CN117143637A - 一种分段式超临界高温联合气化热解系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分段式超临界高温联合气化热解系统，包括气化炉，所述气化炉内由上至下设有干燥层、高温裂解层、高温氧化层和高温还原层，所述高温氧化层和高温还原层的中心为喉口；所述高温氧化层设有多层气化剂喷射系统，所述气化剂喷射系统包括围绕喉口均匀设置的气化剂喷射管；所述气化炉的上侧设有原料入口，所述气化炉的下侧设有超临界高温混合气化剂入口，所述超临界高温混合气化剂入口通入超临界高温蒸汽、空气、烟气混合气化剂。本发明的气化炉在高温氧化层设有若干层气化剂喷射系统，气化剂的多层喷射增加了氧化反应层的反应阶段，可以实现分段气化，使燃料充分进行氧化反应，极大地提高了气化炉的反应温度，同时可以使裂解层产生的焦油彻底分解。
Description
技术领域
本发明涉及热解气化领域，具体涉及一种气化炉。
背景技术
生活垃圾和生物质一般采用气化炉进行热解和气化，热解过程是在无氧条件下快速加热分解的过程，气化过程通常以产出可燃气为目的，同时，气化过程还需要降低焦油的生成和转化。常用气化剂为氧气，但也有利用水蒸气、CO2、H2等作为气化剂的工艺。
气化炉一般由上至下包括干燥区、热解区、氧化区和还原区，通常把氧化区和还原区总称为气化区。氧化区主要是气化剂中的氧和热解剩余物焦炭发生部分燃烧反应，生成CO2、CO和水蒸气，同时释放热量；还原区是经热分解得到的炭与CO2、水蒸气、H2发生反应生成可燃性气体的过程。普通气化炉的氧化区通常只有一层，且需要通过大量的空气进行高温燃烧，同时热值不高，生成的可燃性气体中焦油含量高，因此气化炉的转化效率不高。
发明内容
发明目的：提供了一种最大化地提高气化效率和最大化减少能量损耗的分段式超临界高温联合气化热解系统。
技术方案：本发明所述一种分段式超临界高温联合气化热解系统，包括气化炉，所述气化炉内由上至下设有干燥层、高温裂解层、高温氧化层和高温还原层，所述高温氧化层和高温还原层的中心为喉口；
所述高温氧化层设有多层气化剂喷射系统，所述气化剂喷射系统包括围绕喉口均匀设置的气化剂喷射管；
所述气化炉的上侧设有原料入口，所述气化炉的下侧设有超临界高温混合气化剂入口，所述超临界高温混合气化剂入口通入超临界高温蒸汽、空气、烟气混合气化剂。
进一步，所述气化炉外包覆水隔套，所述水隔套连接饱和蒸汽发生器。
进一步，所述气化剂喷射管包括第一段和第二段，所述第一段沿气化炉的径向从炉外伸入，所述第二段连接第一段且所有所述第二段相较于第一段同向倾斜相同角度。
进一步，所述气化剂喷射系统还包括围绕气化炉设置的连接所有气化剂喷射管的气化剂环形通道，所述气化剂环形通道连接超临界高温混合气化剂入口。
进一步，还包括：
粉尘分离器，所述粉尘分离器连接气化炉的高温燃气出口；
热交换器，所述热交换器连接粉尘分离器，高温燃气与常温空气、饱和蒸汽、软水进行热交换降温；
燃气洗涤器，所述燃气洗涤器连接热交换器；
水气分离器，所述水气分离器连接燃气洗涤器；
燃气气包，所述燃气气包连接水气分离器。
更进一步，所述热交换器连接提供常温空气的风机。
更进一步，所述热交换器连接饱和蒸汽发生器。
更进一步，所述热交换器连接软水池。
更进一步，所述燃气洗涤器设有相连接的洗涤水处理器，将洗涤燃气的污水净化后接回至燃气洗涤器使用。
进一步，所述气化炉的超临界高温混合气化剂入口连接两个并联的高温空气加热器，两个所述高温空气加热器通过四通换向阀将热交换器排出的高温空气和过热蒸汽引入高温空气加热器，并通过四通换向阀排出烟气。
有益效果：1、本发明的气化炉在高温氧化层设有若干层气化剂喷射系统，气化剂的多层喷射增加了氧化反应层的反应阶段，可以实现分段气化，使燃料充分进行氧化反应，极大地提高了气化炉的反应温度，同时可以使裂解层产生的焦油彻底分解；
2、气化炉超通过临界高温混合气化剂入口通入超临界高温蒸汽、空气、烟气混合气化剂超临界的混合气化剂温度达到1000℃以上，可以提高气化炉的气化反应效率和气化速度，在减少气化剂空气系数的同时可以增加燃气中氢气和一氧化碳的含量，从而提高燃气整体热值，比单纯的常温空气气化方式，热值可以提高2倍以上，产气量可以提高1.5倍以上；
3、采用热交换器利用气化炉产生燃气所携带的高温，将常温空气变成高温空气，将气化炉产生的饱和蒸汽变成过热蒸汽，再经过高温空气加热器高温加热后，进入气化炉，进行能量回收，降低了能量损耗，提高了气化炉的整体热效率。
附图说明
图1为本发明气化热解系统的结构示意图；
