一种生物质气化耦合燃煤机组发电联产炭装置及其方法与流程

本发明涉及生物有机肥技术领域，具体为一种生物质气化耦合燃煤机组发电联产炭装置及其方法。

背景技术：

生物质是传统的可再生资源，我国生物质能资源非常丰富，发展生物质发电产业大有可为。由于生物质直燃发电规模较小，一般在12mw-30mw，机组效率较低，经济效益较差，已逐步被生物质气化耦合发电技术取代，生物质气化耦合燃煤机组发电技术是通过生物质气化的方式将生物质高效转化为生物质燃气，燃送入电站锅炉与煤混燃，利用电站机组的高参数和高效环保设施，实现生物质高效、清洁发电，项目投资小，经济效益较好。而现有的生物质气化耦合发电技术大多通过高效气化的方式将生物质最大限度的转换为燃气，生物质原料中的固定碳进入到燃气中，未能实现生物质资源价值的最大化利用，造成经济效益仍不显著，且生物质灰渣处理较为困难。

生物质气化联产炭技术是通过控制生物质气化反应进程，气化过程在产生生物质燃气的同时，还能够得到高品质的生物质炭，生物质炭能够用以生产炭基肥、活性炭、机制炭、电容炭等多种炭产品。

生物质具有种类多、水分差异大、热值差异大的特性，如何实现不同种类、不同热值、不同水分生物质原料高效的进行气化，并联产高品质生物质炭成为本技术领域技术人员急需解决的重要问题。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种生物质气化耦合燃煤机组发电联产炭装置及其方法，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种生物质气化耦合燃煤机组发电联产炭装置，包括：流化床气化炉，所述流化床气化炉一侧设有原料给料装置，所述流化床气化炉上端燃气出口处连接于惯性分离装置，所述惯性分离装置出口通过管道连接于旋风分离器，旋风分离器一侧连接有余热回收装置，余热回收装置一侧设有电站机组；旋风分离器下端出口处设有炭冷却装置，所述流化床气化炉由炉膛、布风板、风室组成，所述炉膛的上部和下部均为缩口结构，所述炉膛的中部设有调速蒸汽入口和调整烟气入口、下部设有停炉蒸汽入口，所述炉膛的侧壁上安装有原料给料装置、床料给料装置，所述风室上设有空气入口和调节蒸汽入口，所述炉膛与风室之间通过布风板隔开；所述电站机组包括电站锅炉、锅炉再热器、锅炉烟道、汽轮机，炉膛中部的调整烟气入口与锅炉烟道相连。

所述惯性分离装置由惯性分离器和分选筛组成，所述惯性分离器的进口通过管道与流化床气化炉的燃气出口相连接，所述惯性分离器的出口通过管道与旋风分离器的燃气进口相连接，所述惯性分离器底部通过管道连接有分选筛。

所述余热回收装置由燃气-空气换热器、燃气-蒸汽换热器、蒸汽-空气换热器组成，所述燃气-空气换热器的进口通过管道与旋风分离器的燃气出口相连接；燃气-蒸汽换热器与汽轮机7连接，所述燃气-蒸汽换热器的燃气出口通过管道与电站锅炉的下部相通。

所述炭冷却装置由冷却室、风帽、孔板、蒸汽室组成，所述蒸汽室上设有冷却蒸汽入口，所述冷却室上部设有炭入口管，所述蒸汽室固定在冷却室的底部，所述蒸汽室与冷却室之间通过孔板隔开，所述孔板上固定有风帽，所述蒸汽室与冷却室通过风帽相通，所述孔板的中部固定有出炭管，所述出炭管上部与冷却室相通、下部从蒸汽室穿出；所述出炭管的下端出口与炭输送冷却装置的进口相连接，炭输送冷却装置为水冷结构。

所述旋风分离器的燃气进口通过管道与炉膛上部的燃气出口相连接；所述旋风分离器的底部出炭口通过管道与炭入口管相连接。

所述燃气-空气换热器的燃气出口通过管道与燃气-蒸汽换热器的燃气进口相连接，所述燃气-蒸汽换热器的蒸汽出口通过管道与蒸汽-空气换热器的蒸汽入口、风室的调节蒸汽入口相连接，所述蒸汽-空气换热器的空气出口通过管道与燃气-空气换热器的空气入口相连接，所述燃气-空气换热器的空气出口通过管道与风室的空气入口相连接，所述蒸汽-空气换热器的蒸汽出口通过管道与炉膛的调速蒸汽入口、炉膛的停炉蒸汽入口、蒸汽室的冷却蒸汽入口、锅炉再热器相连接，所述蒸汽-空气换热器的空气入口与鼓风机的出口相连接。

