CN112708472A - 一种组合式生物质气化装置和生物质气化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式生物质气化装置及气化方法，其中该气化装置包括：热解炉、气化炉以及热旋风分离器，气化炉内部从上到下设置有挡板和气化炉环式挡板，由此气化炉内部划分为颗粒循环返料区、颗粒循环下行区、颗粒中心气化区、颗粒循环进料区，分别与底部灰渣池连通，气化炉还设置有原料入口、气化物出口以及底部的空气入口，气化炉2内部挡板上面还设置有换热水管B，气化物通过先经换热水管B换热再经气化物出口进入热旋风分离器。本发明提供的组合式生物质气化装置及生物质气化方法解决了生物质气化过程中焦油转化不完全、流化状态差、能量利用率低以及无法长周期运行等不足，提高生物质碳的高效气化，具有广泛的应用前景。

Description

一种组合式生物质气化装置和生物质气化方法
技术领域
本发明属于生物质气化技术领域，具体涉及一种组合式生物质气化装置及气化方法。
背景技术
生物质在众多能源利用中，是一种重要的可再生能源，它分布广泛，数量巨大，即可直接作为燃料，也可以用作化工原料。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。
现有技术中，生物质资源化利用主要有三种途径：直接燃烧、热化学转化和生物化学转化。其中，生物质气化技术是一种重要的热化学转化方法，具体过程如下：以生物质为原料，以空气、水蒸气等气体作为气化剂，在高温条件下，通过热化学反应析出挥发物并在高温下裂解产生可燃气体。此外，生物质气化技术，因其有较高的生物质能量转化效率以及可以生成品质较高的气体等产品而受到青睐。
生物质气化技术可以有效进行气化，但是由于工艺匹配和反应器设计的不合理，导致气化炉能量利用不充分、焦油含量高以及流化状态不稳定。高效、高质量利用生物质，对于技术人员来说必须解决以上问题。
发明内容
本发明提供一种组合式生物质气化装置及生物质气化方法，解决了生物质气化过程中焦油转化不完全(焦油含量高)、流化状态差、能量利用率低以及无法长周期运行等不足，并且提高了生物质碳的高效气化，可应用于生物质气化的工业生产中。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种组合式生物质气化装置，其特征在于，该气化装置包括：
用于生物质热解的热解炉9、接收生物质经热解炉9热解后原料并进行气化的气化炉2以及热旋风分离器13，气化炉2内部从上到下设置有挡板16和气化炉环式挡板25，由此气化炉2内部划分为在挡板16下面且在气化炉环式挡板25上面的颗粒循环返料区17、在气化炉环式挡板25外侧的颗粒循环下行区18、在气化炉环式挡板25内部的颗粒中心气化区19、在颗粒循环下行区18下面及气化炉环式挡板25底部的颗粒循环进料区20，其中，颗粒循环下行区18、颗粒中心气化区19、颗粒循环进料区20分别通过底部设置的气体分布器21、环形排渣管22、水蒸气射流管23与底部灰渣池24连通，气化炉2还设置有原料入口1、气化物出口以及底部的空气入口3，气化炉2内部挡板16上面还设置有换热水管B15，气化物通过先经换热水管B 15换热再经气化物出口进入热旋风分离器13。
本发明的实施方式中，所述颗粒中心气化区19的下部与颗粒循环进料区20、气体分布器21、环形排渣管22、水蒸气射流管23连通，颗粒中心气化区19的上部与挡板16、颗粒循环返料区17相连。
本发明的实施方式中，热解炉9为移动床，横截面为矩形或圆形，气化炉2为流化床，横截面为矩形或圆形；热解炉9中设置有换热水管A 8，换热水管A 8上设置有高温气体入口和气体出口；所述气化装置还设置有高温过滤器12；气化炉2气化后的气化物经热旋风分离器13分离出气体和循环料；气体经高温过滤器12进入通过高温气体入口和出口进出热解炉；循环料通过设置在气化炉2上的返料入口14返回气化炉2。
本发明的实施方式中，所述气化炉2内的气化炉环式挡板25可以为圆筒形，圆筒形外壁与气化炉2外壁平行，置于气化炉距离底部空气入口3的上方50～200cm处，气化炉环式挡板25的高度为气化炉2高度的1/5～1/2。
