专利名称：一种加压流化床气化炉及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用农业废弃物秸秆、林业废弃物锯末等生物质气化产生可燃气
体的气化炉及其操作方法，尤其涉及一种加压流化床气化炉及其操作方法。
背景技术：
我国是能源消费大国，一次能源消费量仅次于美国，为世界第二大能源消费国，面对化石能源不可再生、(A排放量的日益增加的严峻形势，开发可再生能源、调整能源结构、是维持我国实现可持续发展战略的重要保障。生物质能是指利用自然界的植物、粪便以及城乡有机废物转化成的能源。在我国，生物质能资源非常丰富，每年农村秸秆量约6亿吨，大约3亿吨可作为燃料使用，折合约1. 5亿吨标准煤。林业废弃物可作为能源使用的折合约2亿吨标准煤，还有其它一些能源作物、城市生活垃圾等。 生物质气化是利用热化学方法使生物质，例如农作物秸秆、锯末等与气化剂(空气、氧气、水蒸气等)在高温下发生化学反应将生物质中的有机物转变为可燃气体的过程。生物质气化技术是生物质利用过程中热效率最高的过程，在1992年世界第15次能源大会上，确定生物质气化技术作为优先开发的新能源技术之一。 由于生物质来源相对广泛，不同类型的生物质，如林业废弃物、农业废弃物和城市垃圾等气化原料组成并不相同。如何有针对性地利用这种可再生的绿色资源，最大限度地得到生物质气化气将是生物质利用经济性的基础。气化炉是生物质气化的关键设备，现有生物质气化装置有固定床气化炉和流化床气化炉，而加压流化床气化炉是生物质气化技术的发展趋势，它不仅具有流化床气化炉的温度均匀，传热传质快，易于放大的特点，而且提高气化炉的操作压力可以降低压縮动力消耗，减少设备尺寸，降低氧耗，提高碳转化率。
但是，现有加压流化床气化炉大部分都是针对煤粉颗粒气化来设计的，因而其进料装置适合于密度较大、流动性好的煤粉颗粒，而对于质量轻、密度小、休止角大、流动性差的生物质物料难以实现在加压条件下稳定进料。因而现有生物质加压气化装置及其方法存在送料不均匀，气化过程不稳定的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种加压流化床气化炉及其操作方法，以减少或避免前面所提到的问题。 为解决上述技术问题，本发明提供了一种加压流化床气化炉，包括反应器、生物质进料器、惰性气体输送气源、空气平衡气源及水蒸气发生器；所述反应器分别通过管道与所述生物质进料器和所述水蒸气发生器连接、用于将通过所述生物质进料器输入的所述生物质粉料和所述水蒸气发生器输入的水蒸气混合加热生成可燃气体； 所述生物质进料器包括带有不导磁的顶盖的密封料斗、搅拌装置以及螺旋进料装置；一根通过所述顶盖的中心孔垂直伸入所述密封料斗内部的空气管道连接所述空气平衡气源；所述密封料斗下部的出料口连接所述螺旋进料装置的进料口 ；所述生物质粉料通
3过所述螺旋进料装置的出料口连接的出料管道经由所述惰性气体输送管道中的惰性气体输送至所述反应器； 所述搅拌装置包括电机、外磁转子、内磁转子以及两根对称形状的搅拌棒；所述外磁转子将伸入所述顶盖的中心孔的空气管道作为转轴并设置于所述顶盖的外侧；所述内磁转子对应于所述外磁转子、同样将所述空气管道作为转轴并设置于所述顶盖的内侧；所述不导磁的顶盖将所述外磁转子和所述内磁转子相互隔绝；所述电机通过皮带驱动所述外磁转子，从而带动所述内磁转子转动，进而驱动与所述内磁转子连接的所述两根搅拌棒转动； 所述螺旋进料装置包括螺杆、壳体、螺杆侧内磁转子、三相异步电动机侧外磁转
子以及三相异步电动机；所述螺杆侧内磁转子设置于所述壳体不导磁的盖体的内侧，并与
所述螺杆固定连接；所述三相异步电动机侧外磁转子设置于所述盖体的外侧，并与所述三
