專利名稱：一種生物質氣化熔融制取高熱值可燃氣的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種生物質氣化熔融制取高熱值清潔可燃氣的裝置，屬于固體廢棄物資源化處置領域。
背景技術：
經濟的發展、社會的進步使得人類對能源的需求不斷增大，因煤、石油等化石燃料的逐年減少而引發的能源危機愈演愈烈，構建清潔安全的能源未來已成為世界各國的共同目標。2007年，歐盟發布可再生能源路線圖，提出到2020年可再生能源占終端能源消費比 重達到20%的目標，并著重強調生物質能的開發利用。作為唯一可轉化為烴類燃料的可再生能源，生物質能不僅原料豐富、分布廣泛，而且為“碳中性”能源，可有效緩解全球變暖問題。生物質氣化及通過氣化合成液體燃料技術能將大量不同種類的生物質迅速轉化為便于存儲輸送的氣體或液體燃料，具有很強的商業可行性。但是，目前生物質氣化系統整體效率相對較低，氣化產物多為熱值低、焦油和灰分含量高的低品質可燃氣，無法直接替代煤、石油及天然氣等化石燃料使用，導致氣化技術的經濟性差、商業競爭力偏低。因此，如何提升生物質氣化技術效率，改善可燃氣品質，是當前生物質氣化領域亟待解決的重要問題。生物質氣化技術即利用氣化劑在高溫缺氧氣氛下使生物質不完全燃燒生成含H2、CO等的合成可燃氣。根據氣化劑的不同，生物質氣化可分為空氣氣化、氧氣氣化和水蒸氣氣化等。空氣氣化成本低、裝置設備簡單、操作可行性強，但由于受大量氮氣的稀釋影響，生產的可燃氣熱值較低，一般只有4 7MJ/Nm3。氧氣氣化排除了氮氣的影響，產氣熱值為1(T18MJ/Nm3，與城市煤氣相當。但是純氧制備的高成本限制了其推廣應用，使用富氧氣化可有效降低成本。水蒸氣氣化可制得富氫的中熱值可燃氣，熱值為1(T14MJ/Nm3。但由于水蒸氣氣化重整為強吸熱反應，在無催化劑時需在800°C以上進行，因此氣化過程需添加外供熱設備，系統復雜性增大。目前，生物質氣化產物除H2、C0等可燃氣體外，還包含焦油、碳顆粒和灰分等雜質。焦油在高溫下以氣態形式與可燃氣混合，但低于200°C時會凝結為液體，堵塞設備和管道，影響可燃氣的安全輸送。物理上采用水洗法脫除焦油，不僅液體回收及循環裝置龐大，而且脫焦油后的污水難以處理。因此目前傾向于熱化學法除焦油，包括高溫裂解及催化裂解等。高溫裂解可有效降低焦油含量，提高碳轉化率，但同時增大了系統耗能，引起可燃氣熱值降低及反應器燒結可能性增大。催化裂解將焦油轉化為輕質氣體，提升了可燃氣熱值。但是，催化劑熱穩定性差、機械強度低、易積碳或中毒失活等問題制約了焦油催化裂解工藝的發展。可燃氣中的灰分也是影響燃氣應用的關鍵因素。灰分中高濃度的重金屬及可溶性鹽類不僅會導致后續設備的腐蝕磨損，也會對土壤和地下水造成二次污染。特別是流化床氣化產生的燃氣飛灰含量高，傳統的旋風分離技術無法完全脫除，造成可燃氣品質較低，也給后續的燃氣凈化處理帶來不便。綜上所述，目前生物質氣化制取高品質可燃氣的難點在于如何同時提高可燃氣熱值和清潔度。高熱值可燃氣的生產需要高成本投入(氧氣氣化)或添加外部熱源(水蒸氣氣化)，而焦油和灰分等雜質的脫除則會消耗一部分熱量，造成氣化系統整體能量轉化率減小，可燃氣品質下降。
