生物質氣化發電工藝的制作方法

本發明涉及一種發電工藝。更具體地說，本發明涉及一種生物質氣化發電工藝。

背景技術：

利用生物質能發電是生物質利用的一種重要方式，也是國家近些年大力提倡與鼓勵的生物質利用方式。生物質發電技術主要分為生物質直燃發電、生物質混合燃燒發電、生物質氣化發電。

生物質直燃發電的基本原理是生物質在生物質鍋爐中直接燃燒產生蒸汽，利用產生的蒸汽推動汽輪發電機系統進行發電，在原理上與燃煤鍋爐火力發電十分類似。通常直燃發電系統的構成包括生物質燃料收集系統、燃料預處理系統、燃料儲存系統、燃燒系統、熱力系統和煙氣處理系統等。生物質直燃發電技術與生物質氣化發電技術的主要差別在于燃燒系統和熱力系統。直燃發電的規模較大，目前已運行的裝置規模為2～50MW，但其投資成本高，需配置大量的運營維護人員，存在嚴重的堿金屬腐蝕及鍋爐結焦的問題，對于發電系統的連續運行極為不利，燃燒產生的煙氣含有一定量的硫化物和NO_X，隨著環保政策的收緊，會增加電廠環保方面的投入。生物質直燃廠規模不適宜配置高功率參數的發電機組，綜合發電效率僅為21～25％。

生物質混合燃燒發電是指將生物質燃料應用于燃煤電廠，與燃煤混合一起作為燃料發電，產生蒸汽，帶動蒸汽輪機發電。生物質與燃煤混合燃燒發電并非適用于所有燃煤電廠，混燒還存在一些問題，如混燒比例問題，生物質含水量高，與煤混燒后鍋爐產生的煙氣量較大，直接采用現有鍋爐，煙氣超過一定限度會使原有熱交換器很難適應。除此之外，生物質中含有堿金屬，容易引起原電廠脫硝催化劑的失活。且生物質較低的熔點，在燃燒過程中會造成鍋爐的結焦以及熱交換器的高溫腐蝕。

生物質氣化發電是將生物質通過熱化學方法轉化為氣體燃料后直接送入鍋爐、內燃發電機、燃氣機等的燃燒室中燃燒發電。按規模劃分，生物質氣化發電包括小型氣化發電、中型氣化發電和大型氣化發電。小型氣化發電，采用簡單的氣化-內燃機發電工藝，發電效率一般在14～25％，且發電規模一般小于3MW；中型氣化發電采用氣化內燃機(或燃氣輪機)發電，并帶有余熱回收系統，綜合發電效率可達到25～35％。大規模的氣化-燃氣輪機聯合循環發電系統(IGCC)，能耗比常規的低，總體效率高于40％，但關鍵技術仍未成熟。傳統的生物質氣化發電技術工藝流程長，需要配套建設發電系統、全套燃料輸送系統、鍋爐、汽輪機、發電機及其輔助系統、電網輸出系統等，投資成本較高，并且存在焦油含量高、堵塞設備及管道的問題。

技術實現要素：

本發明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優點。

本發明還有一個目的是提供一種生物質氣化發電工藝，其將生物質顆粒通過氣化產生的燃氣送入大型燃煤鍋爐中，與燃煤混合燃燒發電，節約了發電所需的燃煤量，燃燒產生的CO₂量減少，能減輕CO₂產生的溫室效應，并且燃氣中主要成分為CO、H₂、CH₄這些還原性氣體，能夠降低電廠NO_X的排放。

為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種生物質氣化發電工藝，包括以下步驟：

步驟一、將生物質顆粒加壓至表壓為0.1～4.0Mpa后，卸料至進料罐中，再輸送至流化床氣化爐中，與氣化劑進行氣化反應，制得燃氣，備用；

步驟二、將步驟一中制得的燃氣通過旋風分離器進行旋風除塵，分離出未燃盡的大顆粒物后，返回至流化床氣化爐進行再次氣化；

步驟三、將旋風分離器除塵后的燃氣通過熱交換器冷卻至300～700℃后，通入燃煤鍋爐中，與燃煤混合燃燒發電。

優選的是，所述的生物質氣化發電工藝中，所述氣化劑為空氣、富氧空氣、純氧或水蒸氣中的任意一種或多種；所述生物質顆粒在流化床氣化爐中與氣化劑進行氣化反應的溫度為600～1100℃。

