一种高热值燃气制气系统及其制气方法与流程

本发明属于燃气制造领域，更具体地说，涉及一种高热值燃气制气系统及其制气方法。

背景技术：

现有的燃气制造技术中，煤制气和生物质制气是主要的两种方式。生物质制气使用的原料为农林业生产及农副产品加工时生成的废弃物，通过对这些废弃物进行利用可以减少其对环境的污染并缓解我国能源紧张的问题。然而，由于生物质燃料低热值的特性，相对于煤制气得到的燃气，通过生物质原料单独制得的燃气热值较低，达不到很多领域对于燃气的使用要求。且随着环保政策的日益严格，生物质原料的价格也随之上升，生物质燃烧和制气技术在工业应用领域已经很难再产生足够的经济效益。

因此，市面上出现了将生物质原料与煤混合进行制气的方式，在保证制得的燃气热值较高的同时，对生物质原料进行利用，减少成本和对环境的污染。

如中国专利申请号为cn201310059969.1，公开日为：2013年5月1日的专利文献，公开了一种生物质与煤共制燃气的方法，该方法以生物质为主要原料，添加一定量的煤制备生物质燃气，制备过程包括预热干燥、一次中温气化、二次高温气化及燃气净化等程序，通过该发明方法制得的燃气热值较高，能达到燃气使用的标准，本发明方法既获得新能源，使废物资源化，且工艺中充分合理利用中间产物、余热，减少污染物质排放和能源消耗，符合清洁生产的理念。但是，该方案将生物质原料和煤粉进行混合后共同气化，最终制得的燃气为生物质气化和煤气化的混合燃气，因此制得的燃气热值低于单独的煤制气得到的燃气热值。而从常规的单独煤制气系统来看，由于煤制气系统的燃烧方式和原料已经确定，产生的煤气热值也基本是个范围值，以空气作为气化剂为例，不同煤种产生的煤气热值大约在1100kcal/nm3～1400kcal/nm3之间。由于不同行业需求的燃料热值不同，使得该热值范围内的煤气只能满足较小部分行业的燃料需求。为了提高燃气热值，一般会考虑添加富氧或者纯氧作为气化剂来提高原料的氧化反应，但是改变气化剂后会对系统设备管道要求大幅度提高，且使用富氧和纯氧的成本较高，使得整个制气过程的成本发生大幅增加。而该方案最终制得的燃气热值低于单独煤制气得到的燃气热值，所以该方案制得的燃气同样不适用于大部分行业的燃料需求。

然而，生物质原料除了低热值的特性外，其还具备高挥发分的特性，在800℃左右的缺氧环境下，生物质原料能发生较为充分的热解反应，挥发分几乎能全部析出，生成高热值的热解气，将这种高热值的热解气与煤制气得到的燃气进行混合，便可以生成符合大部分行业需求的热值更高的燃气。且生物质原料在热解后，保留有固定碳的生物质渣可广泛应用于炼钢、保温等领域，在很大程度上提高生物质原料的综合经济效益。

如中国专利申请号为cn200410013943.4，公开日为：2005年12月7日的专利文献，公开了一种无焦油产生，且工艺简单，能生产高热值煤气的生物质和煤混合的气化方法及其装置。其以生物质、煤两种物质为气化原料，流化床气化炉采用供风燃烧和供蒸气气化的间歇工作；在供风燃烧阶段，供煤和供风入炉内，使气化炉的煤料在流化状态下燃烧，放出热量；在气化阶段，向气化炉供入水蒸气和生物质，使高温碳料层在流化状态下发生水煤气反应、生物质在高温下干馏热解气化反应，所产生的高热值煤气经降温除尘处理后进入煤气净化系统；其突出了生物质挥发分高，固定碳少，易于高温干馏热解，而煤固定碳高，灰熔点高，易于燃烧形成高温料层的优点，通过二者有机地融合可生产出不含焦油的高热值的燃料气。但是该装置流化床气化炉采用供风燃烧和供蒸气气化的两段式间歇工作，其中一个阶段工作时，另一个阶段没有办法同时进行反应，对于该装置的气化效率产生了一定的影响，且该装置的气化阶段中，生物质原料并没有处于缺氧的环境下，导致其热解反应不够充分，影响最终制得的燃气的热值。另外，该装置中生物质原料和煤均在同一个空间中进行反应，反应后的残渣混杂在一起，对于反应后的残留的生物质渣的收集十分困难，不能对保留有固定碳的生物质渣进行充分的回收利用，降低生物质原料应得的经济效益。

