CN101250415B - 一种双流化床水冷生物质气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双流化床水冷生物质气化炉，包括气化炉体(1)、进料机构(2)、进风装置(3)、点火装置、排渣机构(5)、可燃气体除尘机构(6)和可燃气体的出口(7)，所述气化炉体采用双流化床的结构，由主流化床(11)和副流化床(12)组成且并列设置，主流化床和副流化床的上部连通，主流化床为气化炉主体，所述进料机构、点火装置均位于主流化床上，进料机构位于主流化床外壁上，点火装置位于主流化床中进料口的下方，可燃气体除尘机构则设置于副流化床的可燃气体出口处。混合气体所含的灰尘等杂质大部分能因自身重力的作用下落至副流化床下部，提高进入冷凝塔的混合气体的清洁度，相比现有技术中单气化炉体，去除杂质的效果更好。

Description

一种双流化床水冷生物质气化炉

技术领域

本发明涉及一种生物质气化炉，特别是涉及一种双流化床水冷生物质气化炉。

背景技术

生物质能是一种以生物质为载体、由生物质产生的可再生能源，它是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，其储量丰富，遍布世界各地，每年的生产量就相当于现阶段人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍，它不仅具有取之不尽，用之不竭的特点；而且它作为能源利用时，可实现CO₂的零排放，能够大大减少温室效应现象；在生物质转化为可燃气体的过程中，其中的S、N含量比较低，从而能有效降低环境污染，因此，生物质能是当今世界上工业化国家开源节流、化害为利和保护环境的绿色能源。我国政府已在法律上明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的地位，并在政策上给予了巨大优惠支持，因此，我国生物质能发展前景和投资前景极为广阔。

气化炉是生物质能利用的重要技术之一，它是将植物主要是农作物的废弃物，例如秸秆、稻壳、树枝、木屑、杂草等作为原料进行燃烧气化，获得可燃气体——能源原料的技术。在现有技术中，生物质气化炉一般包括气化炉体、位于炉体上部的进料机构、炉内的点火装置、进风装置、设于炉体底部的排渣机构和可燃气体的出口及用于除尘的除尘机构，生物质原料通过进料机构进入炉体内，与通过进风装置进入炉体内的氧气发生经过炉体内氧化反应与还原反应，即产生CO、CH₄、H₂等可燃气体(包括灰尘、焦油等杂质)从燃气出口排出，燃烧的灰烬落入排渣机构排走，可燃气体在排出炉体的过程中需经除尘机构进行除尘，以提供尽可能干净的可燃气体。其不足之处在于：

(1)可燃气体的热能损失过大

现有结构的气化炉进行可燃气体的排放时，其温度仍然保持在600℃以上，对于含有这样高热量的可燃气体来说，无疑是一种热能的浪费。目前，高温可燃气体的余热利用技术研究还处于基本空白阶段，中国专利公报曾公开了发明专利《小型生物质气化炉燃气净化和余热利用装置》(CN200610052449.8)，是采用水套对高温可燃气体降温，将热量传递给水套中的水，形成适温的燃气与热水供应。但是，该技术方案仅适应于小型户用燃气的生产，而对于大型生物质气化炉并不适用。

(2)可燃气体水洗降温的用水量大

可燃气体的温度在600℃以上，是必须对其进行降温后才能使用的。在现有技术中，一般是通过2-4级冷凝塔对可燃气体降温的，从气化炉出来的可燃气体经过冷凝塔中大量水的喷淋，既洗去气体中的灰尘、焦油等，又对高温燃气进行了降温，洁净且低温的可燃气体便可直接输往燃气用户或者进行罐装。上述洗尘、降温的过程往往需要大量的水资源，不但浪费了大量的水，而且还产生了大量含有焦油的污水，该污水很难进行净化和再利用，如果污水排放不慎，又会造成周遭环境的污染，从而破坏生态环境。