優選的是，所述的生物質氣化發電工藝中，所述流化床氣化爐內氣體的流動速度為0.3～5米/秒。

優選的是，所述的生物質氣化發電工藝中，所述生物質顆粒的粒徑為1～150mm。

優選的是，所述的生物質氣化發電工藝中，所述步驟一中通過螺旋輸送機將生物質顆粒輸送至流化床氣化爐中，所述螺旋輸送機中的螺桿靠近螺旋輸送機的進料口一端的初始螺距為200～400mm，并向著螺旋輸送機的出料口一端按初始螺距的5％的比例逐漸減小至初始螺距的50％后，保持不變。

優選的是，所述的生物質氣化發電工藝中，所述步驟一中通過鎖斗將生物質顆粒加壓至表壓為0.1～4.0Mpa。

優選的是，所述的生物質氣化發電工藝中，所述步驟一中通過鎖斗將生物質顆粒加壓至表壓為0.1～4.0Mpa之前，還包括將生物質顆粒從貯倉卸料至鎖斗中的步驟，其中，所述貯倉的上部為圓柱體形，所述貯倉的下部的直徑逐漸縮小呈圓錐形，在所述貯倉的下部設置有攪拌裝置，所述攪拌裝置包括至少一個槳葉。

優選的是，所述的生物質氣化發電工藝中，所述流化床氣化爐由圓筒結構的上筒體、圓筒結構的下筒體、以及連接上筒體和下筒體的銜接段構成，所述上筒體和所述下筒體的直徑比為1.5～2:1，所述銜接段呈去頂錐形結構，所述銜接段的傾斜角度為45°～75°；所述下筒體的底部設置有布風板，所述布風板為直徑上大下小的中空圓臺結構，所述布風板與下筒體的底部的夾角為20～55°。

優選的是，所述的生物質氣化發電工藝中，所述布風板內設置有床料，所述床料堆置的高度為300～500mm，所述床料為Al₂O₃球體、合金球和石英砂中的一種或多種。

優選的是，所述的生物質氣化發電工藝中，所述流化床氣化爐的進料口為1～4個。

本發明至少包括以下有益效果：

1、本發明通過鎖斗對生物質顆粒進行加壓，加壓后的生物質顆粒氣化強度和氣化效率高，未燃盡的大顆粒物通過旋風分離器分離出來后，重新返回流化床氣化爐進行再次氣化，大大提高了生物質的氣化效率，使生物質顆粒的處理量大小可調。

2、本發明對生物質原料的適應性增強，可利用各種熱值的生物質原料進行氣化發電。

3、采用本發明環保和經濟效益好，生成的燃氣經過除塵、回收熱量后進入燃煤鍋爐與燃煤一起燃燒發電，節約了發電所需的燃煤量，燃燒產生的CO₂量減少，減輕了CO₂產生的溫室效應，并且燃氣中的主要成分為CO、H₂、CH₄這些還原性氣體，能夠降低電廠NO_X的排放。

4、采用本發明能節約設備的運行成本，生物質氣化產生的燃氣燃燒發電，替代了一部分發電所需的燃煤，電廠燃煤鍋爐燃燒產生的煙氣量減少，煙氣中CO₂、NO_X、SO₂濃度降低，減輕了后續配備的脫硫脫硝系統的負荷。

5、采用本發明能夠保證設備長期、穩定的運行，氣化溫度控制彈性大，氣化生成的燃氣焦油含量低，進入燃煤鍋爐燃燒前，焦油一直保持氣態，不會產生因其冷凝而堵塞管道、損害設備的問題。

6、本發明通過改變螺桿的螺距，使其先逐漸減小，后不變，這樣在輸送過程中能逐級增加物料的堆密度，比較節能。通過螺桿的輸送能使堆密度達到0.5t/m³～1.3t/m³，以這樣的堆密度物料進入流化床氣化爐內，有利于生物質與氣化劑的接觸，利于氣化反應的進行。

