CN110553255A - 一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统及方法，属于能源技术领域，该系统包括进料单元、气化单元和冷却单元。所述进料单元的生物质进料管与进渣管连接，进渣管与气化单元连接；所述气化单元的气化室下部为倒锥形布风装置，设有多层阶梯布风板，其底部中心为出渣口，与出渣管连接；出渣管与所述冷却单元连接。本发明利用流化床锅炉尾部烟气中的氧气、二氧化碳和水蒸气作为气化剂，燃煤高温灰渣的物理显热作为热源，满足生物质气化条件，产生的燃气直接引入到流化床锅炉与煤混合燃烧，具有结构紧凑、气化效率高、能减少二氧化碳排放等优点。

Description

一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统及方法

技术领域

本发明属于能源技术领域，更具体地，涉及一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统及方法。

背景技术

随着经济的快速增长和人民生活水平的不断提高，对以化石燃料为基础的能源供应的需求日益增加，而化石燃料的大量使用给环境带来了极大的危害，如酸雨、雾霾和气候变化等。为此，人们将目光转向具有清洁、CO₂零排放等优点的可再生能源的开发和利用。在各种形式的新能源中，生物质因其可利用量巨大、分布广泛及其利用方式和传统化石能源兼容而得到了特别的关注。

由于生物质中较高的碱金属含量，直接燃烧利用时，容易导致锅炉炉膛结渣、受热面积灰等问题。为此，人们提出了生物质气化混燃这一生物质间接燃烧方式，即先将生物质气化生成可燃气体，再送入锅炉与煤混烧发电。该方式能够有效解决生物质直接燃烧难以避免的积灰、结渣和腐蚀等问题，克服直燃发电锅炉容量偏小、参数偏低而导致的机组发电效率低、经济性差的弊端，在锅炉安全、经济、稳定运行等方面具有突出的优势。

流化床燃烧技术作为一种清洁的燃烧方式，具有燃烧效率高、燃料适应范围广、负荷调节性能好、炉内组织脱硫等诸多优点，在我国电力行业得到了广泛应用。然而，由于流化床通常燃用高灰分、低热值燃料，再加上炉内加钙脱硫，导致排渣量急剧增加，排渣热损失也随之增大，因此需要匹配更高效的冷渣方式。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明在流化床锅炉冷渣器的基础上，提出了一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统及方法，由此解决现有流化床燃烧技术中存在的排渣热损失较大，没有匹配的高效冷渣方式的技术问题，同时实现生物质气化和流化床燃煤锅炉的深度耦合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统，包括：进料单元、气化单元以及冷却单元；

所述进料单元，用于加入生物质原料，以使所述生物质原料与高温灰渣提前混合；

所述气化单元与所述进料单元连接，用于实现所述生物质原料、所述高温灰渣和作为气化剂的锅炉烟气的充分混合及气化反应，生产可燃气，其中，所述燃气用于流化床锅炉与煤混烧；

所述冷却单元与所述气化单元连接，用于冷却经所述气化单元气化反应后的混合灰渣，同时回收热量。

优选地，所述进料单元包括依次连接的生物质料仓、螺旋给料机、进料管和进渣管，且所述进料管上设有星型给料阀；

所述生物质料仓用于储存经过预处理的生物质原料；所述螺旋给料机用于控制所述生物质原料的给料量；所述星型给料阀用于保证给料密封；

工作时，所述生物质原料依次通过所述螺旋给料机、所述进料管和所述星型给料阀后，与通过所述进渣管输送的高温灰渣提前混合。

优选地，所述星型给料阀下端的进料管与所述进渣管通过Y形管连接。

优选地，所述气化单元包括气化室、进渣口、布风板、气化风室、进风管、出渣管及燃气出口；

其中，所述气化室侧面设有所述进渣口，所述进渣口与所述进渣管连接；所述气化室上端设有所述燃气出口，所述燃气出口与流化床锅炉炉膛连接；所述布风板位于所述气化室下部，所述布风板上具有配风孔；所述布风板底部中心为出渣口，所述出渣口与所述出渣管连接；所述出渣管与所述冷却单元连接；所述气化风室位于所述布风板下方，所述气化风室上设有所述进风管，所述进风管与流化床锅炉尾部烟气连通；

工作时，经过混合后的所述生物质原料及所述高温灰渣通过所述进渣口进入所述气化室，同时，作为气化剂的锅炉尾部烟气首先通过所述进风管进入所述气化风室，再经过所述布风板上的配风孔进入所述气化室，以实现所述生物质原料、所述高温灰渣和作为气化剂的锅炉尾部烟气的充分混合及气化反应，产生的可燃气经所述燃气出口直接引入到锅炉与煤混合燃烧，同时夹带灰渣中的细灰返回到流化床中。

