CN115449404B - 一种固体燃料分级热解气化系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种固体燃料分级热解气化系统及其方法，所述固体燃料分级热解气化的方法采用低温热解处理获得的富H2O和CO2的低温热解燃气作为气化炉的气化剂，可有效降低气化炉中燃烧区温度，减少炉内结焦，提高燃气品质；而高温热解燃气中不含氧气，可采用电捕焦油器脱除焦油，相比传统水洗处理，脱除效率更高，焦油产品质量更好，二次污染更小；采用性质稳定的高温热解半焦作为气化炉原料，可有效避免偏床和床层烧穿等问题，提高气化炉运行稳定性。利用烟气和气化残渣的余热对有机热解废水进行汽化，并送入气化炉进行二次裂解，可大幅降低系统有机废水排放，增加燃气产量，且可有效降低固体燃料处理过程的NOx、SOx和二噁英等污染物的生成。
Description
技术领域
本发明涉及固体燃料热解气化系统技术领域，尤其涉及一种固体燃料分级热解气化系统及其方法。
背景技术
“富煤、贫油、少气”的资源赋存状态决定了煤炭仍在我国一次能源消费中占主导地位。此外，我国也是传统的人口和农业大国，生物质、城市生活垃圾和污泥等固体废弃物产量较高。燃烧是目前煤炭、生物质、城市生活垃圾和污泥等固体燃料资源化利用的主要方式。但直燃利用方式相对单一，污染物排放较高，尤其是城市生活垃圾和污泥等焚烧过程还容易产生二噁英等污染物，会对人类和环境造成严重危害。
热解气化技术是实现固体燃料低污染资源化利用最有效的方式之一，它是通过在绝氧或欠氧条件下加热，使固体燃料分解成可燃气、焦油和焦炭，后续用于燃烧发电和供热等。相比直燃，热解气化过程还原性气氛较强，可大幅降低二噁英和NOx等污染物的生产。同时，热解气化过程可燃气的产量远低于直燃时的烟气量，降低了后续净化处理的成本。专利CN211339403U提出了一种小规模移动式分级热解气化装置，有效缩短了传统装置的干燥热解段，充分利用了原料中的水分，提高了固体有机物的气化效率。专利CN104694166B提出了一种分级热解气化系统并用于制革废弃物的处理，对制革废弃物的减量化可达90％以上，燃气中污染物较低，并可实现含铬残渣的分离和回收。专利CN102465043A提出了一种固体燃料多段分级热解气化装置及方法，通过多层流化床反应器，延长了固体颗粒停留时间，有效提高了产物品质。
但是现有的固体燃料分级热解气化系统一般是通过高温裂解方式降低燃气中焦油的含量，普遍存在焦油裂解不彻底、床层易结渣等问题。同时，由于燃气中含氧，也无法采用电捕集法进一步的脱除焦油，导致燃气中的焦油含量仍然较高。此外，现有设备和工艺技术仍不够完善，物料和能量利用不充分，导致燃气品质不高，热解气化效率低，二次污染物排放较高。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种固体燃料分级热解气化系统及其方法，旨在解决现有的固体燃料分级热解气化系统存在焦油裂解不彻底、床层易结渣以及二次污染物排放较高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种固体燃料分级热解气化系统，包括固体燃料仓、提升机、焦油密封仓、低温热解床、高温热解床、气化炉、粗燃气冷却器、电捕焦油器、焦油水池、焦油泵、高温燃烧炉、除尘器、余热锅炉、风机、出渣机和烟气净化器；
所述固体燃料仓、提升机、焦油密封仓、低温热解床依次单向连接，所述低温热解床分别与所述高温热解床、所述气化炉和所述焦油水池连接，所述高温热解床分别与所述气化炉和所述粗燃气冷却器连接，所述气化炉分别与所述高温燃烧炉和所述出渣机连接，所述粗燃气冷却器分别与所述余热锅炉和所述电捕焦油器连接，所述焦油水池分别与所述焦油泵、所述出渣机和所述烟气净化器连接，所述焦油泵与所述焦油密封仓连接，所述高温燃烧炉与所述除尘器连接，所述除尘器分别与所述高温热解床和所述余热锅炉连接，所述风机与所述出渣机连接。
