CN111269735B - 一种生物质三段式加压高温热解气化装置 - Google Patents

Abstract

一种生物质三段式加压高温热解气化装置，属于生物质热解气化技术领域。本发明解决了现有的生物质热解气化中焦油含量高、产气热值低的问题。蓄热体连通设置在高温烟气生成装置与第一段之间，高温烟气生成装置生成的高温烟气经蓄热体进入第一段，生物质颗粒通过CO₂气体携带加压进入所述第一段内，生物质颗粒在第一段内进行高温热解和裂解；第二段及第三段内沿长度方向贯穿布置有蓄热中心管，所述生物质气进入蓄热中心管，通过向第二段内通入水蒸汽，使水蒸汽、CO₂气体与第一段内生成的半焦在第二段内发生还原反应；向第三段内通入纯氧气，第二段内发生的还原反应后剩余的半焦与纯氧气发生氧化反应，焦油在纯氧条件下被完全烧掉。

Description

一种生物质三段式加压高温热解气化装置

技术领域

本发明涉及一种生物质三段式加压高温热解气化装置，属于生物质热解气化技术领域。

背景技术

目前消除生物的方式通常有无组织焚烧、生物质锅炉、生物质气化燃烧锅炉、生物质气化等，其中无组织焚烧是造成雾霾天气的原因之一，被禁止；生物质锅炉，在中国用的较多，但是主要问题依然没有解决NOx排放的问题；生物质气化燃烧锅炉，先通过生物质气化产生生物质气，然后以生物质气作为燃料，实际上锅炉就变成了燃气锅炉，通过低氮燃烧等方式，降低NOx排放；生物质气化炉，实际上是解决无组织焚烧的最好方式，同时也可以解决农民的家庭用燃气问题，有助于切实提高农民的生活质量，但由于生物质气化炉一致没有解决焦油和生物质气热值低的问题，使生物质气化炉使用遇到了瓶颈。

生物质热解气化是一种热化学转化方法，目前利用生物质热解气化技术的方法较多，比如利用生物质热解制气、利用生物质气化制气等，另外现在的生物质锅炉，也有一部分采用前端是生物质气化，然后生物质气进入锅炉进行燃烧等情况。针对不同的使用目的，对于生物质气含有焦油的要求有着极大的不同，比如以制气为目的，并且生物质气用于家庭炉灶燃烧等，其焦油含量要求较低，尽可能的不产生焦油，否则容易堵塞气体输送管路。另外，一些常见的上吸式气化炉、下吸式气化炉等使用一段时间后废弃，主要原因是生物质气中的焦油含量太高导致的，而且使用水洗去除焦油的方法也污染了水源，焦油中的一些成分都含有苯环等致病物质。生物质气不被市场广泛接受的另外一个重要原因是其热值较低，一般生物质气热值为1700kcal/m³左右，仅为天然气热值的1/5，这也影响了居民用气的质量。

现有技术中的三段式气化炉第二段通常是氧化段，在缺氧条件下燃烧部分生物质来提供热量，这种做法的缺点是不能解决焦油问题，同时也导致生物质气热值低的问题，因此如何解决以制气为目的的生物质热解气化中存在的焦油、生物质气热值低等问题，一直困扰着生物质制气化技术的广泛使用，如果解决了生物质气中焦油含量高、热值低的问题，对于改善农民生活条件具有重要意义。

发明内容

本发明是为了解决现有的生物质热解气化中焦油含量高、产气热值低的问题，进而提供了一种生物质三段式加压高温热解气化装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种生物质三段式加压高温热解气化装置，它包括三段式生物质热解气化炉、高温烟气生成装置、蓄热体、旋风分离器及间壁式水冷换热装置，其中三段式生物质热解气化炉由上到下依次为第一至第三段，蓄热体连通设置在高温烟气生成装置与第一段之间，高温烟气生成装置生成的高温烟气经蓄热体进入第一段，生物质颗粒通过CO₂气体携带加压进入所述第一段内，生物质颗粒在第一段内进行高温热解和裂解，生成生物质气、半焦和焦油；

