CN112159684A - 利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，所述方法包括将生物质制备为粉料；将粉料间断地喷入到射流气化熔炼炉的熔池内；加热熔池，粉料进行不充分燃烧，并迅速发生裂解反应和氢化反应，产生造渣成分和高热值烟气，高热值烟气用于制备气体燃料；根据射流气化熔炼炉内的热平衡情况，向熔池内喷入天然气以对粉料的燃烧过程进行补热；向射流气化熔炼炉的熔池内间断地喷入辅料，造渣成分和辅料发生反应，产生熔渣，熔渣用于生产建筑材料。本发明实施例的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法实现了对生物质废料的充分利用，且生物质在反应过程无污害产生。

Description

利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法
技术领域
本发明涉及能源转化的技术领域，更具体地，涉及一种利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法。
背景技术
生物质能源是未来替代煤料的必然选择，通过利用生物质能源既实现了生物质的综合利用，又节约了宝贵的化石燃料。
在相关技术中，对于农作物秸秆的利用以饲料、传统生活燃料和还田肥料为主，以秸秆生产乙醇和生物质原油为辅，秸秆的总利用率较低。同时，以焚烧的方式处理秸秆时，产生的烟气中含有大量的CO2、SO2和二噁英，对环境的严重污染。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的实施例提出了一种利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，本发明能够实现生物质废料的充分利用，且在生物质转化的过程中无污害成分产生。
根据本发明实施例的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法包括将生物质制备为粉料；将所述粉料间断地喷入到射流气化熔炼炉的熔池内；加热所述熔池，控制所述射流气化熔炼炉内的氧气含量使所述粉料进行不充分燃烧，并迅速发生裂解反应和氢化反应，产生造渣成分和高热值烟气，所述高热值烟气用于制备气体燃料；根据所述射流气化熔炼炉内的热平衡情况，向所述熔池内喷入天然气以对所述粉料的燃烧过程进行补热；向射流气化熔炼炉的熔池内间断地喷入辅料，所述造渣成分和所述辅料发生反应，产生熔渣，所述熔渣用于生产建筑材料。
根据本发明实施例的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，通过将生物质制备为粉料，将粉料喷入到熔池内，并通过控制射流气化熔炼炉内的氧气含量使粉料进行不充分燃烧，粉料在熔池内迅速发生裂解反应和氢化反应，得到造渣成分和高热值烟气，造渣成分用于生产建筑材料，高热值烟气用于制备气体燃料，实现了对生物质废料的充分利用，且生物质在反应过程无污害产生。
在一些实施例中，所述天然气使所述粉料在所述熔池内强烈搅动。
在一些实施例中，所述高热值烟气经过除尘、加压、除酸和分离后得到CO、H2和化工合成气，所述化工合成气包括Fischer-Tropsch液体燃料、天然气、烯烃类气体、醇醚类气体和氨气中的一种或多种。
在一些实施例中，所述射流气化熔炼炉内的空气过剩系数为0.5-0.95。
在一些实施例中，所述熔渣在所述射流气化熔炼炉内的厚度为1.0m-1.5m。
在一些实施例中，所述熔渣通过气化熔炼处理得到金属混合物和液态熔渣，所述液态熔渣通过水淬处理后得到所述建筑材料，所述金属混合物可直接回收利用。
在一些实施例中，将生物质在干燥炉中进行干燥，将干燥后的生物质送入破碎机中进行破碎，破碎后的生物质的粒度小于或等于5毫米。
在一些实施例中，所述高热值烟气经过余热装置回收余热，所述余热用于对所述生物质进行干燥。
在一些实施例中，所述造渣成分包括CaO、K2O和SiO2。