所述的固体燃料分级热解气化系统，其中，所述低温热解床的外壁面设置有第一烟气管道，所述高温热解床的外壁面设置有第二烟气管道，所述除尘器与所述第二烟气管道连接，所述第二烟气管道与所述第一烟气管道连接。
所述的固体燃料分级热解气化系统，其中，所述焦油水池设有烟气加热盘管，所述低温热解床与所述焦油水池的连接通过所述第一烟气管道与所述烟气加热盘管连接实现。
所述的固体燃料分级热解气化系统，其中，所述气化炉与所述出渣机为双向连接。
所述的固体燃料分级热解气化系统，其中，所述风机设有进气口，所述除尘器设有排尘口，所述余热锅炉设有蒸汽口，所述焦油泵设有排液口，所述烟气净化器设有排气口，所述出渣机设有排渣口。
一种固体燃料分级热解气化方法，包括步骤：
利用提升机将固体燃料输送至焦油密封仓中，得到含有焦油的固体燃料，然后进入低温热解床进行低温热解处理得到低温热解半焦和低温热解燃气；
将所述低温热解半焦输入高温热解床进行高温热解处理得到高温热解半焦和高温热解燃气；
将所述高温热解半焦和所述低温热解燃气输入气化炉中进行气化反应得到气化燃气和高温气化残渣，所述气化燃气输入高温燃烧炉，所述高温气化残渣输入出渣机；
将所述高温热解燃气输入粗燃气冷却器中产生冷却热解燃气和热水，将所述冷却热解燃气输入电捕焦油器得到清洁热解燃气和混合物，然后所述清洁热解燃气输入所述高温燃烧炉，所述混合物输入焦油水池；
所述焦油水池中，上层的焦油经焦油泵分别输送至所述焦油密封仓和所述焦油泵的排液口，下层的有机热解废水经烟气加热盘管加热雾化后喷入所述出渣机；
通过风机为所述出渣机输入空气与所述有机热解废水和所述高温气化残渣进行反应，得到热空气、有机热解废水蒸汽和气化残渣，所述热空气分别输送至所述高温燃烧炉和所述气化炉，所述有机热解废水蒸汽输送至所述气化炉，所述气化残渣经所述出渣机的排渣口排出；
所述气化燃气和清洁热解燃气在所述高温燃烧炉中与所述热空气混合燃烧，经除尘器除尘后的高温燃烧烟气分别输入所述高温热解床的第二烟气管道和所述余热锅炉；
所述高温燃烧烟气进入所述第二烟气管道进行间接换热得到中温燃烧烟气，所述中温燃烧烟气进入所述低温热解床的第一烟气管道中进行间接换热得到低温燃烧烟气，所述低温燃烧烟气进入所述焦油水池的烟气加热盘管中进行换热，然后经烟气净化器净化处理后排出。
所述的固体燃料分级热解气化方法，其中，所述固体燃料选自煤、生物质、城市生活垃圾和污泥中的一种或多种。
所述的固体燃料分级热解气化方法，其中，所述低温热解处理的温度小于或等于300℃；所述高温热解处理的温度为300-600℃。
所述的固体燃料分级热解气化方法，其中，所述气化反应的温度为800-1000℃。
所述的固体燃料分级热解气化方法，其中，所述热空气、低温热解燃气和所述有机热解废水蒸汽组成所述气化反应所需的气化剂。
有益效果：本发明提供一种固体燃料分级热解气化系统及其方法，所述固体燃料分级热解气化的方法采用低温热解处理获得的富H2O和CO2的低温热解燃气作为气化炉的气化剂，可有效降低气化炉中燃烧区温度，减少炉内结焦，提高燃气品质；而高温热解燃气中不含氧气，可采用电捕焦油器脱除焦油，相比传统水洗处理，脱除效率更高，焦油产品质量更好，二次污染更小；采用性质稳定的高温热解半焦作为气化炉原料，可有效避免偏床和床层烧穿等问题，提高气化炉运行稳定性，同时由于焦油已基本在热解过程析出，节省了净化过程。并且，高温热解燃气和气化燃气中的焦油含量极低，减少了对后续管道和高温燃烧炉的污染，提高了管道及高温燃烧炉的使用寿命，降低了维护难度；利用烟气和气化残渣的余热对有机热解废水进行汽化，并送入气化炉进行二次裂解，可大幅降低系统有机废水排放，增加燃气产量；该分级热解气化系统为强还原性反应气氛，可有效降低固体燃料处理过程的NOx、SOx和二噁英等污染物的生成。
