CN114806641B - 一种牛粪制备生物质燃料的***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牛粪制备生物质燃料***及方法，***包括气化炉、旋风分离器，内燃机、换热器以及温度控制器，气化炉连接螺旋给料机，气化炉的下方设置生物炭筛分装置，上部出气口与旋风分离器相连，旋风分离器的出口依次连接冷凝器和洗涤塔，冷凝器的出气口还连接内燃机；内燃机连接发电机发电为厂区提供电能；内燃机的烟气出口连接换热器的热侧入口和气化炉，换热器的冷侧入口和出口分别连接蒸汽发生器和气化炉；将牛粪、其他农林生物质以及催化剂混合气化，降低燃料成本，本发明***产生生物炭可以作催化剂载体和气化原料，气化气用于内燃机燃烧发电，燃烧产生的高温气体作为气化剂和供热，极大提高了牛粪制备生物质燃料的效率。

Description

一种牛粪制备生物质燃料的***及方法

技术领域

本发明涉及牛粪气化领域，具体的说是一种牛粪制备生物质燃料***及方法。

背景技术

近年来，奶牛养殖厂逐渐规模化、集约化，但牛粪的产生量逐渐增加，造成了一系列环境问题，生物质能被认为是最丰富的可再生能源，而牛粪作为生物质的一种，其能源化的利用对于优化能源结构、缓解牛粪带来的环境问题具有极其重要的意义。

牛粪中含有丰富的有机成分，具有转化为生物质燃料的潜力，在草原地区，牧民们收集晾干的牛粪作燃料直接燃烧，虽然方便，但是利用不充分，且易造成空气污染，沼气化利用则存在处理周期长、季节性不稳定、产气率低等问题，而利用热化学技术处理牛粪，不仅能实现牛粪的减量化，还能获得清洁能源—氢能。热化学转化主要包括直接燃烧、热解、液化及气化，若直接燃烧牛粪，不仅污染物浓度高，而且牛粪不易燃尽，一般需将固体磨制成较细的粉末，而采用气化对牛粪进行热化学处理，可获得生物炭以及可燃气等附加值较高的能源产品，该方式被广泛应用。

目前，国内外已经研制出多种类型的畜禽粪便气化装置，但均有不足之处，主要缺陷是：

1.气化装置的热源多来自部分燃料的燃烧，气化温度难以控制，不能根据畜禽粪便的特性及目标产物的不同需求灵活地控制气化温度。

2.装置采用的气化剂种类单一，多为空气，产气率以及气体热值较低，焦油产率较高，易堵塞管路。

3.物料与气化剂、催化剂的比值难以控制，且催化剂难以循环利用，气化原料也较为单一。

4.牛粪气化所产生的生物炭大多做成固体燃料或土壤改良剂，资源化利用方式有限。

5.烘干物料和制备气化剂需消耗额外的燃料或电能，导致***运行成本高。

发明内容

为了解决现有牛粪气化***中存在的问题，本发明提供一种牛粪制备生物质燃料工艺***，气化产生的部分可燃气用于内燃机燃烧发电一部分用于厂用电，一部分并网以及干燥筒供热，另一部分供用户使用。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种牛粪气化制备生物质燃料工艺***，：包括气化炉、旋风分离器，内燃机、换热器以及用于控制气化炉燃烧温度的温度控制器，气化炉的外壁设置加热保温层；气化炉连接螺旋给料机，气化炉的下方设置生物炭筛分装置；气化炉上部出气口与旋风分离器相连，旋风分离器的出口依次连接冷凝器和洗涤塔，洗涤塔的出口连接储气罐，冷凝器的出气口还连接内燃机的进气口，内燃机的进气口连接制氧机；内燃机连接发电机发电为厂区提供电能；内燃机的烟气出口连接换热器的热侧入口和气化炉，换热器的冷侧入口和出口分别连接蒸汽发生器和气化炉，换热器至气化炉的管路上设置蒸气引风机和流量计，内燃机至气化炉的管路上设置有气体调节阀和流量计。

