CN1190476C - 生物质气化产生的可燃气裂解净化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物质气化产生的可燃气裂解净化方法，它依次包括下列步骤：(a)可燃气体通过移动床裂解器，在800-1200℃高温的木炭层中进行高温裂解及催化裂解，除去燃气中大部分焦油；(b)燃气换热，使燃气温度由800℃降至300-350℃；(c)通过8万伏高压电场静电除尘，温度降至250-300℃；(d)经文丘里管高速水射流的清洗，除尘除焦并降温，燃气温度降至60-80℃；(E)喷淋塔水洗过滤降温：可燃气体的温度降至环境温度40℃以下，燃气中焦油、粉尘含量降至50mg/Nm3(毫克/标准立方米)以下。本发明可使可燃气中的灰尘、焦油等得到彻底清除，不对环境产生二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质气化产生的可燃气裂解净化方法。
背景技术
我国生物质储量十分丰富，作为替代能源利用可实现CO2零排放，同时大大减轻温室效应和酸雨污染。由于生物质中挥发份含量高，炭的活性高，当前国内外有关生物质的高效利用主要集中在热解气化产生可燃气来供气和发电。循环流化床生物质气化原料适应性强，床温均匀，生产强度大，气体热值高，气化效率较高。但存在的主要问题是细颗粒灰份携带严重，气化过程产生的焦油较多，造成燃气净化困难，堵塞与腐蚀管道，并影响内燃机或燃气轮机的正常工作。
生物质气化可燃气中含有一定量的灰尘和焦油，其净化主要包括旋风分离除尘、水洗、填料式过滤、热裂解和催化裂解等方法。专利CN 2281833Y利用填料式过滤器清除焦油；CN1260377A利用灰尘作为凝结核和物理悬浮沉降分离来脱除燃气中的焦油；CN 2372044Y将水洗和填料式过滤器相结合来净化焦油；CN1258712A由旋风分离器、文丘里管和水洗塔共同构成燃气净化系统；CN 2451911Y将燃气通过相连的生物质热解干馏炉中的热解焦油进行吸附清除焦油。
目前最常用的方法是采取简单的水洗处理净化燃气，由于燃气中大量焦油的存在，不仅造成洗涤水的严重污染，而且不利于气化发电系统的高效运行，并浪费能量和资源。填料式过滤容易出现填料堵塞，而且覆盖表面的焦油难以清理。国外通常采取催化裂解或高温裂解来降低燃气中的焦油含量(C.M.Kinoshita，etc.Joural of Analytical and Applied PyroysisVol.29(1994)，168-181)，催化裂解虽可裂解90％以上的焦油，但技术复杂，催化剂容易积碳失活和S中毒，且催化剂的应用使燃气生产成本大大增加；高温裂解往往以牺牲燃气的部分热值为代价，通过燃烧部分可燃气产生高温区来分解焦油。上述技术均无法彻底清除可燃气中的灰尘和焦油。
发明的内容
本发明的目的是为了克服现有技术净化不完全，或者技术复杂、催化剂容易积碳失活和S中毒，且催化剂的应用使燃气生产成本大大增加的缺点，提供一种新型的生物质气化产生的可燃气裂解净化方法，它将高温催化裂解、燃气换热、静电捕尘、文丘里管清洗降温、喷淋塔水洗过滤降温有机结合，使可燃气得以完全净化，满足内燃机发电的需要，同时有效回收利用可燃气中的热量，不对环境造成二次污染。
本发明的生物质气化产生的可燃气裂解净化方法依次包括下列步骤：
(a)高温催化裂解：生物质气化炉气化产生的含有焦油及粉尘、温度500℃-600℃的可燃气体通过移动床裂解器，在800-1200℃高温的术炭层中进行高温裂解及催化裂解，除去燃气中大部分焦油；
(b)燃气换热：燃气进入热交换器即空气预热(冷却)器换热冷却降温，使燃气温度由800℃降至300-350℃；
(c)静电除尘：通过8万伏高压电场的静电除尘器，去除大部分粉尘，同时可燃气体温度降至250-300℃；