附图说明
图1为本发明一种固体燃料分级热解气化系统的示意图；
附图标记说明：固体燃料仓1、固体燃料101、提升机2、焦油密封仓3、含有焦油的固体燃料301、低温热解床4、低温热解半焦401、低温热解燃气402、低温燃烧烟气403、高温热解床5、高温热解半焦501、高温热解燃气502、中温燃烧烟气503、气化炉6、气化燃气601、高温气化残渣602、粗燃气冷却器7、进水口701、热水702、冷却热解燃气703、电捕焦油器8、清洁热解燃气801、混合物802、焦油水池9、焦油901、有机热解废水902、燃烧烟气903、焦油泵10、密封焦油1001、排液口1002、高温燃烧炉11、含尘高温燃烧烟气1101、除尘器12、排尘口1201、高温燃烧烟气1202、余热锅炉13、蒸汽口1301、风机14、进气口1401、出渣机15、热空气1501、有机热解废水蒸汽1502、排渣口1503、烟气净化器16、排气口1601。
具体实施方式
本发明提供一种固体燃料分级热解气化系统及其方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明基于热化学反应解耦重组原理，通过装置和工艺创新，构建固体燃料分级解热气化系统，将固体燃料经低温热解、高温热解和气化三个过程转化为高品质燃气。同时，结合物料和能量循环利用，调控反应产物和反应温度，以减少炉内结渣，降低热解气化过程的二次污染，提高燃气品质、气化效率和系统运行稳定性。
因此，如图1所示，本发明提供一种固体燃料分级热解气化系统，包括固体燃料仓1、提升机2、焦油密封仓3、低温热解床4、高温热解床5、气化炉6、粗燃气冷却器7、电捕焦油器8、焦油水池9、焦油泵10、高温燃烧炉11、除尘器12、余热锅炉13、风机14、出渣机15和烟气净化器16；
所述固体燃料仓1、提升机2、焦油密封仓3、低温热解床4依次单向连接，所述低温热解床4分别与所述高温热解床5、所述气化炉6和所述焦油水池9连接，所述高温热解床5分别与所述低温热解床、所述气化炉6和所述粗燃气冷却器7连接，所述气化炉6分别与所述高温燃烧炉11和所述出渣机15连接，所述粗燃气冷却器7分别与所述余热锅炉13和所述电捕焦油器8连接，所述焦油水池9分别与所述焦油泵10、所述出渣机15和所述烟气净化器16连接，所述焦油泵10与所述焦油密封仓3连接，所述高温燃烧炉11与所述除尘器12连接，所述除尘器12分别与所述高温热解床5和所述余热锅炉13连接，所述风机14与所述出渣机15连接。
本发明所述固体燃料分级热解气化系统，通过设计所述固体燃料仓1、所述提升机2、所述焦油密封仓3、所述低温热解床4、所述高温热解床5、气化炉6、所述粗燃气冷却器7、所述电捕焦油器8、所述焦油水池9、所述焦油泵10、所述高温燃烧炉11、所述除尘器12、所述余热锅炉13、所述风机14、所述出渣机15、所述烟气净化器16之间的连接关系，使得对固体燃料电池的分级热解气化处理过程中，焦油裂解较为彻底、床层不易结渣以及降低二次污染物排放；具体地，将固体燃料经所述提升机2输送至所述焦油密封仓3中，得到的含焦油固体燃料再输入所述低温热解床4进行低温热解，热解后的低温热解半焦进入所述高温热解床5进行高温热解，低温热解燃气进入气化炉作为气化剂。高温热解燃气与气化燃气进入燃烧炉燃烧，产生的部分高温烟气作为低温和高温热解床热解的热源，其余进入余热锅炉，用于发电或供热、供蒸汽。因此，该固体燃料分级热解气化系统可以减少炉内结渣以及降低热解气化过程的二次污染，提高燃气品质、气化效率和系统运行的稳定性，使得所述固体燃料分级热解气化系统实现可同时减少炉内结焦和污染物排放。
