一种具有自净化功能的自热式生物质热解气化装置及方法与流程

本发明属于生物质能源技术领域，更具体地，涉及一种具有自净化功能的自热式生物质热解气化装置及方法。

背景技术：

随着世界经济的快速发展，传统能源的消耗速度也迅速增长，而煤、石油、天然气等化石能源资源的日渐枯竭，人类迫切需要开发可再生的能源资源用以补充与替代现有的化石能源。生物质能源是一种可再生的清洁能源，是继煤、石油、天然气后的第四大能源，在其使用过程中有着较低的硫氧化物、氮氧化物排放以及二氧化碳净排量为零等优势，对缓解日益严重的环境问题有重要的意义。

目前国内外生物质的利用方式主要有燃烧、热解与气化等方式。由于生物质的能量密度相对较低，且含有较高的水分、挥发分以及碱金属和碱土金属等，直接燃烧会造成结渣、结焦等问题。热解可以将生物质中的挥发分转化为生物油和热解气等产品，是生物质利用的重要技术之一。

对生物质先进行热解提取热解气，然后将焦炭进行气化制取以co和h2为主的清洁气体燃料成为一种受到关注的生物质高效利用方式，但是当前对生物质进行热解与气化大多为独立的两台装置，气化炉的热量大量流失到环境中而热解炉则需要额外加热设备维持热解温度，同时热解后的焦炭在从热解炉传输至气化炉时也会损失较多的热量导致总体热效率大幅度降低，此外热解气中一般含有较多的焦油和焦炭颗粒也使得其后续利用相对困难。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供了一种具有自净化功能的自热式生物质热解气化装置及方法，可以减少生物质热解气化过程中的热量损失，实现能量完全自给，同时能够对热解气进行自净化，得到较洁净的燃气便于后续利用，本装置结构紧凑、操作工艺简单、设备维护成本低、热能利用率高，所制备的热解气无焦油，气化气洁净度高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发提出了一种具有自净化功能的自热式生物质热解气化装置，其特征在于，包括生物质热解气化模块和分离过滤模块，其中，

所述生物质热解气化模块包括生物质给料管、热解炉气化炉、热解炉返料器、返料管以及催化剂加料管，所述生物质给料管与所述热解炉连接，用于将待气化的生物质输送至所述热解炉，所述热解炉与所述气化炉的侧壁紧密贴合布置，且所述热解炉与所述气化炉的底部通过所述热解炉返料器连接，用于通过第一气化剂将热解炉中产生的生物质焦炭输送至气化炉中，所述气化炉的一侧设有返料管，所述返料管上设有催化剂加料管，用于向所述气化炉内输送生物质焦炭气化所需的催化剂，所述气化炉的底部还设有等压风室，用于通过第二气化剂将生物质焦炭送至气化炉的高温区进行充分气化；

所述分离过滤模块包括一级分离器以及与所述一级分离器连接的二级分离器，所述一级分离器通过分离返料器与所述返料管连接，用于分离出粗颗粒，所述二级分离器的出料口与所述热解炉连接，分离出细颗粒和洁净的气化气，其中，细颗粒进入热解炉用于去除生物质热解气中的焦油等杂质，以获取洁净的热解气。

进一步的，所述热解炉内设有混合颗粒床层和细颗粒层，其中，所述细颗粒层位于所述混合颗粒床层上面，所述细颗粒层包括所述细颗粒。

进一步的，所述热解炉底部为截面积渐缩的结构。

进一步的，所述分离过滤模块设置有多个，对应设置的所述返料管的个数与所述分离过滤模块的个数相同。

进一步的，所述气化炉的底部还设有等压风室，所述等压风室上设有布风板；所述气化炉的底部还设有排渣管，所述排渣管上还设有排渣阀。

进一步的，所述生物质给料管的出口伸入到所述混合颗粒床层中。

进一步的，所述细颗粒包括生物质气化产生的飞灰和催化剂。

进一步的，所述催化剂为cao颗粒。

进一步的，所述气化炉为流化床形式气化炉，所述分离器返料器为流化密封返料器。

按照本发明的另一个方面，提供一种具有自净化功能的自热式生物质热解气化的方法，应用上述的装置实现，包括以下步骤，

s1生物质经过生物质给料管进入所述热解炉生成生物质焦炭和热解气，所述热解气经过混合颗粒床和细颗粒层的脱附作用除去热解气中的焦油等杂质后，排出洁净的热解气；

s2生物质焦炭沉积到热解炉返料器中，经第一气化剂的作用进入所述气化炉后，第二气化剂经等压风室将所述生物质焦炭均匀散开分布于所述气化炉空腔中，并在催化剂加料管送入的催化剂作用下与所述生物质焦炭发生气化作用，产生的灰渣经排渣管排出；

