CN101538012B - 生物质制取洁净富氢燃料气的装置 - Google Patents

Abstract

生物质制取洁净富氢燃料气的装置，其特征是在筒状内胆的外围，以蓄热多孔介质围成环形蓄热层，在蓄热层外周是以气化剂通道和燃料气通道间隔成卷构成的卷式换热器；生物质进料口设置在内胆顶部，内胆中以炉箅子分隔为上部气化室和下部储灰室，在储灰室中内胆侧壁上设置与蓄热层形成贯通的气流通孔，在气化室中内胆的中部侧壁上设置气化剂入口，气化剂入口贯穿蓄热层与卷式换热器中内层气化剂通道相通。本发明制氢反应中心区域温度高，燃料气在高温区的迂回时间延长，显著减少了焦油生成量，提高气化效率，提升转化率。

Description

生物质制取洁净富氢燃料气的装置

技术领域

本发明涉及生物质气化制氢技术，具体地说是一种生物质制取洁净富氢燃料气的方法及其装置。

背景技术

氢能作为一种清洁的新二次能源，被认为是未来最有希望的能源之一。然而自然界中不存在纯氢，只能通过其它化学物质中转化、分解/分离得到。与传统的煤炭、石油和天然气制氢技术相比较，生物质制氢技术显得更有吸引力，它不仅可提供氢燃料，而且通过利用这种总量丰富、分布广、经济、可再生的生物质资源，改善燃料利用结构，实现大气污染状况的根本好转，真正实现CO₂的“零排放”。

国内外生物质气化制氢的相关研究归纳起来，按其使用的气化介质有空气、富氧空气、纯氧和蒸汽等；按其使用的反应器有上吸式或下吸式固定床气化反应器、流化床气化反应器、双床气化反应器等。然而，这些生物质气化制氢技术和装置在实际应用的时候几乎都普遍存在一些共同问题。

首先，燃气中焦油含量高，气化燃料气中焦油含量高，如以空气为气化剂，焦油含量一般在20g/Nm3左右。焦油的存在不仅导致生物质-氢气的转化率大大降低，显著降低了后续的燃料气变换、分离过程产生纯氢的产量和质量，而且还会堵塞和腐蚀设备，严重时无法正常生产。针对这一问题，已经提出的解决方法有采用外部加热来提高气化反应温度和加热速率，如高温空气气化方法。《太阳能学报》(2005，26(3)，第391～395页)介绍了这一种气化方法所采用的高温空气发生器，可以看出，提升空气温度的热能来源与煤气燃烧所产生的热量。这种方法确实可以减少气化混合燃气中焦油的含量，提高燃气的热值，但牺牲了外部等能源并且增加了复杂设备的投资，总体上降低了生物质能源利用的经济性；另一种方法是在生物质气化炉之外又开发使用一套专门用于裂解生物质燃料气中焦油的方法及其装置，如中国专利CN101117589A公开的一种生物质燃气焦油裂解方法及装置，又如中国专利CN101130698A公开的生物质气焦油高温裂解方法及装置，等等。这些方法和装置的利用将直接增加生物质气化成本，并使得气化工艺复杂，运行操作繁琐。

其次，气化炉运行过程中热量损失严重，这包括几个方面，一是气化炉炉壁保温不够；二是排灰的显热损失严重；三是引出气化炉的燃气显热损失严重。

再次，由于焦油的粘性作用，生物质气化燃料气中含有多种杂质，直接影响了后续重整设备的正常运行，通常需要单独设置一套燃气净化系统。这也必然加剧了设备投资成本和运行成本。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种生物质制取洁净富氢燃料气的方法及其装置，以实现生物质的高效洁净气化制氢。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明生物质制取洁净富氢燃料气的装置，其特征是在筒状内胆的外围，以蓄热多孔介质围成环形蓄热层，在蓄热层的外周是以气化剂通道和燃料气通道间隔成卷构成的卷式换热器；外层气化剂通道的外端口为气化剂进口，外层燃料气通道的外端口为燃料气出口；生物质进料口设置在内胆的顶部，排灰口设置在内胆的底部；内胆中以炉箅子分隔为上部气化室和下部储灰室，在储灰室中的内胆的侧壁上设置与蓄热层形成贯通的气流通孔，在气化室中的内胆的中部侧壁上设置气化剂入口，所述气化剂入口贯穿蓄热层与卷式换热器中内层气化剂通道相通。

本发明的结构特点也在于：

所述卷式换热器上成卷设置的气化剂通道和燃料气通道的圈数为1～5圈。

所述卷式换热器中的内层气化剂通道是以渐缩的形式与气化剂入口形成平滑连通。

所述储灰室的高度为内胆总高度的1/10-1/15。

本发明中生物质气化后生产的高温粗燃料气先后经过蓄热层和卷式换热器，气化所需的气化剂在气化反应之前与反应生产的燃料气在卷式换热器进行换热；以蓄热层对气化室形成保温，同时对高温粗燃料气吸热降温和过滤杂质；卷式换热器中气化剂和燃料气的换热方式是间壁逆向换热。

与已有技术方案相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过卷式换热器将气化剂和反应出来的燃料气进行逆向换热，降低燃料气的出口温度，提高气化反应之前气化剂温度，并必然导致生物质气化制氢的反应温度的上升，促进生物质气化-氢气的转化，降低焦油的生成。

