CN109628157B - 一种连续式生物质热解气化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质能源领域，并公开了一种连续式生物质热解气化装置及方法，包括依次设置的送料、热解、气化、换热和燃烧单元，送料单元将生物质送入热解单元中发生热解产生焦炭和挥发分，焦炭和挥发分在气化单元中进行气化反应产生可燃气和气化残渣，可燃气和气化残渣在换热单元中与空气换热，热空气部分送至气化单元，另一部分送入燃烧单元中，换热后的可燃气从换热单元送出，换热后的气化残渣输送至燃烧单元中燃烧，燃烧产生的高温烟气输送至热解单元与生物质换热变成低温烟气，利用低温烟气和燃烧产生的灰渣加热空气作为燃烧单元二次风。本发明可实现物理热梯级利用，充分回收利用烟气和灰渣余热，将生物质完全利用，气化能耗低、效率高。

Description

一种连续式生物质热解气化装置及方法

技术领域

本发明属于生物质能源领域，更具体地，涉及一种连续式生物质热解气化装置及方法。

背景技术

生物质是一种快速可再生的清洁能源，总量巨大、环境友好，采用生物质气化方法将其转化为气体燃料替代煤炭、天然气等化石能源，可降低NO_X/SO_X污染物排放、缓解雾霾问题、实现CO₂零排放，应用前景非常广阔。近些年来，生物质气化技术已经得到了大力发展，初步进入了规模化运用阶段，现有商业化运行技术主要包括生物质气化发电、集中供气供热、制备合成气等，但在运行过程中出现了燃气品质不易调控(成分、热值、焦油含量)、气化能耗过高、气化效率偏低等问题。要解决这些问题，必须基于气化反应主体设备创新，同时优化气化热源供给方式，复合热解、气化技术联合制备高品质生物质燃气。

现有生物质气化反应设备主要包括固定床和流化床两种类型。固定床反应器结构简单，操作方便，但是产气品质低、焦油含量高、气化效率不高；同时该技术基本采用物料批次式反应，不能连续生产，规模小，主要运用于农村地区，通过集中供气方式向工厂周围居民、学校等用户输送燃气。流化床气化技术先进，床层温度均匀，气固混合性好，气化效率高，能够连续快速高效、规模化制备生物质燃气；但是该技术难度系数大，操作复杂，运行不够稳定，主要运用于生物质气化发电。

除开气化反应设备以外，气化热源供给方式也能影响燃气品质、气化效率和能耗。根据气化反应所需热量来源不同，可分为内热式气化和外热式气化。内热式气化反应所需热源来自于生物质与气化剂的氧化反应，气化剂一般为含氧气体。内热式气化反应的气化效率一般较高，采用空气作为气化剂时，所得燃气品质较低；采用富氧气体作为气化剂时，需要额外的制氧设备，气化能耗高。外热式气化通常称为热解气化，所需能量一般由电加热、微波加热、高温烟气提供，该技术由于没有引入气化剂，所得燃气成分好、热值高，但气化效率偏低，需要额外热源，系统复杂。

根据气化反应设备选型、优化，结合生物质内外热气化转换方式，目前国内已经申请了几项有关生物质热解、气化联合制气的专利。例如专利CN101225315A公开了一种生物质复合气化的方法及装置，该装置由流化床和气流床串联组成，流化床内布有生物质热解区和焦炭气化区，气流床为热解挥发分气化重整区；生物质经入料装置在流化床内热解，生成大颗粒焦炭进入焦炭气化区与气化剂反应，提高物料气化转换效率；焦炭高温气化气进入热解区，为生物质热解提供热量，热解释放挥发分进入气流床内与水蒸气、空气(富氧气)等混合气发生重整反应，促进大分子焦油裂解成小分子气体，提升燃气品质。尽管该装置能够产出高品质燃气，气化效率也较高，但是系统复杂，流化床和气流床耦合调控困难，系统难以放大。再如，专利CN101747947A公开了一种生物质移动床热解流化床气化复合反应装置，该装置由螺旋式移动床热解炉和流化床气化炉构成，两种床体外壁均布置电阻丝，利用电加热为生物质热解、气化提供所需能量。生物质在移动床内热解产生挥发分和焦炭，焦炭在螺旋推料器作用下进入流化床内与水蒸气、空气等气化剂发生裂解反应，生成高温燃气返回移动床，与焦炭、挥发分发生二次反应。该装置简单可靠，操作方便，但由于热解挥发分没有经过高温、催化裂解，产出燃气中焦油含量偏高，同时以电加热作为外热源，成本过高，不适宜规模化扩展。

