CN104629808B - 富氧燃烧锅炉低温烟气制取生物质高热值气化气的*** - Google Patents

富氧燃烧锅炉低温烟气制取生物质高热值气化气的*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质高热值气化气的***及方法，其中***包括循环流化床气化器、旋风分离器；循环流化床气化器具有进料口；循环流化床气化器还设置有进气口，该进气口用于输入气化介质；循环流化床气化器用于在气化介质的作用下将生物质物料气化得到气化气；气化介质采用温度为120℃～140℃的富氧燃烧锅炉低温烟气；旋风分离器用于分离颗粒获得洁净气化气。本发明将生物质气化***与富氧燃烧锅炉***配合使用，采用富氧燃烧锅炉低温烟气作为生物质气化反应的气化介质，既提高了富氧燃烧锅炉***的能量利用效率，又提高了生物质气化气的品质，使整体热能的利用效率提高、降低了生产成本，提高了电厂的整体经济性。

Description

富氧燃烧锅炉低温烟气制取生物质高热值气化气的***
技术领域
本发明属于生物质气化制取高热值气化气领域，更具体地，涉及一种用富氧燃烧锅炉低温烟气制取高热值生物质气化气的设备。
背景技术
生物质气化技术，作为生物质能热化学利用方式的一种，是利用氧气、二氧化碳、空气、水蒸气或这些气体的混合气作为气化剂(即，气化介质)，在高温下用热化学手段将低品位的固态生物质燃料转化成清洁的高品位气体燃料。生成的生物质气化气燃烧后只生成水和二氧化碳，清洁无污染，环境友好。
由于目前的生物质气化技术大多需要通入部分高温氧气或空气以提供气化过程所需热量，需要额外的对原料气体预先加热，造成了生物质气化过程效率偏低；并且，由于原料气体中含有部分不参与气化反应的杂质气体(如氮气等)，使得生成的气化气热值偏低、经济性差，阻碍了生物质气化技术的推广与应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的***和方法，其中通过对生物质气化***关键气化介质、气体输入输出方式、物料传输方式、以及关键组件的结构及其连接方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决生物质气化成本高、气化气热值偏低的问题，并且通过对参与生物质气化的气化介质的组成进行调整，能够达到进一步调整气化气组成、提高气化气性能的技术效果。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的***，其特征在于，包括循环流化床气化器、旋风分离器；其中：
所述循环流化床气化器具有进料口，该进料口用于将生物质物料输入至所述循环流化床气化器；所述循环流化床气化器还设置有进气口，该进气口用于输入气化介质；所述循环流化床气化器用于在所述气化介质的作用下将所述生物质物料气化得到气化气；所述气化介质是温度为120℃～140℃的富氧燃烧锅炉低温烟气，或者是由包含有氧气、温度为120℃～140℃的富氧燃烧锅炉低温烟气混合得到的混合气体；
所述旋风分离器与所述循环流化床气化器连接，用于分离所述气化气。
作为本发明的进一步优选，所述气化介质中氧气的体积百分比浓度满足当量比ER在0.20～0.28的范围内。
作为本发明的进一步优选，所述循环流化床气化器的进气口前还设置有气体混合器，该气体混合器与所述循环流化床气化器的进气口连接，用于混合所述氧气与低温烟气，从而调整所述混合气体中氧气的浓度。
作为本发明的进一步优选，所述气体混合器还设置有外部气体进口，用于混合所述氧气、富氧燃烧锅炉低温烟气和外部气体，从而得到混合有外部气体的气化介质，进而调整所述气化气的组成成分；所述外部气体优选为以下气体的至少一种：水蒸气、二氧化碳。
作为本发明的进一步优选，所述生物质物料的粒径不超过50mm。
作为本发明的进一步优选，所述循环流化床气化器的进料口通有所述气化介质，便于所述生物质物料的传输。
作为本发明的进一步优选，所述旋风分离器还与喷淋塔连接，该喷淋塔用于除去所述气化气中的焦油；所述喷淋塔分别与污水处理装置和风机连接，所述气化气经过所述风机被传输至储气柜。
