CN201770675U - 生物质双炉连体裂解气化设备 - Google Patents

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Abstract

一种生物质双炉连体裂解气化设备，主要包括从下到上内腔连通布置的裂解炉和气化炉，循环布置的颗粒加热器、等离子炬加热器、抽风机和第一热交换器，制作饱和水蒸汽的储水箱、输水泵和第二热交换器，以及除尘器、除酸塔和干燥器。其利用高热容量固态颗粒作为能量载体、利用饱和水蒸汽作为氧化剂，先对生物质进行低温裂解，获得不含碱金属氧化物的粗合成气和焦炭；再对粗合成气和焦炭进行高温气化，获得不含焦油成份的初合成气，最后对初合成气进行冷却、除尘、脱酸和干燥处理，即可获得高品质的净合成气。该设备易于控制，能耗和投资低廉，冷煤气效率高，所产生合成气热值大，能根除焦油和碱金属化合物，可大型化连续生产。

Description

生物质双炉连体裂解气化设备
技术领域
本实用新型涉及将可燃物料转变成清洁高效合成气的技术，具体地指一种生物质双炉裂解气化设备。
背景技术
可燃物料气化技术在二十世纪末得到了快速发展，特别是对燃煤进行气化的技术已经相当成熟，科研人员已成功地开发出了对煤种适用性广、气化效率高、产生污染少的煤气化工艺和设备。而对树枝、秸秆、稻草或其他农林废弃物等生物质进行气化的技术则是本世纪出现的一种综合利用能源的新技术，已有的生物质气化技术主要包括固定床气化、流化床气化、两段式制气等工艺和设备，这些都属于直接气化工艺和设备。直接气化工艺和设备最主要的特点是利用部分生物质燃烧放出的热量为气化反应提供能源，气化反应所采用的氧化剂一般是空气、富氧空气、或富氧空气与水蒸汽的组合中的一种。近期的研究和实验表明：上述生物质直接气化工艺和设备存在如下几方面的缺陷：
一、生物质燃料的成份和热值极不稳定、着火点低、着火反应快，容易发生爆燃现象，在气化炉局部区域形成超温结焦结垢，气化炉的运行温度极难控制。
二、当以空气作为氧化剂时，由于空气中存在大量不发生反应的N2成份，会导致合成气中的N2含量偏高、有效气体(CO+H2)含量偏低、H2/CO比例下降，合成气的热值偏低且不稳定，一般只能维持在5000KJ/Nm3以下，难以满足后续的工业利用。
三、当以富氧空气作为氧化剂时，虽然可以减少合成气中的N2含量，但需要附设体积庞大且能耗极高的空气分离装置，这样将大幅增加整个气化工艺和设备的成本。
四、当以富氧空气与水蒸汽的组合作为氧化剂时，虽然可以减少合成气中的N2含量、增加合成气中的H2含量，但水蒸汽作为反应介质仍需要消耗大量的热能，与分离空气的能耗累积，同样会大幅增加整个气化工艺和设备的投资。
五、需要自燃约15～20％的生物质来提供气化反应的能量，而燃烧产生大量的CO2，从而降低合成气中有效气体(CO+H2)的含量。并且，高温合成气连同混杂于其中的空气将带走大量的显热，这样热能转化成化学能的比例将大幅下降，导致整个气化工艺的冷煤气效率较低，一般情况在70％以下，最好状况也不会超过80％。
六、气化炉的运行温度大多设计为800～1200℃，而在该温度区域进行气化反应的生物质燃料将产生大量难以清除的焦油，过多的焦油在设备和管道中累积和粘结，可造成管道堵塞和设备污染。
七、生物质燃料气化反应所产生的灰份中含有大量的K、Na等碱金属氧化物，一般占灰份重量的20～40％，而这些碱金属氧化物在温度高于800℃时会气化混杂于所产生的合成气中，不仅影响合成气的品质，而且与焦油一起粘附在设备和管道中，对设备和管道腐蚀严重。
鉴于上述生物质直接气化工艺和设备所存在的若干致命缺陷，目前还难以将其应用于实际生产中。如何使生物质燃料的气化从研究试验阶段转化为实际商业利用，是本领域科研人员一直在努力攻克的难题。
发明内容
本实用新型的目的就是要提供一种工艺易于控制、能耗和投资低廉、冷煤气效率高、所产生合成气热值大、能根除焦油和碱金属化合物、且能满足大型化连续生产要求的生物质双炉连体裂解气化设备。
