一种生物质气化产物与煤共燃烧的系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种生物质气化产物与煤共燃烧的系统及方法，该系统包括生物质气化装置、生物质气化产物分离输送装置和锅炉共燃烧装置，生物质气化装置以生物质为原料，并利用该生物质原料得到生物质气化产物，生物质气化产物包括生物质焦和气态产物；生物质气化产物分离输送装置用于将生物质气化产物分离并输送到锅炉共燃烧装置中与煤共燃；锅炉共燃烧装置用于将生物质气化装置中得到的生物质气化产物与煤在锅炉中共燃；所述方法采用所述系统实现生物质气化产物与煤的共燃烧。本发明通过将生物质气化得到的固、气、液产物分离，充分利用了生物质原料气化得到的所有产物，提高了常规生物质与煤共燃锅炉的发电效率，减少了污染物和温室气体的排放。
【专利说明】
一种生物质气化产物与煤共燃烧的系统及方法
技术领域
[0001]本发明属于能源利用技术领域，更具体地，涉及一种生物质气化产物与煤共燃烧的系统及方法。
【背景技术】
[0002]燃煤发电的大量采用导致每年排放大量的二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳气体，这些污染物的排放及由其形成的酸雨造成的损失约占GDP总量的8%，而且二氧化碳的大量排放造成了严重的温室效应，导致全球气温升高，极端天气愈加频繁。因此，加快能源结构调整，降低煤炭使用量刻不容缓。
[0003]中国是一个农业大国，每年的农林废弃物产量巨大，大量农业秸杆采用的是田间焚烧处理方法，产生大量的PM2.5颗粒并造成了大量资源的浪费。与化石能源相比，生物质具有资源丰富、低污染、低灰和可再生的特点，燃用生物质发电可以显著的降低二氧化硫、氮氧化物、重金属和二氧化碳的排放。
[0004]将现有的燃煤锅炉进行改造，掺烧生物质可以显著降低污染物排放，并在发电规模、燃烧效率和运行稳定等方面有明显的优势。但是，由于生物质种类繁多，物理化学特性各不相同，普通的共燃方式对燃料适应性差，输送生物质及生物质前处理困难，大规模推广共燃技术仍然存在问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物质气化产物与煤共燃烧的系统及方法，其利用生物质气化产物与煤共燃的低氮燃烧技术，将各种生物质原料进行热解和气化，产生生物质焦、生物油、气化气三种产物，可将性质差别较大的生物质转化为性质较为统一的气化产物，有效地解决了锅炉对于原料适应性的限制，同时，将生物质颗粒转化为气、液、固三态产物，分别投入锅炉共燃，显著提高了生物质的利用效率与共燃效果，充分利用气化产物的燃烧特性，降低了烟气中氮氧化物的含量，达到提高锅炉原料适应性、降低污染物排放的目的。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发明提出了一种生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其特征在于，该系统包括生物质气化装置、生物质气化产物分离输送装置和锅炉共燃烧装置，其中:
[0007]所述生物质气化装置以生物质为原料，并利用该生物质原料得到生物质气化产物，所述生物质气化产物包括生物质焦和气态产物；
[0008]所述生物质气化产物分离输送装置用于将生物质气化产物分离并输送到锅炉共燃烧装置中与煤共燃；
[0009]所述锅炉共燃烧装置用于将生物质气化装置中得到的生物质气化产物与煤在锅炉中共燃。
[0010]作为进一步优选的，所述生物质气化装置包括生物质进料器和气化反应炉，所述生物质进料器与气化反应炉相连，其用于将生物质原料输送至气化反应炉中；所述气化反应炉作为生物质原料气化反应的容器，其底部与锅炉共燃烧装置中的锅炉尾部相连，以此直接利用锅炉尾部的高温烟气为气化反应炉提供气化反应所需的能量、O2和C02。
[0011]作为进一步优选的，所述气化反应炉与锅炉共燃烧装置中的锅炉通过高温烟气管道相连，该高温烟气管道上设置有风机，以便于抽取锅炉中的高温烟气。
