CN109628156B - 一种生物质热解气化系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质能源技术领域，并具体公开了一种生物质热解气化系统及应用，其包括进料装置、热解室和气化室，进料装置与热解室相连，用于将生物质原料送入热解室；热解室顶部连接有热解气输送管道，用于将热解气送出，底部设有将热解焦送入气化室的热解焦出口；气化室套装在热解室外部形成套筒结构，气化室顶部连接有气化气输送管道，用于将气化气送出，气化气输送管道套装在进料装置外部，以利用气化气对生物质原料进行烘焙预热，烘焙预热产生的烘焙气送入气化室中，气化室底部开有气化灰渣出口，用于将气化产生的气化灰渣送入灰渣收集器。本发明可与燃煤锅炉进行深度耦合，具有气化效率高、燃气综合热值高、热解气可作为再燃燃料等优点。

Description

一种生物质热解气化系统及应用

技术领域

本发明属于生物质能源技术领域，更具体地，涉及一种生物质热解气化系统及应用。

背景技术

随着我国经济的高速发展，电力需求大幅增加，燃煤发电作为我国目前电力生产的主要来源，在消耗大量煤炭资源的同时，其排放的污染物也对环境造成了严重的影响。如何在保障电力稳定供应的前提下，利用其他可再生能源部分代替煤炭，是当今绿色发展大环境下要解决的重要问题。生物质能作为唯一可再生碳源，在世界能源消费总量中仅次于煤炭、石油和天然气，它的利用转化方式与化石能源具有很好的兼容性。我国生物质资源丰富，其中可作为能源利用的生物质约相当于4.6亿吨标准煤/年。

生物质发电技术包括生物质直燃技术、生物质混煤直燃技术、生物质气化混煤燃烧技术等。生物质气化混煤燃烧技术具有发电效率高、污染物排放低、可避免生物质灰的不利影响(积灰、结渣和腐蚀)、燃煤锅炉改造量小等显著优点。然而，现有的生物质气化技术直接应用于燃煤锅炉混燃还存在一定的局限性，如直接气化产生的燃气热值较低，混燃会影响燃煤锅炉内部温度分布，带来燃烧不稳定的问题；而热解气化产生的燃气热值虽然较高，但气化效率低，且需要外部能量供给。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物质热解气化系统及应用，其可实现气化过程中能量的自给并产生综合热值高的燃气，可与燃煤锅炉进行深度耦合，满足燃煤锅炉安全高效运行的要求，具有气化效率高、燃气综合热值高、热解气可作为再燃燃料等显著优势。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种生物质热解气化系统，其包括进料装置、热解室和气化室，其中：

所述进料装置与热解室相连，用于将生物质原料送入热解室中进行热解；

所述热解室的顶部连接有热解气输送管道，用于将热解产生的热解气送出，其底部开设有与气化室导通的热解焦出口，用于将热解产生的热解焦送入气化室内，以在气化介质的作用下进行气化反应；

所述气化室套装在热解室的外部以形成套筒结构，该气化室的顶部连接有气化气输送管道，用于将气化反应产生的气化气送出，该气化气输送管道同时套装在进料装置的外部，以使得气化气在送出过程中对进料装置中的生物质原料进行烘焙预热，烘焙预热产生的烘焙气则送入气化室中作为气化介质，该气化室的底部开设有气化灰渣出口，用于将气化产生的气化灰渣送入灰渣收集器。

作为进一步优选的，所述气化室内设置有缓冲装置，该缓冲装置位于热解室的热解焦出口的下方。

作为进一步优选的，所述缓冲装置包括中心转轴和环绕中心转轴设置且上下布置的多层缓冲结构，每层缓冲结构包括与中心转轴相连且呈放射布置的的多根支管以及布置在多根支管下方的环形挡板，所述中心转轴与支管内部设有连通的气路，并且该气路与外部的气化介质管路相连，此外，中心转轴与支管上均开有若干出气孔，且出气孔从上至下内径依次减小、数量依次减少。

