专利名称：一种生物质气化熔融制取高热值可燃气的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的装置及方法，属于固体废弃物资源化处置领域。
背景技术：
经济的发展、社会的进步使得人类对能源的需求不断增大，因煤、石油等化石燃料的逐年减少而引发的能源危机愈演愈烈，构建清洁安全的能源未来已成为世界各国的共同目标。2007年，欧盟发布可再生能源路线图，提出到2020年可再生能源占终端能源消费比重达到20%的目标，并着重强调生物质能的开发利用。作为唯一可转化为烃类燃料的可再生能源，生物质能不仅原料丰富、分布广泛，而且为“碳中性”能源，可有效缓解全球变暖问题。生物质气化及通过气化合成液体燃料技术能将大量不同种类的生物质迅速转化为便于存储输送的气体或液体燃料，具有很强的商业可行性。但是，目前生物质气化系统整体效率相对较低，气化产物多为热值低、焦油和灰分含量高的低品质可燃气，无法直接替代煤、石油及天然气等化石燃料使用，导致气化技术的经济性差、商业竞争力偏低。因此，如何提升生物质气化技术效率，改善可燃气品质，是当前生物质气化领域亟待解决的重要问题。
生物质气化技术即利用气化剂在高温缺氧气氛下使生物质不完全燃烧生成含H2、 CO等的合成可燃气。根据气化剂的不同，生物质气化可分为空气气化、氧气气化和水蒸汽气化等。空气气化成本低、装置设备简单、操作可行性强，但由于受大量氮气的稀释影响， 生产的可燃气热值较低，一般只有4 7MJ/Nm3。氧气气化排除了氮气的影响，产气热值为 10 18MJ/Nm3，与城市煤气相当。但是纯氧制备的高成本限制了其推广应用，使用富氧气化可有效降低成本。水蒸汽气化可制得富氢的中热值可燃气，热值为10 14MJ/Nm3。但由于水蒸汽气化重整为强吸热反应，在无催化剂时需在800°C以上进行，因此气化过程需添加外供热设备，系统复杂性增大。
目前，生物质气化产物除H2、C0等可燃气体外，还包含焦油、碳颗粒和灰分等杂质。 焦油在高温下以气态形式与可燃气混合，但低于200°C时会凝结为液体，堵塞设备和管道， 影响可燃气的安全输送。物理上采用水洗法脱除焦油，不仅液体回收及循环装置庞大，而且脱焦油后的污水难以处理。因此目前倾向于热化学法除焦油，包括高温裂解及催化裂解等。 高温裂解可有效降低焦油含量，提高碳转化率，但同时增大了系统耗能，引起可燃气热值降低及反应器烧结可能性增大。催化裂解将焦油转化为轻质气体，提升了可燃气热值。但是， 催化剂热稳定性差、机械强度低、易积碳或中毒失活等问题制约了焦油催化裂解工艺的发展。可燃气中的灰分也是影响燃气应用的关键因素。灰分中高浓度的重金属及可溶性盐类不仅会导致后续设备的腐蚀磨损，也会对土壤和地下水造成二次污染。特别是流化床气化产生的燃气飞灰含量高，传统的旋风分离技术无法完全脱除，造成可燃气品质较低，也给后续的燃气净化处理带来不便。
综上所述，目前生物质气化制取高品质可燃气的难点在于如何同时提高可燃气热值和清洁度。高热值可燃气的生产需要高成本投入(氧气气化)或添加外部热源(水蒸汽气化)，而焦油和灰分等杂质的脱除则会消耗一部分热量，造成气化系统整体能量转化率减小，可燃气品质下降。发明内容
发明目的本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可提高可燃气热值并降低其中焦油和飞灰量的生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的装置。
本发明的另一目的在于提供一种生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的方法。
