CN117701307A - 生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置。适用于生物质分布式固碳和能源化应用领域。技术方案包括：迴转窑，具有炭化外燃烧室和置于炭化外燃烧室内的炭化迴转筒体；预热机构，具有设置于炭化外燃烧室内的燃烧器；生物质合成气收集处理机构，安装于炭化迴转筒体上；加热机构，具有设置于炭化外燃烧室内的燃烧器，并与生物质合成气收集处理机构相连；尾气净化机构，接于炭化外燃烧室顶部；尾气循环机构，其进气端接于炭化外燃烧室顶部，出气端接于炭化外燃烧室上与燃烧器对应位置；供氧机构，接于尾气循环机构上，用于为尾气循环机构提供氧气，以使氧气在尾气循环机构内与尾气混合形成供给燃烧器的助燃气体。
Description
技术领域
本发明涉及生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置。适用于生物质分布式固碳和能源化应用领域。
背景技术
随着能源与环保要求的提升，生物制炭行业面临装备技术落后，环保排放不达标问题严重，大批制炭企业关闭，与此同时高品质的高温精炭市场严重缺货，而且这趋势越来越严重，制炭行业急需要进行装备技术的更新。
除此之外，随着碳中和经济转型发展需要，农林秸秆等生物质固碳和联产绿色能源的市场需求，如何能够充分地科学利用生物质所含的绿色固定碳和挥发碳成为碳中和技术的重要研究方向。按能态学的研究，生物质炭化联产合成气是最经济且对碳中和贡献最大的技术路径。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，利用制氧技术实现无氮燃烧外燃式高温干馏生物质的工艺，实现零排放的同时，将绿色固定碳转化成生物炭，同时生成高价值的合成气，合成气可直接用作燃气燃烧供热，也可以进一步合成绿色甲醇。
本发明所采用的技术方案是：生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于，包括：
迴转窑，具有炭化外燃烧室和置于炭化外燃烧室内的炭化迴转筒体；
预热机构，具有设置于所述炭化外燃烧室内的燃烧器，用于利用外部燃气对炭化外燃烧室内的所述炭化迴转筒体进行预热，以使炭化迴转筒体内生物质原料炭化并产生生物质合成气；
生物质合成气收集处理机构，安装于所述炭化迴转筒体上，用于收集炭化迴转筒体内产生的生物质合成气；
加热机构，具有设置于所述炭化外燃烧室内的燃烧器，并与所述生物质合成气收集处理机构相连，用于利用生物质合成气加热炭化外燃烧室内的所述炭化迴转筒体，以使炭化迴转筒体内生物质原料炭化并产生生物质合成气；
尾气净化机构，接于所述炭化外燃烧室顶部，用于净化炭化外燃烧室内燃烧产生的尾气；
尾气循环机构，其进气端接于所述炭化外燃烧室顶部，出气端接于炭化外燃烧室上与所述燃烧器对应位置；
供氧机构，接于所述尾气循环机构上，用于为尾气循环机构提供氧气，以使氧气在尾气循环机构内与尾气混合形成供给燃烧器的助燃气体。
还包括：
火焰温度计，设置于所述炭化外燃烧室内，用于监测炭化外燃烧室内火焰温度；
控制器，与所述火焰温度计和尾气循环机构连接，用于基于火焰温度计采集的炭化外燃烧室内火焰温度控制尾气循环机构。
还包括：
炭化温度计，设置于所述炭化迴转筒体内，用于监测炭化迴转筒体内生物质干馏炭化温度；
控制器，与所述炭化温度计和加热机构连接，用于基于炭化温度计采集的炭化迴转筒体内生物质干馏炭化温度控制加热机构。
还包括设置于所述炭化外燃烧室顶部的尾气余热利用机构，炭化外燃烧室经尾气余热利用机构连通所述尾气净化机构和尾气循环机构。
所述尾气余热利用机构包括干燥迴转筒体，用于利用尾气的余热干燥生物质原料。
还包括：
蒸汽锅炉(或其它燃气热力设备)，与所述生物质合成气收集处理机构相连，用于利用生物质合成气燃烧加热，产出绿色蒸汽(或热水、导热油等)。
所述预热机构包括液化天然气储罐，液化天然气储罐经天然气管连通所述炭化外燃烧室内的燃烧器，天然气管上装有天然气减压阀和天然气电磁阀。
所述生物质合成气收集处理机构包括旋风分离器。
所述加热机构包括连通所述生物质合成气收集处理机构和所述炭化外燃烧室内燃烧器的生物质合成气支管，该生物质合成气支管上装有生物质合成气高温增压风机和生物质合成气调节阀。
