CN105349186A - 基于微波加热的生物质制气***及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微波加热的生物质制气***及工艺，包括依次连接的微波气化炉、用于与微波气化炉产生的气体进行换热的热交换器、洗涤除尘设备、储气装置；热交换器的一端输入空气和水，与微波气化炉产生的气体换热后从热交换器的另一端通入到微波气化炉内；洗涤除尘设备的残渣出口与微波气化炉连接。本发明的有益效果是：利用物料自身热量与微波辅助加热的共同作用强化生物质的气化转化过程，能快速达到植物材料裂解气化所需的温度，产气率高，可以对生物质类废弃物资源实现高效清洁的能源化转化；充分利用了制气过程中产生的显热和余热，热量利用效率高，节约能源；整个制气装置能实现自动进料，自动排料，自动化程度高，安全性高。

Description

基于微波加热的生物质制气***及工艺

技术领域

本发明涉及生物质材料，具体涉及基于微波加热的生物质制气***及工艺。

背景技术

我国生物质资源非常丰富，如农作物秸秆、林业树枝、工业药渣等，近年来对低热值燃料的能源化转化利用的关注也在日益增加。随着人类对环境保护意识的加强，在关注废弃物利用的同时，效率更高、污染更小的能源化转化技术正在逐步被工业生产所采用。

常规生物质固定床气化技术受工艺条件的限制，主要存在气化反应温度低、碳转化率低、焦油含量大、合成气利用品质低等难题。目前出现的微波等离子气化设备不能对生物质原料进行完全的加热，或者需要较大的加热功率才能达到较好的加热效果，这样加热效率低，耗电量较大，运行成本高，存在着浪费能源的缺陷，严重制约了生物质资源的能源化工业利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用生物质物料自身热量与外部微波热源共同作用强化生物质气化转化过程的基于微波加热的生物质制气***及工艺。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于微波加热的生物质制气***，包括依次连接的微波气化炉、用于与微波气化炉产生的高温气体进行换热的热交换器、洗涤除尘设备、储气装置；热交换器输入空气和水，与微波气化炉产生的气体换热后从热交换器的另一端通入到微波气化炉内；洗涤除尘设备的残渣出口与微波气化炉连接；热交换器与微波气化炉产生的高温气体换热制取热空气和水蒸汽后作为气化介质通入到微波气化炉内；洗涤除尘设备的残渣经除湿处理后通向与微波气化炉连接的进料输送***，与生物质原料一起参与气化反应；微波的穿透力强，产生的热量大，能快速达到植物材料气化所需的温度，产气率高，容易控制；通过热交换器将高温燃气的显热交换给空气和水，交换后的热量可以重复利用到微波气化炉内，提高了***的热利用效率；洗涤除尘设备中残渣再进入到微波气化炉内，进行二次加热，减少了废弃物排放。

进一步地，所述热交换器至少包括两级换热装置。

进一步地，为了更好地得到杂质较少的清洁气体，所述洗涤除尘设备与洗涤剂箱连接，洗涤剂箱内设有用于将洗涤剂泵入到洗涤除尘设备内的泵。

进一步地，所述微波气化炉包括壳体，为了保证能量的集中和气化炉内的反应温度，壳体的上下两端窄于中部，在壳体外侧壁设有微波发生器，在壳体的下端设有排灰输送装置，在壳体的一侧设有生物质材料的进料口，壳体上设有若干处蒸汽入口和若干处气体入口，气体入口为空气或富氧入口，在壳体内设有换热管；通过微波发生器和换热管内的高温介质共同作用于气化炉内的原料，提高加热效率，加速原料的气化转化。

进一步地，在所述进料口处设有进料输送装置，可以实现生物质原料的自动均匀进给，便于控制；同时，省去了常规固定床气化炉间歇式集中进料需要的搅拌装置，简化了炉体结构。

进一步地，所述进料输送装置包括进料斗，进料斗的下方水平设有第一输送绞龙，第一输送绞龙由电机控制启动，第一输送绞龙的末端伸入到壳体内，同时，进料斗与第一输送绞龙之间设置的垂直输料管的直径大于输送绞龙所在输料管的直径，并在进料斗与第一输送绞龙之间也就是在在垂直输料管道上加装翻板阀，能有效避免炉内气体的外泄，确保***的安全运行；翻板阀在不使用装置时，避免杂质进入到微波气化炉内。