第二段及第三段内沿长度方向贯穿布置有蓄热中心管，所述生物质气进入蓄热中心管，通过向第二段内通入水蒸汽，使水蒸汽、CO₂气体与第一段内生成的半焦在第二段内发生还原反应；

向第三段内通入纯氧气，第二段内发生的还原反应后剩余的半焦与纯氧气发生氧化反应，焦油在纯氧条件下被完全烧掉；生成的生物质气、固体残余物进入三段式生物质热解气化炉尾部，其中生物质气进入蓄热中心管并由下至上依次经过第三段和第二段，在第三段吸热，在第二段放热，旋风分离器连通设置在间壁式水冷换热装置与第二段内的蓄热中心管之间，蓄热中心管内的生物质气依次经旋风分离器及间壁式水冷换热装置排出；

固体残余物通过液态排渣排出三段式生物质热解气化炉。

进一步地，高温烟气生成装置的入口端连接有天然气管道，旋风分离器的出口端与高温烟气生成装置的入口端之间连接有生物质气管道。

进一步地，高温烟气生成装置与第二段之间通过蒸汽管道连通。

进一步地，间壁式水冷换热装置与高温烟气生成装置之间通过热水管道连通。

进一步地，在三段式生物质热解气化炉外壁，沿高度方向均匀布置有S型高温热电偶。

进一步地，所述高温烟气生成装置为燃气锅炉。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请中的三段式生物质热解气化炉在生物质热解气化过程中的先后顺序为裂解-还原-氧化，与现有技术中热解气化过程裂解-氧化-还原相比恰好相反，本申请中最后进行纯氧氧化，可以将几乎全部焦油燃烧掉，将生物质气中的焦油极大减少，不仅免去了后续对生物质气进行水洗去除焦油，还大大提高了生物质气的热值。

附图说明

图1为本申请的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视示意图(放大示意)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1及2说明本实施方式，一种生物质三段式加压高温热解气化装置，它包括三段式生物质热解气化炉、高温烟气生成装置1、蓄热体2、旋风分离器3及间壁式水冷换热装置4，其中三段式生物质热解气化炉由上到下依次为第一至第三段，蓄热体2连通设置在高温烟气生成装置1与第一段5之间，高温烟气生成装置1生成的高温烟气经蓄热体2进入第一段5，生物质颗粒通过CO₂气体携带加压进入所述第一段5内，生物质颗粒在第一段5内进行高温热解和裂解，生成生物质气、半焦和焦油；

第二段6及第三段7内沿长度方向贯穿布置有蓄热中心管8，所述生物质气进入蓄热中心管8，通过向第二段6内通入水蒸汽，使水蒸汽、CO₂气体与第一段5内生成的半焦在第二段6内发生还原反应；

向第三段7内通入纯氧气，第二段6内发生的还原反应后剩余的半焦与纯氧气发生氧化反应，焦油在纯氧条件下被完全烧掉；生成的生物质气、固体残余物进入三段式生物质热解气化炉尾部，其中生物质气进入蓄热中心管8并由下至上依次经过第三段7和第二段6，在第三段7吸热，在第二段6放热，旋风分离器3连通设置在间壁式水冷换热装置4与第二段6内的蓄热中心管8之间，蓄热中心管8内的生物质气依次经旋风分离器3及间壁式水冷换热装置4排出；

固体残余物通过液态排渣排出三段式生物质热解气化炉。

所述生物质颗粒为粉碎后粒径小于3mm的颗粒，CO₂气体所起的作用，一是携带作用，二是可以作为气化介质，气化生物质热解后的焦炭。

生物质颗粒在第一段5内发生裂解反应，即第一段5为裂解段；在第二段6内发生还原反应，即第二段6为还原段；在第三段7内发生氧化反应，即第三段7为氧化段。

在第二段6使用水蒸气和第一段5的CO₂气体进行还原反应；其中水蒸气和CO₂气体与焦炭发生还原反应，生成CO和H₂。水蒸气来源于第一段5高温烟气生成装置1的水冷壁产生的水蒸汽，喷入第二段6内用做气化介质。