螺旋给料机连接供料机构，所述供料机构包括依次连接的传送装置、烘干机、破碎筛分装置、牛粪颗粒储存仓、物料控制阀和上料仓；上料仓还连接有农林生物质储存仓和生物炭储存仓，农林生物质储存仓和生物炭储存仓的出口均设置物料控制阀，物料控制阀连接有给料控制器，生物炭储存仓的入口连接生物炭储存箱。

蒸汽发生器的出口连接烘干机，换热器的热侧出口连接烘干机，烘干机的气体出口连接除尘器和排烟塔，除尘器的出口还连接气化炉的气体入口，除尘器的出口至气化炉的气体入口设置气体调节阀和第一鼓风机。

旋风分离器的下方设置返料器，返料器的出口连接气化炉的燃料入口，换热器的热侧出口还连接气化炉的气体入口，换热器的热侧出口至气化炉的气体入口设置气体调节阀和第二鼓风机。

冷凝器还连接有焦油回收集箱。

一种牛粪制备生物质燃料的方法，基于本发明所述的牛粪制备生物质燃料***，合格的牛粪与农林生物质粉料经螺旋给料机进入气化炉中进行气化反应，生成气化气和生物质炭，一部分气化气经冷凝后进入内燃机另一部分气化气经冷凝和清洗后存储于储气罐；内燃机燃烧产生高温烟气，一部分高温烟气和水蒸气进入气化炉参与反应，一部分高温烟气进入换热器放热，气化温度为500-900℃。

与牛粪颗粒混合气化的物料为农林生物质，包括木屑、秸秆、水生植物和/或农作物，牛粪与农林生物质的配比为(5:5)～(7:3)。

破碎筛分后的牛粪颗粒尺寸为2-5mm，筛分后的农林生物质颗粒尺寸为0.1-4mm；气化过程所采用的催化剂由镍基催化剂负载在气化所产生生物炭的孔隙结构上制备而成，镍基催化剂采用镍的醋酸盐或硝酸盐，其通过浸渍、烘干以及绝氧煅烧的方式均匀的分散生物炭的孔隙结构上，载镍量为生物炭质量的6％-8％，煅烧温度为700-1000℃，混合原料与催化剂的配比范围为(9:1)～(8:2)。

改变生物质内各单组分原料、气化介质水蒸气、CO₂与催化剂的配比，通过实验获得针对单组分原料的最佳的配比范围，同时基于实验结果构建数据库，根据料仓中的物料储量以及数据库中关于单组分的实验数据，通过加权平均确定牛粪、生物质、气化介质水蒸气、CO₂与催化剂的配比；通过物料配比以及流量计的示数指导给料控制器。

充分放热后的烟气除尘后经第一鼓风机作为流化气直接进入气化炉；在换热器放热之后的烟气进入烘干机加热烘干牛粪或经第二鼓风机作为流化气直接进入气化炉，生物炭用作催化剂载体循环利用，或延长生物炭在气化炉中的停留时间，将其全部气化。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点和有益效果：

本发明所述***能充分利用牛粪和农林生物质粉料混合生成气化气以及生物质炭，一部分气化气通入内燃机燃烧发电，一部分可以供给用户；内燃机产生的高温烟气一部分用于换热加热蒸气，一部分直接作为气化剂通入气化炉，内燃机发电为厂区提供电能，多余的电力还能并网；并且还能将生物质炭全部转化为气化气；***中对牛粪和农林生物质粉料分别配置有存储仓和物料控制机构，实现准确配比以提高产率；本发明采用带有保温加热层以及温度控制器的循环流化床气化炉，可以准确控制气化炉的温度及升温速率，气化效果好；本发明采用独立的气化供电***，气化产生的部分生物燃气通入内燃机中发电，所发的电用于厂房用电，制氧机给内燃机供氧。