在一些实施方式中，为了便于所述固体燃料分级热解气化系统处理过程中对液体、气体以及固体的输送，所述固体燃料仓1、所述提升机2、所述焦油密封仓3、所述低温热解床4、所述高温热解床5、气化炉6、所述粗燃气冷却器7、所述电捕焦油器8、所述焦油水池9、所述焦油泵10、所述高温燃烧炉11、所述除尘器12、所述余热锅炉13、所述风机14、所述出渣机15、所述烟气净化器16之间通过管道进行连接。
在一些实施方式中，所述低温热解床4的外壁面设置有第一烟气管道，所述高温热解床5的外壁面设置有第二烟气管道，所述除尘器12与所述第二烟气管道连接，所述第二烟气管道与所述第一烟气管道连接；经所述除尘器除尘后的高温燃烧烟气进入所述第二烟气管道进行间接换热，为高温热解过程提供热源，换热后的中温燃烧烟气进入所述低温热解床的第一烟气管道进行间接换热，为低温热解过程提供热源。
在一些实施方式中，所述焦油水池9设有烟气加热盘管，所述低温热解床4与所述焦油水池9的连接通过所述第一烟气管道与所述烟气加热盘管连接实现；中温燃烧烟气进入所述第一烟气管道进行间接换热，为低温热解过程提供热源后的低温燃烧烟气进入所述烟气加热盘管。
在一些实施方式中，所述气化炉6与所述出渣机15为双向连接；所述气化炉6向所述出渣机15输送高温气化残渣，而所述出渣机15则向所述气化炉6输送热空气和有机热解废水蒸汽作为气化反应所需的气化剂。
在一些实施方式中，所述风机14设有进气口1401，为所述出渣机15输送空气；所述除尘器12设有排尘口1201，将高温燃烧炉燃烧后产生的含尘高温燃烧烟气经所述除尘器12收集后经所述排尘口1201排出；所述余热锅炉13设有蒸汽口1301，将所述余热锅炉13生产的蒸汽经所述蒸汽口1301输出，用于工业生产或者发电，以降低化石能源消耗量；所述焦油泵10设有排液口1002，可将所述焦油水池9中上层的焦油通过所述焦油泵10经所述排液口1002对外输出，作为化工原料；所述烟气净化器16设有排气口1601，用于将经烟气净化器16净化后的烟气排入大气中；所述出渣机15设有排渣口1503，用于对外输出气化残渣。
除此之外，本发明还提供一种固体燃料分级热解气化方法，包括步骤：
步骤S10：利用提升机2将固体燃料101输送至焦油密封仓3中，得到含有焦油的固体燃料301，然后进入低温热解床4进行低温热解处理得到低温热解半焦401和低温热解燃气402。
所述固体燃料101存放于所述固体燃料仓1中；所述焦油密封仓3中的焦油起到双重密封作用，一方面防止热解化过程的燃气外溢，另一方面防止固体燃料仓1中的空气进入到燃气中。此外，通过固体燃料将部分焦油重新带回热解和气化炉进行二次裂解，可提高系统能量利用效率，增加燃气产量。
步骤S20：将所述低温热解半焦401输入高温热解床5进行高温热解处理得到高温热解半焦501和高温热解燃气502；
步骤S30：将所述高温热解半焦501和所述低温热解燃气402输入气化炉6中进行气化反应得到气化燃气601和高温气化残渣602，所述气化燃气601输入高温燃烧炉11，所述高温气化残渣602输入出渣机15；
步骤S40：将所述高温热解燃气502输入粗燃气冷却器7中产生冷却热解燃气703和热水702，将所述冷却热解燃气703输入电捕焦油器9得到清洁热解燃气801和混合物802，然后所述清洁热解燃气801输入所述高温燃烧炉11，所述混合物802输入焦油水池9。
进一步地，所述粗燃气冷却器7设有进水口701，用于输入冷却水对所述高温热解燃气502进行冷却，得到冷却热解燃气703以及冷却水换热升温后变成的热水702，所述热水702输入所述余热锅炉13中。由于所述高温热解燃气中不含氧，因此冷却后的热解燃气可安全的在所述电捕焦油器8中经电捕集除去焦油、水分和灰尘，变为所述清洁热解燃气801输入所述高温燃烧炉11中，而捕集下来的焦油、水和灰尘(即所述混合物802)则输入所述焦油水池9中。