综上所述，要解决生物质气化过程中存在的燃气品质不高、气化效率偏低、气化能耗过高问题，必须研发新式的气化反应设备，综合生物质热解、气化技术优势，才能大力推动生物质气化技术规模化、产业化发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种连续式生物质热解气化装置及方法，目的在于解决现有生物质气化过程中存在的燃气品质低、气化效率差、气化能耗高等问题，该装置能够连续产出低焦油和低粉尘含量的生物质燃气，且燃气热值调节方便，气化系统物理热梯级利用，充分回收利用烟气和灰渣余热，将生物质完全利用，气化能耗低，气化效率高，适于制备多种用途不同热值低焦油和低粉尘含量的生物质燃气。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种连续式生物质热解气化装置，其包括依次设置的送料单元、热解单元、气化单元、换热单元和燃烧单元，其中，所述送料单元用于将生物质原料送入热解单元中，生物质原料在热解单元中发生热解产生焦炭和挥发分，热解产生的焦炭和挥发分进入气化单元中进行气化反应以产生可燃气和气化残渣，该可燃气和气化残渣进入换热单元中与空气换热使空气变为热空气，所述热空气一部分回送至气化单元中，用于与热解产生的焦炭和挥发分发生气化反应，另一部分作为一次风送入燃烧单元中为燃烧提供热空气，而换热后的可燃气经换热单元底部送出，换热后的气化残渣则输送至燃烧单元中进行燃烧，所述燃烧单元燃烧产生的高温烟气输送至热解单元中为生物质原料热解提供热量，热解过程中高温烟气与生物质原料换热变成低温烟气，该低温烟气用于加热空气，加热后的空气作为二次风送入燃烧单元中，燃烧单元燃烧产生的灰渣排出后用于加热空气，该加热后的空气同样作为二次风送入燃烧单元中。

作为进一步优选的，所述热解单元包括管排式热解床及套装在管排式热解床外部的热解供热烟箱，所述管排式热解床由多根竖直布置的耐高温圆钢管构成，多根圆钢管的顶部与进料旋转阀的出料口相连，所述热解供热烟箱的上下端分别装有烟气出口和烟气进口，内部布置有烟气隔板，以将热解供热烟箱分割为多级往返折流烟道，且每级烟道内布置有波纹板，燃烧单元燃烧产生的高温烟气经下端的烟气进口进入热解供热烟箱中，经热解换热后从烟气出口排出。

作为进一步优选的，气化单元包括由耐高温钢浇铸而成的管仓式气化床，该管仓式气化床的入料口与热解管的下料口相连，其上端外部布置有环形管，该环形管通过均匀分布的环排式空气喷管与管仓式气化床内部导通，该环形管还与气化剂输送管相连，以此气化剂经气化剂输送管依次经环形管和环排式空气喷管均匀的输送至管仓式气化床内，与焦炭和挥发分发生气化重整反应。

作为进一步优选的，所述换热单元包括空冷管和套装在空冷管外部的空冷箱，所述空冷箱的上下端布置有冷空气入口和热空气出口，内部装有空气隔板，以将空冷箱分为多级往复折流式空冷通道，冷空气经上端的冷空气入口进入空冷箱，与可燃气和气化残渣换热后变为热空气从热空气出口送出。

作为进一步优选的，所述空冷管的下端连接有堆积管，所示堆积管的下端连接有出料旋转阀，且堆积管上开设有燃气抽出口，气化残渣在空冷管中冷却后堆积在空冷管下端的堆积管中形成碳层，对可燃气中的残余焦油和粉尘进行吸附，当碳层形成后再开启出料旋转阀，使碳层在动态中保持厚度稳定。

作为进一步优选的，所述燃烧单元包括燃烧炉，该燃烧炉的下部连接有一次风管，中部通过输送单元与出料旋转阀相连，顶部连接有高温烟气管，中上部连接有二次风管，下部连接有排灰装置，该燃烧炉上还开设有燃料补给口，从换热单元送出的热空气作为一次风经一次风管送入燃烧炉中，从出料旋转阀排出的气化残渣经输送单元送入燃烧炉中，燃烧产生的高温烟气经高温烟气管送入热解单元中，从热解单元排出的低温烟气送入预热单元中以加热空气，加热的空气作为二次风经二次风管送入燃烧炉中。

