CN212404037U - 一种生物质与煤共气化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生物质与煤共气化系统，属于碳基固体燃料能源利用领域。针对现有中生物质与煤共同气化时能源无法有效利用的问题，本实用新型提供一种生物质与煤共气化系统，包括原煤给料装置和生物质给料装置，两个给料装置均与给料管连接，给料管与流化床气化炉连接，流化床气化炉与除尘装置连接，流化床气化炉与除尘装置之间还设置有余热回收装置，余热回收装置与蒸汽发电装置连接，蒸汽发电装置为流化床气化炉内进行的气化反应提供蒸汽。本实用新型通过余热回收装置对高温气化煤气进行显热回收，回收生成的过热蒸汽用于蒸汽发电装置发电，蒸汽发电装置为气化反应提供蒸汽，显著提高能源利用率；利用该系统的气化方法操作简便，安全性高。

Description

一种生物质与煤共气化系统

技术领域

本实用新型属于碳基固体燃料能源利用技术领域，更具体地说，涉及一种生物质与煤共气化系统。

背景技术

国家能源局发布的《生物质能发展“十三五”规划》显示我国每年可利用的生物质资源总量为8.20亿吨，约合4.6亿吨标准煤，目前已利用量约3500万吨标准煤，还有约4.25亿吨可作为能源利用，利用率不足10％。预计到2030年，我国生物质资源科达7.2亿吨标准煤。同时，我国作为农业大国，每年都会产生大量的植物秸秆。我国当前对于水稻秸秆、玉米秸秆等生物质的利用主要是采取直接焚烧或者破碎回埋等方式。这样的利用方式，不仅极大地浪费资源，而且生物质的焚烧产生的烟雾还会引发严重的环境和交通问题。因此，如果能发展以生物质为原料的能源和化学化工产业，相当于每年产生数亿吨标准煤的石化原料，将有效缓解石化能源原料供应紧张的压力。不仅能提高我国的能源安全，还可以有效减少因焚烧造成的污染物和与温室气体的排放。

气化技术是一种碳基固体燃料高效利用的有效形式，主要是将碳基固体燃料在二氧化碳、水蒸气、空气或其他气氛下加热至高温，相互间发生一系列复杂的化学反应，生成CH4、CO、H2等重要的可燃气或化工原料气。而生物质气化技术作为生物质能重要利用方式之一，其将低品质的生物质能转换成高品质的可燃气，使生物质能广泛利用到工业生产的各个领域。然而，现存的生物质单独气化技术存在着：生物质供给随季节变化容易出现稳定性差、颗粒不规则、能量密度低、气化过程焦油产率大等方面的问题。

针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号CN201210288164.X，公开日为2012年11月21日，该专利公开了一种生物质与煤流化床共气化方法，是将生物质与煤粉碎混合为生物质煤混料，并加入流化床气化外筒中，在气化剂作用下进行气化，气化反应产生的气体通过旋风分离器排出；同时将生物质煤混料加入燃烧内筒，气化外筒未气化的煤焦与进入的压缩空气进行燃烧反应，后沿气化内筒上升，煤焦随燃烧气流进入惯性分离器进行循环气化，高温烟气与生物质煤混料逆流换热，由旋风分离器排出，灰渣由底部排出。该专利的不足之处在于：生物质与煤共气化产生的热量无法进行及时有效的回收，能源的利用率不高，并且共气化步骤繁琐，生产效率低。

又如中国专利申请号CN201811277634.6，公开日为2019年1月18日，该专利公开了一种煤与生物质混合制气系统及其制气方法，属于燃气制造领域。本实用新型的制气系统包括具有上部热解区和下部煤气化反应区的生物质反应炉，热解区内布置有热解反应管，热解反应管的进料端接生物质料仓，出气端通过管道将热解气排出并与煤气混合。该专利的不足之处在于：生物质与煤分别制气的情况下同时进行虽然能有效提高制气效率且易于收渣，但是生物质单独气化时大量焦油产物的产生，生物质气化产生的热解气后续处理较为繁琐。