优选地，所述布风板呈倒圆锥形，由多层环形阶梯子布风板构成，其中，每层所述子布风板均布置有竖直配风孔和水平配风孔，所述竖直配风孔用于流化生物质原料和灰渣，所述水平配风孔用于输送和冷却气化室底部的灰渣。

优选地，所述气化室的高径比大于6。

优选地，每层的所述子布风板的宽度为20mm～60mm，宽高比为1～4。

优选地，对于每层的所述子布风板，竖直配风孔直径为2mm～4mm，开孔率为0.5％～2％；水平配风孔直径为3mm～6mm，开孔率为1％～4％；每层的子布风板竖直配风孔为2排～5排，水平配风孔为1排～2排，错列或顺列布置。

优选地，所述冷却单元包括冷渣器，所述冷渣器入口与所述气化单元中的所述出渣管连接，用于冷却参与气化反应后的高温灰渣，回收部分热量，冷却后的灰渣通过所述冷却单元中的排渣口排出。

优选地，所述冷渣器为风冷式冷渣器、风水联合冷渣器或滚筒冷渣器中的一种。

按照本发明的另一方面，提供了一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣方法，包括：

经过预处理的生物质原料储存于生物质料仓中，由螺旋给料机控制进料量，依次通过进料管和星型给料阀，汇入输送高温灰渣的进渣管，与高温灰渣混合后从进渣口进入气化室；

锅炉尾部烟气作为气化剂首先进入气化风室，再经过布风板上的配风孔进入气化室，生物质原料、高温灰渣与气化剂在气化室充分混合并发生气化反应，产生的可燃气经气化室上部的燃气出口直接引入到锅炉与煤混合燃烧，同时夹带灰渣中的细灰返回到流化床中；

经过气化室冷却的灰渣经出渣管送入冷却单元的冷渣器中继续冷却。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明利用流化床锅炉排渣的物理显热和烟气成分进行生物质气化反应，并将生物质气化过程与流化床冷渣器有机结合，实现了流化床排渣热量的直接高效利用，同时实现灰渣冷却和生产可燃气，燃气用于流化床锅炉与煤混烧，从而减少燃煤使用量，降低了锅炉排渣热损失，提高了锅炉热效率。同时，还实现了灰渣中细灰的回收循环，弥补了滚筒冷渣器的不足。

2、生物质原料与高温灰渣在进入气化室前就混合，延长了气固接触时间，有利于提高生物质原料的气化反应活性，使得该方法具有较好的原料适应性。

3、本发明流化床气化室采用高高径比，有利于形成物料的内循环，保证充足的气化反应时间；气化室采用环形阶梯布风板，针对灰渣粒径分布广的特点，分别设有竖直和水平方向的配风孔，一方面保证灰渣流化质量，另一方面保证排渣的通畅。通过设计合理的配风孔直径和开孔率，可以优化气化和冷渣的性能，实现与冷渣器和流化床锅炉的最佳匹配。

4、本发明产生的高温燃气直接返回炉膛，避免了燃气中焦油冷凝，无需焦油处理，简化了工艺流程，同时可以优化流化床燃烧过程。

5、高温灰渣先经过气化单元降温，少量气化剂随灰渣进入冷渣器，能抑制含碳灰渣颗粒在冷渣器中二次燃烧，防止灰渣颗粒熔融、结渣导致的冷渣器运行问题，冷渣器运行更稳定性、冷渣出力调节能力更大。

6、高温灰渣除提供生物质气化所需热量外，由于其中含有大量的脱硫灰，即钙盐，因此对气化反应有催化作用；同时还可以与生物质中碱金属及碱土金属、Cl等发生反应，生成高熔点物质，防止它们挥发导致的床料粘结、设备腐蚀等问题。

7、本发明利用生物质气化产生的燃气替代煤，减少二氧化碳排放；同时燃煤灰渣中的氧化钙还可以吸收烟气中部分二氧化碳从而实现固碳作用。

8、本发明由流化床锅炉冷渣器的基础上改进而来，结构紧凑、占地小，对电厂原有布置影响较小，节省改造成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种具有生物质气化混燃功能流化床冷渣系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一中的布风板8的局部放大俯视图；

图3是本发明实施例二中的布风板8的局部放大俯视图；

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-生物质料仓，2-螺旋给料机，3-星型给料阀，4-进料管，5-气化室，6-进渣管，7-进渣口，8-布风板，9-气化风室，10-进风管，11-出渣管，12-冷渣器入口，13-排渣口，14-回风管，15-燃气出口，16-配风孔。

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。

本发明实施例提供的一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统结构示意图如图1所示，包括：气化原料进料单元、利用高温灰渣和烟气的气化单元以及气化后灰渣的冷却单元。其中：