本发明的实施方式中，所述挡板16为圆形，圆形垂直于气化炉2的外壁，直径为气化炉2的直径1/4～1/2，开孔为圆形，开孔率为1～5％，直径为0.1～1mm。
本发明的实施方式中，所述气化炉2的热解后的原料入口1设置在挡板16和气化炉环式挡板25中心处，返料入口14在挡板16和气化炉2顶部中心处。
本发明的实施方式中，所述气化炉2底部的气体分布器21可以为环形阵列布置，与水平方向夹角为5～45°，水蒸气射流管23与水平夹角为90°，水蒸气射流管23末端为文丘里气体分布器。
另一方面，本发明还提供一种生物质气化方法，其中，该生物质气化方法使用上述的组合式生物质气化装置，包括如下步骤：
(a)、将生物质5送入热解炉9，经热解后从原料入口1送入气化炉2中，由于重力作用，物料在气化炉2内向下缓慢移动，进入到颗粒中心气化区域19；
(b)、由气体分布器21的气化剂与来自水蒸气射流管23中的水蒸气推动来自上部的物料流化共同进入颗粒中心气化区19进行气化反应，气体通过挡板16向上流动到换热水管B 15进行热量交换后经气化物出口(图中未示出)进入热旋风分离器13，未反应的颗粒由颗粒循环返料区17经颗粒循环下行区18，在空气入口3的共同作用下由颗粒循环进料区20再次进入颗粒中心气化区19；
(c)、将热旋风分离器13出来后的气化物通入高温过滤器12除灰后进入热解炉9的换热水管A 8进行外壁加热，经换热后从气体出口10导出得到目标合成气。
本发明的实施方式中，所述热解炉9可以为常压操作，热解温度在300～700℃，为顶部加料，依靠重力作用自上而下进行热解，其热源主要来自气化炉2，生物质5平均粒径为1-6mm，且低于200μm以下的颗粒含量不大于2％。
本发明的实施方式中，所述气化炉2反应条件可以为：反应压力为1～5MPa，空气入口3与气体分布器21的气体总摩尔比在10-50，气体分布器21与水蒸气射流管23的气体总摩尔比在10-20，颗粒中心气化区19平局气化温度控制在1200～1400℃，颗粒循环返料区17平局气化温度控制在1000～1200℃；所述气体分布器21中所通的气化剂为富氧空气，优选为富氧率为5-15％的富氧空气。
本发明提供的组合式生物质气化装置及生物质气化方法，采用热解与气化独立进行、中心强化区与循环区的组合式装置，同时在气化炉内设置循环挡板构件，能够强化反应器内的气化效率，优化分级利用的技术方案，解决了生物质气化过程中焦油转化不完全、流化状态差、能量利用率低以及无法长周期运行等不足，提高生物质碳的高效气化，可应用于生物质气化的工业生产中。
附图说明
下面将结合附图来说明本发明。
图1为本发明的实施方式中组合式生物质气化装置及方法流程示意图。
在图中，1为热解后的原料入口；2为气化炉；3为空气入口；4为高温气体；5为生物质；6为料仓；7为高温气体入口；8为换热水管A；9为热解炉；10为气体出口；11为灰；12为高温过滤器；13为热旋风分离器；14为返料入口；15为换热水管B；16为挡板；17为颗粒循环返料区；18为颗粒循环下行区；19为颗粒中心气化区；20为颗粒循环进料区；21为气体分布器；22为环形排渣管；23为水蒸气射流管；24为灰渣池；25为气化炉环式挡板；26为灰渣；27为水蒸气。
具体实施方式
为使本发明容易理解，下面将结合附图和实施例详细说明本发明。但在详细描述本发明前，应当理解本发明不限于描述的具体实施方式。还应当理解，本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式，而并不表示限制性的。
在本发明中，所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。
实施例1
如图1，组合式生物质气化装置，该气化装置包括：
