专利名称：一种将生物质能量形式进行转换的设备及其运行工艺的制作方法
技术领域：
一种将生物质能量形式进行转换的设备及其运行工艺。本发明具体涉及到一种适用于生物质能源材料的能量形式转换设备及其运行工艺。属于生物质热化工设备的技术领域。
随着工业的发展，全世界对能源的需求数量也日益增加。但是，目前满足这种需求量增加的主要途径是通过增加煤炭及油、气资源的消耗量来满足的。这不仅涉及到这些有限的化石资源的可持续发展问题，更严重的是燃用这些资源会使得目前已经危及到人类生存的环境条件更加恶化。因此积极的开发生物质可再生能源是新能源工业中的一个非常重要的组成部分。
但是生物质可再生能源资源特别是一年生植物秸秆及其它草本植物、树叶等不但具有能量密度低、挥发份高、发热量低的特点，而且还具有结构松散、原生态水份含量高、干燥后孔隙内又储存有大量空气的特点。因此，传统的直接利用方法，在燃烧时冒黑烟、能源利用率低；储存时体积大并且极易发生火灾。
现代的主要利用方法是将生物质原料气化后进行利用。具有突出代表意义的有下列成果●山东省科学院能源研究所的“秸秆气化集中供气技术”。
这是一种主要使用空气作为气化剂，通过秸秆气化炉使秸秆转变为发热量为5MJ/NM3以下的低热值煤气之后再进行利用的技术方式。我国已经在这方面取得了很大的成就，特别适合于在农村集中推广使用。
根据《生态农业中废弃物的处理与再生利用》(卞有生著 化学工业出版社出版 2000年5月版)中披露的资料，该项目上所用的一台XF-2000型气化机组需要投资5万元，每年转化处理的植物秸秆数量为500吨。折合每气化一万吨植物秸秆的单位投资额度为100万元。
●广州能源研究所的“生物质气化发电技术”。
这是一种主要使用富氧空气作气化剂，通过秸秆气化炉使秸秆转变为发热量为15MJ/NM3以下的中热值煤气之后再用来发电的技术方式。作为“九五”科技攻关项目，中国科学院已经在2001年7月4日对广州能源研究所承担的“IMW生物质气化发电系统”进行了鉴定。鉴定的主要结论为·“鉴定委员会对此进行了高度的评价，认为该项成果设计合理，成套性好，运行可靠，填补了国内MW级生物质气化发电装置的空白，属国内首创。”·“达到了同类技术的国际先进水平，开发的系列产品在国际生物质气化发电技术商业化中处于领先地位。”按照广州能源研究所在《生态农业中废弃物的处理与再生利用》中披露的资料，和1MW生物质气化发电配套的气化炉投资为50万元，每年转化处理的稻壳数量为1.3万吨。折合每气化一万吨植物秸秆的单位投资额度为38万元。
●德国鲁奇公司的“100MW生物质燃气联合循环(IGCC)示范工程”；这是一项建立在秸秆气化、木焦油裂解、中低热值燃气专用的燃气发电机等几项比较成熟的技术上并将其综合起来的一种比较理想的大规模运行方式。
但是，在上述国内外的已有成果中有一个共同的特点，即都是要在先将生物质材料在控制燃烧的情况下，通过使用如空气、空气和水蒸汽、富氧空气等作为气化介质，根据两步法气化原理，经过先热解再气化或燃烧的工艺技术路线来生产燃气或高温烟气，然后再作为生产和生活用的热源。所使用的气化设备有固定床、移动床、流化床、气流床等。由于必须要使用气化剂，生产的燃气发热量较低，不能最大限度的趋近于生物质理论上可能达到的发热量指标〔约≮35MJ/NM3〕。因此，现有的生物质气化设备不能为近代工业提供更为广泛的服务。
从技术经济角度分析，上述的成果还存在投资大、效益差的问题，规模较小，推广的难度较大。
因此，国内外目前更加集中的将注意力放在如何使生物质材料转化为高发热量的燃气和裂解油的研究，研究从高发热量的燃气中提取氢气及氢燃料电池作为汽车动力和发电的技术。
从全部的生产工艺方面分析，虽然辽宁省能源研究所的“生物质固化成型技术”及成型后以“炭化”处理的方式进行转化的生产过程和本发明的以生物质材料加工后再进行能量转化利用的过程更相近一些，但是本发明侧重于对生物质材料成型之后将其能量转化为可燃气体和木炭的设备，而辽宁省能源研究所的论文“生物质固化成型技术及其展望”更侧重于‘固化成型’，而且特别提到“当木炭为最终产品时，木屑是唯一的原料”。不能涵盖生物质材料的全部，特别是不能涵盖一年生植物秸秆及其它草本植物、树叶等能量密度低、挥发份高、发热量低的生物质材料。