为实现上述目的，本实用新型所设计的生物质双炉连体裂解气化设备，主要由从下到上内腔连通布置的裂解炉和气化炉，循环布置的颗粒加热器、等离子炬加热器、抽风机和第一热交换器，以及储水箱、输水泵和第二热交换器等部件组合而成。其中：
所述储水箱通过输水泵同时与第一、二热交换器的给水输入端相连，所述第一、二热交换器的蒸汽输出端同时与裂解炉和气化炉的水蒸汽喷嘴相连；所述第一热交换器的循环空气输出端通过抽风机与等离子炬加热器的低温进气口相连，所述等离子炬加热器的高温出气口与颗粒加热器的高温空气进口相连，所述颗粒加热器的低温空气出口与第一热交换器的循环空气输入端相连。
所述颗粒加热器的出料口与气化炉的热载体进口相连，所述气化炉的出气口与第二热交换器的高温气体输入端相连，所述第二热交换器的低温气体输出端依次与除尘器、除酸塔和干燥器串联；所述裂解炉的排渣口与颗粒分离器的进料口相连，所述颗粒分离器的灰渣出口与冷渣器的进渣口相连，所述冷渣器的出渣口与灰炭分离器的进料口相连。
由于等离子炬加热器具有可超高温加热、传热传质快、热效率高、热功率可调等特点，可在瞬间将循环空气加热到1800～2000℃的高温，再用高温循环空气加热作为能量载体的固态颗粒时，能够高效、连续、稳定地输出符合工艺要求温度或热值的固态颗粒，这样可确保裂解炉和气化炉始终维持稳定可靠的运行温度，使其中的生物质燃料与作为氧化剂的饱和水蒸汽快速充分反应。而第一、二热交换器的设置可以有效回收循环空气和初合成气所携带的大量显热，这些显热可将储水箱中的水加热成饱和水蒸汽，达到降低设备能耗、实现热能综合利用的效果。
进一步地，所述裂解炉的进料口处和气化炉的热载体进口处连接有氮气保护装置。在从裂解炉的进料口投放生物质燃料和从气化炉的热载体进口输入固态颗粒时，也向该进料口和热载体进口输送氮气，所形成的氮气密封层既可防止裂解炉和气化炉内的合成气外泄，又可阻止外界空气进入，从而杜绝火灾和爆炸的危险，并确保合成气的品质。
进一步地，裂解炉的水蒸汽喷嘴和气化炉的水蒸汽喷嘴沿各自炉体的高度方向布置有2～4层，每层沿圆周方向均匀切向分布。这样，饱和水蒸汽分多层喷入，能够始终维持裂解炉和气化炉内沿高度方向的温度场稳定、均匀，确保饱和水蒸汽与反应物充分接触。
再进一步地，所述裂解炉和气化炉的内腔连通结合处呈瓶颈状，且该结合处设置有至少一层网筛。通过逐渐缩小内腔连通结合处的横截面积和布置网筛，可以有效控制高温固态颗粒的下落速度，使其在气化炉中充分释放热量后再落入裂解炉中，从而维持气化炉和裂解炉内的温度稳定。同时，受网筛阻隔固态颗粒在此会形成流动过滤层，有利于滤除向上流动的粗合成气中的粉尘。
更进一步地，所述灰炭分离器的焦炭出口通过焦炭输送机与气化炉的进炭口相连。所述颗粒分离器的颗粒出口通过颗粒输送机与颗粒加热器的进料口相连。例如可以用螺旋送料装置直接将焦炭输送至气化炉、可以用气力输送管携带固态颗粒输送至颗粒加热器，这样可以减少中间人工输送环节，提高整个设备运行的协调性、连续性和稳定性。
本实用新型在仔细研究和分析生物质中水份、灰份、挥发份和灰熔点等固有特性的基础上，结合裂解炉和气化炉的运行特点，摒弃传统氧化剂空气或富氧空气，转而以高热容量的固态颗粒作为能量载体、以饱和水蒸汽作为氧化剂，在不同的温度条件下分级对生物质燃料进行低温裂解和高温气化，其优点主要体现在如下几方面：
其一，采用固态颗粒间接加热生物质燃料，使其在不同的温度区域与饱和水蒸汽发生裂解和气化反应，不仅其能量载体与氧化剂各自独立、对燃料的适应性好、操作运行和调节方便，而且不需要空气或富氧空气作为氧化剂，工艺中省略了高能耗的空气分离装置，大幅降低了整个工艺的能耗及设备总投资。
其二，裂解和气化两级工艺中均无生物质燃料的燃烧反应，有效解决了传统气化过程中炉内燃料爆燃而产生局部结焦的难题，各级工艺非常易于掌控。且因为无需空气或富氧空气参入反应，所得合成气中H2/CO的比例高，有效气体(CO+H2)的含量高，可达到85％以上，从而可大幅提高合成气的热值，拓宽合成气的用途。