發明內容發明目的本實用新型的目的在于針對現有技術的不足，提供一種可提高可燃氣熱值并降低其中焦油和飛灰量的生物質氣化熔融制取高熱值清潔可燃氣的裝置。技術方案本實用新型所述的生物質氣化熔融制取高熱值清潔可燃氣的裝置，包括流化床氣化反應器、旋風熔融爐、過熱器、省煤器、熱管換熱器、布袋除塵器、脫硫塔、壓縮裝置和儲氣罐。所述流化床氣化反應器由氣化反應區和底部的風室兩部分組成，所述風室與氣化反應區之間設置有布風板，所述風室的側壁和底端分別設置有進風口和排渣口 ；所述流化床氣化反應器的氣化反應區的側壁上設置有進汽口和給料器；所述流化床氣化反應器的氣化反應區的上部通過管道與所述旋風熔融爐的進口連接；所述旋風熔融爐的側壁和底部分別設置有進風口和排渣口 ；所述旋風熔融爐的頂部出口依次與所述過熱器、省煤器和熱管換熱器連接；所述熱管換熱器的出口依次與所述除塵器、脫硫塔、壓縮裝置和儲氣罐連接。本實用新型中，流化床氣化反應器為主要氣化設備；旋風熔融爐為碳顆粒、焦油裂解和飛灰熔融設備；以過熱器、省煤器和熱管換熱器為主要換熱設備，回收利用氣化熔融制得高溫可燃氣的顯熱；采用布袋除塵器、脫硫塔對換熱后的可燃氣作進一步凈化處理，得到的高品質可燃氣經壓縮后由儲氣罐收集。為了制備富氧氣體，本實用新型裝置中還包括空分裝置，所述空分裝置的出口分為兩條支路，一條支路經過所述熱管換熱器后與所述旋風熔融爐的進風口連接，另一條支路經過所述熱管換熱器后與所述流化床氣化反應器的進風口連接。為了充分回收利用氣化熔融制得高溫可燃氣的顯熱，所述省煤器上設置有進水口，通過進水管道依次經過所述述省煤器和所述過熱器后與所述流化床氣化反應器的進汽口連接。水經過省煤器預熱后，進入過熱器再熱汽化制得水蒸氣，供流化床氣化反應器中的反應使用。本實用新型所述生物質氣化熔融制取高熱值清潔可燃氣的方法，包括如下步驟(I)向流化床氣化反應器中送入生物質原料、富氧氣體和水蒸氣，在450 750°C的條件下生成粗質可燃氣，再由所述流化床氣化反應器的上部輸送到旋風熔融爐中；反應生成的底渣由流化床氣化反應器的排渣口排出；(2)粗質可燃氣進入所述旋風熔融爐后，同時向所述旋風熔融爐中通入富氧氣體，在1100 1450°C的條件下，粗質可燃氣脫除其中的焦油、碳顆粒和灰分得到凈化后的高溫可燃氣，由所述旋風熔融爐的上部排出，依次流經過熱器、省煤器和熱管換熱器；反應生成的熔渣由所述旋風熔融爐的排渣口排出；(3)由熱管換熱器出來的低溫可燃氣流經布袋除塵器和脫硫塔進一步凈化，凈化后得到凈化可燃氣經壓縮裝置壓縮后收集在儲氣罐中。本實用新型采用富氧氣體和水蒸氣作為共同氣化劑，結合了富氧氣化及旋風熔融兩項技術的優勢，通過低溫氣化和高溫熔融相結合得到較純凈的高熱值可燃氣。步驟(I)氣化部分的具體特征是以富氧氣體和水蒸氣作為共同氣化劑，富氧燃燒可為水蒸氣氣化重整反應提供熱量，從而形成自供熱式氣化系統。富氧氣化過程的劇烈放熱為水蒸氣氣化重整反應供熱，使得未能完全反應的碳顆粒和焦油等大分子物質在水蒸氣作用下進ー步氣化生成CO和H2等。這不僅降低了氣化產物中焦油和碳顆粒等的含量，也提高了氣化反應的碳轉化率，増大了可燃氣熱值。整個系統的反應速率、反應溫度、碳轉化率和產氣熱值均較高。