实用新型内容

1、要解决的问题

针对现有技术中生物质与煤共同气化时能源无法有效利用的问题，本实用新型提供一种生物质与煤共气化系统。本实用新型所述的生物质与煤共气化系统通过余热回收装置对高温气化煤气进行显热回收生成过热蒸汽，过热蒸汽用于蒸汽发电装置发电，同时蒸汽发电装置为气化反应提供蒸汽，显著提高能源利用率；同时利用该系统的气化方法操作简便，安全性能高。

2、技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种生物质与煤共气化系统，包括原煤给料装置和生物质给料装置，两个给料装置均与给料管连接，给料管与流化床气化炉连接，流化床气化炉与除尘装置连接，流化床气化炉与除尘装置之间还设置有余热回收装置，余热回收装置与蒸汽发电装置连接。余热回收装置中生成的蒸汽用于蒸汽发电装置发电，且蒸汽发电装置为流化床气化炉内进行的气化反应提供蒸汽。系统内产生能量能够得到及时有效的回收并且加以利用，显著提高能源利用率；整个系统结构简单，生产成本低。

更进一步的，所述余热回收装置包括依次连接的高温预热器、过热器、余热回收器和汽包，汽包与除氧器连接，除氧器用于对脱盐水进行除氧，高温预热器与流化床气化炉连接，过热器和除氧器均分别蒸汽发电装置连接。通过逐级对产生的气化煤气进行热量回收利用，实现气化煤气热量利用的最大化。

更进一步的，余热回收装置还包括省煤器，余热回收器、汽包和除氧器分别与省煤器连接。提高汽包的使用寿命。

更进一步的，流化床气化炉包括上部稀相区和下部密相区，上部稀相区内设置有二次气化剂喷射装置，二次气化剂喷射装置与蒸汽发电装置连接；给料管与下部密相区连接。提高煤的气化效率和气化煤气的质量。

更进一步的，流化床气化炉与余热回收装置之间设置有旋风分离器。旋风分离器对气化煤气实现气固分离，为余热回收装置提供较为洁净的气化煤气。

更进一步的，所述给料管的中心线与竖直方向的夹角为60°～75°。便于混合料能够及时进入到流化床气化炉内，避免给料管内发生物料堵塞。

更进一步的，生物质给料装置包括生物质仓，生物质仓与生物质输送管连接，生物质输送管与给料管连接，且生物质输送管内设置有压缩空气。压缩空气的设置能够避免气化煤气倒流进生物质给料装置或原煤给料装置中去，保证操作的安全性。

更进一步的，流化床气化炉还与出渣装置连接，所述出渣装置包括与流化床气化炉底部出口连接的下渣管，下渣管与出渣机连接。及时对流化床气化炉内的渣料进行排除，保证气化反应的顺利进行。

3、有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型将生物质与煤炭混合后同时进入流化床气化炉内，生物质反应性强，其快速与氧气反应释放大量热量，加快煤炭预热时间，等效增加煤炭气化反应时间，提高了煤炭气化转化率；同时，生物质燃烧和热解反应生成的飞灰富含K、Ca等促进煤炭气化反应的金属物质，此类金属物质作为一种天然催化剂，其有效地降低了流化床气化炉内的反应温度，提高了气化的冷煤气效率；同时余热回收装置对高温气化煤气进行显热回收，回收生成的过热蒸汽用于蒸汽发电装置发电，显著的提高了能源利用率，且蒸汽发电装置排出的蒸汽为气化反应提供气化剂，整个系统的能源得到循环使用，极大降低生产成本；

(2)本实用新型在流化床气化炉内生成的气化煤气利用其自身高温将高温预热器中的一次气化剂预热到指定温度，便于一次气化剂进入到流化床气化炉内参与气化反应，无需借助外力对一次气化剂进行预热；且高温的气化煤气依次进入到过热器、余热回收器中与从除氧器中的除氧脱盐水换热生产出过热蒸汽，过热蒸汽进入到蒸汽发电装置中进行发电，整个余热回收装置能够有效收集气化煤气的热量，逐级对气化煤气热量进行回收利用，进一步提高能源利用率；