作为进一步优选的，所述环形挡板和支管倾斜设置，环形挡板的倾角优选为30°～45°，支管的倾角优选为10°～80°。

作为进一步优选的，所述进料装置优选为螺旋进料装置，且螺旋间距呈前密后疏分布。

作为进一步优选的，所述热解室的顶部还设有热渣入口，用于将外部流化床锅炉产生的热渣送入热解室中与生物质原料混合补充热解所需热量，所述热解室内设置有燃烧器，用于燃烧回流的气化气补充热解所需热量。

按照本发明的另一方面，提供了一种生物质热解气化系统与锅炉耦合系统，其特征在于，其采用燃煤锅炉与所述的生物质热解气化系统耦合而成。

作为进一步优选的，由生物质热解气化系统的气化气输送管道和热解气输送管道送出的气化气和热解气在气固分离器中混合形成均匀的生物燃气，在增压风机的引导下生物燃气从流化床锅炉上部送入进行燃烧利用，而流化床锅炉中产生的高温灰渣则从热解室顶部的热渣入口送入热解室中，与生物原料混合补充热解所需热量。

作为进一步优选的，由生物质热解气化系统的热解气输送管道送出的热解气经增压风机送入燃煤锅炉上部，起到促进燃煤锅炉再燃、降低燃煤锅炉NOx排放的作用；由生物质热解气化系统的气化气输送管道送出的气化气经气固分离器单独送入燃煤锅炉下部，促进燃煤燃烧，且气固分离器将部分气化气回流至热解室中以补充热量。

作为进一步优选的，当热解气化系统在微正压条件下运行时，生物质气化气输送管道送出的气化气和热解气输送管道送出的热解气经换热器进行换热，换热后的气化气送入锅炉下部促进煤粉燃烧，换热后的热解气送入锅炉上部促进燃煤锅炉再燃，降低NOx。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将烘焙-热解-气化过程有机结合，实现固体生物质到气体燃料的最优转化，同时生产热解气和气化气。

2.本发明系统可对生物质原料进行高效利用，转化为高热值的生物燃气和生物质灰渣，依据运行条件不同，本发明系统可与不同类型的燃煤锅炉耦合，如热解气与燃煤锅炉再燃技术相结合，降低燃煤锅炉中NOx排放。

3.本发明系统通过气化室与热解室之间的壁面传热为热解室提供热量，烘焙气作为气化介质利用，可减少其他气化介质的加入，产生热值更高的生物燃气，相对于已有系统中的直接气化，生物质原料通过烘焙、热解处理后获得气化活性更强的热解焦，气化室中的缓冲装置增加气化反应时间，在保证碳转化率的前提下降低气化温度，从而进一步提高气化效率。

4.本发明的生物质进料过程同时是烘焙过程，具有干燥、脱挥发分、破碎等功能，简化了原料预处理工艺，原料适应性广，此外，气化装置产生的灰渣可单独回收利用，避免因生物质灰混入煤灰中而造成煤灰成分与特性改变的问题，实现无机矿物质的循环。

