CN113234489A - 一种基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法，包括串行流化床气化系统、燃气轮机系统和两级加热气化水蒸气系统；串行流化床气化系统包括气化炉和燃烧炉；两级加热气化水蒸气系统包括蒸发器和过热器；将预处理后的生物质燃料送入气化炉与通入的气化介质气化反应生成合成气气体，合成气气体经燃气轮机系统生成高温高压气体，高温高压气体通入述蒸发器，加热通入蒸发器内的常温水，生成饱和蒸汽送入过热器；生物质燃料中未完全反应的碳和床料进入燃烧炉和空气反应，释放热量并生成烟气；烟气通入过热器；在过热器中，气化燃烧炉排出的高温烟气的热量将饱和蒸汽加热生成高温水蒸气，作为高温气化介质进入气化炉，催化炉内气化反应。

Description

一种基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法
技术领域
本发明涉及生物质流化床气化技术及分布式供能技术领域，特别涉及一种基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法。
背景技术
在农村或偏远地区，秸秆等生物质产生量巨大，但是传统的生物质处理方式诸如倾倒或者燃烧，不仅会造成资源的浪费，还会严重污染当地环境，而生物质气化技术由于其燃料适应性广、污染小等优点逐渐成为人们提倡的生物质处理方式。另外偏远地区由于地理位置偏僻，大多数无法涉及统一供电、制冷、供暖区域，因此十分适合分布式供能系统的发展，故生物质气化-发电-制冷供暖系统在我国农村或偏远地区有很大的发展前景。
目前生物质气化-发电-制冷供暖系统有一个明显的缺点，气化炉生成合成气的热值大多在8MJ/m3～10MJ/m3，合成气热值偏低，导致后面的发电量不高，系统整体能量利用率偏低。
造成气化炉合成气热值偏低的一个重要原因就是气化介质的温度偏低，气化介质诸如空气、氧气或水蒸气的加热需要借助外来热量，加热空间有限，导致气化炉内生物质的气化效率偏低，生成合成气的热值不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种提高水泵电缆寿命的基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法。
本发明的技术方案：本发明所述的一种基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法，包括串行流化床气化系统、燃气轮机系统和两级加热气化水蒸气系统；所述串行流化床气化系统包括气化炉和燃烧炉；
所述两级加热气化水蒸气系统包括蒸发器和过热器；
将预处理后的生物质燃料送入气化炉与通入的气化介质气化反应生成合成气气体，所述合成气气体经所述燃气轮机系统生成高温高压气体，所述高温高压气体通入述蒸发器，加热通入所述蒸发器内的常温水，生成饱和蒸汽送入所述过热器；
所述生物质燃料中未完全反应的碳和床料进入燃烧炉和空气反应，释放热量并生成烟气；所述烟气通入所述过热器；
在所述过热器中，所述气化燃烧炉排出的高温烟气的热量将所述饱和蒸汽加热生成高温水蒸气，作为高温气化介质进入气化炉，催化气化炉内气化反应。
进一步的，所述过热器出来的燃烧炉烟气进入混合器，与所述蒸发器内排出的所述燃气轮机系统生成的气体进行混合，形成具有余热的混合气体，根据需求，分别送往制冷系统和供暖系统，使之成为制冷系统和供暖系统的热源。
进一步的，所述串行流化床气化系统和所述燃气轮机系统间设有合成气显热利用和净化系统；
所述气化炉的排气管出气端连通合成气显热利用和净化系统，所述合成气显热利用和净化系统利用所述排气管排出的合成气气体加热空气送入燃烧炉，并净化所述合成气气体，生成净化煤气送入所述燃气轮机系统。
