CN103254918A - 利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的系统和方法。该发明涉及生物质干燥、生物质炭化与炭化产物利用两个过程。生物质干燥过程是利用锅炉除尘器后烟气余热对生物质原料进行干燥，避免了生物质原料含水量对锅炉系统的影响。生物质炭化与炭化产物利用过程则是利用锅炉省煤器处烟气热量对干燥后的生物质进行低温热解炭化处理，进而获得热值高、能量密度高、疏水性好的生物质炭以及可燃性热解气。本发明将生物质干燥和炭化过程合理分开，充分利用了锅炉烟气余热，实现了生物质干燥与炭化生产的连续性，具有原料适应性广、干燥与炭化效率高、炭化产品质量稳定、运行操作方便、易于大型化等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的系统和方法，属于锅炉烟气余热利用和生物质能利用的技术领域。
背景技术
化石能源(煤、石油、天然气等)的大量利用不仅使得其资源枯竭，而且造成了严重的环境污染，因此，世界各国都将可再生能源的开发与利用作为能源与环境可持续发展的重要内容。生物质是植物通过光合作用生成的有机物质，由于其具有资源储量丰富、分布广泛、清洁以及零CO2净排放等的特点，被认为是一种重要的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达1440-1800亿吨(干重)，相当于目前世界总能耗的10倍。根据来源的不同，将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。我国生物质资源丰富，仅生物质秸秆就达7亿吨左右。随着农村商品能源(液化气、电等)使用量迅速增加，大量农作物秸秆被弃于田间地头随意焚烧，这不仅浪费了宝贵的能源资源，而且造成了严重环境污染。因此，开发和利用生物质能源具有重要的现实意义。
生物质能利用技术主要包括生物质直燃发电技术、气化发电技术、生物质制油技术以及生物质成型燃料等。上述技术的应用对生物质原料均有一定的技术要求。由于生物质原料具有含水率高、热值低、能量密度低、易腐烂、磨削性差以及季节性强等缺点，如不对其进行干燥和炭化等预处理，不仅会严重降低了其长距离运输的经济性以及储存周期，而且还会降低生物质原料的发热量，并显著提高生物质利用过程中的烟气处理量，从而显著增大锅炉等本体及辅助设备的尺寸，最终导致其热效率降低以及制造成本显著增加。
生物质干燥与炭化是生物质预处理的关键技术之一。生物质干燥是利用热源除去生物质中外在水分的过程，生物质炭化是在缺氧条件下低温热解使生物质原料转换成以生物质炭为主要产品的加工过程。生物质干燥与炭化可以显著提高生物质的发热量和能量密度，改善其粉磨性和疏水性，从而使得其更适宜长距离运输和长期储存。自然晾晒法是最早使用的也是最为有效的生物质干燥方法，但该法占地面积大且费时，不适用于大规模生产。专利CN101693248A公开了一种使用高温烟气对生物质原料进行干燥的方法，其使含水生物质原料经高温烟气干燥后，再经过加热加压处理，制成流体化浆体。这种方法不仅需要引入外部高温干燥介质，能量消耗极大，而且仅适用于处理高含水率(75％-85％)的水生生物质。专利CN100455965C公开了一种生物质干燥方法及板式干燥机，通过向封闭的箱体内鼓入高温气体，同时引出干燥过程中产生的湿气，使得生物质得以干燥。该法仅对生物质进行了干燥处理，干燥过程需要提供外部干燥介质，而且结构较为复杂。CN102954678A公开了一种利用生物质锅炉烟气干燥生物质原料的方法和装置，该法利用生物质锅炉烟气直接对履带式干燥室内的生物质原料进行干燥处理，而未涉及生物质炭化。专利CN101885487A公开了一种生物质批量连续制备活性炭的装置及方法，但该法涉及生物质干燥、炭化和活化过程，主要应用于连续制备生物质活性炭。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有生物质原料干燥与炭化技术中存在的系统与设备结构复杂、能耗高、难以大型化连续性生产的缺陷，提供一种利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的系统和方法。本发明具有工艺系统简单、原料适应性广、干燥与炭化效果好、易于大型化、可连续生产等特点，可显著提高生物质的热值和能量密度，缩小锅炉及其辅助系统尺寸，大幅提高锅炉的热效率。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的系统，包括锅炉、尾部烟道、省煤器、空气预热器、除尘装置、脱硫除尘装置、引风机、干燥装置、高温预除尘器、炭化装置、生物质炭冷却装置、粉磨装置、生物质炭成型与包装装置、排粉机和热解气风机，省煤器和空气预热器设置在尾部烟道内，尾部烟道与除尘装置、脱硫除尘装置、引风机和烟囱依次相连；所述尾部烟道还与高温预除尘器、高温风机和炭化装置依次相连，干燥装置连接到炭化装置；所述炭化装置一方面通过热解气风机与锅炉上的热解气喷口相连，另一方面通过生物质炭冷却装置、粉磨装置、排粉机与锅炉上的生物质炭粉喷口相连；生物质炭成型与包装装置连接到粉磨装置。
