CN201343518Y - 多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统 - Google Patents

Abstract

一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，能将广泛的生物质、含碳原料，包括能源作物、农林副产品、有机废物、工业和危险废物等转化为高品位能源。该系统连续运行设计，将气化各分步过程：预处理、热解、碳转化、灰熔融、焦油裂解、合成气重整、余热利用逐一精细控制并整合达到优化；物料经预处理后的湿气被导入碳转化单元，实现无氧热解；气化气在聚自由基加速反应单元接触大量活性自由基；经净化，进入下游应用，如发电、制氢和制生物质甲醇乙醇。系统无需辅助燃料，最大化气化效率，彻底裂解焦油和清除污染物，是生物质再生能源应用的上游技术。能源利用满足任何严格的环保标准，也是一项非焚烧无害化处理的节能环保型技术。

Description

多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统

技术领域

本实用新型涉及一种生物质气化再生能源系统，尤其涉及利用聚自由基加速反应装置的生物质气化再生能源系统。

背景技术

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，能源的供给能力密切关系着国民经济的可持续性发展，是国家战略安全保障的基础之一。中国目前能源供给形势严峻，环境质量包袱沉重。由于化石能源储量日益减少、油价波动较大、对能源安全问题的担忧以及对全球变暖的关注，发展清洁可再生能源已成为紧迫的课题，新能源行业呈现高成长性。根据广泛论证的可再生能源的产业背景及发展概况，以生物质能为代表的生物质气化发电、生物质氢能、生物质绿色液体燃料将成为未来重要的替代能源。生物质能属于清洁能源，中国的生物质再生能源的资源非常丰富，生物质再生能源大规模普及应用，有助于改善生态环境和CO₂减排。

发展循环经济，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要途径。循环经济建设和城市化发展进程加大了对废物处理以及对新能源技术的需求。中国政府已经颁布实施《可再生能源法》(2007)，《循环经济促进法》(2008)，将生物质能等可再生能源的科学技术研究和产业化发展列为国家科技发展与高技术产业发展的优先领域，寻求最大限度的使用可再生能源，最大限度的推进资源回收，抑制资源浪费和污染物排放总量。

随着石油价格的大幅波动，未来汽车的能源动力已向多元化发展。新能源汽车主要分为代用燃料汽车和电动汽车。代用燃料以内燃机为主，比如乙醇燃料、甲醇燃料为动力；电动汽车包括纯电动汽车、燃料电池汽车、内燃机和电池共同作用的混合动力电动汽车。化石燃料枯竭后，只有生物质资源可以用作大规模燃料和氢能的生产，可以预测生物液体燃料及清洁电力，燃料电池电动车将会是未来汽车动力的主要能源动力。

生物质是指各种类型的有机物，从广义上讲，生物质都是来源于植物通过光合作用生成的有机物，最初来自于太阳能。生物质由C、H、O、N、S、P等元素组成，具有挥发性高、碳活性高，硫、氮含量低，灰分低的优点。既具有矿物燃料属性，又有储存、运输、再生、转换的特点，有着不可替代的优势。生物质的种类很多，通常包括以下几个方面：薪炭林、能源作物、水生植物；油料植物；农业副产品(如秸秆)；农林业废弃物；工业有机废弃物(如废塑料、石化残余)；谷物加工厂、造纸厂、木材加工厂、食品业副产品和各类有机废弃物(包括危险废物、医疗废物、生活垃圾)等。中国生物质资源丰富，总量达4.87亿吨油当量/年，其中76％可用于发电和供热。(参见文献：中国政府/世界银行/全球环境基金-生物质发电技术提高潜力分析咨询项目报告，中国科学院广州能源研究所，2005年4月)。

生物质能可再生能源的利用过程构成自然界的循环的一部分，其所产生的废物主要是二氧化碳和灰渣，对自然界来讲是存量循环概念。排出的二氧化碳能够被植物重新吸收。并且生物质含硫量极低，不到煤炭含硫量的1/4。生物质能具有资源分布广、环境影响小、可以永续利用等特点。生物质能的广泛应用，可显著减少二氧化碳和二氧化硫排放，产生巨大的环境和社会效益。

利用燃烧技术释放生物质能，经过多年的发展，目前技术上已经成熟、商业化普及程度较高，如生活垃圾焚烧和生物质直燃发电，从长期实践来看，有着本质上的缺陷：

1、焚烧模式的环保问题突出，造成严重的二次污染，表现在以下几个方面：因为焚烧中使用了大量的过剩空气，稀释焚烧强度，焚烧炉工作温度较低或者停留时间短造成有害物质不能有效分解；在下游设备的低温区域，在过氧、金属盐类化合物催化剂、飞灰颗粒和未燃尽碳的作用下，重新合成二恶英和呋喃(PCDD/Fs)，它们是剧毒的有害物质；特别是炉排层燃方式生成大量的酸性污染气体，如HCl、HF、SO₂、NO_X等；飞灰和底灰中富集的重金属渗入空气和地下水源。(参见文献：固体废物焚烧过程中二噁英控制技术研究进展，周莉菊等，能源与环境，2006No.554；城市生活垃圾焚烧炉各工艺参数对二噁英生成的影响，刘阳生等，现代化工，2001年10月21卷；国家环境分析测试中心，二噁英研究，http://cneax.com/2005。)