其三，生物质反应装置由从下到上内腔连通布置的裂解炉和气化炉组成，其结构简单紧凑。生物质首先被低温裂解成粗合成气和焦炭，粗合成气直接上升到气化炉中，与输送进来的焦炭一起被高温气化。由于温度设定的针对性极强，粗合成气中不含碱金属化合物，其中的焦油和焦炭可全部转化为初合成气，碳转化率高，有效克服了合成气携带杂质对设备、管道沾污和腐蚀的难题，且可使合成气的后续净化流程更加简单可靠。
其四，通过等离子炬加热器加热循环空气，再利用循环空气加热固态颗粒，由高温固态颗粒提供裂解和气化所需要的全部能量，生物质燃料的热能可全部转化为合成气的化学能，两级工艺转化的冷煤气效率可比传统气化工艺提高8％左右，达到87％以上。
其五，等离子炬加热器的热效率高、输入功率可调，当生物质燃料的成份发生变化时，通过调整等离子炬加热器的功率，即可方便地调节固态颗粒的温度高低，从而维持裂解炉和气化炉内的运行温度稳定，确保初合成气的产量和品质。
本实用新型的设备能够有效气化各种生物质燃料，适合于生物质气化联合循环发电和制取生物质液体燃料等工业应用。
附图说明
附图为本实用新型的生物质双炉连体裂解气化设备的连接结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的设备作进一步的详细描述：
图中所示的生物质双炉连体裂解气化设备，主要包括：皮带传送机1、中间料斗2和螺旋给料机5，用于生物质燃料的输送；从下到上内腔连通布置的裂解炉6和气化炉4，作为生物质燃料的反应场所；循环布置的颗粒加热器10、等离子炬加热器11、抽风机12和第一热交换器13，用于连续加热固态颗粒和产生饱和水蒸汽；储水箱16、输水泵15和第二热交换器14，用于冷却初合成气和生产饱和水蒸汽；以及除尘器17、除酸塔18和干燥器19，用于合成气后续净化处理。
皮带传送机1的输出端置于中间料斗2的上方进口处，中间料斗2的下方出口与螺旋给料机5的原料进口相连，螺旋给料机5的原料出口与裂解炉6的进料口相连。
裂解炉6和气化炉4自下而上呈内腔连通结构形式，裂解炉6和气化炉4的内腔连通结合处设计呈瓶颈状，该结合处既是裂解炉6的出气口也是气化炉4的进气口。在该结合处安装有一层网筛21，用以减缓和控制固态颗粒的下落速度。裂解炉6和气化炉4的外壁采用空气或水冷夹套式常压绝热壳体结构，具有良好的高温绝热性能。
裂解炉6的进料口布置在其上部侧壁，按照容量大小可设置二至四个，以确保生物质燃料能够均匀投入，维持炉内烟气流场的相对稳定。裂解炉6的排渣口采用固态排渣形式，布置在其底部，按照容量大小可设置一至二个，这些排渣口与颗粒分离器7的进料口相连，用以将固态颗粒分离出来。颗粒分离器7的灰渣出口则与冷渣器8的进渣口相连，用以冷却含焦炭灰渣。冷渣器8的出渣口再与灰炭分离器9的进料口相连，用于分离焦炭。
作为优选方案，颗粒分离器7的颗粒出口通过颗粒输送机24与颗粒加热器10的进料口相连；灰炭分离器9的焦炭出口直接通过焦炭输送机22与气化炉4的进炭口相连。这样可以减少低效率的人工送料操作，满足气化炉4连续稳定运行的需要。
气化炉4的进炭口设置在其上部或顶部，按照容量大小可以布置一至二个，以确保焦炭原料能够均匀投入，维持炉内烟气流场的相对稳定。气化炉4的出气口设置在其上部，通过管道与第二热交换器14的高温气体输入端相连，第二热交换器14的低温气体输出端则依次与除尘器17、除酸塔18和干燥器19串联，干燥器19的输出端与储气柜20相连。
作为优选方案，在裂解炉6的进料口处和气化炉4的热载体进口处均连接有氮气保护装置3，所形成的氮气密封层可有效阻隔合成气和空气。
