CN116987529A - 一种生物质循环流化床气化分级燃烧工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，包括：将生物质原料送入流化床气化室与热空气发生气化反应，生成的可燃气携带部分细碳颗粒进入高温旋风分离器，分离出的固态颗粒重新送入气化室，可燃气体和少量细焦炭颗粒送入燃气燃烧室发生燃烧反应；释放的热量通过换热面将来自汽包的热水加热成汽水混合物重新返回汽包进行汽液分离，分离出饱和蒸汽；从燃气燃烧室排出的高温烟气送入余热回收装置进行热量回收后进入除尘器进行除尘净化。净化后的烟气一部分作为辅助流化风送入气化室，另一部分作为返料风送入返料装置，其余部分通过烟囱排入大气。本发明可实现生物质高效低污染分级燃烧，同时可实现气化炉快速启停及大范围运行负荷调整。
Description
技术领域
本发明属于生物质资源化利用技术领域，尤其是涉及一种生物质循环流化床气化分级燃烧工艺。
背景技术
生物质能作为一种分布广泛、清洁零碳的可再生能源，具有多种能源化利用方式，其中热化学转化途径应用最为广泛。生物质气化技术可以将低品质生物质燃料转化成高品质合成气和焦炭副产物。合成气可直接作为燃料或原料合成高附加值的化工产品，焦炭副产物可加工成肥料或活性焦等。因此，与直接燃烧技术相比，生物质气化技术具有良好的环境社会效益，应用前景广阔。
目前国内相对成熟的生物质气化技术主要为循环流化床气化技术和固定床气化技术。如公开号为CN107057771A的中国专利文献公开了一种双循环生物质循环流化床气化炉，包含气化炉、一级旋风分离器、二级旋风分离器和三级旋风分离器，气化炉上侧的炉膛烟气出口通过加速段与一级旋风分离器的进口连接，一级旋风分离器底部的出口通过一级回料装置与气化炉的炉膛连通，一级旋风分离器顶部的出口通过加速段与二级旋风分离器的进口连接，二级旋风分离器顶部的出口通过加速段与三级旋风分离器的进口连接，二级旋风分离器底部的出口通过二级回料装置与气化炉的炉膛连通；三级旋风分离器底部的出口与飞灰收集装置连接；所述一级旋风分离器、二级旋风分离器和三级旋风分离器均采用环流式旋风分离器。
公开号为CN105062565A的中国专利文献公开了一种生物质固定床富氧气化炉，包括从上到下顺序连接的料斗、储料仓和炉体，储料仓通过上闸板阀和料斗相连，通过下闸板阀和炉体相连。炉体分为内炉膛和外炉膛，外炉膛底部与内炉膛相通，二次风风室为环状风室置于外炉膛外侧，二次风风室沿圆形横截面的圆周外侧设有二次风进口，沿圆形横截面的圆周向内侧内炉膛的切线方向设有若干二次进风喷嘴。外炉膛底部为上大下小的椎体，星形卸灰阀连接气化炉底部的锥体，将灰层导入灰斗进行收集、排出。
然而目前这两种技术所采用的气化炉均为绝热炉，绝热炉虽然具有保温效果好、能源利用率高的优点，但是其建造成本高、投资回报期长及后期维护成本高，这些不利因素阻碍了生物质气化技术的市场应用推广。
发明内容
本发明提供了一种生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，可实现生物质高效低污染燃烧利用的同时，实现气化炉的快速启停、运行温度的灵活调节以及运行负荷的大范围调节，同时便于后期维护。
一种生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，采用的装置包括流化床气化室、旋风分离器、返料装置、燃气燃烧室、余热回收装置和除尘器；所述流化床气化室由敷设耐火耐磨浇注料的膜式水冷壁构成，所述燃气燃烧室内部敷设受热面；
所述的生物质流化床气化分级燃烧工艺具体过程如下：
步骤1，将破碎后生物质原料送入流化床气化室后与高温床料以及以及来自余热回收装置中二级空气预热器的热空气和高温床料快速混合加热后，发生热解气化及燃烧等反应，反应温度为650-850℃，反应生成高温可燃气；