技术实现要素：

1、要解决的问题

本发明提供一种高热值燃气制气系统，解决了现有的生物质与煤混合制气时生物质渣收集困难、制气效率低等问题，其生物质原料热解和煤气化在分开单独制气的情况下同时进行，一方面通过二者同时制气得到的热解气和煤气进行混合形成高热值的燃气，制气效率高，另一方面二者分开单独制气有利于回收保留有固定碳的生物质渣，产生较高的经济效益。

本发明提供一种高热值燃气制气方法，采用上述高热值燃气制气系统，其将生物质热解和煤气化在分开单独制气的情况下同时进行，制气效率高，且该方法将煤气化反应时的热量作为生物质热解反应的热源，提高了制气过程的热利用率，另外，该方法令生物质原料在缺氧环境下进行热解，热解反应更加充分。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种高热值燃气制气系统，包括煤气反应炉，煤气反应炉具有煤料进口、进气口和煤气出口，所述煤气反应炉的内部空间包括上部热解区和下部煤气化反应区；所述煤料进口和进气口位于煤气化反应区的煤气反应炉侧壁上；所述热解区内设有热解反应管，所述热解反应管的进料端通过输料管连接生物质料仓的生物质料出口，出气端用于排出热解气，所述煤气出口位于热解反应管上方的煤气反应炉侧壁上；所述生物质料仓的生物质料出口处装有关风器，用于控制生物质物料下料连续定量。

作为技术方案的进一步改进，所述煤气反应炉的底部设有排渣口，排渣口通过排渣管连接排渣器，用于排出煤气反应区反应后的煤渣。

作为技术方案的进一步改进，所述热解反应管螺旋盘绕在煤气反应炉的热解区内或沿热解区的煤气反应炉内壁上下弯折布置。

作为技术方案的进一步改进，所述煤料进口通过给煤器连接煤仓；所述煤气反应炉的进气口外接有风机i。

作为技术方案的进一步改进，所述煤气反应炉的煤气出口通过管道连接旋风分离器i的煤气进口，旋风分离器i的出料口通过返料管连接位于煤气化反应区的返料口。

作为技术方案的进一步改进，所述热解反应管的出气端连接旋风分离器ii的热解气进口；旋风分离器ii的出料口通过管道连接冷却器，其热解气出口通过管道连接旋风分离器i的出气口。

作为技术方案的进一步改进，所述旋风分离器i的出气口通过输气管依次接有换热器和除尘器，除尘器的出口排出气体。

作为技术方案的进一步改进，所述除尘器的出口还通过引风支管连通输料管；所述引风支管上装有风机ii；所述风机ii的进口端连接除尘器的出口，其出口端连通输料管。

一种高热值燃气制气方法，采用上述技术方案所述的一种高热值燃气制气系统，包括以下步骤：

①通过煤料进口向煤气反应炉内给煤，通过进气口向煤气反应炉内通入空气，空气与煤在煤气化反应区内发生气化反应，生成煤气并从煤气出口排出；

②生物质料仓通过输料管向热解反应管内通入生物质原料，步骤①中的煤气化反应生成的热量对热解反应管内的生物质原料进行加热，生物质原料发生热解反应，生成热解气并通过热解反应管的出气端排出与步骤①制得的煤气混合，得到燃气。

作为制气方法的进一步改进，

在步骤①中，煤气出口排出的煤气通入旋风分离器i，旋风分离器i将煤气内夹杂的煤颗粒分离，分离后的煤颗粒经返料管返回至煤气化反应区继续反应，分离后的煤气经旋风分离器i的出气口排出；

