一种生物质气化炉除焦油结构的制作方法

本实用新型属于生物质能利用技术领域，特别涉及一种生物质气化炉除焦油结构。

背景技术：

随着能源紧缺、环境恶化问题日益加剧，各国政府高度重视新型清洁能源开发利用，生物质作为一种清洁可再生的绿色能源，具有良好的发展前景。生物质热解气化是一种高效率利用生物质资源的技术，其对于改善能源结构，减少温室气体排放，发展绿色低碳经济有着重要意义。近几年，气化技术取得长足发展，各工艺路线及设备被开发并应用于工程实例之中，但生物质热解气化反应是一个复合过程，其间不可避免的伴随有焦油产生，特别是燃气出口温度不高的上吸式固定床，粗燃气中焦油含量尤为明显；焦油是生物质气化技术领域存在的焦点问题之一，一方面生物质气化燃气中的焦油在温度较低(一般认为是200℃以下)时会冷凝成粘稠液体状态，容易附着于管道、阀门和设备壁面上，与水、灰等结合形成堵塞和腐蚀，影响下游用气设备的稳定运行，且排出的焦油还容易造成环境污染；另一方面，焦油中大分子有机化合物所含能量约占气化粗燃气总能量5％-15％，如果该部分能量不能进行有效利用，将会降低气化炉产气效率。在生物质气化实际应用中，焦油处理方式主要有物理法和热化学法两类。物理法除焦油技术主要分为湿法除焦和干法除焦，湿法除焦主要有水洗法和水滤法，操作简单，成本低，但会产生大量含焦油废水，易造成二次污染；干法除焦主要采用机械力和过滤净化的方式，受限于焦油粘性大，并混有灰分和微小碳粒，沉积较为严重，滤料难处理，实际应用效果不佳；此外，新型的电捕焦法耗电量大，运行成本高，且对粗燃气氧含量控制要求非常高，工程实例中可靠性不高。热化学法除焦油技术主要有热裂解法与催化裂解法，旨在通过一定反应条件，使大分子焦油转化为小分子永久 性可燃气体，可以在消除焦油危害的同时，有效利用焦油能量；热裂解法所需温度一般在1100℃以上，焦油转化率较高，但如此高温度一般较难获得，且装置设备难以承受。催化裂解法是借助催化剂活性，能大大降低裂解反应的温度要求，一般在750℃-900℃时焦油就能有较高转化率，因此，催化裂解除焦油法是一种可实施性强且行之有效的方法。催化裂解除焦油法在实际应用中，通常设置独立的催化裂解器，为满足反应所需温度，需另外添加热源，成本较高。然而气化炉内部反应温度一般设计在700℃-900℃，利用此热源对气化粗燃气所含的焦油进行催化裂解处理完全能满足要求。在现有类似技术中，已经存在有关利用气化炉内热源满足焦油催化裂解反应条件的报道，中国实用新型专利名称为：一种带内循环焦油催化裂解的生物质气化装置，申请号为：201110398188.6，公开了一种气化炉内催化裂解除焦油的气化装置，该实用新型在气化炉内设计有粗燃气循环管路，并在管路中设置有催化剂层，利用炉内热源实现焦油催化裂解处理；中国实用新型专利名称为：一种具有焦油催化裂解结构的气化炉，申请号为：201110145364.5，同样也公开了一种气化炉内催化裂解除焦油的气化装置，该实用新型在气化炉内壁设置了含催化剂层的裂解器，该裂解器为四方框状环管结构，裂解器有部分裸露于炉膛内增强换热以保证裂解器内反应温度，拐角处设置有突出于炉体外的催化剂装填口便于添加更换催化剂；