(d)文丘里管清洗降温：经文丘里管高速水射流的清洗，除尘除焦并降温，燃气温度降至60-80℃；
(E)喷淋塔水洗过滤降温：先后进入二个水洗喷淋塔，重复水洗、过滤、除焦、除尘、降温，可燃气体的温度降至环境温度40℃以下，燃气中焦油、粉尘含量降至50mg/Nm3(毫克/标准立方米)以下，达到燃气清洁度的要求。
所述生物质气化产生的可燃气裂解净化方法中的(a)高温催化裂解，是移动床裂解器中内置催化剂小颗粒木炭，从空气导管通入空气，点火预燃烧下层木炭，使之升温达到800-1200℃；输入生物质气化产生的可燃气，通过赤红炭层，进行高温裂解及催化裂解，使焦油部分分解成CH4、H2、CO、CO2小分子气体；再经上层炭层，过滤除焦除尘，将燃气中的焦油去除70-80％；之后，温度约为800℃的可燃气体经上部出口，输送到热交换器即空气预热(冷却)器中；与此同时，裂解炉内的木炭层逐渐向下移动，被木炭层吸附的焦油随炭层也向下移动，被燃烧、裂解；下层木炭被烧成灰，由底部排出；新木炭从上部加料口不断加入补充，以保持炉内炭层之厚度，连续正常运行。
所述生物质气化产生的可燃气裂解净化方法中的(b)燃气换热，是高温燃气进入热交换器即空气预热(冷却)器，与冷空气在换热器中充分热交换，使燃气温度降至300-350℃；而冷空气升温至100-180℃后，从空气出口输出，供给气化炉或裂解炉使用。
所述生物质气化产生的可燃气裂解净化方法中的(c)静电除尘，是燃气由进气口，经耐温进风道，以0.7-1.2米/秒的低流速进入电除尘室内；在阴极悬吊输入8万伏高压电场作用下，在阴极负高压处，尖端放电发射电子流，使通过该电场的燃气中的尘粒与负电子相结合，成为带负荷的离子粒子流，一同冲向阳极，带负荷之尘粒被吸附在阳极上，受振打装置振动落入灰斗，除去90-98％粉尘，同时将可燃气体温度降至250-300℃。
所述生物质气化产生的可燃气裂解净化方法中的(d)文丘里管清洗降温，是燃气从文丘里管进气管进入缓冲室后，垂直向下，与从水膜喷水器经喷咀喷出的高速水射流相混合，再经渐缩管、喉管，收缩加速，在该处充分混合；之后，燃气与水射流经渐扩管、气液分离器分离燃气与液体、灰渣，水和灰渣沉降，由排渣(液)管排出。
所述生物质气化产生的可燃气裂解净化方法中的(E)喷淋塔水洗过滤降温，是燃气先后从二个水洗喷淋塔由下向上移动，经二层填料层(选自炭、木或竹块)过滤吸附，并与喷咀喷射出的水射流充分混合，进行热交换，塔内下层超高之积水，自动从溢流管排出，灰渣从排渣管排出，最后燃气温度降低至环境温度40℃以下，燃气中的尘粒，焦油含量降至50毫克/标准立方米以下。
本发明的生物质气化产生的可燃气裂解净化方法所使用的组合装置包括移动床裂解器、热交换器即空气预热(冷却)器、静电除尘器、文丘里管和水洗喷淋塔二个；六个独立设备的前一个设备的燃气出口与后一个设备的燃气进口用管道连接，形成完整的组合装置。
所述移动床裂解器是采用固定床气化炉，它包括壳体、炉体、加料口、锥形布风板、风机、螺旋排灰口、电机；其外形为园筒形，壳体为钢结构，内壁为耐火保温层；炉体为圆筒形，下部为倒锥形，炉的中部为裂解区，设催化剂木炭(小颗粒)层，厚度2500-4000mm；裂解炉上部为加料斗；布风板在木炭层下部，起均匀布风和支撑炭层作用，其外围为均压室；最下部为排灰口和螺旋排灰器，裂解炉的左侧下方设有燃气进气口，另一侧上部设有燃气出气口；进风管道设在炉的下侧部并与风机相连。
所述热交换器即空气预热(冷却)器是以空气为冷却剂的长方体高效热交换器，包括壳体和换热室，上部有一方形燃气进口，换热室排列400-500根换热管，下部为方形燃气出口，换热室内部从中间隔开，下半部分与喇叭形冷空气进口连接，上半部分与热空气出口连接，换热室的另一侧有空气回流通道，接通上、下部换热室，使冷空气可由下半部进入后回到上半部。
