得非常简单，只要控制好气化剂和燃料的比例就可以了。另外相比于固定式气化炉，流化床气化炉有以下优点：对燃料的适应性比较强，不需要用整齐划一的颗粒；不必担心因为温度分布不均匀而造成的局部结渣；气化反应速度快，产气率高，处理能力大，过程易于控制；气化强度比固定床高，炭损失比固定床少；气化剂与燃料之间的传热效率高。生物质颗粒在气化之后，生成含有焦油和颗粒的可燃气。

裂解炉20具有可燃气进入通道21、第一催化剂入口22、第二催化剂入口23、水蒸气进入通道24、前段空气进气口25、后段空气进气口26和裂解炉出口27，第一催化剂入口22和第二催化剂入口23分别设置于裂解炉20的顶部，裂解炉出口27设置于裂解炉20的底部，可燃气进入通道21及前段空气进气口25分别设置于第一催化剂入口22和裂解炉出口27之间且皆相对邻近于裂解炉20的顶部，后段空气进气口26对应设置于前段空气进气口25和裂解炉出口27之间，水蒸气进入通道24对应设置于前段空气进气口25和后段空气进气口26之间。在一实施例中，因为焦油裂解主要发生在裂解前段区，故在前段需要通入较多的空气，即前段空气进气口25的进气量大于后段空气进气口26的进气量。

在实际应用中，生物质炭是一种性能良好的焦油裂解催化剂(C+H₂O→H₂+CO,C+CO₂→2CO),另外蒸汽对焦油具有很好的重整作用在蒸汽环境下采用生物质炭作为焦油裂解的催化剂是消除焦油的有效途径。在裂解的过程中，还需加入适量的空气，但过多的空气会影响焦油裂解，减少了焦油的裂解时间，降低裂解效率。在裂解气中，CH₄和其它高分子量碳氢化合物的体积分数随着温度的升高和催化剂、蒸汽的使用而降低，其主要发生裂解反应和水蒸气重整反应。在生物质炭和蒸汽的作用下，裂解产物和裂解气内气体体积分数发生了变化，主要表现为可凝结相降低和气体产量的增加。在裂解炉中发生的部分化学反应如下：

C_nH_x→pC_mH_y+tH₂ C_nH_x+nCO₂→x/2H₂+2nCO

CO+H₂O→H₂+CO₂

CH₄→C+2H₂ CH₄+H₂O→CO+3H₂ CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂

下吸式旋风分离器30具有用以使流化床气化炉10产生的夹杂有炭及焦油的可燃气进入的进料通道31、用以在旋风分离作用下使炭粒落入的炭粒收集区32和用以使夹杂着焦油的可燃气进入可燃气进入通道21的出料通道33，进料通道31位于下吸式旋风分离器30的顶部且连通于气化炉出口14，炭粒收集区32位于下吸式旋风分离器30的底部且连通于第一催化剂入口22。

外加炭粒储备区40输出量可控地连通于第二催化剂入口23。在实际应用中，在裂解炉20外增加炭仓(即外加炭粒储备区40)，储存做为催化剂的炭。根据旋风分离器30分离出炭的量调整炭仓的输出量。当含有焦油的可燃气进入裂解炉20之后，通入适量的炭、空气和水蒸气，使其在合适温度下进行裂解。

第一焦油含量测量仪51设置于可燃气进入通道21内。第二焦油含量测量仪52设置于裂解炉出口27处。

控制部60数据连接于第一焦油含量测量仪51和第二焦油含量测量仪52，控制部60根据第一焦油含量测量仪51及第二焦油含量测量仪52的测量结果控制外加炭粒储备区40的输出量、水蒸气进入通道24的进气量、前段空气进气口25的进气量和后段空气进气口26的进气量。本发明在可燃气的进口和出口分别增设焦油取样点，根据焦油的裂解效果改变炭和空气的加入量，以确保达到最大的裂解效率。本发明中所提到的数据连接包括有线和无线连接方式。

在一实施例中，裂解炉20还包括用以调整裂解炉内温度的温度控制器(图未示)，温度控制器数据连接于控制部60。在实际应用中，裂解炉20的裂解温度为800℃至1200℃。优选地，裂解炉20的裂解温度为900℃至950℃。