进一步的，所述气化炉顶部出口与排气管相连；气化炉通过返料管连通燃烧炉；
燃烧炉顶部出口与旋风分离器相连，旋风分离器底部出口与气化炉相连；
进一步的，所述合成气显热利用和净化系统包括第一空气预热器、合成气热水换热器、除尘器、脱硫塔；
所述第一空气预热器的热端进口与所述气化炉的排气管出口相连；
所述第一空气预热器热端出口与所述合成气热水换热器热端进口相连；
所述第一空气预热器的冷端出口与气化燃烧炉底部入口相连；
所述合成气热水换热器的热端出口与所述除尘器的顶部进口相连；
所述除尘器的气体出口与所述脱硫塔的进口相连；
所述脱硫塔的气体出口与所述燃气轮机系统进口相连。
进一步的，所述供暖系统包括烟气热水换热器、散热器、第一水泵；
所述烟气热水换热器的热端出口与散热器进口相连，散热器的出口与第一水泵入口相连，第一水泵的出口与烟气热水换热器的冷端进口相连。
进一步的，所述制冷系统包括烟气溶液换热器、发生器、冷凝器、蒸发器、节流阀和、吸收器、溶液热交换器和第二水泵；
其中，烟气溶液热交换器的冷端出口与发生器进口相连，发生器水蒸气出口与冷凝器进口相连，冷凝器出口与节流阀入口相连，发生器浓溶液出口与溶液热交换器热端进口相连，溶液热交换器热端出口与节流阀进口相连，蒸发器出口与节流阀出口和吸收器入口相连，吸收器出口经第二水泵与溶液热交换器冷端进口相连，溶液热交换器冷端出口与烟气溶液换热器冷端进口相连。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1.利用串行流化床燃烧炉生成的高温烟气对气化介质水蒸气进行加热，使其生成高温水蒸气，在系统自供热的基础上，提高了气化介质的温度，从而促进了气化炉内反应的进行，使生成的合成气热值得到提升，增加了系统的发电量；
2.使用串行流化床气化炉代替单炉气化炉，避免了生物质与空气的直接接触，大大降低了合成气中的氮气含量，提高了合成气的有效气体浓度，有利于增加系统的能源利用率；
3.本发明基于能量梯级利用的原则，实现发电、制冷、供暖的统一；合成气的显热用来预热燃烧炉的空气后，剩余热量用来产生生活热水；燃烧炉烟气和燃气轮机排出气体用来产生气化所需水蒸气后，根据季节需求，送往热水供暖循环或溴化锂制冷循环；在整个系统在气化所需能量自给的前提下，根据能量的品质高低，通过发电、供暖制冷等方式充分回收，最大化提高一次能源利用率。
附图说明
图1为本发明基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法的方法图。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1本发明一种设有基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法的具体实施方式，包括由串行流化床气化系统1、合成气显热利用和气体净化系统2、燃气轮机发电系统3、两级加热产生气化水蒸气系统4、供暖系统5、制冷系统6以及混合器7组成的串行流化床气化的分布式供能方法。
其中，串行流化床气化系统1由气化炉1-1、排气管1-2、返料管1-3、燃烧炉1-4和旋风分离器1-5组成。
气化炉1-1顶部出口与排气管1-2相连，气化炉1-1侧面出口与返料管1-3相连，返料管1-3与燃烧炉1-4侧面进口相连，燃烧炉1-4顶部出口与旋风分离器1-5相连，旋风分离器1-5底部出口与气化炉1-1相连。
合成气显热利用和净化系统2由第一空气预热器2-1、合成气-热水换热器2-2、除尘器2-3、脱硫塔2-4组成；
其中，第一空气预热器2-1的热端进口与排气管1-2出口相连，第一空气预热器2-1热端出口与合成气-热水换热器2-2热端进口相连，第一空气预热器2-1的冷端出口与气化燃烧炉1-4底部入口相连，合成气-热水换热器2-2的热端出口与除尘器2-3的顶部进口相连，除尘器2-3的气体出口与脱硫塔2-4的进口相连，脱硫塔2-4的气体出口与合成气压缩机3-1的进口相连；