本发明的另一目的在于提供一种用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将粒径不超过50mm的生物质物料送入到循环流化床气化器中；
(2)将气化介质通入到所述循环流化床气化器中；接着，加热所述循环流化床气化器使所述生物质物料与所述气化介质发生反应得到生物质气化气；所述气化介质是温度为120℃～140℃的富氧燃烧锅炉低温烟气，或者是由包含有氧气、温度为120℃～140℃的富氧燃烧锅炉低温烟气混合得到的混合气体。
作为本发明的进一步优选，其特征在于，所述步骤(2)的气化介质中氧气的体积百分比浓度满足当量比ER在0.20～0.28的范围内。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.将生物质气化***与富氧燃烧锅炉***配合使用，采用富氧燃烧锅炉的低温烟气作为生物质气化反应的气化介质，既提高了富氧燃烧锅炉***的能量利用效率，又提高了生物质气化气的品质，使整体热能的利用效率提高、降低了生产成本。
富氧燃烧技术是通过分离空气得到氧气，并使用燃烧后得到的烟气代替了空气中的氮气、与氧气混合后继续反应的，得到的烟气中二氧化碳含量很高(一般富氧燃烧烟气中二氧化碳的含量可达到80％-95％，并含有少量氧气和水蒸气)。富氧燃烧产生的烟气除了循环用于富氧燃烧外、一般直接进行填埋或作其它处理。富氧燃烧中的空气分离需要大量能量来实现，因此整体的能量利用效率不高，也限制了其经济性。
将富氧燃烧的烟气用于生物质气化，由于烟气中二氧化碳的含量高，同时含有一定量的水蒸气，与生物质物料在高温下反应后，能使生物质物料气化得到主要成分为CO和H2的气化气，减少了其他杂质气体(如氮气)的含量，大大提高了制得气化气的热值，提升了气化气的性能，扩展了气化气的应用范围；并且，通过控制作为气化介质的富氧燃烧锅炉烟气中的氧气浓度，利用生物质原料与氧气反应放出的热量，可实现生物质气化过程能量自持。另外，利用富氧燃烧锅炉尾部的低温排烟烟气进行生物质气化，在气化***不影响富氧燃烧锅炉运行的条件下，能够有效提高电站的整体经济性。
将生物质物料(优选为经过破碎后粒径不大于50mm的生物质物料)送入循环流化床中后，其颗粒呈流化状态，气固接触面积大，能使气化反应充分进行。由于烟气中没有N2等杂质气体成分，因此生成的气化气主要成分为一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、氢气(H2)和少量二氧化碳(CO2)，热值高(热值范围：20-28MJ/Nm3)。
2.通过控制使得气化介质中氧气的体积百分比浓度(例如，可以通过向富氧燃烧锅炉低温烟气添加氧气，即，使包含有氧气、富氧燃烧锅炉低温烟气混合的方式)，使该气化介质用于生物质气化时，无需再对生物质气化反应提供额外的热能，整体的能量利用效率高。
气化介质中氧气的体积百分比浓度满足当量比ER在0.20～0.28的范围内。当量比ER(Equivalence Ratio)是指完成生物质气化实际供氧量与燃料之比除以理论完全燃烧所需氧量与燃料之比，例如CxHyOz+O2→CO2+H2O，则ER＝(实际供氧量/燃料量)/(理论需氧量/燃料量)，结合本发明中的具体方案，实际供氧量即气化介质中实际的含氧量，燃料量即生物质物料量。合适的ER可使生物质燃烧释放的热量满足气化过程的所需热量，实现气化过程的自热反应，减少外来能源的输入，这是气化工艺追求的目标之一；ER过大则会导致产气热值下降。为了实现生物质气化过程能量自持、并保持生成气化气的高热值，气化介质中氧气的体积百分比浓度可优选控制ER在0.25附近。
并且，向富氧燃烧锅炉低温烟气额外添加的氧气，可以直接从富氧燃烧***(如空气分离器)中分流得出，无需额外的气体分离装置，使生物质气化与富氧燃烧耦合后的***设置更为简化，能量利用率更高。
3.通过将富氧燃烧锅炉与生物质气化***配合使用，使CO2在排放前多经过了一道气化的工艺，延长了碳基生命周期(即，碳元素从被绿色植物固定、到被人类燃烧等利用释放、在到被绿色植物固定的周期)，缓解了温室效应。
4.制得的生物质气化气的组成可根据生产需要灵活调整。通过向循环流化床气化器中引入外部气体，即，使这些外部气体参与生物质气化反应，能够改进制得的气化气的气体组成及气化气的热值。例如，引入的外部气体可以为水蒸气，通过增加反应气体中水蒸气的比例，能够提高氢气在生成气化气中的比例，进一步改进气化气的性能。生物质种类的适用性好，工业生产实用性强。