(3)现有生物质气化炉对原料的使用单一、要求高

现有技术中的生物质气化炉只有单一的进料口，由于不同类型的气化炉对不同品种的生物质原料及其含水率都有严格的要求，例如稻草和麦秆由于单位体积密度太低而难以单独气化，含水量在15％以上的生物质原料则因湿度大难以燃烧而气化困难等，使得单一的进料口难以适应不同品种的生物质原料的燃烧气化的要求，导致了生物质气化炉往往只能适应小范围的生物质原料，造成它所使用的原料受到极大的限制，使生物质气化技术难以普及和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够利用可燃气体余热、节能、节水、环保的双流化床水冷生物质气化炉。

本发明的上述目的通过如下的技术方案来实现：一种双流化床水冷生物质气化炉，包括气化炉体、进料机构、进风装置、点火装置、排渣机构、可燃气体除尘机构和可燃气体的出口，其中，进料机构在点火装置的上方，进风装置和排渣机构则在点火装置的下方，其特征在于所述气化炉体采用双流化床的结构，由主流化床和副流化床组成且并列设置，主流化床和副流化床的上部连通，主流化床为气化炉主体，所述进料机构、点火装置均位于主流化床上，进料机构位于主流化床外壁上，点火装置位于主流化床中进料口的下方，可燃气体除尘机构则设置于副流化床的可燃气体出口处。

本发明的工作过程是：在主流化床内点火，从进料机构进入炉内的生物质原料与通过进风装置进入炉体内的氧气发生氧化与还原反应，翻腾燃烧并产生含有氮气、氧气、氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、CnHm等混合气体，混合气体中夹带灰尘、焦油等杂质，在热力及除尘机构内的风力作用下从主、副流化床上部的连接通道流向副流化床，在进入副气化炉后，混合气体的化学反应由活跃逐渐趋于缓慢并结束，利用副流化床的空间，使混合气体所含的灰尘等杂质大部分能因自身重力的作用下落至副流化床下部，只有小部分的灰尘杂质随混合气体向出口流动，并被设置在出口处的除尘机构除去，从而减少除尘机构的除尘量，并提高进入冷凝塔的混合气体的清洁度，相比现有技术中单气化炉体，去除杂质的效果更好。

本发明可以做以下改进：在所述副流化床内壁上及顶部设置有水冷壁，当温度高达600～900℃的混合气体进入副流化床后，通过热传导、热辐射等方式将热量传递给水冷壁，一方面使得高温混合气体降温，使其排出的温度可降至250～300℃左右；另一方面，水冷壁吸收的热量使水冷壁中的水升温并产生热水和水蒸汽。这样，通过高温混合气体与水冷壁的热交换过程，实现热能的转化，向其他系统：诸如水暖气系统、热能空调系统、热水洗浴系统、蒸汽发电系统等提供热水或者水蒸汽；而由气化炉排出的可燃气体的后续降温则只需经过1-2级冷凝塔就可以直接输送给用户使用或者进行罐装，既可节省大量的水资源，又能大大减少含有焦油的污水，从而减少环境的污染，同时又充分利用了混合气体的热能，为其他系统提供热水或者水蒸汽。

本发明还可以做进一步改进：将副流化床内壁面设置的水冷壁延伸至所述主流化床腔体内壁的上部，以进一步利用更多的混合气体热量，提高对高温可燃气体的降温效果和余热的利用率。

本发明所述除尘机构可采用旋风分离器，它设于副流化床壁中部或者中部以上的可燃气体出口管前端处，混合气体经旋风分离器分离，得到进一步净化的可燃气体，再从可燃气体出口出炉；在旋风分离器所在的管道内壁上也设置有水冷壁，使可燃气体的高温得到尽可能充分的利用；该旋风分离器通过其底部的管道连通的还渣螺旋机与副流化床下部腔室连通，使旋风分离器分离出那一部分灰尘，也送入副流化床内，经副流化床底部的副排渣螺旋排出。将旋风分离器设于副流化床中部，有利于使得混合气体在副流化床内的行程增长，使得混合气体依靠重力下沉的灰尘量增多，热交换量增大，从而使从可燃气出口排出的可燃气体的清洁度更高，及有利于提高可燃气体的降温程度和余热利用率。