所述流化床气化的燃气出口侧设有效率调节装置，所述效率调节装置一侧设有燃气调节入口、另一侧设有燃气调节出口，燃气调节入口与燃气调节出口之间设有可转动调节挡板。

一种生物质气化耦合燃煤机组发电联产炭方法，包括以下步骤：

步骤(1)生物质原料在炉膛中床料的辅助流化作用下发生气化反应生成高温生物质燃气和生物质炭，高温生物质燃气携带生物质炭经过效率调节装置后进入惯性分离器进行气固分离，在离心作用力下，大颗粒生物质炭和小颗粒生物质灰经惯性分离器收集下来，进入位于惯性分离器底部的分选筛中，分选筛筛上物为大颗粒生物质炭，筛下物为小颗粒生物质灰；未被分离的小颗粒生物质炭进入到旋风分离器中再次进行气固分离，分离出来的小颗粒生物质炭进入冷却室，高温生物质燃气进入燃气-空气换热器，蒸汽从风室、布风板进入炉膛，对炉膛底部的氧进行稀释，以减少氧与固定碳的反应进程，增加氧与炉膛底部生物质燃气的燃烧份额，提高生物质炭的品质和产量，从炉膛中部通入蒸汽实现对炉膛上部流速的调节，减少炉膛的内循环量，减少生物质炭在炉内的停留时间，能够进一步提高生物质炭的品质和产量；通过调节效率调节装置内可移动挡板和管道的进气夹角进而改变燃气管道的横截面积，从而改变进入惯性分离器和旋风分离器内部燃气流速，提高生物质炭的收集效率；

步骤(2)进入到冷却室中的生物质炭在蒸汽的流化作用下实现熄火和冷却，熄火和冷却后的生物质炭经炭入口管进入炭输送冷却装置中进一步冷却后排出，生物质炭在隔绝氧气流态化的条件下与蒸汽充分接触，在实现生物质炭熄火的同时，避免出炭时发生架桥；

步骤(3)高温生物质燃气依次经燃气-空气换热器、燃气-蒸汽换热器冷却后送入电站锅炉与煤混燃耦合发电，燃气-空气换热器对空气进行加热，蒸汽进入燃气-蒸汽换热器对生物质燃气进行冷却，燃气-蒸汽换热器加热后的蒸汽分别送入到蒸汽-空气换热器、风室的调节蒸汽入口；

步骤(4)气化过程所需的空气由鼓风机经蒸汽-空气换热器、燃气-空气换热器加热，加热后的热空气给入风室；

步骤(5)进入到蒸汽-空气换热器内的蒸汽经空气冷却后分别进入炉膛的调速蒸汽入口、炉膛的停炉蒸汽入口、蒸汽室的冷却蒸汽入口、锅炉再热器；

步骤(6)流化床气化炉出来的高温生物质燃气和生物质炭进入到惯性分离器内部，使得质量较大的大颗粒生物质炭和小颗粒生物质灰通过离心作用力被分离下来，进入分选筛，分选筛筛上物为大颗粒生物炭，筛下物为小颗粒生物质灰。

所述加热后的热空气的温度为150～400℃。

所述燃气-蒸汽换热器加热后的蒸汽温度400～600℃。

所述蒸汽进入燃气-蒸汽换热器时的温度为300～400℃。

与已公开技术相比，本发明存在以下优点：

(1)通过空气预热、蒸汽稀释/调整、蒸汽调速、烟气调速等多种技术手段，确保生物质高效耦合发电的同时，保证生物质炭的品质。

(2)通过效率调节装置，可根据生物质炭的市场价值进行灵活调整生物质炭的产量，实现价值最大化。

(3)通过惯性分离装置改善了系统对生物质炭收集的品质。由于生物质中难免夹带灰尘及石子等杂质，石子可以通过流化床气化炉底部排渣装置排出，而灰尘等细粉杂质通常难以除去而一同被后续工艺收集。本发明通过惯性除尘收集较大颗粒的同时，通过分选筛将其中灰分占比高的小颗粒筛出，提高了生物质炭的含碳量，提高了价值。