相异步电动机的转轴固定连接；所述不导磁的盖体将所述螺杆侧内磁转子和所述三相异步
电动机侧外磁转子相互隔绝；所述三相异步电动机侧外磁转子在所述三相异步电动机的驱
动下转动，从而带动所述螺杆侧内磁转子转动，进而驱动所述螺杆在所述壳体中转动；所述
螺杆末端设置于所述螺旋进料装置的出料口处、并设置有多个锥形分布的搅拌针。 优选地，所述两根对称形状的搅拌棒均具有多个弯折以及刮壁直立段。 另外，本发明还提供了一种如上所述的加压流化床气化炉的操作方法，包括如下
步骤 打开所述密封料斗的所述顶盖，将经过粉碎、筛分、干燥的所述生物质粉料并放入密封料斗中； 盖上所述顶盖，将所述密封料斗密封； 打开所述惰性气体输送气源，向所述密封料斗输送惰性气体，并确保所述加压流
化床气化炉各部分不漏气； 使所述水蒸气发生器开始工作； 使所述反应器通电加热，达到设定温度后，打开所述空气平衡气源、连接所述水蒸气发生器的管道，向所述反应器中通入空气和水蒸气； 当所述反应器内温度达到稳定后，使所述生物质进料器开始工作，使所述密封料斗中的所述生物质粉料通过所述搅拌棒搅拌的同时、在重力作用下进入所述螺旋进料装置，最后在惰性气体输送气源的负压作用下通过管道从所述螺旋进料装置的出料口输入所述反应器内； 气化反应结束后，首先关闭所述生物质进料器，停止进料；然后关闭所述反应器，停止加热；最后依次停止通入水蒸气、空气以及惰性气体。 本发明的加压流化床气化炉及其操作方法适用于高压条件下生物质粉料的气化，尤其改进了搅拌装置以及螺旋进料装置的密封传动，使其适合用于高压环境中生物质粉料的进料，解决了低密度的细粉料容易搭桥，不易进入下一级反应器中的问题，从而公开了一种能够实现连续稳定的在高压下进料，使物料能连续稳定地进入反应器中的技术方案。
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的一种加压流化床气化炉的结构及工作流程示意图； 图2显示的图1中所示生物质进料器的一个具体实施例的结构示意 图3显示的是从图2所示箭头方向看时螺旋进料装置的螺杆的末端左侧视 图4显示的是图2中螺杆234的末端放大视图。
具体实施例方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照
本发明的具体实施方式
。其中，相同的部件采用相同的标号。 图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的一种加压流化床气化炉的结构及工作流程示意图，如图1所示，该加压流化床气化炉包括反应器1、生物质进料器2、惰性气体输送气源3、空气平衡气源4及水蒸气发生器5等。 反应器1是由不锈钢管组成。不锈钢管的上部通过管道连有压力传感器11和安
全阀12等，压力传感器11所连接的压力表(未示出)显示整个反应系统的压力，手动调节
气体出口处的背压阀13控制整个系统的压力，使压力符合气化压力的设定值。反应器l的
加热是通过在不锈钢管的上下部都连有一个铜电极14作为加热器，铜电极14通过直流电
加热不锈钢管，不锈钢管是作为耐压和加热的主体。当反应器中输入一定量的生物质粉料、
空气、惰性气体、水蒸气，在高温高压作用下，生物质粉料主要会发生下列一些反应<formula>formula see original document page 5</formula> 最终气化产物以C0， H2， CH4等可燃气体为主，并包含少量C02。本领域技术人员应当理解，以上有关反应器的结构及其介绍均用于解释本发明的基本原理，并非对本发明的具体限制。 反应器1分别通过管道与生物质进料器2和水蒸气发生器5连接、用于将通过生物质进料器2输入的生物质粉料和水蒸气发生器5输入的水蒸气混合加热生成煤气等可燃气体。 具体来说，惰性气体输送气源3为压縮惰性气体气瓶，其通过惰性气体输送管道31从螺旋进料器(后面将对此详细说明)的出料口直接通入反应器1。