进一步地，所述第一输送绞龙为带直流电的变螺距输送绞龙，原料在进料过程中产生向气化炉方向的挤压力起到物料自密封作用。

进一步地，所述壳体从上到下依次为燃气重整区、原料干化与热解反应区、气化主反应区及集灰区，燃气重整区呈上小下大的锥形，锥面上设置的微波有利于反应区域能量的集中，提高热利用效率；原料干化与热解反应区呈圆柱形，气化主反应区呈上大下小的锥形，在集灰区内设有换热管，可以将灰料的热量传递给换热管内空气，换热后的空气再通入到壳体内，用于提高制气效率；所述换热管水平设置，为换热盘管，换热盘管内通入空气，用于回收集灰区灰渣的热量。

或者，所述换热管有多根，换热管的入口与热交换器的蒸汽出口端连接，换热管的出口与热交换器的气体入口端连接。

进一步地，在所述壳体上设有多个温度检测元件，在所述壳体顶端的出气口处设有燃气监控器，温度检测元件和燃气监控器分别与控制***单独连接，为保证安全，燃气监控器对产生的气体的压力进行检测，并将采集到的数据传送给控制***，如果压力过高，控制***控制警报装置报警，并控制进料输送装置停止工作，暂停入料，待压力降低后，再重新进行工作。

进一步地，在所述壳体的外部设有包覆壳体的外壳，外壳的外侧设有保温层。

进一步地，在壳体上部的气体出口管上设有第二换热管，用于将制得气体的显热传递至水或者空气，制得的水蒸汽或热空气可通入到炉体内作为气化介质利用。

基于微波加热的生物质制气工艺，具体步骤如下：

1)将生物质材料送入微波气化炉内进行连续加热；

2)微波气化炉内产生的混合气体与热交换器内的空气和水进行换热，换热后的空气和水送至微波气化炉内；

3)换热后的气化燃气在洗涤除尘设备内进行净化，残渣经除湿处理后通向与微波气化炉连接的进料输送***，再次进入气化炉参与气化反应；

4)净化后的清洁燃气存储在储气装置内，以供给工业利用或民用。

本发明的工作原理是：进入气化炉的物料首先经过干化蒸发出水分，蒸发出的水分一部分作为气化介质参与生物质气化反应，其余大部分随气流上行至燃气重整区与焦油发生反应，使焦油转化为小分子可燃气体；同时，可以根据生物质原料特性和***运行工况，调节微波发生器开启的功率和蒸汽的供给量，当起炉或原料含水率较高时，可以开较大的微波发生器功率，并减小外部蒸汽的供给量。

整个制气***，通过微波气化炉与换热管内流通的高温空气和蒸汽共同作用于生物质原料使其发生充分的气化反应，采用热交换器将气化炉产出高温燃气的显热换热给高温空气和水蒸汽，形成能量的循环重复利用；，换热后的气体经过洗涤除尘后，存入到储气装置中进行暂存以备用，除尘得到的飞灰和焦油的残渣送入微波气化炉内再进行气化；同时，通过控制***设置，用以保证制气过程的自动与安全运行。

本发明的有益效果是：

1)通过微波辅助加热与高温空气和蒸汽共同作用于生物质材料，能快速达到植物材料气化所需的温度，加快气化反应速率，提高碳转化率，产气率高，容易控制。

2)通过控制***的设置，实现对制气过程中安全性的控制，能实现自动进料，自动排料，并对产出气体的压力和温度的控制，***的自动化程度高，安全性高。

3)整个***，实现了生物质类废弃物资源的能源化综合处置，***热利用效率高，对环境的负荷影响小。

附图说明

图1是本发明中制气***的流程图；

图2是本发明中制气***的结构图；

图3是本发明中制气装置的结构图；

图4是本发明中实施例1的换热管的示意图；

其中，1微波气化炉，11燃气监控器，12微波发生器，13热电偶，14蒸汽入口，15气体入口，16换热管，2控制***，3排灰输送装置，31排灰电机，32排灰联轴器，33排灰管，34排灰绞龙，35灰渣配湿水管，36灰渣排出口，4水平输料装置，41输料电机，42输料联轴器，43输料管，44第一输送绞龙，5进料口输料装置，51进料斗，52垂直输料管，53翻板阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1

