CN1230498C - 一种生物质与煤混合流化床气化方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源设备，是一种无焦油产生，且工艺简单，能生产高热值煤气的生物质和煤混合的气化方法及其装置。其以生物质、煤两种物质为气化原料，流化床气化炉采用供风燃烧和供蒸气气化的间歇工作；在供风燃烧阶段，供煤和供风入炉内，使气化炉的煤料在流化状态下燃烧，放出热量；在气化阶段，向气化炉供入水蒸气和生物质，使高温碳料层在流化状态下发生水煤气反应、生物质在高温下干馏热解气化反应，所产生的高热值煤气经降温除尘处理后进入煤气净化系统；其突出了生物质挥发分高，固定碳少，易于高温干馏热解，而煤固定碳高，灰熔点高，易于燃烧形成高温料层的优点，通过二者有机地融合可生产出不含焦油的高热值的燃料气。
Description
所属技术领域
本发明涉及能源设备，特指一种将生物质和煤混合转化成高热值燃料气的流化床方法和气化装置。
背景技术
生物质能是一种广泛存在、广为人们利用的能源，生物质与煤相比，能量密度低，灰分含量少，挥发酚含量高，重要的是高分子碳氢氧化合物产生多，即焦油产量多。如秸秆气化产焦油量达20g/NM3。因此，常规气化炉的进料机构及床内气固流动及温度场均需要重新安排。如国内生物质流化床气化炉均将一定粒度的砂料置入炉内，加热到700℃～800℃，形成稳定的床层，然后将生物质加入到炉内，并与砂料混合，在此状态下，通入空气，使生物质在此温度下生成含焦油的低热值空气煤气，然后将焦油分离就得到洁净的低热值煤气。最近美国能源部组织开发了一种生物质双器流化床气化炉，生物质在热解气化炉内与热砂混合完成热解，产出高热值煤气，同时含碳飞灰与砂子混合进入燃烧炉燃烧完成砂子的加热，热砂再返回热解气化炉内完成循环。美国这种生物质双器的方法提高了煤气的热值，但增加了操作的复杂性且生产过程中也有焦油处理问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无焦油产生，且工艺简单，能生产高热值煤气的生物质和煤混合的气化方法及装置。
本发明的目的是这样实现的：
流化床气化炉以生物质、煤两种物质为气化原料，流化床气化炉采用供风燃烧和供蒸气气化的间歇工作；在供风燃烧阶段，供煤和供风入炉内，使气化炉的煤料在流化状态下燃烧，放出热量；当床层温度升高到预定温度950℃～1000℃时，停止供风和供煤；气化炉转入到气化阶段，向气化炉供入水蒸气和生物质，使高温碳料层在流化状态下发生水煤气反应和生物质在高温下发生干馏热解气化反应，所产生的高热值煤气经降温除尘处理后进入煤气净化系统；水煤气反应和热解气化反应是强吸热反应，当床层温度下降到900℃时，停止供蒸气和生物质，气化阶段结束；气化炉又转入到供风燃烧阶段，开始下一个重复循环过程；供风燃烧阶段和供蒸气气化阶段的烟气经降温除尘处理后进入烟气净化系统和煤气净化系统，烟气煤气分离下的含碳灰尘，一部分返回气化炉重新燃烧气化，一部分送入焚烧炉烧掉。
加料的方式还可采用在供风燃烧阶段和供蒸气气化阶段，同时加入煤和生物质。
