CN113088335A - 一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法 - Google Patents

一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，该装置包括：流化床多级气化炉生产气化气掺入发电机组锅炉燃烧，机组宽负荷调峰、低负荷不投油助燃，产生蒸汽发电，同时生产高质量生物炭/活性炭和炭基肥料。汽轮机低压抽汽进入汽冷螺旋管壁式旋风分离装置、余热回收装置，加热后作为气化介质通入流化床气化；分离器下端出口接水冷螺旋管壁式冷料器、炭粒成型装置。机组凝结水作为冷却水进入水冷螺旋管壁式冷料器、余热回收装置，回收热量汇入除氧器。气化炉底渣通过粉碎、冷却成型制成炭基肥。本发明通过生物质气化耦合生物质发电，流量调整等多种技术手段多联产，实现经济价值最大化。无固、液态废弃物，做到零排放。

Description

一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法
技术领域
本发明涉及生物质气化技术领域、生物质有机肥技术领域、电厂发电技术领域，特别是涉及一种生物质气化运用在发电机组运行多联产及其方法。
背景技术
生物质是地球上宝贵的绿色低污染可再生资源，我国生物质能资源非常丰富，有的地区农田收割完的秸秆或废弃或就地焚烧，既污染环境也浪费资源，有的地区将生物质直接燃烧发电，对环境保护和资源利用起到积极作用，但是生物质直燃发电规模较小，机组效率较低，经济效益较差。结合中国专利号为202110287930x，名称为“一种生物质流化床多级气化炉装置”，耦合现有生物质发电机组，发展生物质炭化二次能源利用，提高生物质能源有效的经济价值和提高生产多种资源的社会价值。另一方面，由于近年我国太阳能发电、风能发电、水电等可再生能源蓬勃发展，电网对季节性、时段性的调节和对单机组宽负荷范围调节和快速反应的要求更高更频繁。生物质气化气对锅炉宽负荷调节、快速反应，稳定燃烧的运用，实现生物质高效利用和发电厂灵活运行相结合，实现资源经济、社会效益最大化。发电机组正常运行时，调整流化床气化程度以生产高质量的生物炭/活性炭为主，气化气通入锅炉燃烧产生蒸汽发电，利用电站机组的高参数和高效环保设施，实现生物质高效、清洁发电；在机组宽负荷运行，甚至超低负荷运行时，调节流化床气化气燃值及燃气量，维持生物质锅炉持续稳定燃烧，不投油助燃。项目投资小，经济效益好。生物质气化底渣可制作炭基肥再利用。整个气化系统无固体废弃物、无液态废弃物，气化气通入生物质机组锅炉燃烧并且通过机组高效环保设施净化烟气。实现零排放绿色环保。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种生物质气化运用在生物质发电机组多联产及其方法，以解决上述背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：结合中国专利号为202110287930x，名称为“一种生物质流化床多级气化炉装置”，耦合现有生物质发电机组，提供多联产装置及方法，包括：所述流化床多级气化炉分为下级高温燃烧室，中级高温热解室，上级水蒸气气化室。