本发明属于能源转化设备技术领域，涉及一种气化炉及气化操作方法，特别涉及一种生物质气化炉及其气化操作方法。
背景技术：
能源与环境问题的严峻现实正迫使人类努力寻找一条人口、经济、社会、资源与环境相互协调的可持续发展道路，其中，开发新能源和可再生能源已成为当务之急。生物质包括动物、植物、微生物及其派生、排泄、代谢的有机质，生物质能是太阳能直接或间接通过光合作用以化学能贮存在生物中一种能量形式，是唯一一种可储存并运输的可再生资源。生物质可在较短周期内重新生成，全球每年生成生物质总量1460亿吨左右，等于目前世界总能耗的10倍。目前，全球生物质能源中只有10%被利用，以传统炉灶直接燃烧为主，热效率仅为10%～15%，且产生的烟尘会污染环境。其余大量生物质多以露天焚烧等方式被处理掉，造成的环境问题和能源浪费问题日益严重。
现代生物质能利用指借助生化、物化转化手段，通过一系列先进转换技术，产出固、液、气等高品位能源来代替化石燃料，为生产、生活提供电力、交通燃料、热能、燃气等优质清洁能源产品。其中，生物质气化技术相对生物质制油等其他转化技术用途更广泛、系统相对简单、成本相对较低。但已有的生物质气化炉普遍存在如下问题：能源转化、利用效率较低；系统运行不稳定；产气品质较差；特别是气体中固体颗粒与焦油含量高造成后处理系统复杂与环境二次污染。总之，目前生物质气化炉设计及运行技术、工艺尚不成熟。
针对气化燃气中焦油的处理问题，目前有采用水或化学溶剂的洗涤分离方法、静电除焦法、过滤法和机械法等，但燃气中焦油的能量一般占总能量的10%～15%，上述除焦技术中这部分能量都被浪费掉了，甚至有的技术造成了二次污染。如果把焦油转化为燃气，既可提高气化效率、燃气品质，又可避免二次污染，对发展和推广气化技术具有重要意义。催化裂解技术可将焦油转化为可燃气，既提高能量利用率，又彻底减少二次污染；高温裂解技术在1100℃以上时也能获得较高的焦油转化效率，但在获取高温的同时如何保证系统能源总体利用效率是一项技术难题。
因此，围绕目前生物质气化炉设计及运行出现的共性问题，进行气化炉的精确设计已成为当务之急。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有生物质气化炉普遍存在能源转化、利用效率较低，系统运行不稳定，产气品质较差，特别是气体中固体颗粒与焦油含量高造成后处理系统复杂与环境二次污染等不足，提出一种生物质气化炉及其气化操作方法，可使气化反应可控性更强、调节更加灵活，可有效改善气化工况，气化反应更加均匀充分，可避免因气化炉反应温度过高而造成的热量浪费问题，提高反应炉的热效率和气化效率，降低燃气中焦油含量，提高燃气品质。
本发明的技术方案是：一种生物质气化炉，包括反应炉体，设置在反应炉体顶部的上料口以及设置在反应炉体底部的底座；其特征在于：所述反应炉体由双层同轴耐热钢管构成，所述双层同轴耐热钢管形成中空的炉壁夹套，所述炉壁夹套内从上至下设有若干个不规则挡块，所述反应炉体内从上至下依次设有干燥区、裂解区、氧化区、还原区和灰室；所述氧化区内设有Y型裂解气隔离分流装置，所述Y型裂解气隔离分流装置的下部为等径耐热钢管，上部为V型同轴坡面，所述V型同轴坡面上均布设有若干个圆孔，所述Y型裂解气隔离分流装置内设有氧化区圆形切向送风装置，所述Y型裂解气隔离分流装置底部设有上活动炉排，所述还原区底部设有下