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CN101012384A - 以生物质为原料气化制备燃气的方法和装置 - Google Patents

以生物质为原料气化制备燃气的方法和装置 Download PDF

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陈雪莉
于遵宏
龚欣
王辅臣
于广锁
刘海峰
周志杰
代正华
王亦飞
王兴军
郭晓镭
梁钦锋
李伟锋
张巍巍
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Abstract

本发明公开了一种以生物质为原料气化制备燃气的方法和装置,所述方法包括如下步骤:(1)将生物质原料粗碎,送入低温热解炉,生物质在300~500℃、压力0.3~3.5MPa条件下热解反应生成热解主产物生物质半焦,然后研磨至粒径<300μm;(2)将粒径<300μm的生物质半焦、热解焦油、温度为400~500℃的气化剂通过设置在气化炉顶部的喷嘴的不同通道,进入气化炉,在100~1250℃下反应,获得洁净燃气。本发明的气化温度高(>1000℃),气化燃气中不含焦油、酚等成分,克服脱焦易造成二次污染的问题,气化强度大,碳转化率(>98%)高,易实现规模化和长周期稳定生产。

Description

以生物质为原料气化制备燃气的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种由生物质制取不含焦油的燃气的方法和装置,具体的说是一种以农林废弃物、城市生活垃圾为原料气流床气化生产洁净燃气的方法和装置。
背景技术
生物质能是太阳能转换和积累的主要形态之一,是唯一的既有矿物燃料属性,又可储存、运输、可再生、可转换并较少受自然条件制约的能源。
在我国,以农业废弃物为主的生物质资源总量每年达4.87亿吨油当量,其中有约3.7亿吨可用于发电和供热,占总量的76%。生物质能的开发利用可缓解能源紧缺问题、环境污染问题和“三农”问题等国家重大战略问题,而生物质气化是生物质能高品位利用发展最迅速最实用的技术之一。
生物质气化的核心是气化炉,气化炉能量转化效率的高低是整个气化系统的关键所在。根据气化的工作原理,目前主要应用的生物质气化炉可分为固定床和流化床两种类型。对固定床气化炉,如ZL96228197.2、ZL98243726.9、ZL200420069768.6专利公开的技术,其最大优点是原料不用预处理、设备结构简单紧凑、燃气中灰分含量较低,但由于加料和排灰问题,使其不便于设计为连续运行的方式、不便于放大,并且气化强度和碳转化率较低。生物质流化床气化炉,如ZL97246199.X专利公开的技术,其助流态化作用,使物料颗粒、热载体和气化介质充分接触,受热均匀,气化反应速度相对较快,但其排出的灰和飞灰中碳含量较高,同样造成整个气化过程中碳转化率较低。
此外,与化石燃料相比,生物质最突出的特点是挥发分含量高,而无论采用固定床或流化床气化,其气化温度均小于1000℃,致使出气化炉的粗煤气中焦油含量较高。焦油在高温时呈气态,与可燃气体完全混合,而在低温(一般低于200℃)时凝结为液态,其分离和处理极为困难,在可燃气需要降温利用的情况下,问题更加突出。焦油的存在对生物质气化及其利用会产生不利的影响。首先它降低了气化炉气化效率,煤气中焦油产物的能量一般占总能量的5%~15%,这部分能量在低温时难以与可燃气体一道被利用,大部分被浪费;其次焦油在低温时凝结为液态,容易和水、焦炭等结合在一起,堵塞输气管道,使气化设备运行发生困难;另外,凝结为细小液滴的焦油难以燃尽,在燃烧时容易产生炭黑等颗粒,对燃气利用设备损害相当严重,这就大大降低了气化燃气的利用价值。
如何清除焦油一直是生物质气化技术的关键和难题。对固定床和流化床生物质气化而言,目前清除焦油的方法有普通方法和催化裂解法,普通法除焦油可分为湿法和干法两种。但通过对实际利用情况的调研和分析,发现无论采用何种除焦措施,大多是治标不治本的,并且都是对含焦油粗煤气的后处理,而除焦的最本质方法就是实现出气化炉燃气中不含焦油。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷,公开一种以生物质为原料气化制备燃气的方法和装置,以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明的方法包括如下步骤:
(1)原料预处理:将生物质原料粗碎至1~5mm,100~150℃干燥至重量含水量为2%~20%%,送入低温热解炉,生物质在300~500℃、压力0.3~3.5MPa条件下热解反应,生成热解主产物,生物质半焦和含有焦油的热解气体,然后将生物质半焦研磨至粒径为<300μm,含有焦油的热解气体经油气分离,获得热解焦油和热解气体,热解气体送往后续工段;