(4)通过生物质气化耦合燃煤机组发电联产炭工艺，实现生物质能源的梯级利用。

(5)通过炭冷却装置和炭输送冷却装置的组合，确保生物质炭熄火和冷却，保证运行的安全性。

(6)利用电站机组的高参数、高效率，实现生物质的高效发电，系统无固体废弃物产生，系统排放执行电站机组排放标准，具有清洁环保的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的炭冷却装置结构示意图。

图3为本发明的效率调节装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以两个元件内部的连通，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，一种生物质气化耦合燃煤机组发电联产炭装置，包括：流化床气化炉2，所述流化床气化炉2一侧设有原料给料装置1，所述流化床气化炉2上端燃气出口处连接于惯性分离装置4，所述惯性分离装置4出口通过管道连接于旋风分离器5，旋风分离器5一侧连接有余热回收装置6，余热回收装置6一侧设有电站机组7；旋风分离器5下端出口处设有炭冷却装置9，所述流化床气化炉2由炉膛201、布风板202、风室203组成，所述炉膛201的上部和下部均为缩口结构，所述炉膛201的中部设有调速蒸汽入口和调整烟气入口、下部设有停炉蒸汽入口，所述炉膛201的侧壁上安装有原料给料装置1、床料给料装置8，所述风室203上设有空气入口和调节蒸汽入口，所述炉膛201与风室203之间通过布风板202隔开；所述电站机组7包括电站锅炉701、锅炉再热器702、锅炉烟道703、汽轮机704，炉膛201中部的调整烟气入口与锅炉烟道703相连。

所述惯性分离装置4由惯性分离器401和分选筛402组成，所述惯性分离器401的进口通过管道与流化床气化炉2的燃气出口相连接，所述惯性分离器401的出口通过管道与旋风分离器5的燃气进口相连接，所述惯性分离器401底部通过管道连接有分选筛402；

所述余热回收装置6由燃气-空气换热器601、燃气-蒸汽换热器602、蒸汽-空气换热器603组成，所述燃气-空气换热器601的进口通过管道与旋风分离器5的燃气出口相连接；燃气-蒸汽换热器602与汽轮机704连接，所述燃气-蒸汽换热器602的燃气出口通过管道与电站锅炉701的下部相通。

所述炭冷却装置9由冷却室902、风帽903、孔板904、蒸汽室905组成，所述蒸汽室905上设有冷却蒸汽入口，所述冷却室902上部设有炭入口管901，所述蒸汽室905固定在冷却室902的底部，所述蒸汽室905与冷却室902之间通过孔板904隔开，所述孔板904上固定有风帽903，所述蒸汽室905与冷却室902通过风帽903相通，所述孔板904的中部固定有出炭管906，所述出炭管906上部与冷却室902相通、下部从蒸汽室905穿出；所述出炭管906的下端出口与炭输送冷却装置10的进口相连接，炭输送冷却装置10为水冷结构。

所述旋风分离器5的燃气进口通过管道与炉膛201上部的燃气出口相连接；所述旋风分离器5的底部出炭口通过管道与炭入口管901相连接。

所述燃气-空气换热器601的燃气出口通过管道与燃气-蒸汽换热器602的燃气进口相连接，所述燃气-蒸汽换热器602的蒸汽出口通过管道与蒸汽-空气换热器603的蒸汽入口、风室203的调节蒸汽入口相连接，所述蒸汽-空气换热器603的空气出口通过管道与燃气-空气换热器601的空气入口相连接，所述燃气-空气换热器601的空气出口通过管道与风室203的空气入口相连接，所述蒸汽-空气换热器603的蒸汽出口通过管道与炉膛201的调速蒸汽入口、炉膛201的停炉蒸汽入口、蒸汽室905的冷却蒸汽入口、锅炉再热器702相连接，所述蒸汽-空气换热器603的空气入口与鼓风机604的出口相连接。

所述流化床气化2的燃气出口侧设有效率调节装置3，所述效率调节装置3一侧设有燃气调节入口302、另一侧设有燃气调节出口303，燃气调节入口302与燃气调节出口303之间设有可转动调节挡板301。