活动炉排，所述还原区顶部设有还原区圆形切向送风装置；所述灰室由三层耐热钢板卷制而成后与上下法兰形成焊接，所述三层耐热钢板卷制后分别形成中空的灰室内层夹套和灰室外层夹套，所述灰室底部炉壁上设有氧气输送接口和水蒸气输送接口，所述氧气输送接口与所述灰室外层夹套相连通，所述灰室外层夹套上设有氧气输送管，所述氧气输送管与所述氧化区圆形切向送风装置相连通，所述水蒸气输送接口与所述灰室内层夹套相连通，所述灰室内层夹套上设有水蒸气输送管，所述水蒸气输送管与所述还原区圆形切向送风装置相连通，所述灰室上方设有上活动闸板，所述上活动闸板上方的内层耐热钢管壁上设有方便气体进入炉壁夹套内的等径炉壁夹套入口，所述灰室的下方设有下活动闸板；所述反应炉体一侧的炉壁上轴向设有取样装置，所述取样装置与反应炉内连通，所述取样装置由热电偶接口、固体取样钩、固体取样管、气体取样管构成，在其中任何一只取样装置中均可拆卸上述部分部件后，安装点火装置(1)和泄压管(2)，所述氧化区和还原区内设有搅拌棒，所述搅拌棒通过取样装置穿入所述反应炉体内，所述反应炉体另一侧炉壁上方设有储气罐接口。
所述上、下活动炉排均由耐热钢板、连接件和活动钢杆组成，活动钢杆一端伸出炉外，通过气缸、液压缸或直线电机进行驱动，上、下活动炉排排列后为圆形，直径略小于炉膛内径。
所述上活动闸板设置在双层耐热钢管与灰室之间，下活动闸板设置在灰室底部，上、下活动闸板均由气缸、液压缸或直线电机驱动。
所述搅拌棒为Z型搅拌棒，搅拌棒通过取样装置穿入炉内，搅拌棒可沿轴向移动，用于炉内物料搅拌。
所述氧化区圆形切向送风装置和还原区圆形切向送风装置均为弯曲呈圆形且对接密封焊接的圆管，圆管上设有1个连接头和均布设有6个喷嘴，喷嘴出口中心线与圆管中心线包围的平面、以及圆管中心线的切线之间均呈一定夹角，连接头用于连接氧气输送管和水蒸气输送管，6只喷嘴喷出的气体对冲后在圆管中间形成一个切圆区域。
一种生物质气化炉的气化方法，其特征在于，气化操作步骤如下：
(1)秸秆等生物质被从上料口加入后，点火装置从贯穿炉壁的取样装置伸入炉体内，同时由供氧装置向灰室外层夹套内通入适量气化剂，气化剂从灰室外层夹套出来后进入氧气输送管直至氧化区圆形切向送风装置送入氧化区，此时生物质被点燃；
(2)当炉温升高并稳定后，由水蒸气发生器向灰室内层夹套供入水蒸气，经过灰室余热加热后由还原区圆形切向送风装置送入还原区，作为辅助气化剂；
(3)物料由炉顶干燥区逐渐下降至裂解区，裂解产生的气体经Y型裂解气隔离分流装置上面的圆孔进入该装置与氧化区内炉壁之间的夹层，在不与氧化区气体、生物质接触反应、并初步裂解的前提下进入还原区；
(4)氧化区生成的燃气主要包括氢气、一氧化碳、碳氢化合物、焦油等各种可燃组分，以及未反应的部分氧气、生成的二氧化碳等，燃气随半气化后的残焦向下经上活动炉排进入还原区，残焦、燃气与通入该区的水蒸气发生还原反应；
(5)气固产物经过下活动炉排向下，燃气中的焦油进一步在高温固体残渣中分解为气态可燃物，固体残焦进入灰室，加热灰室内层、外层夹套内的水蒸气和氧气，气体经灰室上方的等径炉壁夹套入口向上进入炉壁夹套，焦油进一步被高温裂解，且在炉壁夹套内部焊接的不规则挡块作用下，灰尘及残存焦油中的大液滴被惯性力除去，燃气最终经夹套上方的储气罐接口被引出炉外；