空气平衡气源4为压縮空气气瓶，其通过空气管道41从密封料斗(后面将对此详细说明)的上部通入，然后再流入反应器1中。 水蒸气发生器5主要由电加热的管和炉体组成，蒸馏水泵入炉体，由电加热管加热生成水蒸气，水蒸气可通过相应的管道送入反应器1中。
以上三路气体的压力分别由三个定压阀6控制，空气和惰性气体通过单向阀分别流入密封料斗(后面将对此详细说明)顶部和底部。其中，空气平衡气源4的气体流量和压力要大于惰性气体输送气源3，以使空气平衡气源4输出的空气可以进入反应器l，避免惰性气体返流进入生物质进料器2。水蒸气通过单向阀直接流入反应器l中。
图2显示的图1中所示生物质进料器的一个具体实施例的结构示意图。如图1、2所示，生物质进料器2包括带有不导磁的顶盖211的密封料斗21、搅拌装置22以及螺旋进料装置23 ;通过顶盖211的中心孔212垂直伸入密封料斗21内部的空气管道41连接空气平衡气源4(参见图1);密封料斗21下部的出料口 213连接螺旋进料装置23的进料口231 ;生物质粉料通过螺旋进料装置23的出料口 232连接的出料管道233经由所述惰性气体输送管道31中的惰性气体输送至反应器1 (参见图1)。 搅拌装置22包括电机221、外磁转子222、内磁转子223以及两根对称形状的搅拌棒224和225。外磁转子222将伸入顶盖211的中心孔212的空气管道41作为转轴并设置于顶盖211的外侧；内磁转子223对应于外磁转子222、同样将空气管道41作为转轴并设置于顶盖211的内侧。不导磁的顶盖211将外磁转子222和内磁转子223相互隔绝；电机221通过皮带226驱动外磁转子222，从而带动内磁转子223转动，进而驱动与内磁转子223连接的所述两根搅拌棒224、 225转动。 本发明由于涉及的是一种加压流化床气化炉，因此涉及到了加压以及密封的问题，在图2所示的生物质进料器2中，由于需要通过空气管道41向密封料斗21中输送空气，使从上方输入的空气平衡密封料斗21下方的惰性气体输送管道31中输送的惰性气体，以避免过高的惰性气体压力将密封料斗21中的生物质粉料吹起，影响生物质粉料通过重力进入螺旋进料装置23，因此，整个密封料斗21需要通过顶盖211严格保持密封状态。进料量可以通过三相变频器240控制的三相异步电动机238(下面将对此进一步说明)控制。
然而，由于锯末、秸秆等生物质原料具有质量轻、密度小、休止角大、流动性差等特点，在料斗中易架桥、沟流，粘聚成团而难以进料，导致进料不稳定。所以，本发明提供的一个具体实施例中，在密封料斗中设置了两根不锈钢丝制成的搅拌棒224、225。其中，搅拌棒224和225呈对称分布，具有多个弯折，搅拌棒还具有刮壁直立段，顾名思义就是起刮壁作用，可以将粘附在密封在密封料斗21内壁的粉料刮下来，以免粉料粘附在内壁上影响粉料的流动，并提高了粉料的利用率。多个弯折，适于对整个料斗中间的粉料进行搅拌，避免了粉料在密封料斗21内架桥、结拱，同时对空气气流产生微扰，以防止空气对蓬松的生物质物料产生沟流作用。 虽然上述两根搅拌棒224、225的设置解决了进料不稳的问题，但是如何在驱动搅拌棒224、225的同时保证密封料斗21的密封又是一个亟待解决的问题。