通过制氧机向第三段7内给入少量纯氧气用于燃烧，此段可以用纯氧在1200℃以上高温、1～3MPa加压条件点燃焦油和部分焦炭，进一步补充热量，生成CO和H₂。

本申请中的三段式生物质热解气化炉在生物质热解气化过程中的先后顺序为裂解-还原-氧化，与现有技术中热解气化过程裂解-氧化-还原相比恰好相反，本申请中最后进行氧化，可以将几乎全部焦油燃烧掉，将生物质气中的焦油极大减少，不仅免去了后续对生物质气进行水洗去除焦油，还可以提高生物质气的热值。

生物质在近似惰性条件下，进行高温热解和裂解，其热解和裂解热量来自于高温烟气。

蓄热体2由密布的陶瓷管组成。

高温生物质气通过蓄热中心管8沿炉膛高度逆向行进，从第二段6进入旋风分离器3，靠离心力分离生物质气中的固体颗粒等，经过分离后的生物质气紧接着进入间壁式水冷换热装置4，进一步降低生物质气温度直到常温条件。蓄热中心管8的材质为内衬耐高温陶瓷材料。

间壁式水冷换热装置4即为间壁式换热器，其管内工质为水，管外工质为生物质气。

蓄热中心管8固装在第二段6及第三段7内部。

工作原理：

首先在无氧条件下，使生物质在1000℃以上的高温条件下，生成生物质气、少量焦油和半焦；第二步，利用蓄热体2的热量，使用水蒸气作为气化介质来气化半焦，进一步提高生物质气的热值；第三步，在氧化段利用少量纯氧烧掉焦油，同时与半焦进一步反应生成CO等可燃气体，该步在完全去除焦油的情况下，可以进一步提高生物质气的产气率，提高生物质气的热值。

高温烟气生成装置1的入口端连接有天然气管道9，旋风分离器3的出口端与高温烟气生成装置1的入口端之间连接有生物质气管道10。如此设计，在三段式生物质热解气化炉启动时，使用天然气燃烧产生的高温烟气进行气化，当三段式生物质热解气化炉产气后，则利用自身生物质气化产生的生物质气，通过旋风分离器3送入高温烟气生成装置1内进行燃烧，产生高温烟气，为生物质热解和裂解提供1200℃以上高温环境。裂解段属于绝热装置，该段为了提高高温，布置绝热条件。

高温烟气生成装置1与第二段6之间通过蒸汽管道连通11。如此设计，通过高温烟气生成装置1为第二段6的还原反应提供水蒸汽。

间壁式水冷换热装置4与高温烟气生成装置1之间通过热水管道连通12。如此设计，通过间壁式水冷换热装置4为高温烟气生成装置1提供热水。

在三段式生物质热解气化炉外壁，沿高度方向均匀布置有S型高温热电偶13。如此设计，用于监测和控制炉内温度。

所述高温烟气生成装置1为燃气锅炉。

通过本申请的生物质三段式加压高温热解气化装置制生物质气的过程如下：

步骤1：启动气体为天然气，天然气燃烧后的高温烟气进入蓄热体2，在蓄热体2中进一步提升烟气温度到1000℃以上，然后高温烟气进入三段式加压高温热解气化炉的第一段5，在第一段5提供热量供生物质热解和热裂解；

步骤2：生物质颗粒在二氧化碳气体的携带下，进入三段式加压高温热解气化炉第一段5，利用高温烟气提供的热量，在第一段5内生物质完成热裂解，生成生物质气、半焦和少量焦油；

步骤3：在第一段5生成的生物质气、半焦和少量焦油进入第二段6，第二段6的热量来自于第三段7的生物质气在蓄热中心管8内蓄积的热量，在第二段6半焦和CO₂、水蒸气发生还原反应，生成CH₄、H₂和CO等可燃气体；

