CN114045181A - 一种旋风式生物质半气化实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋风式生物质半气化实验装置，包括气化炉、控制柜、给料机、给料斗、一次风道、气化气体管道、加热元件、一级空预器、一级除焦油装置、一级焦油收集罐、二级焦油收集罐、二级除焦油装置、二级空预器、送风机、风道、引风机、旋风分离装置及喷淋除尘装置，该装置能够满足生物质气化的研究工作需求。

Description

一种旋风式生物质半气化实验装置
技术领域
本发明属于火力发电设备领域，涉及一种旋风式生物质半气化实验装置。
背景技术
随着社会和经济发展对能源需求日益加剧，化石能源资源有限，且其广泛使用带来了严重社会和环保问题，生物质能具有资源充分和环境兼容性好等优势，其利用转化方式与化石能源具互相兼容，且可实现二氧化碳近零排放，已逐渐成为重要可再生能源，也是继三大化石能源之后第四大能源。我国一直面临着较大的二氧化碳减排压力，在目前碳捕捉技术均不成熟，而风光发电又由于电网稳定性限制不能无限扩张的技术前提下，推广生物质气化技术对于消纳我国富余生物质，增加低碳能源比例具有重要意义。
我国生物质资源丰富，分布广泛，理论资源量约为50亿吨，仅每年可作燃料利用的农业剩余物和林业废弃物就有5～7亿吨，折合2.5～3.5亿吨标准煤。生物质气化是生物质能中最有效和最主要的应用技术，已逐渐受到全社会关注，逐步发展成为最有价值和最有前景能源应用技术。而当前，由于受到政策、技术、经济和环境等方面因素影响，生物质气化广泛应用还有诸多限制，需要对该技术开展专项研究。
目前我国多家高校、科研院所、相关企业对生物质气化及应用技术进行了研究，为保证研究成果的针对性与准确性，烟气水分回收实验装置一般都安装在拟定加装烟气水分回收装置的电站锅炉烟道上，因此存在以下五个方面的问题：
(1)不同类型、粒径、水分、热值生物质燃料与旋风气化炉的适应性研究；
(2)气化温度对产气量的影响因素研究；
(3)生物质料与气化风量配比对产气量的影响技术研究；
(4)气化气体热值主要影响因素研究；
(5)气化条件对灰渣成分的影响研究；
(6)气化气体除焦油、除尘技术研究。
综上所述，为研究上述问题，需要设计出一种全新生物质气化实验装置，满足开展生物质气化研究工作需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种旋风式生物质半气化实验装置，该装置能够满足生物质气化的研究工作需求。
为达到上述目的，本发明所述的旋风式生物质半气化实验装置包括气化炉、控制柜、给料机、给料斗、一次风道、气化气体管道、加热元件、一级空预器、一级除焦油装置、一级焦油收集罐、二级焦油收集罐、二级除焦油装置、二级空预器、送风机、风道、引风机、旋风分离装置及喷淋除尘装置；
气化炉的出气口经气化气体管道、一级空预器的壳程、一级除焦油装置、二级空预器的壳程、二级除焦油装置、引风机及旋风分离装置与喷淋除尘装置的入口相连通；
送风机的出口经风道、二级空预器的管程及一级空预器的管程后分为两路，其中一路与气化炉的二次风口相连通，另一路经一次风道与气化炉的一次风口相连通；
一级除焦油装置的底部设置有一级焦油收集罐；二级除焦油装置的底部设置有二级焦油收集罐；
给料斗的出口经给料机与气化炉的入料口相连通；
气化炉内设置有温度测量元件及加热元件，其中，控制柜经控制线路与送风机、引风机、温度测量元件及给料机相连接。
给料机上设置有清堵口。
还包括气化炉集气罐；气化炉的底部出口与气化炉集气罐相连通。
还包括冷却水管；冷却水管的出口与一级除焦油装置及二级除焦油装置相连通。
一次风口数量为2-4个；二次风口数量为2-4个；温度测量元件的数量为4-6个；加热元件数量为6-10个；气体采样孔数量为2-4个。
一级除焦油装置及二级除焦油装置均为内外两层结构，其中，内层通入气化气体，外层通入冷却水，且内层内设置有隔板及导流装置，外层的底部设置有冷却水出水口。
气化炉、一级空预器、一级除焦油装置、二级空预器、二级除焦油装置、旋风分离装置、喷淋除尘装置、风道、一次风道及气化气体管道均设置有外保温层。
喷淋除尘装置的顶部设置有排气口及气体采样孔。