2、而焚烧模式，通过锅炉带蒸汽轮机的发电技术本质上净发电效率有限。尤其是，在单一燃烧过程中产生的大量腐蚀性很强的酸性气体，易造成锅炉受热面腐蚀，导致蒸汽参数和发电效率低，能源利用效率低。

3、在单一燃烧过程中产生的灰渣，有重金属渗析问题，导致其不能有效利用，并形成二次污染，灰渣需额外处理，费用昂贵。

4、因为焚烧中使用了大量的过剩空气，常规焚烧机组采用规模、体积巨大的的尾气处理设备，导致投资和运行费用大幅增加，降低了经济效益。

生物质气化是生物质能热化学转化法的一种，基本原理是将生物质原料加热，使较高分子量的碳氢化合物热裂解(Pyrolysis)、气化并重整(Reforming)，生成较低分子量的CO、H₂、CH₄等可燃性气体，将生物质转化为气体燃料。是生物质能高效利用的一种方法，和生物质燃烧技术相比，能源利用效率高，环保效果好，尤其是针对来源更广泛、成分更复杂的生物质原料，包括各类有机废弃物、危险废弃物。生物质气化后产生的初级可燃性气体中含有焦油、灰分、水分和少量的污染物(如酸性气体和微量的盐分、重金属)，通过净化设备净化处理后转化为成品合成气，投入使用。

生物质气化使用的设备主要有两类：固定床和流化床气化装置。固定床主要分为上流式、下流式和横流式，物料在反应器内分为干燥层、热分解层、氧化层和还原层，层和层之间没有界限。固定床气化反应器通常产气量较小，用于小型气化站或户用，发电功率一般＜1MW。流化床反应器主要分为鼓泡床和循环流化床，在流化床内，反应速度快，物料、沙子和气化剂充分接触，受热强度、反应强度均匀，生产能力大。但是流化床必须工作在熔点温度之下，对一般生物质来讲是工作在900℃左右，在此温度下不能彻底裂解焦油；而且灰渣需要额外处理；并且流化床系统投资大，要求较大生产规模，发电功率一般＞5MW。目前，在需求最广泛的中等规模，发电功率范围3～5MW，处理量在80～150吨/天之间，没有合适的最佳气化反应器。

在气化过程中，残炭和焦油都是不可避免的副产品。残炭含有高热值的碳没有气化，大大降低了整体气化效率；焦油是成分十分复杂的碳氢化合物，主要是苯的衍生物，在高温下以气体状态存在，在低温(＜200℃)下以粘稠的液体状态存在，难以清除，即使清除，则一部分合成气热值随着清除的焦油排走，造成气化效率损失。未清除的焦油对下游设备的应用造成巨大困难，如淤堵气体净化设备、堵塞燃机管路，也是很多生物质气化技术失效或者低效能的主要原因。目前，使用气化合成气为燃料的内燃机，焦油含量要求小于30mg/Nm³，使用于燃气轮机、制氢应用于燃料电池或者用于合成绿色液体燃料的气化合成气，对焦油含量的要求要低得多。目前几乎没有工业化的生物质气化反应器能够达到此要求。

生物质气化技术目前正处于大规模商业化开发的初期阶段，有很多尝试和实践，无论是应用固定床或者流化床气化反应器，总的来讲，目前商业化开发生物质气化技术遇到的主要问题有：1.常规的气化技术，热解气化.燃烧.锅炉.蒸汽轮机.发电的工艺路线，和焚烧技术类似，尽管环保效果有所提高，但是残碳、飞灰和灰渣中由于重金属渗析问题的存在，依然有二次污染问题；2.适应不了原料成分的复杂性，原料湿度太大，或者物料特性变动较大，运行中固体物料局部高温结块、熔化或者粘结，运行连续可靠性难以保证；3.常规气化效率低、残碳较多，气化气热值低，热值不稳定；4.尤其是气化过程产生的合成气中由于焦油的裂解和清除不彻底，一般在50～200mg/Nm³以上，无法带动高效率的燃机，或燃气轮机，只能通过锅炉燃烧产生蒸汽带动蒸汽轮机发电机组，和焚烧发电相比，总发电效率提高有限；采用催化裂解来降低合成气的焦油含量，使用固体催化剂工艺复杂，生产成本大幅提高，催化剂在高温和含有大量污染物的合成气内工作，容易失效，焦油仍不能完全消除。