用于生物质热解的热解炉9、接收生物质经热解炉9热解后原料并进行气化的气化炉2以及热旋风分离器13，气化炉2内部从上到下设置有挡板16和气化炉环式挡板25，由此气化炉2内部划分为在挡板16下面且在气化炉环式挡板25上面的颗粒循环返料区17、在气化炉环式挡板25外侧的颗粒循环下行区18、在气化炉环式挡板25内部的颗粒中心气化区19、在颗粒循环下行区18下面及气化炉环式挡板25底部的颗粒循环进料区20，其中，颗粒循环下行区18、颗粒中心气化区19、颗粒循环进料区20分别通过底部设置的气体分布器21、环形排渣管22、水蒸气射流管23与底部灰渣池24连通，气化炉2还设置有原料入口1、气化物出口以及底部的空气入口3，气化炉2内部挡板16上面还设置有换热水管B15，气化物通过先经换热水管B 15换热再经气化物出口进入热旋风分离器13。
所述颗粒中心气化区19的下部与颗粒循环进料区20、气体分布器21、环形排渣管22、水蒸气射流管23连通，颗粒中心气化区19的上部与挡板16、颗粒循环返料区17相连。解炉9为移动床，横截面为矩形或圆形，气化炉2为流化床，横截面为矩形或圆形；热解炉9中设置有换热水管A 8，换热水管A 8上设置有高温气体入口和气体出口；所述气化装置还设置有高温过滤器12；气化炉(2)气化后的气化物经热旋风分离器(13)分离出气体和循环料；气体经高温过滤器12进入通过高温气体入口和出口进出热解炉；循环料通过设置在气化炉2上的返料入口14返回气化炉2。
所述气化炉2内的气化炉环式挡板25为圆筒形，圆筒形外壁与气化炉2外壁平行，置于气化炉距离底部空气入口3的上方50cm处，气化炉环式挡板25的高度为气化炉2高度的1/2。所述挡板16为圆形，圆形垂直于气化炉2的外壁，直径为气化炉2的直径1/2，开孔为圆形，开孔率为5％，直径为0.1mm。所述气化炉2的热解后的原料入口1设置在挡板16和气化炉环式挡板25中心处，返料入口14在挡板16和气化炉2顶部中心处。所述气化炉(2)底部的气体分布器(21)可以为环形阵列布置，与水平方向夹角为45°，水蒸气射流管23与水平夹角为90°，水蒸气射流管23末端为文丘里气体分布器。
一种生物质气化方法，包括如下步骤：
(a)、将生物质5送入热解炉9，经热解后从原料入口1送入气化炉2中，由于重力作用，物料在气化炉2内向下缓慢移动，进入到颗粒中心气化区域19；
(b)、由气体分布器21的气化剂与来自水蒸气射流管23中的水蒸气推动来自上部的物料流化共同进入颗粒中心气化区19进行气化反应，气体通过挡板16向上流动到换热水管B 15进行热量交换后经气化物出口(图中未示出)进入热旋风分离器13，未反应的颗粒由颗粒循环返料区17经颗粒循环下行区18，在空气入口3的共同作用下由颗粒循环进料区20再次进入颗粒中心气化区19；
(c)、将热旋风分离器13出来后的气化物通入高温过滤器12除灰后进入热解炉9的换热水管A 8进行外壁加热，经换热后从气体出口10导出得到目标合成气。
所述热解炉9可以为常压操作，热解温度在700℃，生物质5平均粒径为5mm，反应压力为4.5MPa，空气入口3与气体分布器21的气体总摩尔比在15，气体分布器21与水蒸气射流管23的气体总摩尔比在18，颗粒中心气化区19平局气化温度控制为1400℃，颗粒循环返料区17平局气化温度控制在1150℃；所述气体分布器21中所通的气化剂为富氧空气，富氧空气的富氧率为15％。
经过检测，粉尘含量为3％，碳转化率为96％，气化炉有效气体成分为75％，焦油含量2g/m3，操作稳定性大幅度提高。
实施例2
如图1，组合式生物质气化装置，该气化装置包括：
用于生物质热解的热解炉9、接收生物质经热解炉9热解后原料并进行气化的气化炉2以及热旋风分离器13，气化炉2内部从上到下设置有挡板16和气化炉环式挡板25，由此气化炉2内部划分为在挡板16下面且在气化炉环式挡板25上面的颗粒循环返料区17、在气化炉环式挡板25外侧的颗粒循环下行区18、在气化炉环式挡板25内部的颗粒中心气化区19、在颗粒循环下行区18下面及气化炉环式挡板25底部的颗粒循环进料区20，其中，颗粒循环下行区18、颗粒中心气化区19、颗粒循环进料区20分别通过底部设置的气体分布器21、环形排渣管22、水蒸气射流管23与底部灰渣池24连通，气化炉2还设置有原料入口1、气化物出口以及底部的空气入口3，气化炉2内部挡板16上面还设置有换热水管B15，气化物通过先经换热水管B 15换热再经气化物出口进入热旋风分离器13。