這里要說明的是，雖然生物質原料自身水分蒸發也可產生水蒸氣，并有可能進ー步參與到氣化重整反應中，但由于這部分水蒸氣初始溫度較低，進行氣化重整反應需要消耗大量的熱量，因此僅通過生物質內部蒸發水蒸氣進行氣化重整反應效果較差，直接通入高溫水蒸氣得到的氣化效果較優。本實用新型粗質可燃氣凈化部分是制氣系統的重要組成，其具體特征 是采用高溫旋風熔融爐進行焦油、碳顆粒的脫除和灰分的熔融。旋風熔融爐通過粗質可燃氣與富氧氣體燃燒放熱形成高溫還原性熔融氣氛，不需要復雜的外供熱源，不僅節約了加熱成本，也降低了系統的復雜性。攜帯著焦油、碳顆粒和大量灰分的粗質可燃氣由流化床氣化反應器上部直接通入旋風熔融爐，在助燃富氧的作用下發生氣化熔融，熔融爐內維持110(T145(TC的高溫還原性氣氛。可燃氣中的焦油在熔融爐內高溫裂解產生小分子氣體，大分子碳顆粒與富氧氣體發生二次裂解氣化。焦油和碳顆粒的裂解產物均隨著可燃氣由熔融爐上部排出。可燃氣中的灰分高溫熔融并在強旋流和離心作用下被爐膛內壁捕獲，然后順著內壁流入排渣ロ。灰分中的重金屬以化合物形式穩定存在于熔渣中，熔渣可按照普通固體廢棄物填埋，也可作為建筑和路基材料。經過旋風熔融浄化除灰的高溫可燃氣通過過熱器、省煤器和熱管換熱器等換熱裝置進行余熱回收利用，以提高氣化系統的能量利用效率。具體特征是通過過熱器、省煤器及熱管換熱器進行可燃氣與水和富氧氣體之間的熱量交換，在冷卻可燃氣的同時加熱氣化所需的水蒸氣和富氧氣體。
具體實施方式
是可燃氣凈化除灰后依次流經過熱器、省煤器和熱管換熱器；給水經省煤器預熱后，進入過熱器再熱生成氣化所需的高溫水蒸氣；由空氣經過空分裝置提純后制得的氧濃度為25 95%的富氧氣體，經過熱管換熱器被加熱至200°C后送入流化床氣化反應器及旋風熔融爐。由熱管換熱器出來的低溫可燃氣經布袋除塵器和脫硫塔進ー步浄化除塵。燃氣首先進入布袋除塵器去除殘余的細小粉塵，之后流入脫硫塔去除其中的含硫化合物，最終得到高品質的清潔可燃氣。浄化可燃氣經壓縮裝置壓縮后收集在儲氣罐中備用，或直接輸送至用氣場所。有益效果常規流化床氣化技術使用空氣、氧氣、水蒸氣或空氣(氧氣)與水蒸氣混合作為氣化劑，無法實現投資成本和產氣熱值的平衡，導致可燃氣熱值較低或系統投資成本較高。可燃氣中的高含量飛灰不僅給燃氣凈化帶來不便，而且會造成后續設備的腐蝕磨損和環境的二次污染。此外，可燃氣中焦油高溫下以氣態形式存在，但在低于200°C時會凝結為液體，堵塞設備和管道，影響可燃氣的安全輸送。本實用新型通過結合富氧-水蒸氣氣化技術及旋風熔融技術有效解決了這一難題，實現了投資成本和產氣熱值的平衡。在投資成本方面，相比純氧氣化，富氧氣化對氧濃度要求下降，制氧成本降低。同時，水蒸氣氣化重整反應可通過富氧燃燒供熱，減小了外供熱源的壓力，降低了運行成本。在可燃氣品質方面，由于富氧氣體含氮量少，反應速率快，熱效率較高，相比空氣氣化產氣熱值可提高近一倍。又由于水蒸氣氣化重整反應增大了可燃氣中H2和CO的濃度，因此該技術粗質可燃氣熱值可高達14 18MJ/Nm3。在燃氣凈化環節，突破性地采用旋風熔融爐進行可燃氣中灰分熔融和焦油、碳顆粒的二次裂解氣化，有效解決了流化床燃氣飛灰含量高、碳轉化率低、焦油堵塞管道等問題，提高了生物質氣化的碳轉化率和產氣熱值。采用粗質可燃氣與富氧氣體燃燒為熔融爐供熱，不需添加復雜的供熱設備，節約了投資成本，提高了能量利用率。