专利名称：生物质低温裂解高温气化设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及将可燃物料转变成清洁高效合成气的设备，具体地指一种生物质 低温裂解高温气化设备。
背景技术：
可燃物料气化技术在二十世纪末得到了快速发展，特别是对燃煤进行气化的技术 已经相当成熟，科研人员已成功地开发出了对煤种适用性广、气化效率高、产生污染少的煤 气化工艺和设备。而对树枝、秸秆、稻草或其他农林废弃物等生物质进行气化的技术则是本 世纪出现的一种综合利用能源的新技术，已有的生物质气化技术主要包括固定床气化、流 化床气化、两段式制气等工艺和设备，这些都属于直接气化工艺和设备。直接气化设备最主 要的特点是利用部分生物质燃烧放出的热量为气化反应提供能源，气化反应所采用的氧化 剂一般是空气、富氧空气、或富氧空气与水蒸汽的组合中的一种。近期的研究和实验表明 上述生物质直接气化设备存在如下几方面的缺陷一、生物质燃料的成份和热值极不稳定、着火点低、着火反应快，容易发生爆燃现 象，在气化炉局部区域形成超温结焦结垢，气化炉的运行温度极难控制。二、当以空气作为氧化剂时，由于空气中存在大量不发生反应的N2成份，会导致合 成气中的N2含量偏高、有效气体(CCHH2)含量偏低、H2/C0比例下降，合成气的热值偏低且不 稳定，一般只能维持在5000KJ/Nm3以下，难以满足后续的工业利用。三、当以富氧空气作为氧化剂时，虽然可以减少合成气中的N2含量，但需要附设体 积庞大且能耗极高的空气分离装置，这样将大幅增加整个气化工艺和设备的成本。四、当以富氧空气与水蒸汽的组合作为氧化剂时，虽然可以减少合成气中的N2含 量、增加合成气中的H2含量，但水蒸汽作为反应介质仍需要消耗大量的热能，与分离空气的 能耗累积，同样会大幅增加整个气化工艺和设备的投资。五、需要自燃约15 20%的生物质来提供气化反应的能量，而燃烧产生大量的 CO2,从而降低合成气中有效气体(CCHH2)的含量。并且，高温合成气连同混杂于其中的空气 将带走大量的显热，这样热能转化成化学能的比例将大幅下降，导致整个气化工艺的冷煤 气效率较低，一般情况在70%以下，最好状况也不会超过80%。六、气化炉的运行温度大多设计为800 1200°C，而在该温度区域进行气化反应 的生物质燃料将产生大量难以清除的焦油，过多的焦油在设备和管道中累积和粘结，可造 成管道堵塞和设备污染。七、生物质燃料气化反应所产生的灰份中含有大量的K、Na等碱金属氧化物，一般 占灰份重量的20 40%，而这些碱金属氧化物在温度高于800°C时会气化混杂于所产生的 合成气中，不仅影响合成气的品质，而且与焦油一起粘附在设备和管道中，对设备和管道腐 蚀严重。鉴于上述生物质直接气化工艺和设备所存在的若干致命缺陷，目前还难以将其应 用于实际生产中。如何使生物质燃料的气化工艺和设备从研究试验阶段转化为实际商业利用，是本领域科研人员一直在努力攻克的难题。 发明内容本实用新型的目的就是要提供一种工艺易于控制、能耗和投资低廉、冷煤气效率 高、所产生合成气的热值大、且能根除焦油和碱金属化合物的生物质低温裂解高温气化设 备。为实现上述目的，本实用新型所设计的生物质低温裂解高温气化设备，主要由裂 解炉和气化炉、低温等离子炬加热器和高温等离子炬加热器、储水箱和输水泵、以及热交换 器等部件组合而成。其中所述储水箱通过输水泵与热交换器的给水输入端相连，所述热交换器的蒸汽输出 端同时与低温等离子炬加热器的进汽口和高温等离子炬加热器的进汽口相连，所述低温等 离子炬加热器的排汽口与裂解炉的水蒸汽喷嘴相连，所述高温等离子炬加热器的排汽口与 气化炉的水蒸汽喷嘴相连。所述裂解炉的出气口与气化炉的进气口相连，所述裂解炉的排渣口与冷渣器的进 渣口相连，所述冷渣器的出渣口与灰炭分离器的进料口相连，所述气化炉的出气口与热交 换器的气体输入端相连，所述热交换器的气体输出端依次与除尘器、除酸塔和干燥器串联。由于等离子炬加热器具有可超高温加热、传热传质快、热效率高、热功率可调等特 点，用其加热储水箱中的水时，能够高效、连续、稳定地输出符合工艺要求温度的过热水蒸 汽，过热水蒸汽既作为氧化剂又作为能量载体，可确保裂解炉和气化炉始终维持稳定可靠 的运行。