CN115247084B - 基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，包括燃烧炉和气化管道，所述气化管道的主体部分位于燃烧炉内，前端设有生物质物料入口，后端具有合成气出口，该气化管道能够以分段式热解气化方式热解气化自生物质物料入口引入的生物质，并将生成的合成气由合成气出口引出，燃烧炉在气化管道后端设有残碳储存仓，并配置有残碳给料机，用于将气化管道热解气化后产生的残碳引入燃烧炉燃烧，为气化管道中生物质的热解气化提供热源。本发明通过将生物质热解气化和燃烧过程相互分离，并耦合多段式的热解气化，从而大幅提升了合成气的品质，同时，通过燃烧生物质热解气化残余固体碳为热解气化提供热源，实现了生物质能的高效利用。
Description
技术领域
本发明涉及生物质处理技术领域，尤其是基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***。
背景技术
生物质通过光合作用在自然界中形成碳循环,因此是一种零碳排放的清洁能源,不会产生温室效应，并且生物质储量丰富，因此，充分有效的利用生物质资源，对于改善能源利用方式、解决日益严重的环境及能源短缺问题具有重要意义。
当前，生物质气化常见的工艺主要是采用空气作为气化剂，通过固化床、流化床等立式炉进行生物质的干燥、热解气化、部分氧化燃烧、合成气还原等过程，将生物质部分转化为可燃性气体(合成气)，以便将产出的合成气进行工业应用。
传统的生物质气化工艺首先采用部分氧化供热，燃烧与热解气化在同一过程中，期间引入不可燃气体与热解气混合，造成后续处理***负荷大幅增加，降低了热解合成气品质，另外，由于热解气还原不充分、反应时间短等因素影响，容易导致的合成气产品焦油含量多，进一步降低了合成气的品质。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，能够将生物质热解气化与燃烧过程分离，增加生物质热解气化反应时间，强化焦油的分解过程，从而提高合成气的品质。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，包括燃烧炉和气化管道，所述气化管道的主体部分位于燃烧炉内，前端设有生物质物料入口，后端具有延伸至燃烧炉外的合成气出口，该气化管道能够以分段式热解气化方式热解气化自生物质物料入口引入的生物质，并将生成的合成气由合成气出口引出，燃烧炉在气化管道后端设有残碳储存仓，并配置有残碳给料机，用于地将气化管道热解气化后产生的残碳引入燃烧炉燃烧，为气化管道中生物质的热解气化提供热源。
在上述***中，生物质热解气化过程在气化管道中进行，氧化燃烧在燃烧炉内，将常规生物质热解气化过程的热解气化与氧化燃烧分开在两个独立的***内完成，并相互耦合，利用热解气化产生的残余固体炭作为燃料，氧化燃烧所产生的热量为热解气化提供热源，燃烧产生的烟气和助燃剂内的氮气不会进入到热解气化产生的合成气中，从而较大程度地提升了力合成气的品质。
进一步地，所述气化管道内设有螺旋输送装置，该气化管道的主体部分以迂回方式布置在燃烧炉内，并设有至少一处气化剂入口。借此，生物质和合成气在气化管道内同向运动，前一阶段热解产生的焦油能够在后续的气化过程中被前期产生的固体碳催化分解，减少合成气中的焦油量，气化管道迂回布置，有助于实现生物质的分段式热解气化，同时提高设备的空间利用率。
更进一步地，所述主体部分在燃烧炉垂直方向上呈蛇形排布，并由下向上延伸，以使燃烧炉内热量分布更符合气化管道内分段式热解气化的需要，气化剂入口共三处，一处设置主体部分前端，其余两处对应设置在主体部分的两处折弯位置，这样，以三段式热解气化方式实现生物质在不同温度和反应气氛下的热解气化，可有效控制热解和气化所需的反应温度和反应气氛，增加了反应时间，加强了气固反应过程，从而进一步提升了热解气化产生的合成气品质。
作为优选，所述气化管道的外壁上设有传热肋片，以加强燃烧烟气与气化管道之间的传热。
作为优选，所述气化管道至少为两根，在燃烧炉内沿横向并列布置，以满足设备不同负荷大小的需要。
作为优选，所述燃烧炉上方设有余热换热器和蒸汽过热器，产生的蒸汽可通过膨胀设备将热能转换为机械能或进行局部供热，实现燃烧尾气的余热回收利用，提高能源利用率。