一种生物质气化耦合燃煤机组发电联产炭方法，包括以下步骤：

步骤(1)生物质原料在炉膛201中床料的辅助流化作用下发生气化反应生成高温生物质燃气和生物质炭，高温生物质燃气携带生物质炭经过效率调节装置3后进入惯性分离器401进行气固分离，在离心作用力下，大颗粒生物质炭和小颗粒生物质灰经惯性分离器401收集下来，进入位于惯性分离器401底部的分选筛402中，分选筛402筛上物为大颗粒生物质炭，筛下物为小颗粒生物质灰；未被分离的小颗粒生物质炭进入到旋风分离器5中再次进行进行气固分离，分离出来的小颗粒生物质炭进入冷却室902，高温生物质燃气进入燃气-空气换热器601，蒸汽从风室203、布风板202进入炉膛201，对炉膛201底部的氧进行稀释，以减少氧与固定碳的反应进程，增加氧与炉膛201底部生物质燃气的燃烧份额，提高生物质炭的品质和产量，从炉膛201中部通入蒸汽实现对炉膛201上部流速的调节，减少炉膛201的内循环量，减少生物质炭在炉内的停留时间，能够进一步提高生物质炭的品质和产量；通过调节效率调节装置3内可移动挡板和管道的进气夹角进而改变燃气管道的横截面积，从而改变进入惯性分离器401和旋风分离器5内部燃气流速，提高生物质炭的收集效率；

步骤(2)进入到冷却室902中的生物质炭在蒸汽的流化作用下实现熄火和冷却，熄火和冷却后的生物质炭经炭入口管901进入炭输送冷却装置10中进一步冷却后排出，生物质炭在隔绝氧气流态化的条件下与蒸汽充分接触，在实现生物质炭熄火的同时，避免出炭时发生架桥；

步骤(3)高温生物质燃气依次经燃气-空气换热器601、燃气-蒸汽换热器602冷却后送入电站锅炉701与煤混燃耦合发电，燃气-空气换热器601对空气进行加热，蒸汽进入燃气-蒸汽换热器602对生物质燃气进行冷却，燃气-蒸汽换热器602加热后的蒸汽分别送入到蒸汽-空气换热器603、风室203的调节蒸汽入口；

步骤(4)气化过程所需的空气由鼓风机604经蒸汽-空气换热器603、燃气-空气换热器601加热，加热后的热空气给入风室203；

步骤(5)进入到蒸汽-空气换热器603内的蒸汽经空气冷却后分别进入炉膛201的调速蒸汽入口、炉膛201的停炉蒸汽入口、蒸汽室905的冷却蒸汽入口、锅炉再热器702；

步骤(6)流化床气化炉2出来的高温生物质燃气和生物质炭进入到惯性分离器401内部，使得质量较大的大颗粒生物质炭和小颗粒生物质灰通过离心作用力被分离下来，进入分选筛402，分选筛402筛上物为大颗粒生物炭，筛下物为小颗粒生物质灰。

所述加热后的热空气的温度为150～400℃。

所述燃气-蒸汽换热器602加热后的蒸汽温度400～600℃。

所述蒸汽进入燃气-蒸汽换热器602时的温度为300～400℃。

实施例1

生物质耦合发电功率30mw，电站机组7上年度供电煤耗305g/kw.h，使用的生物质原料为含水率35％的玉米秸秆，其中杂质含量3％，每小时需要消耗玉米秸秆36.65t/h。

玉米秸秆在炉膛201中床料的辅助流化作用下发生气化反应生成高温生物质燃气和生物质炭，气化所需的空气量为31500nm³/h，空气温度为400℃，从风室203进入温度为600℃的蒸汽1.3t/h，从调速蒸汽入口喷入温度为230℃的蒸汽1.1t/h，高温生物质燃气携带生物质炭经过效率调节装置3后进入惯性分离器401进行气固分离，在离心作用力下，大颗粒生物质炭和小颗粒生物质灰经惯性分离器401收集下来，进入位于惯性分离器401底部的分选筛402中，分选筛402筛上物为大颗粒生物质炭粒径＞1.5mm，筛下物为小颗粒生物质灰；未被分离的小颗粒生物质炭进入到旋风分离器5中再次进行进行气固分离，分离出来的小颗粒生物质炭进入冷却室902，高温生物质燃气经燃气-空气换热器601、燃气-蒸汽换热器602冷却后进入电站锅炉701与煤混燃耦合发电。