喷入裂解炉6和气化炉4中的饱和水蒸汽是由储水箱16中的软水或除盐水在第一、二热交换器13、14中与循环空气和初合成气换热后转变而成的。储水箱16通过输水泵15同时与第一、二热交换器13、14的给水输入端相连，第一、二热交换器13、14的蒸汽输出端则同时与裂解炉6和气化炉4的水蒸汽喷嘴相连。作为较佳的结构，裂解炉6的水蒸汽喷嘴和气化炉4的水蒸汽喷嘴沿各自炉体的高度方向布置有2～4层，每层沿圆周方向均匀切向分布。这样，喷入炉体内的饱和水蒸汽流场均匀、稳定，且不留死角，可确保其与物料充分接触和混合。
对固态颗粒的升温是通过等离子炬加热器11加热循环空气间接实现的。第一热交换器13的循环空气输出端通过抽风机12与等离子炬加热器11的低温进气口相连，等离子炬加热器11的高温出气口与颗粒加热器10的高温空气进口相连，颗粒加热器10的低温空气出口与第一热交换器13的循环空气输入端相连。颗粒加热器10的出料口则与气化炉4的热载体进口相连，为生物质燃料提供稳定的热量来源。
本设备还附设有灰渣库23，可通过人工或机械的方式将灰炭分离器9所分离出的灰渣送至灰渣库23储存。
上述生物质双炉连体裂解气化设备在运行时的基本工艺过程概括如下：
A)开启抽风机12和等离子炬加热器11，逐步将循环空气加热到1800～2000℃，该循环空气在颗粒加热器10内与固态颗粒进行热交换，将固态颗粒升温至1400～1800℃。换热后的循环空气温度降至500～650℃，进入第一换热器13余热利用。而高温固态颗粒则从气化炉4的热载体进口输入，在自重作用下依次经过气化炉4和裂解炉6。调节该高温固态颗粒的温度和流量，直至维持气化炉4的运行温度为1200～1400℃、裂解炉6的运行温度为500～650℃。
B)将破碎好的生物质燃料经由皮带传送机1、中间料斗2和螺旋给料机5输送到裂解炉6内，同时通过氮气保护装置3向裂解炉6的进料口处和气化炉4的热载体进口处输入氮气。对于灰秸秆类(树枝、树根)生物质燃料而言，控制其粒径在50mm×50mm以下、含水量小于40％。对于黄秸秆类(稻草、麦秆、茅草、玉米秆等)生物质燃料而言，其粒径要求可适当放宽。
C)储水箱16中的除盐水由输水泵15同时送入第一、二热交换器13、14的给水输入端。在第一热交换器13中，除盐水吸收500～650℃循环空气的余热，将循环空气的温度降低至200℃以下后，再送回等离子炬加热器11，同时获得0.4～0.6Mpa的饱和水蒸汽。在第二交换器14中，除盐水吸收1200～1400℃初合成气的显热，将初合成气冷却至260～320℃，同时生产0.4～0.6Mpa的饱和水蒸汽。上述饱和水蒸汽由第一、二热交换器13、14的蒸汽输出端引导至裂解炉6和气化炉4的水蒸汽喷嘴。
D)饱和水蒸汽以35～50m/s的喷射速度进入裂解炉6，维持裂解炉6内的运行温度为500～650℃、运行压力为105～109Kpa，使生物质燃料与饱和水蒸汽充分接触，裂解生成粗合成气和含焦炭灰渣，且控制粗合成气在裂解炉6内的停留时间为15～20s、粗合成气的引出速度为15～20m/s。
E)裂解炉6所产生的温度为500～650℃的含焦炭灰渣连同混杂于其中的固态颗粒从裂解炉6的排渣口进入颗粒分离器7，将含焦炭灰渣和固态颗粒分离开来。所分离出的固态颗粒通过颗粒输送机24送回颗粒加热器10继续循环使用。所分离的含焦炭灰渣则送入冷渣器8，经热能回收降温到150℃以下，再通过灰炭分离器9将其中的焦炭也分离出来。所分离出的焦炭通过焦炭输送机22输送到气化炉9内，所分离出的灰渣则通过人工或机械装置送入灰渣库23。
F)裂解炉6所产生的温度为500～650℃的粗合成气从其内腔颈部穿越网筛21，自然上升到气化炉4中。与此同时饱和水蒸汽以35～50m/s的喷射速度进入气化炉4，保持气化炉4内的运行温度为1200～1400℃、运行压力为105～109Kpa，使粗合成气和焦炭与饱和水蒸汽充分接触，气化生成初合成气，且控制初合成气在气化炉4内的停留时间为15～20s、初合成气的引出速度为15～20m/s。
G)气化炉4所产生的温度为1200～1400℃的初合成气通过管道进入第二热交换器14的高温气体输入端，被除盐水冷却降温至260～320℃后，从第二热交换器14的低温气体输出端进入除尘器17，初合成气中携带的粉尘被除尘器17捕获，除尘器17出口处初合成气的含尘浓度小于50mg/Nm3。