作为优选，所述燃烧炉采用常见的链条炉，其具有炉排，残碳储存仓位于该炉排尾部上方，利用残炭储存仓下方设计的给料机构，可以将残余固体炭均匀布置在链条炉炉排上，同时起密封作用，防止燃烧烟气或空气进入到残炭存储仓，既提升合成气品质，也保证残炭存储仓安全，还方便布局。
作为优选，所述炉排下方设有分区风斗，通过控制分区风斗给风量，可以保证残余固体碳完全燃烧，同时由于高温固体炭易燃特性，可有效控制燃烧风量，减少了气化炉的烟气量，提升气化炉内的温度，进而提升生物质热解气化合成气品质。分区风斗的进风管路上设有空气预热器，该空气预热器位于燃烧炉的烟道中，利用余热对引入链条炉的空气进行预热，提升燃烧效率和整体能源利用率。
所述合成气出口配置有引风机，并连接有冷却和净化装置，以方便引出合成气进行净化和封装。
有益效果：
本发明通过将生物质热解气化和燃烧过程相互分离，并耦合多段式的热解气化，从而大幅提升了合成气的品质，同时，通过燃烧生物质热解气化残余固体碳为热解气化提供热源，实现了生物质能的高效利用。
附图说明
图1为本发明的示例性结构示意图；
图2为图1燃烧炉的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示的基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，包括燃烧炉1和气化管道2，其中，生物质的热解气化在气化管道2内完成，热解气化产生的残碳引入燃烧炉1中燃烧，为气化管道2中生物质热解气化提供热源。
请参照图2，本实施例中，燃烧炉1优选为链条炉，气化管道2的主体部分20位于燃烧炉1的炉膛10中，其前端设有生物质物料入口21用于向气化管道2内引入生物质物料，主体部分20在炉膛10内由下往上呈蛇形迂回延伸，整体呈“S”形的三段式结构，主体部分20内设有螺旋输送装置23，通过位于气化管道2前端的驱动电机26将从生物质物料入口21引入的生物质物料由前向后进行输送，在主体部分20引入炉膛10的前端部分以及两处折弯位置各设有一气化剂入口24，使气化管道2能够以分段式热解气化方式热解气化自生物质物料入口21引入的生物质物料。
燃烧炉1在气化管道2后端下方设有残碳储存仓3，生物质物料在气化管道2内经热解气化后产生的残余固体碳在螺旋输送装置23的推动下，落入到残碳储存仓3中，该残碳储存仓3底部配置有残碳给料机4，用于在残碳储存仓3内残碳达到设定的存储量时，将其供给到下方燃烧炉1的炉排11上进行燃烧，实现连续给料，通过合理设计残碳给料机4结构，控制残碳储存仓3内的物料存储量，或在残碳储存仓3出料位置设置合适的密封结构，可以减少进入残碳储存仓3的空气，保证合成气的品质和残碳储存仓3内残碳物料的安全。
气化管道2后端延伸至燃烧炉1外，并形成合成气出口22，该合成气出口22配置有引风机，并连接有冷却和净化装置，便于将热解气化产生的合成气引出进行净化和封装出售。
残余固体碳堆叠在炉排11上，炉排11下方沿长度方向分布有多个分区风斗12，通过控制分区风斗12的给风量，可以确保残余固体碳完全燃烧，由于高温固体碳具有易燃性，可以有效控制燃烧风量，减少炉内的烟气量，提升燃烧炉1内的温度，进而提升生物质热解气化的合成气品质。
炉排11沿水平方向运行，使得残碳在气化管道2主体部分20的正下方区域进行燃烧，燃烧产生的热量为气化管道2中生物质的热解气化提供热源，炉排11运行方向的末端位置设有集渣室14，用于收集残余固体碳燃烧后剩余的灰渣，在靠近集渣室14位置设有灰渣刮板11a，以便清理粘附在炉排11上的灰渣。
为了加强燃烧烟气与气化管道2之间的热传导，在气化管道2的外壁上还分布有传热肋片25。
结合图1可以看出，在燃烧炉1的炉膛10上方设有余热换热器5和蒸汽过热器6，燃烧尾气经余热换热器5和蒸汽过热器6，产生的蒸汽可以通过专业的膨胀设备将热能转换为机械能发电或进行区域供热，实现燃烧尾气的余热回收利用，提升能源利用率。
燃烧尾气经余热换热器5和蒸汽过热器6换热后，进入燃烧炉1后方烟道13中，并依次经除尘器16、脱硫器17除尘和脱硫净化后经烟囱18排放至大气环境中，烟道13下方设有集灰室15，用于收集尾气中残留的灰尘。
烟道13内安装有空气预热器7，该空气预热器7位于分区风斗12的进风管路7上，借此通过余热对引入分区风斗12的空气预热，进一步提升燃烧效率和整体能源利用率。
上述高品质合成气制备***的工作原理如下：
生物质引入气化管道2前，先破碎成1cm3左右大小的颗粒，以便于在气化管道2内运动和热解气化反应。