在步骤②中，热解气从热解反应管出气端排出后先通入旋风分离器ii，旋风分离器ii将热解气内的生物质渣分离，分离后的生物质渣送至冷却器冷却后收集，分离后的热解气输送至旋风分离器i的出气口与煤气混合制得燃气。

作为制气方法的进一步改进，

还包括步骤③：步骤②中制得的燃气通过输气管送至换热器和除尘器进行降温后并除尘，得到符合使用要求的成品燃气；成品燃气的一部分送至下游储存或使用，另一部分通过引风支管通至输料管，作为生物质原料在输料管中的吹送风。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种高热值燃气制气系统，生物质热解和煤气化在分开单独制气的情况下同时进行，煤制气过程中的高温作为生物质热解反应的热源，制得的生物质热解气和煤气混合后得到所需燃气，能量利用率高，且因为其生物质热解过程和煤气化过程可以同时进行，所以该系统的制气效率高。此外，生物质原料发生热解后生成的热解气具备很高的热值，与煤气混合后可以提高最终制得的燃气热值，使得燃气符合大部分行业的燃气要求，相较于常规煤制气系统中采用纯氧或富氧空气作为气化剂提高燃气热值的方式，本系统使用空气作为气化剂一样可以制得高热值的燃气，大大节约了成本。尤其是，由于生物质原料和煤分开进行反应，生物质原料热解后生成的生物质渣可以轻易地收集起来用于后续工业应用，极大地增加了生物质原料的利用价值，产生更多的经济效益。

(2)本发明的一种高热值燃气制气系统，通过风机i向煤气反应炉的煤气化反应区中通入空气，可以使得煤气化反应区内的空气流通顺畅，空气与煤料混合较为均匀，保证煤气化反应时的空气供给充足，提高煤的气化效率。

(3)本发明的一种高热值燃气制气系统，通过煤气反应炉制得的煤气中会夹杂有少量的未反应完全的煤颗粒，通过旋风分离器i的工作，可以将煤气中的煤颗粒分离出来，并输送至煤气反应炉继续进行反应，这种回收利用煤颗粒的方式，一方面使得制得的煤气更加纯净，另一方面也是对资源的最大利用，提高制气产量。

(4)本发明的一种高热值燃气制气系统，通过换热器可以降低混合后的燃气温度，使得燃气在较短的时间内降低至符合使用要求的温度范围，提高了整体装置的制气效率。

(5)本发明的一种高热值燃气制气系统，经除尘器处理后可以得到纯净度极高的燃气，大大提高了燃气的使用效果，且在风机ii的作用下，使用除尘器出口管道内的燃气气流作为生物质原料在输料管中的吹送风，保证生物质原料输送顺畅的同时，使生物质原料在缺氧的环境下发生热解反应，热解更加充分，提高了装置的制气效率。

(6)本发明的一种高热值燃气制气系统，通过关风器可以控制生物质料仓中的生物质原料连续定量地下料，防止生物质原料在热解反应管中的热解过程中断或因短时间供料过多使得生物质原料在经过热解反应管时热解不够充分，从而保证混合后的燃气热值处于一定的高热值范围内。

(7)本发明的一种高热值燃气制气系统，热解反应管以较为复杂的结构布置于煤气反应炉中的热解区，极大地增加了生物质原料在热解区内的停留时间和反应面积，使得生物质原料的热解更加充分，提高了装置的制气效率。

(8)本发明的一种高热值燃气制气方法，采用上述高热值燃气制气系统，通过将生物质热解后产生的高热值热解气与煤制气得到的煤气进行混合，生成高热值的燃气，热解过程和煤制气过程同时进行，制气效率高，且将煤气化反应时的高温作为生物质原料热解反应的热源，提高了制气过程的能量利用率。另外，根据实际生产使用中的要求，可以调节生物质物料的下料量和给煤量的比例，从而控制最终生成的燃气热值，使得最终制得的燃气符合不同行业的燃料使用需求。