自由基，化学上也称为“游离基”，是含有一个不成对电子的原子(C、H、O)、原子团(OH、H₂、O₂)和离子(O₂ ^.，H₂ ^.，OH^.、O^.，H⁺)，活性很强，以中间体的形式存在，浓度很低，存留时间很短，快速实现热解转化，对稳定的环形结构的有机物的分解效果明显。参见文献：The reduction and controltechnology of tar during biomass gasification/pyrolysis：an overview，Jun Han etc.，Renewable and Sustainable Energy Reviews 12(2008)397.416。尤其是对危险废物及特殊要求废物、气化过程中难处理的残炭、焦油成分，其先进性与优越性进一步显现出来。

目前所能检索到的本领域技术力案有：

中国专利申请00112320.3的专利文献《城市生活垃圾干燥气化熔融处理方法》，利用锅炉尾气余热干燥物料；将灰分熔融，降低二恶英和重金属等二次污染；气化炉内加入石灰脱酸。灰分经过熔融，但是气化气没有完全净化，就直接高温燃烧掉，并且依然使用锅炉.蒸汽轮机发电。中国专利申请200610054403.X的专利文献《城市生活垃圾干燥气化熔融焚烧处理方法和系统》，利用锅炉焚烧余热获取高温空气，再引入到气化和熔融焚烧炉；也可降低二恶英和重金属等二次污染；但是仍以焚烧处理为主要目的，资源化利用程度不高。

中国专利申请200610019351.2的专利文献《一种裂解气化重整炉》，将反应过程分解为粉尘云燃烧室、裂解气化室和催化重整室。在一个反应器内将反应分步进行。而粉尘云燃烧室的燃料要求为纳米级的粉料，需增加运营成本。而在同一反应器内将三段反应控制好，需要复杂的控制。中国专利申请200720174504.0的专利文献《一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备》，在同一反应器内，将干燥产生的水蒸汽、烟气和初级气化气从炉外，导入炉底的高温区。并应用等离子技术加速炉底残碳的气化反应。但是在同一反应器内控制多段反应，需要复杂的控制，并且规模较小无法大规模商业化应用。中国专利申请200620069301.0的专利文献《气化.等离子无害化废物处理系统》，高温等离子只用于熔融灰分，尾气单独排放，整个系统达不到整体效率优化。中国专利申请1420155A的专利文献《用等离子体热解气化生物质制取合成气的方法》，高温等离子用于反应器顶部物料的热解气化和重整，获得高热值气化合成气。但是热解气化不需要高温，将等离子体这个高温、高能的需大量额外电力的能量源用于热解气化，将降低总体气化效率。

中国专利申请02134850.2的专利文献《生物质气化产生的可燃气裂解净化方法》，将从气化反应器出来的初级气化气经过800℃～1200℃的高温木炭床层的移动床反应器，进行高温和催化裂解焦油。和其他催化剂裂解焦油技术相比，高温木炭作为催化剂不怕失活和硫中毒。但是，加入木炭，相当于加入了附属燃料；高温木炭床需要填料和排料，操作复杂性大幅增强，难以保证催化效果；输入额外空气到木炭床燃烧维持高温，降低气化气体的热值。

美国专利文献20040231243，Ash fusing system，method of operating the system，and gasification fusing system for waste，将气化、熔融、重整反应分为三个连接的反应室单独进行，但总体反应并未优化。美国专利文献20040170210，Plasmapyrolysis，gasification and vitrification of organic material，是应用等离子的流化床技术，等离子只应用于反应器底部的碳气化和灰熔融。

与本实用新型最接近的现有技术，美国专利文献2007068413，Ahorizontally.oriented gasifier with lateral transfer system，将气化、重整反应分为两个连接的反应室单独进行，气化反应器水平放置，重整反应器垂直放置，并配有高温等离子装置裂解焦油。灰分熔融在另外反应器进行。该设计力图将固体热解和干燥的低温反应区与气体重整的高温反应区分成两个相对独立的反应区。但是固体热解和干燥在同一反应器内完成，热解反应减慢，碳转化率低，整体气化效率低，尤其是针对湿度较大、热值较低的物料。美国专利文献2007068397，A gas reformulating system using plasma torch heat，将高温等离子装置用于合成气化气的重整反应，重整反应器垂直放置。该设计力图利用等离子的高温获得合成气重整的高温反应区，并同时利用离子化的气体加速焦油裂解。但是焦油裂解和合成气重整有着不同的反应动力学参数，反应器相对较大、等离子高温区相对较小，结果是焦油裂解和合成气重整的效率都不够理想，尤其是针对湿度较大、含有很多惰性气体和燃尽气体(如氮气和CO₂)、有低温空气泄漏并且热值较低的初级合成气。

总体来讲，目前的生物质气化技术的尝试和实践只在小规模创新，多数属于局部改进，总体上配置尚未达到优化；高级气化系统的知识和经验积累不足，控制系统配套不完善，离全面的商业化应用有一定距离。等离子开始应用在生物质气化工艺过程中，大多是应用其提供的高温，对其离子化特性应用不足。等离子炬核心温度超高，达6,000～10,000℃，设备耗电量较大，如果使用不当，会造成运行安全隐患；或者没有用到最需要的地方，能耗大，气化系统的焦油问题解决不彻底，或者达不到设计的净发电效率，甚至净发电量为负。