在一些实施例中，所述射流气化熔炼炉包括炉体；第一喷吹装置，所述第一喷吹装置设在所述炉体的顶部，用于将所述辅料喷入到所述炉体的熔池内；第二喷吹装置，所述第二喷吹装置设在所述炉体的侧壁上，用于将所述粉料、所述天然气和富氧气体喷入到所述炉体的熔池内；烟气排放口，所述烟气排放口设在所述炉体上，用于将所述高热值烟气排出；熔渣排放口，所述熔渣排放口设在所述炉体上，用于将所述熔渣排出；金属排放口，所述金属排放口设在所述炉体上，用于将所述金属混合物排出。
附图说明
图1是根据本发明实施的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法的流出图。
图2是根据本发明实施的射流气化熔炼炉的正视图。
图3是根据本发明实施的射流气化熔炼炉的侧视图。
附图标记：
炉体 1，第一进料口 2，第二进料口 3，烟气排放口 4，熔渣排放口 5，金属排放口6。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，根据本发明实施例的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法包括：
将生物质制备为粉料，其中，生物质是人类在利用生物质的过程中生产和消费产生的废弃物，本发明中的生物质可以为木屑、秸秆、椰壳、皮革加工废屑和畜禽粪便等中的至少一种。
将粉料间断地喷入到射流气化熔炼炉的熔池内，通过喷入的方式可使生物质的粉料在射流气化熔炼炉的熔池内呈高度分散状，使得生物质的粉料在射流气化熔炼炉的熔池内能够同时发生反应且缩短反应时间。
加热熔池，控制射流气化熔炼炉内的氧气含量使粉料进行不充分燃烧，并迅速发生裂解反应和氢化反应，产生造渣成分和高热值烟气，高热值烟气用于制备气体燃料。
根据射流气化熔炼炉内的热平衡情况，向熔池内喷入天然气以对粉料的燃烧过程进行补热。
向射流气化熔炼炉的熔池内间断地喷入辅料，造渣成分和辅料发生反应，产生熔渣，熔渣用于生产建筑材料。优选地，辅料包括但不限于石灰石和石英，将石灰石和石英送入干燥窑进行初步脱水，将物理含水降为8％-10％，改善辅料的输送性能，将干燥后辅料破碎到小于5毫米以下，使得辅料在熔池内和造渣成分充分混合。
根据本发明实施例的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，通过将生物质制备为粉料，将粉料喷入到熔池内，并通过控制射流气化熔炼炉内的氧气含量使粉料进行不充分燃烧，粉料在熔池内迅速发生裂解反应和氢化反应，得到造渣成分和高热值烟气，造渣成分用于生产建筑材料，高热值烟气用于制备气体燃料，实现了对生物质废料的充分利用，且生物质在反应过程无污害产生。
在一些实施例中，天然气使粉料在熔池内强烈搅动，由于鼓入熔池的天然气给高温熔体输入了很大的搅拌功率，使熔池强烈搅动，强化了熔池内气、液、固之间的传质传热过程，提高了反应速度。
在一些实施例中，高热值烟气经过除尘、加压、除酸和分离后得到CO、H2和化工合成气，化工合成气包括Fischer-Tropsch液体燃料、天然气、烯烃类气体、醇醚类气体和氨气中的一种或多种。由此，将生物质废料转化成了气体燃料，在本发明中，通过控制射流气化熔炼炉内的氧气含量，使生物质粉料不充分燃烧可以得到大量的CO和H2。
在一些实施例中，射流气化熔炼炉内的空气过剩系数在0.5-0.95之间，通过控制射流气化熔炼炉内的空气过剩系数小于1，造成射流气化熔炼炉内的氧气含量不足，可使射流气化熔炼炉内的生物质粉料发生不充分燃烧，使得生物质中的CxHyOz成分发生裂解反应，生成CO和H2，优选地，当空气过剩系数为0.5时，射流气化熔炼炉内的CO和H2的含量会大于空气过剩系数为0.95时射流气化熔炼炉内的CO和H2的含量。其中，当空气过剩系数过低时(例如小于0.5)，会使射流气化熔炼炉内的氧气含量严重不足，使得发生裂解反应的生物质粉料减少，造成射流气化熔炼炉内的CO和H2的含量降低。优选的，根据射流气化熔炼炉内的情况，设定射流气化熔炼炉内的空气过剩系数。