附图说明

图1为本发明制气系统的工作情况示意图；

图2为本发明热解反应管上下弯折布置在热解区的结构示意图。

图中：1、煤仓；2、给煤器；3、风机i；4、煤气反应炉；5、排渣器；6、旋风分离器i；7、生物质料仓；8、风机ii；9、关风器；10、热解反应管；11、旋风分离器ii；12、冷却器；13、换热器；14、除尘器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种高热值燃气制气系统，包括煤仓1、给煤器2、风机i3、煤气反应炉4、排渣器5、生物质料仓7、风机ii8、热解反应管10、旋风分离器ii11、换热器13和除尘器14。

其中，本实施例的煤气反应炉4与传统的气化炉在结构上有所区别，其分为下部煤气化反应区和上部热解区，分别进行煤气化反应和生物质热解反应。煤气化反应区的侧壁上设有煤料进口和进气口，煤料进口为与进气口的上方，煤料进口通过给煤器2连接煤仓1，给煤器2用于将煤仓1中的煤料经煤料进口送至煤气反应炉4中的煤气化反应区内，目前市面上常见的给煤装置均可以达到这种给煤的作用，如带式输送机、振动给料机和螺旋给料机等，本实施例采用螺旋给料机，给煤更加连续稳定，可以保证煤料在煤气反应炉4中的煤气化过程不会间断；进气口外接风机i3，风机i3通过通风管道向煤气化反应区中供给气化剂与其中的煤料进行煤气化反应，气化剂可以使用空气、富氧空气、纯氧中的任意一种或多种混合气，综合考虑到成本和实际反映效率等问题，本实施例中使用空气作为气化剂。煤气反应炉4的上部侧壁上设有煤气出口，煤气出口通过管道连接换热器13，煤在煤气化反应区反应生成的煤气经煤气出口排出炉外。煤气反应炉4的底部设有排渣口，排渣口通过排渣管连接排渣器5，用于排出煤料在煤气化反应区内反应后的煤渣，市面上常见的物料输送装置均可以作为排渣器5使用，如带式输送机、振动给料机和螺旋给料机等，本实施例采用螺旋给料机，排出的煤渣经收集后可以进行再次利用。

上部热解区内布置有热解反应管10，热解反应管10的进料端通过输料管连接生物质料仓7的出口，用于接收生物质原料，热解反应管10的出气端连接旋风分离器ii11，用于将热解反应管10中反应后的生物质渣和热解气输送至旋风分离器ii11。热解反应管10穿过热解区，其中的生物质原料与煤气反应炉4不直接接触，生成的热解气和生物质渣会单独送至旋风分离器ii11进行分离。分离后的热解气从旋风分离器ii11的出气口排出，排出后的热解气与煤气出口处的煤气混合制得所需燃气。煤气反应炉4的煤气出口通过输气管依次连接换热器13和除尘器14，燃气在输气管中依次经过换热器13和除尘器14，最终输送至下游储存或使用设备，其中的换热器13可以使得制得的燃气迅速冷却至符合使用要求的温度，节省燃气的收集时间，提高制气效率，除尘器14则可以将燃气中的飞灰清除，提高输送至下游设备的燃气清洁度，保证燃气的质量。

另外，除尘器14的出口通过引风支管连通输料管，引风支管上装有风机ii8，风机ii8进口端接除尘器14的出口，风机ii8的出口接通输料管，在风机ii8和引风支管的作用下将除尘器14出口处的燃气引至输料管中，作为生物质原料在输料管和热解反应管10中的吹送风，通过这种设计，一方面保证生物质原料在输料管和热解反应管的流通顺畅，不会发生堵塞，另一方面因燃气中的氧气含量较少，使用燃气作为生物质原料的吹送风可以使得生物质原料在缺氧的环境下进行热解，热解反应更加充分。