发明内容

为克服现有技术中热解反应减慢，碳转化率低，焦油裂解和合成气重整的效率低等问题，本实用新型提供一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其气化反应器连续运行设计，将气化各分步过程分为各个相互联系的独立反应单元，系统包括各个互相联系的预处理装置、热解气化单元、碳转化单元、熔融单元、合成气重整单元，预处理装置与无氧的热解气化单元相互独立，系统还包括聚自由基加速反应单元，其位置位于热解气化单元之后，合成气重整单元之前。

本实用新型使用聚自由基生物质气化技术，英文名称BioCRG，BiomassConcentrated Radical Gasification Technology，将生物质或有机废弃物热解气化过程中产生的初级气化气用高温或高能的聚自由基装置彻底裂解焦油并启动合成气化气的重整反应的技术，包括残碳和焦油都彻底转化为气化合成气，最大化的增加氢气H₂的含量。气化合成气经过净化装置净化，成为洁净的成品气化合成气。聚自由基装置根据物料不同有不同的相应组合，例如某种或多种自由基的发生源，自由基的发生源包括：高温等离子炬，水蒸汽、氢气等离子炬，低温等离子(辉光、电晕、高频)，氢氧燃烧器，微波等。

利用聚自由基加速反应装置将广泛的生物质、含碳原料转化为高品位能源，是生物质再生能源应用的上游技术。气化合成气的应用十分广泛，包括：①用作锅炉的燃料，供热或者带蒸汽轮机发电；②直接带动燃气轮机、燃机或者联合循环发电；③分离出来的氢气，可用作燃料电池的燃料；④作为合成生物质甲醇、乙醇和其他绿色液体燃料的原料；⑤作为化工产品的原料。

而且聚自由基生物质气化技术的高环保效能也同时体现出来。在气体排放方面，和焚烧使用过量空气相比，处理同样多的物料，合成气体体积小，净化效率高，能源利用能够满足任何严格的环保标准，也是一项非焚烧的节能环保型技术。在固体排放方面，经过等离子炬超高温处理后的完全稳固化、玻璃化的熔渣，渗析率极低，冷却后的特性和石头接近，高标准的满足了资源化利用的环境要求和技术要求。

多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，依次包括：

将广泛的生物质、含碳原料，包括能源作物、农林副产品和废弃物、有机废物、工业和危险废物等，直接送入预处理装置。预处理装置采用全封闭设计，一体化的完成物料切碎、传送、分拣、除金属、干燥、除味、防爆、防泄漏等功能，为主气化反应器的可靠运行提供保证，其包括，输送装置，上料机构，预处理装置上料密封门和下料密封门。上料密封门，保证没有湿气和气味泄漏，尤其针对废弃物，随时处理，与外界大气不接触，没有异味，以方便在任何地方选址。下料密封门，保证没有湿气和空气泄漏到热解气化反应器，同时保证没有较高温度的热解气体进入预处理装置。

预处理装置内部，主要包括切碎装置，内部传送装置和外部热源，外部热源包括：蒸汽热源，间接加热物料；预热低温空气，直接加热物料，并输送空气作为载体送出干燥过程中产生的湿气，进入碳转化单元底部；其他外部热源，例如微波、电加热器等。通过外部热源和传送装置速率对出口气体的温度和湿度进行控制。预处理后分拣过的、切碎的、干燥的物料进入通过预处理装置出料密封门进入热解气化单元。从预处理装置干燥过程吸出的湿气，经除尘器除尘后，被导入碳转化单元底部，用以彻底分解湿气中的有害成分，中和碳转化反应强度，避免高温结块、熔化或者粘结，提高碳转化的效率和稳定性。

预处理装置的湿气导入碳转化单元的系统包括除尘器和湿气吸风机，湿气导入系统分离出的灰分，被送入熔融反应器。

热解气化单元，为移动床反应器，热裂解并气化已经预处理过的并干燥过的物料，热量来自碳转化单元的还原性高温气体产物，实现完全无氧热裂解气化，避免因有氧环境下危害的或者稳固结构的碳氢化合物的重新合成。热解气化单元的出口的温度控制保证热解气产率、质量和稳定性。物料移动速度和外部热源参与反应器出口温度控制，外部热源包括电加热、微波或石英加热管等。热解气化产物.初级气化合成气进入聚自由基加速反应单元。由于是处理已经预处理过的并干燥过的物料，物料颗粒相对均匀，物料湿度小，热裂解反应迅速。热解气化产物.初级气化合成气中的湿气含量最小，热值高，初级气化气成分比较集中，便于聚自由基加速反应单元对其进行集中高强度的深度处理。

物料经过热解气化单元完成热裂解工序后，残碳和残余灰分进入碳转化单元，其为固定床或流化床反应器，热量来自预热空气和残碳的气化反应，从物料预处理装置的干燥工序导入的湿气和燃尽气参与反应器出口温度控制。其核心反应温度900～1200℃，反应时间较长，在缺氧还原气氛下，完成碳转化，灰分在碳转化单元底部软化或熔化后，经过固液分离装置进入熔融单元；高温气体控制在750～850℃进入热解气化单元底部，尤以800℃为上选，为热解气化工艺提供热量。