所述尾气净化机构具有尾气主管，尾气主管上沿尾气流动方向依次设有多级水冷却器和二氧化碳多级压缩机，二氧化碳多级压缩机输出端经二氧化碳冷凝器连接气液分离器，气液分离器出气口连通尾气净化器。
所述尾气循环机构具有尾气支管，尾气支管上装有尾气调节阀和尾气耐高温鼓风机。
所述供氧机构包括制氧机、氧气储罐和氧气调节阀。
所述的预热机构可以采用独立的燃气燃烧器，独立预热机构可以安装在外燃烧室的另一端，和加热机构分置在外燃烧室的两端。
本发明的有益效果是：本发明通过尾气循环机构和供氧机构将原有助燃空气更换成人工配置的去氮气的富氧燃烧尾气，配合炭化副产物生物质合成气(零碳排放的气体燃料)，使装置可生产高温(850℃以上)炭；通过尾气净化机构对净排空燃烧尾气冷却加压液化获取绿色二氧化碳，并且实现绿色二氧化碳捕捉，达到接近零排放远优于目前最严苛的尾气排放标准。
本发明使生物质资源的利用率更高，设备投资的性价比大幅提高，回收期缩短，为进一步利用绿色二氧化碳生产绿色甲醇燃料奠定绿色二氧化碳生产的基础。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
1、炭化外燃烧室；2、炭化迴转筒体；3、合成气三通；4、燃烧器；5、配氧三通；6、尾气耐高温鼓风机；7、尾气调节阀；8、二氧化碳多级压缩机；9、二氧化碳冷凝器；10、尾气净化器；11、气液分离器；12、多级水冷却器；13、尾气主管；14、制氧机；15、氧气储罐；16、氧气调节阀；17、液化天然气储罐；18、天然气减压阀；19、天然气电磁阀；20、生物质合成气高温增压风机；21、生物质合成气调节阀；22、火焰温度计；23、炭化温度计；24、生物质合成气支管；25、生物质合成气主管；26、合成气冷却器；27、干燥室；28、干燥迴转筒体。
具体实施方式
如图1所示，本实施例为生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，包括迴转窑，该迴转窑具有炭化外燃烧室和置于炭化外燃烧室内的炭化迴转筒体，炭化迴转筒体采用耐1000℃以上的耐高温金属材料制成，炭化迴转筒体内用于放置生物质原料，以对生物质原料进行炭化。
本例中炭化外燃烧室上装有用于加热炭化迴转筒体，以使炭化迴转筒体内生物质原料炭化并产生生物质合成气的预热机构。预热机构具有设置于炭化外燃烧室内的燃烧器和设置于炭化外燃烧室外的液化天然气储罐，液化天然气储罐经天然气管连通炭化外燃烧室内的燃烧器，天然气管上装有天然气减压阀和天然气电磁阀。
本实施例中在炭化迴转筒体上装有生物质合成气收集处理机构，用于收集和处理炭化迴转筒体内生物质原料炭化过程中产生的生物质合成气。该生物质合成气收集处理机构具有旋风分离器和燃气冷却器，炭化迴转筒体出来的高温生物质燃气经旋风分离器分离出粉炭。
本例中炭化外燃烧室上装有用于加热炭化迴转筒体，以使炭化迴转筒体内生物质原料炭化并产生生物质合成气的加热机构。加热机构具有生物质合成气支管和设置于炭化外燃烧室内的燃烧器(可为能与预热机构共用的双料燃烧器)，其中生物质合成气支管一端连通生物质合成气收集处理机构，生物质合成气支管另一端炭化外燃烧室内燃烧器的，该生物质合成气支管上装有生物质合成气高温增压风机和生物质合成气调节阀。
本实施例中在炭化外燃烧室顶部装有尾气余热利用机构，该尾气余热利用机构包括干燥室和装于干燥室内的干燥迴转筒体，干燥室与炭化外燃烧室连通，用于利用炭化外燃烧室内燃烧产生的高温尾气加热干燥迴转筒体，干燥迴转筒体利用尾气的余热干燥筒体内生物质原料，以提高后续炭化质量和提高生物质合成气的热值。
本例中干燥迴转筒体的加热温度比常规双迴转窑高，而且属于间壁式干燥，因此，排出干燥水气经冷却除水后的气体直接引入后续的蒸汽锅炉(或蒸汽发生器等热力设备)的燃烧器内燃烧，如果干燥气温度高可以不用冷却直接接入燃烧器燃烧更节能。
本实施例中在尾气余热利用机构上装有尾气净化机构，该尾气净化机构具有尾气主管，尾气主管一端连通尾气余热利用机构的干燥室，尾气主管另一端经多级水冷却器连通二氧化碳多级压缩机，二氧化碳多级压缩机输出端经二氧化碳冷凝器连接气液分离器，气液分离器出气口连通尾气净化器。
本实施例中在尾气余热利用机构上装有尾气循环机构，该尾气循环机构具有尾气支管，尾气支管一端经尾气主管连通尾气余热利用机构的干燥室，尾气支管另一端连接炭化外燃烧室的，并接于与燃烧器对应位置。尾气支管上装有尾气调节阀和尾气耐高温鼓风机。