(3)本实用新型在余热回收装置中还设有省煤器，省煤器的设置一方面将除氧器中的除氧脱盐水进入到汽包之前进行一个加热作用，减少除氧脱盐水在受热面的吸热，可以用省煤器来代替部分造价较高的蒸发受热面；另一方面脱盐水温度提高进入汽包就会减小汽包的壁温差，热应力相应减小，延长汽包的使用寿命；并且省煤器是利用气化煤气自身的热量对除氧脱盐水进行预热，实现气化煤气余热利用最大化；

(4)本实用新型中的煤和生物质在流化床气化炉下部密相区进行反应，生物质与煤共气化反应温度高达800℃-950℃，避免生物质单独气化时的大量焦油产物的产生；且生物质中S元素含量较低，气化气中H₂S含量低，气化气后续处理工艺简单、环保；在上部稀相区设置二次气化剂喷射装置，二次气化剂喷射装置中的二次气化剂能够激冷气化煤气以降低后续余热回收装置的热负荷，同时降低设备材质的成本投入，提供设备的使用寿命；且二次气化剂的加入，流化床气化炉内气化温度适当提高，增加流化床气化炉的煤种适应性；

(5)本实用新型在流化床气化炉与余热回收装置之间设有旋风分离器，在流化床气化炉内生成的气化煤气经旋风分离器实现固体颗粒和气体的分离，保证气化煤气的纯净度；且旋风分离器底部固体颗粒的出口与流化床气化炉的底部连接，实现固体颗粒继续进入到流化床气化炉内进行反应，提高煤炭的转化率和综合利用；

(6)本实用新型生物质给料装置中的生物质输送管在输送生物质物料到给料管中混合的同时，也将给料管中的生物质和煤炭颗粒在气流作用下推入进流化床气化炉炉膛中，防止给料管堵塞，保证了气化装置运行的稳定性；同时，生物质输料管中的压缩空气还对流化床气化炉中生成的气化煤气起到气封作用，防止流化床气化炉中气化煤气通过给料管返混进入原煤给料装置和生物质给料装置中，引起安全事故；

(7)本实用新型采用生物质与煤共气化系统的气化方法操作简便，将煤和生物质混合气化能够弥补生物质单独气化所存在的稳定性差、焦油产率大等问题；并且整个气化过程产生的余热能够得到有效回收与利用，实现余热利用的最大化，提高能源利用率的同时为企业节约成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中：1、生物质仓；2、螺旋给料机；3、生物质输送管；4、原煤贮斗；5、小煤斗；6、给煤机；7、给料管；8、流化床气化炉；8a、二次气化剂喷射装置；8b、下渣管；9、旋风分离器；10、高温预热器；11、过热器；12、蒸汽轮机发电机组；13、余热回收器；14、汽包；15、省煤器；16、布袋除尘器；17、仓泵；18、煤气冷却器；19、水洗塔；20、出渣机；21、除氧器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种生物质与煤共气化系统，包括原煤给料装置和生物质给料装置，两个给料装置均与给料管7连接，原煤和生物质在给料管7中混合成混合料，给料管7与流化床气化炉8连接，混合料在流化床气化炉8内发生气化反应生成高温的气化煤气；煤炭作为我国能源结构主要组成部分，其相对于生物质资源来说产量供应稳定、颗粒较为规则、能源密度高。因此，生物质与煤共气化技术可以很好地弥补生物质单独气化时稳定性差、颗粒不规则、能量密度低、气化过程焦油产率大等缺陷；此外，生物质还可弥补煤在资源储量、温室气体排放、反应活性等方面的劣势，且生物质中K、Ca碱金属/碱土金属矿物质含量较高，可作为天然催化剂参与气化反应，以提高煤气化的碳转化率和降低气化反应温度，进而降低能耗。流化床气化炉8与除尘装置连接，流化床气化炉8与除尘装置之间还设置有余热回收装置，余热回收装置与蒸汽发电装置连接，余热回收装置中生成的蒸汽用于蒸汽发电装置发电，且蒸汽发电装置为流化床气化炉8内进行的气化反应提供蒸汽；在本实施中所述蒸汽发电装置为蒸汽轮机发电机组12，蒸汽轮机发电机组12与余热回收装置连接，余热回收装置生成的蒸汽作为蒸汽轮机发电机组12的动力源，使得蒸汽轮机发电机组12能够发电继而供给设备使用；同时蒸汽轮机发电机组12排出的乏汽(0.1MpaG的微过热蒸汽)作为煤和生物质气化反应的气化剂来源之一，实现气化煤气余热的利用最大化，提高能源使用率。

