CN112552961B - 生物质气化装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生物质气化装置，其包括气化炉(23)、热解区(1)、气化区(2)、变换区(3)、热交换区(4)、气化中心气室(5)、环隙气室(6)、旋风分离器(14)、颗粒循环返料区(16)和颗粒循环进料区(18)。本发明提供的生物质气化装置可以优化生物质气化热量利用及反应器稳定流化，同时强化反应器内的传质与传热，从而大幅度降低剂耗。

Description

生物质气化装置及其应用
技术领域
本发明属于生物质资源利用领域，具体涉及一种高效节能生物质气化装置及其应用。
背景技术
生物质是一种重要的可再生能源,它分布广泛,数量巨大。同时由于它能量密度低又分散，难以大规模集中处理，所以对大部分发展中国家生物质利用水平较为低下。而生物质高效气化技术可以在较小的规模下实现较高的利用率，并能提供高品位的能源形式，特别适合于农村、发展中国家和地区，所以生物质气化技术是一个重要的发展方向。中国由于地域广阔，生物质资源丰富而传统焚烧对环境会产生较大影响，因此生物质高效气化具有较好的生存条件和发展空间。
为了避免空气直接燃烧导致合成气中存在大量N2以及燃烧粉尘，使得气体品质下降，近年来研究者采用间接供热的方式，提高合成气的有效成分和热值，其中主要的技术方法包括：(1)利用分级气化方法将生物质的热解气化与焦炭燃烧分开，通过惰性或者催化剂床料为生物质的热解和气化提供热量，为了降低焦油含量，热解气化产物进行进一步的重整净化。(2)通过分级气化方法，利用焦炭进行气化获得高纯度的氢，热解气进行燃烧提供热量，并避免焦油的生成，将热解气化区域进行分割。
为了克服生物质气化过程中焦油转化不完全、流化状态差以及粉尘含量大等不足，提高生物质碳的高效气化，本发明提出了一种新的高效气化装置和方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是生物质气化过程中能耗较高、反应器流化不稳定，内部温度分布不良等，导致后期分离成本高，工序流程长等。为此，本发明提供一种新的生物质气化装置。该装置能够降低生物质粉尘含量，优化内部温度分布，降低能耗，由于这种装置的特殊性，使生物质气化更加高效稳定。
一方面，本发明提供了一种生物质气化装置，其包括气化炉(23)、热解区(1)、气化区(2)、变换区(3)、热交换区(4)、气化中心气室(5)、环隙气室(6)、旋风分离器(14)、颗粒循环返料区(16)和颗粒循环进料区(18)。
根据本发明的一些实施方式，热解区(1)、气化区(2)、旋风分离器(14)、颗粒循环返料区(16)、颗粒循环进料区(18)和挡板(17)置于所述气化炉(23)中。
根据本发明的一些实施方式，所述颗粒循环返料区(16)中的物料经气化区下行空间(25)流通至颗粒循环进料区(18)。
根据本发明的一些实施方式，所述气化炉(23)为流化床反应器。
根据本发明的一些实施方式，热交换区(4)为鼓泡流化床反应器。
根据本发明的一些实施方式，所述气化中心气室(5)和环隙气室(6)分别通过中心气体分布器(20)和环隙气体分布器(19)与气化炉(23)的底部相连通。
根据本发明的一些实施方式，所述气化炉设置有第一气化炉出口(12)和第二气化炉出口(21)，所述变换区(3)位于热交换区(4)上部，变换区(3)与第一气化炉出口(12)和第二气化炉出口(21)相连，所述变换区(3)设有第一变换区出口(11)和第二变换区出口(13)。
根据本发明的一些实施方式，所述变换区(3)主要进行水煤气变换，热载体和未反应的固定碳进入到热交换区(4)。
根据本发明的一些实施方式，所述热交换区(4)与第二变换区出口(13)和热装螺旋进料区(22)相连，热交换区(4)设有热交换区进口(10)。
根据本发明的一些实施方式，所述气化区(2)的横截面为圆形。
根据本发明的一些实施方式，所述气化区(2)的横截面积与气化区下行空间(25)的横截面积之比不小于2。
根据本发明的一些实施方式，所述环隙气体分布器(19)与水平的夹角为30-60°。
根据本发明的一些实施方式，旋风分离器料腿(15)底部伸至挡板(17)上顶端以下。
根据本发明的优选实施方式，所述旋风分离器料腿(15)与挡板(17)上顶端的距离为挡板(17)长度的1/8-1/4。
