CN215001815U - 农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开的是生物质综合利用技术领域的一种农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，包括生物质热解系统、燃气提氢系统、燃气发电系统、余热利用系统和蒸汽发电系统。本实用新型通过在现有生物质热裂解系统的基础上增加燃气提氢系统、燃气发电系统、余热利用系统和蒸汽发电系统，进一步推动了生物质气化中间产品的利用，一方面利用燃气提氢系统从生物燃气中提取高浓度氢气，实现提氢、储氢、加氢和储能等功能，另一方面配合燃气发电系统、余热利用系统和蒸汽发电系统将燃气转化为电能和热能用于城市供电供热，有效提升了现有生物质气化产品的附加值和热能利用效率。

Description

农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统
技术领域
本实用新型涉及生物质综合利用技术领域，尤其涉及一种农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统。
背景技术
我国每年都会产生大量的秸秆，目前绝大部分秸秆都被就地焚烧或是粉碎后还田作为有机肥料。秸秆焚烧会污染大气环境，粉碎还田要影响作物生长。而一些新的处理方式，比如用于造纸和饲料生产，由于秸秆加工设备以及相关加工设施有限，导致目前秸秆使用技术比较低下，秸秆综合利用的效率和效益不高。除此之外，还有一种生物质热裂解处理方式，是比较有应用前景的。
生物质热裂解，又称热解或裂解，通常是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热升温引起分子分解产生焦炭、可冷凝液体和气体产物的过程，是生物质能的一种重要利用形式。具体过程是：原料首先在400-600℃的温度以及缺氧条件下裂解产生大量可燃气(CO、H2、 CH4等)、炭和焦油，然后在800-1000℃下进行催化裂解，包括以下反应过程，生物质炭与气化剂反应：C+O2→CO2 2C+O2→2CO；还原反应：C+H2O＝CO+H2，CO+H2O＝CO2+H2， C+CO2＝2CO，C+2H2＝CH4，CO2+H2＝2CO+H2O；裂解反应：通过催化剂作用将焦油裂解为CnHn的多种可燃气体。
通过生物质热裂解来处理秸秆，最终能得到生物质炭和可燃气体，几乎没有污染物排放。但整个处理过程耗能较大，能源浪费较多，需要对能源的互补利用进行研究。
实用新型内容
为克服现有生物质热裂解耗能高，能源利用不充分等不足，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种节能环保的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，包括生物质热解系统、燃气提氢系统、燃气发电系统、余热利用系统和蒸汽发电系统；
所述生物质热解系统包括进料机构、热解气化炉、储料仓和燃气储气柜，其中进料机构与热解气化炉的进料口相连，热解气化炉的生物质炭出料口通过输送带与储料仓相连，气体出口通过管道与燃气储气柜相连；
所述燃气提氢系统包括提氢设备和氢气储气柜，所述提氢设备的进气端与燃气储气柜相连，出气端与氢气储气柜通过管道连通，所述氢气储气柜通过管道与城市燃气管网、加氢站或氢燃料电池发电机组相连；
所述燃气发电系统包括燃气发电机组，燃气发电机组的进料端通过管道与燃气储气柜相连，其电力输出端并入电网；
所述余热利用系统包括余热利用锅炉，所述余热利用锅炉的烟气进口通过管道与燃气发电机组的烟气出口相连，锅炉热水通过供热管道并入城市供暖系统；
所述蒸汽发电系统包括蒸汽发电机组，所述蒸汽发电机组的进气口与余热利用锅炉的蒸汽出口相连，液体出口通过余热管网系统并入城市供暖系统，电力输出端并入电网。