在一些实施例中，熔渣在射流气化熔炼炉内的厚度在1.0m-1.5m之间，由此，生物质的粉料在喷入熔渣层后，粉料与射流气化熔炼炉内喷入的富氧空气有充足的时间进行裂解反应和氢化反应，当熔池内的熔渣层达到一定深度后，将熔渣层从射流气化熔炼炉内排出。其中，当熔渣层的厚度小于1.0m时，不利于粉料与射流气化熔炼炉内喷入的富氧空气充分反应，降低了生物质粉料的裂解反应和氢化反应的速率，使得CO和H2的产量降低；当熔渣层的厚度大于1.5m时，会占用射流气化熔炼炉内的空间，使得生物质粉料的反应空间减小，不利于生物质粉料的裂解反应和氢化反应的进行。
在一些实施例中，熔渣通过气化熔炼处理得到金属混合物和液态熔渣，液态熔渣通过水淬处理后得到建筑材料，金属混合物可直接回收利用。
在一些实施例中，将生物质在干燥炉中进行干燥，将干燥后的生物质送入破碎机中进行破碎，破碎后的生物质的粒度小于或等于5毫米。其中，将干燥后生物质的物理含水降为8％以下，改善生物质的输送性能。
在一些实施例中，高热值烟气经过余热装置回收余热，余热用于对生物质进行干燥。其中，高热值烟气的温度在1200-1500℃之间，余热装置吸收高热值烟气温度并产生大量水蒸气，该水蒸气可用于对生物质进行干燥。在一些实施例中，造渣成分包括CaO、K2O和SiO2。
在一些实施例中，如图2和图3所示，射流气化熔炼炉包括炉体1、第一喷吹装置(未示出)和第二喷吹装置(未示出)。
炉体1上设有第一进料口2、第二进料口3、烟气排放口4、熔渣排放口5和金属排放口6。
第一喷吹装置设在炉体1的顶部，第一喷吹装置的喷口安装在第一进料口2内，第一喷吹装置用于将辅料喷入到炉体1的熔池内。
第二喷吹装置设在炉体1的侧壁上，第二喷吹装置的喷口安装在第二进料口3内，第二喷吹装置至少为3个，其中3个第二喷吹装置分别用于将粉料、天然气和富氧气体喷入到炉体的熔池内。
烟气排放口4设在炉体1上，用于将高热值烟气排出。熔渣排放口5设在炉体1上，用于将熔渣排出。金属排放口6设在炉体1上，用于将金属混合物排出。
根据本发明一个具体实施例的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法包括如下步骤：
对生物质进行炉前处理，生物质主要由木屑、秸秆、椰壳、皮革加工废屑和畜禽粪便等成分组成，将生物质送入天然气或粉煤为燃料的干燥窑进行初步脱水，将物理含水降为8％以下，将干燥后的生物质物料送破碎机破碎，破碎或的粒度小于5毫米，得到生物质粉料。
将生物质的粉料通过气体输送，送入射流气化熔炼炉的前接收仓，通过串罐式喷吹装置喷出，经过分配器平均分配后分配给若干只射流喷枪，射流喷枪安装在第二进料口3内，生物质物料颗粒和空气泡在熔渣中呈高度分散状。
生物质粉料经过射流喷枪高速喷入熔炼炉内的熔池中，迅速完成裂解、氢化反应，同时与生物质的射流喷枪交错布置有天然气的射流喷枪喷枪，根据炉内热平衡情况，喷吹天然气浸没燃烧补热，由于鼓入熔池的气体给高温熔体输入了很大的搅拌功率，使熔池强烈搅动，强化了气—液—固之间的传质传热过程，加速反应进行。
辅料通过串罐式喷吹装置喷出，经过设置于炉体1顶部的射流喷枪喷入炉内的气相区中，落入熔池后迅速完成造渣反应。
生物质粉料主要发生如下反应：
生物质中外在水分和内在水分迅速蒸发汽化为水蒸汽，部分水蒸汽作为气化剂与生物质粉料发生气化反应生成CO和H2等高热值烟气，部分水蒸汽上浮混入高热值烟气由炉顶烟气口引出。
生物质物料在炉内熔池不充分燃烧，并迅速完成裂解、氢化反应，CxHyOz生成CO和H2等高热值烟气。其中，生物质物料的不充分物料燃烧反应热可以维持炉内热平衡，热平衡不够时通过天然气喷枪燃烧补热。
生物质物料中的造渣成分CaO、K2O、SiO2等成分与辅料完成造渣反应。
炉体1内的渣层达到一定深度后，通过渣溜槽水淬后作为建材外卖，气化熔炼过程中得到的少量金属层定期排放。
炉体1内产生的高温烟气温度1200-1500℃经余热锅炉或其它换热装置回收余热，所产蒸汽送干燥工段。
