CN1136290C - 生物质秸杆制气的方法及用于该方法的煤气发生炉 - Google Patents

Abstract

一种生物质秸杆制取煤气的方法，即煤炭燃烧放热和生物质秸杆裂解制气在同一发生炉内进行。首先是煤炭在炉内燃烧并将热能积蓄于料层，再送入生物质秸杆，使其与高温煤炭直接接触，并在隔绝空气状态下产生裂解。采用程序控制方法，使蓄热过程和裂解反应按既定程序运行。采用本方案制取的煤气，发热量可达3500×4.18KJ/m³以上，工程投资比现有秸杆制气装置节约1/3以上，对我国广大乡镇居民燃料结构之变革和实现乡镇城市化，具有重大现实意义。

Description

生物质秸杆制气的方法及用于该方法的煤气发生炉

本发明涉及一种制取煤气的方法和装置，尤其涉及一种煤炭和生物质秸杆在同一炉内制取高热值煤气的方法和装置，属农业资源再生利用领域。

我国农作物秸杆年产量在5.7亿吨以上，约折合3亿吨标煤，这是一笔巨大的能源储备，现状国情是绝大部分农作物秸杆未能得到合理利用，农村大量漫天焚烧秸杆，既浪费宝贵的能源，又严重污染环境。开发农作物秸杆制气技术，是充分利用现有能源，加强环境保护、促进生态平衡的需要，是我国经济可持续发展的需要。

现有生物质秸杆裂解制气技术采用间热式制气方案，其基本方法是：经粉碎的生物质秸杆在耐热不锈钢管内作螺旋推进，管外用煤炭加热管道，煤炭燃烧所产生的热能通过传导和对流换热，使管内生物质秸杆升温裂解，所产煤气热值较高。该系统难以实现产业化运作的主要原因是：①裂解过程产生的大量焦油堵塞管道、附件，后续处理设备复杂，冷却净化洗涤水有毒有害物质超标。②所用耐热不锈钢管道造价昂贵，且每3-4个月就需报废更换，运行成本高。③秸杆裂解后占20-30％的固体残碳未能得到利用，热能利用率偏低。

中国专利《秸杆煤气发生炉》(ZL96209603.2)公开了一种秸杆连续制气技术，该技术采用单一原料制气，气化炉内依靠秸杆的自身燃烧放热供应秸杆气化所需热能，气化机理是秸杆在缺氧状态下的不完全燃烧法，产生以CO和H₂为主的可燃气体。由于秸杆自身热值低(约2500～3000×4.18KJ/Kg)，气化剂中的空气中又含有大量不可燃的氮气，并全部转入煤气成份，故所产煤气热值低，管网、储气系统投资大，从而大大局限了其使用功能。

本发明的目的是为了克服上述现有生物质秸杆制气技术之缺点而提出了一种新的生物质秸杆裂解制气方法。

本发明的裂解气化系统，气化裂解所需热源由煤炭燃烧放热取得，从而提高了炉内反应温度，稳定了炉内反应层次，生物质秸杆裂解所需热能采用直热式热交换方式，使生物质秸杆和高温煤炭在炉内进行充分热交换，气化方式由单纯的氧化还原反应演变成隔绝空气状态下的高温裂解反应，所产煤气成份由CO、H₂为主演变为以CH₄、C₂H₄等低碳链碳氢化合物等烃类气体为主，煤气热值可提高到3500×4.18KJ/m³以上。

本发明的技术解决方案如下：

一种制取煤气的方法，即煤炭燃烧放热和生物质秸杆高温裂解制气在同一发生炉内进行。在制气过程中，先由炉外鼓风机鼓入空气进入炉上空间和炽热的煤炭发生氧化还原反应，使炉上空层环境温度达600℃以上，煤炭氧化层温度达900-1100℃，所产生的以CO₂、N₂为主的烟气，通过炉外煤气排送机的抽吸作用，由炉中下部煤气出口排出炉外；此时，停止鼓风，通过进料装置连续不断地加进生物质秸杆，使其在隔绝空气状态下直接和高温煤炭接触，吸收料层由热传导、热辐射和热对流产生的热量，生成生物质裂解煤气，通过煤气排送机的抽吸作用，从炉中下部煤气出口排出炉外。

上述反应的代表式可用下列方程式表述：

式中：+Q为放热；-Q为吸热

以上所述入炉煤炭为无烟煤、烟煤、贫瘦煤之块煤或型煤，所述入炉生物质秸杆为经过破碎加工的1-30mm长的粉碎料；所述煤气排送机可是罗茨风机、高压离心风机、引风机、抽风机，也可以是真空泵。

上述制气方案采用微电脑、电磁阀组合、时间继电器等控制元件，驱动机构为液压、气压或电动阀门，按设定的程序使煤炭燃烧放热和生物质秸杆裂解制气间歇交替地进行。

本方案所述既定程序依次为：a.鼓风煤炭蓄热；b.烟气排净；c.生物质秸杆裂解制气；d.余气回收。四个阶段组成一个循环周期，一个周期时间为8-30分钟，其中a阶段所占百分比时间为15-40％，c阶段所占百分比时间为60-85％，b、c阶段各占1-2％。