因此，本文并没有把该技术项目作为主要的背景技术。只是论述原材料在加工成成型原料时作了简单比较。
在中国新能源网2001年10月更新的网页http//www.newenergy.org.cn/meetingpaper/main.html上发布的《全国清洁能源技术研讨会论文集》和《中美清洁能源技术论坛论文集》所载的诸多专家、学者的论文中，可以清楚的查阅到和本发明相关的上述各种背景技术及其发展方向。
发明的目的本发明的目的就是为将生物质材料转化为品位很高、用途很广的高纯度燃气和活性很高、燃烧性能很好、用途很广的木炭燃料提供一种最基本的生物质热化工加工转换设备及其运行工艺。
当本发明用于背景技术项目上时，可以极大的改善其投资的社会经济效益；当本发明用于含有大量有机质废物的造纸废液和城市垃圾治理上的技术项目上时，可以结合生物质能的利用，一并得到根本治理并实现双赢的效果，还可以大大的节约项目的投资额度。
本发明在治理碱法草浆造纸业的废料方面的实施结果，证明了下述的发明内容可以达到上述目的。
在这个系统中，依靠连续输入设备的热能供应和能量交换，对置于该系统内但又和本系统严格隔离的多列布置均匀、留有足够的燃烧空间、其中装有生物质原料的竖管(10)进行加热。
“加热系统”的高温烟气和待热解的原料严格分离，即“加热系统”的加热介质和将要叙述的“干馏热解系统”内的被加热材料是严格隔离的，它们之间仅仅只发生能量的交换，是本发明区别于背景技术的一个明显特征。
正是因为具备了这一特征，因此炉膛内的烟气温度实际上可以不受生物质热解气化反应的温度限制而自由调整，仅仅受制於筑炉材料的材质。也就是说，可以根据生产要求，只要在筑炉材料许可的条件下，可以通过提高炉膛(2)温度的方式来加快生物质热解气化的反应速度提高生产率，也可以适当降低温度来提高能源利用率。
能够大幅度的调整设备的生产负荷，这是本发明优于前述的背景技术项目都不可能依靠气化炉自身所能达到的一个十分优良的优势。
由于在燃烧室〔或炉膛〕(2)中设置了数层辐射隔离板(11)，因此可以在炉膛(2)内形成几个不同的温度区段，特别是在底层部分能够形成一个很有实用价值的高温区段，是本发明区别于背景技术的又一个明显特征。
辐射隔离板(11)应当同时具有两种功能一是保证烟气合理通过；二是在烟气通过时能将一部分能量辐射回本层。因此，辐射隔离板既可以和竖管(10)连在一体而另外在板上开洞，也可以和竖管(10)之间预留足够的间隙从而保证烟气在炉膛中合理流动；辐射隔离板(11)的底面应当平整并使用可以增强辐射效果的材料或增加增强辐射的涂料层。设置的层数为1～4层，可以根据炉膛高度、设计的最高温度等因素确定。
2.一个由热解气出口(7)、热解气显热利用仓(8)、拨料装置(9)、竖管(10)所组成的“干馏热解系统”。
在这个和外界空气完全隔绝的系统中，设置的热解气显热利用仓(8)应当具有足够大空间，竖管(10)的长度也应当足够长。这是由于“加热系统”内部的高温烟气、竖管(10)内部的热解气的热能流动方向和被加热介质的物流方向采用了逆流原理设计，因此，热解气显热利用仓(8)应当具有足够大空间，竖管(10)的长度也应当足够长，这才能将从卸料兼密闭口(6)卸入的温度较低的待热解生物质材料和温度较高的热解气〔包括木焦油气和水蒸汽〕发生充分的热交换，从而使产品的显热得到充分利用；也才能使竖管(10)内的物料在受控于卸料装置(12)而逐步下降的过程中，在物料离开竖管(10)之前，将物料的温度能够逐步提高到最高温度，保证生物质原料有充分的热解时间，彻底完成干馏热解，同时也不致于使成型原料爆裂。
竖管(10)底部存在的大约1000℃高温区可以将由原料携入的木焦油裂解提供必须的反应条件。而这一点也是前边所介绍的背景技术都不可能依靠气化炉自身所提供的。
在设备中设置的拨料装置(9)可以排除生物质材料在下移的过程中发生的‘棚料’故障，是本发明区别于背景技术的又一个特征。