[0012]作为进一步优选的，所述锅炉共燃烧装置包括锅炉以及与锅炉尾部相连的烟囱。
[0013]作为进一步优选的，所述生物质气化产物分离输送装置包括气固分离器、生物油液化分离器和磨煤机，所述气固分离器将离开气化反应炉的气态产物进行分离获得固体颗粒，该固体颗粒与生物质焦及煤混合后并经磨煤机磨制后喷入锅炉的炉膛中共燃，以利用生物质焦的异相还原特性，还原煤粉燃烧过程中产生的氮氧化物，进而降低烟气中氮氧化物的排放;所述生物油液化分离器将经过分离的气态产物进行冷凝以获得生物油和气化气，所述生物油收集在生物油收集器中。
[0014]作为进一步优选的，所述气化气作为再燃燃料喷入锅炉炉膛中部的再燃区，以形成还原区，将燃煤生成的氮氧化物还原成N2,进而降低氮氧化物的生成，减少燃烧烟气中氮氧化物的含量。
[0015]作为进一步优选的，所述生物油作为再燃燃料喷入锅炉炉膛中部的再燃区，以形成还原区，将煤燃烧形成的氮氧化物还原成N2，进而降低锅炉NOx的排放量;或将生物油通入锅炉的一次风口内，以作为锅炉的点火用油；或将生物油通入锅炉的一次风口和二次风口内，以作为锅炉的稳燃用油，进而实现生物质能源的高效梯级利用。
[0016]作为进一步优选的，所述高温烟气的温度为100°C?1200°C，组成成分为5%02、14%CO2、15 %H20、65.8%氮气和0.2%的氮氧化物与硫氧化物。
[0017]按照本发明的另一方面，提供了一种生物质气化产物与煤共燃烧的方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0018]S1、利用生物质气化装置以生物质为原料得到生物质气化产物，生物质气化产物包括生物质焦和气态产物；
[0019]S2、利用生物质气化产物分离输送装置将生物质气化产物分离并输送到锅炉共燃烧装置中；
[0020]S3、利用锅炉共燃烧装置将生物质气化装置中得到的生物质气化产物与煤在锅炉中共燃。
[0021]作为进一步优选的，步骤SI包括如下子步骤:
[0022]S11、开启连通生物质气化装置和锅炉共燃烧装置的高温烟气管道，向生物质气化装置中输送气化反应所需的能量、O2和CO2;
[0023]S12、生物质原料经生物质进料器连续的输送到生物质气化装置中，并快速气化以得到生物质焦和气态产物；
[0024]步骤S2包括如下子步骤:
[0025]S21、将气态产物中固体颗粒进行分离，收集固体颗粒，并将生物质气化装置中的生物质焦分离出来，将固体颗粒和生物质焦混合后再与煤混合，然后输送至锅炉共燃烧装置中共燃；
[0026]S22、将分离的气态产物进行冷凝分离获得生物油和气化气，将生物油和气化气分别输送到锅炉共燃烧装置中。
[0027]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0028]1.本发明系统将生物质原料在共燃之前，先进行气化处理，得到气、固、液三种气化产物，根据三种产物的物理化学特性的不同，以分别适合这三态产物的共燃方式投入到锅炉中与煤共燃，以将特性差别较大的不同生物质转化为差别较小的三态产物，充分利用了生物质原料气化得到的所有产物，达到高效利用生物质能，提高常规生物质与煤共燃锅炉的发电效率，提高了锅炉对生物质的适应性，减少煤的使用，减少污染物和温室气体的排放，最终达到保护环境和碳减排的目的。
[0029]2.本发明中改变气化反应炉中的反应条件基本不会对随后的共燃产生明显影响，在使用不同生物质原料时，不需要对锅炉进行改动，只需对气化反应条件进行修改，有效解决了锅炉对于原料适应性的限制问题。
[0030]3.本发明中，气化气和生物油喷入到再燃区，提供还原性气氛，降低氮氧化物的生成，同时生物质自身氮含量较低，可有效降低燃烧烟气中的氮氧化物含量。
[0031]4.本发明中，利用生物油代替柴油和重油作为锅炉点火和稳燃用油，实现生物质能源的高效梯级利用;此外，对于煤粉锅炉而言，形状不一且不宜磨碎的生物质很难直接输送入煤粉炉内，本发明采用固定床式的气化炉，可以将切碎的物料直接输送至气化炉，解决了物料送入问题。
