CN1136291C - 生物质气化制备燃料气的方法及气化反应装置 - Google Patents
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Abstract
一种生物质气化制备燃料气的方法是将生物质加入到气化炉中，在700-800℃裂解，气化生成含有焦油的空气煤气，再经过850-950℃高温区，使焦油裂解，得到不含焦油的煤气。本发明具有环保性能好，不产生或较少产生二次污染，且无焦油等副产品产生，工艺简单，系统气化效率高的优点。
Description
本发明涉及一种将生物质转化为洁净燃料气的方法和气化反应装置。
生物质作为可再生能源，是除煤、石油、天然气以及核能之外的具有开发前景的能源之一，可利用的生物质包括生活垃圾中的动植物厨余、动植物加工废料，如锯末、树皮、木屑、果皮、秸秆、粪便和屠宰场废料，其它还包括污泥及以能源利用为目的专门种植的木草等等。作为可再生能源，参与生物圈碳循环，因此其利用过程中释放的CO2不会产生温室效应；同时生物质的硫份和灰份一般较低，硫、灰排放的处理负担轻，因此在石油贮量日益枯竭，而煤炭利用又存在高污染及不可再生等因素的影响下，世界各国已逐步意识到生物质能量化利用的重要性和各种合理途径，美国甚至计划种植高产短生长周期的草木以供能量利用。我国生物质资源十分丰富，仅农作物秸秆的年产量即达7亿吨以上，约合标准煤3亿多吨，而我国城市垃圾中的主要成分也是生物质。
传统处理生物质的方法包括填埋、还田或就地焚烧，造成资源浪费、土壤和水源的污染、土地结构的破坏及高温室效应甲烷气生成，同时滋生病菌，危害人类健康。目前专门的焚烧技术由于减容大、可回收热能而得到较快发展，但二次污染问题比较棘手。新兴生物质气化技术的突出优点在于生物质原料转化获得化学能的同时，环保性能优越，因此气化法是当前生物质能量利用的新方向，主要体现在以下几个方面：
(1)高温还原性气氛下，热解气化过程中产生的高分子碳氢化合物可以得到有效分解，同时防止逆向合成反应的进行；如某些生物质原料存在氯元素，则氯元素以氯化氢而不是游离氯的形式存在，也无游离氧存在，因此在高温较长停留时间下操作可很好控制二恶英的生成。而已有的研究表明，含氯废料的焚烧会产生较多的二恶英；
(2)焚烧过程中部分氧化态的重金属存在于排出的灰渣中而被视为危险物，气化过程生物质中的重金属基本上以还原态的重金属形式富集于排除的灰渣中，被视为非危险物；
(3)气化法无酸性气体生成，煤气气量仅为焚烧烟气量的1/3，气氛中粉尘、HCL等待处理物质浓度高，后续污染控制设备的规模小，投资小。
但常规的气化方法在处理能量密度低、挥发分含量高的热粘性生物质废料时，系统的进料机构以及床内气固流动及温度场均需重新安排和构造。更重要的是高分子碳氢氧化合物产生较多，即通常所说的焦油，在没有采取任何焦油裂化措施时，生物质如秸秆气化产焦油量达20g/NM3。焦油的产生容易造成后系统堵塞和后续加工处理的困难，限制生物质气化炉的推广使用，同时使煤气产率和热值下降，系统冷煤气效率下降，因此解决好生物质热解气化过程中焦油裂解问题是成功开发生物质气化装置和工艺的关键。焦油可采用催化裂化法或在高温条件下保持一定的停留时间进行有效的分解。从相关文献报道看，目前较多采用前一种方法，主要借鉴了烃类加工工业的方法，采用各种重油裂化催化剂或具有焦油裂解作用的廉价石灰石，但均存在催化剂积炭问题，影响使用寿命，因此需再生处理，增加了设备、工艺的复杂性，且焦油裂解不彻底，使煤气的利用受到限制(如燃气轮机适用燃气要求焦油含量小于0.1g/NM3)，这些问题在中小型生物质气化工艺中更显突出。另有报道在生物质气化过程中冷凝焦油并回收返回炉内消耗的工艺，但需增加油水分离系统，回流泵和回流管路内易发生堵塞等问题，同样增加了工艺的复杂性。美国能源部新近组织开发了生物质气化技术，为提高燃料气热值，在工艺上采取双炉操作的模式，生物质在热解气化炉内与热沙混合完成热解产出高热值煤气，同时含碳飞灰与砂子混合进入燃烧炉内燃烧完成砂子的加热，热沙再返回热解气化炉内完成循环，但过程中也存在焦油的处理问题。