7、從氣化劑進氣管進入爐本體相同的氣量，筒體的直徑越大，氣體的流速就越小，筒體的直徑越小，氣體的流速就越大，由于生物質顆粒是大小不一的，顆粒大的自重大，要使其處于懸浮狀態，就需要更大的氣速來克服自身的重力，顆粒小的自重小，較小的氣速就能使小顆粒處于懸浮狀態，本發明利用該原理高效的將生物質顆粒進行分區氣化，使自重較小的生物質原料在上筒體中氣化、自重較大的生物質原料在下筒體中氣化，底部生物質顆粒尺寸大、比表面積小，底部氣化溫度高，上部生物質顆粒尺寸小，比表面大，上筒體中生物質顆粒氣化溫度低，因此能夠保證大小顆粒完全氣化，且充分利用了生物質氧化反應放出的熱量，氣化效率大大提高，經過物料衡算和能量衡算，氣化效率可達到85％。

8、本發明將布風板設置為中空圓臺結構，相對于常規平面布風板，其特點為氣體的流通截面積更大，布風更加均勻，布風口流速控制更加方便，可以保持生物質原料反應，且流過圓錐形布風板的氣體量更多，提高了氣化爐處理生物質的能力，氣化爐處理生物質的能力為50～1200噸/天。

9、本發明的床料采用Al₂O₃床料、鋁合金球床料和石英砂床料中的一種或多種，與常規的床料相比，具有更高的耐磨性和更好的傳熱效果。

本發明的其它優點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為本發明所述的生物質氣化發工藝的流程圖；

圖2為本發明所述的生物質氣化發電工藝所用裝置的結構示意圖；

圖3為本發明所述的貯倉的結構示意圖；

圖4為本發明所述的流化床氣化爐的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

需要說明的是，在本發明的描述中，術語“橫向”、“縱向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，并不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

如圖1至圖4所示，本發明提供一種生物質氣化發電工藝，包括以下步驟：

步驟一、將生物質顆粒通過加壓設備加壓至表壓為0.1～4.0Mpa后，卸料至進料罐3中，再通過輸送裝置輸送至流化床氣化爐5中，與氣化劑9進行氣化反應，制得燃氣，備用；流化床氣化爐5用于將生物質顆粒進行氣化，以得到燃氣，燃氣的主要成分為H₂、CO₂、CH₄、CO、H₂O。可通過螺旋輸送機4將生物質顆粒輸送至流化床氣化爐5中，也可根據需要采取別的輸送方式。可通過鎖斗2為生物質顆粒加壓，根據使用需要，也采用其他的加壓設備。

步驟二、將步驟一中制得的燃氣通過旋風分離器6進行旋風除塵，分離出未燃盡的大顆粒物后，返回至流化床氣化爐5進行再次氣化；旋風除塵時，旋風分離器6的進氣口與流化床氣化爐5的燃氣出口連通，旋風分離器6的排灰口與流化床氣化爐5的進料口連通，將燃氣中未燃盡的大顆粒物分離出來，重新返回流化床氣化爐5進行再次氣化。

步驟三、將旋風分離器6除塵后的燃氣通過熱交換器7冷卻至300～700℃后，通入燃煤鍋爐8中，與燃煤10混合燃燒發電。熱交換器7的熱介質入口與旋風分離器6的出氣口連通，用于冷卻燃氣。熱交換器7中的冷介質為水或油。熱交換器7的燃氣(熱介質)出口與燃煤鍋爐8連通。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，先將生物質顆粒通過加壓設備加壓至表壓為0.1～4.0Mpa后，卸料至進料罐3中，再由進料罐3卸料至輸送裝置中，經帶壓運行的輸送裝置送至流化床氣化爐5，與從流化床氣化爐5底部通入的氣化劑9進行氣化反應，生成的燃氣進入熱交換器7中，在熱交換器7中回收燃氣攜帶的熱量用于產生蒸汽，產生的蒸汽并入原電廠的蒸汽管網中，燃氣經冷卻，溫度降至300～700℃后，通入電廠的燃煤鍋爐8，與燃煤10一起燃燒產生蒸汽發電。本方案中，因燃氣中的焦油以氣態的形式存在，不會因焦油冷凝產生堵塞設備和管道的問題。