进一步的，高温烟气还用于加热蒸气和烘干牛粪，牛粪原料气化前提前用干燥筒对牛粪进行干燥分离水分，然后破碎烘干过后的牛粪使其粒径小于5mm，易流化；一方面，可以解决湿牛粪给料难的问题，另一方面，将干燥出来的水蒸气作为气化剂，可以将牛粪水分里的氢转化为H₂、CH₄等可燃气，提高可燃气热值。

本发明采用将牛粪、木屑以及催化剂按特定比例混合气化的方式，所产生的气体燃烧后获得的每MJ热量的燃料成本达到最低，也可以实现生物炭的最佳利用；

进一步的，本发明所产生的生物炭比表面积大、孔隙率高，将镍基催化剂负载在气化所产生生物炭的孔隙结构上，对反应进行催化，既能使焦油的产率低于5％，有效避免管路堵塞、设备腐蚀等问题，也可实现生物炭的资源化利用。

附图说明

图1为本发明的***示意图。

图2为不同气化温度生成的生物炭中微孔所占百分比。

图中，1—传送装置、2—进料口、3—烘干机、4—破碎筛分装置、5—牛粪颗粒储存仓、6—农林生物质储存仓、7—催化剂储存仓、8—物料控制阀、9—给料控制器、10—上料仓、11—螺旋给料机、12—加热保温层、13—气化炉、14—温度控制器、15—旋风分离器、16—返料器、17—催化剂筛分装置、18—生物炭储存箱、19—冷凝器、20—焦油收集箱、21—洗涤塔、22—储气罐、23—内燃机、24—制氧机、25—换热器、26—除尘器、27—排烟塔、28—蒸气发生器、29—蒸气引风机、30—第二孔板流量计、31—第二孔板流量计、32—第一鼓风机，33—第二鼓风机。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明作进一步详细说明。

本发明所述与牛粪颗粒混合气化的物料为农林生物质，包括木屑、秸秆、水生植物以及农作物；根据现场实验，由于部分可燃气用于内燃机燃烧发电一部分用于厂用电，一部分并网以及干燥筒供热，另一部分供用户使用，***的运行成本主要为原料成本；

其中牛粪和生物质成本包括收集成本、制备成本、干燥成本和运输成本等。考虑到***产生的可燃气燃烧后获得的每MJ热量的燃料成本，牛粪与农林生物质的配比为(5:5)～(7:3)。

破碎筛分后的牛粪颗粒尺寸为2-5mm，筛分后的农林生物质颗粒尺寸为0.1-4mm由于农林生物质种类广泛，因此最佳颗粒尺寸范围大，所采用的催化剂由镍基催化剂负载在气化所产生生物炭的孔隙结构上制备而成，镍基催化剂采用镍的醋酸盐或硝酸盐，其通过浸渍、烘干以及绝氧煅烧的方式均匀的分散生物炭的孔隙结构上，载镍量为生物炭质量的6％-8％，煅烧温度为700-1000℃，混合原料与催化剂的配比范围为(9:1)～(8:2)。