技术方案本发明所述的生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的装置，包括流化床气化反应器、旋风熔融炉、过热器、省煤器、热管换热器、布袋除尘器、脱硫塔、压缩装置和储气罐。
所述流化床气化反应器由气化反应区和底部的风室两部分组成，所述风室与气化反应区之间设置有布风板，所述风室的侧壁和底端分别设置有进风口和排渣口 ；所述流化床气化反应器的气化反应区的侧壁上设置有进汽口和给料器；所述流化床气化反应器的气化反应区的上部通过管道与所述旋风熔融炉的进口连接；所述旋风熔融炉的侧壁和底部分别设置有进风口和排渣口 ；所述旋风熔融炉的顶部出口依次与所述过热器、省煤器和热管换热器连接；所述热管换热器的出口依次与所述除尘器、脱硫塔、压缩装置和储气罐连接。
本发明中，流化床气化反应器为主要气化设备；旋风熔融炉为碳颗粒、焦油裂解和飞灰熔融设备；以过热器、省煤器和热管换热器为主要换热设备，回收利用气化熔融制得高温可燃气的显热；采用布袋除尘器、脱硫塔对换热后的可燃气作进一步净化处理，得到的高品质可燃气经压缩后由储气罐收集。
为了制备富氧气体，本发明装置中还包括空分装置，所述空分装置的出口分为两条支路，一条支路经过所述热管换热器后与所述旋风熔融炉的进风口连接，另一条支路经过所述热管换热器后与所述流化床气化反应器的进风口连接。
为了充分回收利用气化熔融制得高温可燃气的显热，所述省煤器上设置有进水口，通过进水管道依次经过所述述省煤器和所述过热器后与所述流化床气化反应器的进汽口连接。水经过省煤器预热后，进入过热器再热汽化制得水蒸汽，供流化床气化反应器中的反应使用。
本发明所述生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的方法，包括如下步骤
(1)向流化床气化反应器中送入生物质原料、富氧气体和水蒸汽，在450 750°C 的条件下生成粗质可燃气，再由所述流化床气化反应器的上部输送到旋风熔融炉中；反应生成的底渣由流化床气化反应器的排渣口排出；
(2)粗质可燃气进入所述旋风熔融炉后，同时向所述旋风熔融炉中通入富氧气体， 在1100 1450°C的条件下，粗质可燃气脱除其中的焦油、碳颗粒和灰分得到净化后的高温可燃气，由所述旋风熔融炉的上部排出，依次流经过热器、省煤器和热管换热器；反应生成的熔渣由所述旋风熔融炉的排渣口排出；
(3)由热管换热器出来的低温可燃气流经布袋除尘器和脱硫塔进一步净化，净化后得到净化可燃气经压缩装置压缩后收集在储气罐中。
本发明采用富氧气体和水蒸汽作为共同气化剂，结合了富氧气化及旋风熔融两项技术的优势，通过低温气化和高温熔融相结合得到较纯净的高热值可燃气。步骤(1)气化4部分的具体特征是以富氧气体和水蒸汽作为共同气化剂，富氧燃烧可为水蒸汽气化重整反应提供热量，从而形成自供热式气化系统。富氧气化过程的剧烈放热为水蒸汽气化重整反应供热，使得未能完全反应的碳颗粒和焦油等大分子物质在水蒸汽作用下进一步气化生成 CO和H2等。这不仅降低了气化产物中焦油和碳颗粒等的含量，也提高了气化反应的碳转化率，增大了可燃气热值。整个系统的反应速率、反应温度、碳转化率和产气热值均较高。
这里要说明的是，虽然生物质原料自身水分蒸发也可产生水蒸汽，并有可能进一步参与到气化重整反应中，但由于这部分水蒸汽初始温度较低，进行气化重整反应需要消耗大量的热量，因此仅通过生物质内部蒸发水蒸汽进行气化重整反应效果较差，直接通入高温水蒸汽得到的气化效果较优。