本发明所述的水冷壁可以是采用管式水冷壁、或者板式水冷壁；也可以采用模块式水冷壁拼接而成。因为热水或者水蒸汽可应用于水暖气系统、热能空调系统、热水洗浴系统、蒸汽发电系统等多种其他用途系统，因此，所述水冷壁可根据计划应用的情况进行设计，既可以是仅提供一种热水或者蒸汽的单一水系统的水冷壁，也可以是同时提供不同要求的热水和蒸汽的二种或多种水系统的水冷壁。

本发明的水冷壁在所述副流化床腔体内是利用外加动力自下而上地流动，即水冷壁的进水口设置在位于副流化床下方的水冷壁处，出水口设置在位于副流化床上方的水冷壁处，出水口与热水或者蒸汽所应用的系统管路相连接。所述外加动力一般采用水泵，水泵既可设置在本发明的水冷壁管路系统中，也可以设置在外接的热水或者蒸汽应用系统的管路中。

本发明还可以做以下的改进：所述进料机构为两个或者两个以上，分布在主流化床上部并与炉腔相通，且按不同的生物质原料特点设于炉壁高度的相应位置处。

本发明所述的在炉壁上设置相应高度的进料机构按不同的生物质原料特点，是指根据生物质原料的特性和状态，如较轻、颗粒较小或较干燥的生物质原料容易点燃和充分燃烧，则将其进料口设置在气化炉壁较低的位置上，较重、颗粒较大或有较大含水率的生物质原料则将其进料口设置在气化炉壁较高的位置上，使之进入炉体内下落至燃烧点的距离较长，从而具有较长的烘干时间，当所述生物质原料从进料口落至燃烧点时就具有了与从低位置进料口进入的生物质原料差不多的干燥度和可燃状态，从而使得不同种类或含水率不同的生物质原料可以同时在一个气化炉上使用。

本发明所述二个或多个进料机构设于炉壁上的高度可以是相同的，也可以是不同高度的，或者部分相同，部分不同，视选择的生物质原料种类和状态确定。

本发明所述进料机构还可以按不同朝向设置。不同生物质原料通过不同朝向的进料机构进入到炉内，使得各生物质原料互不影响，燃烧的效果更好。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

1、本发明采用双流化床结构，可提高除尘率，明显减少可燃气体内灰尘、炭颗粒等杂质。

2、本发明利用双流化床的结构，进一步在副流化床内采用水冷壁热交换器，一方面使得高温可燃气体降温，使其排出的温度可降至250～300℃左右；另一方面，可利用可燃气体的高温生产热水或者水蒸汽供其它使用热水或者水蒸汽的系统使用，如用于水暖气系统、热能空调系统、热水洗浴系统、蒸汽发电系统等，对节能降耗、资源循环利用都具有积极的社会和经济效益。

3、本发明采用双流化床和水冷壁结构，能有效地减少气化炉排出的可燃气体的后续降温工序，使原出炉后需要经过多级冷凝塔降温的可燃气体改进为只需要1-2级冷凝塔除尘和降温即可，不但比现有技术节约一半以上的用水量，降低生物质气化炉生产可燃气体的成本，节能降耗；而且，还能减少了含有焦油等化学物质的污水的排放，从而有利于环境保护。

4、本发明还可以进一步采用多个进料机构，以适应生物质原料多样化的情况，使得不同种类或含水率不同的生物质原料可以同时在一个气化炉上使用，解决了生物质气化炉原料使用范围单一、局限的问题，大大有利于生物质气化技术的普及和发展。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明实施例一的结构示意主视图；