实施例1、本发明的***构成及其连接方式

由图1所示，本发明提出的一种牛粪制备生物质燃料工艺***，主体为烘干机3、气化炉13和内燃机23，三者可根据实际情况灵活布置。烘干机3用于牛粪的干燥，烘干机3的进料口2与传送装置1相连，出料口与破碎筛分装置4的进料口相连，破碎筛分装置4用于破碎筛分牛粪颗粒，破碎筛分装置4的出料口与牛粪颗粒储存仓5相连。牛粪颗粒储存仓5、农林生物质储存仓6和催化剂储存仓7经物料控制阀8以及物料控制器9与上料仓10进料口相连，物料控制器9用于控制进入气化炉13气化的物料量，上料仓10出口与螺旋给料机11相连，螺旋给料机11用于将混合物料输送至气化炉13中进行气化反应。气化炉的副产物生物炭进入生物炭筛分装置17，筛出生物炭进入生物炭储存箱18中供循环利用；剩余混合物进入旋风分离器15中，旋风分离器15将气化产物与未反应的物料颗粒分离，未反应的物料进一步参与气化，分离出的物料颗粒进入返料器中16，返料器出口与气化炉相连。旋风分离器15分离后的气体产物进入冷凝器19，冷凝器19将过滤的气态产物冷凝，得到冷凝焦油和未冷凝生物燃气，焦油进入焦油收集箱20中，冷凝器19的出口与水洗塔21相连，水洗塔21用于对生物燃气进行进一步脱尘、除焦和降温，净化后的气体进入储气罐22中。未进洗涤塔的部分气化气进入内燃机23发电，制氧机24给内燃机23提供纯氧，内燃机23产生的高温气体经气体出口一部分进入换热器25，另一部分作为气化剂与水蒸气一起送入气化炉13中，换热器25将高温气体的一部分热量传递给从烘干机3以及蒸气发生器28中流出的水蒸气，换热后的高温气体一部分经进口进入烘干机3烘干牛粪，另一部分作为流化气送入气化炉13中，烘干后的烟气进入除尘器26中，除尘器26流出的烟气一部分经排烟塔27排出，另一部分也作为流化气送入气化炉13中。经换热器25升温后的水蒸气与内燃机流出的部分气体作为气化剂一同送入气化炉13中，第一孔板流量计31和第二孔板流量计32配合调节阀控制进入气化炉13中气化剂的量。

实施例2、牛粪气化制备生物质燃料

采用实施例1中构建的***，本实施例的工艺过程如下：

将传送装置上的牛粪经进料口2加入烘干机3中进行烘干，烘干产生的水蒸气与蒸气发生器28产生的水蒸气一起进入换热器26内加热，蒸气引风机29将加热后的水蒸气送入气化炉13气化，被干燥后的牛粪进入破碎筛分装置4进行破碎筛分，筛出过后的牛粪颗粒进入牛粪颗粒储存仓5，筛分的牛粪颗粒尺寸为2-5mm，将筛分过后尺寸为0.5-4mm的农林生物质送入农林生物质储存仓6中，其中，表1列举了牛粪与几种与常见生物质的配比，所采用的催化剂由镍基催化剂负载在气化所产生的生物炭的孔隙结构上制备而成，优选的，镍基催化剂采用镍的醋酸盐或硝酸盐，其通过浸渍、烘干以及绝氧煅烧的方式均匀的分散生物炭的孔隙结构上，载镍量为生物炭质量的6％-8％，煅烧温度为700-1000℃，混合物料与催化剂的配比范围如表1所示。接着将三个储存仓中物料经物料控制阀8和给料仓10按设定比例送入螺旋给料机中11，物料控制器9用于准确控制给料量，螺旋给料机11将混合物料送入气化炉13中气化，气化炉外面设有加热保温层12和温度控制器14，通过温度控制器14准确控制气化炉13的气化温度及升温速率，气化温度为500-900℃，升温速率为10℃/mim。气化的副产物生物炭进入生物炭筛分装置中进行筛分，筛分出的生物炭送入生物炭储存箱7中供循环利用，剩余混合物进入旋风分离器15中分离，分离出的未反应物料经返料器16进入气化炉13中循环气化，分离出的混合气体送入冷凝器19中冷凝，冷凝焦油进入焦油收集箱20中，未冷凝气体部分送入内燃机23中燃烧发电，剩余的可燃气一部分用于厂房用电，另一部分供用户使用。制氧机24给内燃机23提供纯氧，发电后产生的高温气体主要为CO₂，将其一部分送入换热器25中，将水蒸气加热至400-500℃，另一部分作为气化剂与水蒸气一起送入气化炉13中，从换热器23流出的气体一部分通入烘干机3中烘干牛粪，另一部分作为流化气送入气化炉13中，烘干过后的气体进入除尘器26中除尘，除尘过后的气体一部分经排烟塔28排出，另一部分也作为流化气送入气化炉13中。