本发明粗质可燃气净化部分是制气系统的重要组成，其具体特征是采用高温旋风熔融炉进行焦油、碳颗粒的脱除和灰分的熔融。旋风熔融炉通过粗质可燃气与富氧气体燃烧放热形成高温还原性熔融气氛，不需要复杂的外供热源，不仅节约了加热成本，也降低了系统的复杂性。携带着焦油、碳颗粒和大量灰分的粗质可燃气由流化床气化反应器上部直接通入旋风熔融炉，在助燃富氧的作用下发生气化熔融，熔融炉内维持1100 1450°C的高温还原性气氛。可燃气中的焦油在熔融炉内高温裂解产生小分子气体，大分子碳颗粒与富氧气体发生二次裂解气化。焦油和碳颗粒的裂解产物均随着可燃气由熔融炉上部排出。可燃气中的灰分高温熔融并在强旋流和离心作用下被炉膛内壁捕获，然后顺着内壁流入排渣口。灰分中的重金属以化合物形式稳定存在于熔渣中，熔渣可按照普通固体废弃物填埋，也可作为建筑和路基材料。
经过旋风熔融净化除灰的高温可燃气通过过热器、省煤器和热管换热器等换热装置进行余热回收利用，以提高气化系统的能量利用效率。具体特征是通过过热器、省煤器及热管换热器进行可燃气与水和富氧气体之间的热量交换，在冷却可燃气的同时加热气化所需的水蒸汽和富氧气体。
具体实施方式
是可燃气净化除灰后依次流经过热器、省煤器和热管换热器；给水经省煤器预热后，进入过热器再热生成气化所需的高温水蒸汽；由空气经过空分装置提纯后制得的氧浓度为25 95%的富氧气体，经过热管换热器被加热至200°C 后送入流化床气化反应器及旋风熔融炉。
由热管换热器出来的低温可燃气经布袋除尘器和脱硫塔进一步净化除尘。燃气首先进入布袋除尘器去除残余的细小粉尘，之后流入脱硫塔去除其中的含硫化合物，最终得到高品质的清洁可燃气。净化可燃气经压缩装置压缩后收集在储气罐中备用，或直接输送至用气场所。
有益效果
常规流化床气化技术使用空气、氧气、水蒸汽或空气(氧气)与水蒸汽混合作为气化剂，无法实现投资成本和产气热值的平衡，导致可燃气热值较低或系统投资成本较高。可燃气中的高含量飞灰不仅给燃气净化带来不便，而且会造成后续设备的腐蚀磨损和环境的二次污染。此外，可燃气中焦油高温下以气态形式存在，但在低于200°C时会凝结为液体， 堵塞设备和管道，影响可燃气的安全输送。本发明通过结合富氧-水蒸汽气化技术及旋风熔融技术有效解决了这一难题，实现了投资成本和产气热值的平衡。在投资成本方面，相比纯氧气化，富氧气化对氧浓度要求下降，制氧成本降低。同时，水蒸汽气化重整反应可通过富氧燃烧供热，减小了外供热源的压力，降低了运行成本。在可燃气品质方面，由于富氧气体含氮量少，反应速率快，热效率较高，相比空气气化产气热值可提高近一倍。又由于水蒸汽气化重整反应增大了可燃气中吐和CO的浓度，因此该技术粗质可燃气热值可高达14 18MJ/Nm3。
在燃气净化环节，突破性地采用旋风熔融炉进行可燃气中灰分熔融和焦油、碳颗粒的二次裂解气化，有效解决了流化床燃气飞灰含量高、碳转化率低、焦油堵塞管道等问题，提高了生物质气化的碳转化率和产气热值。采用粗质可燃气与富氧气体燃烧为熔融炉供热，不需添加复杂的供热设备，节约了投资成本，提高了能量利用率。灰分在高温下完全熔融生成熔渣，其中的重金属元素以化合物形式存在于熔渣中，不会对环境造成污染，还可回收利用作为建筑和路基材料。焦油和碳颗粒在高温还原性气氛下继续裂解气化，降低了设备堵塞结焦的风险，也解决了以往气化技术中碳颗粒流失严重，产气能力低的问题。
系统设有换热单元回收利用高温可燃气显热，采用过热器、省煤器及热管换热器进行热量梯级利用，不仅实现了可燃气的冷却降温，也预热了气化所需的水蒸汽和富氧气体，系统能量利用效率提高。在富氧与可燃气换热过程中，由于可燃气和富氧气体容易发生反应爆炸，因此本发明采用两者互不接触的热管换热器，确保了系统的安全性。最后，采用布袋除尘器以及脱硫塔进行可燃气的进一步净化除尘，保证了可燃气的清洁纯净。