另外，提高温度和增加停留时间，也可以明显降低焦油量，但是热解率随裂解温度升高而进一步升高的趋势将逐渐变得平缓。当焦油气化温度平均为660℃，裂解温度为900～1200℃时，焦油的热解率最高可达98.3％，且随着裂解温度的增加而增长。在实际生产运行中，应根据不同的焦油含量调整裂解炉的温度以及焦油在裂解炉中的停留时间，以达到最理想的裂解率。停留时间可通过调整空气流的大小来控制。

请参见图2，图2为本发明另一实施例的生物质气化系统200的示意图。生物质气化系统200包括流化床气化炉1、裂解炉2、下吸式旋风分离器3、外加炭粒储备区4、第一焦油含量测量仪53、第二焦油含量测量仪54以及控制部(图未示)。本实施例中与上述实施例相似的部分，不再展开描述。

流化床气化炉1包括进料斗211、与进料斗211连通的螺旋进料器212、具有用以使生物质原料进入的进料口、用以使空气流进入的第一进气口、用以使产生的灰渣落入的灰渣存储区213和用以使产生的夹杂有炭及焦油的可燃气排出的气化炉出口。螺旋进料器212用以将由进料斗211落下的生物质原料输送至流化床气化炉210的进料口。灰渣存储区213设置于流化床气化炉210的底部，气化炉出口设置于流化床气化炉210的顶部，进料口设置于灰渣存储区213和气化炉出口之间且相对邻近于气化炉出口，第一进气口设置于灰渣存储区213和气化炉出口之间且相对邻近于灰渣存储区213，第一进气口连通于出风量可控的鼓风机214。

裂解炉2具有可燃气进入通道、第一催化剂入口、第二催化剂入口、水蒸气进入通道、前段空气进气口、后段空气进气口和裂解炉出口，第一催化剂入口和第二催化剂入口分别设置于裂解炉2的顶部，裂解炉出口设置于裂解炉2的底部，可燃气进入通道及前段空气进气口分别设置于第一催化剂入口和裂解炉出口之间且皆相对邻近于裂解炉2的顶部，后段空气进气口对应设置于前段空气进气口和裂解炉出口之间，水蒸气进入通道对应设置于前段空气进气口和后段空气进气口之间。前段空气进气口连通于出风量可控的鼓风机221，后段空气进气口连通于出风量可控的鼓风机222。

下吸式旋风分离器3具有用以使流化床气化炉1产生的夹杂有炭及焦油的可燃气进入的进料通道331、用以在旋风分离作用下使炭粒落入的炭粒收集区332和用以使夹杂着焦油的可燃气进入可燃气进入通道的出料通道333，进料通道331位于下吸式旋风分离器3的顶部且连通于气化炉出口，炭粒收集区332位于下吸式旋风分离器3的底部且连通于第一催化剂入口。下吸式旋风分离器3包括用以使从进料通道331进入的气流产生旋转的导向叶片(图未示)和用以使气流中炭粒分离的筒体334，炭粒收集区332位于筒体334的底部，出料通道333设置于筒体334的中部。

在实际应用中，夹杂着焦油和炭粒的可燃气离开气化炉后，进入下吸式旋风分离器3。当含杂质气体沿轴向进入旋风分离管入口后，气流受导向叶片的导流作用而产生强烈旋转，气流沿筒体呈螺旋形向下进入旋风筒体，炭粒在离心力作用下被甩向器壁，并在重力作用下，沿筒壁下落流出旋风管排尘口至设备底部的炭粒收集区，从设备底部的出口流出。旋转的气流在筒体内收缩向中心流动，形成二次涡流经导气管进入裂解炉。

外加炭粒储备区4输出量可控地连通于第二催化剂入口。外加炭粒储备区4与第二催化剂入口之间设置有炭粒控制器441，炭粒控制器441数据连接于控制部。

第一焦油含量测量仪53设置于可燃气进入通道内。第二焦油含量测量仪54设置于裂解炉出口处。控制部数据连接于第一焦油含量测量仪53和第二焦油含量测量仪54，控制部根据第一焦油含量测量仪53及第二焦油含量测量仪54的测量结果控制外加炭粒储备区4的输出量(即控制炭粒控制器441)、水蒸气进入通道的进气量、前段空气进气口的进气量和后段空气进气口的进气量(即控制鼓风机221、222)。

