一种用于生物质与焦油混合物的上吸式水蒸汽气化装置的制作方法

本发明涉及生物质能源技术领域，具体涉及一种用于生物质与焦油混合物的上吸式水蒸汽气化装置。

背景技术：
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常见的生物质气化装置包括流化床、下吸式固定床、上吸式固定床、上下吸混流式固定床等等炉型。固定床与流化床气化炉相比不易放大、气化强度较低，但也有其显著优点，如结构简单、造价低、操作容易、可用于块状物料、飞灰含量低等，因此在中小规模生物质燃气生产领域仍然是较好的选择。

固定床气化炉含上吸式和下吸式两种基本炉型，主要区别在于气流与燃料的运行方向不同，上吸式气化炉的气流自下而上流动，下吸式气化炉中的气流自上而下流动，燃料均是依靠重力自由下落。由于炉内反应特征的不同，两种炉型的炉膛结构也有所区别。与下吸式固定床气化炉相比，上吸式气化炉的主要优点在于：热量利用比较充分，燃气热值较高，运行阻力低，飞灰携带较少。然而上吸式固定床气化炉也有其显著的难以克服的缺点，即燃气中焦油含量较多，一般约为30～150g/Nm3(S.Heidenreich,et al.,Prog Energy Combust Sci,2015)。

焦油的存在降低了气化效率，易堵塞燃气管道、除尘设备以及用气设备。一些应用场合要求将燃气降至极低的水平：燃气轮机、合成燃料等要求燃气焦油含量低于数mg/Nm3量级(N.Abdoulmoumine et al.Appl.Energy,2015)；国家标准《GB/T 13612-2006人工煤气》规定焦油和灰尘总含量低于10mg/m3；国家标准《GB 50494-2009城镇燃气技术规范》规定城镇燃气无论任何来源均不应含有固态、液态或胶状物质。因此，为了满足特殊应用需求，降低气化炉出口燃气焦油含量将极大减轻后续深度净化系统运行负荷。

从运行成本和实用性方面考虑，现有上吸式气化炉一般配合湿式净化系统使用，但是随着运行时间延长，洗焦废水逐渐饱和，如何消耗这部分洗焦废水成为困扰行业发展的技术难题。中国专利200910025366.3公开了一种带有焦油回燃装置的上吸或下吸式固定床秸秆气化炉，气化粗燃气首先通过过滤除尘器进行除尘，再通过惯性与冷却相结合的焦油捕集器进行焦油捕集，捕集下来的焦油通过重力作用和气体引射作用被回流到气化炉的燃烧区，焦油在该区的高温条件下得到裂解和燃烧。类似地，中国发明公布201510532462.2公开了将含尘焦油引回气化炉富氧区域燃烧从而得到自处理的方法。这一类专利的共同特点是将生物质焦油送回气化炉燃烧区，利用气化炉氧化区域的高温环境燃烧或裂解焦油组分。由于焦油含水高，其回送会引起气化设备燃烧区工况的变化(如温度降低、增加空气比等)，导致气化效果变差，所以实施起来有一定难度。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种用于生物质与焦油混合物的上吸式水蒸汽气化装置及方法，利用上吸式固定床生物质气化炉上部温度低、停留时间长的特点，将乳化后的焦油在上吸式固定床生物质气化炉上部与生物质物料充分混合，利用生物质物料和焦油的混合物降低气化燃气的温度，降低燃气中重焦油的含量；同时，利用上吸式固定床生物质气化炉中部高度，使生物质和焦油混合物慢速均匀烘干，将生物质与焦油混合物的水分烘干至10％以下，保证上吸式固定床生物质气化炉下部热解层、还原层、和氧化层工况不受焦油水分的影响，从而实现生物质物料和焦油在气化炉中的混合气化，解决了现有技术将含水量高的焦油送回高温氧化区引起气化设备氧化层工况的变化(如温度降低、增加空气比等)，导致气化效果变差的问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种用于生物质与焦油混合物的上吸式水蒸汽气化装置，该装置包括上吸式气化炉，所述上吸式气化炉由下至上依次分为氧化层、还原层、热解层、烘干层和混合区；所述上吸式气化炉上部设有燃气出口和进料口，顶部设有乳化后焦油水喷入口，氧化层底部设有空气接口；所述燃气出口连接有间接冷却器，将焦油与燃气分离并得到上层的含轻质焦油水与下层的含重质焦油水；所述氧化层和还原层交界处周向设有共同喷嘴接口，所述共同喷嘴接口跟加压水蒸气接口连通，加压水蒸汽从氧化层和还原层交界处的共同喷嘴接口均匀喷入炉膛；所述乳化后焦油水喷入口用于输入含重质焦油水或含轻质焦油水。