以上两种实用新型均涉及利用炉内的热源在气化炉内设置催化剂层来催化裂解焦油；但是仍然存在一些亟待解决的问题：首先，受炉内物料运行空间限制以及催化剂的装填与更换需要，含催化剂的循环管路不能设计得过于复杂，导致循环管换热面积不足，焦油催化裂解所需温度难以保证；其次，管内空间狭小，催化剂装填量过大易导致燃气管路压损过大甚至堵塞，装填量过小又无法满足焦油与催化剂的接触时间，甚至发生短路现象，影响除焦油效果；再次，催化剂更换时需要停炉或者切换管路，影响除焦过程甚至气化装置的连续运行，特别是当催化剂装填量较少时，更换过程尤为频繁；还有，目前常规气化技术应用实例中，上吸式气化炉燃气出口温度基本处在400-500℃以下，炉内气化反应温度大多设计在 700-900℃，由于燃气炉内循环管属于气体间壁式换热，管内外介质温度需要有100-200℃的温差，而焦油催化裂解反应温度至少750℃以上，因此，循环管需要有足够的换热面积以及较长的换热时间，很显然，以上两种实用新型都很难满足这些要求。另外，当炉内的温度发生波动时，催化裂解反应所需温度难予得到保证。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种高效和节能环保催化裂解去除生物质气化产生的焦油的生物质气化炉除焦油结构。

为实现上述目的，本实用新型提供的一种生物质气化炉除焦油结构，其中,包括气化炉除焦油装置、在气化炉除焦油装置一侧设有的旋风分离器、与旋风分离器连接的空气预热器、分别与空气预热器连接的罗茨鼓风机和滚筒干燥器，及一端与滚筒干燥器连接，另一端与气化炉除焦油装置连接的螺旋进料器。气化炉除焦油装置包括气化炉、在气化炉上设有与螺旋进料器连通的物料进口、在气化炉底部上设有的出渣口、在气化炉上设有的气化剂进口、在气化炉上设有与气化炉连通的粗燃气出口、在粗燃气出口上设有的高温燃气加压机、在气化炉一侧设有与高温燃气加压机连通的二次风喷嘴装置、在气化炉上设有缠绕于气化炉部分且与二次风喷嘴连接的螺旋盘管、在螺旋盘管上设有与二次风喷嘴装置连通的催化剂进料装置，及在催化剂进料装置一侧设有一端与旋风分离器连通，另一端给催化剂进料装置送料的斗式提升机。上述螺旋盘管的流道横截面为矩形，矩形长边为受热面。气化炉包括进料仓、在进料仓下方设有的气化室。气化剂进口设置于气化室上。粗燃气出口设置于进料仓上。二次风喷嘴装置包括一端与高温燃气加压机连通的粗燃气接口管、在粗燃气接口管另一端上连通的喇叭形混合管、在喇叭形混合管上设有的催化剂入口，及在粗燃气接口管上设有从外部插入粗燃气接口管内且延伸至喇叭形混合管内的进风喷嘴。螺旋盘管螺旋盘紧设置于气化室外侧壁面上。螺旋盘管上设置有与喇叭形混合管连通的盘管入口，及与旋风分离器连通的盘管出口。催化剂进料装置与催化剂入口连接。罗茨鼓风机输出的空气在空气预热器内进行 热交换；所述的空气预热器分别与气化剂进口和进风喷嘴连通。由此，螺旋盘管螺旋盘紧于气化室外壁，条件是螺旋盘管具备足够长的换热行程，充分利用气化室反应热，保证螺旋盘管内焦油催化裂化反应所需温度条件。

在一些实施方式中，进风喷嘴延伸至对应催化剂入口的下方。

在一些实施方式中，催化剂进料装置包括与斗式提升机送料位置对应的催化剂料斗和在催化剂料斗上设有与催化剂入口连通的送料管，及在送料管上设有的喂料阀。

在一些实施方式中，旋风分离器与斗式提升机之间设置有卸料阀。

在一些实施方式中，气化室为锥形仓室；所述的物料进口设置于进料仓上；所述的出渣口设置于气化室底部。

另一实用新型是提供一种生物质气化炉除焦油结构的应用方法，其中，具体如下：

(1)将生物质物料从物料进口送入气化炉内燃烧；

(2)与通入的气化剂在气化室内进行反应，产生含焦油的粗燃气，之后从粗燃气出口排出；此时的粗燃气温度为400-500℃；

(3)经高温燃气加压机增压后进入螺旋盘管；

(4)在粗燃气接口管上的进风喷嘴往粗燃气接口管内喷入二次热风，与从催化剂入口送入的催化剂，及粗燃气在喇叭形混合管内进行充分混合；此时的粗燃气被部分氧化反应，温度提升至500-600℃；