值得一提的是，本实施的高热值燃气制气系统，生物质热解和煤气化在分开的情况下同时进行，制得的生物质热解气和煤气混合后得到所需燃气，其生物质热解过程和煤气化过程可以同时进行，制气效率高。因为生物质原料发生热解后生成的热解气具备很高的热值，与煤气混合后可以提高最终制得的燃气热值，使得燃气符合大部分行业的燃气要求，相较于常规煤制气系统中采用纯氧或富氧作为气化剂提高燃气热值的方式，大大节约了成本。尤其是，由于生物质原料和煤分开进行反应，生物质原料热解后生成的生物质渣可以轻易地收集起来用于后续工业应用，极大地增加了生物质原料的利用价值，产生更多的经济效益。

上述高热值燃气制气系统，可以通过下面这种制气方法来进行使用，从而制得高价值的混合燃气：

①通过给煤器2将煤仓1内的煤料输送至煤气反应炉4的煤料进口，煤料通过煤料进口进入煤气反应炉4的煤气化反应区，与通过经风机i3给入的空气发生煤气化反应，生成煤气并由下至上流通至热解区的煤气出口处后排出；

②生物质料仓7中的生物质原料经生物质料出口下落至输料管内，在风机ii11的作用下，引风支管从除尘器14的出口处导引来氧含量低的燃气作为生物质原料在输送管中的吹送风，使得生物质原料可以顺畅地从输料管流通至热解反应管10，热解反应管10中的生物质原料在缺氧环境和煤气化反应时产生的高温环境下发生热解反应，生成高热值的热解气和生物质渣；

③步骤②生成的生物质热解气和生物质渣经热解反应管10的出气端输送至旋风分离器ii11，旋风分离器ii11将二者分离，分离后的生物质渣排出旋风分离器ii11外并收集，用于后续工业生产使用，分离后的热解气则与步骤①制得的煤气进行混合，得到高热值的所需燃气；

④混合后的燃气通过输气管依次经过换热器13和除尘器14进行降温和除尘，最后制得符合使用要求的燃气输送至下游设备进行储存或使用。

本实施例的一种高热值燃气制气方法，通过将生物质热解后产生的高热值热解气与煤制气得到的煤气进行混合，生成高热值的燃气，热解过程和煤制气过程同时进行，制气效率高，且生物质热解过程充分利用了煤气化反应时的高温，制气过程的能量利用率得到了很大的提高。另外，根据实际生产使用中的要求，可以调节生物质物料的下料量和给煤量的比例，从而控制最终生成的燃气热值，使得最终制得的燃气符合不同行业的燃料使用需求，极大地提高了制得燃气的利用价值。

实施例2

实施例1中，如果生物质原料在热解反应管10的流动速度较快，会使得生物质原料在热解区内的停留时间较短，热解反应不够充分。而本实施例的高热值燃气制气系统与实施例1的制气系统结构基本相同，所不同的是，热解反应管10以较为复杂的结构布置于煤气反应炉4中的热解区，极大地增加了生物质原料在热解区内的停留时间和反应面积，使得生物质原料的热解更加充分，提高了装置的制气效率。

热解反应管10布置在热解区中的形式可以多种多样，如螺旋盘绕、层状折叠、蛇形缠绕等布置形式，这些布置结构均可以达到增加生物质原料反应时间和反应面积的效果，本实施例中采用螺旋盘绕在煤气反应炉4的热解区内方式布置热解反应管10，相对于其他的布置形式，该形式的解热反应管10布置更加合理密集，生物质原料可以更加充分地进行反应。

本实施例的高热值燃气制气方法与实施例1的制气方法步骤相同。

实施例3

本实施例的高热值燃气制气系统，在实施例2的制气系统的基础上进行了部分优化，其在煤气出口与换热器13之间装有旋风分离器i6，煤气反应炉4的下部侧壁上设有返料口，返料口通过返料管连接旋风分离器i6的出料口，旋风分离器ii11的热解气出口通过管道与旋风分离器i6的出气口连接。