【附图说明】
[0032]图1是本发明实施例的生物质气化产物与煤共燃烧系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0034]如图1所示，本发明实施例提供的一种生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其主要包括生物质气化装置A、生物质气化产物分离输送装置B和锅炉共燃烧装置C，其中，生物质气化装置A以生物质为原料，并利用生物质原料得到生物质气化产物，生物质气化产物主要包括生物质焦和气态产物;生物质气化产物分离输送装置B用于将生物质气化产物分离并输送到锅炉共燃烧装置C中与煤共燃;锅炉共燃烧装置C用于将生物质气化装置中得到的生物质气化产物与煤在锅炉中共燃。本系统将性质差别较大的生物质转化为性质较为统一的气化产物，有效解决了锅炉对于原料适应性的限制，同时将生物质颗粒转化为气、液、固三态产物，分别投入锅炉共燃，显著提高了生物质的利用效率与共燃效果，并充分利用气化产物的燃烧特性，降低了烟气中氮氧化物的含量。
[0035]下面将对系统中的各个装置进行详细的说明和描述。
[0036]生物质气化装置A具体为固定床形式，其对生物质原料适应性强，可以对一种生物质或多种生物质进行混合，例如秸杆、谷壳、棉杆、木肩、树皮等农林废弃物，树木等林木等，最大程度的利用各种生物质能，达到更好的能源利用与环境保护方面的目的；其运行条件可以改变，根据锅炉共燃烧装置C的需要，可以通过调整反应温度、停留时间、生物质种类与粒径等条件，得到不同比例、不同成分的三态产物，以便于达到最好的共燃效果。此外，所采用的生物质原料的多样性，不同特性的生物质经过气化之后，得到的气化产物性质差别小，有效的解决了锅炉对于原料适应性的限制。
[0037]具体的，生物质气化装置A包括生物质进料器I和气化反应炉2，生物质进料器I与气化反应炉2相连，其用于将生物质原料输送至气化反应炉2中；气化反应炉2作为生物质原料气化反应的容器，将生物质气化生成生物质焦和气态产物，生物质焦留在气化反应炉2中，而气态产物则从气化反应炉2的顶部输出，以待后续处理。生物质气化装置A的底部设置有进气口，该进气口用于输入高温烟气，具体的通过高温烟气管道14连接生物质气化装置A的进气口和锅炉共燃烧装置C的锅炉尾部，以此可直接利用锅炉尾部的高温烟气为气化反应炉提供气化反应所需的能量、O2和C02。为了便于抽取锅炉中的高温烟气，在高温烟气管道14上设置有风机13，其中，高温烟气的温度为100°C?1200°C，组成成分为约5%02、14%C02、15%H20、65.8%氮气和0.2%的氮氧化物与硫氧化物。气化反应炉2上还设置有出气口和排料口，出气口通过共燃燃料输运管道12与生物质气化产物分离输送装置B相连，用于排出气化反应炉中的气态产物，排料口通过共燃燃料输运管道12与生物质气化产物分离输送装置B相连，用于排出气化得到的生物质焦。
[0038]如图1所示，锅炉共燃烧装置C包括锅炉6以及与锅炉6尾部相连的烟囱7，其可以根据不同生物质原料以及得到的不同的三态产物(生物质焦、生物油和气化气)特性，以不同的输送方法进入锅炉共燃，并根据锅炉运行情况，改变一次风、二次风、三次风、燃尽风、煤粉的喷入方式和比例，同时改变气化产物喷口的位置、喷入方式，达到最高的热效率和最低的污染物排放。图中a为燃尽区，b为再燃区，c为主燃区。
[0039]生物质气化产物分离输送装置B将生物质气化产物分离并以最优的方式分配到锅炉中与煤共燃，其包括气固分离器3、生物油液化分离器4和磨煤机11，气固分离器3将离开气化反应炉的气态产物进行分离以获得固体颗粒，并将留在气化反应炉2中的生物质焦分离出来，将两部分固体产物混合，然后与煤混合后经磨煤机11磨制后喷入锅炉6的炉膛中共燃。通过将焦与煤混合燃烧，可以利用焦异相还原特性，还原煤粉燃烧过程中产生的氮氧化物，降低烟气中氮氧化物的排放。生物油液化分离器4将经过分离的气态产物进一步进行冷凝分离以获得生物油和气化气，生物油由生物油收集器5收集，然后存储在油罐10中。