一种专用于上述制气方法的煤气发生炉，包括进料装置、炉体和灰盘出灰机构。其中煤炭进料装置和生物质秸杆进料装置同在炉体上部，并分别依靠设置在相应装置上的密封锥和密封盖隔绝外界空气之进入；炉体上部空间处的全部炉壁内侧圆周涂复耐火材料；炉体中下部设置水夹套；燃煤炉渣及生物质秸杆裂解后的残留物依靠炉下部灰盘出渣机构排出炉外，煤气、烟气由设置在炉中下部的煤气出口排出炉外。

下面结合附图1、2，对本技术方案作进一步的说明。

附图中：

1、空气鼓风机       2、生物质秸杆进料装置    3、煤气发生炉

4、除尘装置         5、冷却净化装置          6、煤气排送机

7、放空阀门         8、煤气阀门              9、空气阀门

10、电机            11、生物质秸杆料斗       12、生物质秸杆料斗密封盖

13、煤炭布料锥      14、煤炭进料装           15、耐火材料

16、防爆装置        17、空气进气口           18、水夹套

19、灰盘出渣机构    20、煤气出口             21、布料锥

(1)鼓风煤炭蓄热，烟气排净阶段。

打开煤炭进料装置14内的煤炭布料锥13，煤炭从上部煤炭进料装置14经布料锥21进入煤气发生炉3，开启空气鼓风机1，煤气排送机6，空气阀门9，放空阀门7，空气从炉上空间空气进气口17进入煤气发生炉3上部空间，和炉内炽热的煤炭及上一循环周期生物质秸杆裂解后残余碳化物发生氧化还原反应，产生大量CO₂气体和少量CO气体，形成烟气并放出大量热量，热量积蓄于煤炭层内，所产烟气通过煤气排送机6的抽吸作用，从发生炉3中下部煤气出口20排入系统，进入除尘装置4，冷却净化装置5，除尘、冷却、净化后的烟气，经煤气排送机6压送，从放空阀门7排入大气。经一定周期后，按既定程序，关闭空气阀门9，炉内及系统内的残余烟气按以上运行路线放空至大气。

(2)秸杆裂解制气，余气回收阶段。

开启与秸杆进料装置2相连的电机10，开启煤气阀门8，经破碎的生物质秸杆均匀连续地进入煤气发生炉3上部，并直接和炽热的煤炭层接触，通过传导、辐射和对流传热，接受煤炭及炉上空层内周圈耐火材料15的蓄热，并迅速上升至生物质秸杆有机质气化及裂解所需温度，进行快速气化、裂解，其中已经气化、尚未裂解的有机质，在煤气排送机6的抽吸作用下，和炉内高温料层自上而下地接触并继续裂解。生物质秸杆有机质裂解产物主要为CH₄、C₂H₄等有机烃类，发热量高，所产气体通过煤气排送机6的抽吸作用，从煤气发生炉3中下部煤气出口20排入系统，进入除尘装置4、冷却净化装置5，经除尘、冷却、净化的烟气，由煤气排送机6压送，经煤气阀门8排入用气系统或气柜。经一定周期后，按既定程序，关闭生物质秸杆进料电机10，炉内及系统内残余煤气按以上运行路线排至用气系统或气柜。

(3)上述各阶段运行过程中，所使用的主要附属设备，包括除尘装置4、冷却净化装置5及空气鼓风机1，煤气排送机6及各类阀门等，采用与系统相匹配的市场应用成熟的各类现成设备。

(4)上述各阶段的一个循环周期为8-30分钟，其中鼓风煤炭蓄热阶段占15-40％，烟气排净阶段占1-2％，生物质秸杆裂解制气阶段占60-85％，余气回收阶段占1-2％，周期时间及各阶段时间分配的设定和调整，应根据原料状况、人员操作状况、系统规模大小等因素确定，由微机、电磁阀组合、时间继电器等控制元件及电动、液压、气动阀门等执行机构，实现自动控制。

(5)一种专用于上述制气方法的煤气发生炉装置，包括煤气发生炉3、生物质秸杆进料装置2、生物质秸杆料斗11、煤炭进料装置14、灰盘出渣机构15等部附件，其特征在于煤炭进料装置14和生物质秸杆进料装置2同在煤气发生炉3的上部，并分别依靠设置在相应装置上的煤炭布料锥13和生物质秸杆料斗密封盖12隔绝外界空气的进入；发生炉3上部空间处的全部炉壁内侧圆周涂复耐火材料15，用以防止热能损耗；炉体中下部设置水夹套用以防止煤炭高温结渣挂壁；煤气、烟气由设置在炉中下部的煤气出口20排出炉外；上述各制气阶段煤炭燃烧及生物质秸杆残余碳化物质燃烧所产生的灰份，经炉下部灰盘出渣机构19排出炉外；生物质秸杆裂解制气、余气回收阶段的炉内、外密封，依靠煤炭布料锥13与煤炭进料装置的机械接触式密封及生物质秸杆料斗与生物质秸杆料斗密封盖之间的垫料充填来保证；为确保系统运行安全，在煤气发生炉3之炉上空层侧壁对称设置防爆板2块。