图1为本发明的生物质气化熔融制取高热值可燃气工艺流程示意图。
图中流化床气化反应器1、给料器1-1、进风口 1-2、进汽口 1-3、风室1_4、布风板 1-5、排渣口 1-6、旋风熔融炉2、进风口 2-1、排渣口 2-2、过热器3、省煤器4、热管换热器5、 布袋除尘器6、脱硫塔7、压缩装置8、储气罐9、空分装置10。
生物质原料A、富氧气体B、水蒸汽C、粗质可燃气D、底渣E、高温可燃气F、熔渣G、 给水H、粉尘I、空气J、低温可燃气K、净化可燃气L。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例本发明装置主要由流化床气化反应器1、旋风熔融炉2、过热器3、省煤器 4、热管换热器5、布袋除尘器6、脱硫塔7、压缩装置8、储气罐9和空分装置10组成。
所述流化床气化反应器1由气化反应区和底部的风室1-4两部分组成，所述风室 1-4与气化反应区之间设置有布风板1-5，所述风室1-4的侧壁和底端分别设置有进风口 1-2和排渣口 1-6 ；所述流化床气化反应器1的气化反应区的侧壁上设置有进汽口 1-3和给料器1-1 ；所述流化床气化反应器1的气化反应区的上部通过管道与所述旋风熔融炉2的进口连接；所述旋风熔融炉2的侧壁和底部分别设置有进风口 2-1和排渣口 2-2 ；所述旋风熔融炉2的顶部出口依次与所述过热器3、省煤器4和热管换热器5连接；所述热管换热器 5的出口依次与所述布袋除尘器6、脱硫塔7、压缩装置8和储气罐9连接；所述空分装置10 的出口分为两条支路，一条支路经过所述热管换热器5后与所述旋风熔融炉2的进风口 2-1 连接，另一条支路经过所述热管换热器5后与所述流化床气化反应器1的进风口 1-2连接； 所述省煤器4上设置有进水口，通过进水管道依次经过所述述省煤器4和所述过热器3后与所述流化床气化反应器1的进汽口 1-3连接。
如图1所示，生物质原料A由给料器1-1送入流化床气化反应器1，空分装置10分离出的富氧气体B预热后由进风口 1-2通入，经风室1-4和布风板1-5进入气化反应区，进汽口 1-3通入水蒸汽C。流化床气化反应器1温度450 750°C，气化重整得到的粗质可燃气D由流化床上部输送至旋风熔融炉2，底渣E经排渣口 1-6排出。富氧气体B由进风口 2-1给入，旋风熔融炉2温度1100 1450°C，粗质可燃气在高温环境下脱除其中的焦油、碳颗粒和灰分。高温熔融产生的熔渣G由排渣口 2-2排出，净化后的高温可燃气F由旋风熔融炉2上部排出，依次流经过热器3、省煤器4和热管换热器5。给水H经省煤器4预热后进入过热器3，加热产生的水蒸汽C通入流化床气化反应器1。富氧气体B经热管换热后分别通入流化床气化反应器1和旋风熔融炉2。换热后的低温可燃气K流经布袋除尘器6和脱硫塔7进一步净化，净化可燃气L经压缩装置8压缩后收集在储气罐9中。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
权利要求
1.一种生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的装置，其特征在于包括流化床气化反应器(1)、旋风熔融炉O)、过热器(3)、省煤器G)、热管换热器(5)、布袋除尘器(6)、脱硫塔(7)、压缩装置(8)和储气罐(9)；所述流化床气化反应器(1)由气化反应区和底部的风室(1-4)两部分组成，所述风室 (1-4)与气化反应区之间设置有布风板(1-5)，所述风室(1-4)的侧壁和底端分别设置有进风口(1-2)和排渣口(1-6)；所述流化床气化反应器⑴的气化反应区的侧壁上设置有进汽口(1-3)和给料器(1-1)；所述流化床气化反应器(1)的气化反应区的上部通过管道与所述旋风熔融炉O)的进口连接；所述旋风熔融炉O)的侧壁和底部分别设置有进风口(2-1)和排渣口(2- ；所述旋风熔融炉O)的顶部出口依次与所述过热器(3)、省煤器(4)和热管换热器(5)连接；所述热管换热器(5)的出口依次与所述除尘器(6)、脱硫塔(7)、压缩装置(8)和储气罐(9)连接。