(2)气流床气化:将粒径<300μm的生物质半焦、热解焦油、温度为25~500℃的气化剂通过设置在气化炉顶部的喷嘴的不同通道,进入气化炉,在1000~1250℃下反应,焦油等重质烃类物质已裂解为小分子气体,生物质半焦反应生成CO、CO2、H2等,从而使出气化炉的燃气不含焦油,获得洁净燃气,其主要成分为
24%~66%的CO、0~15%的CO2、12%~50%的H2以及余量的N2和其他微量的CH4、H2S和COS:
所说的生物质原料包括农作物秸秆、木屑、薪柴、杂草、谷壳、果壳、蔗渣、玉米芯或上述生物质中的一种以上;
所说的气化剂包括空气、氧气、氧的体积含量为50%~100%的富氧空气;
所说的热解焦油来自于低温热解炉;
生物质原料与气化剂的比例为0.55~3.57公斤生物质原料/米3气化剂(标准态);
用于实现上述方法的装置至少包括依次通过管线相连接的粉碎机、干燥器、低温热解炉、球磨机、气流床气化炉和油气分离器。
为保证物料连续供应,低温热解炉内设有螺杆推进器,用于生物质的向前推进。
本发明的优点在于:1.生物质在低温热解炉内利用温度的“剪切”功能,不仅提高了半焦的能量密度,而且改善了物料的输运特性。2.气流床气化原料和气化剂混合均匀,气化温度高(>1000℃),气化燃气中不含焦油、酚等成分,克服脱焦易造成二次污染的问题,气化强度大,碳转化率(>98%)高,易实现规模化和长周期稳定生产。
图1为生物质气流床气化工艺流程示意图。
图2为生物质气流床气化炉结构示意图。
具体实施方式
参见图1,本发明的装置至少包括依次通过管线相连接的粉碎机1、干燥器2、低温热解炉3、球磨机4、气流床气化炉5和油气分离器9。
低温热解炉3内设有螺杆推进器6,用于生物质的向前推进,低温热解炉3外设有外热源8;
所说的气流床气化炉5包括圆筒状的炉体501、固定在炉体501底部的炉篦502、设置在炉篦502下部的灰出口、设置在炉篦502上部的炉体501上的洁净燃气出口503、设置在洁净燃气出口503前的挡灰板504和设置在炉体501顶部的气化喷嘴506,炉体501内壁设有耐火衬里505;
所说的气化喷嘴506设有3~10个通道,优选3个通道;
优选的,本发明还包括预热器7,所说的预热器7的热介质入口701与所说的洁净燃气出口503相连接,预热器7的热介质出口702与干燥器2相连接;
预热器7的冷介质入口703与气化剂气源相连接,预热器7的冷介质出口704与气化喷嘴506的气化剂通道相连接。
实施例1
采用图1的流程和图2的气流床气化炉5。喷嘴设有三个通道。
将稻草秸秆经粉碎机1粗碎到平均粒径为3mm,送入干燥器2中,从预热器7排出的温度为660℃的热燃气提供干燥器3的热源,出干燥器3的燃气温度为130℃,干燥后稻草秸秆含水率为5%,入低温热解炉3的生稻草秸秆进料速度为75kg/h,在螺旋推进的过程中,升温速率控制在5℃/min,到达低温热解炉3出口处热解温度约为300℃。含有焦油的热解气体经油气分离器9进行油气分离,获得热解焦油和热解气体,热解气体送往后续工段;
获得的生物质半焦被送入球磨机4研磨至<300μm,通过气力输送的方式进入气化喷嘴506中心通道。热解焦油和预热到450℃的空气分别通过气化喷嘴506的第二、三通道进入气化炉5,气化炉5压力0.2MPa。气化剂空气的流量为125.25Nm3/h,出气化炉5的燃气温度为1052℃。高温燃气和常温空气在预热器7换热后,空气被加热到450℃,高温燃气被冷却到660℃。从干燥器2和低温热解炉3的加热通道排出的燃气温度已经比较低,但还含有一定量的灰渣,送入后续工段,分离和洗涤塔,即可得到洁净的燃气。得到的燃气成分为(体积):H2:13.79%,CO:30.07%,CO2:2.69%,N2:53.38%,CH4:0.00%,H2S:0.06%,COS:0.01%。
碳转化率为99.89%;燃气低位热值为5.29MJ/Nm3
实施例2
采用与实施例1相同的流程,以松木屑为原料,进料速度为200kg/h,气化剂氧气的流量为76.61Nm3/h;
气化剂氧气的温度为25℃,气化炉5压力为3.0MPa,温度为1240℃。
得到的燃气成分为(体积):H2:32.74%,CO:65.08%,CO2:1.58%,N2:0.12%,CH4:0.36%,H2S:0.11%,COS:0.01%。
碳转化率为99.89%;燃气低位热值为11.88MJ/Nm3
实施例3
采用与实施例1相同的流程,以稻草秸秆和木屑的混合物(1∶1,重量)为原料,进料速度为100kg/h,气化剂富氧空气(氧含量50%)的流量为81.31Nm3/h;
气化剂富氧空气(氧含量50%)的温度为25℃,气化炉5压力为3.0MPa,温度为1236℃。
得到的燃气成分为(体积):H2:24.33%,CO:53.46%,CO2:1.35%,N2:20.59%,CH4:0.16%,H2S:0.10%,COS:0.01%。
碳转化率为99.87%;燃气低位热值为9.29MJ/Nm3