灰分在高溫下完全熔融生成熔渣，其中的重金屬元素以化合物形式存在于熔渣中，不會對環境造成污染，還可回收利用作為建筑和路基材料。焦油和碳顆粒在高溫還原性氣氛下繼續裂解氣化，降低了設備堵塞結焦的風險，也解決了以往氣化技術中碳顆粒流失嚴重，產氣能力低的問題。系統設有換熱單元回收利用高溫可燃氣顯熱，采用過熱器、省煤器及熱管換熱器進行熱量梯級利用，不僅實現了可燃氣的冷卻降溫，也預熱了氣化所需的水蒸氣和富氧氣體，系統能量利用效率提高。在富氧與可燃氣換熱過程中，由于可燃氣和富氧氣體容易發生反應爆炸，因此本實用新型采用兩者互不接觸的熱管換熱器，確保了系統的安全性。最后， 采用布袋除塵器以及脫硫塔進行可燃氣的進ー步凈化除塵，保證了可燃氣的清潔純凈。
圖I為本實用新型的生物質氣化熔融制取高熱值可燃氣エ藝流程示意圖。圖中流化床氣化反應器I、給料器1-1、進風ロ 1-2、進汽ロ 1-3、風室1_4、布風板1-5、排渣ロ 1-6、旋風熔融爐2、進風ロ 2-1、排渣ロ 2-2、過熱器3、省煤器4、熱管換熱器5、布袋除塵器6、脫硫塔7、壓縮裝置8、儲氣罐9、空分裝置10。生物質原料A、富氧氣體B、水蒸氣C、粗質可燃氣D、底渣E、高溫可燃氣F、熔渣G、給水H、粉塵I、空氣J、低溫可燃氣K、凈化可燃氣し
具體實施方式
下面對本實用新型技術方案進行詳細說明，但是本實用新型的保護范圍不局限于所述實施例。實施例本實用新型裝置主要由流化床氣化反應器I、旋風熔融爐2、過熱器3、省煤器4、熱管換熱器5、布袋除塵器6、脫硫塔7、壓縮裝置8、儲氣罐9和空分裝置10組成。所述流化床氣化反應器I由氣化反應區和底部的風室1-4兩部分組成，所述風室1-4與氣化反應區之間設置有布風板1-5，所述風室1-4的側壁和底端分別設置有進風ロ1-2和排渣ロ 1-6 ;所述流化床氣化反應器I的氣化反應區的側壁上設置有進汽ロ 1-3和給料器1-1 ;所述流化床氣化反應器I的氣化反應區的上部通過管道與所述旋風熔融爐2的進ロ連接；所述旋風熔融爐2的側壁和底部分別設置有進風ロ 2-1和排渣ロ 2-2 ;所述旋風熔融爐2的頂部出ロ依次與所述過熱器3、省煤器4和熱管換熱器5連接；所述熱管換熱器5的出ロ依次與所述布袋除塵器6、脫硫塔7、壓縮裝置8和儲氣罐9連接；所述空分裝置10的出ロ分為兩條支路，一條支路經過所述熱管換熱器5后與所述旋風熔融爐2的進風ロ 2-1連接，另一條支路經過所述熱管換熱器5后與所述流化床氣化反應器I的進風ロ 1-2連接；所述省煤器4上設置有進水ロ，通過進水管道依次經過所述述省煤器4和所述過熱器3后與所述流化床氣化反應器I的進汽ロ 1-3連接。[0031]如圖I所示，生物質原料A由給料器1-1送入流化床氣化反應器1，空分裝置10分離出的富氧氣體B預熱后由進風ロ 1-2通入，經風室1-4和布風板1-5進入氣化反應區，進汽ロ 1-3通入水蒸氣C。流化床氣化反應器I溫度45(T750°C，氣化重整得到的粗質可燃氣D由流化床上部輸送至旋風熔融爐2，底渣E經排渣ロ 1-6排出。富氧氣體B由進風ロ 2-1給入，旋風熔融爐2溫度1100 1450で，粗質可燃氣在高溫環境下脫除其中的焦油、碳顆粒和灰分。