而热交换器的设置可以有效回收初合成气所携带的大量显热，这些显热可将储水 箱中的水预热成饱和蒸汽，再送入等离子炬加热器处理，这样可以降低等离子炬加热器的 能耗，同时实现热能的综合利用。进一步地，所述裂解炉的进料口处连接有氮气保护装置。在从裂解炉的进料口投 放生物质燃料时，也向该进料口输送氮气，所形成的氮气密封层既可防止裂解炉内的粗合 成气外泄，又可阻止外界空气进入裂解炉，从而杜绝火灾和爆炸的危险，并确保粗合成气的品质。再进一步地，所述灰炭分离器的焦炭出口通过焦炭输送机与气化炉的进炭口相 连。例如可以用螺旋送料装置直接将焦炭输送至气化炉，这样可以减少中间人工输送环节， 提高气化炉运行的连续性和稳定性。更进一步地，所述裂解炉的水蒸汽喷嘴和气化炉的水蒸汽喷嘴沿各自炉体的高度 方向布置有2 4层，每层沿圆周方向均勻切向分布。这样，过热水蒸汽分多层喷入，能够 始终维持裂解炉和气化炉内沿高度方向的温度场稳定、均勻，确保过热水蒸汽与反应物充 分接触。本实用新型在仔细研究和分析生物质中水份、灰份、挥发份和灰熔点等固有特性 的基础上，结合裂解炉和气化炉的运行特点，摒弃传统氧化剂空气或富氧空气，转而利用过 热水蒸汽在不同的温度条件下分级对生物质燃料进行低温裂解和高温气化，其优点主要体 现在如下几方面其一，采用过热水蒸汽在裂解炉和气化炉对生物质燃料分级裂解和气化，过热水 蒸汽既是氧化介质又是能量载体，这样不需要空气或富氧空气，工艺中省略了高能耗的空
4气分离装置，大幅降低了整个设备的能耗及工程总投资。其二，裂解和气化两级工艺中均无生物质燃料的燃烧反应，有效解决了传统气化 过程中炉内燃料爆燃而产生局部结焦的难题，各级工艺非常易于掌控。且因为无需空气或 富氧空气参入反应，所得合成气中H2/C0的比例高，有效气体(CCHH2)的含量高，可达到85% 以上，从而可大幅提高合成气的热值，拓宽合成气的用途。其三，生物质反应装置由裂解炉和气化炉组成，生物质首先被低温裂解成粗合成 气和焦炭，粗合成气和焦炭再被高温气化。由于温度设定的针对性极强，粗合成气中不含碱 金属化合物，其中的焦油和焦炭可全部转化为初合成气，碳转化率高，有效克服了合成气携 带杂质对设备、管道沾污和腐蚀的难题，且可使合成气的后续净化流程更加简单可靠。其四，由等离子炬加热器在裂解炉和气化炉外部产生的过热水蒸汽提供裂解和气 化所需要的全部能量，生物质燃料的热能可全部转化为合成气的化学能，两级工艺转化的 冷煤气效率可比传统气化工艺提高8 %左右，达到88 %以上。其五，等离子炬加热器的热效率高、输入功率可调，当生物质燃料的成份发生变化 时，通过调整等离子炬加热器的功率，即可方便地调节过热水蒸汽的温度区域，从而维持裂 解炉和气化炉运行稳定，确保初合成气的产量和品质稳定。试验表明，本实用新型的设备能够有效气化各种生物质燃料，适合于生物质气化 联合循环发电和制取生物质液体燃料等工业应用。
附图为一种生物质低温裂解高温气化设备的连接结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述图中所示的生物质低温裂解高温气化设备，主要包括用于生物质输送的皮带传送 机1、中间料斗2和螺旋给料机3，用于容纳生物质进行裂解和气化反应的裂解炉5和气化 炉9，用于给裂解炉5和气化炉9提供过热水蒸汽的低温等离子炬加热器8和高温等离子 炬加热器10，用于给低温等离子炬加热器8和高温等离子炬加热器10提供水源的储水箱 17和输水泵16，用于热能综合利用的热交换器11，以及用于合成气后续净化处理的除尘器 12、除酸塔13和干燥器14。皮带传送机1的输出端置于中间料斗2的上方进口处，中间料斗2的下方出口与 螺旋给料机3的原料进口相连，螺旋给料机3的原料出口与裂解炉5的进料口相连。裂解炉5是对生物质燃料进行一级处理的关键设备，其采用空气或水冷夹套式常 压绝热壳体结构，具有良好的高温绝热性能。裂解炉5的进料口布置在其上部或顶部，按照 容量大小可设置二至四个，以确保生物质燃料能够均勻投入，维持炉内烟气流场的相对稳 定。