步骤2，流化床气化室内含床料颗粒和未气化生物质炭粉颗粒的高温可燃气体由上部出口流出后进入高温旋风分离器进行气固分离，分离出的床料颗粒及生物质炭粉经返料装置重新回送到流化床气化室内循环燃烧气化；
步骤3，从高温旋风分离器输出的高温可燃气体和少量细焦炭颗粒一起被送入燃气燃烧室，与送入燃气燃烧室的分级燃料风发生燃烧反应产生烟气并释放大量热量；
燃烧反应所产生的热量通过换热面将来自汽包的热水加热成汽水混合物重新返回汽包进行汽液分离；汽包分离出的饱和蒸汽直接外供使用或送入过热器产生过热蒸汽用于发电；
步骤4，产生的高温烟气从燃气燃烧室排出进入余热回收装置与各个换热器进行热量交换，换热后的低温烟气从余热回收装置排出；
步骤5，从余热回收装置出来的含尘低温烟气进入除尘器除尘；净化后的烟气一部分作为辅助流化风通过风机送入流化床气化室，另一部分作为返料风送入返料装置，其余部分则通过烟囱排入大气中。
若以饱和蒸汽为最终产品，此时，余热回收装置中的换热器按照烟气流向依次布置省煤器、一级空气预热器及二级空气预热器。
若以过热蒸汽为最终产品，此时，余热回收装置中的换热器按照烟气流向依次布置过热器、省煤器、一级空气预热器及二级空气预热器。
进一步地，所述一级空气预热器的进气口与一号风机连接，出气口与流化床气化室底部的进口连接；二级空气预热器的进气口与二号风机连接，出气口与燃气燃烧室侧壁的空气进口连接；所述省煤器的出口与汽包的进口连接，所述的汽包分别与膜式水冷壁、换热面循环连通。
外界脱盐水经省煤器加热后送入汽包内进行汽水分离，分离出的热水一部分送至流化床气化室的膜式水冷壁用于炉膛保温，另一部分则送至燃气燃烧室的换热面进一步加热成饱和蒸汽后输送到汽包。
进一步地，过热器的进口与汽包的出口连接，过热器的出口产生过热蒸汽用于发电。
进一步地，所述流化床气化室顶部的烟气出口与高温旋风分离器上侧的烟气进口连接，高温旋风分离器下端的出口通过返料器与流化床气化室下侧的返料口连接，高温旋风分离器上端的出口与燃气燃烧室的烟气进口连接，燃气燃烧室的烟气出口与余热回收装置的上侧进口连接。
进一步地，所述燃气燃烧室的烟气进口和烟气出口分别设置在燃气燃烧室的顶部和底部。
进一步地，步骤3中，送入燃气燃烧室的分级燃料风通过多个空气进口实现，所述二级空气预热器的出气口通过多个风管与燃气燃烧室侧壁从上往下设置的多个空气进口连接。
进一步地，步骤5中，依据燃料特性及运行工况，若采用热空气能够保证流化床气化室运行温度保持正常水平，则以热空气作为流化床气化室流化工作介质。若采用热空气导致流化床气化室运行温度偏高，则选用再循环烟气(辅助流化风)作为补充流化工作介质以控制运行温度。同时，在***低负荷(小于30％负荷)运行时，可采用再循环烟气(辅助流化风)作为流化床气化室的辅助流化介质，以保证充足的流化风量。此外，在流化床气化室停炉阶段可采用再循环烟气(辅助流化风)作为流化床气化室控制运行温度的介质。停炉时气化室由气化状态转换成燃烧状态，将低氧浓度的烟气送入炉膛可控制由还原性气氛转换为氧化性气氛过程中的炉膛温度。该方法可替代常规停炉采用蒸汽控温手段，以节约蒸汽。
进一步地，所述除尘器进口与余热回收装置出口连接，除尘器出口与三号风机连接。所述三号风机的出口通过管路分别与流化床气化室的底部进口、烟囱和返料装置连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过循环流化床气化耦合高温可燃气燃烧实现生物质分级高效低污染燃烧利用，与现有技术(在燃气燃烧之前需要把未气化生物质炭分离出来)相比，循环流化床气化炉产生的高温燃气携带部分未转化的生物质炭直接进入后续燃气燃烧室继续燃烧转化，具有碳转化率高，***热效率高的优势。