将制得的生物质气进行分离、净化后进行综合利用，包括生物质气作为燃料、分离制取氢气、生物质气燃烧供热，燃气发电等。
本发明同时利用富氧燃烧烟气中的O2、CO2以及H2O，将低品位生物质能转化为高品位高热值的生物质气化气，无需外加热源、减少温室气体和污染物排放，同时提高了富氧燃烧和生物质气化这两种技术的整体经济性，不仅有利于促进富氧燃烧技术以及生物质气化技术的发展与应用，还对改善我国能源结构、保护生态环境具有积极重要的意义。
附图说明
图1是本发明的***方案示意图，该示意图省略了部分与气化***无关的富氧燃烧锅炉前端设备。
附图中各附图标记的含义如下：1为空气分离器；2为富氧锅炉炉膛；3为空气预热器；4为除尘器；5为引风机；6为烟囱；7为低温烟气管道；8为氧气输送管道；9为气体混合器；10为料斗；11为循环流化床气化器；12为旋风分离器；13为喷淋塔；14为污水处理装置；15为风机；16为气柜；17为用户。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
利用富氧燃烧锅炉低温烟气制取高热值气化气***包含用于进料的生物质料斗10、用于进气的低温烟气管道7和氧气输送管道8、及气体混合器9，循环流化床气化器11、旋风分离器12、用于去除焦油的喷淋塔13和污水处理装置14、风机15和用于储存生物质气化气的气柜16。
本***在运行时，首先将破碎后粒径不大于50mm的生物质用经过气体混合器9混合后的部分烟气输送至生物质料斗10，进料至循环流化床反应器11的中下部。富氧锅炉引风机5后、烟囱6处、经由低温烟气管道7输送的低温烟气和经过空气分离器1分离并抽取出的经由氧气输送管道8输送的氧气(该氧气气体的纯度一般不低于99％；温度一般为15℃～50℃，可以为常温25℃)，进入气体混合器9混合后，再分为两支分别从循环流化床气化器11底部左、右两个端口输送进循环流化床气化器11中。气化剂(即，上述低温烟气和氧气混合后得到的混合气体)通入循环流化床气化器11后自下而上流动，使生物质固体颗粒进入流化状态，并由气化剂中的氧气提供气化反应所需的热量(其中，氧气会与部分生物质和/或部分生物质气化气发生反应，反应放出的热量能够为生物质的气化反应提供后续热量)；并且，富氧燃烧锅炉的低温烟气的余热也可以对生物质物料提前预热，也可以为后续的气化反应提供部分热量。在循环流化床气化器11中发生生物质气化反应，生成的生物质气化气输出反应器，未反应完全的颗粒和灰分经由旋风分离器12循环至气化反应器11内再次反应(即，旋风分离器12用于分离产物中的颗粒，从而最终获得洁净的气化气)，灰分从气化反应器11的底部排出。生成的生物质气化气经反应器输出后，经过喷淋塔13以去除焦油，喷淋后的用水从下部流出至污水处理装置14以循环利用，经过污水处理装置14处理后的焦油送入循环流化床气化器11中再次气化。去除焦油后的生物质气化气由风机15送至气柜16储存或输送至用户17进行后续使用。
本实施例中，富氧燃烧锅炉的低温烟气的主要成分为二氧化碳(CO2，体积比约80％)、水蒸气(H2O，体积比约15％)和氧气(O2，体积比约5％)，低温烟气的温度为120℃，生物质为木屑。混合氧气后作为气化介质进行生物质气化(混合氧气后得到的混合气体作为气化介质，使得该混合气体内氧气的体积百分浓度满足当量比ER为0.25)，气化反应后生成主要成分为一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的生物质气化气。生产的生物质气化气具有较高的热值(约18MJ/Nm3)，并且气化反应过程中无需外界提供额外的热量。
实施例2
实施例2中的参数设置基本与实施例1相同，区别仅在于，富氧燃烧锅炉低温烟气的温度为140℃，将该富氧燃烧锅炉低温烟气与氧气混合后得到混合气体，并利用该混合气体作为生物质气化的气化介质。上述混合气体是经富氧燃烧锅炉低温烟气与氧气混合后得到的，混合后得到的混合气体中氧气的体积百分浓度满足当量比ER等于0.20。
生产得到的生物质气化气具有较高的热值(约20MJ/Nm3)，并且气化反应过程中无需外界提供额外的热量。