所述流化床多级气化炉顶部气化气出口处连接于汽冷螺旋壁式旋风分离装置，所述汽冷螺旋管壁式旋风分离器将颗粒物料通过离心力作用收集在锥形管下部，进入水冷式冷料管，洁净的气化气通过管道连接余热回收装置，冷却后的气化气通过加压风机升压后进入生物质燃烧锅炉燃烧产生蒸汽发电；所述汽冷螺旋管壁式旋风分离器下集箱与汽轮机低压抽汽口连接，低温蒸汽在下集箱内均匀分配给壁式螺旋上升布置的管道中，冷却高温燃气及生物炭颗粒；下端出口处连接螺旋水冷冷料器，持续冷却物料，低温物料进入锁气器，锁气器中回收的炭颗粒进入生物炭/活性炭成型装置；所述风室侧壁设有流化风入口和启停置换蒸汽入口，所述燃烧室为上大下小锥形结构，前壁给料口分为两层，下层给料斜管底部通入热空气，将给料斜管输入的生物质颗粒吹入炉内燃烧产生高温烟气，并气封给料口；生物质物料进入下级燃烧室内流态化燃烧；下级燃烧室产生高温烟气为中级气化提供高温热解温度，上层给料斜管底部通入低温蒸汽，将给料斜管输入的生物质颗粒吹入炉内吸收高温烟气温度，并汽封给料口，中级热解室与上级气化室之间为缩口，高温气化蒸汽从缩口处引入，使高温物料进入气化室充分流化、气化/炭化。所述发电机组包括生物质燃烧锅炉、汽轮机、凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器，气化气通过管道进入燃气燃烧器，所述燃气燃烧器与生物质燃烧锅炉前墙布置。
所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，气化炉产生的气化气可以通入生物质燃烧锅炉燃烧产生蒸汽发电，同时调节生物质的不同炭化程度，生产生物炭/活性炭和炭基肥。在锅炉超低负荷运行时，调节空气和蒸汽比例和进入量，以生产高热值燃气为主，避免锅炉投油稳燃，适应锅炉大负荷，超宽度负荷燃烧，配合机组灵活工况运行；在正常负荷运行工况下，以生产高质量生物炭/活性炭，底渣生产炭基肥。既无固态废弃物也无气液废弃物，做到零排放。
所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，所述汽冷螺旋管壁式旋风分离装置的烟气进口通过管道与流化床多级气化炉的燃气出口相连接，气固分离后的洁净烟气通过管道与余热回收装置燃气进口相连接。所述汽冷螺旋管壁式旋风分离器下集箱与汽轮机低压低温抽汽口连接，低温蒸汽在壁式螺旋上升布置的管道中受热后汇入上集箱，上集箱出口接燃气-蒸汽换热器进口，进一步吸热升温。所述汽冷螺旋管壁式旋风分离装置冷却分离、冷却高温气化气同时，冷却高温碳化颗粒。所述汽冷螺旋管壁式旋风分离器底部通过管道连接有水冷螺旋管壁式冷料器，均衡、快速冷却碳化颗粒，进一步回收热量。水冷螺旋管壁式冷料器下端接锁气器。
所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，所述汽冷螺旋管壁式旋风分离器锁气器收集碳化颗粒，隔离高温燃气，低温高质量炭颗粒进入成型装置，压制成型排出。
所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，所述余热回收装置由汽冷螺旋管壁式旋风分离器、燃气-蒸汽换热器、蒸汽-空气换热器、水冷螺旋管壁式冷料器、燃气-凝结水换热器组成。所述汽冷螺旋管壁式旋风分离器燃气进口与流化床多级气化炉顶部燃气出口相连接，下集箱蒸汽进口接口与汽轮机低压抽汽口相连接，上集箱蒸汽出口与燃气-蒸汽换热器蒸汽进口相连接；所述燃气-蒸汽换热器的燃气进口通过管道与汽冷螺旋管壁式旋风分离器的燃气出口相连接；蒸汽-空气换热器与流化风机连接；水冷螺旋管壁式冷料器进水口与凝结水泵出口管道连接，出水口与燃气-凝结水换热器连接，燃气-凝结水换热器出口与除氧器连接。
所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，所述炭基肥生产装置由底渣锁气器、粉碎机、成型装置组成，所述底渣锁气器上部与气化炉排渣口连接，下部与底渣粉碎器进口连接；所述粉碎器出口与炭基肥成型器进料口连接，炭基肥成型排出。