Claims (10)

1.以生物质为原料气化制备燃气的方法,包括如下步骤:
(1)原料预处理:将生物质原料粗碎,送入低温热解炉,生物质在300~500℃、压力0.3~3.5MPa条件下热解反应,生成热解主产物,生物质半焦和含有焦油的热解气体,含有焦油的热解气体经油气分离,获得热解焦油和热解气体,生物质半焦研磨至粒径<300μm;
(2)气流床气化:将粒径<300μm的生物质半焦、热解焦油、温度为25~500℃的气化剂通过设置在气化炉顶部的喷嘴的不同通道,进入气化炉,在1000~1250℃下反应,获得洁净燃气。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,将生物质原料粗碎至1~5mm,100~150℃干燥至重量含水量为2%~20%。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所说的生物质原料包括农作物秸秆、木屑、薪柴、杂草、谷壳、果壳、蔗渣、玉米芯或上述生物质中的一种以上。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所说的气化剂包括空气、氧气、氧体积含量为50%~100%的富氧空气。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所说的热解焦油来自于低温热解炉。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,生物质原料与气化剂的比例为0.55~3.57公斤生物质原料/米3气化剂(标准态)。
7.用于实现权利要求1~6任一项所述方法的装置,至少包括依次通过管线相连接的粉碎机(1)、干燥器(2)、低温热解炉(3)、球磨机(4)和气流床气化炉(5)和和油气分离器(9)。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,低温热解炉(3)内设有螺杆推进器(6)。
9.根据权利要求7或8所述的装置,其特征在于,所说的气流床气化炉(5)包括圆筒状的炉体(501)、固定在炉体(501)底部的炉篦(502)、设置在炉篦(502)下部的灰出口、设置在炉篦(502)上部的炉体(501)上的洁净燃气出口(503)、设置在洁净燃气出口(503)前的挡灰板(504)和设置在炉体(501)顶部的气化喷嘴(506),炉体(501)内壁设有耐火衬里(505),所说的气化喷嘴(506)设有3~10个通道。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于,还包括预热器(7),所说的预热器(7)的热介质入口(701)与所说的洁净燃气出口(503)相连接,预热器(7)的热介质出口(702)与干燥器(2)相连接;预热器(7)的冷介质入口(703)与气化剂气源相连接,预热器(7)的冷介质出口(704)与气化喷嘴(506)的气化剂通道相连接。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20070808