H)经过除尘处理的初合成气进入除酸塔18，在除酸塔18中除去初合成气中的H2S、COS、HCL、NH3、HCN等有害气体。
I)经过除酸处理的初合成气再进入干燥器19，除去其中的水份，即可获得净合成气，净合成气通过管道输送至储气柜20中保存，供下游的工业应用。
经试验检测，本实用新型所制取的净合成气的主要成份及特性如表1所示。由表1可见，本实用新型所制取净合成气的CO+H2含量最高可达90％，H2/CO的比值大于或等于1，合成气的热值(LHV)为12.5～13.4MJ/Nm3，冷煤气效率在87％左右，具有良好的商业前景，非常适于生物质气化联合循环发电和制取生物质液体燃料等工业应用。
表1：
  项目   名称  单位   数值
  1  CO  ％(vol)   30～40
  2  H2  ％(vol)   40～50
  3  N2+Ar  ％(vol)   ＜1.0
  4  CO2  ％(vol)   15～20
  5  CH2  ％(vol)   5～6
  6  CnHm  ％(vol)   ＜2
  7  合成气热值(LHV)   MJ/Nm3   12.5～13.4
  8   冷煤气效率   ％   ～87.0

Claims (7)

1.一种生物质双炉连体裂解气化设备，包括从下到上内腔连通布置的裂解炉(6)和气化炉(4)，循环布置的颗粒加热器(10)、等离子炬加热器(11)、抽风机(12)和第一热交换器(13)，以及储水箱(16)、输水泵(15)和第二热交换器(14)，其特征在于：
所述储水箱(16)通过输水泵(15)同时与第一、二热交换器(13、14)的给水输入端相连，所述第一、二热交换器(13、14)的蒸汽输出端同时与裂解炉(6)和气化炉(4)的水蒸汽喷嘴相连；
所述第一热交换器(13)的循环空气输出端通过抽风机(12)与等离子炬加热器(11)的低温进气口相连，所述等离子炬加热器(11)的高温出气口与颗粒加热器(10)的高温空气进口相连，所述颗粒加热器(10)的低温空气出口与第一热交换器(13)的循环空气输入端相连；
所述颗粒加热器(10)的出料口与气化炉(4)的热载体进口相连，所述气化炉(4)的出气口与第二热交换器(14)的高温气体输入端相连，所述第二热交换器(14)的低温气体输出端依次与除尘器(17)、除酸塔(18)和干燥器(19)串联；
所述裂解炉(6)的排渣口与颗粒分离器(7)的进料口相连，所述颗粒分离器(7)的灰渣出口与冷渣器(8)的进渣口相连，所述冷渣器(8)的出渣口与灰炭分离器(9)的进料口相连。
2.根据权利要求1所述的生物质双炉连体裂解气化设备，其特征在于：所述裂解炉(6)的进料口处和气化炉(4)的热载体进口处连接有氮气保护装置(3)。
3.根据权利要求1或2所述的生物质双炉连体裂解气化设备，其特征在于：所述裂解炉(6)的水蒸汽喷嘴和气化炉(4)的水蒸汽喷嘴沿各自炉体的高度方向布置有2～4层，每层沿圆周方向均匀切向分布。
4.根据权利要求1或2所述的生物质双炉连体裂解气化设备，其特征在于：所述裂解炉(6)和气化炉(4)的内腔连通结合处呈瓶颈状，且该结合处设置有至少一层网筛(21)。
5.根据权利要求3所述的生物质双炉连体裂解气化设备，其特征在于：所述裂解炉(6)和气化炉(4)的内腔连通结合处呈瓶颈状，且该结合处设置有至少一层网筛(21)。
6.根据权利要求1或2所述的生物质双炉连体裂解气化设备，其特征在于：所述灰炭分离器(9)的焦炭出口通过焦炭输送机(22)与气化炉(4)的进炭口相连。
7.根据权利要求1或2所述的生物质双炉连体裂解气化设备，其特征在于：所述颗粒分离器(7)的颗粒出口通过颗粒输送机(24)与颗粒加热器(10)的进料口相连。
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