作为进一步优选的，所述输送单元包括位于出料旋转阀下方的出料绞龙以及与出料绞龙相连的溜料管，所述出料绞龙用于将从出料旋转阀排出的气化残渣送入溜料管中，然后气化残渣依靠自身重力溜入燃烧炉内。

作为进一步优选的，所述排灰装置包括冷灰器，该冷灰器通过排灰管与燃烧炉的底部相连，通过热空气支管一与二次风管相连，燃烧炉内燃烧产生的灰渣经排灰管进入冷灰器中以加热空气，加热的空气经热空气支管一和二次风管作为二次风进入燃烧炉中。

作为进一步优选的，所述预热单元包括空气预热器，该空气预热器通过热空气支管二与二次风管相连，从热解单元排出的低温烟气送入空气预热器中加热空气，加热的空气经热空气支管二和二次风管作为二次风进入燃烧炉中。

按照本发明的另一个方面，提出了一种连续式生物质热解气化方法置，其采用所述的装置进行，包括如下步骤：生物质原料经送料单元送入热解单元中发生热解产生焦炭和挥发分，热解产生的焦炭和挥发分进入气化单元中进行气化反应以产生可燃气和气化残渣，可燃气和气化残渣进入换热单元中与空气换热使空气变为热空气，所述热空气一部分回送至气化单元中，用于与热解产生的焦炭和挥发分发生气化反应，另一部分作为一次风送入燃烧单元中为燃烧提供热空气，换热后的可燃气经换热单元底部送出，换热后的气化残渣输送至燃烧单元中进行燃烧，燃烧产生的高温烟气输送至热解单元中为生物质原料热解提供热量，热解过程中高温烟气与生物质原料换热变成低温烟气，低温烟气用于加热空气，加热后的空气作为二次风送入燃烧单元中，燃烧产生的灰渣排出后用于加热空气，加热后的空气同样作为二次风送入燃烧单元中。

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.本发明利用高温烟气冲刷管排，通过强制换热为生物质热解提供热量，热解管长径比大，换热面积大，热解管外部设置翅片进一步增加换热面积，强化换热效率，缩短了生物质热解反应时间，还可以通过改变烟气隔板、波纹板以及翅片的数量对热解温度进行调控，适应不同类型生物质原料和燃气热值需要。

2.本发明的热解焦炭和挥发分在重力和抽吸力的作用下，进入管仓式气化床，与热空气发生燃烧和气化反应，在热空气通入部位形成局部高温促进挥发分的重整裂解，降低燃气中焦油含量，提高物料气化转换效率，热解焦炭的气化反应活性高，一方面焦炭本身发生气化反应，另一方面焦炭对焦油的重整裂解有催化作用。

3.本发明的气化残余焦炭在空冷管下部与燃气抽出口连接处，堆积形成碳层，对燃气中的残余焦油和粉尘进行吸附，达到燃气净化效果。

4.本发明的管仓式气化床所需气化剂输入量可通过气化剂输送管上的单向阀门和流量计进行控制，引入不同当量比的热空气，对气化的产气量和燃气热值进行调控。

5.本发明的气化燃气受空气间接冷却，降低了燃气出口温度，同时加热后的空气作为燃烧炉一次风和管仓式气化床所需气化剂，燃气物理热充分利用，降低了气化能耗；高温烟气经过换热降温后，进入空气预热器，加热空气送至燃烧炉作为二次风，充分利用烟气余热，实现能量梯级利用；燃烧炉中产生的灰渣在冷灰器中直接加热空气，热空气作为二次风送入燃烧炉，灰渣余热进行充分回收利用，提高系统热效率。

