CN1699512A - 生物质洁净燃气发生装置及其洁净燃气的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种生物质洁净燃气发生装置及其洁净燃气的制备方法，该装置由制气炉、抽气机、鼓风机和净化器组成，其特征是：在制气炉上部和下部炉膛内分别同轴设置了一个二端开口的贮料桶和一个气化剂喷咀，在贮料桶上部设置了排气管；在贮料桶与炉体构成的环形气道上设置了导气管；所述的抽气机由鼓风机改装而成，并设有液体回收密封装置；所述的净化器由内筒体、外筒体、进气管、出气管和液体回收密封装置组成，其园柱形内筒体的内径大于25毫米；利用该装置制备燃气，只要将贮料桶内的干热物料垂直压入炉膛内的高温炭床中，使高温炭床对物料形成包围，即可获得无烟尘和焦油含量少的洁净燃气，具有产气快，气量大，热效率高等优点，可商品化生产，极具开发价值。

Description

生物质洁净燃气发生装置及其洁净燃气的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种生物质气化装置，尤其是一种生物质洁净燃气发生装置，同时也涉及一种利用生物质制备洁净燃气的方法。

背景技术：

目前可以将生物质转化成燃气的气化设备种类较多，典型的炉型有：上吸式固定床气化炉、下吸式固定床气化炉、横吸式固定床气化炉和各种类型的流化床气化炉等等。众所周知，固定床气化炉与流化床气化炉相比，具有结构简单，操作稳定，造价低廉等优点，因而近年来全国各地的科技工作者把小型生物质气化炉的研发重点均集中在固定床气化炉的炉型开发上，其中尤以上吸式固定床气化炉和下吸式固定床气化炉居多。实践证明：“上吸式固定床气化炉”是所有固定床气化炉中热效率最高的一种，而且它还具有结构简单，操作稳定，造价低廉，产气快，气量大，能耗低等优点，因而“上吸式固定床气化炉”成了广大科研人员面向农村和农民开发经济适用型生物质气化炉的重点考虑炉型，但是现有技术的上吸式固定床气化炉无一例外地存在所产燃气“烟尘和焦油含量过高”的致命弱点，因而凡是以“上吸式固定床气化炉”为基础研发的家用小型生物质气化炉至今仍无一例外地被广大消费者拒之门外，如中国专利曾以公告号CN2565831Y公开的湖南省桑植县周松林同志设计生产的“制气炉”(专利号：ZL02277000.3)就是一例典型的上吸式固定床气化炉，由于该“制气炉”所产燃气的烟尘和焦油问题严重，产品一投放市场即受到消费者的责难，要求退货退款现象十分严重，产品无法真正走上市场；与此相反，下吸式固定床气化炉所产燃气中虽然烟尘和焦油含量较少，但由于这种炉型经还原后的高温气体被强行直接排出炉外，因而能量损失很大，热效率较低，同时，因其所产燃气的强制流动方向与炉内热气流的自然流动方向相反，床层阻力较大，为使燃气顺利排出炉外，需配置大功率的抽气机，这样不仅加大了设备投资，而且增加了能耗，降低了经济效益，加上下吸式固定床气化炉还存在产气慢，气量小等缺点，从而导致现有各种“下吸式固定床气化炉”亦无法被广大消费者所接受，如中国专利曾以公告号CN2486552Y公开的山东平渡市宋武卿同志设计生产的“家用小型下吸式秸秆气化炉(专利号：ZL01243912.6)”，就因存在以上所述的各种致命弱点而不受农民欢迎，致使产品最终亦无法走向市场。

为了减少燃气中的烟尘和焦油含量，提高热效率，国内外的科技工作者，就上吸式固定床气化炉和下吸式固定床气化炉的优势兼容问题曾作过广泛深入的研究，如中国专利曾以公告号CN1116383C公开的中国科学技术大学研究发明的“一种复合式生物质气化炉及其燃气制备方法(专利号：ZL00133263.5)”，就是一个积极探索如何充分发挥上吸式固定床气化炉和下吸式固定床气化炉各自优点，以达到既保持较高的热效率，又使燃气中的烟尘和焦油含量实现最小化的典型例子，然而，只要我们仔细研究一下这一设备的内在结构及其制备燃气的方法，就不难发现，该设备及方法仍存在不少缺限：