表1

混合物料的组成	混合物料的比例	混合物料与催化剂比例
			牛粪：木屑	(7:3)～(7:4)	(9:1)～(9:1.1)
牛粪：花生壳	(7:4)～(7:5)	(9:2)～(9:2.1)
			牛粪：麦秆	(7:5)～(7:6)	(8:1)～(8:1.4)
牛粪：菌包：木屑	(7:1:6)～(7:2:5)	(8:1.5)～(8:2)
			牛粪：稻壳：木屑	(7:1:6)～(7:6:1)	(8:1)～(8:1.6)

注：牛粪含水量为70～80％；木屑含水量为30～40％；花生壳含水量为10～15％；麦秆含水量为5～20％；菌包含水量为50～65％；稻壳含水量5～15％。

对照组

对照组采用上吸式固定床气化炉对干牛粪和表1中的混合物料进行气化，气化介质为空气，未加催化剂，气化温度与实施例对应。

为了更直观地说明本发明的技术效果，现对实施例2、对照组中不同反应的活化能以及不同气化温度下制得的气体体积分数、气体热值、固定炭产率、固定炭的比表面积、总孔隙率、平均孔径、孔径分布、焦油产率以及产气率进行统计。

表2

表3

表4

由表2可得，与对照组相比，无镍基生物炭催化剂的情况下，生物质气化产生气体所需的活化能较高；在添加镍基生物炭催化剂时，生物质气化产生气体所需的活化能则减少。由此看出该镍基生物炭催化剂对气化反应具有催化作用，可明显降低气化过程的活化能。

由表3可得，与对照组相比，本发明的产气率显著提高，固定炭和焦油产率均有所降低，此外，所得固定炭的比表面积及孔隙率均显著增加，丰富的孔隙结构有利于在其表面进行催化剂负载，能提供更多的活性位点，将产生的生物炭作为催化剂载体，催化效果好。

由表4可得，相比于对照组，本发明的可燃气气体产率明显增加，且CO、H₂、CH₄、等组分在可燃气体中的体积分数增大，气体热值显著提高。

由图2可得，随着温度的升高，生物炭中微孔所占百分比先上升后下降，在700℃达最大值，700℃附近有益于获得较好的孔结构(孔小而细密，大比表面积，小平均孔径)的焦炭。

本发明在气化前提前用干燥筒对牛粪进行干燥分离水分，一方面，可以解决湿牛粪给料难的问题，另一方面，将干燥出来的水蒸气作为气化剂，可以将牛粪水分里的氢转化为H₂、CH₄等可燃气，提高可燃气热值。此外，将牛粪、其他农林生物质以及催化剂按设定比例混合气化，使得产生气体燃烧后获得的每MJ热量的燃料成本最低，所采用的催化剂由镍基催化剂负载在气化所产生生物炭的孔隙结构上制备而成，镍基催化剂采用Ni的醋酸盐或硝酸盐，其通过浸渍、烘干以及绝氧煅烧的方式均匀的分散生物炭的孔隙结构上；本发明装置产生的生物炭，不仅可以作催化剂载体，此外，通过生物炭的循环利用延长其在装置中的停留时间，将其全部气化。气化产生的部分可燃气用于内燃机燃烧发电一部分用于厂用电，一部分并网以及干燥筒供热，另一部分供用户使用。而燃烧产生的高温气体一部分作为气化剂，另一部分用于供热，极大提高了牛粪制备生物质燃料的效率。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明所述方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为在本发明权利要求的保护范围内。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种牛粪制备生物质燃料***，其特征在于：包括气化炉（13）、旋风分离器（15），内燃机（23）、换热器（25）以及用于控制气化炉（13）燃烧温度的温度控制器（14），气化炉（13）的外壁设置加热保温层（12）；气化炉（13）连接螺旋给料机（11），气化炉（13）的下方设置生物炭筛分装置（17）；气化炉（13）上部出气口与旋风分离器（15）相连，旋风分离器（15）的出口依次连接冷凝器（19）和洗涤塔（21），洗涤塔（21）的出口连接储气罐（22），冷凝器（19）的出气口还连接内燃机（23）的进气口，内燃机（23）的进气口连接制氧机（24）；内燃机（23）连接发电机发电为厂区提供电能；内燃机（23）的烟气出口连接换热器（25）的热侧入口和气化炉（13），换热器（25）的冷侧入口和出口分别连接蒸汽发生器（28）和气化炉（13），换热器（25）至气化炉（13）的管路上设置蒸气引风机和流量计，内燃机（23）至气化炉（13）的管路上设置有气体调节阀和流量计；螺旋给料机（11）连接供料机构，所述供料机构包括依次连接的传送装置（1）、烘干机（3）、破碎筛分装置（4）、牛粪颗粒储存仓（5）、物料控制阀（8）和上料仓（10）；上料仓（10）还连接有农林生物质储存仓（6）和生物炭储存仓（7），农林生物质储存仓（6）和生物炭储存仓（7）的出口均设置物料控制阀（8），物料控制阀（8）连接有给料控制器（9），生物炭储存仓（7）的入口连接生物炭储存箱（18）；生物炭筛分装置（17）的出口连接生物炭储存箱（18）的入口，蒸汽发生器（28）的出口连接烘干机（3），换热器（25）的热侧出口连接烘干机（3），烘干机（3）的气体出口连接除尘器（26）和排烟塔（27），除尘器（26）的出口还连接气化炉（13）的气体入口，除尘器（26）的出口至气化炉（13）的气体入口设置气体调节阀和第一鼓风机（32）；旋风分离器（15）的下方设置返料器（16），返料器（16）的出口连接气化炉（13）的燃料入口，换热器（25）的热侧出口还连接气化炉（13）的气体入口，换热器（25）的热侧出口至气化炉（13）的气体入口设置气体调节阀和第二鼓风机（33）。