图2为本发明实施例一的结构示意俯视图(进料仓9未画出)；

图3为本发明实施例二的结构示意主视图；

图4为本发明实施例三主流化床的主视结构示意简图；

图5为本发明实施例三主流化床的俯视结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1、2所示的双流化床水冷生物质气化炉是本发明的实施例之一，它包括气化炉体1、进料机构2、进风装置3、点火装置、排渣机构5、可燃气体除尘机构6和可燃气体的出口7，其中，所述气化炉体1由主流化床11和副流化床12组成且并列设置，主流化床11和副流化床12的上部连通，主流化床11为气化炉主体，进料机构2和点火装置均位于主流化床11的下部，点火装置位于主流化床11中进料机构2的下方，进风装置3采用进风鼓风机，设置在主流化床11底部的进风口(图中省略)处，可燃气体除尘机构6则设置于副流化床12的可燃气体出口7的前端处。

本实施例在所述主流化床点火装置的下方设有均布了多个进风孔的布风板8，该布风板8呈水平安装在主流化床11炉腔内壁上，进气鼓风机3自下而上进风，使大量空气流经布风板8上的进风孔进入炉内，空气中的氧气在炉内分布均匀，使生物质原料充分地翻腾燃烧，有利于提高气化的效果。所述排渣机构采用排渣螺旋机51、52，分别设置于主流化床11和副流化12的底部，用于将沉积在底部的灰渣排出炉体外。

作为可燃气体除尘机构的旋风分离器6设置于副流化床12中部的可燃气体出口管7的前端处，在副流化床上的可燃气体出口7前端安装旋风分离器6的管道内壁上也安装了水冷壁13，以增加可燃气体的降温效果和可燃气体的余热利用率；该旋风分离器6还通过其底部的管道与还渣螺旋机10与副流化床12下部腔室连通。

本实施例在所述副流化床12内壁及其顶部设置以及主流化床11的顶部及其与主、副流化床12之间连通的管道均有水冷壁13，该水冷壁为管式水冷壁，多根水管横向排列在副流化床12内自下而上设置，冷水从水冷壁13的最下方进入，利用水泵等外加动力使之自下而上地流动。当温度高达600～900℃的混合气体进入副流化床12后，将热量传递给水冷壁13中的水，混合气体的温度下降，而进入水冷壁13中的冷水经热交换则转化为可用于其它用途的热水和水蒸汽，从水冷壁13位于副流化床的上方的出水口流出，向出水口连接的其他系统提供热水或者水蒸气。在本实施例中，水冷壁中的水流向与流化床中的混合气体的流动方向呈相反方向，它与顺流方式即混合气体与水流动方向一致的情况相比较，在完成同样传热量的条件下，前者的优点是可使平均温差增大，换热器的传热面积减小，有利于节省设备成本；换言之，若传热面积不变的话，可使加热或冷却流体的消耗量降低，则有利于节省操作费，因此采用逆流的方式具有经济实用的优点。当然，水冷壁中的水也可以采用顺流方式流动，还可以采用错流和折流等流向等流动方式以提高热能的利用率。所述水泵的安装位置比较灵活，既可设置在水冷壁管路系统中，也可以设置在外接的热水或者蒸汽应用系统的管路中。

另外，因为水冷壁主要设置在副流化床内，水冷壁系统的冷却能力可以通过调整以下的技术参数来达到，诸如：副流化床内径大小，以提高水冷壁设置量；或者调整水冷壁在副流化床内的分布多寡、水管参数和分布密度等控制水冷壁热能交换率，通过一定范围的参数或者结构形式的调节，可以将可燃气体的高温降低至250～300℃之间。