[0040]其中，气化气作为再燃燃料喷入锅炉炉膛中部的再燃区，以形成还原区，将燃煤生成的氮氧化物还原成N2,进一步降低氮氧化物的生成，减少燃烧烟气中氮氧化物的含量。生物油作为再燃燃料喷入锅炉炉膛中部的再燃区，以形成还原区，将煤燃烧形成的氮氧化物还原成N2,进而降低锅炉NOx的排放量;或者可以将生物油通入锅炉的一次风口9内，以作为锅炉的点火用油;或者可以将生物油通入锅炉的一次风口 9和二次风口8内，以作为锅炉的稳燃用油，取代柴油和重油，实现生物质能源的高效梯级利用。
[0041]本发明实施例还提供了一种生物质气化产物与煤共燃烧的方法，其采用本发明的系统实现生物质气化产物与煤的共燃烧，其主要包括如下步骤:
[0042]S1、利用生物质气化装置A以生物质为原料得到生物质气化产物:
[0043]S11、开启连通生物质气化装置A和锅炉共燃烧装置C的高温烟气管道14，向生物质气化装置A中输送气化反应所需的能量、O2和C02，保证气化反应炉中气氛和温度适合气化；
[0044]S12、生物质原料经生物质进料器I连续的输送到生物质气化装置A中，并快速气化以得到生物质焦和气态产物；
[0045]S2、利用生物质气化产物分离输送装置B将生物质气化产物分离并输送到锅炉共燃烧装置C中:
[0046]S21、将气态产物中固体颗粒进行分离，收集固体颗粒，并将生物质气化装置A中的生物质焦分离出来，将固体颗粒和生物质焦混合后再与煤混合，然后输送至锅炉共燃烧装置中；
[0047]S22、将分离的气态产物进行冷凝分离获得生物油和气化气，将生物油和气化气分别输送到锅炉共燃烧装置中；
[0048]S3、利用锅炉共燃烧装置C将生物质气化装置中得到的生物质焦、生物油和气化气三态产物与煤在锅炉中共燃。
[0049]以下为本发明的具体实施例，通过该实例进一步对本发明进行说明。
[0050]本系统运行时，首先将破碎并干燥后粒径不大于50mm的玉米秸杆通过生物质进料器输送到气化反应炉中，气化反应炉的能量和02、C02来自于锅炉尾部抽取的高温烟气，高温烟气的温度为100tC，实现气化炉的高效连续运行;在循环高温烟气的气氛与加热作用下，玉米秸杆颗粒在500 V下经过气化后，产生挥发份和焦;挥发份通过气化反应炉上端的出气口排出，焦通过气化炉下端的排料口排出；挥发份通过气固分离器后，将挥发份中夹带的细小焦炭颗粒分离出来，分离出的焦炭颗粒掉落到焦的输送管道中；分离后的挥发份进入生物油分离器中，挥发份冷凝后产生生物油，生物油进入生物油收集器，之后通入油罐;不可凝部分为气化气；
[0051]收集到的焦通过输送管道与煤混合，一同经磨煤机磨制后喷入炉膛主烧区；气化气则通过单独的喷口喷入炉膛中部再燃区，一同共燃;生物油自生物油收集器出来之后，分为两部分:一部分喷入再燃区；另一部分进入油罐，之后分为两路作为一次风和二次风稳燃用油和二次风大油枪稳燃用油。
[0052]本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其特征在于，该系统包括生物质气化装置(A)、生物质气化产物分离输送装置(B)和锅炉共燃烧装置(C)，其中: 所述生物质气化装置(A)以生物质为原料，并利用该生物质原料得到生物质气化产物，所述生物质气化产物包括生物质焦和气态产物； 所述生物质气化产物分离输送装置(B)用于将生物质气化产物分离并输送到锅炉共燃烧装置(C)中与煤共燃； 所述锅炉共燃烧装置(C)用于将生物质气化装置中得到的生物质气化产物与煤在锅炉中共燃。2.根据权利要求1的生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其特征在于，所述生物质气化装置(A)包括生物质进料器(I)和气化反应炉(2)，所述生物质进料器(I)与气化反应炉(2)相连，其用于将生物质原料输送至气化反应炉(2)中；所述气化反应炉(2)作为生物质原料气化反应的容器，其底部与锅炉共燃烧装置(C)中的锅炉尾部相连，以此直接利用锅炉尾部的高温烟气为气化反应炉提供气化反应所需的能量、O2和C02。