气化进料单元用于加入生物质原料，使生物质原料与高温灰渣提前混合后再进入气化室。进料单元包括依次连接的生物质料仓1、螺旋给料机2、进料管4和进渣管6，生物质进料管上设有星型给料阀3。经过预处理的生物质原料储存于料仓中，通过螺旋给料机2控制生物质给料量，采用星型给料阀3保证给料密封，星型给料阀前后通过进料管4连接。料仓中的原料依次通过螺旋给料机、进料管和星型给料阀，星型给料阀下端的进料管与进渣管6通过“Y”形管连接，用于提前混合生物质原料与高温灰渣，提高气化反应性。

流化床气化单元用于在气化介质氛围下混合锅炉高温灰渣与气化原料，在布风板合理的配风方式下促使高温灰渣、生物质原料与气化剂充分混合，发生气化反应，生产可燃气。气化单元包括气化室5、进渣口7、布风板8、气化风室9、进风管10、出渣管11、燃气出口15等。气化室5侧面设有进渣口7，“Y”形进渣管6中的高温混合灰渣通过进渣口进入气化室。气化室上端设有燃气出口15，与流化床锅炉炉膛连接；布风板8位于气化室下部，呈倒圆锥形，由多层环形阶梯子布风板构成，每层子布风板均布置有竖直和水平配风孔，竖直配风孔主要起到流化生物质原料和灰渣的作用，而水平配风孔则主要起到输送和冷却气化室底部灰渣的作用；布风板底部中心为出渣口，与出渣管11连接；布风板下方是气化风室9，设有进风管10，与流化床锅炉尾部烟气连通。作为气化剂的锅炉尾部烟气首先通过进风管10进入气化风室9，再经过布风板8上的配风孔进入气化室5。生物质原料、高温灰渣与气化剂在气化室充分混合并发生气化反应，产生的可燃气经气化室上部燃气出口15直接引入到锅炉与煤混合燃烧，燃气中的焦油不会冷凝析出，同时夹带灰渣中的细灰返回到流化床中，保证流化床内的细灰浓度满足高效燃烧和传热的要求。

其中，气化风室位于布风板下方，两者连接成一个整体。

其中，气化过程中选用的气化原料为可以是农林废弃物、垃圾和污泥等生物质，也可以是生物质转化后的剩余物，如焦炭、废渣等；根据需要，气化前进行必要的干燥、破碎预处理。星型给料阀密封效果好，可以有效防止气化过程中出现气体倒流现象，保证进料单元在正常运行和在线检修时的气密性。

其中，气化过程中选用的气化剂为锅炉尾部烟气，其中含有二氧化碳、水蒸气和少量的氧气，该气氛下的气化反应是吸热过程，利用高温灰渣提供的热量和灰渣中含有的金属元素的催化作用，同时实现了冷却灰渣的作用。

灰渣冷却单元主体为冷渣器，冷渣器入口与气化单元出渣管11连接，用于冷却参与气化反应后的高温灰渣，回收部分热量，冷却后的灰渣通过排渣口13排出。

其中，在图1中，1为生物质原料，②为煤灰渣，③为气化介质，④为混合灰渣，⑤为气化气。

具体实施例一：

具体实施例一的结构示意图与图1一致，生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统的运行方式与前述相同。

特别的，流化床气化单元结构参数如下：气化室的高径比为12，倒圆锥形布风板8宽高比为3，布风板为环形阶梯状，共有9层。如图2所示，每层布风板宽60mm，每层布风板设置4排竖直配风孔16，竖直配风孔直径为4mm，配风孔采用错列布置，开孔率为1.5％。每层布风板设置2排水平配风孔，水平配风孔直径为6mm，配风孔采用错列布置，开孔率为4％。该设计的竖直配风孔保证了反应物轴向流动的顺畅，实现气化室内循环流动，增加气化反应时间，保证气化反应充分进行；水平配风孔较大的流量保证了高温灰渣，特别是粗渣向向中心出渣口的径向运动，使灰渣顺利排出，同时强化该过程的冷渣效果。

特别的，灰渣冷却单元主体为风水联合冷渣器，气化单元出渣口通过出渣管11与冷渣单元风水联合冷渣器连接，将混合灰渣冷却至所需温度，细灰渣通过回风管14返还至流化床炉膛。

具体实施例二：

具体实施例一的结构示意图与图1一致，生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统的运行方式与前述相同。