在实际应用中，生物质原料由进料斗211落下，在螺旋进料器212的带动下进入流化床气化炉1内；通过鼓风机214将风和空气送入以助生物质气化，产生的灰渣落入底部的灰渣存储区213，产生的夹杂有炭和焦油的可燃气进入旋风分离器3。在旋风分离的作用下，炭粒落入底部的炭粒收集区332，而夹杂着焦油的可燃气通过出料通道333进入裂解炉2。根据两处焦油含量测量仪53、54的测量结果调整做为催化剂的炭以及蒸汽的输入量，另外在焦油裂解的前段和后段分别通入适量的空气。最后，焦油含量减少的、较为清洁的可燃气通过裂解炉出口进入燃烧装置或燃气储存装置。

本发明的可降低焦油含量的生物质气化系统，通过在裂解过程中根据侦测结果加入适量的催化剂炭、通入适量的空气和水蒸气，并保证催化反应所需要的温度以及裂解时间，可大大降低可燃气中的焦油含量(如焦油含量减少一半以上)，以达到焦油含量小于10g/m³的标准。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种可降低焦油含量的生物质气化系统，其特征在于包括：

流化床气化炉，具有用以使生物质原料进入的进料口、用以使空气流进入的第一进气口、用以使产生的灰渣落入的灰渣存储区和用以使产生的夹杂有炭及焦油的可燃气排出的气化炉出口，该灰渣存储区设置于该流化床气化炉的底部，该气化炉出口设置于该流化床气化炉的顶部，该进料口设置于该灰渣存储区和该气化炉出口之间且相对邻近于该气化炉出口，该第一进气口设置于该灰渣存储区和该气化炉出口之间且相对邻近于该灰渣存储区；

裂解炉，具有可燃气进入通道、第一催化剂入口、第二催化剂入口、水蒸气进入通道、前段空气进气口、后段空气进气口和裂解炉出口，该第一催化剂入口和该第二催化剂入口分别设置于该裂解炉的顶部，该裂解炉出口设置于该裂解炉的底部，该可燃气进入通道及该前段空气进气口分别设置于该第一催化剂入口和该裂解炉出口之间且皆相对邻近于该裂解炉的顶部，该后段空气进气口对应设置于该前段空气进气口和该裂解炉出口之间，该水蒸气进入通道对应设置于该前段空气进气口和该后段空气进气口之间；

下吸式旋风分离器，具有用以使该流化床气化炉产生的夹杂有炭及焦油的可燃气进入的进料通道、用以在旋风分离作用下使炭粒落入的炭粒收集区和用以使夹杂着焦油的可燃气进入该可燃气进入通道的出料通道，该进料通道位于该下吸式旋风分离器的顶部且连通于该气化炉出口，该炭粒收集区位于该下吸式旋风分离器的底部且连通于该第一催化剂入口；

外加炭粒储备区，输出量可控地连通于该第二催化剂入口；

第一焦油含量测量仪，设置于该可燃气进入通道内；

第二焦油含量测量仪，设置于该裂解炉出口处；以及

控制部，数据连接于该第一焦油含量测量仪和该第二焦油含量测量仪，该控制部根据该第一焦油含量测量仪及该第二焦油含量测量仪的测量结果控制该外加炭粒储备区的输出量、该水蒸气进入通道的进气量、该前段空气进气口的进气量和该后段空气进气口的进气量。

2.如权利要求1所述的生物质气化系统，其特征在于，该裂解炉包括用以调整裂解炉内温度的温度控制器，该温度控制器数据连接于该控制部。

3.如权利要求1所述的生物质气化系统，其特征在于，该第一进气口、该前段空气进气口和该后段空气进气口分别连通于出风量可控的鼓风机。

4.如权利要求1所述的生物质气化系统，其特征在于，该下吸式旋风分离器包括用以使从该进料通道进入的气流产生旋转的导向叶片和用以使气流中炭粒分离的筒体，该炭粒收集区位于该筒体的底部，该出料通道设置于该筒体的中部。

5.如权利要求1所述的生物质气化系统，其特征在于，该外加炭粒储备区与该第二催化剂入口之间设置有炭粒控制器，该炭粒控制器数据连接于该控制部。

6.如权利要求1所述的生物质气化系统，其特征在于，该前段空气进气口的进气量大于该后段空气进气口的进气量。

7.如权利要求1所述的生物质气化系统，其特征在于，该流化床气化炉包括进料斗和与该进料斗连通的螺旋进料器，该螺旋进料器用以将由该进料斗落下的生物质原料输送至该流化床气化炉的进料口。