首先，该设备采用了双炉型结构，致使设备造价高，占地面积大，农民无法接受，不能用作家用小型燃气发生装置服务千家万户；

其次，该气化炉实际上是一个下吸式固定床气化炉和一个上吸式干馏型固定床气化炉的组合，虽然其下吸式固定床气化炉“热效率低”的弱点，因“上吸式干馏型固定床气化炉(简称干馏炉)”的配套设置能得到一定程度的改善，但下吸式固定床气化炉所固有的其它弱点(如产气慢、气量小、能耗高、生物质耗用量大、设备造价高等弱点)依然存在，而且装入“干馏炉”内的物料在混合热气流的热解作用下，不可避免地会使所得燃气中再次混入一定量的烟尘和焦油；

第三，在下吸式固定床气化炉的底部设置了一个用隔板分割而成的独立催化反应区，为了实现其催化反应的功能，还需外购并定期装填催化剂，这对普遍只图省钱和操作简单的农民来说，又增加了一道心理障碍，同时也使制气操作变得更为复杂；

第四，利用其“方法”制备燃气，使得装入“干馏炉”内的生物质，每隔20至40小时就要人工将其取出并转移至旁边的下吸式固定床气化炉内，操作过程既不卫生又不方便也不安全。由于以上种种缺限的存在，必将在一定程度上影响该“复合设备”及其制备燃气的方法在农村的普及推广。

正因如此，长期以来国内外的专家学者，普遍对“上吸式固定床气化炉与下吸式固定床气化炉”的优势兼容问题产生了一种偏见：即“二种炉型的优点无法在一炉内同时得以实现”，导致长期以来，在利用上吸式固定床气化炉进行生物质燃气的高效快速转化过程中，烟尘与焦油成了一道几乎无法解决的难题。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术之不足而创新发明一套兼具上吸式固定床气化炉和下吸式固定床气化炉优点，同时又能在一定程度上克服以上二炉的原有缺点，具有烟尘和焦油转化功能及较高热效率的“生物质洁净燃气发生装置及其洁净燃气的制备方法”，具体地说，就是要发明一种结构简单，造价低廉，维修使用方便，而且产气快，气量大，热效率高，所产燃气无烟尘，且焦油含量少，对生物质种类无特殊要求(粉料、块料、棒状料、干湿料等均可单独或搭配使用)，常压制气，安全稳定，设备使用寿命长，节能效果显著，出灰、点火及加料均很方便，加料时炉口无烟尘，并可实现连续生产(加料、出灰、制气和使用均可同步进行)的生物质洁净燃气发生装置及其洁净燃气的制备方法。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的生物质洁净燃气发生装置由制气炉、抽气机、鼓风机和净化器组成，其中：

1、所述的制气炉是在保持现有“上吸式固定床气化炉”高热效率的基础上，经创新设计而成的一种专门用于制备生物质洁净燃气的新型上流式气化炉，它包括炉体、贮料桶、环形水槽、炉盖、导气管、排气管、环形气道、炉膛、喷咀、炉脚、出灰口、灰盖、点火口及密封盖等，其特征在于：在所述炉体的下部炉膛内设置了一个气化剂喷咀，该喷咀通过管道或空气预热器与位于炉外的鼓风机相连；在所述炉体的上部炉膛内设置了一个上、下开口且悬置在喷咀正上方的贮料桶，该贮料桶的上端口通过环形水槽与炉体相连；在贮料桶上部一侧的桶壁上设置了一根通向炉外的排气管，并在该排气管上设置了一个排气阀，通过排气管和排气阀，贮料桶可以与大气相通；在由贮料桶与炉体构成的环形气道的上部设置了一根与炉体炉壁相连的导气管，该导气管与环形气道相通；在炉体下部一侧的炉壁上设置了一个点火口；在炉体底部设置了一个出灰口；所述的贮料桶、喷咀和出灰口均同轴设置在炉膛中心轴线上；在所述炉体的内炉壁上设置了一层耐火隔热涂层。

2、所述的抽气机由普通鼓风机经创新改造而成，其特征在于：在抽气机叶片旋转腔的正下方设置了一套带溢流管的液体回收密封装置，该液体回收密封装置的一端与抽气机叶片旋转腔相联通，另一端通过溢流管与大气相通，滞留在液体回收密封装置内的液体对抽气机的内腔形成密封，多余的液体可以自动从溢流管流出。

3、所述的净化器由外筒体、内筒体、进气管、出气管和带溢流管的液体回收密封装置组成，其特征在于：所述的外筒体上部呈园柱形，下部呈倒园锥形；所述的内筒体为同轴设置在外筒体内的园柱形内空筒体，其下端开口，上端对接在外筒体的上端盖上，其筒体内径大于25毫米；所述的出气管设置在外筒体和内筒体的上部并与内筒体相通；所述的进气管设置在外筒体上端的一侧筒壁上，与由内筒体和外筒体共同构成的环形间隙相通。