在本发明提供的另一个具体实施例中，借鉴采用了磁力泵中的密封传动的原理，解决了上述技术问题。通常的磁力泵由泵、磁力传动器、电动机三部分组成。关键部件磁力传动器由外磁转子、内磁转子及不导磁的隔离套组成。当电动机带动外磁转子旋转时，磁场能穿透空气隙和非磁性物质，带动与叶轮相连的内磁转子作同步旋转，实现动力的无接触传递，将动密封转化为静密封。其中，磁力传动器的基本工作原理是，将n对磁体(n为偶数)按规律排列组装在内、外磁转子上，使磁体部分相互组成完整耦合的磁力系统。当内、外两磁极处于异极相对，即两个磁极间的位移角①=0，此时磁系统的磁能最低；当磁极转
6动到同极相对，即两个磁极间的位移角①=2Ji/n，此时磁系统的磁能最大。去掉外力后，由于磁系统的磁极相互排斥，磁力将使磁体恢复到磁能最低的状态。于是磁体产生运动，带动磁转子旋转。 具体在本发明中，借鉴了磁力泵中磁力传动的基本工作原理，从而达到了在驱动搅拌棒224、225的同时保证密封料斗21密封的目的。亦即，在本发明的一个具体实施例中，内磁转子223端面嵌入六颗磁铁，且与外磁转子222端面嵌入的六颗强力磁铁偶联对应，不导磁的顶盖211将二者完全隔绝，从而达到了密封传动的效果。 本领域技术人员应当理解，由于磁力泵与本发明属于完全不同的技术领域，因而，将该技术应用于本发明的搅拌装置22乃是难以预料的，是一种创造性的转用。另外，本发明也并非将磁力泵的磁力传动器简单的叠加于搅拌装置22中，而是将外磁转子222和内磁转子223围绕垂直的空气管道41进行设置，将空气管道41作为外磁转子222和内磁转子223的转轴，既解决了外磁转子222和内磁转子223的轴心设置问题，又避免了在顶盖211的其它位置设置空气管道41与外磁转子222和内磁转子223相互干扰的问题。
仍然如图1、2所示，螺旋进料装置23包括螺杆234、壳体235、螺杆侧内磁转子236、步进电机侧外磁转子237以及三相异步电动机238 ;螺杆侧内磁转子236设置于壳体235的不导磁的盖体239的内侧，并与螺杆234固定连接；步进电机侧外磁转子237设置于盖体239的外侧，并与三相异步电动机238的转轴固定连接；所述不导磁的盖体239将螺杆侧内磁转子236和步进电机侧外磁转子237相互隔绝；步进电机侧外磁转子237在三相异步电动机238的驱动下转动，从而带动螺杆侧内磁转子236转动，进而驱动螺杆234在壳体235中转动。 同样如上所述，本发明由于涉及的是一种加压流化床气化炉，因此涉及到了加压以及密封的问题，在图2所示的生物质进料器中，为确保螺旋进料装置23的三相异步电动机238在驱动螺杆234转动的同时保持整个螺旋进料装置23处于密闭状态，在本发明的一个具体实施例中，同样借鉴了磁力泵中磁力传动器的基本工作原理，从而达到了在驱动螺杆234的同时保持整个螺旋进料装置23密封的目的。亦即，在本发明的一个具体实施例中，螺杆侧内磁转子236端面嵌入六颗磁铁，且与步进电机侧外磁转子237端面嵌入的六颗强力磁铁偶联对应，不导磁的盖体239将二者完全隔绝，从而达到了密封传动的效果。
图3显示的是从图2所示箭头F方向看时螺旋进料23装置的螺杆234的末端左侧视图，图4显示的是图2中螺杆234的末端放大视图。参见图2、3、4，螺杆234的末端设置于螺旋进料装置23的出料口 232处、并设置有多个呈锥形分布的搅拌针250。从图3可见，朝向螺杆234的纵轴中心向外放射状设置有8根搅拌针250，从图4可见这些搅拌针250总体上呈锥形分布。 这些搅拌针250的设置的目的在于，当生物质粉料通过螺杆234输送到出料口 232时，由于生物质粉料本身较为蓬松、质软，密度很小，因而很难在重力作用下落下，并且并不十分容易在惰性气体输送管道31的负压作用下全部吸走，因此很多粉料会压縮、粘聚成团、堆积在出料口 232处无法输送，因此，在本发明的上述一种具体实施方式
中，在螺杆234的末端设置有位于出料口 232位置的多个搅拌针250，用于将压縮、堆积于此的粉料打散，便于其通过惰性气体输送管道31的负压吸走。 本发明的用于加压流化床气化炉的生物质进料器适用于高压条件下生物质粉料