进一步的是，所述生物质热解系统的进料机构包括依次通过皮带或管道进行工艺连接的破碎机、烘干机、压块机、料仓和运输机，所述运输机的进料端与料仓出口相连，出料端与热解气化炉的进料口相连。
进一步的是，所述料仓为带有搅拌机的料仓，所述输送机为溜槽、皮带机或螺旋输送机。
进一步的是，所述热解气化炉的气体出口与燃气储气柜之间还设有循环冷却器，经循环冷却器换热后的热量通过鼓风机用于烘干机风热生物质。
进一步的是，所述热解气化炉的气体出口与余热利用锅炉的烟气进口相连，余热利用锅炉的烟气出口再与燃气储气柜相连。
进一步的是，所述燃气储气柜为高压储气罐，并配有空压机，经冷却后的燃气通过空压机压缩在燃气储气柜内，所述燃气储气柜还设有管道直接连向城市燃气管网。
进一步的是，所述燃气提氢系统的提氢设备为变压吸附式提氢设备，所述氢气储气柜为高压储气罐，并配有空压机，提纯后的氢气经空压机压缩后储存在高压储气罐内。
进一步的是，所述燃气提氢系统的氢气储气柜与燃气储气柜之间设有相互连通的管道，并配有控制阀。
进一步的是，所述燃气提氢系统还包括制氢设备，制氢设备通过电网电力制氢，制得的氢气通过管道送入氢气储气柜。
进一步的是，还包括控制系统，该控制系统采用DCS集散型控制系统架构，由集中管理系统模块、本地控制系统模块和通讯系统模块三部分构成，并配有手机APP远程监控功能。
本实用新型的有益效果是：通过在现有生物质热裂解系统的基础上增加燃气提氢系统、燃气发电系统、余热利用系统和蒸汽发电系统，进一步推动了生物质气化中间产品的利用，一方面利用燃气提氢系统从生物燃气中提取高浓度氢气，实现提氢、储氢、加氢和储能等功能，另一方面配合燃气发电系统、余热利用系统和蒸汽发电系统将燃气转化为电能和热能用于城市供电供热，有效提升了现有生物质气化产品的附加值和热能利用效率。
附图说明
图1是本实用新型工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
本实用新型所提供的一种农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，包括生物质热解系统、燃气提氢系统、燃气发电系统、余热利用系统和蒸汽发电系统；
所述生物质热解系统包括进料机构、热解气化炉、储料仓和燃气储气柜，其中进料机构与热解气化炉的进料口相连，热解气化炉的生物质炭出料口通过输送带与储料仓相连，气体出口通过管道与燃气储气柜相连；
所述燃气提氢系统包括提氢设备和氢气储气柜，所述提氢设备的进气端与燃气储气柜相连，出气端与氢气储气柜通过管道连通，所述氢气储气柜通过管道与城市燃气管网、加氢站或氢燃料电池发电机组相连；
所述燃气发电系统包括燃气发电机组，燃气发电机组的进料端通过管道与燃气储气柜相连，其电力输出端并入电网；
所述余热利用系统包括余热利用锅炉，所述余热利用锅炉的烟气进口通过管道与燃气发电机组的烟气出口相连，锅炉热水通过供热管道并入城市供暖系统；
所述蒸汽发电系统包括蒸汽发电机组，所述蒸汽发电机组的进气口与余热利用锅炉的蒸汽出口相连，液体出口通过余热管网系统并入城市供暖系统，电力输出端并入电网。
本实用新型的生产工艺流程如图1所示：首先将秸秆等生物质燃料送入热解气化炉中进行热解，热解后得到可燃气体和固体生物质炭颗粒，可燃气体通过管道送入燃气储气柜进行储存，生物质炭颗粒通过输送带送入储料仓或直接制成活性炭产品；然后，燃气储气柜中的气体有两条利用路线，一条是通入提氢设备提取生物燃气中占比约20％的氢气，另一条是直接通入燃气发电机组进行燃烧发电；然后，燃气发电机组产生的电力并入电网，提氢设备提取的氢气可储存在氢气储气柜中，以便用于城市燃气管网补充天然气，或是送入未来有望普及的加氢站供给氢燃料电池汽车，再或者是用于氢燃料电池发电机组发电；再然后，燃气发电机机组中的气体燃烧产生的烟气还含有大量热量，可将其通入余热利用锅炉进行再利用，产生热水用于城市供暖；最后，余热利用锅炉在加热水时产生的高温水蒸气还可用于蒸汽发电机组进行发电，发电后所产生的带有一定温度的热水用于城市供暖。