使用上述“生物质洁净燃气发生装置”制备洁净燃气的方法，包括将生物质废料装入制气炉内进行预热干燥、缺氧燃烧、炭化热解、催化重整和高温还原等，其特征在于：空炉首次启用时，应先用生物质干性灰渣投入制气炉，填满位于喷咀以下的灰渣区，然后再投入含碳量较高的干性物料进行低温慢速缺氧燃烧，使炉内物料在制气过程中尽快炭化并充满位于贮料桶下部的反应炉膛或用预先准备的木炭填满之，然后即可转入正常制气阶段；正常制气过程中，应先将物料装入贮料桶，让其在贮料桶内进行预热干燥，然后用压料器将贮料桶内的干热物料垂直压入位于贮料桶下部的高温炭床中，使高温炭床对被压入的干热物料形成包围，以使物料在炭床中心部位进行缺氧燃烧和炭化热解。

利用本发明所述的“生物质洁净燃气发生装置及其洁净燃气的制备方法”生产洁净燃气，其原理如下：

由于本发明的科学创新，使得“上吸式固定床气化炉”反应炉膛由下至上原本依次为：灰渣区→氧化区→还原区→热解区→干燥区的五大区域演变成了如附图一所示的：灰渣区→氧化区→热解区→干燥区的四大区域，而原位于氧化区上方的还原区则发生了位移，被移到了氧化区和热解区的四周，并对氧化区和热解区形成包围，这样，来自氧化区和热解区的混合气体，在途经其四周的还原区时(注：因受贮料桶气体分流作用的影响，来自氧化区和热解区的混合气体，均会自动沿炉膛四周的高温炭床上升)，因受高温炭床的催化作用，发生复杂的焦油裂解、二氧化碳还原和氢气、水蒸气等气体的催化重整反应，从而制得无烟尘，且焦油含量少，热值较高的混合可燃气，该混合可燃气再经抽气机和净化器净化从而获得所需的洁净燃气。

本发明与现有技术相比，具有如下功能与优点：

本发明所述的“生物质洁净燃气发生装置”保留了现有“上吸式固定床气化炉”和“下吸式固定床气化炉”所具有的全部优点，同时又在一定程度上克服了其原有的全部缺点，解决了人们普遍认为“上吸式固定床气化炉”无法解决的“所产燃气烟尘和焦油含量过高”和“下吸式固定床气化炉”所难以解决的“产气慢、气量小、热效率低和设备造价高”的技术难题。具体表现为本发明所述的“生物质洁净燃气发生装置”具有：结构简单，造价低廉，维修使用方便，产气快，气量大，热效率高，所产燃气无烟尘，且焦油含量少，对制气所用生物质种类无特殊要求(粉料、块料、棒状料、干湿料等均可单独或搭配使用)，常压制气，安全稳定等优点，同时由于所述制气炉的“贮料桶、喷咀和出灰口”均同轴设置在炉体炉膛的中心轴线上，从而使得炉膛内的高温氧化区和炭化热解区自然分布在位于炉膛的中心轴线上，而吸收热量的催化重整与还原反应区则自然坐落在高温氧化区和热解区的环形四周，从而有效地降低了炉壁温度，减少了热损失，因而设备使用寿命被大大延长，节能效果十分显著，加上由于出灰口、点火口和抽气机的科学设置与创新改造，使得出灰、点火和加料均很方便，加料时炉口无烟尘并可实现连续生产(加料、出灰、制气和使用均可同步进行)。

综上所述，在燃料告急、废旧生物质激增和环保呼声日高的今天，本发明在我国尤其是在我国广大农村极具推广价值！

附图说明：

图一、图二和图三分别是本发明所述“生物质洁净燃气发生装置”第一、第二和第三种实施例的总体结构示意图，但要实现本发明，不完全仅限于本附图。

附图中各组成部分的序号与名称如下：

1-炉体         2-贮料桶        3-环形水槽     4-炉盖

5-导气管       6-环形气道      7-炉膛         8-喷咀

9-鼓风机       10-炉脚         11-灰盖        12-出灰口

13-密封盖      14-点火口       15-抽气机      16-排空阀

17-进气阀      18-进气管       19-出气管      20-外筒体

21-内筒体      22-净化器       23-溢流管      24-液体回收密封装置

25-制气炉      26-排气管       27-排气阀      A-干燥区

B-热解区      C-氧化区      D-还原区      E-灰渣区

具体实施方式：

本发明所述的“生物质洁净燃气发生装置”又名“柴草液化气发生装置”，根据其所述制气炉贮料桶外形结构的不同，有图一、图二、图三等多种具体实施方式，其中以图一所示的实施方式为最佳实施方式，它包括制气炉25、鼓风机9、抽气机15和净化器22，其中：