2、本发明的气化室炉膛采用膜式水冷壁结构并在水冷壁上敷设耐火耐磨浇注料，与绝热气化炉膛相比，气化炉装置材料消耗量减少，设备荷载小，建造成本大幅降低(约降低20％)，后期维护简单方便。
3、水冷壁敷设较薄的耐火耐磨浇注料层的气化炉膛的快速变温适应性强，可实现气化分级燃烧装置的快速启停及运行温度的灵活调节，而绝热炉膛受厚层耐火浇注料材质限制无法进行快速变温调节。
4.由于流化床气化室膜式水冷壁上敷设浇注料层，运行期间吸热量极少，因此装置低负荷运行与高负荷运行时循环流化床气化回路的运行温度基本接近，高温燃气在燃烧室内通过分层布风可以维持高效燃烧，因此可以保证不同负荷下生物质稳定可靠高效转化，避免生物质直接燃烧锅炉低负荷运行时燃烧效率低等问题。
附图说明
图1为本发明实施例中以饱和蒸汽为产品的一种生物质循环流化床气化分级燃烧工艺流程图；
图2为本发明实施例中以过热蒸汽为产品的一种生物质循环流化床气化分级燃烧工艺流程图。
图中：1-流化床气化室；2-模式水冷壁；3-高温旋风分离器；4-返料装置；5-燃气燃烧室；6-换热面；7-余热回收装置；8-省煤器；9-一级空气预热器；10-二级空气预热器；11-汽包；12-除尘器；13-烟囱；14-一号风机，15-二号风机，16-三号风机；17-四号风机；18-五号风机；19-过热器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
依据所获得蒸汽产品用途，本发明有两种实施方式。
第一种实施方式：以饱和蒸汽为产品。如图1所示，一种生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，所采用的装置包括流化床气化室1、高温旋风分离器3、返料器装置4、燃气燃烧室5、余热回收装置7、汽包11、除尘器12、烟囱13、一号风机14、二号风机15、三号风机16、四号风机17、五号风机18。流化床气化室1由敷设耐火耐磨浇注料的膜式水冷壁2构成。燃气燃烧室5的内部敷设换热面6。余热回收装置7按照烟气流向依次布置省煤器8、一级空气预热器9及二级空气预热器10。
工艺流程：外界空气经一号风机14送入一级空气预热器9加热后作为气化剂(兼做流化风)送至流化床气化室1。一定粒径的生物质物料(破碎物料粒径小于5cm,成型物料粒径小于2cm)送入流化床气化室1与热空气和高温床料快速混合加热后，发生热解气化及燃烧等反应，反应温度为650-850℃，反应生成高温可燃气。高温可燃气携带细床料颗粒和未气化生物质炭粉颗粒由流化床气化室1顶部输出后进入高温旋风分离器3进行气固分离，分离出的床料颗粒及生物质炭粉经返料装置4重新回送到流化床气化室1内循环燃烧气化。
外界空气经二号风机15送入二级空气预热器10加热后作为燃料风分层多级送入燃气燃烧室5并与可燃气体、少量未被分离下来的细炭颗粒一起发生燃烧，产生大量高温烟气和热量。高温烟气从燃气燃烧室5排出进入余热回收装置7内依次与省煤器8、一级空气预热器9及二级空气预热器10进行热量交换。换热后的低温烟气从余热回收装置7排出后进入除尘器12进行除尘。净化后的烟气经三号风机16引出后一部分作为流化风通过四号风机17送入流化床气化室。该部分烟气主要有以下几点用处：①若采用热空气作为气化介质时导致流化床气化室运行温度偏高，则将再循环烟气作为补充流化工作介质。②在***低负荷(小于30％负荷)运行时，可采用烟气作为流化床气化室的辅助流化介质，以保证充足的流化风量。③在流化床气化室停炉阶段可采用循环烟气作为流化床气化室控制运行温度的介质。停炉时气化室由气化状态转换成燃烧状态，将低氧浓度的烟气送入炉膛可控制由还原性气氛转换为氧化性气氛过程中的炉膛温度。该方法可替代常规停炉采用蒸汽控温手段，以节约蒸汽。
