CN106753584A - 一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，其中,包括流化床气化炉本体、在流化床气化炉本体的底端上设有的气化剂供给结构、防泄漏型进料结构及生物质燃气循环结构。流化床气化炉本体包括锥体加热段、热解段和锥体扩压段，沉降段。气化剂供给结构包括等压风箱、布风板，及在等压风箱上设有的风帽；所述的生物质燃气循环结构包括在锥体扩压段上设有与锥体扩压段上部相通的高温抽气管道和在高温抽气管道上设有的排粉风机，及在排粉风机上设有与锥体加热段上部相通的进气管道和在进气管道端部上设有延伸至锥体加热段内部的喷射管。本发明具有适应性良好、高效节能、操作灵活及结构简单的优点。

Description

一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置

技术领域

本发明属于生物质热化学设备技术领域，特别涉及一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床结构的生物质热解气化装置。

背景技术

近年来，我国在取得了举世瞩目的伟大发展的同时，也面临了一些严峻的挑战，特别是环境问题和能源问题，已逐渐成为阻碍经济和社会发展的重要掣肘因素。对此，我国政府加大了在环境保护和新能源推广方面的支持力度，先后提出了节能环保、循环经济、清洁生产、节约型社会、新能源、可再生能源等概念，在法律、政策、标准、财政金融、产业结构等诸多方面出台了一系列的产业导向措施，在很大程度上遏制了上述问题的扩大蔓延，环境污染事件急速上升的势头被有效遏制。但是，由于我国存在现有能源结构的不合理，资源未得到有效利用等源头性问题，根本扭转阻碍可持续发展的种种不利因素仍显乏力。2013年我国一次消费能源结构中，煤碳和原油分别占据66.77％和17.02％的份额，而可再生能源仅占1.02％的比例。分析这组数据可看出，环境问题不仅有能源结构失衡的源头性因素，同时我国再生能源也存在着巨大的浪费和巨大的增长潜力。因此，为了综合解决能源与环境的问题，实现经济增长方式向可持续转变，开发可再生能源变得非常重要。我国有着非常丰富的生物质资源，在我国大力发展生物质能源产业，对促进可持续发展、改善环境质量以及缓解能源紧缺，培育战略性新兴产业等方面有着重大的现实意义。中小规模的生物质热解气化设备，具有转化效率相对较高，使用灵活等特点，适用于农林及小型工业用户。在与生物质原料产地靠近的终端用户建造这类设备，既能环保处理废弃物又产生了经济效益。生物质热解气化不仅可以用于发电，还可以用于生物质气化CHP***，可以进行供热或供冷。根据热解气化反应的温度不同，进行不同的热化学反应的产物也不同，除了可以产出生物质合成燃气外，还可以产生生物炭和生物质油等。根据原料不同，采用因地制宜的方法，选择出对于当地最有效益的产品，灵活安排生产，可以产生很大的经济效益。综上所述，生物质气化在我国有着巨大的市场潜力。目前,已进入商业化阶段、规模运营的生物质气化炉可以分为固定床气化炉和流化床气化炉两大类型，而固定床气化炉和流化床气化炉又都有多种不同形式。在中国专利授权CN 101613625 B“小型生物质气化炉除焦油方法与装置”和中国专利授权CN 102250649 A“一种具有焦油催化裂解结构的气化炉”中，均采用了小型的固定床气化炉，固定床气化炉有一些难以克服的缺点，如内部过程难于控制、内部物料容易搭桥形成空腔、处理量小等。在专利CN 104910937 A“多功能分段式生物质热解装置”中，将热解气化装置分为了三段式，虽然拥有一些优点，但是结构过于复杂，控制***过于繁琐，串联结构容易导致***因为微小故障而影响整体的生产。另外，在中国发明专利CN103756696 B“双流化床可燃固体废弃物热解油气联产装置及方法”中，流化床的热解炉本体采用常规设计。根据以往的工程经验，在流化床热解反应器在低负荷工况运行时，加热段及热解段(流化床浓相区)内经常出现低于临界流化速度的现象，浓相区内物料流化状态不稳定。这时生物质料极易产生板结或结焦，进而破坏物料正常的流化状态。本发明因为采用了生物质燃气再循环***，循环的生物质燃气和气化剂一起作为流化介质，通过改变生物质燃气和气化剂的配比，进而达到很强的负荷调节能力，可以在***低负荷的时候保障较高的生产效率。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种适应性良好、高效节能、操作灵活及在结构简单的采用生物质燃气再循环工艺的流化床结构的生物质热解气化装置。