图示的拨料装置(9)为在发生‘棚料’时用手动水平拨料的方式。这样的方式也可以采用外加震动力的方法进行拨料，即用震动的方法破坏导致发生‘棚料’的内拱。
还可以将拨料装置(9)垂直设置，依靠围绕中心轴的拨料齿的转动破坏由于各种原因导致发生的‘棚料’。这种垂直设置的方法尤其适合于当炉体断面呈园形时。
在该系统中，还会产生生物质材料中不能热解的C素材料、灰分等，它们将以木炭的固态形式，有控制的从本系统中排出。但是其产出的数量却会随着生物质材料的不同而产生较大差异。
3.一个由烟道(3)、烟气废热利用仓(4)、加料兼排烟口(5)、卸料兼密闭口(6)所组成的“预先加热及烟气隔离系统”。
在这个系统中，将使用从“加热系统”排出的大约180℃-200℃的烟气废热排除生物质原料所夹带的空气及游离水，使之随同烟气排向大气。在经预热处理后的生物质原料卸入“干馏热解系统”时，依靠烟气废热利用仓(4)内烟气的充盈度阻断空气进入干馏热解系统。
也就是说，只有“加热系统”的加热介质的温度降低到180℃～200℃上下的时候，才能允许被加热的生物质成型原料直接接触并进行能量和物质交换。这也是区别于背景技术的一个特征。
过高的烟气废热利用仓(4)可以充分的使烟气废热得到利用。但是将会大大增加排烟阻力而导致炉温降低。合适的方式是在加料兼排烟口(5)上增加烟囱并串入引风机，依靠引风机的启闭和开度来控制加热炉的炉况。
4.一个由卸料装置(12)、水封池(13)所组成的“液体水封及卸料系统”。
这个系统的主要功能是防止空气从底部进入“干馏热解系统”并且起到熄焦的作用，同时承接由卸料装置(12)定期排出的固态木炭。
在某些场合下本装置却是可以充分利用固态木炭的显热来对水封的液体进行蒸发浓缩的主要装置。
比如，本发明用于申请专利01115858.1时，便可以采用碱法草浆造纸所产生的废液作为水封材料，经过卸出的灼热木炭的几次浸泡熄焦，可以有效的提高废液浓度，减少需要治理的废液数量。
其中的箭头表示了如下的含义“↑”表示了高温烟气向上的流出方向；“↓”表示了被加工的生物质材料在炉中向下的流程；“→”表示了生物质材料热解气流动方向；“ ”表示了其中充满了液体。
其运行工艺及操作步骤的详细说明如下1.设备点火，连续将外加的热能经燃烧器〔或加热炉高温烟气入口〕(1)送入燃烧室〔或炉膛〕(2)中；2.将生物质材料加工成适宜的大小(比如树木的枝桠类比较坚实的材料)或经过压力加工成一定形状和大小的成型原料之后，经垂直输送设备运至加料兼排烟口(5)加入到烟气废热利用仓(4)中，用大约180℃～2000℃废烟气的废热对其进行加热处理。达到既能够加热入炉原料中夹带的空气和蒸发其中的游离水分使之随烟气排出体系，又能够尽量减少生物质材料挥发份物质的损失。
对于一年生植物秸秆及其它草本植物、树叶等结构疏松、能量密度低、挥发份高、发热量低的生物质材料，压力加工成密度较高的成型原料是该设备进行能量形式转换加工区别于背景技术各个项目的明显的工艺技术特征。
但是，在本发明中所说的“压力加工成型”的适宜方式，不是辽宁省能源研究所在论文“生物质固化成型技术及其展望”中所说的“以螺杆先输送和压缩物料的连续挤出”并配合加热的方法，在不加粘合剂的情况下挤压成型。而是加了粘合剂的。
尽管本发明所使用的原料可以象主要的背景技术那样使用仅仅经过粉碎加工的生物质材料，但是将造纸废液作为粘合剂却会在普通成型机上将一年生植物秸秆及其它草本植物、树叶等结构疏松、能量密度低、挥发份高、发热量低的生物质材料很方便的加工成密实体，克服这一类材料在储存、使用过程中的诸多不便条件，也根治了造纸废液，实现了真正意义上的双赢。是本发明中所说的“压力加工成型”的适宜方式。
在将生物质材料加工成适宜的大小或经过压力加工成一定形状和大小的成型原料过程中，把由热解气经冷凝净化所得到的木焦油部分一并加入，或者将木焦油直接单独输送到竖管(10)的高温阶段进行热裂解，可以不再单独另设焦油裂解设备。这也是本发明区别于背景技术的另外一个特征。