在熔融单元内，连续性地将灰分熔化成稳固化的熔渣排走，灰分不仅来自碳转化单元，还包括预处理湿气中的灰分，聚自由基加速反应单元、合成气重整单元和气体净化系统分离或捕捉的飞灰。熔融单元接受高温热源，如高温等离子或其他高温热源带来的热量，维持在1300～1600℃，残余灰分转化成稳固化的熔浆，经过加压急冷器，喷水急冷，压力随熔融单元调整，液位保持不变，没有水汽返回熔融单元。冷却的熔渣由熔渣输送设备送出；高温气体经过固液分离装置进入碳转化单元，并为固液分离装置持续提供热量，保证畅通。

生物质灰渣经过等离子超高温处理后的完全稳固化、玻璃化的熔渣，冷却后的特性和石头接近，渗析率极低，高标准的满足了资源化利用的环境要求和技术要求。可作为有商业价值的产品，目前气化灰渣的资源化利用途径主要有：石油沥青路面的替代骨料，水泥/混凝土的替代骨料，填埋场覆盖材料，路堤路基等的填充材料等。

在聚自由基加速反应单元包括反应器本体、气体混合装置和聚自由基发生器，对热解气化产物.初级气化合成气进行深度处理。热解气化产物.初级气化合成气在聚自由基加速反应单元内接触到大量活性自由基存在的高温反应环境，反应器体积相对较小，反应温度大于1200℃，自由基浓度高，专门为焦油成分裂解的反应动力学参数设计，在较短时间内集中完成焦油的彻底裂解，并启动气化合成气的重整反应。聚自由基发生器包括不同类型的、能产生自由基的发生源，根据所处理物料的复杂性，有相应不同的组合，例如某种或多种自由基发生源，自由基发生源包括：高温等离子，水蒸汽、氢气等离子炬，低温等离子(辉光、电晕、高频)，氢氧燃烧器，微波等自由基发生源。通过聚自由基发生器的能量、氢气或者再循环的成品合成气输入量控制反应器出口温度。

聚自由基装置需要消耗一定的能量，但是，由于减少了空气输入量，气化产物-合成气的热值提高；聚自由基反应器维持高温需要牺牲少量的气化气热值，但是气相反应迅速，无需额外的复杂催化裂解系统，焦油裂解彻底，H₂的含量高；下游能源利用可带高效燃机、联合循环甚至燃料电池，不仅能够补偿能量消耗，还能达到更高的总体净发电效率。由于聚自由基发生器需要消耗一定的能量，可以优先考虑使用绿色能源产品，如太阳能、风能产生的电力或其分解水产生的氢气。

合成气在重整单元内完成重整反应，合成气重整单元包括反应器本体和气体混合装置。在合成气重整单元内，反应器体积相对较大，反应温度大于1000℃，专为合成气重整的反应动力学参数设计，气体停留时间较长，H₂和CO比例最终调节适当，最大化增加H₂的含量。出口有温度和气体成分控制装置，预热空气和再循环的成品合成气参与反应器出口温度和成分控制。高温合成气经余热回收换热器和净化处理系统，除尘、清除酸气和污染物后，成为成品合成气，进入下游应用。

余热回收换热器，可将合成气中的余热回收，传导至550～650℃的预热空气，上选600℃预热，送回碳转化单元、熔融单元、聚自由基加速反应单元、合成气重整单元和余热锅炉。

合成气净化系统可对合成气进行净化，或/和氢气分离并提纯，回收合成气中所含的有附加价值的产品。和焚烧使用过量空气相比，处理同样质量的物料，合成气体体积小的多，净化效率高。本合成气净化系统分离出可回收的纯净水，合成气净化系统分离出有附加值的酸、盐和硫等，合成气净化系统分离出无再生价值的产品，可送入熔融单元转化为稳固化熔渣排除。

净化后的合成气经吸风机和储气罐进入下游应用，包括：合成气燃烧类的能源利用系统，例如：燃机、燃气轮机或联合循环；合成气分离出的氢气的能源利用，例如，应用于氢燃料电池；合成气应用绿色液体燃料类能源生产，例如：生产生物质甲醇、生物质乙醇。部分合成气产品将再循环使用，也包括燃尽气再循环使用，目的是提高气化效率，进行气体组分和温度控制。

洁净的成品合成气进行燃烧或者其他能量利用后，排放的气体可以满足任何严格的环保标准，系统不需要烟囱，优良的环保效果和效益也进一步体现。

本实用新型的有益效果为：气化反应器连续运行设计，将气化各分步过程分为各个相互联系的独立反应单元，逐一精细控制并整合达到优化，最大化的提高生物质气化效率；运用聚自由基加速反应装置彻底裂解焦油，不损失在焦油中的能量，并提高合成气重整效率，提高氢气含量；通过净化系统和熔融系统解决污染物排放问题。反应器整体设计，无须辅助燃料，可实现快速启停。规模可大可小，500kW～20,000kW，不影响效率。应用领域十分广阔，可处理广泛的生物质、含碳原料，包括能源作物、农林副产品和废弃物、有机废物、工业和危险废物等；对湿度大，物料来源复杂，或者各类高危和难分解的废弃物，同样达到很高的处理效率；资源化利用程度高，全部是有价值的产品；分布式模块化结构项目实施周期短，方便在任何地方选址，易于大规模商业化普及。