6.本发明的物料在管排式热解床、管仓式气化床和残渣冷却管内依靠重力和抽吸力完成连续移动，高温段没有复杂的机械运行装置，连续运行稳定可靠。

7.本发明的气化残余焦炭经出料旋转阀卸入出料绞龙，直接输送至燃烧炉，燃烧产生高温烟气为管排式热解床提供热量，物料吃干榨尽，能源利用率高。

8.本发明根据需求可灵活设计生产规模，通过增减热解管排数量即可，技术可靠性强，适用性广。

附图说明

图1是本发明连续式生物质热解气化装置的结构示意图；

图2是供热烟箱与管排式热解床的布置示意图；

图3是图2中的A-A剖面图；

图4是管排式热解床和管仓式气化床的连接示意图；

图5是图4中的B-B剖面图；

图6是冷却管与空冷箱的布置示意图；

图7是图6中的C-C剖面图。

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连续式生物质热解气化装置，其包括依次设置的送料单元、热解单元、气化单元、换热单元和燃烧单元，其中，送料单元用于将生物质原料送入热解单元中，生物质原料在热解单元中发生热解产生焦炭和挥发分，热解产生的焦炭和挥发分进入气化单元中进行气化反应以产生可燃气和气化残渣，该可燃气和气化残渣进入换热单元中与空气换热使空气变为热空气，热空气一部分回送至气化单元中，用于与热解产生的焦炭和挥发分发生气化反应，另一部分则作为一次风送入燃烧单元中为燃烧提供热空气，而换热后的可燃气经换热单元底部送出，换热后的气化残渣则输送至燃烧单元中进行燃烧，燃烧单元燃烧产生的高温烟气输送至热解单元中为生物质原料热解提供热量，热解过程中高温烟气与生物质原料换热变成低温烟气，该低温烟气用于加热空气，加热后的空气作为二次风送入燃烧单元中，燃烧单元燃烧产生的灰渣排出后用于加热空气，该加热后的空气同样作为二次风送入燃烧单元中。

如图1所示，送料单元包括依次设置的物料提升机1、物料输送翻板2和料仓3，物料提升机1用于将生物质物料从地面提升到装置入料平台，是一种普通的斗式提升机，由料斗和带滑轮导轨的套筒组成，料斗到达入料平台高度后，由物料输送翻板2将料斗内物料卸入料仓3内，为热解气化装置连续生产提供稳定的原料供给。本发明中，物料输送翻板2可以是倾斜角度为15°～25°的V型钢板。

如图1所示，热解单元包括管排式热解床5及套装在管排式热解床5外部的热解供热烟箱6，管排式热解床5由多根竖直布置的长径比很大的耐高温圆钢管(热解管)构成，单管之间顺次排开，通过增减单管和管排数量控制生产规模大小，热解管外壁设有翅片40，用于强化烟气换热效果。多根圆钢管的顶部与进料旋转阀4的出料口相连，底端与管仓式气化床10的入料口相连。生物质在热解管内吸收烟气冲刷传递的热量逐渐热解，产生气固两相产物，焦炭和挥发分，高温焦炭依靠自身重力从上至下移动进入管仓式气化床10，挥发分在燃气抽出口14负压作用下，也进入气化床10内完成进一步的气化重整反应.

如图2-3所示，热解供热烟箱6布置在热解管外部，由耐高温钢浇铸而成，内表面喷有耐高温涂层，能够承受1500℃高温。单根热解管的受热长度与热解管直径比为12:1～18:1，热解单管直径不超过500cm。热解供热烟箱6的上下端分别装有烟气出口34和烟气进口33，内部布置有烟气隔板32，以将热解供热烟箱6分割为多级往返折流烟道。燃烧单元燃烧产生的高温烟气经烟气进口33进入热解供热烟箱6中，在多级往复折流烟道内完成强制对流、导热、辐射换热，为管排式热解床内生物质的热解提供热量。更具体的，烟气隔板32上开有圆孔，保证管排式热解管能够顺利穿过，且圆孔直径稍大于热解管外径。烟气隔板32一端与烟箱内表面连接并密封，另一端与烟箱内表面保持一定距离，保证烟气能够正常通过。通过多级隔板交互排列，形成多级往复向上的S形烟道。相邻两烟气隔板之间布置波纹板41，对烟气进行导流，保证烟气能够高速大角度冲刷热解管管壁，强化换热。换热后的烟气依次经烟气出口34和低温烟气管31输送到空气预热器28中，利用烟气余热加热空气，为燃烧炉提供二次风。