具体的，在本实施中所述余热回收装置包括依次连接的高温预热器10、过热器11、余热回收器13和汽包14，汽包14与除氧器21连接，除氧器21用于对脱盐水进行除氧，因汽包14与除氧器21中的脱盐水连接能够对整个系统进行循环水的补给，且能够有效回收气化煤气中的热量并产生蒸汽，提高能力回收利用率；汽包14上设置有冷却介质出口和水蒸汽入口，冷却介质出口与余热回收器13中的下降管口连接，水蒸汽入口与余热回收器13的上升管口连接使得气化煤气与冷却水进一步换热产生蒸汽，该蒸汽可以作为气化剂的原料之一进行煤和生物质的气化反应；高温预热器10的进口与流化床气化炉8中的煤气出口连接，煤和生物质在一次气化剂的作用下在流化床气化炉8内进行反应，一般一次气化剂的温度要在600℃，气化反应生成的气化煤气通过煤气出口进入到高温预热器10中，由于气化煤气温度热量较高，因此可以对在高温预热器10中的一次气化剂进行预热，将一次气化剂预热至600℃后进入到流化床气化炉8内参与反应，依靠气化煤气自身热量而无需依靠另外的预热辅助设备对一次气化剂进行预热，节省设备及成本；并且过热器11和除氧器21均分别蒸汽发电装置连接，当生成的气化煤气依次进入从高温预热器10、过热器11和余热回收器13时，气化煤气会与汽包14中脱盐水换热产生过热蒸汽，过热蒸汽通过过热器11进入到蒸汽轮机发电机组12中为其提供蒸汽使其发电，蒸汽轮机发电机组12发电的同时产生的蒸汽一部分进入到除氧器21中，为除氧器21对脱盐水除氧提供蒸汽；另一部分与空气或者氧气混合作为一次气化剂进入到流化床气化炉8内促进煤和生物质的气化反应，实现对气化煤气热量利用的最大化；整个余热回收装置能够有效收集气化煤气的热量，逐级对气化煤气热量进行回收利用，进一步提高能源利用率。

采用本实用新型所述的生物质与煤共气化系统的气化方法包括以下步骤：

S1、煤和生物质通过给料管7混合进入到流化床气化炉8内进行气化反应生成气化煤气；具体的，煤经过破碎至10mm以下，生物质经破碎至6mm以下，二者在给料管7内进行混合形成混合料，混合料在流化床气化炉8内经一次气化剂的作用下生成高温的气化煤气；

S2、气化煤气经过余热回收装置后进入除尘装置中降温、除尘，洁净的气化气进入后续工序使用；具体的，所述气化煤气在除尘装置中进入如下操作：

S21、去除颗粒，完成气化煤气中气固分离；

S22、冷却降温，完成气化煤气的降温；

S23、水洗降温，完成气化煤气进一步的除尘降温。

在本实施例中，所述除尘装置包括布袋除尘器16，布袋除尘器16的底部设置有仓泵17，布袋除尘器16与煤气冷却器18连接，煤气冷却器18与水洗塔19连接，仓泵17用于将布袋除尘器16中的飞灰排出，布袋除尘器16对气化煤气进行去除颗粒完成步骤S21；煤气冷却器18对气化煤气进行冷却降温至50℃完成步骤S22，在这里值得说明的是，煤气冷却器18同时也是脱盐水进行预热的容器，脱盐水经过煤气冷却器18后再进入到除氧器21中进行除氧，而煤气冷却器18对脱盐水进行预热的能量来自于气化煤气本身的热量，无需外界预热设备或能量，实现系统内能量循环使用，达到能量利用最大化；水洗塔19对来自煤气冷却器18中的低温气化煤气进行水洗进一步降温和除尘完成步骤S23；有效保证洁净后的气化煤气纯度与品质，方便后面工序的操作及处理。