燃气轮机发电系统3由合成气压缩机3-1、空气压缩机3-3、燃料室3-2、透平3-4、第二空气预热器3-5组成。
合成气压缩机3-1的出口与燃烧室3-2的入口相连，燃烧室3-2的出口与透平3-4入口相连，透平出口与第二空气预热器3-5的热端入口相连，第二空气预热器3-5的冷端进口与空气压缩机3-3出口相连，第二空气预热器3-5的冷端出口与燃烧室3-2的入口相连。
余热利用产生气化水蒸气系统4包括蒸发器4-1、过热器4-2。
蒸发器4-1热端进口与第二空气预热器3-5热端出口相连，蒸发器4-1冷端出口与过热器4-2冷端进口相连，过热器4-2热端进口与分离器1-5气体出口相连，过热器4-2冷端出口与气化炉1-1入口相连，蒸发器与过热器的热端出口都与混合器7入口相连。
供暖系统5包括烟气-热水换热器5-1、散热器5-2、第一水泵5-3。
烟气-热水换热器5-1的热端出口与散热器5-2进口相连，散热器5-2的出口与第一水泵5-3入口相连，第一水泵5-3的出口与烟气-热水换热器5-1的冷端进口相连。
制冷系统6包括烟气-溶液换热器6-1、发生器6-2、冷凝器6-3、蒸发器6-5、节流阀6-4和6-7、吸收器6-8、溶液热交换器6-6以及第二水泵6-9。
烟气-溶液热交换器6-1的冷端出口与发生器6-2进口相连，发生器水蒸气出口与冷凝器6-3进口相连，冷凝器出口与节流6-4入口相连，节流阀6-4出口与蒸发器6-5进口相连，发生器浓溶液出口与溶液热交换器6-6热端进口相连，溶液热交换器热端出口与节流阀6-7进口相连，蒸发器6-5出口与节流阀6-7出口和吸收器6-8入口相连，吸收器6-8出口经第二水泵6-9与溶液热交换器6-6冷端进口相连，溶液热交换器冷端出口与烟气-溶液换热器6-1冷端进口相连。
如图1所示，在串行流化床气化系统1中，A端为气化炉的生物质燃料输入端、B端为气化炉的气化介质输入端、C端为进入燃烧炉的空气输入端；
其中C端进入燃烧炉的空气，为第一空气预热器2-1空气入口端D经第一空气预热器2-1后生成的预热空气；
在合成气显热利用和净化系统2中，E端是合成气-热水换热器2-2的生活热水进口端、F端是合成气-热水换热器2-2的生活热水出口端、G端是除尘器2-3输出合成气中含有的灰分，H端是脱硫塔2-4输出的合成气中含有的硫、氮化合物以及水分；
在燃气轮机系统3中，I端输入的是进入空气压缩机3-3的空气；
在两级加热产生气化水蒸气系统4中，J端输入的是常温水，K端是经过蒸发器加热的饱和蒸汽，输出B端的是经过过热器加热的高温水蒸气，M端是经过换热后的气化燃烧炉生成烟气，L端是经过换热后的燃气轮机排出气体。
在供暖系统5以及制冷系统6中，N端输入的是L端和M端的混合气体，是供暖系统的热源输入；O端输入的是L端和M端的混合气体，是制冷系统的热源输入；
P端是蒸发器6-5的冷媒水进口，Q是蒸发器6-5的冷媒水出口，R端是吸收器6-8的冷却水进口，S端是冷凝器6-3的冷却水出口。
经过预处理后的生物质燃料进入串行流化床气化炉1-1，燃料首先被热解，生成碳与热解性挥发气体，而后热解产物与在水蒸气进行气化反应，气化温度为800℃，生成主要含有H2、CO、CO2的合成气，生成的合成气通过排气管1-2排出，未反应完全的碳通过返料管1-3进入燃烧炉1-4，燃烧炉温度为950℃，碳和空气中的氧气发生燃烧反应释放热量，生成的烟气进入燃烧炉旋风分离器1-5，携带燃烧释放的热量的床料被分离出来，重新进入气化炉，为气化反应提供热量，分离床料后的烟气进入过热器4-2，该烟气温度在900℃～950℃。