其实施装置分为流化床气化炉1、烟气净化系统、煤气净化系统、供风系统、蒸气系统，其中流化床气化炉1上部为园筒形，下部为倒锥形，炉体为耐火衬里的钢板结构，炉体下部顺序设有布风板20和风室21、进风口22、排渣阀17，气化炉1设有两个带螺旋加料机构的料仓5、6，煤仓5设于炉体倒锥体下部；生物质料仓6设于炉体倒锥体上部，该料仓顶部设有防止生物质料搭桥、堵塞的搅拌器18；炉体中部设有4个二次风喷嘴19，均布炉体四周，炉体上部炉出口上顺序设有带纵向翅片的热管的惯性分离器2，蒸气过热器3及旋风分离器4，且惯性分离器2同时设有蒸气发生器，惯性分离器2下端经下料管23与流化床气化炉1相连，旋风分离器4的顶端出口经换向阀15-1、15-2与煤气净化系统和烟气净化系统相连，烟气净化系统由热管空气预热器11、布袋除尘器12、烟囱13顺序组成；煤气净化系统由洗涤塔9、气柜10顺序相连而成；气化炉1的供风系统由罗茨风机14、热管空气预热器11的空气通道、空气换向阀16-2顺序相连而成；蒸气系统由与惯性分离器2的蒸发器、焚烧炉7分别相连的缓冲气包24，再顺序相连蒸气过热器3、蒸气换向阀16-1而成。
具体工作过程可采用首先将0-10mm的原料煤从料仓中由螺旋加料机5送入流化床气化炉1中，在供风燃烧阶段，空气由罗茨风机14送入热管空气预热器11经空气换向阀16-2进入风室21，经布风板20进入气化炉1，使煤在流化状态下燃烧，床层温度迅速升高，这时设在炉中的喷嘴19喷射的空气，使夹带的含碳飞灰和可燃气体进一步燃烧，这时产生的950℃～1000℃的高温烟气由炉出口经带蒸发器的惯性分离器2将部分含碳飞灰分离后经下料管23返回流化床气化炉1内重新燃烧，初除尘的烟气经蒸气过热器3进入旋风分离器4，分离后的烟气温度降至400℃，经烟气换向阀15-2进入热管空气预热器11将空气预热到250℃，且烟气降温到200℃后进入布袋除尘器12，使烟气中的含尘量达到排放标准，再经烟囱13排入大气；旋风分离器4分离下的含碳粉尘送入焚烧炉7中进一步燃尽；由惯性分离器2和焚烧炉7产生的水蒸气送入缓冲气包24供气化炉1作气化剂和外供；当床层温度升到950℃-1000℃时(具体温度根据煤的灰熔点而定)停止供风，气化炉1进入供蒸气气化阶段，此时空气换向阀16-2关闭，蒸气换向阀16-1开启，烟气换向阀15-2关闭，煤气换向阀15-1开启，这时从蒸气过热器3输送来的过热蒸气，经蒸气换向阀16-1进入风室21经布风板20进入气化炉1，气化炉中的高温碳层(煤和生物质焦炭)在水蒸气的作用下流化气化，发生水煤气反应；与此同时，在燃烧阶段末期或气化阶段开始经螺旋加料机，加入的生物质，在950℃以上高温还原气氛下，进行干馏热解气化反应，生物质产生的热解煤气和焦炭层生成的水煤气混合成高热值煤气，经带蒸发器的惯性分离器2，蒸气过热器3、旋风分离器4降温除尘后经煤气换向阀15-1进入煤气净化系统，经洗涤塔9洗涤后送入气柜10供用户使用，而由惯性分离器2分离下的含碳粉尘，经下料管23返回气化炉1内重新燃烧和气化；旋风分离器4分离下的含碳粉尘，送入到焚烧炉7燃烧产生水蒸气；水煤气反应及干馏热解气化反应是强吸热反应，随着反应的进行，料层温度逐渐下降，当炉温下降到900℃蒸气换向阀16-1和煤气换向阀15-1关闭；空气换向阀16-2和烟气换向阀15-2开启，气化炉1又进入供风燃烧阶段，这样气化炉供风燃烧和供蒸气气化交替往复进行工作，以生物质和煤为原料生产高热值煤气，所有阀门的转换都根据温度设定自动进行的，气化炉的灰渣经排渣阀17排出，灰渣送焚烧炉7进一步烧尽。
本发明与现有技术相比具有以下突出优点。
(1)生物质与煤混合气化，无论从物理性能和气化性能，两种物质均有互补性。特别是采用流化床供风燃烧和供蒸气气化技术后突出了两种物质的优点，生物质挥发分高，固定碳少，易于高温干馏热解，而煤固定碳高，灰熔点高，易于燃烧形成高温料层，二者有机地融合可以生产出不含焦油的高热值的燃料气，其应用价值非常高。
2.原料制备简单，来源丰富：煤可使用0～10mm无烟煤、次烟煤、贫煤、长焰煤、褐煤等，煤炭在我国分布广、储量丰富，而生物质不需分捡，加工方便，面广量大，但能量密度低，不易大规模集中使用，此发明适宜在中心城镇建立气源厂，既解决生物质有效利用，又可改善生态环境，提高居民的生活质量。