所述颗粒中心气化区19的下部与颗粒循环进料区20、气体分布器21、环形排渣管22、水蒸气射流管23连通，颗粒中心气化区19的上部与挡板16、颗粒循环返料区17相连。解炉9为移动床，横截面为矩形或圆形，气化炉2为流化床，横截面为矩形或圆形；热解炉9中设置有换热水管A 8，换热水管A 8上设置有高温气体入口和气体出口；所述气化装置还设置有高温过滤器12；气化炉(2)气化后的气化物经热旋风分离器(13)分离出气体和循环料；气体经高温过滤器12进入通过高温气体入口和出口进出热解炉；循环料通过设置在气化炉2上的返料入口14返回气化炉2。
所述气化炉2内的气化炉环式挡板25为圆筒形，圆筒形外壁与气化炉2外壁平行，置于气化炉距离底部空气入口3的上方5/12处，气化炉环式挡板25的高度为气化炉2高度的3/10。所述挡板16为圆形，圆形垂直于气化炉2的外壁，直径为气化炉2的直径3/10，开孔为圆形，开孔率为3％，直径为0.3mm。所述气化炉2的热解后的原料入口1设置在挡板16和气化炉环式挡板25中心处，返料入口14在挡板16和气化炉2顶部中心处。所述气化炉(2)底部的气体分布器(21)可以为环形阵列布置，与水平方向夹角为35°，水蒸气射流管23与水平夹角为90°，水蒸气射流管23末端为文丘里气体分布器。
一种生物质气化方法，包括如下步骤：
(a)、将生物质5送入热解炉9，经热解后从原料入口1送入气化炉2中，由于重力作用，物料在气化炉2内向下缓慢移动，进入到颗粒中心气化区域19；
(b)、由气体分布器21的气化剂与来自水蒸气射流管23中的水蒸气推动来自上部的物料流化共同进入颗粒中心气化区19进行气化反应，气体通过挡板16向上流动到换热水管B 15进行热量交换后经气化物出口(图中未示出)进入热旋风分离器13，未反应的颗粒由颗粒循环返料区17经颗粒循环下行区18，在空气入口3的共同作用下由颗粒循环进料区20再次进入颗粒中心气化区19；
(c)、将热旋风分离器13出来后的气化物通入高温过滤器12除灰后进入热解炉9的换热水管A 8进行外壁加热，经换热后从气体出口10导出得到目标合成气。
所述热解炉9可以为常压操作，热解温度在700℃，生物质5平均粒径为5mm，反应压力为3MPa，空气入口3与气体分布器21的气体总摩尔比在25，气体分布器21与水蒸气射流管23的气体总摩尔比在12，颗粒中心气化区19平局气化温度控制为1400℃，颗粒循环返料区17平局气化温度控制在1050℃；所述气体分布器21中所通的气化剂为富氧空气，富氧空气的富氧率为15％。
经过检测，粉尘含量为3.2％，碳转化率为95.2％，气化炉有效气体成分为74％，焦油含量2.2g/m3，操作稳定性大幅度提高。
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 (10)

1.一种组合式生物质气化装置，其特征在于，该气化装置包括：
用于生物质热解的热解炉(9)、接收生物质经热解炉(9)热解后原料并进行气化的气化炉(2)以及热旋风分离器(13)，气化炉(2)内部从上到下设置有挡板(16)和气化炉环式挡板(25)，由此气化炉(2)内部划分为在挡板(16)下面且在气化炉环式挡板(25)上面的颗粒循环返料区(17)、在气化炉环式挡板(25)外侧的颗粒循环下行区(18)、在气化炉环式挡板(25)内部的颗粒中心气化区(19)、在颗粒循环下行区(18)下面及气化炉环式挡板(25)底部的颗粒循环进料区(20)，其中，颗粒循环下行区(18)、颗粒中心气化区(19)、颗粒循环进料区(20)分别通过底部设置的气体分布器(21)、环形排渣管(22)、水蒸气射流管(23)与底部灰渣池(24)连通，气化炉(2)还设置有原料入口(1)、气化物出口以及底部的空气入口(3)，气化炉(2)内部挡板(16)上面还设置有换热水管B(15)，气化物通过先经换热水管B(15)换热再经气化物出口进入热旋风分离器(13)。