(6)当灰室内的残渣累积较多时，在确保灰室上方的上活动闸板关闭、主反应器不漏气的前提下，开启灰室下方的下活动闸板，将残渣排出炉外。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种生物质气化炉及其气化操作方法，结构新颖，操作原理清晰，本发明中设置在炉内氧化区的Y型裂解气隔离分流装置将上方裂解区产生的裂解气有效与氧化区物料、氧化剂隔开，使其通过Y型裂解气隔离分流装置与炉内壁之间的隔层，既避免了它被氧化，又借助氧化区高温对其中的焦油进行了初步高温裂解，降低了燃气中焦油含量，提高了燃气品质；设置在氧化区、还原区的用于喷入气化剂的圆形切向送风装置采用圆周方向多喷口切向送气方式，既保证了各区所需气化剂的均匀分布，又有效对传热、反应起到扰动作用，使得气化反应更加均匀充分；还原区下方的炽热料层、气化炉主体的高温炉壁夹套对燃气中的焦油进一步起到高温裂解的作用；设置在双层高温钢管炉壁夹套内的不规则挡块还可通过惯性力有效阻止燃气中焦油、灰尘的排放；灰室的双隔层设计有效利用了气化残渣的余热对氧气、水蒸气进行加热，提高了反应炉的热效率；两级活动炉排、两级活动闸板的设计使得气化反应可控性更强、调节更加灵活，对改善气化工况、提高气化效率，提高燃气品质具有重要作用；生物质气化炉采用氧气、水蒸气联合作为气化剂，使得燃气中氢气、碳氢化合物等优质成分含量更高，有效改善燃气品质，同时避免了气化炉反应温度过高造成的热量浪费问题。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明中Y型裂解气隔离分流装置结构示意图。
图3为本发明中圆形切向送风装置结构示意图。
图中：点火装置1、泄压管2、热电偶接口3、气体取样管4、固体取样钩5、固体取样管6、搅拌棒7、上活动钢杆8、下活动钢杆9、气缸10、上活动闸板11、下活动闸板12、氧气输送接口13、水蒸气输送接口14、上料口15、炉壁夹套16、储气罐接口17、不规则挡块18、Y型裂解气隔离分流装置19、等径耐热钢管19-1、V型同轴坡面19-2、圆孔19-3、氧化区圆形切向送风装置20、上活动炉排21、还原区圆形切向送风装置22、氧气输送管23、下活动炉排24、等径炉壁夹套入口25、水蒸气输送管26、灰室27、灰室外层夹套28、灰室内层夹套29、喷嘴30、连接头31。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-3所示，一种生物质气化炉，包括反应炉体，设置在反应炉体顶部的上料口15以及设置在反应炉体底部的底座；反应炉体由双层同轴耐热钢管构成，双层同轴耐热钢管形成中空的炉壁夹套16，炉壁夹套16内从上至下设有若干个不规则挡块18，反应炉体内从上至下依次设有干燥区、裂解区、氧化区、还原区和灰室27；氧化区内设有Y型裂解气隔离分流装置19，Y型裂解气隔离分流装置19的下部为等径耐热钢管19-1，上部为V型同轴坡面19-2，V型同轴坡面19-2上均布设有若干个圆孔19-3，Y型裂解气隔离分流装置19内设有氧化区圆形切向送风装置20，Y型裂解气隔离分流装置19底部设有上活动炉排21，还原区底部设有下活动炉排24，还原区顶部设有还原区圆形切向送风装置22；灰室27由三层耐热钢板卷制而成后与上下法兰形成焊接，三层耐热钢板卷制后分别形成中空的灰室内层夹套29和灰室外层夹套28，灰室27底部炉壁上设有氧气输送接口