本例中在尾气循环机构上装有供氧机构，用于为尾气循环机构提供氧气，以使氧气在尾气循环机构内与尾气混合形成供给燃烧器的助燃气体。供氧机构具有用于制氧的制氧机和用于存储制氧机产出氧气的氧气储罐，氧气储罐经氧气调节阀、氧气管和配氧三通连通尾气循环机构的尾气支管。大量与燃烧无关的氮气通过制氧机预先去除，以利后续净排出燃烧尾气可经济性的回收CO2。
本实施例中在炭化外燃烧室内设有火焰温度计，用于监测炭化外燃烧室内火焰的温度；炭化迴转筒体内设置炭化温度计，用于监测炭化迴转筒体内生物质干馏炭化温度。
本实施例配有控制器，该控制器与火焰温度计、炭化温度计，以及系统中的阀门和风机等电路连接，能基于火焰温度计采集的炭化外燃烧室内火焰温度控制尾气循环机构，基于炭化温度计采集的炭化迴转筒体内生物质干馏炭化温度控制加热机构。
本实施例中生物质燃气收集处理机构经生物质燃气主管连通蒸汽锅炉(或其它热力设备)，蒸汽锅炉利用生物质燃气燃烧加热，产出绿色蒸汽(或热水、导热油等)。
本实施例中在系统点火启动时，先通过预热机构采用液化天然气点火预热，在炭化迴转筒体稳定产出生物质燃气后，再切换成加热机构，利用生物质燃气燃烧加热，液化天然气通过电磁阀关闭切断。也可以采用独立燃气燃烧器进行预热，将独立预热机构中的燃气燃烧器和加热机构中的合成气燃烧器分别放置在外燃烧室的两端，在炭化迴转窑稳定产出合成气后，再切断预热机构中的燃气燃烧器，开启加热机构中的合成气燃烧器。
炭化迴转筒体出来的高温生物质合成气经旋风分离器收集粉炭后分两路输出，生物质合成气主管和支管，其中支管约通过三分之一生物质合成气经过生物质合成气高温增压风机接入燃烧器的喷嘴接管，为迴转窑炭化提供供热燃料；另一路主管约通过三分之二生物质合成气经过一台生物质合成气高温增压风机接入后续的蒸汽锅炉或蒸汽发生器等热力设备，产出绿色蒸汽等加热介质。
本实施例中控制器基于火焰温度计采集的炭化外燃烧室内火焰温度T1，控制尾气循环机构上的尾气调节阀和尾气耐高温鼓风机，调节输入燃烧室内的尾气量，T1温度低，调小循环尾气量；T1温度高，调大循环尾气量，确保燃烧火焰温度在合理范围，防止火焰温度过高烧坏外燃烧室和炭化迴转筒体。
本例中控制器基于炭化温度计采集的炭化迴转筒体内生物质干馏炭化温度T2，控制加热机构上的生物质燃气高温增压风机和生物质燃气调节阀，调节输入燃烧室内的生物质合成气量，T2温度低，调大生物质合成气喷入量增加供热；T2温度高，调小生物质合成气喷入量减少供热，维持炭化温度稳定在工艺控制温度范围内。
本例中生物质合成气调节阀和生物质合成气高温增压风机的变频器均与氧气调节阀形成比例控制，确保配氧量满足生物质合成气能够燃尽又不过多浪费。
本实施例中炭化外燃烧室内燃烧产生的尾气经尾气余热利用机构降温后分成两路，分别进入尾气净化机构和尾气循环机构，尾气净化机构中尾气经多级水冷却器降温除水，达到接近环境温度再接入二氧化碳多级压缩机，二氧化碳多级压缩机输出的二氧化碳高压气流经冷凝器冷却液化后，经气液分离器收集液化二氧化碳，气液分离器出气口排出的惰性气体经尾气净化器净化后排空。
本例中二氧化碳多级压缩机的输出压缩压力大小和冷却燃烧尾气中二氧化碳浓度有关，选型要求满足能够使压缩二氧化碳气能冷却液化为准；经气液分离器排出的惰性气体连接能够去除VOC气体和酸性气体的尾气净化器，使惰性气体能够达标排空；从气液分离器收集的液体即为液态二氧化碳。
Claims (13)
1.生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于，包括：
迴转窑，具有炭化外燃烧室和置于炭化外燃烧室内的炭化迴转筒体；
预热机构，具有设置于所述炭化外燃烧室内的燃烧器，用于利用外部燃气对炭化外燃烧室内的所述炭化迴转筒体进行预热，以使炭化迴转筒体内生物质原料炭化并产生生物质合成气；
生物质合成气收集处理机构，安装于所述炭化迴转筒体上，用于收集炭化迴转筒体内产生的生物质合成气；
加热机构，具有设置于所述炭化外燃烧室内的燃烧器，并与所述生物质合成气收集处理机构相连，用于利用生物质合成气加热炭化外燃烧室内的所述炭化迴转筒体，以使炭化迴转筒体内生物质原料炭化并产生生物质合成气；
尾气净化机构，接于所述炭化外燃烧室顶部，用于净化炭化外燃烧室内燃烧产生的尾气；
尾气循环机构，其进气端接于所述炭化外燃烧室顶部，出气端接于炭化外燃烧室上与所述燃烧器对应位置；