实施例3
实施例3中的参数设置基本与实施例1相同，区别在于，生物质气化使用的气化介质还包括其他外部气体，该外部气体为水蒸气。富氧燃烧锅炉低温烟气的温度为140℃，将该富氧燃烧锅炉低温烟气、水蒸气与氧气混合后得到混合气体，并利用该混合气体作为生物质气化的气化介质。上述混合气体是经富氧燃烧锅炉低温烟气与水蒸气、氧气混合后得到的，混合后得到的混合气体中氧气的体积百分浓度满足当量比ER等于0.25。
生产得到的生物质气化气具有较高的热值(约25MJ/Nm3)，并且气化反应过程中无需外界提供额外的热量。
实施例4
实施例4中的参数设置基本与实施例1相同，区别在于，生物质为秸秆。富氧燃烧锅炉低温烟气的温度为120℃，将该富氧燃烧锅炉低温烟气、水蒸气与氧气混合后得到混合气体，并利用该混合气体作为生物质气化的气化介质。上述混合气体是经富氧燃烧锅炉低温烟气与水蒸气、氧气混合后得到的，混合后得到的混合气体中氧气的体积百分浓度满足当量比ER等于0.28。
生产得到的生物质气化气具有较高的热值(约18MJ/Nm3)，并且气化反应过程中无需外界提供额外的热量。
如未特殊说明，说明书中出现的气体浓度、纯度等一般指其体积百分比。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的***，其特征在于，包括循环流化床气化器、旋风分离器；其中：
所述循环流化床气化器具有进料口，该进料口用于将生物质物料输入至所述循环流化床气化器；所述循环流化床气化器还设置有进气口，该进气口用于输入气化介质；所述循环流化床气化器用于在所述气化介质的作用下将所述生物质物料气化得到气化气；所述气化介质是由包含有氧气、温度为120℃～140℃的富氧燃烧锅炉低温烟气混合得到的混合气体；
所述旋风分离器与所述循环流化床气化器连接，用于分离所述气化气；
所述循环流化床气化器的进气口前还设置有气体混合器，该气体混合器与所述循环流化床气化器的进气口连接，用于混合所述氧气与低温烟气，从而调整所述混合气体中氧气的浓度；
所述气化介质中氧气的体积百分比浓度满足当量比ER在0.20～0.28的范围内；
所述气化气的热值为18MJ/Nm3或20-28MJ/Nm3；
此外，所述富氧燃烧锅炉应用于电站。
2.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的***，其特征在于，所述气体混合器还设置有外部气体进口，用于混合所述氧气、富氧燃烧锅炉低温烟气和外部气体，从而得到混合有外部气体的气化介质，进而调整所述气化气的组成成分；所述外部气体为以下气体的至少一种：水蒸气、二氧化碳。
3.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的***，其特征在于，所述生物质物料的粒径不超过50mm。
4.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的***，其特征在于，所述循环流化床气化器的进料口通有所述气化介质，便于所述生物质物料的传输。
5.如权利要求1所述的用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的***，其特征在于，所述旋风分离器还与喷淋塔连接，该喷淋塔用于除去所述气化气中的焦油；所述喷淋塔分别与污水处理装置和风机连接，所述气化气经过所述风机被传输至储气柜。
6.利用如权利要求1－5任意一项所述用富氧燃烧锅炉烟气制取生物质气化气的***制取生物质气化气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将粒径不超过50mm的生物质物料送入到循环流化床气化器中；
(2)将气化介质通入到所述循环流化床气化器中；接着，加热所述循环流化床气化器使所述生物质物料与所述气化介质发生反应得到生物质气化气；所述气化介质是由包含有氧气、温度为120℃～140℃的富氧燃烧锅炉低温烟气混合得到的混合气体；
所述步骤(2)的气化介质中氧气的体积百分比浓度满足当量比ER在0.20～0.28的范围内。
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