步骤S50：所述焦油水池9中，上层的焦油901经焦油泵10分别输送至所述焦油密封仓3和所述焦油泵10的排液口1002，下层的有机热解废水902经雾化后喷入所述出渣机15。
利用低温燃烧烟气进入所述焦油水池9底部的烟气加热盘管，利用余热对所述焦油水池进行加热，所述焦油水池9受热后，焦油和有机热解废水会快速分层；上层的焦油901经所述焦油泵10抽出，一部分作为密封焦油1001输送到所述焦油密封仓3中，另一部分作为焦油产品通过所述排液口1002对外输出；下层含可溶性有机物的有机热解废水902经雾化后喷入所述出渣机15。
步骤S60：通过风机14为所述出渣机15输入空气与所述有机热解废水902和所述高温气化残渣602进行反应，得到热空气1501、有机热解废水蒸汽1502和气化残渣，所述热空气1501分别输送至所述高温燃烧炉11和所述气化炉6，所述有机热解废水蒸汽1502输送至所述气化炉6，所述气化残渣经所述出渣机15的排渣口1503排出。
所述热空气1501、所述有机热解废水蒸汽1502和所述低温热解燃气402组成所述气化反应所需的气化剂；所述低温热解燃气的主要成分为水蒸气和CO2，其作为气化剂，一方面可在经过所述气化炉6内的燃烧层时与所述高温热解半焦501发生还原反应生产CO和H2，提高气化燃气热值。另一方面，该还原反应为吸热反应，可有效降低所述气化炉6内燃烧层的温度，避免所述气化炉6内发生结焦。
同时，空气经所述风机14输入所述出渣机15，用于冷却所述出渣机15中的高温气化残渣，吸收热量后形成的热空气一部分作为气化剂输入所述气化炉6，另一部分输入所述高温燃烧炉11。所述有机热解废水902喷入所述出渣机15后，吸收高温气化残渣中的热量变为有机热解废水蒸汽1502，然后作为气化剂输入所述气化炉6；所述有机热解废水蒸汽1502中的有机物在所述气化炉中会进行二次裂解，可进一步增加气化燃气产量，同时解决了有机热解废水排放带来的环境污染问题。而空气和有机热解废水冷却降温后的气化残渣经所述排渣口1503对外输出。
步骤S70：所述气化燃气601和清洁热解燃气801在所述高温燃烧炉中与所述热空气1501混合燃烧，经除尘器12除尘后的高温燃烧烟气1202分别输入所述高温热解床5的第二烟气管道和所述余热锅炉13；
步骤S80：所述高温燃烧烟气1202进入所述第二烟气管道进行间接换热得到中温燃烧烟气503，所述中温燃烧烟气503进入所述低温热解床4的第一烟气管道中进行间接换热得到低温燃烧烟气403，所述低温燃烧烟气403进入所述焦油水池9的烟气加热盘管中进行换热，然后经烟气净化器16净化处理后排出。
在所述步骤S70-S80中，所述气化燃气601和清洁热解燃气801在所述高温燃烧炉11中与热空气1501混合燃烧，产生的含尘高温燃烧烟气进入所述除尘器12除去灰尘，经除尘后的高温燃烧烟气1202一部分作为热解热源输入所述高温热解床的第二烟气管道，进行间接换热，为高温热解过程提供热源，换热后的中温燃烧烟气503进入所述第一烟气管道中进行间接换热，为低温热解过程提供热源，换热后的低温热解烟气403进入所述焦油水池9的烟气加热盘管中进行换热，所述焦油水池9受热后，焦油和热解废水会快速分层，然后换热后的燃烧烟气903经烟气净化器16进行净化处理，最后经所述排气口1601排出，另一部分除尘后的高温燃烧烟气1202输入所述余热锅炉13用于生产蒸汽经所述蒸汽口收集，后续可用于工业生产或者发电，以降低化石能源消耗量。
在一些实施方式中，所述固体燃料选自煤、生物质、城市生活垃圾和污泥中的一种或多种。