S3、余热回收装置中生成的蒸汽进入到蒸汽发电装置中，蒸汽发电装置进行发电，蒸汽发电装置排出的蒸汽进入到流化床气化炉8中为气化反应提供气化剂。具体的，高温的气化煤气依次进入到过热器11和余热回收器13中，并且与除氧脱盐水换热，生产出500℃、4.0MPa的过热蒸汽，过热蒸汽进入蒸汽轮机发电机组12中发电，同时蒸汽轮机发电机组12为除氧器21及流化床气化炉8提供蒸汽。

该气化方法将煤和生物质混合气化能够弥补生物质单独气化所存在的稳定性差、焦油产率大等问题；整个煤和生物质共气化反应温度高达800℃-950℃，生物质中S元素含量较低，气化气中H₂S含量低，气化气后续处理工艺简单、环保；并且整个气化过程产生的余热能够得到有效回收与利用，实现余热利用的最大化，提高能源利用率的同时为企业节约成本，同时操作简便，安全性能高。

实施例2

基本同实施例1，在本实施中余热回收装置还包括省煤器15，余热回收器13、汽包14和除氧器21分别与省煤器15连接，省煤器15的设置一方面将除氧器21中的除氧脱盐水进入到汽包14之前进行一个加热作用，减少除氧脱盐水在受热面的吸热，可以用省煤器15来代替部分造价较高的蒸发受热面；另一方面脱盐水温度提高进入汽包14就会减小汽包14的壁温差，热应力相应减小，延长汽包14的使用寿命；并且省煤器15是利用气化煤气自身的热量对除氧脱盐水进行预热，实现气化煤气余热利用最大化。

实施例3

基本同实施例2，在本实施例中流化床气化炉8包括上部稀相区和下部密相区，上部稀相区内设置有二次气化剂喷射装置8a，二次气化剂喷射装置8a与蒸汽发电装置连接，二次气化剂喷射装置8a中的二次气化剂与气化反应产生的高温气化煤气继续发生还原反应，提高煤的气化效率和气化煤气的质量，同时对高温气化煤气进行一个激冷作用以降低后续高温预热器10的热负荷，同时降低设备材质的成本投入，提供设备的使用寿命；在本实施中，所述二次气化剂喷射装置8a为蒸汽喷嘴，且蒸汽喷嘴的数量不少于六个，若干个蒸汽喷嘴在上部稀相区内呈圆周分布，若干个蒸汽喷嘴等间距排列，并且喷射角与径向偏转10°，保证二次气化剂喷射的均匀性同时不至于堵塞蒸汽喷嘴；且二次气化剂为蒸汽轮机发电机组12产生的蒸汽，系统内部实现原料供给，自产自销，具有较高的经济利益；给料管7与下部密相区连接，混合料在下部密相区进行反应，便于产生的气化煤气与二次气化剂喷射装置8a接触反应充分。

更进一步的，流化床气化炉8与余热回收装置之间设置有旋风分离器9，具体的，流化床气化炉8的煤气出口与旋风分离器9的煤气进口连接，旋风分离器9底部含碳颗粒出口与流化床气化炉8底部相连，旋风分离器9的煤气出口与高温预热器10的进口连接，在流化床气化炉8内生成的气化煤气经旋风分离器9实现固体颗粒和气体的分离，保证较为洁净的气化煤气进入到余热回收装置中；且旋风分离器9底部含碳固体颗粒的出口与流化床气化炉8的底部连接，实现含碳固体颗粒继续进入到流化床气化炉8内的下部密相区进行反应，提高煤炭的转化率和综合利用。