2.根据权利要求1所述的牛粪制备生物质燃料***，其特征在于：冷凝器（19）还连接有焦油回收集箱（20）。

3.一种牛粪制备生物质燃料的方法，其特征在于：基于权利要求1-2任一项所述的牛粪制备生物质燃料***，合格的牛粪与农林生物质粉料经螺旋给料机（11）进入气化炉（13）中进行气化反应，生成气化气和生物质炭，一部分气化气经冷凝后进入内燃机（23）另一部分气化气经冷凝和清洗后存储于储气罐（22）；内燃机（23）燃烧产生高温烟气，一部分高温烟气和水蒸气进入气化炉参与反应，一部分高温烟气进入换热器（25）放热，气化温度为500-900℃；与牛粪颗粒混合气化的物料为农林生物质，包括木屑、秸秆和水生植物，牛粪与农林生物质的配比为(5:5)~(7:3)；破碎筛分后的牛粪颗粒尺寸为2-5mm，筛分后的农林生物质颗粒尺寸为0.1-4mm；气化过程所采用的催化剂由镍基催化剂负载在气化所产生生物炭的孔隙结构上制备而成，镍基催化剂采用镍的醋酸盐或硝酸盐，其通过浸渍、烘干以及绝氧煅烧的方式均匀的分散生物炭的孔隙结构上，载镍量为生物炭质量的6%-8%，煅烧温度为700-1000℃，混合原料与催化剂的配比范围为(9:1)~(8:2)；充分放热后的烟气除尘后经第一鼓风机（32）作为流化气直接进入气化炉（13）；在换热器（25）放热之后的烟气进入烘干机（3）加热烘干牛粪再经第二鼓风机（33）作为流化气直接进入气化炉（13），生物炭用作催化剂载体循环利用，或延长生物炭在气化炉（13）中的停留时间，将其全部气化。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：改变生物质内各单组分原料、气化介质水蒸气、CO₂与催化剂的配比，通过实验获得针对单组分原料的最佳的配比范围，同时基于实验结果构建数据库，根据上料仓（10）中的物料储量以及数据库中关于单组分的实验数据，通过加权平均确定牛粪、生物质、气化介质水蒸气、CO₂与催化剂的配比；通过物料配比以及流量计的示数指导给料控制器（9）。

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