步骤4：步骤1、步骤2、步骤3生成的烟气、可燃气体、半焦和少量焦油进入气化炉的第三段7，也就是氧化段，在此段，纯氧将与剩余的半焦发生氧化反应，生成CO，而且在纯氧条件下焦油将完全被烧掉，此段生成的气体成分主要是可燃气体、少量的N2、少量的CO₂气体和少量的水蒸气；

步骤5：来自步骤4的生物质气、固体残余物进入气化炉尾部，在尾部，生物质气进入蓄热中心管8，在蓄热中心管8里从尾部依次经过第三段7和第二段6，在第三段7吸收热量，在第二段6放出热量，为第二段6提供还原反应所需的热量；固体残余物通过液态排渣排出气化炉；所述液态排渣技术为现有技术，此处不再赘述。

步骤6：生物质气从第二段6出来后进入旋风分离器3，进一步分离生物质气中的小颗粒，干净的生物质气进入间壁式换热器，通过水-气不接触换热，将生物质气进一步降低到接近环境温度，然后进入储气柜；生物质气不经过直接接触水冷却，避免了水体的二次污染，具有巨大的社会效益。

Claims (6)

1.一种生物质三段式加压高温热解气化装置，其特征在于：它包括三段式生物质热解气化炉、高温烟气生成装置（1）、蓄热体（2）、旋风分离器（3）及间壁式水冷换热装置（4），其中三段式生物质热解气化炉由上到下依次为第一至第三段，蓄热体（2）连通设置在高温烟气生成装置（1）与第一段（5）之间，高温烟气生成装置（1）生成的高温烟气经蓄热体（2）进入第一段（5），生物质颗粒通过CO₂气体携带加压进入所述第一段（5）内，生物质颗粒在第一段（5）内进行高温热解和裂解，生成生物质气、半焦和焦油；

第二段（6）及第三段（7）内沿长度方向贯穿布置有蓄热中心管（8），在第一段生成的所述生物质气、半焦和焦油进入第二段（6），通过向第二段（6）内通入水蒸汽，使水蒸汽、CO₂气体与第一段（5）内生成的半焦在第二段（6）内发生还原反应；

向第三段（7）内通入纯氧气，第二段（6）内发生的还原反应后剩余的半焦与纯氧气发生氧化反应，焦油在纯氧条件下被完全烧掉；生成的生物质气、固体残余物进入三段式生物质热解气化炉尾部，其中生物质气进入蓄热中心管（8）并由下至上依次经过第三段（7）和第二段（6），在第三段（7）吸热，在第二段（6）放热，旋风分离器（3）连通设置在间壁式水冷换热装置（4）与第二段（6）内的蓄热中心管（8）之间，蓄热中心管（8）内的生物质气依次经旋风分离器（3）及间壁式水冷换热装置（4）排出；

固体残余物通过液态排渣排出三段式生物质热解气化炉。

2.根据权利要求1所述的一种生物质三段式加压高温热解气化装置，其特征在于：高温烟气生成装置（1）的入口端连接有天然气管道（9），旋风分离器（3）的出口端与高温烟气生成装置（1）的入口端之间连接有生物质气管道（10）。

3.根据权利要求1或2所述的一种生物质三段式加压高温热解气化装置，其特征在于：高温烟气生成装置（1）与第二段（6）之间通过蒸汽管道连通（11）。

4.根据权利要求3所述的一种生物质三段式加压高温热解气化装置，其特征在于：间壁式水冷换热装置（4）与高温烟气生成装置（1）之间通过热水管道连通（12）。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种生物质三段式加压高温热解气化装置，其特征在于：在三段式生物质热解气化炉外壁，沿高度方向均匀布置有S型高温热电偶（13）。

6.根据权利要求1、2或4所述的一种生物质三段式加压高温热解气化装置，其特征在于：所述高温烟气生成装置（1）为燃气锅炉。

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