13和水蒸气输送接口14，氧气输送接口13与灰室外层夹套28相连通，所述灰室外层夹套28上设有氧气输送管23，氧气输送管23与所述氧化区圆形切向送风装置20相连通，所述水蒸气输送接口14与灰室内层夹套29相连通，灰室内层夹套29上设有水蒸气输送管26，水蒸气输送管26与还原区圆形切向送风装置22相连通，灰室27上方设有上活动闸板11，上活动闸板11上方的内层耐热钢管壁上设有方便气体进入炉壁夹套16内的等径炉壁夹套入口25，灰室27的下方设有下活动闸板12；所述反应炉体一侧的炉壁上轴向设有取样装置，所述取样装置与反应炉内部连通，所述取样装置由热电偶接口(3)、固体取样钩(5)、固体取样管(6)和气体取样管(4)构成，在其中任何一只取样装置中均可拆卸上述部分部件后，安装点火装置(1)和泄压管(2)，氧化区和还原区内设有搅拌棒7，搅拌棒7通过取样装置穿入反应炉体内，反应炉体另一侧炉壁上方设有储气罐接口17。
如图1-3所示，一种生物质气化炉，上、下活动炉排均由耐热钢板、连接件和活动钢杆组成，活动钢杆一端伸出炉外，钢杆通过气缸、液压缸或直线电机进行驱动，上、下活动炉排排列后为圆形，直径略小于炉膛内径；上活动闸板11设置在双层耐热钢管与灰室之间，下活动闸板12设置在灰室底部，上、下活动闸板均由气缸、液压缸或直线电机驱动；搅拌棒7为Z型搅拌棒，搅拌棒7通过取样装置穿入炉内，搅拌棒7可沿轴向移动，用于炉内物料搅拌；氧化区圆形切向送风装置20和还原区圆形切向送风装置22均为弯曲呈圆形且对接密封焊接的圆管，圆管上设有1个连接头31和均布设有6个喷嘴30，连接头31用于连接氧气输送管23和水蒸气输送管26，6只喷嘴30喷出的气体扩散对冲后在圆管中间形成一个切圆区域。
如图1-3所示，一种生物质气化炉的气化步骤如下：
(1)秸秆等生物质被从上料口15加入后，点火装置1从贯穿炉壁的取样装置伸入炉体内，同时由供氧装置向灰室外层夹套28内通入适量气化剂，气化剂从灰室外层夹套28出来后进入氧气输送管23直至氧化区圆形切向送风装置20送入氧化区，此时生物质被点燃；
(2)当炉温升高并稳定后，由水蒸气发生器向灰室内层夹套29供入水蒸气，经过灰室27余热加热后由还原区圆形切向送风装置22送入还原区，作为辅助气化剂；
(3)物料由炉顶干燥区逐渐下降至裂解区，裂解产生的气体经Y型裂解气隔离分流装置19上面的圆孔19-3进入该装置与氧化区内炉壁之间的夹层，在不与氧化区气体、生物质接触反应、并初步裂解的前提下进入还原区；
(4)氧化区生成的燃气主要包括氢气、一氧化碳、碳氢化合物、焦油等各种可燃组分，以及未反应的部分氧气、生成的二氧化碳等，燃气随半气化后的残焦向下经上活动炉排21进入还原区，残焦、燃气与通入该区的水蒸气发生还原反应；
(5)气固产物经过下活动炉排24向下，燃气中的焦油进一步在高温固体残渣中分解为气态可燃物，固体残焦进入灰室27，加热灰室内层夹套29、灰室外层夹套28内的水蒸气和氧气，气体经灰室27上方的等径炉壁夹套入口25向上进入炉壁夹套16，焦油进一步被高温裂解，且在炉壁夹套16内部焊接的不规则挡块18作用下，灰尘及残存焦油中的大液滴被惯性力除去，燃气最终经夹套上方的储气罐接口被引出炉外；
(6)当灰室内的残渣累积较多时，在确保灰室上方的上活动闸板11关闭、主反应器不漏气的前提下，开启灰室下方的下活动闸板12，将残渣排出炉外。