特别地，所述共同喷嘴接口还跟含轻质焦油水接口连通，含轻质焦油雾化水与加压水蒸汽混合后从氧化层和还原层交界处的加压水蒸气和含轻质焦油雾化水的共同喷嘴接口均匀喷入炉膛。

所述混合区高度不低于2.0m，烘干层、热解层的高度均不低于4.0m，氧化层、还原层的高度均不低于1.0m。

特别地，所述乳化后焦油水喷入口为1-4个；所述氧化层和还原层交界处周向设有加压水蒸汽和含轻质焦油水的共同喷嘴接口为4-6个。

本发明还保护一种用于生物质与焦油混合物的上吸式水蒸汽气化方法，当共同喷嘴接口仅跟加压水蒸汽接口连通时，包括以下步骤：生物质原料在上吸式气化炉热解气化制备的含焦油燃气经冷凝乳化后得到的乳化重质焦油水与生物质原料在上吸式气化炉上部混合区混合，在烘干层遇到下方上升的热气流，脱除水分的同时将气流里的部分焦油冷却截留；脱除水分的原料下移至热解层进一步受热发生热解分解成挥发分和固体焦炭，挥发分被气流带到上方；固体焦炭依次进入下方的还原层和氧化层；同时空气从上吸式气化炉底部进入氧化层，与固体焦炭发生氧化反应，释放出大量的热量；氧化产物与焦炭在还原层发生还原反应生成一氧化碳、氢气和甲烷，向上与热解分解出的挥发分混合；加压水蒸汽从氧化层和还原层交界处均匀喷入；还原层产生的燃气与轻焦油氧化裂解重整得到的气体，向上进入热解层，与热解分解的挥发分一起进入混合区，从燃气出口排出。

当所述共同喷嘴接口还跟含轻质焦油水接口连通时，所述用于生物质与焦油混合混合物的上吸式水蒸汽气化方法，包括以下步骤：生物质原料在上吸式气化炉热解气化制备的含焦油燃气经冷凝乳化后得到的乳化焦油水与生物质原料在上吸式气化炉上部混合区混合，在烘干层遇到下方上升的热气流，脱除水分的同时将气流里的部分焦油冷却截留；脱除水分的原料下移至热解层进一步受热发生热解分解成挥发分和固体焦炭，挥发分被气流带到上方；固体焦炭依次进入下方的还原层和氧化层；同时空气从上吸式气化炉底部进入氧化层，与固体焦炭发生氧化反应，释放出大量的热量；氧化产物与焦炭在还原层发生还原反应生成一氧化碳、氢气和甲烷，向上与热解挥发分混合；轻质焦油水与加压水蒸汽混合后从氧化层和还原层交界处均匀喷入，一方面轻焦油在高温环境下发生氧化裂解，另一方面水蒸汽同时参与焦油的重整反应；还原层产生的燃气与轻焦油裂解重整得到的气体，向上进入热解层，与热解分解的挥发分一起进入混合区，从燃气出口排出。

所述生物质原料在上吸式气化炉热解气化制备的含焦油燃气经冷凝将焦油与燃气分离，得到的含焦油废水分为上层的含轻焦油废水与下层的含重焦油废水。

本发明的有益效果如下：

1)本发明利用上吸式气化炉上部自由空间和加料装置，将冷凝焦油乳化后与生物质原料进行混合，实现将焦油送回气化炉二次气化的目的，避免了焦油所携带能量的损失；

2)利用生物质原料与乳化焦油混合后水分高、温度低的特点，降低气化炉燃气出口粗燃气的温度，使燃气中重焦油组分冷凝并吸附到原料的表面，极大地降低了燃气的携带的重焦油含量和显热损失；