在一些实施方式中，所述低温热解处理的温度小于或等于300℃；所述高温热解处理的温度为300-600℃。
在一些实施方式中，所述气化反应的温度为800-1000℃。
在一些实施方式中，所述热空气、低温热解燃气和所述有机热解废水蒸汽组成所述气化反应所需的气化剂；一方面可在经过所述气化炉6内的燃烧层时与所述高温热解半焦501发生还原反应生产CO和H2，提高气化燃气热值，另一方面，该还原反应为吸热反应，可有效降低所述气化炉6内燃烧层的温度，避免所述气化炉6内发生结焦。
本实施方式中，固体燃料先后经低温热解、高温热解和气化过程获得高品质燃气和焦油。通过多级热解气化以及采用热解产物作为气化剂、电捕集脱焦油等方式，有效避免了炉内结焦，降低了燃气中焦油的含量，提高了燃气和焦油品质，减少了处理过程的废气和废水排放，实现了固体燃料的清洁高效转化，可同时减少炉内结焦和污染物排放。
具体地，本实施方式的固体燃料分级热解气化系统及其方法具有以下优点：
(1)采用低温热解获得的富H2O和CO2的热解气作为气化炉的气化剂，可有效降低燃烧区温度，减少炉内结焦，提高燃气品质。
(2)高温热解燃气中不含氧气，可采用电捕焦油器脱除焦油。相比传统水洗处理，脱除效率更高，焦油产品质量更好，二次污染更小。
(3)采用性质稳定的高温热解半焦作为气化炉原料，可有效避免偏床和床层烧穿等问题，提高气化炉运行稳定性。同时，由于焦油已基本在热解过程析出，节省了净化过程。
(4)高温热解燃气和气化燃气中的焦油含量极低，减少了对后续管道和燃烧炉的污染，提高了管道及燃烧炉的使用寿命，降低了维护难度。
(5)利用烟气和气化残渣余热对焦油水池中含有机物的废水进行汽化，并送入气化炉二次裂解，可大幅降低系统有机废水排放，增加燃气产量。
(6)分级热解气化系统为强还原性反应气氛，可有效降低固体燃料处理过程的NOx、SOx和二噁英等污染物的生成。
下面进一步举例实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
实施例1
一种固体燃料分级热解气化系统的具体实施例，固体燃料为生物质(玉米秸秆)，叙述如下：
(1)处理上述玉米秸秆的装置包括固体燃料仓1，提升机2，焦油密封仓3，低温热解床4，高温热解床5，气化炉6，粗燃气冷却器7，电捕焦油器8，焦油水池9，焦油泵10，高温燃烧炉11，除尘器12，余热锅炉13，风机14，出渣机15和烟气净化器16。
(2)低温热解：玉米秸秆101经提升机2送入焦油密封仓3，再送入低温热解床4中进行低温热解，热解温度为200-300℃。玉米秸秆101由绞龙向前输送，期间受热经历干燥脱水和热解过程，转变为半焦和燃气。热解所需的热量由中温燃烧烟气503通过低温热解床4外壁面布置的第一烟气管道间接换热提供。产生的低温热解半焦401输入高温热解床5，富含H2O和CO2的低温热解燃气402作为气化剂输入气化炉6，换热后的低温燃烧烟气403则进入焦油水池9。
(3)高温热解：低温热解半焦401进入高温热解床5进行高温热解，高温热解温度为300-600℃，产生的高温热解半焦501输入气化炉6，含焦油和粉尘的高温热解燃气502输入粗燃气冷却器7。高温热解床5外壁面布置有第二烟气管道，经除尘后的高温燃烧烟气1202进入该烟气管道进行间接换热，为高温热解过程提供热源，换热后的中温燃烧烟气503进入低温热解床4的烟气管道，为低温热解提供热源。