图2为气化炉的气化剂喷射系统剖视图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种分段式超临界高温联合气化热解系统，如图1所示，包括气化炉、第一高温空气加热器17、第二高温空气加热器18、粉尘分离器7、热交换器8、燃气洗涤器11、水气分离器12、燃气气包13。
气化炉内由上至下设有干燥层、高温裂解层、高温氧化层和高温还原层，气化炉的顶部为原料入口1。生物质或生活垃圾投入气化炉后，在无氧条件下快速热解，热解反应主要产物包括焦油等液态产物、半焦等固态产物以CO、H2、CH4等可燃气体及其他碳氢化合物。而后进行氧化反应，气化介质中的氧和热解剩余物焦炭发生部分燃烧反应，生成CO2、CO和水蒸气。最后进行还原反应，热分解得到的炭与CO2、水蒸气、H2发生反应生成可燃性气体。
气化炉的底部设有高温燃气出口和超临界高温混合气化剂入口，高温氧化层和高温还原层的中心为喉口5。超临界高温混合气化剂中空气、蒸汽、二氧化碳的含量根据气化燃料的特性调整，温度达到1000℃以上，当然温度越高越好，但考虑到输送管道的耐高温性一般在1200℃以下，所以联合气化剂的温度在1000～1200℃之间。
此外，气化炉的底部还设有出渣系统，如果燃料是生物质，那么排出的是生物炭和少量生物灰，具有广泛的用途；如果燃料是垃圾物废料，那么排出的是废渣，可以当建材辅料使用。
气化炉外包覆水隔套2，水隔套2的顶部连接饱和蒸汽发生器6，水隔套2一方面用于气化炉炉壁的保护，另一方面提供饱和蒸汽的热水源。高温氧化层设有2～4层气化剂喷射系统3，气化剂喷射系统3包括围绕喉口5均匀设置的由气化炉外通入炉内的气化剂喷射管以及连接所有气化剂喷射管的气化剂环形通道4，气化剂环形通道4连接至超临界高温混合气化剂入口。具体的，气化剂喷射管包括第一段31和第二段32，第一段31沿气化炉的径向从炉外伸入，所有第一段31通过连接管33连接至气化剂环形通道4；第二段32连接第一段31并穿过水隔套2，且所有第二段32相较于第一段31同向倾斜相同角度α，如图2所示，使气化剂喷射气流呈环向流动方向分布。通过高温气化剂的流通产生热辐射维持还原层1000℃的高温，保障还原反应高效进行，还原反应是吸热反应，气化温度低于850℃时，CO2和炽热的炭进行反应时的逆向反应很快，很难生成CO，提高还原层温度有利于反向C+CO2→2CO方向进行，还原层是否保持高温状态，对整个气化反应意义重大。
气化炉的超临界高温混合气化剂入口并联连接的第一高温空气加热器17和第二高温空气加热器18，第一高温空气加热器17对应设有鼓入空气的第一风机21，第二高温空气加热器18对应设有鼓入空气的第二风机22。当其中一个高温空气加热器在对陶瓷蓄热体燃烧加热的时候，气化剂可从另外一个高温空气加热器进入气化炉，气化剂里加入的二氧化碳烟气是从正在燃烧加热的高温空气加热器所产生的烟气。具体的，第一高温空气加热器17工作时，燃料在其第一燃烧器15内燃烧，产生1300℃左右的高温烟气与蜂窝陶瓷蓄热体进行热交换，蓄热体被加热，而高温烟气则被冷却到120℃左右经四通换向阀19、第三风机20排入大气中；与此同时，高温空气、蒸汽和含二氧化碳烟气经四通换向阀19后进入第二高温空气加热器18，吸收换热器中高温蓄热体中的热量，迅速升温到1000℃以上，然后进入气化炉。当正在燃烧加热的第一高温空气加热器17完成加热后(即其顶部的第一燃烧器15停止燃烧，时间由从陶瓷蓄热体下面排出烟气的温度控制器控制)，通入气化炉的气化剂马上切换到第一高温空气加热器17通道进行热交换后进入气化炉。同时，第二高温空气加热器18的第二燃烧器16开始燃烧对陶瓷蓄热体加热，如此循环轮替。此外，第一高温空气加热器17和第二高温空气加热器18通过混合气化剂流量在线监测系统24监测混合气化剂流量，分析混合流量对气化产生的燃气热值和燃气产气量以及燃气成分的影响。此外，还可通过燃气成分和热值在线监测系统25实时了解混合气化剂中氢气、一氧化碳等各种气体成分的百分比和热值比较情况。