3.煤气热值符合国家城市煤气标准。煤气易于并网、灶具易于标准化。
4.本发明的生产供应可靠安全，由于生物质供应受季节、气候的影响较大。可能出现供求失衡，由于本发明是生物质和煤混合气化，生物质和煤入炉的比例可随时调整，以适应生物质的供应量。
5.整个生产过程，全部自动化操作。按温度进行两个阶段的转换，操作简单，煤气成分稳定。
下面结合实施例及附图作详细说明。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图
图2本发明的流化床气化炉的实施例1的结构示意图
图3本发明的流化床气化炉的实施例2的结构示意图
1流化床气化炉 2惯性分离器 3蒸气过热器 4旋风分离器 5带螺旋加料机构的煤仓 6带螺旋加料机构的生物质料仓 7焚烧炉 8焚烧炉煤斗9洗涤塔 10气柜 11热管空气预热器 12布袋除尘器 13烟囱 14罗茨风机15-1煤气换向阀 15-2烟气换向阀 16-1蒸气换向阀 16-2空气换向阀 17排渣阀 18搅拌器 19喷嘴 20布风板 21风室 22进风口 23下料管24缓冲气包
具体实施方式
如图1、图2所示，装置分为流化床气化炉1、烟气净化系统、煤气净化系统、供风系统、蒸气系统，其中流化床气化炉1上部为园筒形，下部为倒锥形，炉体为耐火衬里的钢板结构，炉体下部顺序设有布风板20和风室21、进风口22、排渣阀17，气化炉1设有两个带螺旋加料机构的料仓5、6，煤仓5设于炉体倒锥体下部；生物质料仓6设于炉体倒锥体上部，该料仓顶部设有防止生物质料搭桥、堵塞的搅拌器18；炉体中部设有4个二次风喷嘴19，均布炉体四周，炉体上部炉出口上顺序设有带纵向翅片的热管的惯性分离器2，蒸气过热器3及旋风分离器4，且惯性分离器2同时设有蒸气发生器，惯性分离器2下端经下料管23与流化床气化炉1相连，旋风分离器4的顶端出口经换向阀15-1、15-2与煤气净化系统和烟气净化系统相连，烟气净化系统由热管空气预热器11、布袋除尘器12、烟囱13顺序组成；煤气净化系统由洗涤塔9、气柜10顺序相连而成；气化炉1的供风系统由罗茨风机14、热管空气预热器11的空气通道、空气换向阀16-2顺序相连而成；蒸气系统由与惯性分离器2的蒸发器、焚烧炉7分别相连的缓冲气包24，再顺序相连蒸气过热器3、蒸气换向阀16-1而成。
如图3所示，对于水分高的生物质可将生物质料仓6设在炉顶，沿内炉墙敷设带孔的下料管直达炉体扩张口以利干燥。
具体工作过程如下：
流化床气化炉采用间歇工作方法，整个过程分为供风燃烧和供蒸气气化两个阶段。以木屑或稻壳为气化原料，粒度＜10mm不需要分捡、破碎，及0～10mm的粉煤分别装入料仓6、5内，原料煤从带螺旋加料机构的煤仓5中由螺旋加料机送入气化炉1中，在供风燃烧阶段从罗茨风机14来的空气经热管式空气预热器11，空气换向阀16-2，由风室21经布风板20进入气化炉1，使气化炉1的煤在流化状态下燃烧，床层温度迅速升高。这时设在炉中的二次风喷嘴19喷射的空气，使飞灰和可燃气体进一步燃烧，这时产生的950℃高温烟气由炉出口经惯性分离器2，将60％的含碳粉尘分离后经下料管23降温除尘返回炉内重新燃烧，初除尘的烟气经蒸气过热器3，旋风分离器4，分离下的含碳粉尘送入焚烧炉7进一步烧尽。温度降至400℃以下分离后的烟气经烟气换向阀15-2进入到空气预热器11，将空气预热到250℃，烟气降温到200℃后进入布袋除尘器12，使烟气中的含尘量达到排放标准后经烟囱13排入大气。惯性分离器2和焚烧炉7产生的水蒸气送入缓冲气包24，供气化炉作气化剂和外供。