本发明所涉及的利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的方法是：
1)煤或生物质燃料在锅炉中燃烧生成高温烟气，高温烟气在锅炉尾部烟道中与受热面(省煤器、空气预热器)换热逐步降低为中低温烟气，经烟气净化装置(除尘装置和脱硫装置)净化后，在引风机作用下由烟囱排出；
2)从锅炉除尘装置出口处抽取烟气(占总烟气量的80％-100％，温度为130-150℃)送入生物质干燥装置内，与此同时，将含水率较高的生物质原料(含水率为20％-40％)送入生物质干燥装置内。通过蓄热体间接传热和多层埋刮板机相结合的方式，将烟气余热传递给生物质原料以排除原料中的外在水分；干燥后的生物质(温度为60-90℃，含水率小于10％)直接进入生物质炭化装置，换热后的烟气(温度约为80-90℃)和水蒸汽回送至脱硫除尘装置的进口烟道；
3)从锅炉尾部烟道中的省煤器处抽取中温烟气(温度为300-450℃、烟气量约占总烟气量的5％-20％)，经高温预除尘器除去绝大部分飞灰后送入生物质炭化装置内，通过蓄热体间接传热和多层埋刮板机相结合的方式，将中温烟气的热量传递给生物质原料，使得生物质在缺氧条件下热解并生成生物质炭、热解气和焦油三种产物；热解过程中生产的热解气(CO，H2，VOC等，温度为250-350℃)经专用管道直接送入锅炉炉膛内燃烧；生物质炭既可以经冷却和粉磨后直接送入锅炉燃烧，也可以经过冷却、粉磨、成型与包装等工艺生产各种形式的生物质炭产品；换热后的烟气(温度为150-250℃)既可以作为生物质干燥装置的热源，也可以再回送至锅炉尾部的空气预热器上游或除尘器进口烟道，经换热和净化后排放。
上述过程中生物质干燥装置入口处的烟气温度控制在130-150℃，生物质干燥装置出口处的烟气温度控制在80-90℃。上述过程中生物质炭化装置入口处的烟气温度控制在300-450℃，生物质炭化室出口处的烟气温度控制在150-250℃。生物质在干燥装置和炭化装置内的停留时间分别控制在10-30min，以便于在合适的烟气温度和烟气量条件下，获得较高的干燥效率、较高生物质炭产量以及较好生物质炭产品质量。
本发明的优点在于：
1)以锅炉的中低温烟气为热源，分别对生物质原料进行干燥脱水和热解炭化处理，在对生物质原料进行连续干燥与炭化的同时，实现了能量的梯级利用。
2)干燥和炭化分开进行，既可以获得并高效利用高品质生物质炭和热解气，又避免了生物质原料直燃过程所产生的加料困难以及烟气量含水过大等缺陷，提高了锅炉热效率，减小了生物质锅炉系统尺寸，降低了锅炉造价。
3)采用蓄热体间接传热和多层埋刮板机相结合的方式，直接利用锅炉尾部中温烟气来炭化生物质，不仅强化了烟气与生物质原料的换热过程，而且有效避免了生物质炭的复燃现象。
4)生物质原料不需要进行复杂的粉碎和成型等预处理工序，具有原料适应性广、干燥效率高、生物质炭产率高、生物质炭产品质量稳定、炭化过程控制方便、易于大型化以及可连续性生产的特点，可广泛应用于生物质电厂和燃煤电厂。
附图说明
图1为本发明利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的工艺流程图。
图2为生物质干燥装置剖面图。
图3为生物质干燥装置内烟气流动示意图。
具体实施方式
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。
如图1所示，本发明所涉及的利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的系统主要包括：锅炉1、尾部烟道2、省煤器3、空气预热器4、除尘装置6、脱硫除尘装置8、引风机9、生物质干燥装置11、生物质炭化装置12、高温预除尘器13、生物质炭冷却装置14、粉磨装置15、热解气风机16、排粉机17、热解气喷口18、生物质炭粉喷口19、生物质炭成型与包装装置20等。
煤或生物质燃料在锅炉1中燃烧生成高温烟气，高温烟气在锅炉尾部烟道2中与受热面(省煤器3、空气预热器4)换热逐步降低为中低温烟气，经烟气净化装置(除尘装置6和脱硫除尘装置8)净化后，在引风机9作用下由烟囱10排出。
从锅炉除尘装置出口烟道7抽取烟气(占总烟气量的80％-100％，温度为130-150℃)，经烟箱1102进入干燥装置11内的多层烟道1103中，多层烟道1103的四周设置蓄热体1104，蓄热体上部设置埋刮板输送机1105。与此同时，将含水率较高的生物质原料(含水率为20％-40％)经生物质加料仓1101送入生物质干燥装置11内。通过蓄热体1104和多层埋刮板机1105相结合的换热方式，将烟气余热传递给生物质原料以排除原料中的外在水分。干燥后的生物质(温度为60-90℃，含水率小于10％)直接进入生物质炭化装置12，换热后的烟气(温度约为80-90℃)和生物质干燥过程排出水汽经管道23返回至烟气调节闸板701的下游烟道，经脱硫装置8净化后排放。