2.根据权利要求1所述的组合式生物质气化装置，其特征在于，所述颗粒中心气化区(19)的下部与颗粒循环进料区(20)、气体分布器(21)、环形排渣管(22)、水蒸气射流管(23)连通，颗粒中心气化区(19)的上部与挡板(16)、颗粒循环返料区(17)相连。
3.根据权利要求1或2所述的组合式生物质气化装置，其特征在于，热解炉(9)为移动床，横截面为矩形或圆形，气化炉(2)为流化床，横截面为矩形或圆形；热解炉(9)中设置有换热水管A(8)，换热水管A(8)上设置有高温气体入口和气体出口；所述气化装置还设置有高温过滤器(12)；气化炉(2)气化后的气化物经热旋风分离器(13)分离出气体和循环料；气体经高温过滤器(12)进入通过高温气体入口和出口进出热解炉；循环料通过设置在气化炉(2)上的返料入口(14)返回。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的组合式生物质气化装置，其特征在于，所述气化炉(2)内的气化炉环式挡板(25)为圆筒形，圆筒形外壁与气化炉(2)外壁平行，置于气化炉距离底部空气入口(3)的上方50～200cm处，气化炉环式挡板(25)的高度为气化炉(2)高度的1/5～1/2。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的组合式生物质气化装置，其特征在于，所述挡板(16)为圆形，圆形垂直于气化炉(2)的外壁，直径为气化炉(2)的直径1/4～1/2，开孔为圆形，开孔率为1～5％，直径为0.1～1mm。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的组合式生物质气化装置，其特征在于，所述气化炉(2)的热解后的原料入口(1)设置在挡板(16)和气化炉环式挡板(25)中心处，返料入口(14)在挡板(16)和气化炉(2)顶部中心处。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的组合式生物质气化装置，其特征在于，所述气化炉(2)底部的气体分布器(21)为环形阵列布置，与水平方向夹角为5～45°，水蒸气射流管(23)与水平夹角为90°，水蒸气射流管(23)末端为文丘里气体分布器。
8.一种生物质气化方法，其特征在于，该生物质气化方法使用权利要求1～7中任意一项所述的组合式生物质气化装置，包括如下步骤：
(a)、将生物质(5)送入热解炉(9)，经热解后从原料入口(1)送入气化炉(2)中，并进入到颗粒中心气化区域(19)；
(b)、由气体分布器(21)的气化剂与来自水蒸气射流管(23)中的水蒸气推动来自上部的物料流化共同进入颗粒中心气化区(19)进行气化反应，气体通过挡板(16)向上流动到换热水管B(15)进行热量交换后进入热旋风分离器(13)，未反应的颗粒由颗粒循环返料区(17)经颗粒循环下行区(18)，在空气入口(3)的共同作用下由颗粒循环进料区(20)再次进入颗粒中心气化区(19)；
(c)、将热旋风分离器(13)出来后的气化物通入高温过滤器(12)除灰后进入热解炉(9)的换热水管A(8)进行外壁加热，经换热后从气体出口(10)导出得到目标合成气。
9.根据权利要求8所述的生物质气化方法，其特征在于，所述热解炉(9)为常压操作，热解温度在300～700℃，为顶部加料，依靠重力作用自上而下进行热解，其热源主要来自气化炉(2)，生物质(5)平均粒径为1-6mm，且低于200μm以下的颗粒含量不大于2％。
10.根据权利要求8或9所述的生物质气化方法，其特征在于，所述气化炉(2)反应条件为：反应压力为1～5MPa，空气入口(3)与气体分布器(21)的气体总摩尔比在10-50，气体分布器(21)与水蒸气射流管(23)的气体总摩尔比在10-20，颗粒中心气化区(19)平局气化温度控制在1200～1400℃，颗粒循环返料区(17)平局气化温度控制在1000～1200℃；所述气体分布器(21)中所通的气化剂为富氧空气，优选为富氧率为5-15％的富氧空气。
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