CN106978212B - 秸秆类生物质制甲醇合成气设备 - Google Patents

秸秆类生物质制甲醇合成气设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种秸秆类生物质制甲醇合成气设备，为下吸式固定床气化炉，气化炉包括炉体、炉膛、炉顶操作空间和炉底贮灰空间，炉体包括骨架及保温层和环形燃气通道，炉膛内下部设有炉排，炉顶设有加料口，炉体侧壁上部设有燃气出口，下部设有进风口、灰门，环形燃气通道横截面积为炉膛横截面积的30%～60%；操作空间和贮灰空间的高度分别为气化炉总高度的30%～60%；炉排为手摇式翻转炉排，翻转角度为45O，为高温耐热钢浇铸而成；保温层为高铝水泥耐火材料浇注一次成型；操作空间与炉膛之间设有喉口，喉口与操作空间和炉膛分别通过上下锥形面相连接，沿上锥形面环向均布设有多个二次进风口。本发明气化效率高，燃气质量好，耐用且运行稳定，物料适应性好，与甲醇合成气生产工艺技术配套。

Description

秸秆类生物质制甲醇合成气设备
技术领域
本发明属于生物质制甲醇技术领域，特别是涉及一种秸秆类生物质制甲醇合成气设备。
背景技术
生物质制甲醇技术总体划分为两大部分，第一部分为生物质热化学气化制原料气及合成气；第二部分为合成气在一定压力和温度条件下经催化剂催化合成粗甲醇，粗甲醇经精馏后得到甲醇产品。
按照生物质热化学气化过程使用的气化剂的不同，将气化装置分为四类。第一类为空气气化炉，气化剂为空气，产生4.2～7.56MJ/m3的低热值原料气，主要用于供暖，做饭，锅炉，干燥及动力；第二类为氧气气化炉，气化剂为氧气，产生10.92～18.9MJ/m3的中热值原料气，主要用于区域管网，发电，合成燃料及氨，第三类为水蒸气气化炉，水蒸气为气化剂，产生中热值原料气，用途同氧气气化炉；第四类为氢气气化炉，气体剂为氢气，产生22.26～26.04MJ/m3的高热值原料气，主要用于管网，工艺热源。目前仅有第一类气化炉已达到商业化阶段，其它类型装置仍处于实验室或示范阶段。
按照气化装置内部结构划分，气化炉又分为固定床和流化床两类。固定床气化炉又分为下吸式、上吸式、横吸式、开心式四种类型；流化床气化炉分为单床、双床、循环床三种类型。不管采用那种类型的气化炉，均可生产生物质原料气，但所产原料气质量差别较大，其中下吸式和循环流化床气化炉生产的生物质原料气较适合于甲醇合成。
然而，目前市场上许多生物质气化炉气化效率＜70%，燃气低位发热量＜4.6 MJ/Nm3，燃气中一氧化碳含量＞20%，低于 NY/T443-2001标准，既造成能量浪费，又对用户生命安全构成威胁。因此，如何合理地设计气化炉，使其气化效率高，燃气质量好，燃气指标符合国家标准，并与甲醇合成气生产工艺技术相配套，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服上述现有技术的不足，而提供一种气化效率高，燃气质量好，耐用且运行稳定，物料适应性好，与甲醇合成气生产工艺技术配套的秸秆类生物质制甲醇合成气设备。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
设计一种秸秆类生物质制甲醇合成气设备，包括下吸式固定床气化炉，所述气化炉包括炉体、炉膛、炉顶操作空间和炉底贮灰空间，炉体包括骨架及内层所设的保温层，炉膛内下部设有炉排，炉顶设有加料口，且与操作空间连通，炉体侧壁上部设有燃气出口，炉体侧壁下部设有进风口，相对于贮灰空间、在炉体侧壁下部设有灰门，在炉体骨架中层内、环绕炉膛外部设有一环形燃气通道，该环形通道上部与燃气出口连通，所述环形燃气通道的横截面积为整个炉膛横截面积的30%～60%；所述操作空间的高度为整个气化炉高度的30%～60%，所述贮灰空间的高度为整个气化炉高度的30%～60%；所述炉排为手摇式翻转炉排，该炉排的翻转角度为 45°，且炉排为高温耐热钢浇铸而成；所述保温层为高铝水泥耐火材料整体浇注一次成型；所述操作空间与炉膛之间设有喉口，喉口与操作空间和炉膛分别通过上下锥形面相连接，其中沿上锥形面环向均布设有多个二次进风口。