3.根据权利要求2的生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其特征在于，所述气化反应炉(2)与锅炉共燃烧装置(C)中的锅炉通过高温烟气管道(14)相连，该高温烟气管道(14)上设置有风机(13)，以便于抽取锅炉中的高温烟气。4.根据权利要求3的生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其特征在于，所述锅炉共燃烧装置(C)包括锅炉(6)以及与锅炉(6)尾部相连的烟囱(7)。5.根据权利要求1的生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其特征在于，所述生物质气化产物分离输送装置(B)包括气固分离器(3)、生物油液化分离器(4)和磨煤机(11)，所述气固分离器(3)将离开气化反应炉的气态产物进行分离获得固体颗粒，该固体颗粒与生物质焦及煤混合后并经磨煤机(11)磨制后喷入锅炉(6)的炉膛中共燃，以利用生物质焦的异相还原特性，还原煤粉燃烧过程中产生的氮氧化物，进而降低烟气中氮氧化物的排放;所述生物油液化分离器(4)将经过分离的气态产物进行冷凝以获得生物油和气化气，所述生物油收集在生物油收集器(5)中。6.根据权利要求5的生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其特征在于，所述气化气作为再燃燃料喷入锅炉炉膛中部的再燃区，以形成还原区，将燃煤生成的氮氧化物还原成N2，进而降低氮氧化物的生成，减少燃烧烟气中氮氧化物的含量。7.根据权利要求5的生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其特征在于，所述生物油作为再燃燃料喷入锅炉炉膛中部的再燃区，以形成还原区，将煤燃烧形成的氮氧化物还原成Ns，进而降低锅炉NOx的排放量;或将生物油通入锅炉的一次风口内，以作为锅炉的点火用油；或将生物油通入锅炉的一次风口和二次风口内，以作为锅炉的稳燃用油，进而实现生物质能源的高效梯级利用。8.根据权利要求2和3的生物质气化产物与煤共燃烧的系统，其特征在于，所述高温烟气的温度为100℃?1200℃，组成成分为5%02、14%0)2、15%!120、65.8%氮气和0.2%的氮氧化物与硫氧化物。9.一种生物质气化产物与煤共燃烧的方法，其特征在于，包括如下步骤: S1、利用生物质气化装置(A)以生物质为原料得到生物质气化产物，生物质气化产物包括生物质焦和气态产物； S2、利用生物质气化产物分离输送装置(B)将生物质气化产物分离并输送到锅炉共燃烧装置(C)中； S3、利用锅炉共燃烧装置(C)将生物质气化装置中得到的生物质气化产物与煤在锅炉中共燃。10.根据权利要求9的生物质气化产物与煤共燃烧的方法，其特征在于，步骤SI包括如下子步骤: S11、开启连通生物质气化装置(A)和锅炉共燃烧装置(C)的高温烟气管道(14)，向生物质气化装置(A)中输送气化反应所需的能量、O2和CO2; S12、生物质原料经生物质进料器(I)连续的输送到生物质气化装置(A)中，并快速气化以得到生物质焦和气态产物； 步骤S2包括如下子步骤: S21、将气态产物中固体颗粒进行分离，收集固体颗粒，并将生物质气化装置(A)中的生物质焦分离出来，将固体颗粒和生物质焦混合后再与煤混合，然后输送至锅炉共燃烧装置(C)中共燃； S22、将分离的气态产物进行冷凝分离获得生物油和气化气，将生物油和气化气分别输送到锅炉共燃烧装置中。
【文档编号】C10B53/02GK105841140SQ201610205543
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】向军, 熊哲, 汪, 汪一, 胡松, 苏胜, 江龙, 孙依, 唐浩
【申请人】华中科技大学