当气化炉的床层温度升到950℃～1000℃时(具体温度，根据煤的灰熔点设定)，停止供风，气化炉进入供蒸气气化阶段，空气换向阀16-2关闭，蒸气换向阀16-1开启，与此同时烟气换向阀15-2关闭，煤气换向阀15-1开启，这时来自蒸气过热器3的350℃过热蒸气经蒸气换向阀16-1，由进风口22进入风室21经布风板20进入气化炉，气化炉中的高温碳层(煤和生物质焦炭)在水蒸气作用下流化气化，发生水煤气反应；与此同时，在燃烧阶段末期或气化阶段开始阶段，经带螺旋加料机构的生物质料仓6加入炉内的生物质，在950℃以上高温还原气氛下，进行干馏热解气化反应。生物质产生的热解煤气和焦炭层生成的水煤气混合成高热值煤气经惯性分离器2、蒸气过热器3、旋风分离器4、煤气换向阀15-1进入煤气系统，经洗涤塔9洗涤后送入气柜10，供用户使用。由惯性分离器2分离下的含碳灰尘，经下料管23返回气化炉1内重新燃烧和气化。旋风分离器4分离下的含碳灰尘送入到焚烧炉7燃烧产生水蒸气。水煤气反应及干馏热解气化反应是强吸热反应，随着反应的进行，料层温度逐渐下降，当炉内温度下降到900℃，由于气化反应及焦油裂解反应的速度减缓。此时，蒸气换向阀16-1和煤气换向阀15-1关闭；空气换向阀16-2和烟气换向阀15-2开启，气化炉1又进入供风燃烧阶段。这样气化炉供风燃烧和供蒸气气化阶段交替往复进行工作，以生物质和煤为原料生产高热值煤气。所有阀门的转换都根据温度设定自动进行的。操作非常方便。气化炉的灰渣经排渣阀17排出。灰渣排量少、含碳量低，一般不再利用，已可送焚烧炉进一步烧尽。
气化炉的典型煤气成分为：H2 50～55％，CO：15～20％，CO2 10～12％，CH49～18％，CHnHm 1.5～2.5％，O2＜0.4％，N2 3～5％。
煤气低热值：12.6MJ～16.6MJ/Nm3。
上述实施方式仅用于说明本发明技术方案，而不加以限制。
Claims (3)
1.一种生物质与煤混合流化床气化方法，其特征在于流化床气化炉以生物质、煤两种物质为气化原料，流化床气化炉采用供风燃烧和供蒸气气化的间歇工作；在供风燃烧阶段，供煤和供风入炉内，使气化炉的煤料在流化状态下燃烧，放出热量；当床层温度升高到950℃～1000℃的予定温度时，停止供风和供煤；气化炉转入到气化阶段，向气化炉供入水蒸气和生物质，使高温碳料层在流化状态下发生水煤气反应、生物质在高温下干馏热解气化反应，所产生的高热值煤气经降温除尘处理后进入煤气净化系统；当床层温度下降到900℃，停止供蒸气，生物质气化阶段结束；气化炉又转入到供风燃烧阶段，开始下一个重复循环过程；供风燃烧阶段的烟气经降温除尘处理后进入烟气净化系统，烟气煤气分离下的含碳灰尘，一部分返回气化炉重新燃烧气化，一部分送入焚烧炉烧掉；上述加料方式也可以是在供风燃烧和供蒸气气化的两个阶段同时加入煤和生物质两种气化原料。
2.根据权利要求1所述的生物质与煤混合流化床气化方法，其特征在于，0-10mm的原料煤从料仓中由螺旋加料机(5)送入流化床气化炉(1)中，在供风燃烧阶段，空气由罗茨风机(14)送入热管空气预热器(11)经空气换向阀(16-2)进入风室(21)，经布风板(20)进入气化炉(1)，使煤在流化状态下燃烧，床层温度迅速升高，这时设在炉中的喷嘴(19)喷射的空气，使夹带的含碳飞灰和可燃气体进一步燃烧，这时产生的950℃～1000℃的高温烟气由炉出口经带蒸发器的惯性分离器(2)将部分含碳飞灰分离后经下料管(23)返回流化床气化炉(1)内重新燃烧，初除尘的烟气经蒸气过热器(3)进入旋风分离器(4)，分离后的烟气温度降至400℃，经烟气换向阀(15-2)进入热管空气预热器(11)