(5)升温后的粗燃气与催化剂在螺旋盘管的流道内形成均匀气固两相输送床，即催化剂与粗燃气以气固两相输送床的原理进行催化裂化反应，粗燃气与催化剂充分均匀接触；

(6)在气化室内反应温度在800-900℃，通过气化室外侧壁面对螺旋盘管内的粗燃气进行再次加热，此时粗燃气温度进一步提升至750℃以上，可达到焦油催化裂解的温度条件；粗燃气所含的焦油在高温环境中与催化剂均匀接触，充分裂解形成小分子永久性可燃气体，由此除去粗燃气中携带的焦油，增加燃气品质；

(7)完成催化裂解除焦油过程的燃气携催化剂一起进入旋风分离器，实现气固分离；

(8)净化后的燃气被输送至空气预热器；则催化剂由旋风分离器底部的卸料阀排出，之后经斗式提升机输送到催化剂料斗,再输送回螺旋盘管回收再利用，实现催化剂重复利用，保证催化剂自动加料连续运行。

(9)上述净化后的燃气经旋风分离器排出后，先与罗茨鼓风机输出的空气在空气预热器内进行热交换，从空气预热器输出升温后的热空气分别输送至气化剂入口和/或进风喷嘴；降温后的热燃气进入滚筒干燥器，对进气化炉前的物料进行干燥，进一步降温后的燃气送至下游；上述的空气预热器与气化剂入口之间和空气预热器和进风喷嘴之间分别设置有调节阀；

(10)最后，干燥后的物料经螺旋进料器，由物料进口进入气化炉；如此循环。

在一些实施方式中，催化剂可以是各种常用粉末状催化剂；所述的催化剂是粒径20-30目的镍基催化剂，也可以是粒径0.5-2mm焦炭、白云石或橄榄石等常用催化剂，固体颗粒状或粉末状。

在一些实施方式中，气化剂是热空气。

本实用新型的有益效果是具有高效和节能环保裂解去除生物质气化产生的焦油。具体如下：(1)将气化与除焦油过程整合，利用气化反应放热作为焦油催化裂解反应的热源，同时通入适量二次风，也就是粗燃气与二次风进行氧化反应释放热量，经气化室的炉壁传热和二次氧化双重作用，共同保证焦油催化裂解所需的温度条件。上述炉壁传热和二次氧化双重作用是通过气化剂与物料在气化室内进行反应释放热量并通过气化室炉壁热传导，提升螺旋盘管内粗燃气温度；通过二次风喷嘴装置向喇叭形混合管内喷入二次风，并与粗燃气进行部分氧化反应释放热量提升粗燃气温度达到的，如此可实现高效和节能环保裂解去除生物质气化产生的焦油目的。(2)利用气固两相输送床原理，将燃气与催化剂充分混合，保证粗燃气与焦油的充分均匀混合，同时又能实现催化剂的连续加料，保证气化装置及焦油催化裂解反应的连续稳定运行。如此可进一步实现高效裂解 去除生物质气化产生的焦油目的。(3)通过在气化室外壁设置螺旋盘管结构，增大换热面积，增加换热行程，提高螺旋盘管的换热效率，也为焦油催化裂解提供了足够长的反应时间。如此可进一步实现高效裂解去除生物质气化产生的焦油目的。因此，焦油催化裂解反应所需具备的三大要素：反应物与催化剂的充分接触、反应所需高温、反应所需持续时间均得以满足，充分保证焦油催化裂化反应的顺利进行；除此之外，还兼顾了保持催化剂活性，实现催化剂连续加料，以及燃气净化与催化剂回收等问题，从结构材料到运行成本，再到除焦油效果、操作便捷性、提高气化效率等多方面对气化除焦过程进行了优化改进。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1所示气化炉除焦油装置的结构示意图；