优选地，在上述秸秆类生物质制甲醇合成气设备中，在炉体骨架外层内设置有一循环水夹套。
优选地，在上述秸秆类生物质制甲醇合成气设备中，所述炉顶同时设有观察口。
优选地，在上述秸秆类生物质制甲醇合成气设备中，所述喉口最窄部分直径为炉膛直径的30%～60%，喉口最窄部分的高度为整个气化炉高度的30%～60%；所述上下锥形面与水平面的夹角为45～60°；所述二次进风口的出口端直径为喉口最窄部分直径的1.0～1.5倍。
优选地，在上述秸秆类生物质制甲醇合成气设备中，所述手摇式翻转炉排包括多个并行设置的炉排及手摇翻转机构，其中手摇翻转机构包括连杆、滑杆和摇杆，其中连杆与各炉排分别通过销轴转动连接，滑杆上部设有滑动槽，该滑动槽与连杆中部所设销轴上下滑动匹配连接，摇杆通过转轴连接在滑杆的下端。
优选地，在上述秸秆类生物质制甲醇合成气设备中，所述炉体骨架为 Q235 结构钢焊接而成。
优选地，在上述秸秆类生物质制甲醇合成气设备中，所述高铝水泥耐火材料包括40%重量份的10-15 骨料，15%重量份的高铝细粉和15%重量份的525#水泥。
优选地，在上述秸秆类生物质制甲醇合成气设备中，所述炉排材料为2G35Cr24N27SiN 耐热钢。
本发明技术方案的有益技术效果是：
1.在结构上，本发明选择下吸式气化炉结构，结构比较简单，工作稳定性好；可随时开盖添料，利于连续加料生产；气体中的焦油在通过下部高温区时，一部分被分解成小分子永久性气体（再降温时不凝结成液体），所以出炉的可燃气中焦油含量较少，因而生物质燃气质量好，杂质（特别是焦油）含量少。
2.在结构上，本发明在气化炉炉膛外部设一环型燃气通道，使燃气经炉排吸出后，沿环形通道上升，同时由于环形通道截面积大，燃气流速低，使一部分较大颗粒的灰分降落到贮灰空间，在上升的同时也可提高炉膛内部的温度，使生物质内的半焦油裂解，从而提高燃气发热量，降低燃气中杂质含量。
3.在结构上，本发明操作空间和贮灰空间的高度相对于整个气化炉总高度，设计合理，能够保证气体与物料有足够的接触时间，即物料在炉内应有足够的滞留时间，从而满足气化炉中复杂的化学过程和热力过程的正常运行。
4.在结构上，本发明选用手摇式翻转炉排，且炉排翻转角度为 45°，从而满足气化剂的均匀分布和灰渣残碳的顺畅排输要求；炉排用高温耐热钢浇铸而成，有足够的抗烧损、抗热变形能力，从而有利于整个气化炉的稳定运行。
5.在结构上，本发明采用高铝水泥耐火材料整体浇注一次成型，可保证耐火材料有一定寿命和高温强度，从而克服了其它气化炉耐火材料易脱落、使用寿命短等缺点；在气化炉最外层设置一循环水夹套，既可降低燃气温度，又可使气化炉表面温度不致过高，保证了操作人员的安全。
6.综上，本发明气化效率高，燃气质量好，而且结构简单、操作方便、价格低廉，同时坚固耐用、运行稳定，物料适应性好，安全性能好，因而适用范围广，利于推广实施。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明秸秆类生物质制甲醇合成气设备的结构示意图；
图2为下吸式气化炉的工作原理图；
图3为本发明所含炉排在正常位置状态的结构示意图；
图4为本发明所含炉排在极限位置状态的结构示意图；