附图说明

图1为多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统的原理图。

图1中，1.输送装置，2.上料机构，3.上料密封门，4.预处理装置，5.切碎装置，6.内部传送装置，7.蒸汽热源，8.预热低温空气，9.其他外部热源，10.除尘器，11.湿气吸风机，12.下料密封门，13.热解气化单元，14.热解气化单元出口密封装置，15.碳转化单元，16.固液分离装置，17.熔融单元，18.熔融单元的热源装置，19.高温热源，20.加压急冷器，21.熔渣输送设备，22.聚自由基发生器，23.聚自由基加速反应单元，24.高温等离子炬，25.氢氧燃烧器，26.低温等离子，27.合成气重整单元，28.余热回收换热器，29.送风机，30.余热锅炉，31.合成气净化系统，32.合成气净化系统分离出的可回收的纯净水，33.合成气净化系统分离出的有附加值的酸、盐和硫等，34.合成气净化系统分离出的无再生价值的产品，35.吸风机，36.储气罐，37.合成气燃烧类的能源利用系统，38.应用于燃料电池类能源利用的合成气分离出的氢气，39.绿色液体燃料类能源生产的合成气，40.再循环的成品合成气，41.燃尽气，42.预处理湿气中的灰分，43.气体净化系统分离或捕捉的飞灰，44.反应器积存排放的飞灰，45.预处理装置分拣的有回收价值的物料，46.预热空气，47.去熔融单元的预热空气，48.去碳转化单元上部的预热空气，49.去反应器的预热空气，50.从物料预处理装置的干燥工序导入的湿气，51.外部热源。

具体实施方案

以下实施例中将进一步说明本实用新型，但对本实用新型不构成限制。

实施例一：

多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统可将广泛的生物质、含碳原料，其中包括能源作物、农林副产品和废弃物、有机废物、工业和危险废物等，转化为高品位能源。

对于普通特性的固体物料，如薪柴、秸秆或者城市固体废弃物，正常工序将固体物料直接送入预处理装置4，经预处理装置4处理后进入热解气化单元13完成热裂解和气化，残碳在碳转化单元15完全气化，灰分进入熔融单元17完全熔化为熔浆，经过加压急冷器20，最后以稳固化的熔渣的形式排除。产生的气体经过熔融单元17、碳转化单元15、热解气化单元13、聚自由基加速反应单元23、合成气重整单元27生成气化合成气，经余热回收，气体净化，生成成品气化合成气，进入下游应用。

对于其他特性的物料，可以采用不同的处理过程，选择不同的入口。例如，处理废塑料，热值高、湿度低、酸性大，可以直接送入热解气化单元13；处理含碳高的干燥物料，如石化副产品、垃圾焚烧底灰，可直接送入碳转化单元15；处理危险废弃物，如POPs，Persistent Organic Pollutants，(持久性有机污染物，具有环境持久性、生物累积性、长距离迁移能力和高生物毒性的特殊污染物)，可直接送入熔融单元17；处理灰分很低的液体废弃物，如废机油，可直接送入聚自由基加速反应单元23。

实施例二：

本实施例来自一个5MW生物质气化发电系统，进料量～100吨/天，用空气为工作气体，将热值为13～16MJ/kg，湿度为35％～45％的物料来源成分复杂的生物质原料气化并净化，供给7台750kW的燃气发电机组。

物料将在全封闭设计的预处理装置4内，完成干燥工序，直到物料的湿度＜5％，送入热解气化单元13。干燥工序蒸发的湿气被吸出后，经过除尘器10除尘后，进入碳转化单元15底部。干燥过程使用的外部热源主要为在下游能量利用过程中产生的低温余热，包括：蒸汽热源7，150～180℃，间接加热物料；预热低温空气8，80～105℃，流量1300kg/h左右，直接加热物料，并输送空气作为载体送出干燥过程中产生的湿气，进入碳转化单元15底部。这部分低温余热难以有效利用，应用到这里不仅可以节约能量，而且可以提高气化效率和气化气品质。原因是：这些物料中的湿气在启动热解工序(＞200℃)前需要消耗多余的用于湿气蒸发的能量，需输入额外的空气参与反应，牺牲了一部分气化合成气热值，大约占物料总输入能量的8％；这些蒸发后的水汽在热解气化的产物气中的含量约30％，严重的降低了焦油裂解和合成气重整的效率；在碳转化单元，为防止避免高温结块、熔化或者粘结，需额外输入约600kg/h的水汽，输入更多的额外的空气参与反应，牺牲更多的合成气的热值。而在气化之前利用系统中已有的余热提前干燥物料，可以避免上述问题。更重要的是，聚自由基生物质气化技术的核心，彻底裂解焦油，需要提高反应能量等级，需要最小化的水汽，以获得最大化的聚自由基加速反应速率。