煤料在煤气反应炉4中的煤气化反应区反应过后，生成的煤气中会夹杂有部分细小的煤颗粒，这些煤颗粒与煤气一起排出后，一方面会影响制得燃气的清洁度，另一方面也是对煤资源的一种浪费。而本实施例通过将煤气经煤气出口输送至旋风分离器i6进行分离，使得煤颗粒可以从煤气中分离出来，分离后的煤气与热解气进行混合制得较为清洁的燃气，分离后的煤颗粒则通过返料管返回至煤气化反应区进行再次反应，且因为煤颗粒本身具有较高的温度，所以其返回煤气化反应区后可以对煤气化反应区的煤料进行预热，提高煤料的反应效率。

本实施例的高热值燃气制气方法，与实施例1的制气方法进行相比，步骤②和步骤④基本不变，步骤①和步骤③进行了部分调整：

步骤①：煤仓1内的煤料通过给煤器2输送至煤气反应炉4的煤料进口，经煤料进口进入煤气化反应区，与经风机i3给入的空气进行煤气化反应，生成煤气并由下至上通过煤气出口输送至旋风分离器i6进行分离，分离后的煤气从旋风分离器i6的出气口排出，分离后的煤颗粒通过返料管返回至煤气化反应区进行再次反应；

步骤③：步骤②生成的生物质热解气和生物质渣流动至旋风分离器ii11，旋风分离器ii11将二者分离，分离后的生物质渣排出旋风分离器ii11外并收集，分离后的热解气则输送至旋风分离器i6的出气口处与煤气混合，得到较高热值的燃气。

本实施例的高热值燃气制气方法，对煤资源进行了高效回收利用，且其充分利用了分离后的煤颗粒本身具有的热量，提高了制气过程中的能量利用率。

实施例4

本实施例的高热值燃气制气系统与实施例3的制气系统结构基本相同，所不同的是，本实施例在旋风分离器ii11上的底部出料口通过管道连接有冷却器12。

实施例3中，经旋风分离器ii11分离后的生物质渣本身带有极高的温度，这对于生物质渣的收集产生了很大的影响，而本实施例中，生物质渣经旋风分离器ii11排出后会经过冷却器12进行降温，降温后的生物质渣可以比较方便地进行收集，提高了工作效率，且不会发生人工收集生物质渣时被烫伤等问题，市面上常见的固体物料冷却设备均可以作为本实施例中的冷却器12进行使用，如申请号为：cn201721653860.0的专利文献中提到的一种高温固体物料冷却装置就可以作为本实施例的冷却器进行使用。

本实施例的高热值燃气制气方法，与实施例3的制气方法步骤基本相同，但是其在实施例3的基础上对步骤③有所优化：

步骤③：步骤②生成的生物质热解气和生物质渣流动至旋风分离器ii11，旋风分离器ii11将二者分离，分离后的生物质渣经旋风分离器ii11的底部出料口排放至冷却器12中降温并收集，分离后的热解气则输送至旋风分离器i6的出气口处与煤气混合，得到较高热值的燃气。

本实施例的高热值燃气制气方法，提高了生物质渣的收集速度，且因生物质渣本身具有较高的经济价值，因此生物质渣的收集速度的提高也使得本方法的整体经济效益得到了提高。

实施例5

本实施例的高热值燃气制气系统与实施例4的制气系统结构基本相同，所不同的是，本实施例在生物质料仓7的生物质料出口处装有关风器9，用于控制生物质物料连续稳定地下料。

实施例4中，生物质料仓7中生物质原料因为自身重力而堆积在生物质料出口处，容易发生堵塞甚至板结，影响生物质原料的热解过程，且生物质原料在输料管和热解反应管10中的输送量没有办法进行控制，输送量较大时会使得经过热解反应管10的生物质原料没有办法充分反应，影响制气效率。本实施例通过关风器9，一方面使得生物质料出口处的生物质原料下料较为流畅，不容易发生堵塞，另一方面对生物质原料的下料量有所控制，使得生物质料以较为合适和稳定的速度经过热解反应管10，保证生物质料能在热解反应管10中较为充分地进行热解，提高制气系统的制气效率。

本实施例的高热值燃气制气方法与实施例4的制气方法步骤相同。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。