所述一次风道上设置有阀门，所述气化气体管道上设置有流量计。
流量计数量为2-4个。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的旋风式生物质半气化实验装置及方法，满足常规空气、空气分级及富(纯)氧条件下的秸秆、稻壳、木屑等多种生物质热解气化反应的实验研究；能够研究生物质颗粒在高温变压下的分解特性，确定热值不同的生物质颗粒在气化炉分解下生成的可燃气体物理、化学特性，掌握不同温度、不同升温速率及不同停留时间等对生物质分解特性的影响；能够研究生物质颗粒在高温变压下反应过程中的耦合特性，得不同温度特性下生物质分解过程的特性曲线，根据生成气体物理、化学特性，得生物质分解反应中的耦合特性；能够研究生物质半气化反应过程中终端燃气排放特性，研究其随温度、CO2浓度以及O2浓度的变化规律，确定燃气使用端的O2配比情况；能够对比生物质不同颗粒常态燃烧、富氧燃烧与热解气体相同状态下燃烧情况，研究气体发生炉截面-高度-温度变化曲线与发生气体的变量关系；能够开展不同颗粒、不同热值生物质的试验研究工作；能够通过试验研究，确定生物质颗粒分解反应热力学参数，对生物质颗粒分解参数进行修正和完善，能够根据温度、截面、反应区高度、一次进风风量风压、二次进风风量风压及进料粒度确定生物质颗粒热解气化的反应模式，指定参数模块控制，更高效的研究生物质燃料热解气化反应。相比一般生物质半气化试验装置，本发明具有以下特点：
1)测量灵活性强。采用给料机，能够实现自动恒定给料；送风机与引风机的转速采用变频控制，能够实现系统通风量的精准控制。
2)适应性强。由于生物质料为颗粒料，所以能够完成不同种类、不同粒径及不同热值生物质料的气化研究。
3)功能完备齐全。给料机设置有清堵口，能够在线对堵料问题进行处理；沿气化炉的高度方向布置多个温度测量元件，能够实现炉内温度场和组分场的定位测量；气化炉的底部设置集灰罐，能够收集飞灰进行化验分析；通过两级空预器对进入气化炉的送粉余热，能耗降低；通过两级除焦油装置及时脱除烟气中的焦油，净化气体，并收集焦油进行分析；同时配备有旋风分离装置及喷淋除尘装置，能够去除气化气体中的粉尘，净化气体。
4)建设费用低。本发明中送风机、引风机、加热元件及阀门均在常压、非腐蚀烟气气氛条件下运行，送风机及引风机的功率较小，设备购置成本低。
5)运行成本低。本发明以电作为系统加热热源，但只用于启动过程，且设置有两级空预器，系统各主要部件均有外保温，因此功率小，热源成本低；本发明无大功率电气设备，电耗低；本发明能够实现实时监测与程控控制，运行投入人力成本低。
6)维护量小。本发明中各部件的运行环境良好，设备损耗小，寿命长；各部件均能实现单独调节，且各主要转机能够程控调节，停运后各部件不需要特殊维护，因此维护量小。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为气化炉、2为一次风口、3为二次风口、4为出气口、5为气化炉集气罐、6为控制柜、7为控制线路、8为温度测量元件、9为给料机、10为给料斗、11为清堵口、12为一次风道、13为流量计、14为气化气体管道、15为加热元件、16为阀门、17为一级空预器、18为一级除焦油装置、19为一级焦油收集罐、20为冷却水管、21为二级焦油收集罐、22为二级除焦油装置、23为二级空预器、24为送风机、25为风道、26为引风机、27为旋风分离装置、28为喷淋除尘装置、29为气体采样孔、30为排气口。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的旋风式生物质半气化实验装置包括气化炉1、气化炉集气罐5、控制柜6、给料机9、给料斗10、一次风道12、气化气体管道14、加热元件15、一级空预器17、一级除焦油装置18、一级焦油收集罐19、冷却水管20、二级焦油收集罐21、二级除焦油装置22、二级空预器23、送风机24、风道25、引风机26、旋风分离装置27及喷淋除尘装置28；
气化炉1的出气口4经气化气体管道14、一级空预器17的壳程、一级除焦油装置18、二级空预器23的壳程、二级除焦油装置22、引风机26及旋风分离装置27与喷淋除尘装置28的入口相连通，喷淋除尘装置28的顶部设置有排气口30及气体采样孔29；
