CN113150803A - 一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物质炭气联产领域，具体涉及一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，包括喷动床反应器，所述喷动床反应器依次与炭气分离装置、喷淋装置和气液分离装置连接；喷动床反应器包括反应器本体，反应器本体下部为椎体部，椎体部底端设有一次进风管，锥体部侧面设有若干二次进风管。本发明采用一次、二次进风结合使用的方式，能够使得气体分布更加均匀，解决了床层内颗粒、气体缺乏径向混合的问题，消除喷动床内颗粒流动死区，强化气体、颗粒径向混合，改善床内传热、传质效果，提高喷动床的整体物料处理效率及化学反应速率。

Description

一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统
技术领域
本发明涉及生物质炭气联产领域，具体涉及一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统。
背景技术
生物质炭气联产，通常是指在完全或部分缺氧条件下，生物质原料在气化剂作用下在反应器内发生热解、还原、氧化反应，使分子裂化为小分子化合物，得到含有氢气、甲烷等成分的可燃气体，以及生物炭、木质液和少部分焦油的过程。生物质炭气联产，提供了一种利用生物质能的形式，它具有高效节能、安全环保、材料易获取的特点。得到的气体产物燃烧可供取暖发电，反应得到的生物炭亦是一种发热量高、无毒、无烟、清洁的固体燃料。因此，生物质炭气联产为解决我国能源需求、环境污染等问题提供了一种有效的解决方案。
目前生物质炭气联产工艺中存在的主要问题是反应器内传热、传质效果差，物料处理能力较弱，化学反应转化率低等。因此，积极开发一种经济成本低、热解气化转化率高的生物质炭气联产系统迫在眉睫。
目前常用喷动床反应器在实际使用中仍存在诸多问题，如传统喷动床内颗粒具有明显的内外分层流动特点，环隙区颗粒运动缓慢，甚至出现流动死区，颗粒、气体缺乏径向混合，特别是在环隙区底部出现流动死区，易造成某些易黏结颗粒在环隙区的团聚现象，对床内传热、传质产生不利影响。物料的处理效率不高，进而影响和降低喷动床的整体物料处理效率及化学反应速率。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，采用一次、二次进风结合使用的方式，能够使得气体分布更加均匀，进而使得物料与气体的反应时间缩短，增加反应的速率；解决了床层内颗粒、气体缺乏径向混合的问题，使得生物质颗粒与气体接触更充分，消除喷动床内颗粒流动死区，强化气体、颗粒径向混合，改善床内传热、传质效果，提高喷动床的整体物料处理效率及化学反应速率。
本发明具体采用的技术方案是：
一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，包括喷动床反应器，所述喷动床反应器依次与炭气分离装置、喷淋装置和气液分离装置连接。
本发明所采用的喷动床反应器形状参考现有技术，上部为圆柱体的壳体，下部为圆锥体的漏斗状锥体部。喷动床反应器的上部开设有排气管，气体由排气管排出，进入炭气分离装置进行炭气分离，分离后的气体进入喷淋装置进行喷淋除尘，再进入气液分离装置对气体进行气液分离除去水汽，干燥后的生物质燃气进行收集，并可作为燃料为气体加热炉提供热量。
本发明的进风方式采用一次、二次进风结合方式，喷动床反应器锥体部底端设有一次进风管，锥体部侧面设有若干二次进风管，所述一次进风管和二次进风管均与气体加热炉连接，气体加热炉将鼓风机提供的空气加热后通过两组进风管提供至喷动床反应器作为气化剂；上述的气液分离装置干燥后的生物质燃气作为燃料为气体加热炉提供热量。
具体的，所述一次进风管包括导向管和螺旋进气管，所述导向管由锥体部的底端沿轴线插入反应器本体，螺旋进气管一端伸入导向管，另一端伸出至反应器本体外。导向管为中空的管，作用是为对螺旋进气管的进风方向进行导向，使气体向上吹入，形成上行气流。导向从锥体部的底端最低点插入，螺旋进风管的一端从导向管的底端部分伸入导向管内，另一端连接气源。螺旋进气管具有一定的造旋作用，一次进风能够形成具有一定旋流强度的螺旋上行气流，其作用是增加了气流的湍动强度，带动生物质颗粒产生径向运动，有助于强化气体、颗粒的径向混合，提高喷动床的整体效率。
所述二次进风管的数量为3根，二次进风管设置在锥体部侧面的同一高度上，沿锥体部侧面每隔90°设置一根。同时，在同一高度上还开设有生物炭出口，生物炭出口与相邻两根二次进风管的间隔为90°，生物炭出口连接生物炭收集器，将产物生物炭进行收集。二次进风能有效消除喷动床流动死区,强化喷动床内气-固相间传递过程,从而使得喷动床内气-固两相流动状态实现整体优化。