图3为本实用新型中二次风喷嘴装置的结构示意图；

图4为本实用新型中螺旋盘管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型作进一步详细的说明。

如图1-2所示，一种生物质气化炉除焦油结构，包括气化炉除焦油装置01、在气化炉除焦油装置01一侧设有的旋风分离器02、与旋风分离器02连接的空气预热器03、分别与空气预热器03连接的罗茨鼓风机04和滚筒干燥器05，及一端与滚筒干燥器05连接，另一端与气化炉除焦油装置01连接的螺旋进料器06。

如图2-4所示，气化炉除焦油装置01包括与旋风分离器02连通的气化炉11、在气化炉11上设有与螺旋进料器06连通的物料进口12、在气化炉11底部上设有的出渣口13、在气化炉11上设有的气化剂进口14、在气化炉11上设有与气化炉11连通的粗燃气出口15、在粗燃气出口15上设有的高温燃气加压机16、在气化炉11一侧设有与高温燃气加压机16连通的二次风喷嘴装置17、在气化炉11上设有缠绕于气化炉11部分且与 二次风喷嘴连接的螺旋盘管18、在螺旋盘管18上设有与二次风喷嘴装置17连通的催化剂进料装置19，及在催化剂进料装置19一侧设有一端与旋风分离器02连通，另一端给催化剂进料装置19送料的斗式提升机10。上述螺旋盘管18的流道横截面为矩形，矩形长边为受热面。气化炉11包括进料仓111、在进料仓111下方设有的气化室112。气化剂进口14设置于气化室112上。粗燃气出口15设置于进料仓111上。二次风喷嘴装置17包括一端与高温燃气加压机16连通的粗燃气接口管171、在粗燃气接口管171另一端上连通的喇叭形混合管172、在喇叭形混合管172上设有的催化剂入口173，及在粗燃气接口管171上设有从外部插入粗燃气接口管171内且延伸至喇叭形混合管172内的进风喷嘴174。螺旋盘管18螺旋盘紧设置于气化室112外侧壁面上。螺旋盘管18上设置有与喇叭形混合管172连通的盘管入口181，及与旋风分离器02连通的盘管出口182。催化剂进料装置19与催化剂入口173连接。罗茨鼓风机04输出的空气在空气预热器03内进行热交换。空气预热器03分别与气化剂进口14和进风喷嘴174连通。螺旋盘管18螺旋盘紧于气化室112外壁，条件是螺旋盘管18具备足够长的换热行程，充分利用气化室112反应热，保证螺旋盘管18内焦油催化裂化反应所需温度条件。进风喷嘴174延伸至对应催化剂入口173的下方。催化剂进料装置19包括与斗式提升机10送料位置对应的催化剂料斗191和在催化剂料斗191上设有与催化剂入口173连通的送料管192，及在送料管192上设有的喂料阀193。旋风分离器02与斗式提升机10之间设置有卸料阀07。气化室112为锥形仓室。物料进口12设置于进料仓111上，出渣口13设置于气化室112底部。滚筒干燥器05经螺旋进料器06与物料进口12连通。