图中序号：1、炉膛，2、操作空间，3、贮灰空间，4、保温层，5、环形燃气通道，6、循环水夹套，7、炉排，8、加料口，9、观察口，10、燃气出口，11、灰门，12、喉口，13、二次进风口，14、连杆，15、滑杆，16、摇杆，17、销轴，18、滑动槽，19、销轴，20、转轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围，在以下实施例中所涉及的仪器元件如无特别说明，均为常规仪器元件。
参见图2，图中，本发明秸秆类生物质制甲醇合成气设备，全面考虑生物质燃气质量、杂质含量（特别是焦油）、炉体结构简单、稳定性好、连续加料等各项指标，经长期的试验研究和对比分析，选择下吸式气化炉结构。该下吸式气化炉的工作原理：生物质原料由炉顶的加料口投入炉体，作为气化剂的空气也由进气口入炉内，炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、还原层、氧化层。采用下吸式气化炉，结构比较简单；工作稳定性好；可随时开盖添料；气体中的焦油在通过下部高温区时，一部分被分解成小分子永久性气体（再降温时不凝结成液体），所以出炉的可燃气中焦油含量较少。
参见图1，图中，本发明秸秆类生物质制甲醇合成气设备，所用下吸式气化炉包括炉体、炉膛1、炉顶操作空间2和炉底贮灰空间3，其中炉体包括骨架及骨架内层所设的保温层4、骨架中层的环形燃气通道5和骨架外层内置的循环水夹套6。炉膛内下部设炉排7，炉顶设有加料口8和观察口9，与操作空间连通，炉体侧壁上部设有燃气出口10，炉体侧壁下部设有进风口，相对于贮灰空间、在炉体侧壁下部设有灰门11，环形燃气通道上部与燃气出口连通。操作空间与炉膛之间设有喉口12，喉口与操作空间和炉膛分别通过上下锥形面相连接，其中沿上锥形面环向均布设有多个二次进风口13。
进一步的，其中环形燃气通道的横截面积为整个炉膛横截面积的30%～60%；操作空间的高度为整个气化炉高度的30%～60%，贮灰空间的高度为整个气化炉高度的30%～60%；喉口最窄部分直径为炉膛直径的30%～60%，喉口最窄部分的高度为整个气化炉高度的30%～60%；上下锥形面与水平面的夹角为45-60°；二次进风口的出口端直径为喉口最窄部分直径的1.0-1.5倍。
下面以产气量2000Nm3/h、输出热量为 11000MJ/h的气化炉设计为例：
（1）气化原料的选取和生物质燃气组分的确定
气化原料：选用目前农村最常见的各种物料：包括玉米芯、花生壳、玉米秸秆、麦秸、稻草及各类木屑等。
生物质燃气组分：用现行使用中的生物质燃气平均值进行设计计算。
生物质燃气组分的体积百分含量表
Figure 393383DEST_PATH_IMAGE001
（2）生物质气化炉主要结构参数设计
①气化强度：选用的气化强度为190kg/m2·h
②炉膛截面积：4.90m2
③炉膛直径: 1.25m
④气化炉高度的确定：
在气化炉中有着复杂的化学过程和热力过程，要使这些过程正常运行，就必须保证气体与物料有足够的接触时间，即物料在炉内应有足够的滞留时间，这与燃烧层的高度及物料与气流运动的相对速度紧密相关。而设计操作空间高度为0.6m和贮灰空间高度为1.2m，气化炉总高度为3.40m。
⑤气化炉其它结构的设计
炉排的设计
炉排是固定床气化炉中最易损坏的部件，一般的气化炉，每年就需要更换一次炉排。因此炉排的设计对气化炉的稳定运行至关重要。下吸式气化炉炉排在结构上应满足气化剂的均匀分布和灰渣残碳的顺畅排输要求，材质上有足够的抗烧损、抗热变形能力。根据以上要求选用手摇式翻转炉排，翻转角度为 45O，炉排的正常位置见图3，炉排的极限位置图见图4。炉排用高温耐热钢浇铸而成，有足够的抗烧损、抗热变形能力。
参见图1、3-4，手摇式翻转炉排包括多个并行设置的炉排7及手摇翻转机构，其中手摇翻转机构包括连杆14、滑杆15和摇杆16，其中连杆与各炉排分别通过销轴17转动连接，滑杆上部设有滑动槽18，该滑动槽与连杆中部所设销轴19上下滑动匹配连接，摇杆通过转轴20连接在滑杆的下端。