1、所述的制气炉25是在保持现有“上吸式固定床气化炉”高热效率的基础上，经创新设计而成的一种专门用于制备生物质洁净燃气的新型上流式气化炉，它包括炉体1、贮料桶2、环形水槽3、炉盖4、导气管5、排气管26、环形气道6、炉膛7、喷咀8、鼓风机9、炉脚10、灰盖11、出灰口12、密封盖13、点火口14等，其特征在于：在所述炉体1的下部炉膛7内设置了一个气化剂喷咀8，该喷咀8通过管道或空气预热器与位于炉外的鼓风机9相连；在所述炉体1的上部炉膛7内设置了一个上、下开口且悬置在气化剂喷咀8正上方的贮料桶2，其上端口通过环形水槽3与炉体1相连，其下端口口径小于炉膛7的内径，并以炉膛内径的1/3-1/2为最佳，同时其下端口至喷咀8的垂直高度与其下端口口径之比大于1，贮料桶2的高度不定，但以大于或等于其下端口至喷咀8的垂直高度为宜；在贮料桶2的上部一侧的桶壁上设置了一根通向炉外的排气管26，并在该排气管26上设置了一个排气阀27，通过排气管26和排气阀27，贮料桶2可以与大气相通；在由贮料桶2与炉体1构成的环形气道6的上部设置了一根与炉体1的炉壁相连的导气管5，该导气管5与环形气道6相通；在炉体1的下部一侧炉壁上设置了一个点火口14；在炉体1的底部设置了一个出灰口12；所述的贮料桶2、喷咀8和出灰口12均同轴设置在炉膛7的中心轴线上；在所述炉体1的内炉壁上设置了一层耐火隔热涂层。

2、所述的抽气机15由普通鼓风机经创新改造而成，因而造价低廉，并具有一定的燃气净化功能，其特征在于：在抽气机15的叶片旋转腔的正下方设置了一套带溢流管23的液体回收密封装置24，该液体回收密封装置24的一端与抽气机15的叶片旋转腔相联通，另一端通过溢流管23与大气相通，滞留在液体回收密封装置24内的液体对抽气机15的内腔形成密封，多余的液体可以自动从溢流管23流出。

3、所述的净化器22由外筒体20、内筒体21、进气管18、出气管19和带溢流管23的液体回收密封装置24组成，其特征在于：所述的外筒体20的上部呈园柱形，下部呈倒园锥形；所述的内筒体21为同轴设置在外筒体20内的园柱形内空筒体，其下端开口，上端对接在外筒体20的上端盖上，其筒体内径大于25毫米并以上部园柱形外筒体内径的70％-80％为最佳；所述的出气管19设置在外筒体20和内筒体21的上部，并与内筒体21相通；所述的进气管18设置在外筒体20上端一侧的筒壁上，与由内筒体21和外筒体20共同构成的环形间隙相通，为了强化净化效果，其指向该环形间隙的一端管口为椭园形斜切口，该椭园形斜切口朝向所述的环形间隙的切线方向。

使用本发明所述的“生物质洁净燃气发生装置”制备洁净燃气的方法，包括将生物质废料装入制气炉25内进行预热干燥、缺氧燃烧、炭化热解、催化重整和高温还原等，其特征在于：空炉首次启用时，应先用生物质干性灰渣投入制气炉25，填满位于喷咀8以下的灰渣区E，然后再投入含碳量较高的干性物料进行低温慢速缺氧燃烧，使炉内物料在制气过程中尽快炭化并充满位于贮料桶2下部的反应炉膛7或用预先准备的木炭填满之，然后即可转入正常制气阶段；正常制气过程中，应先将物料装入贮料桶2，让其在贮料桶2内进行预热干燥，然后用压料器将贮料桶2内的干热物料垂直压入位于贮料桶2下部的高温炭床中，使高温炭床对被压入的干热物料形成包围，以使物料在炭床中心部位进行缺氧燃烧和炭化热解，所得混合气体在环形气道6的导流下，沿靠近炉壁四周的高温炭床(即附图一所示的还原区D)上升，并在高温炭床的催化作用下发生复杂的焦油裂解、二氧化碳还原和氢气、水蒸气等其它气体的催化重整反应，从而获得无烟尘、焦油含量少且热值较高的混合可燃气，这种混合可燃气再经抽气机15和净化器22的二级净化即可获得所需的洁净燃气，其催化反应所用的催化剂即为生物质废料经炭化热解后所得木炭。