从气化炉排气管1-2出来的合成气进入第一空气预热器2-1，将进入燃烧炉的空气预热到600℃，而后进入合成气-热水换热器2-2，合成气被冷却到150℃，随后进入除尘器除2-3和脱硫塔2-4，进行除尘、脱硫、脱氮、脱水处理，最终得到干净煤气；煤气经合成气压缩机3-1压缩后，进入燃气轮机燃烧室3-2和压缩预热后的空气反应，燃烧室温度为930℃，生成高温高压气体，而后高温高压气体进入透平3-4膨胀做功，输出机械能，做功后的气体进入第二空气预热器3-5，将经过空气压缩机3-3压缩后的空气预热到700℃；
燃气轮机排出气体温度在450℃～550℃，该气体进入蒸发器4-1，对J端通入的常温水进行加热，使其变为饱和蒸汽；蒸发器4-1出来的饱和蒸汽送入过热器4-2；
同时，燃烧炉1-4排出的烟气通过分离器1-5分离后，进入过热器4-2的烟气对蒸发器4-1出来的饱和蒸汽K进行加热，使其变成温度为550℃的高温水蒸气B，作为高温气化介质进入气化炉1-1，催化气化炉1-1内继续进行气化反应；
同时，蒸发器4-1排除的经过换热后的燃气轮机排出气体M与过热器4-2排出的经过换热后的气化燃烧炉生成的烟气L进入混合器7；
高温水蒸气B直接进入气化炉1-1与生物质发生反应，循环往复。
在供暖系统5中，混合气体N的余热通过烟气-热水换热器5-1进行回收，在烟气-热水换热器5-1出口处，混合气体N温度被冷却到100℃；热水吸收混合气体N的热量后，温度达到55℃，通过散热器5-2为人们供暖后，温度降到45℃，压力下降0.05MPa，经过水泵5-3加压，重新进入烟气-热水换热器吸收热量，形成循环。
在制冷系统6中，通过溴化锂吸收式制冷循环对混合气体O的余热进行利用，发生器6-1吸收热源热量，温度达到63℃，溴化锂稀溶液中的水分蒸发，产生了水蒸气和溴化锂浓溶液，产生的水蒸气经过冷凝器6-3冷凝和节流阀6-4节流后，进入蒸发器6-5中吸收冷媒水的热量蒸发变成所处压力下的饱和蒸汽，产生制冷反应，浓溶液经过溶液热交换器6-6放热，溶液热交换器热出口温度为50℃，以及节流阀6-7节流后，在吸收器6-8与水蒸气混合形成溴化锂稀溶液，释放热量，经第二水泵6-9加压和吸收热量后，重新进入发生器，形成循环。其中，冷凝器6-3和吸收器6-8释放的热量用冷却水回收。
本发明具有在保证生物质气化、发电、制冷供暖系统自供热的基础上，提高了气化介质水蒸气的温度，使合成气热值得到改善，增大了系统的发电量的特点，相较现有技术，本发明采用串行流化床气化炉代替单炉气化炉，利用串行流化床燃烧炉生成的高温烟气对气化介质进行加热，使其生成高温水蒸气，提高气化炉的气化效率，同时避免了生物质与空气的直接接触，提高了合成气中的有效气体浓度，因此气化炉生成的合成气热值得以提高。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法，其特征在于：包括串行流化床气化系统(1)、燃气轮机系统(3)和两级加热气化水蒸气系统(4)；所述串行流化床气化系统(1)包括气化炉(1-1)和燃烧炉(1-4)；
所述两级加热气化水蒸气系统(4)包括蒸发器(4-1)和过热器(4-2)；
将预处理后的生物质燃料送入气化炉(1-1)与通入的气化介质气化反应生成合成气气体，所述合成气气体经所述燃气轮机系统(3)生成高温高压气体，所述高温高压气体通入述蒸发器(4-1)，加热通入所述蒸发器(4-1)内的常温水，生成饱和蒸汽送入所述过热器(4-2)；
所述生物质燃料中未完全反应的碳和床料进入燃烧炉和空气反应，释放热量并生成烟气；所述烟气通入所述过热器(4-2)；
在所述过热器(4-2)中，所述气化燃烧炉排出的高温烟气的热量将所述饱和蒸汽加热生成高温水蒸气，作为高温气化介质进入气化炉(1-1)，催化气化炉(1-1)内气化反应。