为实现上述目的，本发明提供的一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，其中,包括流化床气化炉本体、在流化床气化炉本体的底端上设有的气化剂供给结构和在流化床气化炉本体侧边上设有的防泄漏型进料结构，及在流化床气化炉本体上设有的生物质燃气循环结构；所述的流化床气化炉本体包括锥体加热段、在锥体加热段上设有的热解段和在热解段上设有的锥体扩压段，及在锥体扩压段上设有的沉降段；所述的气化剂供给结构包括与锥体加热段连通的等压风箱、在等压风箱与锥体加热段之间的内部设有的布风板，及在等压风箱上设有的风帽；所述的生物质燃气循环结构包括在锥体扩压段上设有与锥体扩压段上部相通的高温抽气管道和在高温抽气管道上设有的排粉风机，及在排粉风机上设有与锥体加热段上部相通的进气管道和在进气管道端部上设有延伸至锥体加热段内部的喷射管。由此，流化床气化炉本体用不同截面的圆柱体和锥形体组合成、由下至上渐扩的立式布置结构,不同分段的截面积和高度等特征尺寸可以根据实际要求进行调整。其中加热段的渐扩角度为10°，扩压段的渐扩角度也是10°。考虑到炭灰颗粒的密度、粒径、比表面积等因素，进入加热段的流速为1.5至2.5m/s、热解段的流速为2m/s，扩压段出口至沉降段的流速为不大于0.3m/s。在扩压段上部有高温抽气管道，携带炭灰颗粒的生物质燃气被高温排粉风机送到进气管道、通过喷射管输送回加热段，完成生物质燃气再循环过程。上述锥体扩压段和沉降段中，生物质燃气与炭粒中的残余挥发分和残碳继续进行反应。随着流速逐渐降低，稍大粒径的炭灰在区段内沉降滞留，继续维持反应。炭灰浓度降低后的流体连续进入高温旋风分离器。沉降段的高度不小于1.5m,在流速不大于0.3m/s工况下，未反应完毕的炭粒可在沉降段内至少停留5秒钟。

在一些实施方式中，锥体扩压段大小大于锥体加热段；所述沉降段的直径大于热解段的直径。此由下至上逐渐扩大的塔形结构使气化炉各段中流体速度和物料停留时间符合生物质热解气化过程的特性，从而达到较好的热解气化效果。

在一些实施方式中，防泄漏型进料结构包括与锥体加热段相通的螺旋进料器、在螺旋进料器上设有与螺旋进料器相通的生物质原料仓，及在螺旋进料器与生物质原料仓之间设有的星型给料器。这种设备组合可以防止空气从料仓吸入或燃气经螺旋给料器向外泄漏。由此，开始干燥和初步热解反应，然后在热解段中产生热解气化反应。物料在进一步热解的同时在气化剂的作用下进行氧化反应放热，浓相区核心温度为800℃，产生生物质燃气并热解焦油等大分子碳氢化合物。在锥体扩压段中，物料进一步进行还原反应，产生一氧化碳和氢气等可燃气体。随着扩压段截面积逐渐扩大，最终流体速度下降到不大于0.3m/s，为物料均匀、充分地反应提供了良好条件。

在一些实施方式中，锥体加热段、热解段、锥体扩压段和沉降段四者之间是法兰连接或者焊接连接。

在一些实施方式中，锥体加热段与热解段下半部分形成流化床的浓相区；所述的热解段上半部分与锥体扩压段下半部形成流化床的稀相区。由此，浓相区是物料在浓相区内停留4至5分钟，吸收热量同时也热解出大部分挥发份并形成炭粒。浓相区容积应大于此时段输入物料体积的4至5倍。流化床稀相区由热解段的下半部及扩压段构成，物料在稀相区内继续维持热解气化。热解段的高度不小于4m、在流速2m/s工况下，未反应完毕的炭粒可在沉降段内至少停留2秒钟。上述高温排粉风机通过高温抽气管道在锥体扩压段上部抽取生物质燃气和炭灰粒子的混合物，然后通过高温进气管道回送到锥体加热段上部(流化床浓相区)，使没有得到充分反应的含有挥发分和残碳的炭灰粒子再次进入炉内进一步完成反应。同时这部分生物质燃气和炭灰颗粒加热段内向“生料”释放热量，加快其升温速度，起到替代流化床床料蓄热的功能。