通過鎖斗2對生物質顆粒加壓，能縮小氣體分子間的距離，增加流化床氣化爐5中單位體積內氧氣的濃度，加快氧氣進入生物質顆粒內部空間的速度，使生物質顆粒的處理量大小可調。壓力越大，生物質顆粒在流化床氣化爐5中的處理量越大，壓力越小生物質顆粒在流化床氣化爐5中的處理量越小，實際壓力根據實際的處理量來確定。

所述的生物質氣化發電工藝中，所述氣化劑9為空氣、富氧空氣、純氧或水蒸氣中的任意一種或多種；所述生物質顆粒在流化床氣化爐5中與氣化劑9進行氣化反應的溫度為600～1100℃。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，氣化溫度根據生物質原料中堿金屬的灰熔點進行調節，氣化溫度要控制在灰熔點以下，避免堿金屬在爐內結焦。

所述的生物質氣化發電工藝中，所述流化床氣化爐5內氣體的流動速度為0.3～5米/秒。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，通過控制流動速度能使生物質顆粒處在懸浮狀態。

所述的生物質氣化發電工藝中，所述生物質顆粒的粒徑為1～150mm。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，生物質顆粒的粒徑為1～150mm時，能在流化床氣化爐5內達到“沸騰”的狀態，保證流化床氣化爐5內生物質的受熱面均勻。

所述的生物質氣化發電工藝中，所述步驟一中通過螺旋輸送機4將生物質顆粒輸送至流化床氣化爐5中，流化床氣化爐5的進料口與螺旋輸送機4的出料口連通，所述螺旋輸送機4中的螺桿靠近螺旋輸送機4的進料口一端的初始螺距為200～400mm，并向著螺旋輸送機4的出料口一端按初始螺距的5％的比例逐漸減小至初始螺距的50％后，保持不變。初始螺距為N mm，接著后一個螺距相對于前一個螺距減小15mm，直至螺距為N/2mm后，保持不變。具體地，例如，初始螺距為300mm，之后的螺距依次為285、270、255、240……每次減小15mm，直至螺距為150mm后，保持不變。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，螺桿的螺距先逐漸減小，后不變，這樣在輸送過程中能逐級增加物料的堆密度，比較節能。通過螺桿的輸送能使堆密度達到0.5t/m³～1.3t/m³，以這樣的堆密度物料進入流化床氣化爐5內，有利于生物質與氣化劑9的接觸，利于氣化反應的進行。

所述的生物質氣化發電工藝中，所述步驟一中通過鎖斗2將生物質顆粒加壓至表壓為0.1～4.0Mpa。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，生物質氣化發電裝置包括：

貯倉1，其內設置有容納生物質顆粒的空腔；

鎖斗2，鎖斗2的進料口與貯倉1的出料口連通；

進料罐3，進料罐3的進料口與鎖斗2的出料口連通；

螺旋輸送機4，其內部封閉，螺旋輸送機4的進料口與進料罐3的出料口連通；

流化床氣化爐5，流化床氣化爐5的進料口與螺旋輸送機4的出料口連通；

旋風分離器6，旋風分離器6的進氣口與流化床氣化爐5的燃氣出口連通，旋風分離器6的排灰口與流化床氣化爐的進料口連通；

熱交換器7，熱交換器7的熱介質入口與旋風分離器6的出氣口連通；

燃煤鍋爐8，其與熱交換器的燃氣(熱介質)出口連通。

本方案提供的生物質氣化發電工藝具體為，將儲存在貯倉1中的生物質顆粒卸料至鎖斗2中，通過鎖斗2對生物質顆粒加壓至0.1～4MPa(表壓)后，卸料至進料罐3中，經帶壓運行的螺旋輸送機4送至流化床氣化爐5，與從流化床氣化爐5底部通入的氣化劑9進行氣化反應，生成的燃氣進入熱交換器7中，在熱交換器7中回收燃氣攜帶的熱量用于產生蒸汽，產生的蒸汽并入原電廠的蒸汽管網中，燃氣經冷卻，溫度降至300～700℃后，通入電廠的燃煤鍋爐8，與燃煤10一起燃燒產生蒸汽發電。本方案中，因燃氣中的焦油以氣態的形式存在，不會因焦油冷凝產生堵塞設備和管道的問題。