所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，所述流化床多级气化炉设有气化调节装置，所述气化调节装置设有生物质燃烧量、生物质气化量比例给料调节。空气流量、蒸汽流量比例调节。燃气燃烧器进气压力与余热回收器高温燃气侧压力均衡调节。蒸汽-空气换热器出口空气温度通过换热管道疏水液位高低调节控制空气加热温度。气化气进入燃烧器温度通过燃气-凝结水换热器中凝结水流量及蒸汽-空气换热器疏水液位调节共同完成。
一种生物质气化运用在生物质发电机组多联产方法，包括以下步骤：
步骤(1) 生物质原料在下层给料口通过高温空气送入流化床多级气化炉下级燃烧室中，在高温流化风作用下发生燃烧反应生成高温烟气，生物质在上层给料口通过低温蒸汽送入燃烧室上部中级高温热解室，同时调节燃烧室温度，避免燃烧室温度过高结焦；高温物料进入中级高温热解室顶部缩口内高速流动，物料与喉部通入的高温蒸汽快速混合后进入上级蒸汽气化室进行气化；大颗粒物料在气化室内翻滚循环气化，延长气化时间，使粗颗粒气化成细颗粒；细颗粒物料在气化室内上升时段快速炭化；高温生物质气化气携带生物炭通过连接管道进入汽冷螺旋管壁式旋风分离器进行气固分离；在离心作用力下，生物质炭颗粒经汽冷螺旋管壁式旋风分离器初步冷却，经水冷螺旋管壁式冷料器进一步冷却，为后续生物质炭成形做准备；燃气通过芯筒进入下一步余热回收装置；
步骤(2) 水冷螺旋管壁式冷料器进一步冷却后的炭颗粒进入到锁气器，隔离高温燃气，收集炭颗粒进入成型器压制成型排出。
步骤(3)从汽冷螺旋管壁式分离器出来的高温气化气依次经过燃气-蒸汽换热器、燃气-凝结水换热器冷却后进入燃气加压风机升压，通入燃气燃烧器在生物质锅炉中燃烧产生蒸汽发电，所述燃气燃烧器布置在生物质锅炉前墙。
步骤(4)从汽轮机低压抽汽来的低温蒸汽一部分进入流化床多级气化炉上层给料吹送生物质原料进入燃烧室，并汽封给料口；一部分进入汽冷螺旋管壁式旋风分离器冷却生物质碳化颗粒，再进入燃气-蒸汽换热器冷却气化气，同时蒸汽温度升高；高温蒸汽一部分进入蒸汽-空气换热器加热冷空气作为高温流化风，一部分进入流化床作为蒸汽气化剂气化高温生物质。
步骤（5）气化气从燃气-蒸汽换热器出来进入燃气-凝结水换热器进一步冷却。冷却水从机组凝结水泵出口接入水冷螺旋管壁式冷料器、燃气-凝结水换热器加热后进入除氧器回收余热。
步骤（6）冷空气经鼓风机进入蒸汽-空气换热器升温，加热后的热空气一部分进入风室经布风床进入燃烧室流化燃烧；一部分接入下层给料口吹送原料并气封给料口。
步骤(7)进入流化床的热空气和气化蒸汽通过比列调节与生物质给料调节相结合调整燃气的热值和生物质的炭化程度。
步骤(8)流化床多级气化炉底部灰渣排入底渣锁气器，锁气器隔离炉内烟气，底渣排入粉碎机磨碎。细粉进入炭基肥成型器进料口成型排出。
所述的一种生物质气化运用在生物质发电机组多联产方法，加热后的热空气的温度为110～250℃。
所述的一种生物质气化运用在生物质发电机组多联产方法，燃气-蒸汽换热器加热后的蒸汽温度300～550℃；所述气化气进入燃烧器温度为200～350℃。
本发明的有益效果是：
采用发电机组汽轮机低压抽汽作为生物质气化介质，很好利用了部分低压蒸汽大量潜热。提高了全厂热效率。
采用汽冷螺旋管壁式旋风分离器、燃气-蒸汽换热器、燃气-凝结水换热器、水冷螺旋管壁式冷料器回收气化气、碳化颗粒余热，调节进入气化室蒸汽温度，优化生物质气化/炭化，调节气化气温度，避免气化气中焦油冷凝堵塞管道。凝结水吸热后进入除氧器部分余热进入电站回收，提高了生物质电厂热效率。