另外，本实施例的进料机构采用了3个螺旋进料机，它们分别是谷壳螺旋进料机23、棉杆颗粒螺旋进料机25及稻草麦草颗粒螺旋进料机26，均配有进料仓9，该三螺旋进料机分布在主流化床11的外壁上并与炉腔相通，且分别设于主流化床11炉壁垂直高度的不同位置处，因棉杆和谷壳材质密度较高，但谷壳颗粒小，而稻草麦草颗粒质轻含水率较低，所以棉杆螺旋进料机设于炉壁上较高的位置处，使经其进入炉内的棉杆下落至燃烧点的距离较长，从而具有较长的烘干时间，而稻草麦草螺旋进料机26则设于较低位置处，经其进入炉内的稻草麦草下落至燃烧区的距离较短，谷壳螺旋进料机23位于炉壁上的高度则介于棉杆螺旋进料机25与稻草麦草螺旋进料机26之间，从而使各进料机构所进的原料至燃烧区域时具有相近的可燃状态，且按主流化床11外壁圆周的不同朝向进行设置。本实施例使用时，三种不同种类的生物质原料从不同方位、高低不同的进料口进入主流化床11内，主流化床点火装置点火，原料与从炉底部进风口进入并由布风板均布的氧气发生一系列的化学反应，翻腾燃烧产生含有氮气、氧气、氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、CnHm等混合气体以及灰渣、炭颗粒等一系列混合物。此时，混合气体的温度位于700～900℃之间，在进气鼓风机3和可燃气体出口处的旋风分离器引力的作用下，该混合气体由主流化床11向副流化床12流动，在进入副流化床12后，混合气体的化学反应由活跃逐渐趋于缓慢并结束，混合气体中的一部分灰尘会因自重的惯性在副流化床12中沉降，旋风分离器6也会分离出一部分灰尘，落入副流化床12内，经副流化床底部的副排渣螺旋机52排出。而混合气体流经主副流化床上所设置的水冷壁13时，将热量传递给水冷壁中的水，完成高温可燃气体的降温过程，热水或者水蒸汽从水冷壁13位于副流化床的上方的出水口流出，向出水口连接的其他系统提供热水或者水蒸气；与此同时，从可燃气体出口排出的可燃气体的温度在250℃左右，之后只需再经过1-2级冷凝塔的进一步降温和洗尘，就可输送给用户使用或者进行罐装。

实施例二

图3所示的双流化床水冷生物质气化炉是本发明的本实施例二，与实施例一的不同之处在于副流化床12内不仅沿其内壁设置一层水冷壁13，而且在所述水冷壁13围括的副流化床的内空间中再设置盘管式热交换器14，盘管竖向设置，进水口14a设于盘管下方，出水口14b设置于盘管的上方，以获取进一步的降温效果和提高可燃气体余热的利用率。

实施例三

如图4、5所示的双流化床水冷生物质气化炉是本发明的本实施例三，与实施例一的不同之处在于所述进料机构为六个，均采用的是螺旋进料机，它们分别为树枝木屑螺旋进料机21、高粱杆、玉米杆螺旋进料机22、谷壳螺旋进料机23、芦苇进料机24、进棉杆颗粒螺旋进料机25及进稻草麦草颗粒螺旋进料机26，它们分别沿主流化床11外壁圆周的不同方向及与炉腔相通，且以螺旋进料机位于主流化床上的高度基本相同的为一组，同组进料机在炉壁圆周上分布的位置以最远的相对位置为首选，本实施例分3组螺旋进料机分别设于主流化床11炉壁高度的不同位置处，其中，根据具体生物质的特性来设置进料口高度，以颗粒较大、较重或含水率较大的原料从较高的进料口进入炉内，以颗粒较小、较轻或含水率较低的原料从较高的进料口进入炉内，由于棉杆树枝木屑和谷壳材质密度较高，但谷壳颗粒小，高粱杆、玉米杆、芦苇质密度次之，但含水率较高，所以螺旋进料机21和22为同组设于炉壁上较高位置处，使经其进入炉内的原料下落至燃烧点的距离较长，从而具有较长的烘干时间，稻草麦草颗粒质轻含水率较低为一组，其螺旋进料机26则设于较低位置处，经其进入炉内的原料下落至燃烧区的距离较短，螺旋进料机23、24和25为同一组位于炉壁上的高度则介于螺旋进料机21、22与螺旋进料机26之间，从而使各进料机构所进的原料至燃烧区域时具有相近的可燃状态，实现六种重量、大小、含水率不同的生物质原料可以同时在一个气化炉上使用。