经余热锅炉冷却后的烟气通过净化工序后，烟气送用户二次利用或进气罐储存外售或作化工产品。
根据本发明一个具体实施例的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法的具体示例如下：
如表1所示，根据生物质粉料的重量，完成其它物料的配比和设定射流气化熔炼炉的使用参数。
表1
Figure BDA0002665725470000051
Figure BDA0002665725470000061
如表1所示，根据生物质处理量的不同，天然气、氧气、氮气和熔剂的消耗也不同，以及所生产的烟气中主要成分的含量也不同。
实施例1：生物质处理量为1000Kg/h，天然气的添加量设定为300Nm3/h，氧气的添加量设定为500Nm3/h，氮气的添加量设定为500Nm3/h，熔剂的添加量设定为100Kg/h，渣量的添加量设定为150Kg/h，最终生成的热解烟气量为3000Nm3/h。生物质经过反应后所生产的烟气中的主要成分包括：体积比约38％的CO、约22％的H2和约15％的N2。
如表2和表3所示，生物质处理量为1000Kg/h时，射流气化熔炼炉的反应物料如下：
表2
Figure BDA0002665725470000062
如表2所示，当烧渣中含有Fe元素，且Si元素的含量小于Fe元素的含量时，射流气化熔炼炉发生反应时的冶炼温度在1200℃-1300℃之间。
可以理解的是，本发明中生物质、烧渣和石灰石的成分并不限于此，且根据反应物料中成分不同，射流气化熔炼炉发生反应时的冶炼温度也不同。例如，当烧渣中不含有Fe元素而Si元素大量存在时，射流气化熔炼炉发生反应时的冶炼温度在1400℃-1500℃之间。
表3
Figure BDA0002665725470000071
如表4所示，生物质处理量为1000Kg/h时，通过本发明的生物质能源转化方法得到的物料。
表4
Figure BDA0002665725470000072
实施例2：生物质处理量为800Kg/h，天然气的添加量设定为200Nm3/h，氧气的添加量设定为300Nm3/h，氮气的添加量设定为400Nm3/h，熔剂的添加量设定为80Kg/h，渣量的添加量设定为100Kg/h，最终生成的热解烟气量为2500Nm3/h。生物质经过反应后所生产的烟气中的主要成分包括：体积比约36％的CO、约23％的H2和约16％的N2。其中，当天然气的添加量和生物质处理量的比例相对提高时，生物质经过反应后所生产的烟气中CO的体积比会提高，H2的体积比会提高，当氮气的添加量和生物质处理量的比例相对提高时，生物质经过反应后所生产的烟气中N2的体积比会提高。
实施例3：生物质处理量为1200Kg/h，天然气的添加量设定为300Nm3/h，氧气的添加量设定为600Nm3/h，氮气的添加量设定为600Nm3/h，熔剂的添加量设定为120Kg/h，渣量的添加量设定为200Kg/h，最终生成的热解烟气量为3500Nm3/h。生物质经过反应后所生产的烟气中的主要成分包括：体积比约34％的CO、约21％的H2和约15％的N2。其中，当天然气的添加量和生物质处理量的比例相对降低时，生物质经过反应后所生产的烟气中CO的体积比会降低，H2的体积比会减低，当氮气的添加量和生物质处理量的比例相对提高时，生物质经过反应后所生产的烟气中N2的体积比会提高。
实施例4：生物质处理量为1000Kg/h，天然气的添加量设定为400Nm3/h，氧气的添加量设定为500Nm3/h，氮气的添加量设定为500Nm3/h，熔剂的添加量设定为120Kg/h，渣量的添加量设定为150Kg/h，最终生成的热解烟气量为3000Nm3/h。生物质经过反应后所生产的烟气中的主要成分包括：体积比约37％的CO、约26％的H2和约13％的N2。其中，当天然气的添加量和生物质处理量的比例相对提高时，生物质经过反应后所生产的烟气中CO的体积比会提高，H2的体积比会提高，当氮气的添加量和生物质处理量的比例相对提高时，生物质经过反应后所生产的烟气中N2的体积比会提高。