基于微波加热的生物质制气***，包括依次连接的微波气化炉1、用于与微波气化炉1产生的高温气体进行换热的热交换器、洗涤除尘设备、储气装置；热交换器至少包括两级换热装置，分别输入空气和水，与微波气化炉1产生的高温气体换热制取热空气和水蒸汽后作为气化介质通入到微波气化炉1内；洗涤除尘设备的残渣经除湿处理后通向与微波气化炉1连接的进料输送***，与生物质原料一起参与气化反应；，微波的穿透力强，产生的热量大，能快速达到植物材料裂解气化所需的温度，产气率高，容易控制；通过热交换器将高温燃气的显热交换给空气和水，制取的热空气和水蒸汽可以重复利用到微波气化炉1内，实现热量的循环利用；洗涤除尘设备中残渣再进入到微波气化炉1内，进行二次气化。

为了更好地得到杂质较少的气体，所述洗涤除尘设备与洗涤剂箱连接，洗涤剂箱内设有用于将洗涤剂泵入到洗涤除尘设备内的泵。

所述微波气化炉1包括壳体，在所述壳体的外部设有包覆壳体的外壳及保温层；为了保证能量的集中和气化炉内的反应温度，设置壳体的上下两端均呈锥状，在所述壳体上侧和下侧的外部均设有微波发生器12。在壳体的下端设有排灰输送装置3，在壳体的一侧设有生物质材料的进料口，壳体上设有若干处蒸汽入口14和若干处气体入口15，气体为富氧，在壳体内设有换热管16，换热管16水平设置，为S型的换热盘管，如图4所示。通过微波发生器12和换热管16内的高温介质共同作用于气化炉内的原料，提高加热效率，加速原料的气化转化。

在所述进料口处设有进料输送装置，实现自动均匀送料。如图3所示，所述进料口输送装置包括进料斗51，进料斗51连接垂直输料管52，在垂直输料管52的下方水平设有设在输料管43内的第一输送绞龙44，第一输送绞龙44由设在第一输送绞龙44一侧的输料电机41通过输料联轴器42控制启动，第一输送绞龙44为末端带直流段的变螺距输料绞龙，第一输送绞龙(变螺距输送绞龙)44的末端伸入到壳体内，在进料斗51与第一输送绞龙44之间设有翻板阀53，第一输送绞龙44与翻板阀53的设置，均能有效避免炉内气体的外泄，保证***的运行安全；翻板阀53也可在不使用装置时，避免杂质进入到微波气化炉1内。

排灰输送装置3包括排灰管33，排灰管33内水平设有排灰绞龙34，其通过排灰电机31和排灰联轴器32实现输送动作，在排灰管33的出灰口一侧设有灰渣配湿水管35，用于对灰渣进行加湿。

在所述壳体上设有多个温度检测元件，在所述壳体顶端的出气口处设有燃气监控器11，温度检测元件(热电偶13)和燃气监控器11分别与控制***2单独连接，为保证安全，燃气监控器11对产生的气体的压力进行检测，并将采集到的数据传送给控制***2，如果压力过高，控制***2控制警报装置报警，并控制进料输送装置停止工作，暂停入料，待压力降低后，再重新进行工作。

其中，微波发生器的工作频率2450±50MHz，输出功率0.3～3.0kW连续可调。

微波发生器12在燃气重整区设置2～3层以保证该区域的反应温度900～1200℃，使焦油物质充***解为H₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆等小分子的可燃气体；所述的微波发生器在气化主反应区设置1～2层作为辅助供热，该区域主要利用生物质气化过程产生的热量，两部分热量共同作用保证气化主反应区可以保证气化主反应区较高的反应温度800～1000℃；所述的微波发生器12在集灰区设置1层，微波辅助加热的能量有利于促进灰分残炭的碳转化，并为炉篦内设置的换热管提供足够的能量输入；每层微波发生器12均在炉壁上呈圆周均匀分布4～8个，在制气装置点火起炉阶段将微波发生器12调至较大的输出功率，在制气装置运行趋于稳定运行阶段时逐渐减小微波发生器12的输出功率。