如图1所示，气化单元包括管仓式气化床10，管仓式气化床10是长方体仓式反应器，由耐高温钢浇铸而成，内表面喷有耐高温涂料，能够承受1500℃高温。如图4和5所示，该管仓式气化床10的入料口与热解管5的下料口相连，其上端布置有环排式空气喷管35，环排式空气喷管35连接环形管36，环形管36连接气化剂输送管9，气化剂输送管9上布置流量计7和单向阀8。单向阀8用于防止管仓式燃气倒吸进入气化剂输送管9，流量计7用于控制气化剂引入量，调控燃气品质。气化剂经化剂输送管9进入环形管36，而后进入环排式空气喷管35，保证气化剂均匀输送到气化仓内，与焦炭和挥发分发生高温气化重整反应，从而降低焦油含量和固态产物含量，提高燃气品质和物料气化效率。具体的，管排式热解床受热高度与管仓式气化床高度的比例为4:1～6:1。

如图6和7所示，换热单元包括空冷管12和套装在空冷管12外部的空冷箱13，空冷箱13的上下端布置有冷空气入口39和热空气出口38，内部装有空气隔板37，以将空冷箱分为多级往复折流式空冷通道，由鼓风机一11提供的冷空气经上端的冷空气入口39进入空冷箱13，与可燃气和气化残渣换热后变为热空气(温度大概为100～200℃)从热空气出口38送出。空冷管12的下端连接有堆积管，堆积管的下端连接有出料旋转阀15，且堆积管上开设有燃气抽出口14，气化残渣在空冷管12中冷却后堆积在空冷管12下端的堆积管中形成碳层。燃气和气化残余焦炭在空冷管12中冷却后，温度一般为400℃左右，出料旋转阀15暂未开启，气化残余焦炭在空冷管12下部的堆积管中堆积形成碳层，对燃气中的残余焦油和粉尘进行吸附，达到燃气净化效果，燃气净化后从燃气抽出口14排出。在燃气抽出口14处设置不锈钢物理过滤装置，避免气化残炭颗粒混入燃气中，保持燃气洁净，燃气经燃气抽出口14抽出进入后续进一步净化装置或者其它利用装置。空冷管12下部的堆积管中碳层形成后，再开启出料旋转阀15，调节转速使碳层在动态中保持厚度稳定，气化残余焦炭经出料旋转阀15卸入出料绞龙中。

具体的，空冷管12为长方形的管式结构，由耐高温钢浇铸而成，空冷管12外壁安装翅片42，加强燃气冷却效果；空气隔板37上开有方孔，保证空冷管能够顺利通过，方孔长宽尺寸略大于冷却管。气化残余焦炭与高温燃气在空冷管12与空气进行间接冷却，降低燃气温度，加热后的空气用于提供燃烧炉19所需一次风和气化床10所需气化剂。

进一步的，进料旋转阀4和出料旋转阀15是一种叶片等分的星型卸料器，用于将物料从上一个部件连续均匀地输送到下一个部件。其中，出料旋转阀5为耐高温的星型卸料器，卸料器内装有水循环冷却系统，在温度低于500℃时可以长时间持续运转，从而保证装置连续稳定运行。热解气化装置开始运行时，先开启进料旋转阀4，出料旋转阀15暂时关闭。

如图1所示，燃烧单元包括燃烧炉19，燃烧炉19由耐火砖砌成，内部布有耐高温衬里，燃烧炉19的下部连接有一次风管18，中部通过输送单元与出料旋转阀15相连，顶部连接有高温烟气管27，中上部连接有二次风管25，下部连接有排灰装置，该燃烧炉19上还开设有燃料补给口20，用于热解气化装置启动或者气化残余焦炭供应热量不够时补充燃料。从换热单元的热空气出口38送出的小部分热空气经气化剂输送管9从管仓式气化床10的上端送入管仓式气化床10中作为气化剂，大部分热空气作为一次风经一次风管18送入燃烧炉19中，管仓式气化床引入的热空气当量比为0～0.3，在热空气通入部位，形成局部高温促进焦油的重整裂解。从出料旋转阀15排出的气化残渣经输送单元送入燃烧炉19中，气化残余焦炭和补给燃料在燃烧炉19内燃烧产生的高温烟气(温度大概为600～800℃)经高温烟气管27送入热解供热烟箱6中，为生物质热解提供热量，从热解单元排出的低温烟气(温度在200℃左右)经低温烟气管31送入预热单元中以加热空气，加热的空气作为二次风经二次风管25送入燃烧炉19中。本发明装置中燃烧床19为普通的固定床，能够稳定燃烧粉状或者颗粒状的高灰分燃料。