送风机24的出口经风道25与二级空预器23的管程及一级空预器17的管程后分为两路，其中一路与气化炉1的二次风口3相连通，另一路经一次风道12与气化炉1的一次风口2相连通，所述一次风道12上设置有阀门16，所述气化气体管道14上设置有流量计13；
一级除焦油装置18的底部设置有一级焦油收集罐19；二级除焦油装置22的底部设置有二级焦油收集罐21；
给料斗10的出口经给料机9与气化炉1的入料口相连通，给料机9上设置有清堵口11。
气化炉1的底部出口与气化炉集气罐5相连通；气化炉1内自上到下依次设置有若干温度测量元件8及若干加热元件15，其中，控制柜6经控制线路7与送风机24、引风机26、阀门16、流量计13、温度测量元件8及给料机9相连接，阀门16的开度采用就地手动或远程自动控制。
冷却水管20的出口与一级除焦油装置18及二级除焦油装置22相连通。
控制柜6通过温度测量元件8测量气化炉1内的温度，并以此控制加热元件15，使得气化炉1内的温度在预设范围内。
一次风口2数量为2-4个；二次风口3数量为2-4个；温度测量元件8的数量为4-6个；流量计13数量为2-4个；加热元件15数量为6-10个；气体采样孔29数量为2-4个。
一级除焦油装置18及二级除焦油装置22均为内外两层结构，其中，内层通入气化气体，外层通入冷却水，且内层内设置有隔板及导流装置，外层的底部设置有冷却水出水口，且与排水口排除系统相连通。
气化炉1、一级空预器17、一级除焦油装置18、二级空预器23、二级除焦油装置22、旋风分离装置27、喷淋除尘装置28、风道25、一次风道12及气化气体管道14均设置有外保温层。
本发明的启动过程为：
11)保持阀门16至关闭状态，开启控制柜6的电源；
12)启动加热元件15，以1-1.5℃/min的加热速度，对气化炉1进行预热；当温度测量元件8显示的温度达到1100℃左右时，打开阀门16至全开状态；
13)向一级除焦油装置18及二级除焦油装置22内通入冷却水；
14)依次启动引风机26及送风机24，并保持低转速运行，启动喷淋除尘装置28；
15)启动给料机9至低转速运行，向给料斗10内添加生物质料，保持低速给料，并逐渐增加给料机9的转速至设定转速；
16)根据设定的运行工况参数，通过给料机9的转速控制给料量，通过送风机24的转速控制总送风量，通过引风机26的转速控制总引风量，通过阀门16控制一次风量及二次风量，实现整套装置的正常运行；
17)根据气化炉1壁温的要求，逐步降低加热元件15的功率，完成气化炉1启动过程。
本发明的运行过程为：
给料斗10输出的生物质料经给料机9进入到气化炉1中进行气化，其中，产生的气体依次经气化气体管道14、一级空预器17的壳程放热、一级除焦油装置18除油、二级空预器23的壳程放热、二级除焦油装置22除油、引风机26及旋风分离装置27旋风分离后进入到喷淋除尘装置28中进行除尘，其中，喷淋除尘装置28输出的气体经排气口30排出。
送风机24输出的风依次经风道25、一级空预器17的管程吸热及一级空预器17的管程吸热后分为两路，其中一路作为一次风经一次风道12进入到气化炉1中，另一路作为二次风经二次风道进入到气化炉1中。
本发明的停运过程为：
21)关闭给料斗10的上料，当其中的存料清空后停运给料机9；
22)逐渐同步降低送风机24及引风机26的转速，保持30％额定工况出力转速连续运行10分钟左右，停运送风机24及引风机26；
23)停运喷淋除尘装置28，关闭阀门16，待系统自然冷却；
24)关闭控制柜6的总电源。
需要说明的是，本发明能够在不同的气化温度、物料与风量配比实验条件下，进行对不同种类、不同粒径、不同热值颗粒状生物质半气化特性研究，设计合理、功能齐全，配备变频电机的给料机9、送风机24及引风机26，实现物料与风量的自动恒定在线控制；设置有加热元件15，实现炉温自动调节；设置两级空预器系统，实现系统高效节能；设置两级除焦油装置及两级除尘装置，实现气化气体高效净化，并可实现净化过程研究；设置灰渣与焦油收集罐，能够对收集量及成分进行定量研究，从而能够高质量的完成在多种类生物质在多边界条件下的气化研究工作。本发明具有设计合理、功能完善、操控方便、运行稳定、测量准确性高、灵活性强、建设费用低、运行成本低、维护量小等诸多优点，能够满足旋风式生物质半气化实验研究工作要求。