采用流化床多级气化炉对生物质物料进行下级燃烧、中级高温热解、上级蒸汽气化，多级分步骤控制反应温度和速度，既避免低温气化焦油附着在炉壁结焦，又避免碱金属及其金属盐温度过高熔化结焦。能够控制生物质物料平稳、快速气化，提高炭化质量和气化炉安全运行。
采用汽冷螺旋管壁式旋风分离器，将汽轮机低压低温抽汽由下集箱内均匀分配给壁式螺旋上升布置的管道中，使更多壁式管内蒸汽在非均匀热负荷区上受热趋于均衡，减少热应力集中，减少壁式管道与集箱的焊接头。利用汽冷螺旋管壁式分离器布置蒸汽冷却管道，使旋风筒内碳化颗粒冷却更均衡，速度更快。回收利用了燃气及生物炭余热，减少了后续燃气-蒸汽热交换器受热面积，既节约空间又节约系统耗材。
通过氧化空气、气化蒸汽及输入生物质量，调节气化气燃值高低和供气量满足电站机组宽负荷调节、超低负荷运行对生物质燃烧锅炉平稳燃烧，不投油助燃，实现生物质锅炉经济、安全运行。
在机组正常运行工况下，调整流化床多级气化炉各输入量控制，调节生物质炭化程度，生产高品质、高产量生物炭/活性炭。热值相对较低的气化气通入锅炉燃烧，耦合生物质发电机组的高效环保设施，实现生物质高效、清洁碳化。实现生物质经济价值、社会价值最大化。
底渣中含钾、钠、镁等杂质较高，对生物炭/活性炭品质有影响，但这些元素对植物生长有益，制成炭基肥既变废为宝，回归农田，又避免固废排放。实现资源循环利用绿色环保。
在制生物炭/活性炭和炭基肥过程中，无废液、废固排放，环保且工艺简单高效。
附图说明
图1是本发明联产装置及其方法系统装置结构示意图；
图2是本发明水冷螺旋管壁式冷料器示意图。

Claims (10)

1.一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，包括：流化床多级气化炉，其特征在于：所述流化床多级汽化炉分为下级高温燃烧室，中级高温热解室，上级水蒸气气化室，所述流化床多级气化炉顶部气化气出口处连接汽冷螺旋壁式旋风分离装置，所述汽冷螺旋管壁式旋风分离器将颗粒物料通过离心力作用收集在锥形管下部，进入水冷螺旋管壁式冷料器，洁净的气化气通过管道连接余热回收装置，冷却后的气化气通过加压风机升压后进入生物质燃烧锅炉燃烧产生蒸汽发电；所述汽冷螺旋管壁式旋风分离器下集箱与汽轮机低压抽汽口连接，低温蒸汽在下集箱内均匀分配给壁式螺旋上升布置的管道中，冷却高温燃气及生物炭颗粒；下端出口处连接水冷螺旋管壁式冷料器，持续冷却物料，低温物料进入锁气器，锁气器中回收的炭颗粒进入生物炭/活性炭成型装置；所述风室侧壁设有流化风入口和启停置换蒸汽入口，所述燃烧室为上大下小锥形结构，前壁给料口分为两层，下层给料斜管底部通入热空气，将给料斜管输入的生物质颗粒吹入炉内燃烧产生高温烟气，并气封给料口；生物质物料进入下级燃烧室内流态化燃烧；下级燃烧室产生高温烟气为中级气化提供高温热解温度，上层给料斜管底部通入低温蒸汽，将给料斜管输入的生物质颗粒吹入炉内吸收高温烟气温度，并汽封给料口，中级热解室与上级气化室之间为缩口，高温气化蒸汽从缩口处引入，使高温物料进入气化室充分流化、气化/炭化；所述发电机组包括生物质燃烧锅炉、汽轮机、凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器，气化气通过管道进入燃气燃烧器，所述燃气燃烧器与生物质燃烧锅炉前墙布置。