裂解炉5的进料口处还连接有氮气保护装置4，所形成的氮气密封层可有效阻隔粗合 成气和空气。裂解炉5的出气口可以设置在其上部，也可以设置在其下部，通过管道与气化 炉9的进气口相连，将所生成的粗合成气输送至气化炉9中。裂解炉5的排渣口采用固态 排渣形式，布置在其底部，按照容量大小可设置一至二个，这些排渣口与冷渣器6的进渣口 相连，用以冷却含焦炭灰渣。冷渣器6的出渣口则与灰炭分离器7的进料口相连，用于分离焦炭。作为优选的方案，灰炭分离器7的焦炭出口直接通过焦炭输送机19与气化炉9的进 炭口相连，这样可以减少低效率的人工送料操作，满足气化炉9连续稳定运行的需要。气化炉9是对生物质燃料进行二级处理的关键设备，其也采用空气或水冷夹套式 常压绝热壳体结构，确保优良的高温绝热性能。气化炉9的进炭口设置在其上部或顶部，按 照容量大小可以布置一至二个，以确保焦炭原料能够均勻投入，维持炉内烟气流场的相对 稳定。气化炉9的排渣口采用液态排渣形式，布置在其底部，按照容量大小可设置一至二 个。气化炉9的出气口可以设置在其上部，也可以设置在其下部，通过管道与热交换器11 的气体输入端相连，热交换器11的气体输出端则依次与除尘器12、除酸塔13和干燥器14 串联，干燥器14的输出端与储气柜15相连。喷入裂解炉5和气化炉9中的过热水蒸汽是由储水箱17中的软水或除盐水加热 转变而成的。储水箱17的输出端通过输水泵16与热交换器11的给水输入端相连。热交 换器11通常选用废锅，热交换器11的蒸汽输出端同时与低温等离子炬加热器8的进汽口 和高温等离子炬加热器10的进汽口相连，低温等离子炬加热器8的排汽口通过管道与裂解 炉5的水蒸汽喷嘴相连，高温等离子炬加热器10的排汽口通过管道与气化炉9的水蒸汽喷 嘴相连。作为较佳的结构，裂解炉5的水蒸汽喷嘴和气化炉9的水蒸汽喷嘴沿各自炉体的 高度方向布置有2 4层，每层沿圆周方向均勻切向分布。这样，喷入炉体内的过热水蒸汽 流场均勻、稳定，且不留死角，可确保过热水蒸汽与物料的充分接触和混合。本设备还附设有灰渣库18，可通过人工或机械的方式将灰炭分离器7所分离出的 固态灰渣、气化炉9所排出的液态渣送至灰渣库18储存。上述生物质低温裂解高温气化设备在实际运行时的工艺过程概括如下A)将破碎好的生物质燃料经由皮带传送机1、中间料斗2和螺旋给料机3输送到 裂解炉5内，同时通过氮气保护装置4向裂解炉5的进料口处输入氮气。对于灰秸秆类(树 枝、树根)生物质燃料而言，控制其粒径在20mmX20mm以下、含水量小于40%。对于黄秸秆 类(稻草、麦秆、茅草、玉米秆等)生物质燃料而言，其粒径要求可适当放宽。B)储水箱17中的除盐水由输水泵16送入热交换器11的给水输入端，与从热交换 器11的气体输入端进来的初合成气进行热交换，除盐水吸收初合成气的显热，生产0. 4 0. 6Mpa的饱和蒸汽，该饱和蒸汽由热交换器11的蒸汽输出端同时输送到低温等离子炬加 热器8和高温等离子炬加热器10中，被加热成不同温度的过热水蒸汽。C)低温等离子炬加热器8所产生的500 800°C的低温过热水蒸汽从裂解炉5 的水蒸汽喷嘴进入其内，保持裂解炉5内的运行温度为500 650°C、运行压力为105 109Kpa、低温过热水蒸汽的喷入速度为35 50m/s，使生物质燃料与低温过热水蒸汽充分 接触，裂解生成粗合成气和含焦炭灰渣，且控制粗合成气在裂解炉5内的停留时间为15 20s、粗合成气的引出速度为15 20m/s。D)裂解炉5所产生的温度为500 650°C的粗合成气通过管道从气化炉9的进气 口输入其内。裂解炉5所产生的温度为500 650°C的含焦炭灰渣则从裂解炉5的排渣口 进入冷渣器6，经热能回收后降温到150°C以下，再通过灰炭分离器7将其中的焦炭分离出 来。所分离出的焦炭通过焦炭输送机19从气化炉9的进炭口输入其内，所分离出的灰渣则 送入灰渣库18。E)高温等离子炬加热器10所产生的1200 1600°C的高温过热水蒸汽从气化炉9的水蒸汽喷嘴进入其内，保持气化炉9内的运行温度为1200 1400°C、运行压力为105 109Kpa、高温过热水蒸汽的喷入速度为35 50m/s，使粗合成气和焦炭与高温过热水蒸汽 充分接触，气化生成初合成气，且控制初合成气在气化炉9内的停留时间为15 20s、初合 成气的引出速度为15 20m/s。