更好的，本发明所述的二次进风管为管壁开放式，具体的，二次进风管的一端为管壁开放端，所述管壁开放端包括封闭段与开放段，封闭段与开放段交错设置，通过金属支撑条连接。管壁开放式二次进风管的优点是气体可以从喷口处透过进风管管壁上的空间进入喷动床，气体出口面积增大，增加气固接触效率以及固体循环速率，有效减小了床内喷动所需进气速度。
更好的方案是，所述喷动床反应器内还设有内筒，所述内筒设于喷动床反应器上部的壳体内，内筒与喷动床反应器同轴线，内筒顶端开设进料口，内筒底端伸至所述锥体部，伸入锥体部的部分为向远离轴线侧弯曲的弧形，呈喇叭状。内筒的存在一方面限制了喷动空间，增加气流速度从而提高喷动高度，提高了喷动性能和喷动系统的稳定性，另一方面气体的运动轨迹发生变化，气体被迫先向下运动然后再向上从出口离开，这样一来抑制了对细小颗粒的夹带，在一定程度上减少了出口处被气体携带的颗粒量。采用的内筒为下端有弧度的喇叭状结构，能够对进气和集气起到一定的分隔作用，且圆弧形的外沿对气流的扰动作用较小。
其中，本发明还包括进料装置，进料装置与喷动床反应器的进料口连接，用于投料。所述的进料装置包括一级绞龙和二级绞龙，所述一级绞龙的出口与二级绞龙进口连接，二级绞龙出口与喷动床反应器进料口连接。两级绞龙的作用一是精确控制输送量，二是防止输送中物料搭桥，影响顺畅进料。其中一级绞龙为变频控制，根据物料不同控制输送量，二级绞龙为定频控制，向反应器内输送物料。
更好的，还可以在连接两级绞龙的管路上设置可拆卸的可视窗口，方便物料的观察，也便于清洁、疏通和维修。
本发明所采用的炭气分离装置为直流导流锥式炭气分离器，经喷动床反应器排气口排出的气体进入直流导流锥式炭气分离器进行产物的分离，燃气和生物炭因为密度不同，在不同离心力作用下生物炭被甩向边壁附近，在底部的生物炭出口处聚集后排出，由生物炭收集器进行收集；燃气由中心处出口管离开分离器，进入喷淋装置。
本发明所采用的喷淋装置为两级漩涡喷淋器，冷却水和燃气分别从两个切向入口进入喷淋器，在螺旋下行流场作用下，燃气被冷却，且燃气中的焦油、生物炭等杂质会被冲刷进水里，随冷却水由下部出口离开喷淋器，冷却后燃气由上部出口离开喷淋器，进入气液分离装置。
本发明所采用的气液分离装置为带调节楔式螺旋气液分离器，用于去除燃气中的水滴。分离后的水可经收集后，作为回收水源供给至喷淋装置；分离后的产物燃气由储气罐进行收集，同时也可作为燃料能源供给至气体加热炉。
本发明喷动床反应器的气源由鼓风机提供，经气体加热炉加热后，供给至喷动床反应器的一次进风管和二次进风管；气体加热炉的燃料能源可由上述储气罐进行提供。
与现有技术相比，本发明优点是：
1)采用一次、二次进风结合使用的方式，能够使得气体分布更加均匀，进而使得物料与气体的反应时间缩短，增加反应的速率；解决了床层内颗粒、气体缺乏径向混合的问题，使得生物质颗粒与气体接触更充分，消除喷动床内颗粒流动死区，强化气体、颗粒径向混合，改善床内传热、传质效果，提高喷动床的整体物料处理效率及化学反应速率。
2)一次进风管采用螺旋进气管，具有一定的造旋作用，一次进风能够形成具有一定旋流强度的螺旋上行气流，其作用是增加了气流的湍动强度，带动生物质颗粒产生径向运动，有助于强化气体、颗粒的径向混合，提高喷动床的整体效率。
3)二次进风管采用管壁开放式，气体可以从喷口处透过进风管管壁上的空间进入喷动床，气体出口面积增大，增加气固接触效率以及固体循环速率，有效减小了床内喷动所需进气速度。
4)进料装置采用二级绞龙，作用一是精确控制输送量，二是防止输送中物料搭桥，影响顺畅进料。
5)产物燃气可作为气体加热炉的燃料能源回收使用，降低成本。
附图说明
图1是本系统结构图。
图2是喷动床反应器结构图。
图3是二次进风管结构图。
图中，1、料斗，2-1、一级绞龙，2-2、二级绞龙，3、内筒，4、喷动床反应器，5、二次进风管，6、导向管，7、生物炭收集器，8、螺旋进气管，9、鼓风机，10、直流导流锥式炭气分离器，11-1、一级漩涡喷淋器，11-2、二级漩涡喷淋器，12、除尘收集器，13、水泵，14、蓄水池，15、带调节楔式螺旋气液分离器，16、储气罐，17、进料口，18、排气口，19、生物炭出口，20、开放段，21、封闭段，22、气体加热炉。
具体实施方式
下面是结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，包括喷动床反应器4，喷动床反应器4的进料口17连接进料装置，其中进料装置包括一级绞龙2-1和二级绞龙2-2，一级绞龙2-1的进口安装料斗1，出口连接二级绞龙2-2进口，二级绞龙2-2出口连接进料口17。
喷动床反应器4的上部开设排气口18，通过管路依次连接至直流导流锥式炭气分离器10、两级漩涡喷淋器、带调节楔式螺旋气液分离器15。
如图2所示，喷动床反应器上部为圆柱状壳体，下部为顶点向下的锥体状壳体，将上部圆柱状壳体的直径定义为D。圆柱状壳体内设有与壳体同轴线的内筒3，内筒3上端连通进料口17，下端延伸至锥体部分，且内筒3伸入锥体部分为有向外弯曲弧度的喇叭状，所弯弧度半径r＝0.2～0.4D。
锥体底端沿轴线垂直插入中空的导向管6，导向管直径d1＝0.3～0.6D，插入的深度为h1＝0.65～0.8D。从导向管6底端插入螺旋进气管8。