(4)气化：高温热解半焦501由气化炉6顶部输入，依靠重力逐渐向下热解，进行自热气化反应，气化反应温度为800-1000℃。产生的气化燃气601从气化炉6顶部输入高温燃烧炉11，高温气化残渣602从气化炉6底部进入出渣机15。气化反应所需的气化剂从气化炉6底部输入炉内。其主要由三部分组成，一部分为热空气1501，一部分为低温热解燃气402，还有一部分为有机热解废水蒸汽1502。其中，低温热解燃气402的主要成分为H2O和CO2，其作为气化剂，一方面可在经过气化炉6内的燃烧层时与高温热解半焦501发生还原反应生成CO和H2，提高气化燃气热值。另一方面，该还原反应为吸热反应，可有效降低炉内燃烧层的温度，避免气化炉6炉内结焦。而有机热解废水蒸汽1502在气化炉中也会进行二次裂解，既可增加燃气产量，也解决了有机热解废水排放带来的环境污染问题。
(5)热解燃气冷却与焦油脱除：含焦油和粉尘的高温热解燃气502首先在粗燃气冷却器7中冷却，冷却水升温后变为热水702输入余热锅炉13，冷却后的热解燃气703输入电捕焦油器8。由于高温热解燃气中不含氧，可安全的采用电捕焦油器8中除去焦油、水分和灰尘，变为清洁热解燃气801输入高温燃烧炉11，捕集下来的焦油、水和灰尘802则输入焦油水池9。焦油水池9底部设有烟气加热盘管，低温燃烧烟气403进入焦油水池9底部的烟气加热盘管，利用余热对焦油水池9进行加热。受热后焦油和热解废水会快速分层，上层的焦油901经焦油泵10抽出，一部分作为密封焦油1001输送到所述焦油密封仓3，另一部分作为焦油产品对外输出。下层含可溶性有机物的有机热解废水902则经雾化后喷入所述出渣机15。换热后的燃烧烟气903进入所述烟气净化器16进行净化处理，净化烟气排入大气。
(6)燃气燃烧：气化燃气601和清洁热解燃气801在高温燃烧炉11中与热空气1501混合燃烧，产生的含尘高温燃烧烟气1101进入除尘器12除尘。除尘后的高温燃烧烟气1202一部分作为热解热源输入高温热解床5外壁面的烟气管道，另一部分输入余热锅炉13用于生产蒸汽，蒸汽外供用于工业生产。
(7)供风与出渣：空气经风机14输入出渣机15，用于冷却出渣机15中的高温气化残渣602，吸热后的热空气1501一部分作为气化剂输入气化炉6，另一部分输入高温燃烧炉11。有机热解废水902喷入冷渣机15后，吸收高温气化残渣602中的热量变为有机热解废水蒸汽1502，然后作为气化剂输入气化炉6。经空气和有机热解废水902冷却降温后的气化残渣对外输出。
综上所述，本发明提供一种固体燃料分级热解气化系统及其方法，所述固体燃料分级热解气化的方法采用低温热解处理获得的富H2O和CO2的低温热解燃气作为气化炉的气化剂，可有效降低气化炉中燃烧区温度，减少炉内结焦，提高燃气品质；而高温热解燃气中不含氧气，可采用电捕焦油器脱除焦油，相比传统水洗处理，脱除效率更高，焦油产品质量更好，二次污染更小；采用性质稳定的高温热解半焦作为气化炉原料，可有效避免偏床和床层烧穿等问题，提高气化炉运行稳定性，同时由于焦油已基本在热解过程析出，节省了净化过程。并且，高温热解燃气和气化燃气中的焦油含量极低，减少了对后续管道和高温燃烧炉的污染，提高了管道及高温燃烧炉的使用寿命，降低了维护难度；利用烟气和气化残渣的余热对有机热解废水进行汽化，并送入气化炉进行二次裂解，可大幅降低系统有机废水排放，增加燃气产量；该分级热解气化系统为强还原性反应气氛，可有效降低固体燃料处理过程的NOx、SOx和二噁英等污染物的生成。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种固体燃料分级热解气化系统，其特征在于，包括固体燃料仓、提升机、焦油密封仓、低温热解床、高温热解床、气化炉、粗燃气冷却器、电捕焦油器、焦油水池、焦油泵、高温燃烧炉、除尘器、余热锅炉、风机、出渣机和烟气净化器；