7的进料，进而在气化炉中气化，尤其改进了搅拌装置以及螺旋进料装置的密封传动，使其适合用于高压环境中生物质粉料的进料，解决了低密度的细粉料容易搭接架桥、沟流、粘聚成团，不易进入下一级反应器中的问题，从而公开了一种能够实现连续稳定地在高压下进料，并使物料能连续稳定地进入反应器中的技术方案。 下面参照图1-4详细说明根据本发明的一个具体实施例的一种加压流化床气化炉的操作方法，参见图l-3，该操作方法具备包括如下步骤 首先，打开密封料斗21的顶盖211，将经过粉碎、筛分、干燥的生物质粉料并放入密封料斗21中；然后，盖上顶盖211，将密封料斗21密封。 之后，打开惰性气体输送气源3，通过惰性气体输送管道31向密封料斗21、反应器1输送惰性气体，并确保加压流化床气化炉各部分不漏气。应当说明是，由于惰性气体输送管道31与螺旋进料装置23的出料口 232连通，而螺旋进料装置23的螺杆234的齿牙之间仍然具有间隙，因此，惰性气体可以通过上述出料口 232、螺杆234的齿牙间隙进入密封料斗21，而生物质粉料本身非常蓬松，惰性气体很容易穿透粉料层弥漫整个密封料斗21。
其后，先使水蒸气发生器5开始工作；然后使反应器l的电极14通电加热，当反应器1中达到设定的温度后，打开空气平衡气源4、连接水蒸气发生器5的管道，向反应器1中通入空气和水蒸气。此时，生物质进料器2并未启动，也就是说，搅拌装置22和螺旋进料装置23都没有开始工作，仅仅是各种气路已经连通。由于空气平衡气源4输送的空气的压力和流量均大于惰性气体输送气源3输送的惰性气体，因此，空气将依次通过粉料层、螺杆234的齿牙间隙、螺旋进料装置23的出料口 232与惰性气体混合之后一同进入反应器l，而且，空气在混合气中的比例将大于惰性气体所占的比例，而且上述比例均可以根据需要通过气体质量流量控制器(未标出)加以控制，加压气化炉中的气体压力通过背压阀7控制。
当反应器1内温度达到稳定后，使生物质进料器2开始工作，使密封料斗21中的生物质粉料通过搅拌棒224、225搅拌的同时、在重力作用下进入螺旋进料装置23，最后在惰性气体输送气源的负压作用下通过管道31从螺旋进料装置23的出料口 232吸出输入反应器1内。 生物质粉料在进入反应器1后，在惰性气体、空气混合气以及水蒸气的吹动下呈现一种悬浮沸腾状，在高温高压的氛围下几乎在瞬间就会发生各种化学反应，气化生成各种可燃气体，此次，配合反应器1连通的管道可以将所生成的可燃气体导出、经过净化系统后储存或直接进入电、热厂燃烧生热或发电。随着生物质进料器2的持续运行，配合各气源的气体是输入、生成的煤气等可燃气体的输出，整个加压流化床气化炉可持续产生所需煤气等可燃气体，直至加压流化床气化炉的密封料斗21内的生物质粉料经计算已经耗尽，或者不需继续工作为止。 此时，气化反应结束，首先关闭生物质进料器2，停止进料；然后关闭反应器1，停止加热；最后依次停止通入水蒸气、空气，最后停止惰性气体的输入。应当解释的是，之所以要最后停止惰性气体的输入是因为惰性气体为惰性气体，可以使反应器内部避免在空气、水蒸气等作用下氧化腐蚀，同时最后通入的惰性气体也可以达到冷却反应器1的目的。
本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式
，并非用以限定本发明的范围。任何 本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合， 均应属于本发明保护的范围。
权利要求