如果不导入湿气到碳转化单元15，残碳反应较快，释放大量热量，物料很容易软化或者熔化，难以进一步反应，碳转化效率低。碳转化单元15的还原性高温气体产物，用于热解气化单元13的无氧化热解，要求碳转化单元15在缺氧环境下进行，不能因为温度控制提高过氧系数。将预处理过程中吸出的湿气导入碳转化单元15，用以彻底分解湿气中的有害成分，中和碳转化反应强度，避免高温结块、熔化或者粘结，提高碳转化的效率和稳定性。不仅减少了输入额外约600kg/h的水汽，而且减少了输入额外约450kg/h的空气量，保证了最佳气化效率和合成气品质。碳转化单元15中心反应温度900～1100℃，反应时间较长，保证碳转化效率100％。在碳转化单元15顶部，有温度控制和氧量监测，在缺氧还原气氛下，干燥过程中导入的湿气在高温下和碳反应，主要气体成分为CO和H₂。在碳转化单元15底部，完成碳转化的灰分接触到从熔融单元17出口的1300～1600℃的高温气体后，灰分开始软化或熔化，经过固液分离装置16进入熔融单元17。

热解气化单元13，为移动床反应器，床层高度小于0.9m，热裂解并气化已经预处理过的并干燥过的物料，物料颗粒相对均匀，物料的湿度小于5％，热裂解反应迅速，反应时间小于15分钟。热解气化需要消耗能量，热量来自碳转化单元15的还原性高温气体产物，温度在600～1000℃。实现完全无氧热裂解气化，避免因有氧环境下危害的或者稳固结构的碳氢化合物的重新合成。热解气化单元13的出口的温度根据物料不同，控制在400～750℃，保证热解气产率、质量和稳定性。物料移动速度和外部热源51参与反应器出口温度控制。热解气化产物.初级气化合成气进入聚自由基加速反应单元23。热解气化产物.初级气化合成气中的湿气含量最小，低于＜5％v，热值高，平均＞20MJ/Nm³，初级气化气成分比较集中，便于聚自由基加速反应单元23对其进行集中高强度的深度处理。

在熔融单元17内，连续性地将灰分熔化成的稳固化的熔渣排走，灰分主要来自碳转化单元15，大约520kg/h，还包括预处理湿气中的灰分42，聚自由基加速反应单元23、合成气重整单元27和气体净化系统分离或捕捉的飞灰43，总量低于80kg/h。最终排出的熔渣约是进料体积的1/125。熔融单元17一般工作在微正压，这里使用高温等离子炬作高温热源，输入功率100～400kW，维持在1300～1600℃之间，在此高温下，残余灰分转化成稳固化的熔浆，经过加压急冷器20，喷水急冷，水量约为20吨/小时，循环使用。加压急冷器20的工作压力随熔融单元17调整，减少液位高度，液位保持不变。没有水汽返回熔融单元17。冷却的熔渣由熔渣输送设备21送出；高温气体经过固液分离装置16进入碳转化单元15，为微过氧状态，并为固液分离装置16持续提供热量，保证畅通。

在聚自由基加速反应单元23对热解气化产物.初级气化合成气进行深度处理。聚自由基发生器22这里使用高温等离子炬(100～800kW)和氢氧燃烧器(100～600kW)两种自由基发生源的组合，氢氧燃烧器的氢气主要来自本系统成品合成气分离出来的氢气。热解气化产物.初级气化合成气在聚自由基加速反应单元23内接触到预热空气和大量活性自由基存在的高温反应环境，迅速升温至＞1200℃反应温度。反应器专门为焦油成分裂解的反应动力学参数设计，体积相对较小，能量集中，自由基浓度高，反应迅速，在较短时间内集中完成焦油的彻底裂解，并启动气化合成气的重整反应。通过高温等离子炬的能量、再循环的成品合成气40输入量控制反应器出口温度，始终大于1100℃。

高温等离子炬需要消耗一定的能量，包括在聚自由基加速反应单元23和熔融单元17，总共运行功率约为700kW。但是，由于减少了空气输入量～600kg/h，气化产物-合成气的热值提高，从3.9MJ/Nm³提高到4.3MJ/Nm³；维持聚自由基反应器高温需要牺牲少量的气化气热值，但是气相反应迅速，H₂的含量高＞19％，CO＞17％，CH4＜800ppm，无需额外的复杂催化裂解系统，焦油裂解彻底，测试＜25mg/Nm³，经净化系统后可降至＜9mg/Nm³；可适用于任何高效能的下游能源利用，例如，可带高效内燃机(发电效率＞38％)、联合循环(发电效率＞50％)甚至燃料电池(发电效率＞65％)，都远高于常规气化发电燃烧带动锅炉.汽轮机发电方式(发电效率约20％)，不仅能够补偿能量消耗，还能达到更高的总体净发电效率。联合循环净发电效率为30％，高于使用常规气化技术的同等规模机组的净发电效率20％以上。