本发明的目的是提供一种无焦油产生、且工艺简单的生物质气化制备燃料气的方法及气化反应的专用装置。
本发明的目的是这样实现的：生物质不需分拣和净化，破碎至小于5mm，加入气化炉在700～800℃下进行热解气化，生成含有焦油的空气煤气再通过顶部高温区域，使焦油在高温下裂解，得到不含焦油的洁净煤气。
本发明的生物质气化制备燃料气的方法包括如下步骤：
(1)把生物质破碎至粒度小于5mm；
(2)将砂料置于气化炉内，加热到700～800℃，把粒度小于5mm的生物质加入到气化炉内，并与砂料在搅拌状态下，通入空气，入炉空气总量与生物质原料配比为2.0-3.5NM3/Kg，保持气化炉内温度为700～800℃，生成含焦油的空气煤气；
(3)含有焦油的空气煤气通过850～950℃的高温区并停留1-3秒裂解，生成不含焦油的洁净煤气；
(4)将不含焦油的洁净煤气的一部分返回到第(3)步高温区，配以完全燃烧所需空气，使高温区温度保持在850～950℃，使含焦油的空气煤气中的焦油裂解。
如上所述空气总量是指底部入炉空气和由顶部喷嘴进入空气两个部分之和。
为了实现上述发明，设计了一种专用气化反应装置。
该装置是由炉体、进料口、测温口、气体分布板、煤气出口、燃料喷嘴组成，其特征在于一个进料口位于炉体下部的气体分布板之上，另一个进料口位于炉体顶部，在炉体中部沿径向安装有一组燃料喷嘴，在炉体上部的煤气出口之下沿径向安装有另一组燃料喷嘴，在炉体下部的气体分布板之下有进风室和进风口，在炉体内装有搅拌器。
如上所述的气体分布板是锥形的。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明由于基于气化技术，二恶英类物质的生成得到抑制，同时待处理气量小，使后续污染控制设备规模小，投资小，环保性能优越。
(2)本发明的反应装置结构简单，操作方便。
(3)本发明的制备燃气的方法无焦油产生，工艺简单。
(4)所产煤气的热值在1200-1500Kcal/Nm3。
下面结合实施例及其附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的流程图。
图2是本发明专用气化反应装置的结构示意图。
如图所示，1是炉体，2是位于炉体1中部的燃料喷嘴，3是位于炉体1上部且位于煤气出口4之下的燃料喷嘴，5是位于炉体1下部且位于气体分布板8之上的进料口，6是位于炉顶的进料口，因此原料可以根据具体情况选择不同位置的入料口入炉，7是原料入口阀，9是位于炉体1底部且位于气体分布板6之下的进风口，10是与气体分布板8连接并与炉体1底部连接的排砂排灰口，下接排料阀11，12是安装于炉体1内的搅拌器，该搅拌器12通过位于炉体1顶部的电机13驱动，14、15、16是位于炉体1上中下三处的测温口，17是联接热电偶的测温仪表，18是进入炉体1内的砂料或生物质，19是鼓风机，20是空气压力表，21是电机，22是由电机21带动的螺旋进料器，23、24是连接螺旋进料器22的储料仓，25是燃料源，26是与煤气出口4相连的旋风分离器，27是储灰仓，28是灰渣，29是水冷换热器，30是水泵，31是冷却水，32是排出的热水，33是从水冷换热器29排出的冷凝水，34是纯净煤气，35是真空泵，该真空泵将洁净煤气34一部分返回到燃料源25，36是位于气体分布板8之下的进风室。
实施例1：