在一些实施方式中，流化床气化炉本体一侧设置有与沉降段相通的高温分离器。

在一些实施方式中，高温分离器上设置有与锥体加热段相通的管体；所述的管体上设有的飞灰输送器。由此，生物质燃气经过高温分离器，以550℃至800℃的热燃气输送到前置燃烧室。

本发明采用的是流化床，可以使用颗粒度较小的原料，对灰分的要求也不高；合成燃气以再循环流动的方式，作为流化床内的工作介质使用。合成燃气与气化剂组成反应器内的流化风量，为反应器内的物料流化提供动力。根据入炉原料种类、质量和性质的变化，调节合成燃气与气化剂的比例，使反应器的流化风量保持在临界雷诺数以上。所以针对不同的生物质原料都可以以很高的效率进行工作。

根据以往项目经验，采用秸秆类生物质原料的时候，飞灰中有较高的挥发分和残碳，所以采用再循环工艺后，可以有效的减少最终生物质燃气中的飞灰带走的挥发分和残碳，使整体的气化率和生物质燃气热值得到显著提高。加上炉体的结构设计和流速控制，使热解气化反应的时间延长，达到更好的反应效果。

本发明采用的流化床结构气化效率和气化强度都比较高，因此，其气化炉的断面较小，结构比较紧凑，占地面积小。整个***装置都采用相对简单的结构连接而成，无论是***运行阶段还是检修阶段都比较稳定和简易。热解段和扩压段均采用倒锥体结构，锥角为10°，锥角大于炭灰颗粒自然堆积角度，可防止反应器壁面上堆积物料。

流化床气化的产气能力允许在相对大范围内波动，且气化效率不会明显降低。本发明因为采用了生物质燃气再循环***，循环的生物质燃气和气化剂一起作为流化介质，通过改变生物质燃气和气化剂的配比，进而达到很强的负荷调节能力，可以在***低负荷的时候保障较高的生产效率。