附图说明

图1是本发明的生物质热解气化系统的结构示意图；

图2是单层缓冲结构中支管的分布示意图；

图3是生物质热解气化系统与流化床锅炉耦合系统的结构示意图；

图4是生物质热解气化系统与其他燃煤锅炉耦合系统的结构示意图；

图5是省略增压风机的生物质热解气化系统与其他燃煤锅炉耦合系统的结构示意图。

其中，1-料仓，2-进料装置，3-气化气输送管道，4-热解气输送管道，5-换热器，6-过滤网，7-热渣入口，8-测温装置，9-燃烧器，10-热解室，11-热解焦出口，12-环形挡板，13-中心转轴，14-气化室，15-出气孔，16-支管，17-灰渣收集器，18-气固分离器，19-增压风机，20-流化床锅炉，21-燃煤锅炉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种生物质热解气化系统，其包括进料装置2、热解室10和气化室14，其中，进料装置2与热解室10相连，用于将生物质原料送入热解室10中进行热解，受热升温形成富含有机化合物的热解气以及具有较高热值的热解焦，热解所需热量由气化反应释放的热量经气化室与热解室之间的壁面传热提供；热解室10的顶部连接有热解气输送管道4，用于将热解产生的热解气送出至下级燃煤锅炉，其底部开设有与气化室14导通的热解焦出口11，用于将热解产生的热解焦送入气化室14内，该热解焦在气化介质的作用下进行气化反应，即与气化介质发生气化反应，热解焦在气化室中气化释放出大量热量，通过气化室与热解室之间的壁面传热提供热解所需大部分甚至全部热量，其中气化介质由烘焙气和外部补充的空气或水蒸气或富氧气体组成；气化室14套装在热解室10的外部以形成套筒结构，该气化室14的顶部连接有气化气输送管道3，用于将气化反应产生的气化气送出至下级燃煤锅炉，该气化气输送管道3同时套装在进料装置2的外部，以使得气化气在送出过程中对进料装置2中的生物质原料进行烘焙预热，烘焙预热产生的烘焙气则送入气化室14中作为气化介质的一部分，该气化室14的底部开设有气化灰渣出口，用于将气化产生的气化灰渣送入灰渣收集器17。

具体的，进料装置2与原料仓1相连，经初步处理的生物质原料如稻壳、秸秆、木屑等从原料仓1送入进料装置2中。进料装置2上开设有烘焙气出口和原料出口，该原料出口与热解室10相连，优选地，进料装置上的原料出口与烘焙气出口不在同一侧，且烘焙气出口与原料出口在水平方向上尽量错开，防止烘焙气随着生物质原料进入热解室。热解室10的顶部通过进料口与进料装置2的原料出口相连，且通过热解气出口与热解气输送管道4相连，气化室14的顶部通过气化气出口与气化气输送管道3相连。

如图1所示，进料装置2与气化气输送管道3形成套筒式结构，进料装置在内，气化气输送管道在外，以此气化气可以加热进料装置，对生物质原料进行低温烘焙，释放出水蒸气和CO₂等轻质组分作为烘焙气，一方面烘焙气可作为气化介质使用，另一方面生物质中的水分和小分子气体排出后，原料热值增加，产生的热解气中不含这些低热值气体，使得热解气热值提高。优选地，进料装置采用螺旋进料装置，从入口到出口螺旋间距逐渐增大，在此进料方式下，生物质原料不需要进行精细破碎，而且可以有效防止原料堵塞。热解室与气化室形成套筒结构，气化室在外，热解室在内。优选地，热解室上的进料口位于其顶部中心，热解室顶部同时设有热渣入口7，当气化室对热解室的壁面传热无法提供热解所需热量时，将外部流化床锅炉产生的热渣送入热解室10中与生物质混合，补充热解所需热量，热解室内部设有燃烧器9，当气化室对热解室的壁面传热无法提供热解所需热量，且外部锅炉热渣无法利用时，气化气回流通过燃烧器9进行燃烧，补充热解所需热量。热渣入口和燃烧器根据生物质处理量可设置多个，以热解室中心为轴平均布置。此外，热解室内优选设置有测温装置8，热解室长径比设置在1-2之间，气化室长径比设置在2.5-3.5之间。

为了增加气化反应时间，气化室14内设置有缓冲装置，该缓冲装置位于热解室10的热解焦出口的下方，如图1和2所示，缓冲装置包括中心转轴13、环绕中心转轴13设置且上下布置的多层缓冲结构，每层缓冲结构包括与中心转轴13相连且呈放射布置的多根支管16以及布置在多根支管16下方的环形挡板12，中心转轴13与支管16内部设有连通的气路，并且该气路与外部气化介质管路相连，该外部气化介质管路中通有作为气化介质的烘焙气以及外部补充的空气或水蒸气或富氧气体，此外，中心转轴13与支管16上均开有若干出气孔15，且出气孔15从上至下内径依次减小、数量依次减少，即中心转轴13上的出气孔从上至下内径依次减小，上层支管出气孔的内径大于下层支管出气孔的内径，且上层支管出气孔的数量多于下层支管出气孔的数量，由此使得热解焦与气化介质进行充分反应。气路和出气孔用于将气化介质引入到气化室中，气孔直径及数量分布按照气化室不同位置所需气化介质的量设定。