具体的，输送单元包括位于出料旋转阀15下方的出料绞龙16以及与出料绞龙16相连的溜料管17，出料绞龙16用于将从出料旋转阀15排出的气化残渣送入溜料管17中，然后气化残渣依靠自身重力溜入燃烧炉19内。本发明装置中出料绞龙是一种耐高温的，能够连续输送粉体或颗粒物料的绞龙，绞龙倾斜角度为25°～35°。

进一步的，排灰装置包括冷灰器22，该冷灰器22通过排灰管21与燃烧炉19的底部相连，通过热空气支管一23与二次风管25相连，燃烧炉19内气化残炭或补给燃料燃烧产生的灰渣经排灰管21进入冷灰器22中直接加热空气，该空气由鼓风机二24提供，加热的空气(温度大概为100～200℃)经热空气支管一23和二次风管25作为二次风进入燃烧炉19中。本发明装置中排灰管和冷灰器由耐火砖砌成，内部布有耐高温衬里，冷灰器为普通流化床风冷式冷渣器，能够充分对灰渣余热进行回收利用。

更进一步的，预热单元包括空气预热器28，该空气预热器28通过热空气支管二26与二次风管25相连，从热解供热烟箱6排出的低温烟气经低温烟气管31送入空气预热器28中加热空气，空气预热器28中低温烟气通过换热器间接加热空气，该空气由鼓风机三30提供，热空气(温度大概为100～200℃)经热空气支管二26、二次风管25进入燃烧炉19，作为二次风使用，空气预热器28排出的尾气通过引风机29引出，经后续净化处理后排放。本发明装置中空气预热器为普通的管壳式换热器或回转式换热器。

此外，本发明装置中，料仓3出料口与进料旋转阀4进料口之间，进料旋转阀4出料口与管排式热解床5进料口之间，均采用内嵌液体防渗板的方形法兰连接；管排式热解床5出料口与管仓式气化床10进料口之间，管仓式气化床10出料口与空冷管12进料口之间，空冷管12出料口与堆积管上端之间，堆积管下端与出料旋转阀15进料口之间，出料旋转阀15出料口与出料绞龙进料口16之间，均采用内嵌高温耐火棉的方形法兰连接。本发明中的一次风管18、二次风管25、热空气支管一23、热空气支管二26、低温烟气管31为普通的不锈钢管，为标准的工业管道，高温烟气管27由耐高温材料浇铸，外壁敷设耐温钢板。除物料提升机1、料仓3、进料旋转阀4之间不铺设保温棉，其他装置、管道、连接件之间均需铺设不同厚度的保温棉，具体根据装置运行段温度决定，其中热解供热烟箱6、管仓式气化床10、高温烟气管27、燃烧炉19为重点保温对象。

下面对本发明装置的工作过程进行说明。

由物料提升机1将粉碎好的颗粒原料或成型燃料输送到入料平台高度，经物料输送翻板2将其卸入料仓3，生物质原料由进料旋转阀4均匀的分配到管排式热解床5各单管中，物料在长径比很大的热解管内依靠自身的重力从上至下连续移动，吸收来自热解供热烟箱6中高温烟气冲刷传递的热量，逐渐热解产生焦炭和挥发分；焦炭在重力作用进入管仓式气化床10，挥发分在燃气抽出口负压作用下进入管仓式气化床10，焦炭和挥发分在管仓式气化床中与空气发生燃烧和气化反应，形成局部高温区，使得焦炭、大分子挥发分进一步反应裂解成H₂、CH₄、CO等小分子可燃气体，降低了燃气中焦油含量，提高了物料气化效率，管仓式气化床10中最开始从气化剂输送管9通入的空气(即气化剂)为鼓风机一11提供的常温空气，随着气化后的气化残渣和燃气进入空冷管与空气进行换热后，常温空气变为热空气从气化剂输送管9通入管仓式气化床10中，气化反应过程中，通过流量计7控制气化剂引入量，调整燃气热值范围；而后气化残渣在自身重力作用下进入空冷管12，燃气由于燃气抽出口负压作用进入空冷管12，二者在空气间接冷却下，温度降至400℃以下；空冷箱13中预热后的空气进入一次风管18，一次风管18上开有气化剂输送管9，小部分热空气经气化剂输送管9输送到环形管中，由环排式小圆管将气化剂送入管仓式气化床，与焦炭和挥发分发生气化重整反应，大部分空气经一次风管18输送到燃烧炉19，为燃烧炉提供热空气；燃气在空冷管中冷却后经空冷管12下部形成的碳层净化后由抽出口14抽出，可直接作为工业锅炉、窑炉等工业设备燃料，也可进一步冷凝净化处理，然后作为管道气输送给需求用户；焦炭在空冷管12中冷却后，由出料旋转阀15卸入出料绞龙16，由出料绞龙16将其输送至燃烧炉19，燃烧炉19和出料绞龙16间有溜料管17，残渣经溜料管溜入燃烧炉19中燃烧；根据热解、气化反应需求，可能需要添加辅助燃料，辅助燃料可为成型燃料、废弃物等燃料，经燃料补给口20送入燃烧炉19内燃烧；燃烧炉19产生高温烟气经高温烟气管27输送至热解供热烟箱6，为生物质热解提供热量，高温烟气经过换热后，经低温烟气管31进入空气预热器28，利用烟气余热加热空气作为燃烧炉19二次风；燃烧炉19产生的高温灰渣经排灰管21进入冷灰器22，利用灰渣余热加热空气作为燃烧炉19二次风。本发明装置通过联合调节鼓风机一11、鼓风机二24、鼓风机三30、引风机29及燃气抽出口负压，保证管排式热解床5、管仓式气化床10和燃烧炉均为微负压运行。