从三号风机16引出后另一部分烟气作为返料风通过五号风机18送入返料装置4，其余部分则经过烟囱13排入大气中。
外界脱盐水经省煤器8加热后送入汽包11内进行汽水分离，分离出的热水一部分送至流化床气化室1的膜式水冷壁2用于炉膛保温，另一部分则送至燃气燃烧室5的换热面6进一步加热成饱和蒸汽后输送到汽包，可供居民或工厂生产使用。
第二种实施方式：以过热蒸汽为产品。如图2所示，一种生物质流化床气化分级燃烧工艺，所采用的装置包括流化床气化室1、高温旋风分离器3、返料装置4、燃气燃烧室5、余热回收装置7、汽包11、除尘器12、烟囱13、一号风机14、二号风机15、三号风机16、四号风机17、五号风机18。流化床气化室1由敷设耐火耐磨浇注料的膜式水冷壁2构成，燃气燃烧室5的内部敷设换热面6。余热回收装置7按照烟气流向依次布置过热器19、省煤器8、一级空气预热器9及二级空气预热器10。
工艺流程：外界空气经一号风机14送入一级空气预热器9加热后作为气化剂(兼做流化风)送至流化床气化室1。一定粒径的生物质物料(破碎物料粒径小于5cm,成型物料粒径小于2cm)送入流化床气化室1与热空气和高温床料快速混合加热后，发生热解气化及燃烧等反应，反应温度为650-850℃，反应生成高温可燃气。高温可燃气携带细床料颗粒和未气化生物质炭粉颗粒由流化床气化室1顶部输出后进入高温旋风分离器3进行气固分离，分离出的床料颗粒及生物质炭粉经返料装置4重新回送到流化床气化室1内循环燃烧气化。
外界空气经二号风机15送入二级空气预热器11加热后作为燃料风分层多级送入燃气燃烧室5并与可燃气体、少量未被分离下来的细炭颗粒一起发生燃烧，产生大量高温烟气和热量。高温烟气从燃气燃烧室5排出进入余热回收装置7内依次与过热器19、省煤器8、一级空气预热器9及二级空气预热器10进行热量交换。换热后的低温烟气从余热回收装置7排出后进入除尘器12进行除尘。净化后的烟气经三号风机16引出后一部分作为流化风通过四号风机17送入流化床气化室。该部分烟气主要有以下几点用处：①若采用热空气作为气化介质时导致流化床气化室运行温度偏高，则将再循环烟气作为补充流化工作介质。②在***低负荷(小于30％负荷)运行时，可采用烟气作为流化床气化室的辅助流化介质，以保证充足的流化风量。③在流化床气化室停炉阶段可采用循环烟气作为流化床气化室控制运行温度的介质。停炉时气化室由气化状态转换成燃烧状态，将低氧浓度的烟气送入炉膛可控制由还原性气氛转换为氧化性气氛过程中的炉膛温度。该方法可替代常规停炉采用蒸汽控温手段，以节约蒸汽。
从三号风机16引出后另一部分烟气作为返料风通过五号风机18送入返料装置，其余部分则经过烟囱13排入大气中。
外界脱盐水经省煤器8加热后送入汽包11内进行汽水分离，分离出的热水一部分送至流化床气化室1的膜式水冷壁2用于炉膛保温，另一部分则送至燃气燃烧室5的换热面6进一步加热成饱和蒸汽后重新送回汽包11进行汽水分离，分离出的饱和蒸汽送至过热器19进一步加热成过热蒸汽，可供汽轮机发电使用。
实施例1
生物质物料给料量为8t/h。外界空气经一级空气预热器9预热至350℃后送至流化床气化室1与生物质发生气化反应，反应温度700℃左右，反应产生高温可燃气和生物质炭粉颗粒。可燃气热值为4.6MJ/Nm3。细生物质炭粉颗粒随高温可燃气经高温旋风分离器3分离后经返料装置4重新返回流化床气化室1进一步气化。从高温旋风分离器3排出的高温可燃气和细焦炭颗粒进入燃气燃烧室5内与来自二级空气预热器10的多级燃料风发生燃烧，燃烧温度900℃左右。燃烧产生的烟气中NOx浓度约45mg/Nm3、SO2浓度约17mg/Nm3，达到超低排放要求。从燃气燃烧室5的换热面6流出的蒸汽经汽包11处理后得到240℃、2.4Mpa的饱和蒸汽。该蒸汽可用于居民供热或工厂生产使用。