耐火材料的选用
由于气化炉是间歇式运行，受的是循环热应力，操作时易碰撞，必须保证耐火材料有一定寿命和高温强度，使用高铝水泥耐火材料整体浇注一次成型，可满足要求。
出气通道
生物质气化过程中容易携带大量的粉灰，在气化炉炉膛外部设一环型燃气通道，使燃气经炉排吸出后 ，沿环形通道上升，由于环形通道截面积大，燃气流速低，使一部分较大颗粒的灰分降落到贮灰空间，在上升的同时也可提高炉膛内部的温度，使生物质内的半焦油裂解，从而提高燃气发热量，降低燃气中杂质含量。
循环水夹套
在气化炉最外层设置一循环水夹套，既可降低燃气温度，又可使气化炉表面温度不致过高，保证了操作人员的安全。
该气化炉与其它气化炉相比具有以下优点：
（1）采用高铝骨料作为炉膛保温材料和高温耐热钢制作炉排，克服了其它气化炉耐火材料易脱落、炉子易变形和炉排易烧坏等缺点。
（2）环行出气通道能够从根本上降低生物质燃气的杂质含量，从而减轻了净化***的负担。
（3）循环水夹套既能充分余热利用，又能大幅度降低生物质燃气温度。
（4）气化炉结构简单，降低了产品成本。
（5）提高了气化效率并生产高热值合成气，气化效率﹥85%，生物质燃气低位发热量＞25.0MJ/Nm3。
（6）提高了合成气的质量，燃气中一氧化碳含量＜15%，氧含量＜1.0%，杂质含量（焦油和灰分）＜25mg/Nm3。
（7）气化炉运行稳定，能够连续运行24小时以上。中间间歇2小时。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (4)

1.一种秸秆类生物质制甲醇合成气设备，包括下吸式固定床气化炉，所述气化炉包括炉体、炉膛、炉顶操作空间和炉底贮灰空间，炉体包括骨架及内层所设的保温层，炉膛内下部设有炉排，炉顶设有加料口，且与操作空间连通，炉体侧壁上部设有燃气出口，炉体侧壁下部设有进风口，相对于贮灰空间、在炉体侧壁下部设有灰门，其特征是：在炉体骨架中层内、环绕炉膛外部设有一环形燃气通道，该环形通道上部与燃气出口连通，所述环形燃气通道的横截面积为整个炉膛横截面积的30%～60%；所述操作空间的高度为整个气化炉高度的30%～60%，所述贮灰空间的高度为整个气化炉高度的30%～60%；所述炉排为手摇式翻转炉排，该炉排的翻转角度为 45°，且炉排为高温耐热钢浇铸而成；所述保温层为高铝水泥耐火材料整体浇注一次成型；所述操作空间与炉膛之间设有喉口，喉口与操作空间和炉膛分别通过上下锥形面相连接，其中沿上锥形面环向均布设有多个二次进风口；
在炉体骨架外层内设置有一循环水夹套；
所述炉顶同时设有观察口；
所述喉口最窄部分直径为炉膛直径的30%～60%，喉口最窄部分的高度为整个气化炉高度的30%～60%；所述上下锥形面与水平面的夹角为45～60°；所述二次进风口的出口端直径为喉口最窄部分直径的1.0～1.5倍；
所述手摇式翻转炉排包括多个并行设置的炉排及手摇翻转机构，其中手摇翻转机构包括连杆、滑杆和摇杆，其中连杆与各炉排分别通过销轴转动连接，滑杆上部设有滑动槽，该滑动槽与连杆中部所设销轴上下滑动匹配连接，摇杆通过转轴连接在滑杆的下端。
2.据权利要求1所述的秸秆类生物质制甲醇合成气设备，其特征是：所述炉体骨架为Q235 结构钢焊接而成。
3.据权利要求1所述的秸秆类生物质制甲醇合成气设备，其特征是：所述高铝水泥耐火材料包括40%重量份的10-15 骨料，15%重量份的高铝细粉和15%重量份的525#水泥。
4.据权利要求1所述的秸秆类生物质制甲醇合成气设备，其特征是：所述炉排材料为2G35Cr24N27SiN 耐热钢。
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