从锅炉省煤器3所在烟道中抽取中温烟气(温度为300-450℃、烟气量约占总烟气量的5％-20％)，经高温预除尘器13除去绝大部分飞灰，再由高温风机21送入生物质炭化装置12(生物质炭化装置和生物质干燥装置的工作原理相似)，通过蓄热体和多层埋刮板机相结合的换热方式，将中温烟气的热量传递给生物质原料，使得生物质在缺氧条件下热解并生成生物质炭、热解气和焦油三种产物。热解过程中产生的热解气和焦油物质(CO，H2，VOC等，温度为250-350℃)经热解气风机16送入热解气喷口18并在锅炉炉膛内燃烧。生物质炭既可以经冷却装置14和粉磨装置15后直接经排粉机17送入生物质炭粉喷口并在锅炉炉膛内燃烧，也可以利用冷却装置14、粉磨装置15以及生物质炭成型与包装装置20生产生物质炭产品。换热后的烟气(温度为150-250℃)既可以作为生物质干燥装置11的热源，也可以再回送至锅炉尾部的空气预热器4的上游或除尘器进口烟道5，经换热和净化后排放。
如图2和图3所示，干燥装置由生物质加料仓1101、烟箱1102、多层烟道1103、蓄热体1104、埋刮板机1105、生物质炭卸料口1106和湿蒸汽出口1108组成。烟箱1102与多层烟道1103相连，多层烟道1103的四周设有蓄热体1104，蓄热体上部设置多层埋刮板输送机1105，在烟箱内设置的隔板1107使得烟气在干燥装置内形成多回程流动，通过烟气和生物质原料在干燥装置内的多回程流动来提高换热效率。
本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (4)
1.利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的系统，包括锅炉、尾部烟道、省煤器、空气预热器、除尘装置、脱硫除尘装置、引风机、干燥装置、高温预除尘器、炭化装置、生物质炭冷却装置、粉磨装置、生物质炭成型与包装装置、排粉机和热解气风机，其特征在于，省煤器和空气预热器设置在尾部烟道内，尾部烟道与除尘装置、脱硫除尘装置、引风机和烟囱依次相连；所述尾部烟道还与高温预除尘器、高温风机和炭化装置依次相连，干燥装置连接到炭化装置；所述炭化装置一方面通过热解气风机与锅炉上的热解气喷口相连，另一方面通过生物质炭冷却装置、粉磨装置、排粉机与锅炉上的生物质炭粉喷口相连；生物质炭成型与包装装置连接到粉磨装置。
2.根据权利要求1所述的利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的系统，其特征在于，所述干燥装置包括生物质加料仓、烟箱、多层烟道、蓄热体、埋刮板输送机、生物质炭卸料口和湿蒸汽出口，烟箱与多层烟道相连，多层烟道的四周设有蓄热体，蓄热体上部设置多层埋刮板输送机，在烟箱内设置有多个隔板形成相通的流动通道。
3.如权利要求2所述利用锅炉烟气干燥与炭化生物质原料的系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)煤或生物质燃料在锅炉中燃烧生成高温烟气，高温烟气在锅炉尾部烟道中与省煤器、空气预热器换热逐步降低为中低温烟气，经除尘装置和脱硫除尘装置净化后，在引风机作用下由烟囱排出；
2)从锅炉除尘装置出口处抽取烟气送入干燥装置内，与此同时，将含水率较高的生物质原料送入干燥装置内，通过蓄热体间接传热和多层埋刮板输送机相结合的方式，将烟气余热传递给生物质原料以排除原料中的外在水分，干燥后的生物质直接进入生物质炭化装置，换热后的烟气和水蒸汽回送至脱硫除尘装置的进口烟道；
3)从锅炉尾部烟道中的省煤器处抽取中温烟气，经高温预除尘器除去绝大部分飞灰后送入生物质炭化装置内，通过蓄热体间接传热和多层埋刮板输送机相结合的方式，将中温烟气的热量传递给生物质原料，使得生物质在缺氧条件下热解并生成生物质炭、热解气和焦油三种产物。热解过程中生产的热解气经专用管道直接送入锅炉炉膛内燃烧；生物质炭经冷却和粉磨后直接送入锅炉燃烧，或者经过冷却、粉磨、成型与包装等工艺生产各种形式的生物质炭产品；换热后的烟气作为生物质干燥装置的热源，或者再回送至锅炉尾部的空气预热器上游或除尘装置的进口烟道，经换热和净化后排放。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，干燥装置入口处的烟气温度控制在130-150℃，干燥装置出口处的烟气温度控制在80-90℃；炭化装置入口处的烟气温度控制在300-450℃，炭化装置出口处的烟气温度控制在150-250℃；生物质在干燥装置和炭化装置内的停留时间分别控制在10-30min。
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