其中汽轮机704抽取的蒸汽温度约300℃，经燃气-蒸汽换热器加热至400℃。

进入到冷却室902中的生物质炭在蒸汽的流化作用下实现熄火和冷却，熄火和冷却后的生物质炭经炭入口管901进入炭输送冷却装置10中进一步冷却至60℃后排出。

玉米秸秆的利用效率为53.28％发电效率和产炭热效率之和，通过效率调节装置3进行调整进气夹角为30°，生物质炭的产率为22.3％，生物质炭的含碳量为50.3％，其中惯性分离装置4的筛上物含碳量55.2％，此种生物质炭能够用以生产炭基肥。

实施例2

生物质耦合发电功率40mw，电站机组4上年度供电煤耗275g/kw.h，使用的生物质原料为含水率15％的木屑，其中杂质含量1.2％，每小时需要消耗木屑33.07t/h。

木屑在炉膛201中床料的辅助流化作用下发生气化反应生成高温生物质燃气和生物质炭，气化所需的空气量为26300nm³/h，空气温度为300℃，从风室203进入温度为400℃的蒸汽2.7t/h，从调速蒸汽入口喷入温度为220℃的蒸汽2.1t/h，高温生物质燃气携带生物质炭经过效率调节装置3后进入惯性分离器401进行气固分离，在离心作用力下，大颗粒生物质炭和小颗粒生物质灰经惯性分离器401收集下来，进入位于惯性分离器401底部的分选筛402中，分选筛402筛上物为大颗粒生物质炭粒径＞2mm，筛下物为小颗粒生物质灰；未被分离的小颗粒生物质炭进入到旋风分离器5中再次进行进行气固分离，分离出来的小颗粒生物质炭进入冷却室902，高温生物质燃气经燃气-空气换热器601、燃气-蒸汽换热器602冷却后进入电站锅炉701与煤混燃耦合发电。

其中汽轮机704抽取的蒸汽温度约400℃，经燃气-蒸汽换热器加热至600℃。

进入到冷却室902中的生物质炭在蒸汽的流化作用下实现熄火和冷却，熄火和冷却后的生物质炭经炭入口管901进入炭输送冷却装置10中进一步冷却至60℃后排出。

生物质原料的利用效率为60.12％发电效率和产炭热效率之和，通过效率调节装置3进行调整进气夹角为15°，生物质炭的产率为19.4％，生物质炭的含碳量为86％，其中惯性分离装置4的筛上物含碳量87.3％，此种生物质炭能够用以生产活性炭、机制木炭或炭基肥。

实施例3

生物质耦合发电功率24mw，电站机组7上年度供电煤耗356g/kw.h，使用的生物质原料为含水率13％的稻壳，其中杂质含量4.5％，每小时需要消耗稻壳34.23t/h。

稻壳在炉膛201中床料的辅助流化作用下发生气化反应生成高温生物质燃气和生物质炭，气化所需的空气量为28300nm³/h，空气温度为350℃，从风室203进入温度为500℃的蒸汽2.1t/h，从调速蒸汽入口喷入温度为260℃的蒸汽1.7t/h，高温生物质燃气携带生物质炭经过效率调节装置3后进入惯性分离器401进行气固分离，在离心作用力下，大颗粒生物质炭和小颗粒生物质灰经惯性分离器401收集下来，进入位于惯性分离器401底部的分选筛402中，分选筛402筛上物为大颗粒生物质炭＞1.5cm，筛下物为小颗粒生物质灰；未被分离的小颗粒生物质炭进入到旋风分离器5中再次进行进行气固分离，分离出来的小颗粒生物质炭进入冷却室902，高温生物质燃气经燃气-空气换热器601、燃气-蒸汽换热器602冷却后进入电站锅炉701与煤混燃耦合发电。

其中汽轮机704抽取的蒸汽温度约345℃，经燃气-蒸汽换热器加热至520℃。

进入到冷却室902中的生物质炭在蒸汽的流化作用下实现熄火和冷却，熄火和冷却后的生物质炭经炭入口管901进入炭输送冷却装置10中进一步冷却至60℃后排出。

生物质原料的利用效率为59.67％发电效率和产炭热效率之和，通过效率调节装置3进行调整进气夹角为45°，生物质炭的产率为27.9％，生物质炭的含碳量为45.32％，其中惯性分离装置4的筛上物含碳量53.7％，此种生物质炭能够用以生产电容炭、炭基。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。