根据本发明的一些实施方式，生物质进口(7)与热装螺旋进料区(22)和气化炉(23)的连接处处于同一水平面。
根据本发明的一些实施方式，生物质进口(7)位于热解区(1)高度的1/2位置以上。
在另一方面，本发明提供了一种采用根据权利要求1-5中任一项所述的生物质气化装置进行生物质气化的方法。
根据本发明的一些实施方式，所述方法包括以下步骤：
(a)富氧空气(9)由中心气室(5)经过中心气体分布器(20)进入气化炉(1)下部的气化区(2)中，燃烧和气化生物质，燃烧和气化后的气体上升进入到热解区(1)中，将未完全热解的生物质焦完全热解；
(b)气化区(2)中未完全转化的生物质进入热解区(1)中，然后经过颗粒循环返料区(16)由挡板(17)与气化区(2)进行隔离，进入到气化区下行空间(25)，再由底部的环隙气体分布器(19)控制形成下行经过颗粒循环进料区(18)进入到气化区(1)再进行充分气化；
(c)热解区(1)中的气体经旋风分离器(14)上部排出进入到变换区(3)中，变换处理后经第二变换区出口(13)进入到热交换区(4)；经过燃烧后将热载体(26)经过热装螺旋进料区(22)送入热解区(1)，与生物质进口(7)送入的生物质接触，进行热交换，完成初步解热，同时气体经旋风分离器(14)携带的未完全气化的生物质颗粒由旋风分离器料腿(15)进入到气化区下行空间(25)。
根据本发明的一些实施方式，所述气化区(2)内气体表观线速与热解区(1)内气体表观线速的比值为1-5。
根据本发明的一些实施方式，经过所述中心气体分布器(20)后的气速与经过所述环隙气体分布器(19)的气速的比值为2-6。
根据本发明的一些实施方式，所述气化中心气室(5)的气体为富氧空气，优选富氧率为1-10％。
根据本发明的一些实施方式，所述热载体选自惰性介质。
根据本发明的一些优选实施方式，所述热载体选自三氧化二铝和/或二氧化硅。
根据本发明的一些实施方式，所述热载体的平均粒径为100-600μm。
根据本发明的一些实施方式，所述气化炉(23)内的反应压力为0.05-1Mpa。
根据本发明的一些实施方式，所述气化区(2)的温度为700-1100℃。
根据本发明的一些实施方式，所述热解区(1)的温度为300-700℃。
根据本发明的一些实施方式，所述热载体(26)的温度为700-900℃。
本发明通过种高效节能生物质气化装置及其方法，采用热解区、气化区、变换区、燃烧区以及热载体输送区多区组合，优化生物质气化热量利用、优化反应器稳定流化，同时强化反应器内的传质与传热，从而大幅度降低剂耗，使反应器稳定运行，可应用于高效节能生物质气化的工业生产中。
附图说明
图1为本发明的一种生物质气化装置及其方法流程示意图。其中，1为热解区；2为气化区；3为变换区；4为热交换区；5为气化中心气室；6为环隙气室；7为生物质进口；8为空气入口；9为富氧空气；10为热交换区空气进口；11为第一变换区出口；12为第一气化炉出口；13为第二变换区出口；14为旋风分离器；15为旋风分离器料腿；16为颗粒循环返料区；17为挡板；18为颗粒循环进料区；19为环隙气体分布器；20为中心气体分布器；21为第二气化炉出口；22为热装螺旋进料区；23为气化炉；24为气化炉排渣口；25为气化区下行空间；26为热载体。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
【实施例1】
采用如图1所示的生物质气化装置，其中，1为热解区；2为气化区；3为变换区；4为热交换区；5为气化中心气室；6为环隙气室；7为生物质进口；8为空气入口；9为富氧空气；10为热交换区空气进口；11为第一变换区出口；12为第一气化炉出口；13为第二变换区出口；14为旋风分离器；15为旋风分离器料腿；16为颗粒循环返料区；17为挡板；18为颗粒循环进料区；19为环隙气体分布器；20为中心气体分布器；21为第二气化炉出口；22为热装螺旋进料区；23为气化炉；24为气化炉排渣口；25为气化区下行空间；26为热载体。其中，气化区(2)的横截面积与气化区下行空间(25)的横截面积之比为4，环隙气体分布器与水平的夹角为60°，旋风料腿距离挡板上部1/8处，生物质进口(7)位于热解区(1)高度的3/4。
生物质气化的方法包括以下步骤：
(a)富氧空气(9)由中心气室(5)经过中心气体分布器(20)进入气化炉(1)下部的气化区(2)中，燃烧和气化生物质，燃烧和气化后的气体上升进入到热解区(1)中，将未完全热解的生物质焦完全热解；