以木屑为气化原料不需分拣、净化，破碎至粒度小于5mm，装入储料仓23、24待用。将过筛后粒度均一的砂料置于气化反应器1中，开启罗茨鼓风机19和城市煤气气源或液化气气源25出气阀，在常压下用液化气或城市煤气配以完全燃烧所需空气由炉体上部喷嘴3和炉体中部喷嘴2进入炉内燃烧进行烘炉，在测温口14、15、16中插入热电偶，通过热电偶连接控温仪17进行测温。将炉顶温度升高到860℃，将炉体下部和中部温度升高到750℃，开启电机13带动搅拌器12开始搅拌，开启电机21使螺旋进料器22将储料仓23或24里准备好的生物质送入到炉内，按入炉空气木屑比为2.325Nm3/Kg的计量空气(入炉空气总量计)，使空气从进入口9进入炉内，并停止喷嘴2进气，空气经过气体分布板8入炉与生物质接触，使炉下部和中部的温度为750℃，并调整喷嘴3的流量，使炉顶温度为860℃，待床温和气量调节稳定后，开启冷却水泵31，生物质和从分布板8入炉的空气在750℃的温度下进行燃烧及热解气化反应，生成含有焦油的空气煤气。该空气煤气上升到炉顶部860℃的高温区、停留1秒后，使焦油分解。煤气从出口4进入旋风分离器26，使灰尘和煤气分离；灰尘进入储灰仓27，从储灰仓27排出灰尘28；从旋风分离器26出来的煤气经过水冷换热器29冷却后得到洁净煤气34。开启真空泵35，使部分洁净煤气返回到燃料气源25处，再通过喷嘴3入炉顶，此时停止城市煤气或液化气等替代燃料的供给，调整返回煤气的量，使炉顶的温度保持在860℃。煤气经水冷换热器29冷凝出来的冷凝水33排放，所产煤气的指标见表1。
实施例2
调节炉顶温度达870℃，将炉体下部和中部温度变为750℃，空气木屑比变为2.07Nm3/Kg，含有焦油的空气煤气上升到炉顶部870℃的高温区，停留2秒，其余同实施例1。
实施例3
调节炉顶温度达870℃，将炉体下部和中部温度变为730℃，空气木屑比变为2.557Nm3/Kg，含有焦油的空气煤气上升到炉顶部870℃的高温区，停留1秒，其余同实施例1。
实施例4
调节炉顶温度达935℃，将炉体下部和中部温度变为780℃，空气木屑比变为2.493Nm3/Kg，含有焦油的空气煤气上升到炉顶部935℃的高温区，停留2.5秒，其余同实施例1。
实施例5
调节炉顶温度达940℃，将炉体下部和中部温度变为800℃，空气木屑比变为2.455Nm3/Kg，含有焦油的空气煤气上升到炉顶部940℃的高温区，停留2秒，其余同实施例1。表1
Claims (3)
1.生物质气化制备燃料气的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)把生物质破碎至粒度小于5mm；
(2)将砂料置于气化炉内，加热到700～800℃，把粒度小于5mm的生物质加入到气化炉内，并与砂料在搅拌状态下，通入空气，入炉空气总量与生物质原料配比为2.0-3.5NM3/Kg，保持气化炉内温度为700～800℃，生成含焦油的空气煤气；
(3)含有焦油的空气煤气通过顶部850～950℃的高温区并停留1-3秒裂解，生成不含焦油的洁净煤气；
(4)将不含焦油的洁净煤气的一部分返回到第(3)步高温区，配以完全燃烧所需空气，使高温区温度保持在850～950℃，使含焦油的空气煤气中的焦油裂解。
2.如权利要求1的方法所使用的气化反应装置，是由炉体(1)、进料口(5)和(6)、测温口(14、15、16)、气体分布板(8)、煤气出口(4)、燃料喷嘴(2、3)组成，其特征在于进料口(5)位于炉体(1)下部的气体分布板(8)之上，另一个进料口(6)位于炉体(1)的顶部，在炉体(1)中部安装有燃料喷嘴(2)，在炉体(1)上部的煤气出口(4)之下安装有燃料喷嘴(3)，在炉体(1)下部的气体分布板(8)之下有进风室(36)和进风口(9)，在炉体(1)内装有搅拌器(12)。
3.根据权利要求2所述的一种生物质气化制备燃料气的气化反应装置，其特征在于所述的气体分布板(8)是锥形的。
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