为了方便将秸秆等生物质燃料送入热解气化炉，所述生物质热解系统的进料机构包括依次通过皮带或管道进行工艺连接的破碎机、烘干机、压块机、料仓和运输机，所述运输机的进料端与料仓出口相连，出料端与热解气化炉的进料口相连。秸秆先经破碎机粉碎成小颗粒，然后送至烘干机进行烘烤，使秸秆水分含量低于15％，然后进行压块处理，并放入料仓，最后通过运输机实现物料的连续进料。
进一步的，所述料仓为带有搅拌机的料仓，由于裂解过程需要催化剂，因此可在进料前就将催化剂与物料在料仓中进行混合，搅拌机可使两者混合更均匀。所述输送机具有多种形式可选，包括溜槽、皮带机或螺旋输送机等。如果采用螺旋输送机，可取消前面的压块机，直接在螺旋输送机上配设止回阀来对物料进行适当压缩，同样能实现块状物料的连续进料。
由于从热解气化炉中产生的燃气温度一般在850℃以上，不太好直接送入燃气储气柜进行储存，因此需要先对其进行冷却处理，对此本申请提供了两种方式：一种是在所述热解气化炉的气体出口与燃气储气柜之间设置循环冷却器，经循环冷却器换热后的热量通过鼓风机用于烘干机风热生物质；另一种是将所述热解气化炉的气体出口与余热利用锅炉的烟气进口相连，余热利用锅炉的烟气出口再与燃气储气柜相连，当然该方式需要与燃气发电机组所产生的烟气分开利用。两种方式都能实现燃气换热，并且热能也都能得到充分利用，大大降低了能源浪费。
对于燃气储气柜，本申请优选的是高压储气罐，并配有空压机，经冷却后的燃气通过空压机压缩在燃气储气柜内，高压储气罐能将燃气适当压缩后储存，可增加储能量和效率，节约成本。所述燃气储气柜上设有管道直接连向城市燃气管网，当热解气化炉产能过剩的时候，可将燃气通入城市燃气管网补充天然气。
对于提氢设备，本申请优选目前比较成熟的变压吸附式提氢设备。所述氢气储气柜同样采用高压储气罐，并配有空压机，提纯后的氢气经空压机压缩后储存在高压储气罐内。
进一步的，为了实现能源互补，在所述燃气提氢系统的氢气储气柜与燃气储气柜之间设有相互连通的管道，并配有控制阀。在电力系统用电低谷低电价时段，将生物燃气中氢气提出实现储氢，在电力系统用电高峰高电价时段，用储氢系统的氢气，回送生物燃气系统发电。用燃气蒸汽联合循环发电系统生产电力，向电力系统供应电力，实现与国家电网系统的能源互补。另外氢气储氢系统也可向国家天然气管网补充氢气，实现与天然气管网系统的能源互补。
此外，所述燃气提氢系统还包括制氢设备，制氢设备与氢燃料电池发电机可采用一套可逆系统。可以在电力系统用电低谷低电价时段，用系统电力燃料电池逆运行生产氢气储氢，在电力系统用电高峰高电价时段，用氢气燃料电池正运行生产电力，向电力系统供应电力，实现与国家电网系统的能源互补。另外氢气储氢系统也可向国家天然气管网补充氢气，实现与天然气管网系统的能源互补。
最后，为了实现整个系统的自动和远程控制，还包括控制系统，该控制系统采用DCS集散型控制系统架构，由集中管理系统模块、本地控制系统模块和通讯系统模块三部分构成，并配有手机APP远程监控功能。
经过试验论证，采用本申请所提供的处理工艺，每1t生物质原料所具有的初始热值大约为420万大卡，处理后可产生可燃气2500m3，按1200大卡/m3计算，合计约300万大卡，活性炭约110kg，按5000大卡/kg计算，合计约55万大卡，总计产生热能355万大卡，综合转换效率＞84％。从经济价值来看，初始成本为400元/t，可燃气气体2500m3，按0.45元/m 3计算，合计1125元，活性炭约110kg，按5元/kg计算，合计550元，总计1675元，综合经济效益大于1200元/t。可见，采用本申请所提供的系统，能够有效提升现有生物质气化产品的附加值，具有很好的经济效益，值得推广利用。