供氧机构，接于所述尾气循环机构上，用于为尾气循环机构提供氧气，以使氧气在尾气循环机构内与尾气混合形成供给燃烧器的助燃气体。
2.根据权利要求1所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于，还包括：
火焰温度计，设置于所述炭化外燃烧室内，用于监测炭化外燃烧室内火焰温度；
控制器，与所述火焰温度计和尾气循环机构连接，用于基于火焰温度计采集的炭化外燃烧室内火焰温度控制尾气循环机构。
3.根据权利要求1所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于，还包括：
炭化温度计，设置于所述炭化迴转筒体内，用于监测炭化迴转筒体内生物质干馏炭化温度；
控制器，与所述炭化温度计和加热机构连接，用于基于炭化温度计采集的炭化迴转筒体内生物质干馏炭化温度控制加热机构。
4.根据权利要求1所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于，还包括设置于所述炭化外燃烧室顶部的尾气余热利用机构，炭化外燃烧室经尾气余热利用机构连通所述尾气净化机构和尾气循环机构。
5.根据权利要求4所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于：所述尾气余热利用机构包括干燥迴转筒体，用于利用尾气的余热干燥生物质原料。
6.根据权利要求1所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于，还包括：
蒸汽锅炉(或其它燃气热力设备)，与所述生物质合成气收集处理机构相连，用于利用生物质合成气燃烧加热，产出绿色蒸汽(或热水、导热油等)。
7.根据权利要求1所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于：所述预热机构包括液化天然气储罐，液化天然气储罐经天然气管连通所述炭化外燃烧室内的燃烧器，天然气管上装有天然气减压阀和天然气电磁阀。
8.根据权利要求1所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于：所述生物质合成气收集处理机构包括旋风分离器和合成气冷却器。
9.根据权利要求1所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于：所述加热机构包括连通所述生物质合成气收集处理机构和所述炭化外燃烧室内燃烧器的生物质合成气支管，该生物质合成气支管上装有生物质合成气高温增压风机和生物质合成气调节阀。
10.根据权利要求1或4或5所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于：所述尾气净化机构具有尾气主管，尾气主管上沿尾气流动方向依次设有多级水冷却器和二氧化碳多级压缩机，二氧化碳多级压缩机输出端经二氧化碳冷凝器连接气液分离器，气液分离器出气口连通尾气净化器。
11.根据权利要求1或4或5所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于：所述尾气循环机构具有尾气支管，尾气支管上装有尾气调节阀和尾气耐高温鼓风机。
12.根据权利要求1所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于：所述供氧机构包括制氧机、氧气储罐和氧气调节阀。
13.根据权利要求1所述的生物质双迴转窑无氮燃烧高温炭化联产合成气装置，其特征在于：所述的预热机构可以采用独立的燃气燃烧器，设置于所述炭化外燃烧室内，利用外部燃气对炭化外燃烧室内的所述炭化迴转筒体进行预热，待合成气生成稳定之后再切换成利用自产合成气的加热机构燃烧供热。所述的独立预热机构可以安装在外燃烧室的另一端，和加热机构分置在外燃烧室的两端。
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2023
- 2023-10-31 CN CN202311445109.1A patent/CN117701307A/zh active Pending
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