F)气化炉9所产生的温度为1200 1400°C的液态灰渣通过其排渣口排出，送入 灰渣库18综合利用。气化炉9所产生的温度为1200 1400°C的初合成气则通过管道进入 热交换器11的气体输入端，被除盐水冷却降温至260 320°C后，从热交换器11的气体输 出端进入除尘器12，初合成气中携带的粉尘被除尘器12捕获，除尘器12出口处初合成气的 含尘浓度小于50mg/Nm3。G)经过除尘处理的初合成气进入除酸塔13，在除酸塔13中除去初合成气中的 H2S、COS、HCL、NH3、HCN 等有害气体。H)经过除酸处理的初合成气再进入干燥器14，除去其中的水份，即可获得净合成 气，净合成气通过管道输送至储气柜15中保存，供下游的工业应用。经过多次试验和数据检测，本实用新型所制取的净合成气的主要成份及特性如表 1所示。由表1可见，本实用新型所制取净合成气的CCHH2含量最高可达90%，H2/C0的比 值大于或等于1，合成气的热值(LHV)为12. 5 13. 4MJ/Nm3，冷煤气效率在88%左右，具有 良好的商业前景，非常适于生物质气化联合循环发电和制取生物质液体燃料等工业应用。表 1
权利要求一种生物质低温裂解高温气化设备，包括裂解炉(5)和气化炉(9)、低温等离子炬加热器(8)和高温等离子炬加热器(10)、储水箱(17)和输水泵(16)、以及热交换器(11)，其特征在于所述储水箱(17)通过输水泵(16)与热交换器(11)的给水输入端相连，所述热交换器(11)的蒸汽输出端同时与低温等离子炬加热器(8)的进汽口和高温等离子炬加热器(10)的进汽口相连，所述低温等离子炬加热器(8)的排汽口与裂解炉(5)的水蒸汽喷嘴相连，所述高温等离子炬加热器(10)的排汽口与气化炉(9)的水蒸汽喷嘴相连；所述裂解炉(5)的出气口与气化炉(9)的进气口相连，所述裂解炉(5)的排渣口与冷渣器(6)的进渣口相连，所述冷渣器(6)的出渣口与灰炭分离器(7)的进料口相连，所述气化炉(9)的出气口与热交换器(11)的气体输入端相连，所述热交换器(11)的气体输出端依次与除尘器(12)、除酸塔(13)和干燥器(14)串联。
2.根据权利要求1所述的生物质低温裂解高温气化设备，其特征在于所述裂解炉(5) 的进料口处连接有氮气保护装置(4)。
3.根据权利要求1或2所述的生物质低温裂解高温气化设备，其特征在于所述灰炭 分离器(7)的焦炭出口通过焦炭输送机(19)与气化炉(9)的进炭口相连。
4.根据权利要求1或2所述的生物质低温裂解高温气化设备，其特征在于所述裂解 炉(5)的水蒸汽喷嘴和气化炉(9)的水蒸汽喷嘴沿各自炉体的高度方向布置有2 4层， 每层沿圆周方向均勻切向分布。
5.根据权利要求3所述的生物质低温裂解高温气化设备，其特征在于所述裂解炉(5) 的水蒸汽喷嘴和气化炉(9)的水蒸汽喷嘴沿各自炉体的高度方向布置有2 4层，每层沿 圆周方向均勻切向分布。
专利摘要一种生物质低温裂解高温气化设备，主要包括用于生物质反应的裂解炉和气化炉，用于给裂解炉和气化炉提供过热源的低温等离子炬加热器和高温等离子炬加热器，用于给低温等离子炬加热器和高温等离子炬加热器提供水源的储水箱和输水泵，用于热能综合利用的热交换器，以及用于合成气后续净化处理的除尘器、除酸塔和干燥器。其利用过热水蒸汽作为氧化剂和能量载体，首先对生物质燃料低温裂解，获得不含碱金属氧化物的粗合成气和焦炭；然后对粗合成气和焦炭高温气化，获得不含焦油成份的初合成气，最后对初合成气依次进行冷却、除尘、脱酸和干燥处理，即可获得高品质的净合成气。该设备既适于生物质气化联合循环发电，也适于制取生物质液体燃料。
文档编号C10J3/72GK201737906SQ20102026836
公开日2011年2月9日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者唐宏明, 张岩丰, 陈义龙 申请人:武汉凯迪控股投资有限公司