s3气化产生的含催化剂的飞灰和气体经返料管进入分离器返料器，并在第三气化剂的作用下进入一级分离器，所述一级分离器分离出粗颗粒，所述粗颗粒沉积至所述分离器返料器并在第三气化剂的作用经返料管进入气化炉进行气化作用；

s4除去粗颗粒的含催化剂的飞灰和气体进入二级分离器，所述二级分离器分离出细颗粒，并输出洁净的气化气，其中细颗粒进入热解炉，用于除去热解气中的焦油等杂质。

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：

1.本发明实现了热解气化过程的能量完全自给，其利用气化炉与热解炉之间的壁面传热和循环的细颗粒作为热载体强化传热，大大提高了装置整体热效率并实现能量完全自给，与传统热解气化分开进行的装置相比，本发明进一步降低了生物质热解焦炭由热解炉运输到气化炉时的能量损失，提高了热效率，同时通过两级分离及循环利用生物质气化产生的飞灰和催化剂，以获取洁净无焦油的气化气和热解气。

2.本发明具有产气自净化功能，气化气经过两级分离器除尘后能够得到洁净的气化气，二级分离器分离的细颗粒在生物质给料管底端上方形成细颗粒层，同时在重力的作用下与生物质原料及其热解焦炭混合形成热解炉的混合颗粒床层，热解气在经过这两个颗粒层时能够催化裂解焦油并有效过滤固体杂质从而得到洁净的热解气。

3.本发明能够实现催化剂的多重利用。加入的cao颗粒除了能够催化气化反应，吸收气化过程中生成的co2以强化产氢外，其与生物质灰组成的细颗粒还具有以下作用：作为热载体提供生物质热解所需热量，同时其流动性好，起到“润滑剂”作用，保证热解炉内物料的流动顺畅，同时强化物料间的传热过程，生物质灰中的碱金属以及cao对生物质热解及热解气重质成分的裂解均具有催化作用，有利于提高热解气热值，同时颗粒层具有除尘作用，可以有效降低热解气的焦油和固体杂质含量。

4.本发明得到的洁净热解气与气化气具有多种利用方式，其生产的热解气与气化气杂质低，热值高，在实际中具有多种利用方式，洁净的热解气与气化气的主要含量为co、h2、ch4以及碳氢化合物等，可作为费托合成等化工过程的原料，也可作为燃料用于现有燃煤锅炉混烧，并且根据实际情况有多种耦合方式，通过耦合燃煤锅炉发电能够有效促进生物质能的利用，减缓化石能源的消耗同时降低co2的排放。

附图说明

图1是依照本发明实施例的一种具有自净化功能的自热式生物质热解气化装置的结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-生物质给料管，2-热解炉，3-气化炉，4-热解炉返料器，5-返料管，6-催化剂加料管，7-分离器返料器，8-一级分离器，9-二级分离器，10-细颗粒层，11-混合颗粒床层，12-热解气排气口，13-等压风室，14-布风板，15-排渣阀，16-排渣管，17-气化剂入口。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明实施例提供的一种具有自净化功能的自热式生物质热解气化装置，包括生物质热解气化模块和分离过滤模块，其中，所述生物质热解气化模块包括生物质给料管1、热解炉2气化炉3、热解炉返料器4、返料管5以及催化剂加料管6，所述生物质给料管1与所述热解炉2连接，所述生物质给料管1的出口伸入到所述混合颗粒床层11中，用于将待气化的生物质输送至所述热解炉2，所述热解炉2底部为截面积渐缩的结构，其内设有混合颗粒床层11和细颗粒层10，其中，所述细颗粒层10位于所述混合颗粒床层11上面，所述细颗粒层10包括所述细颗粒。所述热解炉2与所述气化炉3的侧壁紧密贴合布置，且所述热解炉2与所述气化炉3的底部通过所述热解炉返料器4连接，用于通过第一气化剂将热解炉2中产生的生物质焦炭输送至气化炉3中，所述气化炉3的一侧设有返料管5，所述返料管5上设有催化剂加料管6，用于向所述气化炉3内输送生物质焦炭气化所需的催化剂，所述气化炉3的底部还设有等压风室13，所述等压风室13上设有布风板14，用于通过第二气化剂将生物质焦炭送至气化炉3的高温区进行充分气化；所述气化炉3的底部还设有排渣管16，所述排渣管16上还设有排渣阀15。

所述分离过滤模块包括一级分离器8以及与所述一级分离器8连接的二级分离器9，所述一级分离器8通过分离返料器7与所述返料管5连接，用于分离出粗颗粒，所述二级分离器9的出料口与所述热解炉2，分离出细颗粒和洁净的气化气，其中，细颗粒进入热解炉2用于去除生物质热解气中的焦油等杂质，以获取洁净的热解气。