在流化床热解反应器在低负荷工况运行时，加热段及热解段(流化床浓相区)内经常出现低于临界流化速度的现象，浓相区内物料流化状态不稳定。这时生物质料极易产生板结或结焦，进而破坏物料正常的流化状态。流化床使用的燃料颗粒较细，比表面积大，容易得到较高的传热效率，气化反应温度水平易控且均衡，使结渣的可能性减弱。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，包括流化床气化炉本体01、在流化床气化炉本体01的底端上设有的气化剂供给结构02和在流化床气化炉本体01侧边上设有的防泄漏型进料结构03，及在流化床气化炉本体01上设有的生物质燃气循环结构04；流化床气化炉本体01包括锥体加热段11、在锥体加热段11上设有的热解段12和在热解段12上设有的锥体扩压段13，及在锥体扩压段13上设有的沉降段14。气化剂供给结构02包括与锥体加热段11连通的等压风箱21、在等压风箱21与锥体加热段11之间的内部设有的布风板22，及在等压风箱21上设有的风帽23。生物质燃气循环结构04包括在锥体扩压段13上设有与锥体扩压段13上部相通的高温抽气管道41和在高温抽气管道41上设有的排粉风机42，及在排粉风机42上设有与锥体加热段11上部相通的进气管道43和在进气管道43端部上设有延伸至锥体加热段11内部的喷射管44。流化床气化炉本体01用不同截面的圆柱体和锥形体组合成、由下至上渐扩的立式布置结构,不同分段的截面积和高度等特征尺寸可以根据实际要求进行调整。其中加热段6的渐扩角度为10°，扩压段8的渐扩角度也是10°。考虑到炭灰颗粒的密度、粒径、比表面积等因素，进入加热段3的流速为1.5至2.5m/s、热解段12的流速为2m/s，扩压段13出口至沉降段14的流速为不大于0.3m/s。在扩压段上部有高温抽气管道41，携带炭灰粒子的生物质燃气被高温排粉风机42送到进气管道43、通过喷射管44输送回加热段，完成生物质燃气再循环过程。上述锥体扩压段13和沉降段14中，生物质燃气与炭粒中的残余挥发分和残碳继续进行反应。随着流速逐渐降低，稍大粒径的炭灰在区段内沉降滞留，继续维持反应。炭灰浓度降低后的流体连续进入高温旋风分离器05。沉降段14的高度不小于1.5m,在流速不大于0.3m/s工况下，未反应完毕的炭粒可在沉降段14内至少停留5秒钟。锥体扩压段13大小大于锥体加热段11。沉降段14的直径大于热解段12的直径。防泄漏型进料结构03包括与锥体加热段11相通的螺旋进料器31、在螺旋进料器31上设有与螺旋进料器31相通的生物质原料仓32，及在螺旋进料器31与生物质原料仓32之间设有的星型给料器33。开始干燥和初步热解反应，然后在热解段12中产生热解气化反应。物料在进一步热解的同时在气化剂的作用下进行氧化反应放热，浓相区核心温度为800℃，产生生物质燃气并热解焦油等大分子碳氢化合物。在锥体扩压段13中，物料进一步进行还原反应，产生一氧化碳和氢气等可燃气体。随着扩压段截面积逐渐扩大，最终流体速度下降到不大于0.3m/s，为物料均匀、充分地反应提供了良好条件。锥体加热段11、热解段12、锥体扩压段13和沉降段14四者之间是法兰连接或者焊接连接。锥体加热段11与热解段12下半部分形成流化床的浓相区，热解段12上半部分与锥体扩压段13下半部形成流化床的稀相区。浓相区是物料在浓相区内停留4-5分钟，吸收热量同时也热解出大部分挥发份并形成炭粒。浓相区容积应大于此时段输入物料体积的4至5倍。物料在稀相区内继续维持热解气化。热解段12的高度不小于4m、在流速2m/s工况下，未反应完毕的炭粒可在沉降段14内至少停留2秒钟。上述高温排粉风机42通过高温抽气管道41在锥体扩压段13上部抽取生物质燃气和炭灰粒子的混合物，然后通过高温进气管道43回送到锥体加热段11上部(流化床浓相区)，使没有得到充分反应的含有挥发分和残碳的炭灰粒子再次进入炉内进一步完成反应。同时这部分生物质燃气和炭灰粒子加热段内向“生料”释放热量，加快其升温速度，起到替代流化床床料蓄热的功能。流化床气化炉本体01一侧设置有与沉降段14相通的高温分离器05。高温分离器05上设置有与锥体加热段11相通的管体。管体上设有的飞灰输送器06。生物质燃气经过高温分离器05，以550℃至800℃的热燃气输送到前置燃烧室。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，其特征在于,包括流化床气化炉本体、在流化床气化炉本体的底端上设有的气化剂供给结构和在流化床气化炉本体侧边上设有的防泄漏型进料结构，及在流化床气化炉本体上设有的生物质燃气循环结构；

所述的流化床气化炉本体包括锥体加热段、在锥体加热段上设有的热解段和在热解段上设有的锥体扩压段，及在锥体扩压段上设有的沉降段；

所述的气化剂供给结构包括与锥体加热段连通的等压风箱、在等压风箱与锥体加热段之间的内部设有的布风板，及在等压风箱上设有的风帽；

所述的生物质燃气循环结构包括在锥体扩压段上设有与锥体扩压段上部相通的高温抽气管道和在高温抽气管道上设有的排粉风机，及在排粉风机上设有与锥体加热段上部相通的进气管道和在进气管道端部上设有延伸至锥体加热段内部的喷射管。

2.根据权利要求1所述的一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，其特征在于,所述的锥体扩压段大小大于锥体加热段；所述沉降段的直径大于热解段的直径。

3.根据权利要求2所述的一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，其特征在于,所述的防泄漏型进料结构包括与锥体加热段相通的螺旋进料器、在螺旋进料器上设有与螺旋进料器相通的生物质原料仓，及在螺旋进料器与生物质原料仓之间设有的星型给料器。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，其特征在于,所述的锥体加热段、热解段、锥体扩压段和沉降段四者之间是法兰连接或者焊接连接。

5.根据权利要求1所述的一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，其特征在于,所述的锥体加热段与热解段下半部分形成流化床的浓相区；所述的热解段上半部分与锥体扩压段下半部形成流化床的稀相区。

6.根据权利要求1所述的一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，其特征在于,所述的流化床气化炉本体一侧设置有与沉降段相通的高温分离器。

7.根据权利要求6所述的一种采用生物质燃气再循环工艺的流化床热解气化装置，其特征在于,所述的高温分离器上设置有与锥体加热段相通的管体；所述的管体上设有飞灰输送器。