实施例2
生物质物料给料量为12.5t/h。外界空气经一级空气预热器9预热至350℃后送至流化床气化室1与生物质发生气化反应，反应温度750℃左右，反应产生高温可燃气和生物质炭粉颗粒。可燃气热值为4.8MJ/Nm3。生物质炭粉颗粒随高温可燃气经高温旋风分离器3分离后经返料装置4重新返回流化床气化室1进一步气化。从高温旋风分离器3排出的高温可燃气和细焦炭颗粒进入燃气燃烧室5内与来自二级空气预热器10的多级燃料风发生燃烧，燃烧温度900℃左右。燃烧产生的烟气中NOx浓度约40mg/Nm3、SO2浓度约18mg/Nm3，达到超低排放要求。从汽包11分离出的饱和蒸汽经过热器19加热后得到450℃、3.9Mpa的过热蒸汽。该蒸汽可用于汽轮机发电。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，采用的装置包括流化床气化室(1)、高温旋风分离器(3)、返料装置(4)、燃气燃烧室(5)、余热回收装置(7)和除尘器(12)；所述流化床气化室(1)由敷设耐火耐磨浇注料的膜式水冷壁(2)构成，所述燃气燃烧室(5)内部敷设受热面(6)；
所述的生物质循环流化床气化分级燃烧工艺具体过程如下：
步骤1，将破碎后生物质原料送入流化床气化室(1)后与高温床料以及来自余热回收装置(7)中二级空气预热器(10)的热空气快速混合加热后，发生热解气化及燃烧等反应，反应温度为650-850℃，反应生成高温可燃气；
步骤2，流化床气化室(1)内含床料颗粒和未气化生物质炭粉颗粒的高温可燃气体由上部出口流出后进入高温旋风分离器(3)进行气固分离，分离出的床料颗粒及生物质炭粉经返料装置(4)重新回送到流化床气化室(1)内循环燃烧气化；
步骤3，从高温旋风分离器(3)输出的高温可燃气体和少量细焦炭颗粒一起被送入燃气燃烧室(5)，与送入燃气燃烧室(5)的分级燃料风发生燃烧反应产生烟气并释放大量热量；
燃烧反应所产生的热量通过换热面(6)将来自汽包(11)的热水加热成汽水混合物重新返回汽包(11)进行汽液分离；汽包(11)分离出的饱和蒸汽直接外供使用或送入过热器(19)产生过热蒸汽用于发电；
步骤4，产生的高温烟气从燃气燃烧室(5)排出进入余热回收装置(7)与各个换热器进行热量交换，换热后的低温烟气从余热回收装置(7)排出；
步骤5，从余热回收装置(7)出来的含尘低温烟气进入除尘器(12)除尘；净化后的烟气一部分通过作为辅助流化风送入流化床燃烧室(1)，另一部分作为返料风送入返料装置(4)，其余部分则通过烟囱(13)排入大气中。
2.根据权利要求1所述的生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，以饱和蒸汽为最终产品，此时，余热回收装置(7)中的换热器按照烟气流向依次布置省煤器(8)、一级空气预热器(9)及二级空气预热器(10)。
3.根据权利要求1所述的生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，以过热蒸汽为最终产品，此时，余热回收装置(7)中的换热器按照烟气流向依次布置过热器(19)、省煤器(8)、一级空气预热器(9)及二级空气预热器(10)。
4.根据权利要求2或3所述的生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，所述一级空气预热器(9)的进气口与一号风机(14)连接，出气口与流化床气化室(1)底部的进口连接；二级空气预热器(10)的进气口与二号风机(15)连接，出气口与燃气燃烧室(5)侧壁的空气进口连接；所述省煤器(8)的出口与汽包(11)的进口连接，所述的汽包(11)分别与膜式水冷壁(2)、换热面(6)循环连通。