优选的，所述分离过滤模块设置有多个，对应设置的所述返料管5的个数与所述分离过滤模块的个数相同。

优选的，所述细颗粒包括生物质气化产生的飞灰和催化剂。

优选的，所述催化剂为cao颗粒。

优选的，所述气化炉3为流化床形式气化炉，所述分离器返料器7为流化密封返料器。

具体而言，本发明为一种具有自净化功能的自热式生物质热解气化装置，包括热解炉2、与热解炉共用壁面的气化炉3、连接热解炉与气化炉流化密封的热解炉返料器4、与气化炉相连的一级分离器8、热解炉上方的二级分离器9、等压风室13以及排渣管16等。

热解炉2与气化炉3共用壁面，气化炉通过壁面传热为热解炉提供热量，同时循环的细颗粒作为热载体与壁面传热一同完成热量传递，装置的整体热效率极高并实现能量完全自给。热解炉底部采用截面积渐缩的结构，热解炭均匀、顺畅地进入热解炉返料器4。回料阀中的挡板布置在热解炉内，而存料仓布置在热解炉底部与气化炉相连的部分。生物质焦炭颗粒随后进入到气化炉中进行气化，气化反应所需的催化剂颗粒从返料管5中设置的催化剂加料管6加入。

热解炉2与气化炉3设计为细长型炉体保证换热，气化炉3下部布置有气化剂入口17、等压风室13和布风板14，颗粒在底部气化介质的吹动下向上通过高温区完成气化过程，气化后的气化气夹杂部分生物质焦炭颗粒进入到一级分离器8中，未完全气化的生物质焦炭颗粒下沉至分离器下部的分离器返料器7，随后进入到气化炉当中重新气化。

气化气和细颗粒进入到二级分离器9中，分离出的细颗粒进入到热解炉中，洁净的气化气在分离器上部排出。细颗粒包括生物质气化后的生物质灰颗粒和催化剂颗粒。细颗粒加入热解炉在上部形成细颗粒层10，与生物质原料及其热解焦炭混合形成混合颗粒床层11，热解气经过颗粒层时可以过滤出夹带的杂质。细颗粒具有较高温度，作为热载体提供生物质热解所需热量，生物质灰中的碱金属以及cao对生物质热解及热解气重质成分(焦油)的裂解均具有催化作用，有利于提高热解气热值，此外细颗粒对生物质大颗粒的炉内流动有较好的润滑作用。

开始加入生物质颗粒后，从气化剂入口17通入气化剂，气化剂经过等压风室13与布风板14进入气化炉3。布风板与水平面夹角设计为10～20°以保证气化剂能够均匀进入到气化炉3内。炉底设置有排渣管16和排渣阀15，气化后团聚的灰渣经过排渣管排出，可以后续反田作为肥料或用于建筑材料的生产等。

热解气经过热解炉的颗粒层时其所携带的大部分焦油被过滤，而气化气经过两级分离器的净化后含尘量低于50mg/nm³达到后续处理要求。产气中的主要成分为co、h2、ch4以及碳氢化合物cnhm等，气体洁净度高，热值高，能够达到生物质气掺烧+燃煤耦合燃烧发电的要求，可以用于耦合燃煤发电。实际操作可以考虑：将气化气与热解气直接混合并从流化床锅炉上部送入进行燃烧利用；将含有较多碳氢化合物的热解气送入燃煤锅炉上部，起到促进燃煤锅炉再燃、降低燃煤锅炉nox排放的作用，气化气输送管道送出的气化气则送入燃煤锅炉下部，促进燃煤燃烧。

本发明的工作过程为：

s1生物质经过生物质给料管1进入所述热解炉2生成生物质焦炭和热解气，所述热解气经过混合颗粒床和细颗粒层的脱附作用除去热解气中的焦油等杂质后，排出洁净的热解气；

s2生物质焦炭沉积到热解炉返料器4中，并经第一气化剂的作用进入所述气化炉3，第二气化剂经等压风室将所述生物质焦炭均匀散开分布于所述气化炉3空腔中，并在催化剂加料管6送入的催化剂作用下与所述生物质焦炭发生气化作用，未气化的生物质焦炭经排渣管排出；

s3气化产生的含催化剂的飞灰和气体经返料管5进入分离器返料器7，并在第三气化剂的作用下进入一级分离器8，所述一级分离器8分离出粗颗粒，所述粗颗粒沉积至所述分离器返料器7并在第三气化剂的作用经返料管5进入气化炉3进行气化作用；

s4除去粗颗粒的含催化剂的飞灰和气体进入二级分离器9，所述二级分离器9分离出细颗粒，并输出洁净的气化气，其中细颗粒进入热解炉2，用于除去热解气中的焦油等杂质。

本领域的技术人员容易理解，以上所述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。