所述静电除尘器是包括中部内装电极系统的箱形壳体、耐温进风道、灰斗、阴极悬吊、护壳、螺旋卸灰器；电极系统由多极横置错列槽形阳极板和在槽形阳极板中配针剌和园线电晕极(阴极)组成；该系统为框架形，悬吊在箱形体中，并与除尘器顶部固定在上壳体上的阴极悬吊连接，还外接8万伏高压供电系统；燃气进口和耐温进风道设在箱体一侧，燃气出口设在另一端；箱体内部装有阻流板和挡烟板，在极板框架外侧还装有振打装置(图中未标出)；下部为锥形灰斗及与之连接的螺旋卸灰器；灰斗与壳体连接。所用耐高温材料是耐热锅炉钢，所用耐腐蚀材料是陶瓷。
所述文丘里管是由上部文丘里喷管和下部气液分离器二部分组成；文丘里喷管由进气管、缓冲室、水膜喷水器、渐缩管、喉管、渐扩管以及若干喷咀组成；气液分离器侧面有一出气管、下部有一排渣管。
所述水洗喷淋塔(二个结构相同)是园筒形，(每个)塔内有二层填料过滤层，上填料过滤层、和下填料过滤层；过滤层上方各有一组喷咀，上部喷咀和下部喷咀；下填料的下方侧面有个进气口、塔顶有个出气口，塔的下部附有溢流管和排渣管。
本发明的优点和积极效果为：
(1)采用木炭作催化剂的移动床裂解器，同时实现焦油高温裂解、催化裂解及过滤除尘三个功能；
(2)以木炭作催化剂，在实现焦油裂解时；保证燃气热值稳定；
(3)利用空气冷却高温燃气，控制燃气温度在300-350℃，既有效回收利用可燃气中的热量，又使燃气适合于电除尘设备，又避免焦油凝结，影响电除尘器的运行；
(4)设计适合于300-350°的电除尘器，在中温下分离燃气中的灰尘杂质；
(5)将高温催化裂解、静电捕尘器、文丘里管和水洗塔有机结合，可使可燃气中的灰尘、焦油等得到彻底清除，不对环境产生二次污染。
(6)用生物质循环流化床气化产生可燃气来供气和发电，原料适应性强，生产强度大，气化效率高，可充分利用国内的生物质废料，环保效益明显，可燃气净化是其应用的关键技术之一，彻底去除可燃气中的灰尘和焦油，本发明的应用将使生物质循环流化床气化发电技术的市场应用潜力大大增加。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。图2为本发明的组合装置结构示意图。
具体实施方式
本实施例是3MW循环流化床生物质气化发电站，采用本发明燃气裂解净化方法和组合装置，将循环流化床生物质气化炉气化产生的含焦油，粉尘的可燃气体进行裂解净化，净化后洁净的可燃气体供给6台500KW燃气发电机组发电。
实施例采用图2显示的生物质气化产生的可燃气裂解净化组合装置，它包括移动床裂解器I、热交换器即空气预热(冷却)器II、静电除尘器III、文丘里管IV和水洗喷淋塔V和VI；六个独立设备的前一个设备的燃气出口与后一个设备的燃气进口用管道连接，形成完整的组合装置。
移动床裂解器I是采用固定床气化炉，D4500mm，H7000mm，它包括壳体I-4、炉体I-6、加料口I-7、锥形布风板I-11、风机I-13、螺旋排灰口I-14、电机I-15；其外形为园筒形，壳体I-4为钢结构，内壁为耐火保温层I-5；炉体I-6为圆筒形，下部为倒锥形，炉的中部为裂解区，设催化剂木炭(小颗粒)层I-9，厚度3500mm；裂解炉上部为加料斗I-7；布风板I-11在木炭层下部，起均匀布风和支撑炭层作用，其外围为均压室I-2；最下部为排灰口I-1和螺旋排灰器I-14，裂解炉的左侧下方设有燃气进气口I-3，另一侧上部设有燃气出气口I-8；进风管道I-10、I-12设在炉的下侧部并与风机I-13相连。
空气预热(冷却)器II，是以空气为冷却剂的长方体高效热交换器，尺寸为1320×1244×3396，包括壳体II-8和换热室II-4，上部有一方形(1080×1140)燃气进口II-5，换热室II-4排列450根换热管II-3，下部为方形燃气出口II-1，换热室内部从中间隔开，下半部分与喇叭形冷空气进口II-7连接，上半部分与热空气出口II-6连接，换热室II-4的另一侧有空气回流通道II-2，接通上、下部换热室，使冷空气可由下半部进入后回到上半部。