2、本发明中设置在内胆外周的蓄热层吸收燃料气余热，温度升高，降低了内胆侧壁与外层的温度差，降低了内胆的向外层散射的热量，形成了对内胆中的高温环境的保护与促进作用，有助于焦油的高温裂解反应的顺利进行。

3、本发明内胆中生成的含有少量焦油的燃料气折流向上通过蓄热层的多孔介质区域，焦油被高温的蓄热材料过滤截留，迂回时间延长，使气化燃气中含有的极少量焦油更进一步裂解转为有效的燃气成分，彻底减少焦油的含量，提高生物质-氢气的转化率；同时，燃料气中含有的少量水分和灰尘等杂质被过滤，使燃料气得到净化。

4、本发明在卷式换热器的外侧为常温的空气和经放热的低温燃料气，散失到周围环境的热量很少，能量得到最大限度的利用，气化制氢的效率得以大大提升。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明气化剂进口端面俯视结构示意图。

图中标号：1进料口，2内胆，3蓄热层，4卷式换热器，5气化剂进口，5a气化剂通道，6渐缩段，7气化剂入口，8气流孔，9炉箅子，10排灰口，11储灰室，12气化室，13燃料气出口，13a燃料气通道，14网状过滤层。

下面通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中，将生物质气化后生产的高温粗燃料气先后经过以蓄热多孔介质填充形成的蓄热层3和卷式换热器4，气化所需的气化剂在气化反应之前与反应生成的燃料气在卷式换热器4中进行换热，并通过蓄热层3对气化室12形成保温，同时对高温粗燃料气吸热降温和过滤杂质；卷式换热器4中气化剂和燃料气的换热方式是间壁逆向换热；蓄热层3中的蓄热多孔介质可以是颗粒料或者三维网络骨架型，比如采用蜂窝形陶瓷蓄热体、陶瓷蓄热小球或泡沫陶瓷，也可以是块状或球状鹅卵石。

图1、和图2所示，由内胆2、蓄热层3围成的环形空间和卷式换热器4自内而外依序连接形成一体化套筒结构，内胆2的上部设置生物质进料口1，下部设置炉箅子9，底部设置排灰口10；炉箅子9将内胆2分成气化室12和储灰室11两部分，储灰室11高度为内胆2总高度的1/10-1/15；气化室内，位于内胆2中部位置的侧壁上设置气化剂入口7，卷式换热器4的内层气化剂通道与气化剂入口7相通。

在储灰室11的四周，位于内胆2的侧壁上设置气流通孔8，以使内胆2中生成的粗燃料气向下流经过储灰室11后顺利进入蓄热层3。

卷式换热器4的外层设置气化剂进口5和燃料气出口13，气化剂通道5a和燃料气通道13a间隔，实现逆向间壁式换热，卷式换热器4中气化剂通道和燃料气通道的圈数在1～5之间，本实施例中，气化剂通道5a和燃料气通道13a均为两圈。

具体实施中，如图1所示，卷式换热器4的内层气化剂通道需要设置渐缩段6，以便与气化剂入口7相接，具体是在内层气化剂通道的尾部90°的弧长上设置为渐缩段6，如图2所示，渐缩段6以图2所示的A位置为起始，渐缩到气化剂入口7所在的B位置处；为了防止蓄热层3中的蓄热多孔介质进入燃料气通道13a，需要在内层燃料气通道13a的入口部位设置过滤层14。

运行时，生物质物料由进料口1放入内胆2中，将进料口1和排灰口10封闭。在气化剂进口5中通入气化剂，比如空气、富氧空气、或水蒸气与空气、富氧空气的混合气等。气化剂先后经过卷式换热器4的气化剂通道5a、渐缩段6和气化剂入口7进入内胆2，经点火启动后在内胆2中与生物质物料进行气化制氢反应，生成的粗燃料气经炉箅子9下行至储灰室11，再由侧壁上的气流通孔8进入蓄热层3的空间，经过滤层14后进入卷式换热器4的燃料气通道13a，最后在燃料气出口13中排出。

Claims (3)

1.一种生物质制取洁净富氢燃料气的装置，其特征是在筒状内胆(2)的外围，以蓄热多孔介质围成环形蓄热层(3)，在所述蓄热层(3)的外周是以气化剂通道(5a)和燃料气通道(13a)间隔成卷构成的卷式换热器(4)；外层气化剂通道的外端口为气化剂进口(5)，外层燃料气通道的外端口为燃料气出口(13)；生物质进料口(1)设置在内胆(2)的顶部，排灰口(10)设置在内胆(2)的底部；所述内胆(2)中以炉箅子(9)分隔为上部气化室和下部储灰室，在所述储灰室中的内胆(2)的侧壁上设置与蓄热层(3)形成贯通的气流通孔(8)，在所述气化室中的内胆(2)的中部侧壁上设置气化剂入口(7)，所述气化剂入口(7)贯穿蓄热层(3)与卷式换热器(4)中内层气化剂通道相通。

2.根据权利要求1所述的生物质制取洁净富氢燃料气的装置，其特征是所述卷式换热器(4)上成卷设置的气化剂通道(5a)和燃料气通道(13a)的圈数为1～5圈。

3.根据权利要求1所述的生物质制取洁净富氢燃料气的装置，其特征是所述储灰室(11)的高度为内胆(2)总高度的1/10-1/15。

Images