Claims (9)

1.一种双流化床水冷生物质气化炉，包括气化炉体(1)、进料机构(2)、进风装置(3)、点火装置、排渣机构(5)、可燃气体除尘机构(6)和可燃气体的出口(7)，其中，进料机构(2)在点火装置的上方，进风装置(3)和排渣机构(5）则在点火装置的下方，其特征在于所述气化炉体(1)采用双流化床的结构，由主流化床(11)和副流化床(12)组成且并列设置，主流化床(11)和副流化床(12)的上部连通，主流化床(11)为气化炉主体，所述进料机构(2)、点火装置均位于主流化床(11)上，进料机构(2)位于主流化床(11)外壁上，点火装置位于主流化床(11)中进料口的下方，可燃气体除尘机构(6)则设置于副流化床(12)的可燃气体出口(7)处；所述副流化床(12)内壁上及顶部设置有水冷壁(13)，以使高温混合气体降温；同时，水冷壁(13)吸收的混合气体的热量使水冷壁(13)中的水升温并产生热水和水蒸汽，水冷壁(13)具有用于与该热水或者蒸汽所应用的系统管路连接的出水口。

2.根据权利要求1所述的双流化床水冷生物质气化炉，其特征在于：在所述副流化床(12)内壁面设置的水冷壁(13)延伸至所述主流化床(11)腔体内壁的上部，以进一步提高对高温可燃气体的降温效果和余热的利用率。

3.根据权利要求2所述的双流化床水冷生物质气化炉，其特征在于：所述可燃气体除尘机构(6)采用旋风分离器，它设于副流化床(12)壁中部或者中部以上的可燃气体出口(7)管前端处，在旋风分离器所在的管道内壁上也设置有水冷壁(13)，该旋风分离器通过其底部的还渣螺旋机(10)与副流化床(12)下部腔室连通，使旋风分离器分离出那一部分灰尘，也送入副流化床内，经副流化床底部的副排渣螺旋排出。

4.根据权利要求3所述的双流化床水冷生物质气化炉，其特征在于：所述水冷壁(13)在所述副流化床(12)腔体内是利用外力自下而上地流动，水冷壁(13)的进水口设置在位于副流化床(12)下方的水冷壁处，出水口设置在位于副流化床(12)上方的水冷壁处。

5.根据权利要求4所述的双流化床水冷生物质气化炉，其特征在于：所述水冷壁(13)采用管式水冷壁。

6.根据权利要求5所述的双流化床水冷生物质气化炉，其特征在于：所述水冷壁(13)围括的副流化床(12)的内空间中设置盘管式热交换器(14)，该盘管竖向设置，盘管内的水是由外加动力自下而上地流动，进水口(15)设于盘管下方，出水口(16)设置于盘管的上方，所述出水口用于与热水或者蒸汽所应用的系统管路连接。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的双流化床水冷生物质气化炉，其特征在于：在所述主流化床(11)点火装置的下方设置均布有多个进风孔的布风板(8)，该布风板(8)水平安装在主流化床(11)炉腔内壁上，在布风板(8)下方设置进气鼓风机，使大量空气流经布风板(8)上的进风孔进入炉内，空气中的氧气在炉内分布均匀。

8.根据权利要求7所述的双流化床水冷生物质气化炉，其特征在于：所述进料机构(2)为两个或者两个以上，分布在主流化床(11)上部并与炉腔相通，且按不同的生物质原料特点设于炉壁垂直高度的相应位置处。

9.根据权利要求8所述的双流化床水冷生物质气化炉，其特征在于：所述进料机构(2)按不同朝向设置主流化床(11)外壁上，以使不同生物质原料在不同朝向的进料机构进入到炉内时互不干扰。

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