3)加大生物质原料和焦油混合物在气化炉中的停留时间，利用气化炉还原层高温燃气均匀烘干生物质和焦油混合物并使其热解，保证气化炉下部热解层、还原层和氧化层的工况不受含重焦油废水水分含量高的影响，从而实现生物质物料和焦油在气化炉中的混合气化；

4)使用高压水蒸气雾化含轻焦油的冷凝废水，利用蒸汽和雾化废水抑制炉内结渣现象的发生，并提高还原反应效果，调控燃气成分。

总之，本发明利用上吸式固定床生物质气化炉上部温度低、停留时间长的特点，将乳化后的焦油在上吸式固定床生物质气化炉上部与生物质物料充分混合，利用生物质物料和焦油的混合物降低气化燃气的温度，降低燃气中重焦油的含量；同时，利用上吸式固定床生物质气化炉中部高度，使生物质和焦油混合物慢速均匀烘干，将生物质与焦油的混合物的水分烘干至10％以下，保证上吸式固定床生物质气化炉热解层、还原层和氧化层工况不受焦油水分的影响，从而实现生物质物料和焦油在气化炉中的混合气化。本发明工艺简单、产气洁净、能耗低、气化效率高，燃气飞灰和炉内结渣大幅减少，检修周期延长，气化炉运行更为稳定可靠，解决了现有技术将含水量高的焦油送回高温氧化层引起气化设备氧化层工况的变化(如温度降低、增加空气比等)，导致气化效果变差的问题。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A断面图。

其中，1、氧化层；2、还原层；3、热解层；4、烘干层；5、混合区；6、进料口；7、乳化后焦油水喷入口；8、空气接口；9、加压水蒸气接口；10、含轻质焦油雾化水接口；11、燃气出口；12、喷嘴接口；13、炉膛。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示的一种用于生物质与焦油混合物的上吸式水蒸汽气化装置，生物质处理量1.5t/h，该装置包括上吸式气化炉，主体为圆柱状耐火材料砌筑炉膛13及钢制炉壳，炉壳下部设有通过动密封连接的旋转炉排，所述旋转炉排兼具空气进入与分布功能；所述上吸式气化炉由下至上依次分为氧化层1、还原层2、热解层3、烘干层4和混合区5；所述上吸式气化炉上部设有燃气出口11和进料口6，顶部设有1-3个乳化后焦油水喷入口7，氧化层底部设有空气接口8；所述燃气出口11连接有间接冷却器，将焦油与燃气分离并得到上层的含轻质焦油水与下层的含重质焦油水；所述氧化层1和还原层2交界处周向设有5个共同喷嘴接口12，所述共同喷嘴接口12分别跟加压水蒸气接口9和含轻质焦油雾化水接口10连通，含轻质焦油水经雾化器雾化后得到的含轻质焦油雾化水与加压水蒸汽混合后从氧化层1和还原层2交界处的加压水蒸气和含轻质焦油雾化水的共同喷嘴接口12均匀喷入炉膛13；所述乳化后焦油水喷入口7用于输入含重质焦油水或含轻质焦油水；