优选的，环形挡板和支管倾斜设置，环形挡板的倾角α设置为30°～45°，支管的倾角β设置为10°～80°，以此使挡板与支管的位置关系不平行，呈一定角度设置，有利于热解焦被气化介质吹起但不至于飞出挡板，进一步保证热解焦与气化介质进行充分反应。每层缓冲结构中配制3～8根支管。热解焦从热解室出来后，在支管和挡板的引导下，缓慢的通过气化室，增加气化反应时间，支管同时可对热解焦起到破碎和疏通的作用。

进一步的，气化气输送管道和热解气输送管道入口处均设有过滤网6，起到分离燃气中固体杂质的作用，气化灰渣出口与灰渣收集器17之间设有换热器5，气化室14顶部的气化气出口与气化气输送管道3之间同样设有换热器5，以利用气化灰渣和气化气的显热预热气化介质(包括烘焙气及外部补充的气化介质)，提高系统能量利用效率，即气化灰渣落入气化灰渣收集口之前经换热器5与气化介质换热，以预热气化介质，达到利用气化灰渣余热的目的，气化介质预热后再通入气化介质管路中，然后经缓冲装置喷入气化室中，气化气(温度为500℃)从气化气输送管道输出时，同样经换热器5与气化介质换热，以预热气化介质，气化介质预热后再通入气化介质管路中，然后经缓冲装置喷入气化室中。

本发明系统中的生物质依次经历烘焙、热解和气化过程，同时生产热解气和气化气，其中气化介质主要来自于烘焙过程产生的气体，气化气被用于烘焙和气化阶段，对生物质原料进行烘焙(烘焙所需温度180-300℃)，与气化介质进行换热，气化介质得到热量，实现生物质热解气化过程的物质和能量的最大限度自给。该系统具有气化效率高、燃气综合热值高、热解气可作为再燃燃料等显著优势，可与现有的大型燃煤电厂锅炉以多种形式实现耦合发电，满足电厂节能减排的迫切需求，应用潜力巨大。

针对燃煤锅炉的不同炉型，与热解气化系统配套的燃煤锅炉耦合设计有多种，如以下实施例所示：

实施例1

在螺旋进料装置的引导下，经过初步处理的生物质原料从料仓中到达热解室上端进料口，期间生物质原料经历低温烘焙，释放出H₂O、CO₂等小分子气体；经过烘焙的生物质原料在热解室中分解为热解焦和具有较高综合热值的热解气；热解焦从热解室下端出口出来，缓慢地通过气化室，在气化介质的作用下进行气化反应；气化气和热解气在各自的专用管道引导下进入燃煤锅炉；气化灰渣在与气化介质换热后进入灰渣收集器。

当耦合的燃煤锅炉为流化床锅炉20时，热解气和气化气在气固分离器18中混合，形成较为均匀的生物燃气，在增压风机19的引导下，生物燃气从流化床锅炉上部送入，进行燃烧利用；针对热解室热量不能完全由气化室传热提供的情况，将部分流化床燃煤锅炉的高温灰渣(一般700-800℃)送入热解室上部的进渣口中，使之与原料混合，补充热解所需热量，如图3所示。

实施例2

在生物质热解气化系统中，运行方式与实施例1一致。

由生物质热解气化系统的热解气输送管道4送出的热解气经增压风机19送入燃煤锅炉21上部，起到促进燃煤锅炉再燃、降低燃煤锅炉NOx排放的作用；由生物质热解气化系统的气化气输送管道3送出的气化气经气固分离器18单独送入燃煤锅炉下部，促进燃煤燃烧，针对热解室热量不能完全由气化室传热提供的情况，气固分离器将分离出来的部分气化气回流至热解室的燃烧器中燃烧补充热量，如图4所示。

实施例3

在生物质热解气化系统中，运行方式与实施例1一致。

当热解气化系统在微正压(高于大气压200-400Pa)条件下运行时，生物质气化气输送管道3送出的气化气和热解气输送管道4送出的热解气经换热器5进行换热，气化气送入锅炉下部促进煤的燃烧，热解气送入锅炉上部促进燃煤锅炉再燃，降低NOx，期间无增压风机，可简化系统，如图5所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物质热解气化系统，其特征在于，包括进料装置(2)、热解室(10)和气化室(14)，其中：