本发明采用燃烧产生的高温烟气冲刷管排为生物质热解提供热量，热解产生的焦炭与挥发分进入管仓式气化床，发生燃烧和气化反应，产生局部高温促进焦油重整裂解；气化残余焦炭在空冷管下部形成碳层，对燃气中的焦油和粉尘进行吸附，达到净化效果；气化残余焦炭或补给燃料在燃烧炉中产生高温烟气和高温灰渣，高温烟气为热解提供热量变为低温烟气，对低温烟气和高温灰渣进行余热回收利用，实现能量梯级利用，提高系统热效率。该发明通过控制热空气引入量可得到热值可调(4.7～14.3MJ/Nm³)、焦油及粉尘含量低的生物质燃气，能够满足集中供气供热、燃气发电、工业窑炉供热等相关技术、设备的工艺要求，应用前景广阔。

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 (9)

1.一种连续式生物质热解气化装置，其特征在于，包括依次设置的送料单元、热解单元、气化单元、换热单元和燃烧单元，其中，所述送料单元用于将生物质原料送入热解单元中，生物质原料在热解单元中发生热解产生焦炭和挥发分，热解产生的焦炭和挥发分进入气化单元中进行气化反应以产生可燃气和气化残渣，该可燃气和气化残渣进入换热单元中与空气换热使空气变为热空气，所述热空气一部分回送至气化单元中，用于与热解产生的焦炭和挥发分发生气化反应，并且在热空气通入部位形成局部高温，促进挥发分的重整裂解，降低可燃气中焦油含量，提高物料气化转换效率；另一部分作为一次风送入燃烧单元中为燃烧提供热空气，而换热后的可燃气经换热单元底部送出，换热后的气化残渣则输送至燃烧单元中进行燃烧，所述燃烧单元燃烧产生的高温烟气输送至热解单元中为生物质原料热解提供热量，热解过程中高温烟气与生物质原料换热变成低温烟气，该低温烟气用于加热空气，加热后的空气作为二次风送入燃烧单元中，燃烧单元燃烧产生的灰渣排出后用于加热空气，该加热后的空气同样作为二次风送入燃烧单元中；

所述气化单元包括由耐高温钢浇铸而成的管仓式气化床（10），该管仓式气化床（10）的入料口与热解单元的下料口相连，其上端外部布置有环形管（36），该环形管（36）通过均匀分布的环排式空气喷管（35）与管仓式气化床（10）内部导通，该环形管（36）还与气化剂输送管（9）相连，以此气化剂经气化剂输送管（9）依次经环形管（36）和环排式空气喷管（35）均匀的输送至管仓式气化床（10）内，与焦炭和挥发分发生气化重整反应。

2.如权利要求1所述的连续式生物质热解气化装置，其特征在于，所述热解单元包括管排式热解床（5）及套装在管排式热解床（5）外部的热解供热烟箱（6），所述管排式热解床（5）由多根竖直布置的耐高温圆钢管构成，多根圆钢管的顶部与进料旋转阀（4）的出料口相连，所述热解供热烟箱（6）的上下端分别装有烟气出口（34）和烟气进口（33），内部布置有烟气隔板（32），以将热解供热烟箱（6）分割为多级往返折流烟道，且每级烟道内布置有波纹板（41），燃烧单元燃烧产生的高温烟气经下端的烟气进口（33）进入热解供热烟箱（6）中，经热解换热后从烟气出口（34）排出。