Claims (10)

1.农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：
包括生物质热解系统、燃气提氢系统、燃气发电系统、余热利用系统和蒸汽发电系统；
所述生物质热解系统包括进料机构、热解气化炉、储料仓和燃气储气柜，其中进料机构与热解气化炉的进料口相连，热解气化炉的生物质炭出料口通过输送带与储料仓相连，气体出口通过管道与燃气储气柜相连；
所述燃气提氢系统包括提氢设备和氢气储气柜，所述提氢设备的进气端与燃气储气柜相连，出气端与氢气储气柜通过管道连通，所述氢气储气柜通过管道与城市燃气管网、加氢站或氢燃料电池发电机组相连；
所述燃气发电系统包括燃气发电机组，燃气发电机组的进料端通过管道与燃气储气柜相连，其电力输出端并入电网；
所述余热利用系统包括余热利用锅炉，所述余热利用锅炉的烟气进口通过管道与燃气发电机组的烟气出口相连，锅炉热水通过供热管道并入城市供暖系统；
所述蒸汽发电系统包括蒸汽发电机组，所述蒸汽发电机组的进气口与余热利用锅炉的蒸汽出口相连，液体出口通过余热管网系统并入城市供暖系统，电力输出端并入电网。
2.如权利要求1所述的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：所述生物质热解系统的进料机构包括依次通过皮带或管道进行工艺连接的破碎机、烘干机、压块机、料仓和运输机，所述运输机的进料端与料仓出口相连，出料端与热解气化炉的进料口相连。
3.如权利要求2所述的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：所述料仓为带有搅拌机的料仓，所述运输机为溜槽、皮带机或螺旋输送机。
4.如权利要求2所述的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：所述热解气化炉的气体出口与燃气储气柜之间还设有循环冷却器，经循环冷却器换热后的热量通过鼓风机用于烘干机风热生物质。
5.如权利要求1所述的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：所述热解气化炉的气体出口与余热利用锅炉的烟气进口相连，余热利用锅炉的烟气出口再与燃气储气柜相连。
6.如权利要求4或5所述的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：所述燃气储气柜为高压储气罐，并配有空压机，经冷却后的燃气通过空压机压缩在燃气储气柜内，所述燃气储气柜还设有管道直接连向城市燃气管网。
7.如权利要求1所述的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：所述燃气提氢系统的提氢设备为变压吸附式提氢设备，所述氢气储气柜为高压储气罐，并配有空压机，提纯后的氢气经空压机压缩后储存在高压储气罐内。
8.如权利要求1所述的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：所述燃气提氢系统的氢气储气柜与燃气储气柜之间设有相互连通的管道，并配有控制阀。
9.如权利要求1所述的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：所述燃气提氢系统还包括制氢设备，制氢设备通过电网电力制氢，制得的氢气通过管道送入氢气储气柜。
10.如权利要求1所述的农林生物质集中高效热电气炭联产多能互补系统，其特征是：还包括控制系统，该控制系统采用DCS集散型控制系统架构，由集中管理系统模块、本地控制系统模块和通讯系统模块三部分构成，并配有手机APP远程监控功能。
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