高溫熔融產生的熔渣G由排渣ロ 2-2排出，凈化后的高溫可燃氣F由旋風熔融爐2上部排出，依次流經過熱器3、省煤器4和熱管換熱器5。給水H經省煤器4預熱后進入過熱器3，加熱產生的水蒸氣C通入流化床氣化反應器I。富氧氣體B經熱管換熱后分別通入流化床氣化反應器I和旋風熔融爐2。換熱后的低溫可燃氣K流經布袋除塵器6和脫硫塔7進ー步浄化，浄化可燃氣L經壓縮裝置8壓縮后收集在儲氣罐9中。[0032]如上所述，盡管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本實用新型，但其不得解釋為對本實用新型自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本實用新型的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節上作出各種變化。
權利要求1.ー種生物質氣化熔融制取高熱值清潔可燃氣的裝置，其特征在于包括流化床氣化反應器(I)、旋風熔融爐(2)、過熱器(3)、省煤器(4)、熱管換熱器(5)、布袋除塵器(6)、脫硫塔(7)、壓縮裝置(8)和儲氣罐(9)； 所述流化床氣化反應器(I)由氣化反應區和底部的風室(1-4)兩部分組成，所述風室(1-4)與氣化反應區之間設置有布風板(1-5)，所述風室(1-4)的側壁和底端分別設置有進風ロ(1-2)和排渣ロ(1-6);所述流化床氣化反應器⑴的氣化反應區的側壁上設置有進汽ロ(1-3)和給料器(1-1);所述流化床氣化反應器(I)的氣化反應區的上部通過管道與所述旋風熔融爐(2)的進ロ連接； 所述旋風熔融爐(2)的側壁和底部分別設置有進風ロ(2-1)和排渣ロ(2-2);所述旋風熔融爐(2)的頂部出口依次與所述過熱器(3)、省煤器(4)和熱管換熱器(5)連接； 所述熱管換熱器(5)的出口依次與所述除塵器出)、脫硫塔(7)、壓縮裝置(8)和儲氣 罐(9)連接。
2.根據權利要求I所述的生物質氣化熔融制取高熱值清潔可燃氣的裝置，其特征在干還包括空分裝置(10)，所述空分裝置(10)的出口分為兩條支路，一條支路經過所述熱管換熱器(5)后與所述旋風熔融爐(2)的進風ロ(2-1)連接，另一條支路經過所述熱管換熱器(5)后與所述流化床氣化反應器(I)的進風ロ(1-2)連接。
3.根據權利要求I所述的生物質氣化熔融制取高熱值清潔可燃氣的裝置，其特征在于所述省煤器(4)上設置有進水口，通過進水管道依次經過所述述省煤器(4)和所述過熱器(3)后與所述流化床氣化反應器(I)的進汽ロ(1-3)連接。
專利摘要本實用新型公開了一種生物質氣化熔融制取高熱值清潔可燃氣的裝置，可用于制備高熱值清潔可燃氣，裝置由流化床氣化反應器、旋風熔融爐、過熱器、省煤器、熱管換熱器、布袋除塵器、脫硫塔、壓縮裝置和儲氣罐等組成。本實用新型是一種突破現有技術的高效生物質氣化技術，能制取高熱值可燃氣，并能有效降低燃氣中焦油、碳顆粒和灰分含量。系統熱利用效率高，且安全可靠。
文檔編號C10J3/56GK202390394SQ201120507509
公開日2012年8月22日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者孫宇, 牛淼淼, 金保昇, 黃亞繼 申請人:東南大學