颗粒状的生物质从气化管道2下端的生物质物料入口21进入主体部分20中，在螺旋输送装置23带动下向上输送，生物质进入气化管道2的同时，在第一处气化剂入口24通入气化剂氧气，生物质颗粒和气化剂在管道第一段发生第一阶段的干燥和热解反应，使生物质转变为固体碳，产生大量热解气体和焦油等物质。
热解后的固体碳进入管道第二段时，在第二处气化剂入口24通入气化剂水蒸气，固体碳、水蒸气、少量氧气和焦油等物质在气化管道2内发生第二阶段水煤反应和还原反应，使产生的焦油在固体碳的催化下进一步分解，固体碳和水蒸气进一步反应生成更多的一氧化碳和氢气。
当第二阶段反应产物进入气化管道第三段时，在第三处气化剂入口24通入少量水蒸气，让固体碳和水蒸气再发生水煤反应，并通过固体碳的催化和过滤作用，降低最终合成气中的焦油含量，从而有效降低后端处理设备的负荷，进一步提升合成气品质。
通过三段热解气化后，生成的合成气通过引风机从合成气出口22引出，之后进入冷却和净化装置冷却净化后封装出售。残余的固体碳落入残碳储存仓3中，由残碳给料机4分布到燃烧炉1的炉排11上进行氧化燃烧，为气化管道2中生物质的热解气化提供热源。
应当理解，各气化剂入口24通入的气化剂类型和通入量可以根据生物质类型和特点进行选择，并不限于上述实施方式中所列举的类型。
此外，根据设计产能及负荷大小，气化管道2可以设置为多根并排布置在燃烧炉1的炉膛10内。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，包括燃烧炉（1）和气化管道（2），其特征在于：所述气化管道（2）的主体部分（20）位于燃烧炉（1）内，前端设有生物质物料入口（21），后端具有延伸至燃烧炉（1）外的合成气出口（22），该气化管道（2）能够以分段式热解气化方式热解气化自生物质物料入口（21）引入的生物质，并将生成的合成气由合成气出口（22）引出，燃烧炉（1）在气化管道（2）后端设有残碳储存仓（3），并配置有残碳给料机（4），用于将气化管道（2）热解气化后产生的残碳引入燃烧炉（1）燃烧，为气化管道（2）中生物质的热解气化提供热源；
所述气化管道（2）内设有螺旋输送装置（23），该气化管道（2）的主体部分（20）以迂回方式布置在燃烧炉（1）内，并设有气化剂入口（24）；
所述生物质物料入口（21）位于气化管道（2）下端，所述主体部分（20）在燃烧炉（1）垂直方向上呈蛇形排布，并由下向上延伸，从而使由生物质物料入口（21）引入的生物质能够在螺旋输送装置（23）带动下向上输送，气化剂入口（24）共三处，一处设置在主体部分（20）前端，其余两处对应设置在主体部分（20）的两处折弯位置。
2.根据权利要求1所述的基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，其特征在于：所述气化管道（2）的外壁上设有传热肋片（25）。
3.根据权利要求1所述的基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，其特征在于：所述气化管道（2）至少为两根，在燃烧炉（1）内沿横向并列布置。
4.根据权利要求1所述的基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，其特征在于：所述燃烧炉（1）上方设有余热换热器（5）和蒸汽过热器（6）。
5.根据权利要求1所述的基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，其特征在于：所述燃烧炉（1）为链条炉，具有炉排（11），残碳储存仓（3）位于该炉排（11）尾部上方。
6.根据权利要求5所述的基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，其特征在于：所述炉排（11）下方设有分区风斗（12），分区风斗（12）的进风管路上设有空气预热器（7），该空气预热器（7）位于燃烧炉（1）的烟道（13）中。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的基于生物质自热源热解气化的高品质合成气制备***，其特征在于：所述合成气出口（22）配置有引风机，并连接有冷却和净化装置。
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