一种加压流化床气化炉，包括反应器、生物质进料器、惰性气体输送气源、空气平衡气源及水蒸气发生器；所述反应器分别通过管道与所述生物质进料器和所述水蒸气发生器连接、用于将通过所述生物质进料器输入的所述生物质粉料和所述水蒸气发生器输入的水蒸气混合加热生成可燃气体等；其特征在于，所述生物质进料器包括带有不导磁的顶盖的密封料斗、搅拌装置以及螺旋进料装置；一根通过所述顶盖的中心孔垂直伸入所述密封料斗内部的空气管道连接所述空气平衡气源；所述密封料斗下部的出料口连接所述螺旋进料装置的进料口；所述生物质粉料通过所述螺旋进料装置的出料口连接的出料管道经由所述惰性气体输送管道中的惰性气体输送至所述反应器；所述搅拌装置包括电机、外磁转子、内磁转子以及两根对称形状的搅拌棒；所述外磁转子将伸入所述顶盖的中心孔的空气管道作为转轴并设置于所述顶盖的外侧；所述内磁转子对应于所述外磁转子、同样将所述空气管道作为转轴并设置于所述顶盖的内侧；所述不导磁的顶盖将所述外磁转子和所述内磁转子相互隔绝；所述电机通过皮带驱动所述外磁转子，从而带动所述内磁转子转动，进而驱动与所述内磁转子连接的所述两根搅拌棒转动；所述螺旋进料装置包括螺杆、壳体、螺杆侧内磁转子、三相异步电动机侧外磁转子以及三相异步电动机；所述螺杆侧内磁转子设置于所述壳体不导磁的盖体的内侧，并与所述螺杆固定连接；所述三相异步电动机侧外磁转子设置于所述盖体的外侧，并与所述三相异步电动机的转轴固定连接；所述不导磁的盖体将所述螺杆侧内磁转子和所述三相异步电动机侧外磁转子相互隔绝；所述三相异步电动机侧外磁转子在所述三相异步电动机的驱动下转动，从而带动所述螺杆侧内磁转子转动，进而驱动所述螺杆在所述壳体中转动；所述螺杆末端设置于所述螺旋进料装置的出料口处、并设置有多个呈锥形分布的搅拌针。
2. 根据权利要求1所述的加压流化床气化炉，其特征在于，所述两根对称形状的搅拌棒均具有多个弯折以及刮壁直立段。
3. —种如权利要求1或2所述的加压流化床气化炉的操作方法，包括如下步骤打开所述密封料斗的所述顶盖，将经过粉碎、筛分、干燥的所述生物质粉料放入密封料斗中；盖上所述顶盖，将所述密封料斗密封；打开所述惰性气体输送气源，向所述密封料斗输送惰性气体，并确保所述加压流化床气化炉各部分不漏气；使所述水蒸气发生器开始工作；使所述反应器通电加热，达到设定温度后，打开所述空气平衡气源、连接所述水蒸气发生器的管道，向所述反应器中通入空气和水蒸气；当所述反应器内温度达到稳定后，使所述生物质进料器开始工作，使所述密封料斗中的所述生物质粉料通过所述搅拌棒搅拌的同时、在重力作用下进入所述螺旋进料装置，最后在惰性气体输送气源的负压作用下通过管道从所述螺旋进料装置的出料口吸出输入所述反应器内；气化反应结束后，首先关闭所述生物质进料器，停止进料；然后关闭所述反应器，停止加热；最后依次停止通入水蒸气、空气以及惰性气体。
全文摘要
一种加压流化床气化炉，包括反应器、生物质进料器、惰性气体输送气源、空气平衡气源及水蒸气发生器；所述反应器分别通过管道与所述生物质进料器和所述水蒸气发生器连接、用于将通过所述生物质进料器输入的所述生物质粉料和所述水蒸气发生器输入的水蒸气混合加热生成可燃气体。本发明还提供了上述加压流化床气化炉的操作方法。本发明的加压流化床气化炉及其操作方法适用于高压条件下生物质粉料的气化，尤其改进了进料器中的搅拌装置以及螺旋进料装置的密封传动，使其适合用于高压环境中生物质粉料的进料，解决了低密度的细粉料容易搭桥，不易进入下一级反应器中的问题。
文档编号C10J3/72GK101747946SQ201010000729
公开日2010年6月23日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者冯杰, 叶翠平, 李军, 李文英, 李晓红, 秦育红 申请人:太原理工大学