特别的，流化床气化单元结构参数如下：气化室的高径比为9，倒圆锥形布风板8宽高比为2，布风板为环形阶梯状，共有8层。如图3所示，每层布风板宽40mm，每层布风板设置2排竖直配风孔，竖直配风孔直径为2mm，配风孔采用错列布置，开孔率为0.8％。每层布风板设置1排水平配风孔，水平配风孔直径为4mm，开孔率为2％。该设计的竖直配风孔保证了反应物轴向流动的顺畅，实现气化室内循环流动，增加气化反应时间，保证气化反应充分进行；水平配风孔较大的流量保证了高温灰渣，特别是粗渣向中心出渣口的径向运动，使灰渣顺利排出，同时强化该过程的冷渣效果。

特别的，灰渣冷却单元主体为滚筒冷渣器，气化单元出渣口通过出渣管11与冷渣单元滚筒冷渣器连接，将混合灰渣冷却至所需温度。

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)

1.一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣系统，其特征在于，包括：进料单元、气化单元以及冷却单元；

所述进料单元，用于加入生物质原料，以使所述生物质原料与高温灰渣提前混合；

所述气化单元与所述进料单元连接，用于实现所述生物质原料、所述高温灰渣和作为气化剂的锅炉烟气的充分混合及气化反应，生产可燃气，其中，所述燃气用于流化床锅炉与煤混烧；

所述冷却单元与所述气化单元连接，用于冷却经所述气化单元气化反应后的混合灰渣，同时回收热量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进料单元包括依次连接的生物质料仓、螺旋给料机、进料管和进渣管，且所述进料管上设有星型给料阀；

所述生物质料仓用于储存经过预处理的生物质原料；所述螺旋给料机用于控制所述生物质原料的给料量；所述星型给料阀用于保证给料密封；

工作时，所述生物质原料依次通过所述螺旋给料机、所述进料管和所述星型给料阀后，与通过所述进渣管输送的高温灰渣提前混合。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述星型给料阀下端的进料管与所述进渣管通过Y形管连接。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述气化单元包括气化室、进渣口、布风板、气化风室、进风管、出渣管及燃气出口；

其中，所述气化室侧面设有所述进渣口，所述进渣口与所述进渣管连接；所述气化室上端设有所述燃气出口，所述燃气出口与流化床锅炉炉膛连接；所述布风板位于所述气化室下部，所述布风板上具有配风孔；所述布风板底部中心为出渣口，所述出渣口与所述出渣管连接；所述出渣管与所述冷却单元连接；所述气化风室位于所述布风板下方，所述气化风室上设有所述进风管，所述进风管与流化床锅炉尾部烟气连通；

工作时，经过混合后的所述生物质原料及所述高温灰渣通过所述进渣口进入所述气化室，同时，作为气化剂的锅炉尾部烟气首先通过所述进风管进入所述气化风室，再经过所述布风板上的配风孔进入所述气化室，以实现所述生物质原料、所述高温灰渣和作为气化剂的锅炉尾部烟气的充分混合及气化反应，产生的可燃气经所述燃气出口直接引入到锅炉与煤混合燃烧，同时夹带灰渣中的细灰返回到流化床中。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述布风板呈倒圆锥形，由多层环形阶梯子布风板构成，其中，每层所述子布风板均布置有竖直配风孔和水平配风孔，所述竖直配风孔用于流化生物质原料和灰渣，所述水平配风孔用于输送和冷却气化室底部的灰渣。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述气化室的高径比大于6。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，每层的所述子布风板的宽度为20mm～60mm，宽高比为1～4。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，对于每层的所述子布风板，竖直配风孔直径为2mm～4mm，开孔率为0.5％～2％；水平配风孔直径为3mm～6mm，开孔率为1％～4％；每层的子布风板竖直配风孔为2排～5排，水平配风孔为1排～2排，错列或顺列布置。

9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述冷却单元包括冷渣器，所述冷渣器入口与所述气化单元中的所述出渣管连接，用于冷却参与气化反应后的高温灰渣，回收部分热量，冷却后的灰渣通过所述冷却单元中的排渣口排出，其中，所述冷渣器为风冷式冷渣器、风水联合冷渣器或滚筒冷渣器中的一种。

10.一种具有生物质气化混燃功能的流化床冷渣方法，其特征在于，包括：

经过预处理的生物质原料储存于生物质料仓中，由螺旋给料机控制进料量，依次通过进料管和星型给料阀，汇入输送高温灰渣的进渣管，与高温灰渣混合后从进渣口进入气化室；

锅炉尾部烟气作为气化剂首先进入气化风室，再经过布风板上的配风孔进入气化室，生物质原料、高温灰渣与气化剂在气化室充分混合并发生气化反应，产生的可燃气经气化室上部的燃气出口直接引入到锅炉与煤混合燃烧，同时夹带灰渣中的细灰返回到流化床中；

经过气化室冷却的灰渣经出渣管送入冷却单元的冷渣器中继续冷却。