Claims (10)

1.一种旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，包括气化炉(1)、控制柜(6)、给料机(9)、给料斗(10)、一次风道(12)、气化气体管道(14)、加热元件(15)、一级空预器(17)、一级除焦油装置(18)、一级焦油收集罐(19)、二级焦油收集罐(21)、二级除焦油装置(22)、二级空预器(23)、送风机(24)、风道(25)、引风机(26)、旋风分离装置(27)及喷淋除尘装置(28)；
气化炉(1)的出气口(4)经气化气体管道(14)、一级空预器(17)的壳程、一级除焦油装置(18)、二级空预器(23)的壳程、二级除焦油装置(22)、引风机(26)及旋风分离装置(27)与喷淋除尘装置(28)的入口相连通；
送风机(24)的出口经风道(25)、二级空预器(23)的管程及一级空预器(17)的管程后分为两路，其中一路与气化炉(1)的二次风口(3)相连通，另一路经一次风道(12)与气化炉(1)的一次风口(2)相连通；
一级除焦油装置(18)的底部设置有一级焦油收集罐(19)；二级除焦油装置(22)的底部设置有二级焦油收集罐(21)；
给料斗(10)的出口经给料机(9)与气化炉(1)的入料口相连通；
气化炉(1)内设置有温度测量元件(8)及加热元件(15)，其中，控制柜(6)经控制线路(7)与送风机(24)、引风机(26)、温度测量元件(8)及给料机(9)相连接。
2.根据权利要求1所述的旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，给料机(9)上设置有清堵口(11)。
3.根据权利要求1所述的旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，还包括气化炉集气罐(5)；气化炉(1)的底部出口与气化炉集气罐(5)相连通。
4.根据权利要求1所述的旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，还包括冷却水管(20)；冷却水管(20)的出口与一级除焦油装置(18)及二级除焦油装置(22)相连通。
5.根据权利要求1所述的旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，一次风口(2)数量为2-4个；二次风口(3)数量为2-4个；温度测量元件(8)的数量为4-6个；加热元件(15)数量为6-10个；气体采样孔(29)数量为2-4个。
6.根据权利要求1所述的旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，一级除焦油装置(18)及二级除焦油装置(22)均为内外两层结构，其中，内层通入气化气体，外层通入冷却水，且内层内设置有隔板及导流装置，外层的底部设置有冷却水出水口。
7.根据权利要求1所述的旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，气化炉(1)、一级空预器(17)、一级除焦油装置(18)、二级空预器(23)、二级除焦油装置(22)、旋风分离装置(27)、喷淋除尘装置(28)、风道(25)、一次风道(12)及气化气体管道(14)均设置有外保温层。
8.根据权利要求1所述的旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，喷淋除尘装置(28)的顶部设置有排气口(30)及气体采样孔(29)。
9.根据权利要求1所述的旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，所述一次风道(12)上设置有阀门(16)，所述气化气体管道(14)上设置有流量计(13)。
10.根据权利要求9所述的旋风式生物质半气化实验装置，其特征在于，流量计(13)数量为2-4个。
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