所述进料装置(2)与热解室(10)相连，用于将生物质原料送入热解室(10)中进行热解；

所述热解室(10)的顶部连接有热解气输送管道(4)，用于将热解产生的热解气送出，其底部开设有与气化室(14)导通的热解焦出口(11)，用于将热解产生的热解焦送入气化室(14)内，以在气化介质的作用下进行气化反应；

所述气化室(14)套装在热解室(10)的外部以形成套筒结构，该气化室(14)的顶部连接有气化气输送管道(3)，用于将气化反应产生的气化气送出，该气化气输送管道(3)同时套装在进料装置(2)的外部，以使得气化气在送出过程中对进料装置(2)中的生物质原料进行烘焙预热，烘焙预热产生的烘焙气则送入气化室(14)中作为气化介质，该气化室(14)的底部开设有气化灰渣出口，用于将气化产生的气化灰渣送入灰渣收集器(17)。

2.如权利要求1所述的生物质热解气化系统，其特征在于，所述气化室(14)内设置有缓冲装置，该缓冲装置位于热解室(10)的热解焦出口(11)的下方。

3.如权利要求2所述的生物质热解气化系统，其特征在于，所述缓冲装置包括中心转轴(13)和环绕中心转轴(13)设置且上下布置的多层缓冲结构，每层缓冲结构包括与中心转轴(13)相连且呈放射布置的的多根支管(16)以及布置在多根支管(16)下方的环形挡板(12)，所述中心转轴(13)与支管(16)内部设有连通的气路，并且该气路与外部的气化介质管路相连，此外，中心转轴(13)与支管(16)上均开有若干出气孔(15)，且出气孔(15)从上至下内径依次减小、数量依次减少。

4.如权利要求3所述的生物质热解气化系统，其特征在于，所述环形挡板和支管倾斜设置，环形挡板的倾角优选为30°～45°，支管的倾角优选为10°～80°。

5.如权利要求1-4任一项所述的生物质热解气化系统，其特征在于，所述进料装置(2)优选为螺旋进料装置，且螺旋间距呈前密后疏分布。

6.如权利要求1-4任一项所述的生物质热解气化系统，其特征在于，所述热解室(10)的顶部还设有热渣入口(7)，用于将外部流化床锅炉产生的热渣送入热解室(10)中与生物质原料混合补充热解所需热量，所述热解室(10)内设置有燃烧器(9)，用于燃烧回流的气化气补充热解所需热量。

7.一种生物质热解气化系统与锅炉耦合系统，其特征在于，其采用燃煤锅炉与权利要求1-6任一项所述的生物质热解气化系统耦合而成。

8.如权利要求7所述的生物质热解气化系统与锅炉耦合系统，其特征在于，由生物质热解气化系统的气化气输送管道(3)和热解气输送管道(4)送出的气化气和热解气在气固分离器(18)中混合形成均匀的生物燃气，在增压风机(19)的引导下生物燃气从流化床锅炉上部送入进行燃烧利用，而流化床锅炉中产生的高温灰渣则从热解室(10)顶部的热渣入口(7)送入热解室(10)中，与生物原料混合补充热解所需热量。

9.如权利要求7所述的生物质热解气化系统与锅炉耦合系统，其特征在于，由生物质热解气化系统的热解气输送管道(4)送出的热解气经增压风机(19)送入燃煤锅炉上部，起到促进燃煤锅炉再燃、降低燃煤锅炉NOx排放的作用；由生物质热解气化系统的气化气输送管道(3)送出的气化气经气固分离器(18)单独送入燃煤锅炉下部，促进燃煤燃烧，且气固分离器(18)将部分气化气回流至热解室中以补充热量。

10.如权利要求7所述的生物质热解气化系统与锅炉耦合系统，其特征在于，当热解气化系统在微正压条件下运行时，生物质气化气输送管道(3)送出的气化气和热解气输送管道(4)送出的热解气经换热器(5)进行换热，换热后的气化气送入锅炉下部促进煤粉燃烧，换热后的热解气送入锅炉上部促进燃煤锅炉再燃，降低NOx。

Images