本发明和现有各类生物质秸杆制气技术方案相比，有如下优点：

(1)煤炭、生物质秸杆在同一炉内进行直热式热交换，传热效率高；生物质秸杆裂解后所剩残余碳化物质(约占秸杆加入量的15-20％)得以燃烧放热，并将热能积蓄于料层，能源利用率高。

(2)煤炭作为一种辅助原料(其耗量约占总能耗的30％)，参与炉内燃烧反应，除为生物质秸杆裂解提供热源外，还有如下独特的重要作用：

煤气发生炉内的煤炭层、灰渣层本身就是一个优良的可再生过滤器，生物质秸杆裂解阶段所吸收未来得及裂解的焦油排出物，在鼓风煤炭蓄热阶段，其焦油排出物、生物质秸杆残余碳化物质又可随煤炭燃烧同步燃烧放热，从而节约了能源，实现了自身净化，并使后续处理设备大大简化。

(3)本发明采用煤炭燃烧作为生物质秸杆裂解之热源，由于裂解所需温度较低(350℃-850℃)，炉内温度可比传统单一煤炭造气炉炉温低150-200℃，因而对煤炭本身的质量要求不高(指发热值，灰熔点等)，劣质煤炭可得以利用。由于煤炭和生物质秸杆皆为廉价资源，故运行成本低，工业及民用户完全可以接受。

(4)型煤中加入的石灰含CaCO₃成份50％以上，可有效脱除烟气和煤气中的有害成份——有机硫和H₂S等，脱除率可达80％以上。

(5)所产生物质秸杆裂解气为有机烃类可燃物质组成，煤气热值可达3500×4.18KJ/m³以上。

综上所述，本发明对我国广大农村的农作物秸杆及我国城乡的生物质废弃物的再生利用，对节约能源、保护生态环境，对占中国人口75％以上广大农村人民生活质量的提高，具有重要现实意义。

Claims (7)

1、一种生物质秸杆制取煤气的方法，其特征是煤炭燃烧放热和生物质秸杆裂解制气在同一发生炉内进行，先将煤炭由炉上进料装置送入炉内，炉外设置的鼓风机将空气鼓入炉上空间，和炽热的煤炭发生氧化还原反应，使煤炭氧化层温度达900℃-1100℃，所产生的热量积蓄于料层，再将生物质秸杆由炉上进料装置送入炉内，生物质秸杆在隔绝空气状态下直接和高温煤炭接触，通过热传导、对流和辐射，吸收煤炭料层蓄热，此时炉内秸杆温度升至400℃-700℃，秸杆产生裂解反应生成以CH₄、C₂H₄、H₂为主要成分的高热值煤气，所产煤气通过炉外煤气排送机的抽吸作用，由炉中下部排出炉外，上述过程按既定的程序和循环周期反复进行，一个循环周期为8-30分钟，其中鼓风煤炭蓄热阶段占15％-40％，生物质秸杆裂解制气阶段占60％-85％，烟气排净和余气回收阶段各占1-2％。

2、如权利要求1所述的制气方法，其特征是所述煤炭为无烟煤、烟煤、贫瘦煤之块煤或型煤，所述生物秸杆为经过破碎的1-30mm长的玉米杆、稻草、棉杆、麦杆、油菜杆、稻壳、竹木碎料、树叶、菜叶、青草。

3、如权利要求1所述的制气方法，其特征是采用微电脑、时间继电器、电磁阀组合为控制元件，液压、气压或电动阀门驱动装置，按照一定的循环周期和既定程序实现循环间歇制气过程。

4、如权利要求1所述的制气方法，其特征在于煤炭燃烧所产烟气和所产煤气一样，都必须经过除尘、冷却净化去除气体中之灰尘、焦油杂质后方可排放。

5、如权利要求1所述的制气方法，其炉外煤气排送机可以是罗茨风机、高压离心风机、抽、引风机，也可以是真空泵。

6.如权利要求1所述的制气方法，入炉煤炭当采用型煤时，型煤内应添加5-15％的石灰。

7.权利要求1所述的制气方法所用的专用煤气发生炉，包括进料装置、炉体和灰盘出灰机构，其特征在于煤炭进料装置和生物质秸杆进料装置同在炉体上部，并分别依靠设置在相应装置上的煤炭布料锥和生物质秸杆料斗密封盖隔绝外界空气的进入，炉体上部空间处的全部炉壁内侧圆周涂复耐火材料，炉体中下部设置水夹套，煤气、烟气由设置在炉中下部的煤气出口排出，燃煤炉渣及燃烧裂解后的生物质残留物依靠炉下部灰盘出渣机构排出炉外，煤气发生炉之上层侧壁对称设置防爆板2块。