所述固体燃料仓、提升机、焦油密封仓、低温热解床依次单向连接，所述低温热解床分别与所述高温热解床、所述气化炉和所述焦油水池连接，所述高温热解床分别与所述气化炉和所述粗燃气冷却器连接，所述气化炉分别与所述高温燃烧炉和所述出渣机连接，所述粗燃气冷却器分别与所述余热锅炉和所述电捕焦油器连接，所述焦油水池分别与所述焦油泵、所述出渣机和所述烟气净化器连接，所述焦油泵与所述焦油密封仓连接，所述高温燃烧炉与所述除尘器连接，所述除尘器分别与所述高温热解床和所述余热锅炉连接，所述风机与所述出渣机连接；
所述低温热解床的外壁面设置有第一烟气管道，所述高温热解床的外壁面设置有第二烟气管道，所述除尘器与所述第二烟气管道连接，所述第二烟气管道与所述第一烟气管道连接；所述焦油水池设有烟气加热盘管，所述低温热解床与所述焦油水池的连接通过所述第一烟气管道与所述烟气加热盘管连接实现；所述气化炉与所述出渣机为双向连接。
2.根据权利要求1所述的固体燃料分级热解气化系统，其特征在于，所述风机设有进气口，所述除尘器设有排尘口，所述余热锅炉设有蒸汽口，所述焦油泵设有排液口，所述烟气净化器设有排气口，所述出渣机设有排渣口。
3.一种利用权利要求1-2任一项所述的固体燃料分级热解气化系统进行固体燃料分级热解气化的方法，其特征在于，包括步骤：
利用提升机将固体燃料输送至焦油密封仓中，得到含有焦油的固体燃料，然后进入低温热解床进行低温热解处理得到低温热解半焦和低温热解燃气；
将所述低温热解半焦输入高温热解床进行高温热解处理得到高温热解半焦和高温热解燃气；
将所述高温热解半焦和所述低温热解燃气输入气化炉中进行气化反应得到气化燃气和高温气化残渣，所述气化燃气输入高温燃烧炉，所述高温气化残渣输入出渣机；
将所述高温热解燃气输入粗燃气冷却器中产生冷却热解燃气和热水，将所述冷却热解燃气输入电捕焦油器得到清洁热解燃气和混合物，然后所述清洁热解燃气输入所述高温燃烧炉，所述混合物输入焦油水池；
所述焦油水池中，上层的焦油经焦油泵分别输送至所述焦油密封仓和所述焦油泵的排液口，下层的有机热解废水经烟气加热盘管加热雾化后喷入所述出渣机；
通过风机为所述出渣机输入空气与所述有机热解废水和所述高温气化残渣进行反应，得到热空气、有机热解废水蒸汽和气化残渣，所述热空气分别输送至所述高温燃烧炉和所述气化炉，所述有机热解废水蒸汽输送至所述气化炉，所述气化残渣经所述出渣机的排渣口排出；
所述气化燃气和清洁热解燃气在所述高温燃烧炉中与所述热空气混合燃烧，经除尘器除尘后的高温燃烧烟气分别输入所述高温热解床的第二烟气管道和所述余热锅炉；
所述高温燃烧烟气进入所述第二烟气管道进行间接换热得到中温燃烧烟气，所述中温燃烧烟气进入所述低温热解床的第一烟气管道中进行间接换热得到低温燃烧烟气，所述低温燃烧烟气进入所述焦油水池的烟气加热盘管中进行换热，然后经烟气净化器净化处理后排出。
4.根据权利要求3所述的固体燃料分级热解气化的方法，其特征在于，所述固体燃料选自煤、生物质、城市生活垃圾和污泥中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的固体燃料分级热解气化的方法，其特征在于，所述低温热解处理的温度小于或等于300℃；所述高温热解处理的温度为300-600℃。
6.根据权利要求3所述的固体燃料分级热解气化的方法，其特征在于，所述气化反应的温度为800-1000℃。
7.根据权利要求3所述的固体燃料分级热解气化的方法，其特征在于，所述热空气、低温热解燃气和所述有机热解废水蒸汽组成所述气化反应所需的气化剂。
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2022
- 2022-09-09 CN CN202211102268.7A patent/CN115449404B/zh active Active
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