实施例4

基本同实施例3，在本实施中，所述原煤给料装置包括依次连接的原煤贮斗4，小煤斗5和给煤机6，原料煤经给煤机6进入到给料管7中，这样的原煤给料装置整体构造简单且密封性能好，有效避免原料煤输送过程中发生渗漏的情况；生物质给料装置包括生物质仓1，生物质仓1通过螺旋给料机2与生物质输送管3连接，生物质输送管3与给料管7连接，优选的，所述生物质输送管3与给料管7相连的夹角小于30°，有利于气力输送，降低输送阻力；且生物质输送管3内设置有压缩空气，通过气力输送的方式将生物质从生物质输送管3中送入到给料管7中，给料稳定且均匀；在本实施中将所述给料管7的中心线与竖直方向的夹角为60°～75°，角度太大则给料管7内的混合料不能有效输送至流化床气化炉8内；角度太小可能会碰撞到炉膛对侧壁面，对炉膛造成一定损伤；即给料管7与流化床气化炉8成倾斜设置，使得给料管7中的生物质和煤炭颗粒在重力和压缩空气的双重推动下进入到流化床气化炉8内的下部密相区，便于混合料全部进入到炉内，避免在给料管7中发生堵塞；同时生物质输料管3中的压缩空气还对流化床气化炉8中生成的气化煤气起到气封作用，防止流化床气化炉8中气化煤气通过给料管7返混进入原煤给料装置和生物质给料装置中，引起安全事故，保证整个系统运行的稳定和安全性。

同时在本实施例中，流化床气化炉8还与出渣装置连接，所述出渣装置包括与流化床气化炉8底部出口连接的下渣管8b，下渣管8b与出渣机20连接，流化床气化炉8中气化反应生成的废渣通过下渣管8b排出至出渣机20中，出渣机20将废渣送出。出渣装置的设置使得流化床气化炉8内反应生成的固态渣能够及时排出，保证气化反应的顺利进行。

本实用新型所述实例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种生物质与煤共气化系统，包括原煤给料装置和生物质给料装置，两个给料装置均与给料管(7)连接，给料管(7)与流化床气化炉(8)连接，流化床气化炉(8)与除尘装置连接，其特征在于：流化床气化炉(8)与除尘装置之间还设置有余热回收装置，余热回收装置与蒸汽发电装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种生物质与煤共气化系统，其特征在于：所述余热回收装置包括依次连接的高温预热器(10)、过热器(11)、余热回收器(13)和汽包(14)，汽包(14)与除氧器(21)连接，除氧器(21)用于对脱盐水进行除氧，高温预热器(10)与流化床气化炉(8)连接，过热器(11)和除氧器(21)均分别蒸汽发电装置连接。

3.根据权利要求2所述的一种生物质与煤共气化系统，其特征在于：余热回收装置还包括省煤器(15)，余热回收器(13)、汽包(14)和除氧器(21)分别与省煤器(15)连接。

4.根据权利要求1或3所述的一种生物质与煤共气化系统，其特征在于：流化床气化炉(8)包括上部稀相区和下部密相区，上部稀相区内设置有二次气化剂喷射装置(8a)，二次气化剂喷射装置(8a)与蒸汽发电装置连接；给料管(7)与下部密相区连接。

5.根据权利要求4所述的一种生物质与煤共气化系统，其特征在于：流化床气化炉(8)与余热回收装置之间设置有旋风分离器(9)。

6.根据权利要求1所述的一种生物质与煤共气化系统，其特征在于：所述给料管(7)的中心线与竖直方向的夹角为60°～75°。

7.根据权利要求6所述的一种生物质与煤共气化系统，其特征在于：生物质给料装置包括生物质仓(1)，生物质仓(1)与生物质输送管(3)连接，生物质输送管(3)与给料管(7)连接，且生物质输送管(3)内设置有压缩空气。

8.根据权利要求1所述的一种生物质与煤共气化系统，其特征在于：流化床气化炉(8)还与出渣装置连接，所述出渣装置包括与流化床气化炉(8)底部出口连接的下渣管(8b)，下渣管(8b)与出渣机(20)连接。

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