所述混合区5高度不低于2.0m，烘干层、热解层3的高度均不低于4.0m，氧化层1、还原层2的高度均不低于1.0m。

气化炉运行负荷1t/h，顶部含轻质焦油水溶液喷入量300kg/h，所述含轻质焦油水溶液的焦油浓度为15wt.％(即焦油与水的质量比为15:85)，底部通过空气接口8通入空气量约1000Nm³/h，通过加压水蒸气接口9通入饱和水蒸气量约80kg/h，所述饱和水蒸气参数为0.25～0.4MPa、127～143℃，含轻质焦油水雾化接口10关闭。在此运行条件下，生物质原料在上吸式气化炉制备的含焦油燃气经冷凝乳化后得到的乳化重质焦油水与生物质原料在气化炉上部混合区5混合，停留时间1～2h，在烘干层4遇到下方上升的热气流，脱除水分的同时将气流里的部分焦油冷却截留；脱除水分的原料下移至热解层3进一步受热发生热解分解成挥发分和固体焦炭，挥发分被气流带到上方；固体焦炭依次进入下方的还原层2和氧化层1；在还原层2停留时间2～3h，在氧化层1燃烧区停留时间约0.5h，同时空气从上吸式气化炉底部进入氧化层1，与固体焦炭发生氧化反应，释放出大量的热量；氧化产物与焦炭在还原层2发生还原反应生成一氧化碳、氢气和甲烷，向上与热解分解出的挥发分混合；加压水蒸汽从氧化层1和还原层2交界处均匀喷入；还原层产生的燃气向上进入热解层，与热解分解的挥发分一起进入混合区，从燃气出口排出。燃气出口温度80～100℃，燃气组成及热值分析见表1，出口燃气焦油含量低于30mg/Nm³，气化冷气效率约79％。

表1.燃气组成与热值分析

实施例2：

装置参考实施例1，运行负荷1t/h，空气输入量为1000Nm³/h，顶部含重质焦油水溶液喷入量200kg/h，所述含重质焦油水溶液浓度为50wt.％，底部饱和水蒸气输入量约50～80kg/h，含轻质焦油水雾化接口10打开，底部含轻质焦油雾化水输入量20kg/h，其中焦油浓度为15wt.％。在此条件下，乳化后重焦油水与生物质原料在上吸式气化炉上部混合区混合，在烘干层遇到下方上升的热气流，脱除水分的同时将气流里的部分焦油冷却截留；脱除水分的原料下移至热解层进一步热解成挥发分和固体焦炭，挥发分被气流带到上方；固体焦炭依次进入下方的还原层和氧化层；同时空气从上吸式气化炉底部进入氧化层，与固体焦炭发生氧化反应，释放出大量的热量；氧化产物与焦炭在还原层发生还原反应生成一氧化碳、氢气和甲烷，向上与热解分解出的挥发分混合；含轻质焦油水与加压水蒸汽混合后从氧化层和还原层交界处雾化后均匀喷入，一方面轻焦油在高温环境下发生氧化裂解，另一方面水蒸汽同时参与焦油的重整反应；还原层产生的燃气与轻焦油氧化裂解重整得到的气体，向上进入热解层，与热解挥发分一起进入混合区，从燃气出口排出。产生燃气性质参见表1所示。出口燃气焦油含量低于30mg/Nm³，气化冷气效率约82％。

实施例3：

装置参考实施例1，不同之处在于，生物质处理量2t/h，所述装置的顶部安装有4个乳化后焦油水喷入口7，所述氧化层1和还原层2交界处周向设有4个共同喷嘴接口12。

运行负荷2t/h，顶部含重质焦油水溶液喷入量300～500kg/h，底部通过空气接口8的空气通入量为2000Nm³/h，底部通过加压水蒸气接口9的饱和水蒸气输入量650kg/h，所述饱和水蒸气参数为0.25～0.4MPa、127～143℃，底部通过含轻质焦油雾化水接口10的含轻质焦油雾化水输入量100kg/h，其中焦油含量50～100g/L。在此运行条件下，含重质焦油水溶液与生物质原料在上吸式气化炉上部混合区5停留时间1.0～1.5h，在烘干层4停留1.0～1.5h，在热解层3停留1.0h，在还原层2停留时间1.0h，在氧化层1停留时间约0.5h，燃气出口温度为<120℃，出口燃气焦油含量30mg/Nm³，燃气经间接冷凝和电捕焦分离后焦油含量为20mg/Nm³，气化效率83.5％。

未采用本发明的一般上吸式固定床气化炉的燃气出口温度一般高于200℃，气化效率很难高于75％。本发明相比传统的上吸式气化炉能够明显降低出口燃气焦油含量，提高气化效率，有效消耗洗焦废水，提高燃气热值，燃气飞灰和炉内结渣大幅减少，检修周期延长，气化炉更为稳定可靠。