在制气中途如需开盖加料，应先打开抽气机15，然后关闭鼓风机9，以使开盖加料时炉口无烟尘和燃气溢出，加料完毕盖上炉盖4后，应及时关闭抽气机15并打开鼓风机9，以使制气过程恢复到正常状态。

制气结束后，应及时往贮料桶2内添加新物料，并在关闭导气管5的前提下，及时打开贮料桶2上的排气管26，以便让炉膛7内的余热气流全部流经贮料桶2，对贮料桶2内的生物质进行充分预热干燥，为下一次制气作好物质准备。

Claims (6)

1、一种生物质洁净燃气发生装置，包括制气炉(25)、鼓风机(9)、抽气机(15)和净化器(22)，所述的制气炉(25)包括炉体(1)、贮料桶(2)、环形水槽(3)、炉盖(4)、导气管(5)、排气管(26)、环形气道(6)、炉膛(7)、喷咀(8)、炉脚(10)、灰盖(11)、出灰口(12)、密封盖(13)、点火口(14)等，其特征在于：在所述炉体(1)的下部炉膛(7)内设置了一个气化剂喷咀(8)；在所述炉体(1)的上部炉膛(7)内设置了一个上、下开口且悬置在喷咀(8)正上方的贮料桶(2)；在贮料桶(2)的上部一侧桶壁上设置了一根通向炉外的排气管(26)；在由贮料桶(2)与炉体(1)构成的环形气道(6)的上部设置了一根与炉体(1)的炉壁相连的导气管(5)，该导气管(5)与环形气道(6)相通；在炉体(1)的下部一侧炉壁上设置了一个点火口(14)；在炉体(1)的底部设置了一个出灰口(12)；所述的贮料桶(2)、喷咀(8)和出灰口(12)均同轴设置在炉膛(7)的中心轴线上；在所述炉体(1)的内炉壁上设置了一层耐火隔热涂层。

2、根据权利要求1所述的生物质洁净燃气发生装置，其特征在于：所述的抽气机(15)由普通鼓风机经创新改造而成，并在其叶片旋转腔的正下方，设置了一套带溢流管(23)的液体回收密封装置(24)，该液体回收密封装置(24)的一端与抽气机(15)的叶片旋转腔相联通，另一端通过溢流管(23)与大气相通，滞留在液体回收密封装置(24)内的液体对抽气机(15)的内腔形成密封，多余的液体可以自动从溢流管(23)流出。

3、根据权利要求1所述的生物质洁净燃气发生装置，其特征在于：所述的净化器(22)由外筒体(20)、内筒体(21)、进气管(18)、出气管(19)和带溢流管(23)的液体回收密封装置(24)组成；所述的外筒体(20)的上部呈园柱形，下部呈倒园锥形；所述的内筒体(21)为同轴设置在外筒体(20)内的园柱形内空筒体，其下端开口，上端对接在外筒体(20)的上端盖上，其内径大于25毫米；所述的出气管(19)设置在外筒体(20)和内筒体(21)的上部，并与内筒体(21)相通；所述的进气管(18)设置在外筒体(20)上端一侧的筒壁上，与由内筒体(21)和外筒体(20)共同构成的环形间隙相通。

4、根据权利要求1所述的生物质洁净燃气发生装置，其特征在于：所述的气化剂喷咀(8)采用耐热铸铁或耐热钢制作而成。

5、一种使用权利要求1所述的“生物质洁净燃气发生装置”制备洁净燃气的方法，包括将生物质废料装入制气炉(25)内进行预热干燥、缺氧燃烧、炭化热解、催化重整和高温还原等，其特征在于：空炉首次启用时，应首先用生物质干性灰渣投入到制气炉(25)内，并填满位于喷咀以下的灰渣区(E)，然后再将含碳量较高的干性生物质废料，投入到所述的制气炉(25)内进行低温慢速缺氧燃烧，使炉内物料在制气过程中尽快炭化并充满位于贮料桶(2)下部的反应炉膛(7)或用预先准备的木炭填满之，然后即可转入正常制气阶段；正常制气过程中，应先将物料装入贮料桶(2)，让其在贮料桶(2)内进行预热干燥，然后用压料器将贮料桶(2)内的干热物料垂直压入位于贮料桶(2)下部的高温炭床中，使高温炭床对被压入的干热物料形成包围，以使物料在炭床中心部位进行缺氧燃烧和炭化热解。

6、根据权利要求5所述的制备洁净燃气的方法，其特征在于：催化反应所用的催化剂即为生物质废料在制气炉(25)内经炭化热解后所得木炭。