所述的生物質氣化發電工藝中，所述步驟一中通過鎖斗2將生物質顆粒加壓至表壓為0.1～4.0Mpa之前，還包括將生物質顆粒從貯倉1卸料至鎖斗2中的步驟，其中，所述貯倉1的上部為圓柱體形，所述貯倉1的下部的直徑逐漸縮小呈圓錐形，在所述貯倉1的下部設置有攪拌裝置，所述攪拌裝置包括至少一個槳葉11。當所述槳葉11的數量為2個時，2個槳葉11在一條直線上，當所述槳葉11的數量為至少3個時，至少3個槳葉11在所述貯倉1的下部等間距設置，且位于同一個圓周上。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，通過攪拌裝置不斷攪拌，能防止蓬松的生物質顆粒搭橋(聚集在一起)。實際使用時，設置1～4個槳葉11即可，槳葉11的具體設置個數根據貯倉1的大小和貯倉1中生物質顆粒的儲存量來確定。

所述的生物質氣化發電工藝中，所述流化床氣化爐5由圓筒結構的上筒體12、圓筒結構的下筒體13、以及連接上筒體12和下筒體13的銜接段14構成，所述上筒體12和所述下筒體13的直徑比為1.5～2:1，所述銜接段14呈去頂錐形結構，所述銜接段14的傾斜角度為45°～75°；所述下筒體13的底部設置有布風板15，所述布風板15為直徑上大下小的中空圓臺結構，所述布風板15與下筒體13的底部的夾角為20～55°。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，將生物質顆粒進行分區氣化，使自重較小的生物質原料在上筒體12中氣化、自重較大的生物質原料在下筒體13中氣化，底部生物質顆粒尺寸大、比表面積小，底部氣化溫度高，上部生物質顆粒尺寸小，比表面大，上筒體12中生物質顆粒氣化溫度低，因此能夠保證大小顆粒完全氣化，且充分利用了生物質氧化反應放出的熱量，氣化效率大大提高，經過物料衡算和能量衡算，氣化效率可達到85％。

將布風板15設置為中空圓臺結構，相對于常規平面布風板15，其特點為氣體的流通截面積更大，布風更加均勻，布風口流速控制更加方便，可以保持生物質原料反應，且流過圓錐形布風板15的氣體量更多，提高了氣化爐處理生物質的能力，氣化爐處理生物質的能力為50～1200噸/天。

所述的生物質氣化發電工藝中，所述布風板15內設置有床料16，所述床料16堆置的高度為300～500mm，所述床料16為Al₂O₃球體、合金球和石英砂中的一種或多種。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，床料16采用Al₂O₃床料16、鋁合金球床料16和石英砂床料16中的一種或多種，與常規的床料16相比，具有更高的耐磨性和更好的傳熱效果。

所述的生物質氣化發電工藝中，所述流化床氣化爐5的進料口為1～4個。

螺旋輸送機4通過流化床氣化爐5的進料口向流化床氣化爐5內輸送生物質顆粒，旋風分離器6通過流化床氣化爐5的進料口向流化床氣化爐5返回未燃盡的大顆粒物。

本方案提供的生物質氣化發電工藝中，根據生物質顆粒的處理量的不同將進料口設置的多或少。

綜上所述，本發明提供的生物質氣化發電工藝，技術先進、環保，經濟效益巨大。與傳統的處理生物質的技術相比，具有處理規模靈活、生物質原料適應性強、氣化強度和氣化效率高、燃氣中焦油含量極低，且不用去除焦油等優勢，并且氣化產生的燃氣與電站的燃煤鍋爐8聯用發電，有益于環保，經濟效益巨大。不久的將來，本發明提供的工藝，必將引領能源利用領域新的發展方向。

盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發明并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。