(b)气化区(2)中未完全转化的生物质进入热解区(1)中，然后经过颗粒循环返料区(16)由挡板(17)与气化区(2)进行隔离，进入到气化区下行空间(25)，再由底部的环隙气体分布器(19)控制形成下行经过颗粒循环进料区(18)进入到气化区(1)再进行充分气化；
(c)热解区(1)中的气体经旋风分离器(14)上部排出进入到变换区(3)中，变换处理后经第二变换区出口(13)进入到热交换区(4)；经过燃烧后将热载体(26)经过热装螺旋进料区(22)送入热解区(1)，与生物质进口(7)送入的生物质接触，进行热交换，完成初步解热，同时气体经旋风分离器(14)携带的未完全气化的生物质颗粒由旋风分离器料腿(15)进入到气化区下行空间(25)。
其中，气化炉(23)操作压力为常压，气化区(2)的温度为1100℃，热解区(1)的温度为700℃，热载体(26)的温度为900℃，热载体为二氧化硅，平均粒径为500μm，通过流场自主控制循环区，富氧率为5％，中心气速度为环隙气速的2倍，气化区线速为热解区线速的5倍，热装螺旋进料量控制在20％，经过检测，粉尘含量为3％，碳转化率为95％，气化炉有效气体成分为75％，操作稳定性大幅度提高。
【实施例2】
采用与实施例1相同的生物质气化装置，其与实施例1的装置的区别之处仅在于环隙气体分布器与水平的夹角为30°。
采用与实施例1相同的方法进行生物质气化，经过检测，粉尘含量为4.5％，碳转化率为92％，气化炉有效气体成分为94.5％，操作稳定性大幅度提高。
【实施例3】
采用与实施例1相同的生物质气化装置，其与实施例1的装置的区别之处仅在于环隙气体分布器与水平的夹角为10°。
采用与实施例1相同的方法进行生物质气化，经过检测，粉尘含量为5.5％，碳转化率为90％，气化炉有效气体成分为73％，操作稳定性大幅度提高。
【实施例4】
采用与实施例1相同的生物质气化装置，其与实施例1的装置的区别之处仅在于环隙气体分布器与水平的夹角为80°。
采用与实施例1相同的方法进行生物质气化，经过检测，粉尘含量为6.5％，碳转化率为85％，气化炉有效气体成分为72％，操作稳定性不佳。
【实施例5】
采用与实施例1相同的生物质气化装置，其与实施例1的装置的区别之处仅在于旋风料腿距离挡板上部1/4处。
采用与实施例1相同的方法进行生物质气化，经过检测，粉尘含量为2.7％，碳转化率为95.5％，气化炉有效气体成分为75.5％，操作稳定性大幅度提高。
【实施例6】
采用与实施例1相同的生物质气化装置，其与实施例1的装置的区别之处仅在于旋风料腿距离挡板上部1/2处。
采用与实施例1相同的方法进行生物质气化，经过检测，粉尘含量为2.6％，碳转化率为95.6％，气化炉有效气体成分为75.8％，操作稳定性大幅度提高。
【实施例7】
采用与实施例1相同的生物质气化装置，其与实施例1的装置的区别之处仅在于旋风料腿距离挡板上部1/10处。
采用与实施例1相同的方法进行生物质气化，经过检测，粉尘含量为3.2％，碳转化率为94.4％，气化炉有效气体成分为74.5％，操作稳定性大幅度提高。
【实施例8】
采用与实施例1相同的生物质气化装置，其与实施例1的装置的区别之处仅在于生物质进口(7)位于热解区(1)高度的1/4处。
采用与实施例1相同的方法进行生物质气化，经过检测，粉尘含量为3.2％，碳转化率为93％，气化炉有效气体成分为73％，操作稳定性大幅度提高。
【比较例1】
采用与实施例1相同的生物质气化装置，只是无环隙气体分布器，富氧率为0，无内置旋风分离器，无循环热装料，载体为二氧化硅，平均粒径为500μm。
采用与实施例1相同的方法进行生物质气化，经过检测，粉尘含量为25％，碳转化率为70％，气化炉有效气体成分为70％，操作不稳定。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (15)

1.一种生物质气化装置，其包括气化炉(23)、热解区(1)、气化区(2)、变换区(3)、热交换区(4)、气化中心气室(5)、环隙气室(6)、旋风分离器(14)、颗粒循环返料区(16)和颗粒循环进料区(18)。
2.根据权利要求1所述的生物质气化装置，其特征在于，热解区(1)、气化区(2)、旋风分离器(14)、颗粒循环返料区(16)、颗粒循环进料区(18)和挡板(17)置于所述气化炉(23)中；和/或所述气化炉(23)为流化床反应器；和/或热交换区(4)为鼓泡流化床反应器。