2.根据权利要求1所述的基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法，其特征在于：所述过热器(4-2)出来的燃烧炉烟气进入混合器(7)，与所述蒸发器(4-1)内排出的所述燃气轮机系统(3)生成的气体进行混合，形成具有余热的混合气体，根据需求，分别送往制冷系统和供暖系统，使之成为制冷系统和供暖系统的热源。
3.根据权利要求1所述的基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法，其特征在于：所述串行流化床气化系统(1)和所述燃气轮机系统(3)间设有合成气显热利用和净化系统(2)；
所述气化炉(1-1)的排气管(1-2)出气端连通合成气显热利用和净化系统(2)，所述合成气显热利用和净化系统(2)利用所述排气管(1-2)排出的合成气气体加热空气送入燃烧炉(1-4)，并净化所述合成气气体，生成净化煤气送入所述燃气轮机系统(3)。
4.根据权利要求1所述的基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法，其特征在于：所述气化炉(1-1)顶部出口与排气管(1-2)相连；气化炉(1-1)通过返料管(1-3)连通燃烧炉(1-4)；
燃烧炉(1-4)顶部出口与旋风分离器(1-5)相连，旋风分离器(1-5)底部出口与气化炉(1-1)相连。
5.根据权利要求3所述的基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法，其特征在于：
所述合成气显热利用和净化系统(2)包括第一空气预热器(2-1)、合成气-热水换热器(2-2)、除尘器(2-3)、脱硫塔(2-4)；
所述第一空气预热器(2-1)的热端进口与所述气化炉(1-1)的排气管(1-2)出口相连；
所述第一空气预热器(2-1)热端出口与所述合成气-热水换热器(2-2)热端进口相连；
所述第一空气预热器(2-1)的冷端出口与气化燃烧炉(1-4)底部入口相连；
所述合成气-热水换热器(2-2)的热端出口与所述除尘器(2-3)的顶部进口相连；
所述除尘器(2-3)的气体出口与所述脱硫塔(2-4)的进口相连；
所述脱硫塔(2-4)的气体出口与所述燃气轮机系统(3)进口相连。
6.根据权利要求2所述的基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法，其特征在于：所述供暖系统(5)包括烟气-热水换热器(5-1)、散热器(5-2)、第一水泵(5-3)；
所述烟气-热水换热器(5-1)的热端出口与散热器(5-2)进口相连，散热器(5-2)的出口与第一水泵(5-3)入口相连，第一水泵(5-3)的出口与烟气-热水换热器(5-1)的冷端进口相连。
7.根据权利要求2所述的基于生物质串行流化床气化的分布式供能方法，其特征在于：所述制冷系统(6)包括烟气-溶液换热器(6-1)、发生器(6-2)、冷凝器(6-3)、蒸发器(6-5)、节流阀(6-4)和(6-7)、吸收器(6-8)、溶液热交换器(6-6)和第二水泵(6-9)；
所述烟气-溶液热交换器(6-1)的冷端出口与所述发生器(6-2)的进口相连，所述发生器(6-2)的水蒸气出口与所述冷凝器(6-3)进口相连；
冷凝器出口与节流阀(6-4)入口相连，所述发生器(6-2)的浓溶液出口与溶液热交换器(6-6)热端进口相连，溶液热交换器热端出口与节流阀(6-7)进口相连；
蒸发器(6-5)出口与节流阀(6-7)出口和吸收器(6-8)入口相连，所述吸收器(6-8)出口经所述第二水泵(6-9)与溶液热交换器(6-6)冷端进口相连；所述溶液热交换器(6-6)的冷端出口与烟气-溶液换热器(6-1)冷端进口相连。
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