在气化主反应区和集灰区分别设有送风装置，空气/富氧空气等气化介质先进入换热管16内预热后再通入气化炉，减少灰渣排放带走的显热，提高气化炉温度。

如图1所示，制气***的制气工艺如下：

(1)经简单预处理的秸秆生物质原料通过进料输送装置连续均匀加入到微波气化炉1中；

(2)生物质原料利用自身热量与微波提供的外部辅助热源在微波气化炉1中被气化，生成富含CO、H₂和CH₄的高温合成气；

(3)热交换器将高温合成气中的显热吸收把常温空气和水分别转化为高温空气和水蒸汽，提供给微波气化炉1作为气化介质；

(4)合成气进入洗涤设备除尘净化，洗涤剂经处理后可以作为洗涤介质循环利用，洗涤剂中滤除的主要成分为飞灰和焦油的残渣送入气化炉中进行再气化；

(5)净化处理后的合成气经储气柜存储调节供给工业利用或民用。

气化产生的灰分可以还田或作为建材原料。该***可以有效提高***能量利用效率，减少废弃物的排放。

实施例2

本实施例与实施例1的区别是：

所述换热管16有多根，换热管16的入口与热交换器的蒸汽出口端连接，换热管16的出口与热交换器的气体入口端连接。

实施例3

本实施例与实施例1的区别是：

所述换热管16倾斜或竖直设置。

实施例4

本实施例与实施例1的区别是：

除了上述两项实施例设置的换热管以外，在燃气出口的高温管道上设有一个或多个热交换器，分别制取热空气或蒸汽作为反应介质供给气化炉或供给外部其他***利用，如图4所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于微波加热的生物质制气***，其特征在于，包括依次连接的微波气化炉、用于与微波气化炉产生的气体进行换热的热交换器、洗涤除尘设备、储气装置；热交换器输入空气和水，与微波气化炉产生的气体换热后从热交换器的另一端通入到微波气化炉内；洗涤除尘设备的残渣出口与微波气化炉连接。

2.如权利要求1所述的制气***，其特征在于，所述洗涤除尘设备与洗涤剂箱连接，洗涤剂箱内设有用于将洗涤剂泵入到洗涤除尘设备内的泵。

3.如权利要求1或2中任一项所述的制气***，其特征在于，所述微波气化炉包括壳体，壳体的上下两端窄于中部，在壳体外侧壁设有微波发生器，在壳体的下端设有排灰输送装置，在壳体的一侧设有生物质材料的进料口，壳体上设有若干处蒸汽入口和若干处气体入口。

4.如权利要求3中任一项所述的制气***，其特征在于，在所述进料口处设有进料输送装置，所述热交换器至少包括两级换热装置。

5.如权利要求4所述的制气***，其特征在于，所述进料输送装置包括进料斗，进料斗的下方水平设有第一输送绞龙，第一输送绞龙的末端伸入到壳体内，在进料斗与第一输送绞龙之间设有翻板阀。

6.如权利要求3所述的制气***，其特征在于，所述壳体从上到下依次为燃气重整区、原料干化与热解反应区、气化主反应区及集灰区，燃气重整区呈上小下大的锥形，原料干化与热解反应区呈圆柱形，气化主反应区呈上大下小的锥形，在集灰区内设有换热管。

7.如权利要求6所述的制气***，其特征在于，所述换热管水平设置，为换热盘管。

8.如权利要求5或6所述的制气***，其特征在于，在所述壳体上设有多个温度检测元件，在所述壳体顶端的出气口处设有燃气监控器，温度检测元件和燃气监控器分别与控制***单独连接。

9.如权利要求5或6所述的制气***，其特征在于，在所述壳体的外部设有包覆壳体的外壳，在外壳外侧设有保温层。

10.基于微波加热的生物质制气工艺，其特征在于，具体步骤如下：

1)将生物质材料送入微波气化炉内进行连续加热；

2)微波气化炉内产生的混合气体与热交换器内的空气和水进行换热，换热后的空气和水送至微波气化炉内；

3)换热后的气化燃气在洗涤除尘设备内进行净化，残渣经除湿处理后通向与微波气化炉连接的进料输送***，再次进入气化炉参与气化反应；

4)净化后的清洁燃气存储在储气装置内，以供给工业利用或民用。