静电除尘器III是包括中部内装电极系统的箱形壳体、耐温进风道III-1、灰斗III-2、阴极悬吊III-7、护壳III-12、螺旋卸灰器III-13；电极系统由多极横置错列槽形阳极板III-4、III-9和在槽形阳极板中配针剌和园线电晕极(阴极)III-5组成：该系统为框架形，悬吊在箱形体中，并与除尘器顶部固定在上壳体上的阴极悬吊III-7连接，还外接8万伏高压供电系统；燃气进口III-6和耐温进风道III-1设在箱体一侧，燃气出口III-10设在另一端；箱体内部装有阻流板III-3、III-11和挡烟板III-8，在极板框架外侧还装有振打装置(图中未标出)；下部为锥形灰斗III-2及与之连接的螺旋卸灰器III-13；灰斗III-2与壳体III-12连接。静电除尘器采用耐高温材料耐热锅炉钢和耐腐蚀材料陶瓷。
文丘里管IV是由上部文丘里喷管和下部气液分离器二部分组成；文丘里喷管由进气管IV-1、缓冲室IV-2、水膜喷水器IV-3、渐缩管IV-5、喉管IV-6、渐扩管IV-7以及若干喷咀IV-4组成；气液分离器IV-8侧面有一出气管IV-9、下部有一排渣管IV-10。
水洗喷淋塔V和VI(VI与V结构相同)是园筒形，D＝2000mm、H＝10600mm，(每个)塔内有二层填料过滤层，每层厚350mm，上填料过滤层V-4或VI-4、和下填料过滤层V-6或VI-4；过滤层上方各有一组喷咀，上部喷咀V-3或VI-3和下部喷咀V-3或VI-3；下填料V-3或VI-3的下方侧面有个进气口V-1或VI-1、塔顶有个出气口V-2或VI-2，塔的下部附有溢流管V-7或VI-7和排渣管V-8或VI-8。
整个裂解净化过程如下：是移动床裂解器中内置催化剂小颗粒木炭I-9，从空气导管I-10通入空气，点火预燃烧下层木炭，使之升温达到800-1200℃；输入生物质气化产生的可燃气，通过赤红炭层，进行高温催化裂解，部分分解成CH4、H2、CO、CO2小分子气体；再经上层炭层，过滤除焦除尘，将燃气中的焦油去除70-80％；之后，温度约为800℃的可燃气体经上部出口I-8，输送到热交换器即空气预热(冷却)器具中；与此同时，裂解炉内的木炭层逐渐向下移动，被木炭层吸附的焦油随炭层也向下移动，被燃烧、裂解；下层木炭被烧成灰，由底部I-1、I-14排出；新木炭从上部加料口I-7不断加入补充，以保持炉内炭层之厚度，连续正常运行。高温燃气进入热交换器即空气预热(冷却)器具，与冷空气在换热器中充分热交换，使燃气温度降至300-350℃；而冷空气升温至100-180℃后，从空气出口II-6输出，供给气化炉或裂解炉使用。燃气由进气口III-6，经耐温进风道III-1以1米/秒的低流速进入电除尘室内；在阴极悬吊III-7输入8万伏高压电场作用下，在阴极III-5负高压处，尖端放电发射电子流，使通过该电场的燃气中的尘粒与负电子相结合，成为带负荷的离子粒子流，一同冲向阳极III-4、III-9，带负荷之尘粒被吸附在阳极上，受振打装置振动落入灰斗III-2，除去约90-98％粉尘，同时将可燃气体温度降至250-300℃。燃气从文丘里管进气管IV-1进入缓冲室IV-2后，垂直向下，与从水膜喷水器IV-3经喷咀IV-4喷出的高速水射流相混合，再经渐缩管IV-5喉管IV-6，收缩加速，在该处充分混合；之后，燃气与水射流经渐扩管IV-7、气液分离器IV-8分离燃气与液体、灰渣，水和灰渣沉降，由排渣(液)管IV-10排出。燃气先后从二个水洗喷淋塔V的进气口V-1或VI的进气口VI-1由下向上移动，经二层木炭填料层V或VI-6、V或VI-4、过滤吸附，并与喷咀V或VI-5、V或VI-3喷射出的水射流充分混合，进行热交换，塔内下层超高之积水，自动从溢流管V或VI-7排出，灰渣从排渣管V或VI-8排出，最后燃气温度降低至环境温度40℃以下，燃气中的尘粒，焦油含量降至50毫克/标准立方米以下，可燃气体可供给6台500KW燃气发电机组发电。