粉尘分离器7连接气化炉的高温燃气出口，高温燃气进入粉尘分离器7，将燃气中携带的粉尘分离出去。粉尘分离器7的出口连接热交换器8的高温燃气进口，热交换器8将高温燃气分别与常温空气、饱和蒸汽、软水进行热交换。其中，第四风机9为热交换器8提供常温空气，经过热交换器8变成高温空气后通过四通换向阀19进入第一高温空气加热器17和第二高温空气加热器18，第四风机9上可设置常温空气流量在线监测27，监测空气流量对气化产生的燃气热值和燃气产气量以及燃气成分的影响。饱和蒸汽发生器6为热交换器8提供饱和蒸汽，饱和蒸汽进入热交换器8变成过热蒸汽后同样通过四通换向阀19进入第一高温空气加热器17和第二高温空气加热器18。软水由软水池10提供，常温软水经过热交换器8后，变成热水可进入气化炉水隔套2。因此可以看出，热交换器8排出的高温空气、过热蒸汽合并之后，可通过四通换向阀19自由切换进入第一高温空气加热器17和第二高温空气加热器18，且排出的过热蒸汽可通过过热蒸汽流量在线监测流量26监测蒸汽流量对气化产生的燃气热值和燃气产气量以及燃气成分的影响，烟气流量在线监测系统23监测二氧化碳作为气化剂的流量对气化燃气的热值和产气量以及燃气成分的影响。
燃气洗涤器11连接热交换器8，高温燃气经过热交换器8后，将燃气温度下降至40度以下后进入洗涤器11进行燃气净化；此外，燃气洗涤器11设有相连接的洗涤水处理器14，对燃气洗涤过的污水进行处理，将洗涤水中含的颗粒物、微量焦油以及和燃气中含酸气体反应生成的盐类物质处理掉，然后将处理过的洁净水回流到洗涤器11，重复循环利用；
水气分离器12连接燃气洗涤器11，将燃气中含有的水分分离出去。
燃气气包13连接水气分离器12，作为燃气过渡性存放和压力保持，存放的燃气可进行发电、制氢或供热等资源利用。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (10)
1.一种分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，包括气化炉，所述气化炉内由上至下设有干燥层、高温裂解层、高温氧化层和高温还原层，所述高温氧化层和高温还原层的中心为喉口；
所述高温氧化层设有多层气化剂喷射系统，所述气化剂喷射系统包括围绕喉口均匀设置的气化剂喷射管；
所述气化炉的上侧设有原料入口，所述气化炉的下侧设有超临界高温混合气化剂入口，所述超临界高温混合气化剂入口通入超临界高温蒸汽、空气、烟气混合气化剂。
2.根据权利要求1所述的分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，所述气化炉外包覆水隔套，所述水隔套连接饱和蒸汽发生器。
3.根据权利要求1所述的分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，所述气化剂喷射管包括第一段和第二段，所述第一段沿气化炉的径向从炉外伸入，所述第二段连接第一段且所有所述第二段相较于第一段同向倾斜相同角度。
4.根据权利要求1所述的分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，所述气化剂喷射系统还包括围绕气化炉设置的连接所有气化剂喷射管的气化剂环形通道，所述气化剂环形通道连接超临界高温混合气化剂入口。
5.根据权利要求1所述的分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，还包括：
粉尘分离器，所述粉尘分离器连接气化炉的高温燃气出口；
热交换器，所述热交换器连接粉尘分离器，高温燃气与常温空气、饱和蒸汽、软水进行热交换降温；
燃气洗涤器，所述燃气洗涤器连接热交换器；
水气分离器，所述水气分离器连接燃气洗涤器；
燃气气包，所述燃气气包连接水气分离器。
6.根据权利要求5所述的分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，所述热交换器连接提供常温空气的风机。
7.根据权利要求5所述的分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，所述热交换器连接饱和蒸汽发生器。
8.根据权利要求5所述的分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，所述热交换器连接软水池。
9.根据权利要求5所述的分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，所述燃气洗涤器设有相连接的洗涤水处理器，将洗涤燃气的污水净化后接回至燃气洗涤器使用。
10.根据权利要求1所述的分段式超临界高温联合气化热解系统，其特征在于，所述气化炉的超临界高温混合气化剂入口连接两个并联的高温空气加热器，两个所述高温空气加热器通过四通换向阀将热交换器排出的高温空气和过热蒸汽引入高温空气加热器，并通过四通换向阀排出烟气。
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