2.根据权利要求1所述的生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的装置，其特征在于还包括空分装置(10)，所述空分装置(10)的出口分为两条支路，一条支路经过所述热管换热器( 后与所述旋风熔融炉O)的进风口(2-1)连接，另一条支路经过所述热管换热器(5)后与所述流化床气化反应器(1)的进风口(1-2)连接。
3.根据权利要求1所述的生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的装置，其特征在于所述省煤器(4)上设置有进水口，通过进水管道依次经过所述述省煤器(4)和所述过热器(3)后与所述流化床气化反应器(1)的进汽口(1-3)连接。
4.一种生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的方法，其特征在于包括如下步骤(1)向流化床气化反应器中送入生物质原料、富氧气体和水蒸汽，在450 750°C的条件下生成粗质可燃气，再由所述流化床气化反应器的上部输送到旋风熔融炉中；反应生成的底渣由流化床气化反应器的排渣口排出；(2)粗质可燃气进入所述旋风熔融炉后，同时向所述旋风熔融炉中通入富氧气体，在 1100 1450°C的条件下，粗质可燃气脱除其中的焦油、碳颗粒和灰分得到净化后的高温可燃气，由所述旋风熔融炉的上部排出，依次流经过热器、省煤器和热管换热器；反应生成的熔渣由所述旋风熔融炉的排渣口排出；(3)由热管换热器出来的低温可燃气流经布袋除尘器和脱硫塔进一步净化，净化后得到净化可燃气经压缩装置压缩后收集在储气罐中。
5.根据权利要求4所述的生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的方法，其特征在于步骤(1)和步骤O)中，所述富氧气体的氧浓度为25 95%，并经过预热至200°C以上。
6.根据权利要求4或5所述的生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的方法，其特征在于步骤(1)和步骤O)中，所述富氧气体是由空气经过空分装置提纯后制得，并经过热管换热器加热至200°C以上。
7.根据权利要求4所述的生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的方法，其特征在于步骤(1)中，所述水蒸汽是由水经过省煤器预热后，进入过热器再热汽化制得。
全文摘要
本发明公开了一种生物质气化熔融制取高热值清洁可燃气的装置及方法，可用于制备高热值清洁可燃气，装置由流化床气化反应器、旋风熔融炉、过热器、省煤器、热管换热器、布袋除尘器、脱硫塔、压缩装置和储气罐等组成。本发明是一种突破现有技术的高效生物质气化技术，能制取高热值可燃气，并能有效降低燃气中焦油、碳颗粒和灰分含量。系统热利用效率高，且安全可靠。
文档编号C10J3/54GK102517089SQ201110404429
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者孙宇, 牛淼淼, 金保昇, 黄亚继 申请人:东南大学