从合成气重整反应单元23出口的高温合成气，～10,000Nm³/h，温度大于1000℃，经过余热回收换热器28回收余热，冷却到约200℃，进入合成气净化系统31。合成气净化系统31约分离出的可回收的纯净水1000kg/h，同时分离出的有附加值的盐23kg/h和硫4.55kg/h等，生产出成品气化合成气～9,000kg/h。气化合成气带动燃气发电机组发电后，燃尽气体排放HCl＜2mg/Nm³，SO2＜4mg/Nm³，Hg＜0.5ug/Nm³，欧盟气体排放标准，以上三项的限值为10mg/Nm³、50mg/Nm³和50ug/Nm³。优良的环保效果也随着高效的气化技术体现出来。

实施例三：

本实用新型配备高级气化控制系统，对气化各分步过程，各个互相联系的独立反应单元：预处理、热解、碳转化、灰熔融、聚自由基加速反应、合成气重整、余热利用，逐一精细控制并整合达到优化。针对生物质物料特性的复杂性，控制系统能够根据物料特性和实际工况自动优化运行参数。同时运行的还包括气化过程模拟器，拥有庞大的数以万计的各种类型的原料和相关的化学反应数据库。此模拟器的独特性能、预测功能与控制系统配合使用，可以实现更高级、更精细、更全面的控制。

主要气化过程控制点依次包括：预处理装置4出口气体的温度和湿度控制；热解气化单元13的出口的温度控制；碳转化单元15出口温度、气体成分和底部温度、氧量控制；熔融单元17运行温度控制；聚自由基加速反应单元23反应温度控制和合成气重整单元27反应温度、出口气体成分控制。

主要气化过程控制步骤互相关联成一个优化的整体，包括：通过预处理控制物料干度，并将湿气导入碳转化单元15控制碳转化效率、速率和温度，通过物料干度、碳转化气体温度和热解气化单元13出口温度控制热解初级气化气品质，通过聚自由基加速反应单元23和合成气重整单元27出口温度控制来获得优化的气体产率和成分等。

这些控制和其他相关控制，如压力、物料位置、风量、电量、液位以及高级计算机控制系统相结合，完成整合达到优化，最大化的提高整体生物质气化效率和资源化利用率。

Claims (9)

1.一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其包括各个互相联系的预处理装置(4)、热解气化单元(13)、碳转化单元(15)、熔融单元(17)、合成气重整单元(27)，其特征在于：预处理装置(4)与无氧的热解气化单元(13)相互独立，系统还包括聚自由基加速反应单元(23)，其位置位于热解气化单元(13)之后，合成气重整单元(27)之前。

2.如权利要求1所述的一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其特征在于：预处理装置(4)全封闭，上部设置物料输送装置(1)，上料机构(2)，预处理装置上料密封门(3)，预处理装置(4)内部主要包括切碎装置(5)，内部传送装置(6)，外部有蒸汽热源(7)通道、预热低温空气(8)通道、以及其他外部热源(9)通道，下料密封门(12)连通热解气化单元(13)，预处理装置(4)还设置有湿气(50)经除尘器(10)除尘后被导入碳转化单元(15)底部的气体通道。

3.如权利要求1所述的一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其特征在于：热解气化单元(13)通过热解气化单元出口密封装置(14)与碳转化单元(15)连通，与碳转化单元(15)连接一进入预热空气(46)的气体通道，碳转化单元(15)底部设置固液分离装置(16)，与熔融单元(17)相连。

4.如权利要求1所述的一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其特征在于：熔融单元(17)与聚自由基加速反应单元(23)有气体通道连接，也与合成气重整单元(27)和气体净化系统连接，熔融单元(17)上设置有熔融单元的热源装置(18)，接受高温热源(19)加热，熔融单元(17)底部设置有加压急冷器(20)和熔渣输送设备(21)。

5.如权利要求1所述的一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其特征在于：聚自由基加速反应单元(23)包括反应器本体、气体混合装置和聚自由基发生器(22)，聚自由基发生器(22)包括不同类型的能产生自由基的发生源。

6.如权利要求1所述的一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其特征在于：合成气重整单元(27)包括反应器本体和气体混合装置，其后连接余热回收换热器(28)和合成气净化系统(31)。

7.如权利要求6所述的一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其特征在于：余热回收换热器(28)与碳转化单元(15)、熔融单元(17)、聚自由基加速反应单元(23)、合成气重整单元(27)和余热锅炉(30)连接有气体通道。

8.如权利要求6所述的一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其特征在于：合成气净化系统(31)与吸风机(35)和储气罐(36)相连。

9.如权利要求8所述的一种多级控制聚自由基生物质气化再生能源系统，其特征在于：储气罐(36)设置有气体通道分别与聚自由基加速反应单元(23)、合成气重整单元(27)相连。

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