一种用于生物质气化炉11除焦油结构的应用方法，具体如下：(1)将生物质物料从物料进口12送入气化炉11内燃烧；(2)与通入的气化剂在气化室112内进行反应，产生含焦油的粗燃气，之后从粗燃气出口15排出；此时的粗燃气温度为400-500℃；(3)经高温燃气加压机16增压后进入螺旋盘管18；(4)在粗燃气接口管171上的进风喷嘴174往粗燃气接口管171内喷入二次热风，与从催化剂入口173送入的催化剂，及粗燃气 在喇叭形混合管172内进行充分混合；此时的粗燃气被部分氧化反应，温度提升至500-600℃；(5)升温后的粗燃气与催化剂在螺旋盘管18的流道内形成均匀气固两相输送床，即催化剂与粗燃气以气固两相输送床的原理进行催化裂化反应，粗燃气与催化剂充分均匀接触；(6)在气化室112内反应温度在800-900℃，通过气化室112外侧壁面对螺旋盘管18内的粗燃气进行再次加热，此时粗燃气温度进一步提升至750℃以上，可达到焦油催化裂解的温度条件；粗燃气所含的焦油在高温环境中与催化剂均匀接触，充分裂解形成小分子永久性可燃气体，由此除去粗燃气中携带的焦油，增加燃气品质；(7)完成催化裂解除焦油过程的燃气携催化剂一起进入旋风分离器02，实现气固分离；(8)净化后的燃气被输送至空气预热器03；则催化剂由旋风分离器02底部的卸料阀07排出，之后经斗式提升机10输送到催化剂料斗191,再输送回螺旋盘管18回收再利用，实现催化剂重复利用，保证催化剂自动加料连续运行。(9)上述净化后的燃气经旋风分离器02排出后，先与罗茨鼓风机04输出的空气在空气预热器03内进行热交换，从空气预热器输出升温后的热空气分别输送至气化剂入口和/或进风喷嘴；降温后的热燃气进入滚筒干燥器05，对进气化炉11前的物料进行干燥，进一步降温后的燃气送至下游；上述的空气预热器03与气化剂入口112之间和空气预热器03和进风喷嘴174之间分别设置有调节阀。(10)最后，干燥后的物料经螺旋进料器06，由物料进口12进入气化炉11；如此循环。催化剂可以是各种常用粉末状催化剂。催化剂是粒径20-30目的镍基催化剂，也可以是粒径0.5-2mm焦炭、白云石或橄榄石等常用催化剂，固体颗粒状或粉末状。气化剂是热空气。

应用时，将气化与除焦油过程整合，利用气化反应放热作为焦油催化裂解反应的热源，同时通入适量二次风，也就是通入气化剂进口14的热风和进风喷嘴174的热风，经气化室112的炉壁传热和二次氧化双重作用，共同保证焦油催化裂解所需的温度条件。上述二次风和二次氧化双重作用是通过罗茨鼓风机04输出的空气在空气预热器03内进行热交换之后，由空气预热器03供给，即热风循环利用；螺纹盘管内温度的提升是通过气化室112的炉壁热传导达到的。利用气固两相输送床原理，将燃气与催化 剂充分混合，保证粗燃气与焦油的充分均匀混合，同时又能实现催化剂的连续加料，保证气化装置及焦油催化裂解反应的连续稳定运行。通过在气化室112外壁设置螺旋夹套结构，增大换热面积，增加换热行程，提高螺旋的换热效率，也为焦油催化裂解提供了足够长的反应时间。如此可进一步实现高效裂解去除生物质气化产生的焦油目的。因此，焦油催化裂解反应所需具备的三大要素：反应物与催化剂的充分接触、反应所需高温、反应所需持续时间，充分保证焦油催化裂化反应的顺利进行；除此之外，还兼顾了保持催化剂活性，实现催化剂连续加料，以及燃气净化与催化剂回收等问题，从结构材料到运行成本，再到除焦油效果、操作便捷性、提高气化效率等多方面对气化除焦过程进行了优化改进。另外，在处理焦油问题的同时，对粗燃气中携带的微小碳粒也进行了处理，能降低燃气带出物的残炭值，进一步提高气化效率：气化炉11粗燃气一般还会携带有部分灰分和微小碳粒，常规做法是在粗燃气出口15进行高温除尘，再进行除焦油过程，而本实用新型中，携带物中的微小碳粒先随粗燃气及催化剂进入螺旋盘管18，然后在旋风分离器02内实现气固分离，携带物中的微小碳粒还能随着催化剂再次被送入螺旋盘管18，螺旋盘管18内温度较高，微小碳粒能够多次进行高温气化反应，有利提高气化效率，降低带出物的残碳。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于实用新型的保护范围。