2.根据权利要求1所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，其特征在于:流化床多级气化炉产生的气化气可以通入生物质燃烧锅炉燃烧产生蒸汽发电，同时调节生物质的不同炭化程度，生产生物炭/活性炭和炭基肥；流化床多级气化炉调节空气和蒸汽比例和生物质进入量，生产高质量生物炭/活性炭，底渣生产炭基肥为主，产生的气化气通入生物质燃烧锅炉生产高参数蒸汽，借助燃煤机组高效率发电，产生的烟气借助发电机组高效的尾气处理系统，随机组烟气净化后排放大气；既无固态废弃物也无气液废弃物，做到零排放，同时提高生物质的经济利用价值。
3.根据权利要求2所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，其特征在于:在机组需要宽负荷、快速调节运行时，流化床多级气化炉以生产高热值、大流量燃气保障锅炉稳燃为主，避免锅炉低负荷投油助燃，适应锅炉大负荷，超宽负荷运行，配合机组灵活性工况运行；在正常负荷运行工况下，以生物质生产高质量生物炭/活性炭，底渣生产炭基肥为主，产生的低燃值气化气通入生物质锅炉生产蒸汽发电。
4.根据权利要求1所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，其特征在于：所述水冷螺旋管壁式冷料器，由多根水冷螺旋上升管组成壁式筒体和上、下集箱组成，冷却水进入下集箱接分配给螺旋上升管内受热，吸收热量汇入上集箱，所述水冷螺旋管壁式冷料器底部连接锁气器。
5.根据权利要求4所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，其特征在于：所述水冷螺旋管壁式冷料器锁气器隔离冷却器内高温燃气，其回收高温炭颗粒通过连接管进入水冷螺旋管壁式冷料器进一步冷却，进入成型装置；所述生物质炭/活性炭成型装置出口与输送装置连接。
6.根据权利要求1所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，其特征在于：所述余热回收装置由汽冷螺旋管壁式旋风分离器、燃气-蒸汽换热器、蒸汽-空气换热器、水冷螺旋管壁式冷料器、燃气-凝结水换热器组成，所述汽冷螺旋管壁式旋风分离器燃气进口与流化床多级气化炉顶部燃气出口相连接，下集箱蒸汽进口接口与汽轮机低压抽汽口相连接，上集箱蒸汽出口与燃气-蒸汽换热器蒸汽进口相连接；所述燃气-蒸汽换热器的燃气进口通过管道与汽冷螺旋管壁式旋风分离器的燃气出口相连接；蒸汽-空气换热器与流化风机连接；水冷螺旋管壁式冷料器进水口与凝结水泵出口管道连接，出水口与燃气-凝结水换热器相连，燃气-凝结水换热器出口除氧器连接。
7.根据权利要求1所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，其特征在于：所述炭基肥生产装置由底渣锁气器、粉碎机、成型装置组成，所述底渣锁气器上部与流化床多级气化炉排渣口连接，下部与底渣粉碎器进口连接；所述粉碎器出口与炭基肥成型器进料口连接；炭基肥颗粒成型排出。
8.根据权利要求1所述的一种生物质多级气化耦合发电机组多联产装置及方法，其特征在于：所述流化床多级气化炉设有气化调节装置，所述气化调节装置设有生物质燃烧量、生物质气化量比例给料调节；空气流量、蒸汽流量比例调节；燃气燃烧器进气压力与余热回收器高温燃气侧压力均衡由加压风机调节；蒸汽-空气换热器出口空气温度通过换热管道疏水液位高低调节控制空气加热温度；气化气进入燃烧器温度通过燃气-凝结水换热器中凝结水供给及蒸汽-空气换热器疏水液位调节共同完成；疏水口与疏水灌连接，疏水自流进入汽轮机凝汽器中回收。
9.根据权利要求1所述蒸汽-空气换热器空气出口温度为110℃～250℃。
10.根据权利要求1所述气化水蒸气温度为300℃～550℃。
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