3.将完成预先加热的生物质材料经卸料兼密闭口(6)卸入热解气显热利用仓(8)及竖管(10)中，进入到“干馏热解系统”；4.将热解后的气态产物由热解气出口(7)连续排向煤气冷凝净化装置，获得到高发热值煤气产品。不能热解的固态物质由卸料装置(12)定期打开卸入水封池(13)中，获得到以炭素及灰分为主要组分的木炭固态产品；5.定期清除水封池(13)中的固态产品。
6.重复步骤2～5，使生产连续进行。
根据本发明的实施例“自循环连续干馏热解炉(ZLGR-0.5-1)”炉子总投资为16.5万元，每年至少可以气化3.5万吨植物秸秆，折合每气化一万吨植物秸秆的单位投资额度为4.7万元。而在背景技术中的“生物质气化发电技术”需要38万元，“秸秆气化集中供气技术”需要100万元，分别是本发明的8倍和21倍。
权利要求
1.一种将生物质能量形式进行转换的设备及其运行工艺，其设备是由四个子系统组成·由燃烧器〔或加热炉高温烟气入口〕(1)、燃烧室〔或炉膛〕(2)、1～4层辐射隔离板(11)所组成的“加热系统”；·由热解气出口(7)、热解气显热利用仓(8)、拨料装置(9)、竖管(10)所组成的“干馏热解系统”；·由烟道(3)、烟气废热利用仓(4)、加料兼排烟口(5)、卸料兼密闭口(6)所组成的“预先加热及烟气隔离系统”；·由卸料装置(12)、水封池(13)所组成的“液体水封及卸料系统”；其运行工艺及操作步骤如下①设备空载点火、升温；②将加工成适宜的大小或经过压力加工成一定形状和大小的生物质成型原料在烟气废热利用仓(4)中用180℃～200℃的废烟气对其进行预先加热处理；③将完成预先加热的生物质材料经卸料兼密闭口(6)卸入热解气显热利用仓(8)及竖管(10)中；④将在“干馏热解系统”中热解的气态产物由热解气出口(7)连续排向另外的加工系统，将不能热解的固态物质由卸料装置(12)定期打开卸入水封池(13)中；⑤定期清除“液体水封及卸料系统”中的固态产品；⑥重复步骤2～5，使生产连续进行。
2.根据权利要求1所述的一种将生物质能量形式进行转换的设备，其特征是“干馏热解系统”的竖管(10)是呈多列、均匀地布置在“加热系统”的燃烧室(或炉膛)(2)中的，竖管内的物质和燃烧室(或炉膛)(2)中的加热介质只发生能量的交换。
3.根据权利要求1所述的一种将生物质能量形式进行转换的设备，其特征是在燃烧室(或炉膛)(2)内设置有1～4层既可以合理通过烟气，又能将一部分能量辐射回本层的辐射隔离板。
4.根据权利要求1所述的一种将生物质能量形式进行转换的设备，其特征是在系统中设置有专门保证固态物料畅通的拨料装置，
5.根据权利要求1所述的一种将生物质能量形式进行转换的设备的运行工艺，其特征是隔绝干馏热解材料和空气接触的方法采用了下述的两种技术方案·在加料时和生产过程中，利用烟气废热利用仓内充盈的烟气，阻止空气进入干馏热解材料；·在卸料时和生产的过程中，将卸料装置始终浸没在液体之中，用水封来阻止空气进入。
6.根据权利要求1所述的一种将生物质能量形式进行转换的设备的运行工艺，其特征是当使用一年生植物秸秆及其它草本植物、树叶等能量密度低、挥发份高、发热量低的生物质材料时，首先应当加工成成型原料后入炉，合理的实施方案是用外加10～30％的造纸废液〔浓度为20％〕作为粘合剂压制成可以和竖管直径大小配套不容易在拨料器处形成堵塞而且具有一定形状和大小的成型原料。
全文摘要
一种将生物质能量形式进行转换的设备及其运行工艺一种将生物质能量形式进行转换后可以获得到极高品位燃气的设备。由相互独立的‘加热系统’、‘干馏热解系统’、‘预先加热及烟气隔离系统’、‘液体水封及卸料系统’四部分组成。全炉膛可分为2～5个明显的温度区间,特别是炉膛内有一个很有实用价值的高温区存在;加有拨料装置;采用水封和充盈烟气隔绝空气;设置了充分的余热利用设施;结合治理造纸污染和开发生物质能源工业实现双赢等因素,将使得该设备将成为二十一世纪在环保和可再生能源产业方面必不可少的专业设备。
文档编号C10B53/02GK1371959SQ0210299
公开日2002年10月2日 申请日期2002年2月18日 优先权日2002年2月18日
发明者许绍良 申请人:许绍良