外界脱盐水经省煤器(8)加热后送入汽包(11)内进行汽水分离，分离出的热水一部分送至流化床气化室(1)的膜式水冷壁(2)用于炉膛保温，另一部分则送至燃气燃烧室(5)的换热面(6)进一步加热成饱和蒸汽后输送到汽包。
5.根据权利要求3所述的生物质流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，过热器(19)的进口与汽包(11)的出口连接，过热器(19)的出口产生过热蒸汽用于发电。
6.根据权利要求1所述的生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，所述流化床气化室(1)顶部的烟气出口与高温旋风分离器(3)上侧的烟气进口连接，高温旋风分离器(3)下端的出口通过返料器(4)与流化床气化室(1)下侧的返料口连接，高温旋风分离器(3)上端的出口与燃气燃烧室(5)的烟气进口连接，燃气燃烧室(5)的烟气出口与余热回收装置(7)的上侧进口连接。
7.根据权利要求6所述的生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，所述燃气燃烧室(5)的烟气进口和烟气出口分别设置在燃气燃烧室(5)的顶部和底部。
8.根据权利要求1所述的生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，步骤3中，送入燃气燃烧室(5)的分级燃料风通过多个空气进口实现，所述二级空气预热器(10)的出气口通过多个风管与燃气燃烧室(5)侧壁从上往下设置的多个空气进口连接。
9.根据权利要求1所述的生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，依据燃料特性及运行工况，若采用热空气能够保证流化床气化室(1)运行温度保持正常水平，则以热空气作为流化床气化室(1)流化工作介质；若采用热空气导致流化床气化室(1)运行温度偏高，则选用辅助流化风作为补充流化工作介质便于控制运行温度；
同时，在***低负荷运行时，采用辅助流化风作为辅助流化床气化室(1)的流化介质，以保证充足的流化风量；在流化床气化室(1)停炉阶段采用辅助流化风作为流化床气化室(1)控温介质，避免停炉阶段由还原性气氛的气化状态转化为氧化性气氛的燃烧状态时运行温度超温导致的结渣结焦问题。
10.根据权利要求1所述的生物质循环流化床气化分级燃烧工艺，其特征在于，所述除尘器(12)进口与余热回收装置(7)出口连接，除尘器(12)出口与三号风机(16)连接；所述三号风机(16)的出口通过管路分别与流化床气化室(1)的底部进口、烟囱(13)和返料装置(4)连接。
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| CN (1) | CN116987529A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115287099A (zh) * | 2022-07-03 | 2022-11-04 | 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 | 一种车载式小型具有生物质气化装置及蒸汽发生器的*** |
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2023
- 2023-06-21 CN CN202310738554.0A patent/CN116987529A/zh active Pending
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