根据本发明实施例的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法具有如下优点：
实现生物质危险废物减量化、无害化和资源化处理。生物质中产生的熔渣水淬后可作为建材外卖，同时生物质中重金属得到回收。生物质燃烧为炉体内的反应提供反应热，同时富裕热值以生物质煤气方式回收。炉内反应温度高，灰渣中含碳低，碳的转化率提高，氧化反应速度大，具有气化强度大，气化热效率高特点。炉体内发生熔池熔炼，熔点较低的粉料也可作为气化原料。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，包括：
将生物质制备为粉料；
将所述粉料间断地喷入到射流气化熔炼炉的熔池内；
加热所述熔池，控制所述射流气化熔炼炉内的氧气含量使所述粉料进行不充分燃烧，并迅速发生裂解反应和氢化反应，产生造渣成分和高热值烟气，所述高热值烟气用于制备气体燃料；
根据所述射流气化熔炼炉内的热平衡情况，向所述熔池内喷入天然气以对所述粉料的燃烧过程进行补热；
向射流气化熔炼炉的熔池内间断地喷入辅料，所述造渣成分和所述辅料发生反应，产生熔渣，所述熔渣用于生产建筑材料。
2.根据权利要求1所述的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，所述天然气使所述粉料在所述熔池内强烈搅动。
3.根据权利要求1所述的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，所述高热值烟气经过除尘、加压、除酸和分离后得到CO、H2和化工合成气，所述化工合成气包括Fischer-Tropsch液体燃料、天然气、烯烃类气体、醇醚类气体和氨气中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，所述射流气化熔炼炉内的空气过剩系数为0.5-0.95。
5.根据权利要求1所述的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，所述熔渣在所述射流气化熔炼炉内的厚度为1.0m-1.5m。
6.根据权利要求1所述的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，所述熔渣通过气化熔炼处理得到金属混合物和液态熔渣，所述液态熔渣通过水淬处理后得到所述建筑材料，所述金属混合物可直接回收利用。
7.根据权利要求1所述的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，将生物质在干燥炉中进行干燥，将干燥后的生物质送入破碎机中进行破碎，破碎后的生物质的粒度小于或等于5毫米。
8.根据权利要求7所述的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，所述高热值烟气经过余热装置回收余热，所述余热用于对所述生物质进行干燥。
9.根据权利要求1所述的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，所述造渣成分包括CaO、K2O和SiO2。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的利用射流气化熔炼炉的生物质能源转化方法，其特征在于，所述射流气化熔炼炉包括：
炉体；
第一喷吹装置，所述第一喷吹装置设在所述炉体的顶部，用于将所述辅料喷入到所述炉体的熔池内；
第二喷吹装置，所述第二喷吹装置设在所述炉体的侧壁上，用于将所述粉料、所述天然气和富氧气体喷入到所述炉体的熔池内；
烟气排放口，所述烟气排放口设在所述炉体上，用于将所述高热值烟气排出；
熔渣排放口，所述熔渣排放口设在所述炉体上，用于将所述熔渣排出；
金属排放口，所述金属排放口设在所述炉体上，用于将所述金属混合物排出。
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