将空气预热到250℃，且烟气降温到200℃后进入布袋除尘器(12)，使烟气中的含尘量达到排放标准，再经烟囱(13)排入大气；旋风分离器(4)分离下的含碳粉尘送入焚烧炉(7)中进一步燃尽；由惯性分离器(2)和焚烧炉(7)产生的水蒸气送入缓冲气包(24)供气化炉(1)作气化剂和外供；当床层温度升到950℃-1000℃时，具体温度根据煤的灰熔点而定，停止供风，气化炉(1)进入供蒸气气化阶段，此时空气换向阀(16-2)关闭，蒸气换向阀(16-1)开启，烟气换向阀(15-2)关闭，煤气换向阀(15-1)开启，这时从蒸气过热器(3)输送来的过热蒸气，经蒸气换向阀(16-1)进入风室(21)经布风板(20)进入气化炉(1)，气化炉中的高温碳层一煤和生物质焦炭在水蒸气的作用下流化气化，发生水煤气反应；与此同时，在燃烧阶段末期或气化阶段开始经螺旋加料机，加入的生物质，在950℃以上高温还原气氛下，进行干馏热解气化反应，生物质产生的热解煤气和焦炭层生成的水煤气混合成高热值煤气，经带蒸发器的惯性分离器(2)，蒸气过程器(3)、旋风分离器(4)降温除尘后经煤气换向阀(15-1)进入煤气净化系统，经洗涤塔(9)洗涤后送入气柜(10)供用户使用，而由惯性分离器(2)分离下的含碳粉尘，经下料管(23)返回气化炉(1)内重新燃烧和气化；旋风分离器(4)分离下的含碳粉尘，送入到焚烧炉(7)燃烧产生水蒸气；水煤气反应及干馏热解气化反应是强吸热反应，随着反应的进行，料层温度逐渐下降，当炉温下降到900℃蒸气换向阀(16-1)和煤气换向阀(15-1)关闭；空气换向阀(16-2)和烟气换向阀(15-2)开启，气化炉(1)又进入供风燃烧阶段，这样气化炉供风燃烧和供蒸气气化交替往复进行工作，以生物质和煤为原料生产高热值煤气，所有阀门的转换都根据温度设定自动进行的，气化炉的灰渣经排渣阀(17)排出，灰渣送焚烧炉(7)进一步烧尽；上述生物质也可在供风燃烧和供蒸气气化的两个阶段由生物质料仓(6)加入气化炉(1)中。
3.实现权利要求1所述的生物质与煤混合流化床气化方法的装置，其特征在于装置分为流化床气化炉(1)、烟气净化系统、煤气净化系统、供风系统、蒸气系统，其中流化床气化炉(1)上部为园筒形，下部为倒锥形，炉体为耐火衬里的钢板结构，炉体下部顺序设有布风板(20)和风室(21)、进风口(22)、排渣阀(17)，气化炉(1)设有两个带螺旋加料机构的料仓(5、6)，煤仓(5)设于炉体倒锥体下部；生物质料仓(6)设于炉体倒锥体上部，该料仓顶部设有防止生物质料搭桥、堵塞的搅拌器(18)；炉体中部设有4个二次风喷嘴(19)，均布炉体四周，炉体上部炉出口上顺序设有带纵向翅片的热管的惯性分离器(2)，蒸气过热器(3)及旋风分离器(4)，且惯性分离器(2)同时设有蒸气发生器，惯性分离器(2)下端经下料管(23)与流化床气化炉(1)相连，旋风分离器(4)的顶端出口经换向阀(15-1)、(15-2)与煤气净化系统和烟气净化系统相连，烟气净化系统由热管空气预热器(11)、布袋除尘器(12)、烟囱(13)顺序组成；煤气净化系统由洗涤塔(9)、气柜(10)顺序相连而成；气化炉(1)的供风系统由罗茨风机(14)、热管空气预热器(11)的空气通道、空气换向阀(16-2)顺序相连而成；蒸气系统由与惯性分离器(2)的蒸发器、焚烧炉(7)分别相连的缓冲气包(24)，再顺序相连蒸气过热器(3)、蒸气换向阀(16-1)而成；对于水分高的生物质可将上述生物质料仓(6)设在炉顶，沿内炉墙敷设带孔的下料管直达炉体扩张口以利干燥。
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