锥体侧锥面插入3根二次进风管5，周向每隔90°设置一根，同时在同一水平高度开设生物炭出口19，生物炭出口19与相邻两根二次进风管5的间隔均为90°，生物炭出口直径d2＝0.08～0.12D，在生物炭出口连接生物炭收集器7。二次进风管的直径d＝0.035～0.05D，插入锥体的深度h＝0.01～0.03D。中心轴线与水平方向夹角为rad＝30°～55°。
如图3所示，二次进风管5插入锥体的一端为封闭段21和开放段交错设置，共4节，之间通过金属支撑条20进行连接，4节总长度为二次进风管长度的1/4，金属支撑条20的排布方式为：以管轴为基准的圆周分布。
直流导流锥式炭气分离器10内设有两头锥形的导流锥，导流锥上装配导向叶片，完全填充导流锥和分离器壳体的环隙空间，使气体携带生物炭颗粒形成螺旋下行流。底部有生物炭出口，安装生物炭收集器，分离后的气体由中心处气体出口导出，依次连接至一级涡旋喷淋器11-1和二级漩涡喷淋器11-2。
一级涡旋喷淋器11-1和二级漩涡喷淋器11-2的进水口均与蓄水池14连接，通过水泵13提供冷水源；一级涡旋喷淋器11-1的进气口连接直流导流锥式炭气分离器10出气口，出气口连接二级漩涡喷淋器11-2的进气口，二级漩涡喷淋器11-2的出气口连接至带调节楔式螺旋气液分离器15进口。两个漩涡喷淋器底部均安装除尘收集器12，用于收集喷淋后的灰尘颗粒溶液。
带调节楔式螺旋气液分离器15底部出水口连接至蓄水池14，将分离后的水导入蓄水池14，循环使用；出气口连接至储气罐16，将分离后的气体进行收集。
本系统的进气需经过气体加热炉22后提供至喷动床反应器，加热后的气体分别输送至螺旋进气管8和三根二次进风管5；气体加热炉8的进气口分别连接至鼓风机9和储气罐16，前者提供主要气源，后者收集的气体作为气体加热炉的能源提供。
本系统所使用的装置均采用常规的管路、管道等连接方式，不再进行赘述。

Claims (10)

1.一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，包括喷动床反应器，所述喷动床反应器依次与炭气分离装置、喷淋装置和气液分离装置连接，其特征在于：
所述喷动床反应器包括反应器本体，所述反应器本体下部为锥体部，所述锥体部底端设有一次进风管，锥体部侧面设有若干二次进风管。
2.根据权利要求1所述一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，其特征在于，所述一次进风管包括导向管和螺旋进气管，所述导向管由锥体部的底端沿轴线插入反应器本体，螺旋进气管一端伸入导向管，另一端伸出至反应器本体外。
3.根据权利要求1所述一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，其特征在于，所述二次进风管的一端为管壁开放端，所述管壁开放端包括封闭段与开放段，封闭段与开放段交错设置。
4.根据权利要求3所述一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，其特征在于，所述管壁开放端伸入所述锥体部内。
5.根据权利要求1或3所述一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，其特征在于，所述二次进风管的数量为3根，二次进风管设置在锥体部侧面的同一高度上，沿锥体部侧面每隔90°设置一根。
6.根据权利要求5所述一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，其特征在于，所述锥体部侧面还开设有生物炭出口，所述生物炭出口与所述二次进风管位于同一高度上，生物炭出口与相邻两根二次进风管的间隔为90°；
所述生物炭出口连接生物炭收集器。
7.根据权利要求1所述一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，其特征在于，所述喷动床反应器内还设有内筒，所述内筒设于喷动床反应器上部，内筒与喷动床反应器同轴线，内筒顶端开设进料口，内筒底端伸至所述锥体部。
8.根据权利要求7所述一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，其特征在于，所述内筒底端伸入锥体部的部分为向远离轴线侧弯曲的弧形。
9.根据权利要求1所述一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，其特征在于，还包括进料装置，所述进料装置与喷动床反应器连接；
所述进料装置包括一级绞龙和二级绞龙，所述一级绞龙与二级绞龙连接，二级绞龙与喷动床反应器连接。
10.根据权利要求9所述一种多进口内筒型喷动床式生物质炭气联产系统，其特征在于，所述一级绞龙为变频控制，二级绞龙为定频控制。
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