Claims (6)
1.一种生物质气化产生的可燃气裂解净化方法，依次包括下列步骤：
(a)高温催化裂解：生物质气化炉气化产生的含有焦油及粉尘、温度500℃-600℃的可燃气体通过移动床裂解器(I)，在800-1200℃高温的木炭层(I-9)中进行高温裂解及催化裂解，除去燃气中大部分焦油；
(b)燃气换热：燃气进入热交换器即空气预热器(II)换热冷却降温，使燃气温度由800℃降至300-350℃；
(c)静电除尘：通过8万伏高压电场的静电除尘器(III)，去除大部分粉尘，同时可燃气体温度降至250-300℃；
(d)文丘里管清洗降温：经文丘里管(IV)高速水射流的清洗，除尘除焦并降温，燃气温度降至60-80℃；
(E)喷淋塔水洗过滤降温：先后进入二个水洗喷淋塔(V和VI)，重复水洗、过滤、除焦、除尘、降温，可燃气体的温度降至环境温度40℃以下，燃气中焦油、粉尘含量降至50毫克/标准立方米以下，达到燃气清洁度的要求。
2.根据权利要求1所述的可燃气裂解净化方法，其特征是其中的(a)高温催化裂解，是移动床裂解器(I)中内置催化剂小颗粒木炭层(I-9)，从空气导管(I-10)通入空气，点火预燃烧下层木炭，使之升温达到800-1200℃；输入生物质气化产生的可燃气，通过赤红炭层，进行高温裂解及催化裂解，使焦油部分分解成CH4、H2、CO、CO2小分子气体；再经上层炭层，过滤除焦除尘，将燃气中的焦油去除70-80％；之后，温度约为800℃的可燃气体经上部出口(I-8)，输送到空气预热器(II)中；与此同时，裂解炉内的木炭层逐渐向下移动，被木炭层吸附的焦油随炭层也向下移动，被燃烧、裂解；下层木炭被烧成灰，由底部(I-1、I-14)排出；新木炭从上部加料口(I-7)不断加入补充，以保持炉内炭层之厚度，连续正常运行。
3.根据权利要求1所述的可燃气裂解净化方法，其特征是其中的(b)燃气换热，是高温燃气进入空气预热器(II)，与冷空气在换热器中充分热交换，使燃气温度降至300-350℃；而冷空气升温至100-180℃后，从空气出口(II-6)输出，供给气化炉或裂解炉使用。
4.根据权利要求1所述的可燃气裂解净化方法，其特征是其中的(c)静电除尘，是燃气由进气口，经耐温进风道，以0.7-1.2米/秒的低流速进入电除尘室内；在阴极悬吊输入8万伏高压电场作用下，在阴极负高压处，尖端放电发射电子流，使通过该电场的燃气中的尘粒与负电子相结合，成为带负荷的离子粒子流，一同冲向阳极，带负荷之尘粒被吸附在阳极上，受振打装置振动落入灰斗，除去90-98％粉尘，同时将可燃气体温度降至250-300℃。
5.根据权利要求1所述的可燃气裂解净化方法，其特征是其中的(d)文丘里管清洗降温，是燃气从文丘里管(IV)进气管(IV-1)进入缓冲室(IV-2)后，垂直向下，与从水膜喷水器(IV-3)经喷咀(IV-4)喷出的高速水射流相混合，再经渐缩管(IV-5)、喉管(IV-6)，收缩加速，在该处充分混合；之后，燃气与水射流经渐扩管(IV-7)、气液分离器(IV-8)分离燃气与液体、灰渣，水和灰渣沉降，由排渣(液)管(10)排出。
6.根据权利要求1-5所述的任何一种可燃气裂解净化方法，其特征是其中的(E)喷淋塔水洗过滤降温，是燃气先后从二个水洗喷淋塔(V或VI)由下向上移动，经二层填料层(V或VI-6、V或VI-4、)过滤吸附，并与喷咀(V或VI-5、V或VI-3)喷射出的水射流充分混合，进行热交换，塔内下层超高之积水，自动从溢流管(V或VI-7)排出，灰渣从排渣管(V或VI-8)排出，最后燃气温度降低至环境温度40℃以下，燃气中的尘粒，焦油含量降至50毫克/标准立方米以下。
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