3.如权利要求1所述的连续式生物质热解气化装置，其特征在于，所述换热单元包括空冷管（12）和套装在空冷管（12）外部的空冷箱（13），所述空冷箱（13）的上下端布置有冷空气入口（39）和热空气出口（38），内部装有空气隔板（37），以将空冷箱分为多级往复折流式空冷通道，冷空气经上端的冷空气入口（39）进入空冷箱（13），与可燃气和气化残渣换热后变为热空气从热空气出口（38）送出。

4.如权利要求3所述的连续式生物质热解气化装置，其特征在于，所述空冷管（12）的下端连接有堆积管，所示堆积管的下端连接有出料旋转阀（15），且堆积管上开设有燃气抽出口（14），气化残渣在空冷管（12）中冷却后堆积在空冷管（12）下端的堆积管中形成碳层，对可燃气中的残余焦油和粉尘进行吸附，当碳层形成后再开启出料旋转阀（15），使碳层在动态中保持厚度稳定。

5.如权利要求1所述的连续式生物质热解气化装置，其特征在于，所述燃烧单元包括燃烧炉（19），该燃烧炉（19）的下部连接有一次风管（18），中部通过输送单元与出料旋转阀（15）相连，顶部连接有高温烟气管（27），中上部连接有二次风管（25），下部连接有排灰装置，该燃烧炉（19）上还开设有燃料补给口（20），从换热单元送出的热空气作为一次风经一次风管（18）送入燃烧炉（19）中，从出料旋转阀（15）排出的气化残渣经输送单元送入燃烧炉（19）中，燃烧产生的高温烟气经高温烟气管（27）送入热解单元中，从热解单元排出的低温烟气送入预热单元中以加热空气，加热的空气作为二次风经二次风管（25）送入燃烧炉（19）中。

6.如权利要求5所述的连续式生物质热解气化装置，其特征在于，所述输送单元包括位于出料旋转阀（15）下方的出料绞龙（16）以及与出料绞龙（16）相连的溜料管（17），所述出料绞龙（16）用于将从出料旋转阀（15）排出的气化残渣送入溜料管（17）中，然后气化残渣依靠自身重力溜入燃烧炉（19）内。

7.如权利要求5所述的连续式生物质热解气化装置，其特征在于，所述排灰装置包括冷灰器（22），该冷灰器（22）通过排灰管（21）与燃烧炉（19）的底部相连，通过热空气支管一（23）与二次风管（25）相连，燃烧炉（19）内燃烧产生的灰渣经排灰管（21）进入冷灰器（22）中以加热空气，加热的空气经热空气支管一（23）和二次风管（25）作为二次风进入燃烧炉（19）中。

8.如权利要求5-7任一项所述的连续式生物质热解气化装置，其特征在于，所述预热单元包括空气预热器（28），该空气预热器（28）通过热空气支管二（26）与二次风管（25）相连，从热解单元排出的低温烟气送入空气预热器（28）中加热空气，加热的空气经热空气支管二（26）和二次风管（25）作为二次风进入燃烧炉（19）中。

9.一种连续式生物质热解气化方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的装置进行，包括如下步骤：生物质原料经送料单元送入热解单元中发生热解产生焦炭和挥发分，热解产生的焦炭和挥发分进入气化单元中进行气化反应以产生可燃气和气化残渣，可燃气和气化残渣进入换热单元中与空气换热使空气变为热空气，所述热空气一部分回送至气化单元中，用于与热解产生的焦炭和挥发分发生气化反应，另一部分作为一次风送入燃烧单元中为燃烧提供热空气，换热后的可燃气经换热单元底部送出，换热后的气化残渣输送至燃烧单元中进行燃烧，燃烧产生的高温烟气输送至热解单元中为生物质原料热解提供热量，热解过程中高温烟气与生物质原料换热变成低温烟气，低温烟气用于加热空气，加热后的空气作为二次风送入燃烧单元中，燃烧产生的灰渣排出后用于加热空气，加热后的空气同样作为二次风送入燃烧单元中。

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