3.根据权利要求1或2所述的生物质气化装置，其特征在于，所述气化中心气室(5)和环隙气室(6)分别通过中心气体分布器(20)和环隙气体分布器(19)与气化炉(23)的底部相连通；和/或
所述气化炉设置有第一气化炉出口(12)和第二气化炉出口(21)，所述变换区(3)位于热交换区(4)上部，变换区(3)与第一气化炉出口(12)和第二气化炉出口(21)相连，所述变换区(3)设有第一变换区出口(11)和第二变换区出口(13)；和/或
所述热交换区(4)与第二变换区出口(13)和热装螺旋进料区(22)相连，热交换区(4)设有热交换区进口(10)。
4.根据权利要求1或2所述的生物质气化装置，其特征在于，所述气化区(2)的横截面为圆形；和/或
所述环隙气体分布器(19)与水平的夹角为30-60°。
5.根据权利要求1或2所述的生物质气化装置，其特征在于，所述气化区(2)的横截面积与气化区下行空间(25)的横截面积之比不小于2。
6.根据权利要求1或2所述的生物质气化装置，其特征在于，旋风分离器料腿(15)底部伸至挡板(17)上顶端以下；和/或
生物质进口(7)与热装螺旋进料区(22)和气化炉(23)的连接处处于同一水平面。
7.根据权利要求6所述的生物质气化装置，其特征在于，所述旋风分离器料腿(15)与挡板(17)上顶端的距离为挡板(17)长度的1/8-1/4。
8.根据权利要求6所述的生物质气化装置，其特征在于，生物质进口(7)位于热解区(1)高度的1/2位置以上。
9.一种采用根据权利要求1-8中任一项所述的生物质气化装置进行生物质气化的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)富氧空气(9)由中心气室(5)经过中心气体分布器(20)进入气化炉(1)下部的气化区(2)中，燃烧和气化生物质，燃烧和气化后的气体上升进入到热解区(1)中，将未完全热解的生物质焦完全热解；
(b)气化区(2)中未完全转化的生物质进入热解区(1)中，然后经过颗粒循环返料区(16)由挡板(17)与气化区(2)进行隔离，进入到气化区下行空间(25)，再由底部的环隙气体分布器(19)控制形成下行经过颗粒循环进料区(18)进入到气化区(1)再进行充分气化；
(c)热解区(1)中的气体经旋风分离器(14)上部排出进入到变换区(3)中，变换处理后经第二变换区出口(13)进入到热交换区(4)；经过燃烧后将热载体(26)经过热装螺旋进料区(22)送入热解区(1)，与生物质进口(7)送入的生物质接触，进行热交换，完成初步解热，同时气体经旋风分离器(14)携带的未完全气化的生物质颗粒由旋风分离器料腿(15)进入到气化区下行空间(25)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述气化区(2)内气体表观线速与热解区(1)内气体表观线速的比值为1-5；和/或经过所述中心气体分布器(20)后的气速与经过所述环隙气体分布器(19)的气速的比值为2-6；和/或所述气化中心气室(5)的气体为富氧空气。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述富氧空气的富氧率为1-10％。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述热载体选自惰性介质。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述热载体选自三氧化二铝和/或二氧化硅。
14.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述热载体的平均粒径为100-600μm。
15.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述气化炉(23)内的反应压力为0.05-1Mpa，和/或所述气化区(2)的温度为700-1100℃，和/或所述热解区(1)的温度为300-700℃，和/或所述热载体(26)的温度为700-900℃。
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