一种生物质燃气焦油组分去除方法与流程

本发明涉及一种生物质燃气焦油组分去除方法，属于生物质能利用技术领域，尤其适用于采用热裂解法脱除焦油的方法。

背景技术：

生物质能是太阳能、风能、水能等可再生能源中唯一含有碳源、可以储存和运输的可再生能源。生物质能具有分布广、储量大、可再生等优点，高效开发利用生物质能源对保障国家能源安全、减少温室气体排放都具有重要作用和现实意义。

生物质气化过程中，生物质中的纤维素、半纤维素和木质素会热分解生成生物质焦油。生物质焦油是一种由芳香烃及其衍生物和多环芳烃组成的复杂化合物，可以分析到的组分就达100多种，还有很多成分难以确定。其中质量分数大于5%的大约有7种，分别是苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚。生物质焦油在200℃以下为液态，300℃以上呈气态，在高温下能分解成小分子永久性气体。焦油存在的主要问题包括：1、焦油占可燃气能量的5%～10%，在低温下难以与燃气一起被燃烧利用，浪费严重；2、焦油在低温下凝结成液体，易和水、碳粒等结合在一起，堵塞输气管道，卡住阀门，腐蚀金属；3、焦油难以完全燃烧，并产生碳黑等颗粒，对燃气设备损害严重；4、焦油及其燃烧后产生的产物对人体是有害的。由此可见，可燃气中的焦油具有相当大的危害性，是生物质气化应用的最大障碍，生物质焦油问题一直是国内外重点研究和解决的问题之一。

目前常见的焦油脱除方法可分为物理脱除法和热化学脱除法，其中物理脱除法采用较多的包括湿法（干湿法）和干法两大类。湿式除焦法也称为水洗法，是用水将可燃气中的部分焦油带走。该方法存在的缺点有：一、燃气中容易夹带液雾，不易将焦油捕集干净；二、只能在较低温度下使用，设备、液体回收及循环装置庞大，动力消耗较大；三、含有焦油的废液雾进行后续处理，难度大，成本高，易造成二次污染。干法除焦是为避免湿式净化带来的水污染问题而采用过滤技术净化燃气的方法，但是，在工程应用中净化效果不好，焦油沉积严重且粘附焦油的滤料难以处理。

热化学脱除法是使焦油在一定的反应条件下发生一系列的化学反应，使大分子的焦油转化成小分子的有用气体，提高生物质的转化率和利用率，主要包括热裂解法和催化裂解法。催化裂解法是指在一定的温度条件下，通过催化剂的作用，使燃气中的焦油分解成小分子的气体。焦油的催化裂解是一个复杂的反应过程，在现有工业应用中，催化裂解一般都需要增加独立的裂解反应系统，这样就大大增加了设备投资。热裂解法是指在高温下把焦油分解成小分子气体，热裂解法需要在800℃以上才能得到较高的转换效率，但是，在现有工业应用中，热裂解时难以形成稳定的高温温度场，焦油脱除效果不理想。

技术实现要素：

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种生物质燃气焦油组分去除方法，可形成稳定的高温温度场，使燃气中的98%以上的焦油组分得以去除。

本发明的技术方案如下：一种生物质燃气焦油组分去除方法，主要包括以下步骤：

步骤一，通过环形燃烧器向气化炉内均匀喷入流速基本相同的气化剂；

步骤二，气化剂与气化炉内部分生物质燃气燃烧，通过扩散燃烧区为蓄热器提供热量形成稳定的高温温度场；

步骤三，生物质燃气中的焦油组分在稳定的高温温度场内发生热裂解，达到出炉粗燃气焦油含量低于20mg/nm3。

本发明的技术方案还包括：所述气化剂为空气或富氧气体，所述扩散燃烧区内燃气的流动速度是0.1～0.4m/s。

本发明的技术方案还包括：所述高温温度场的温度保持在800～1200℃，所述高温温度场中燃气停留时间为0.5～2s。

本发明的技术方案还包括：所述环形燃烧器位于蓄热器的下方，环形燃烧器与蓄热器之间形成有扩散燃烧区，所述环形燃烧器和蓄热器与气化炉体同轴，所述环形燃烧器包括壳体，所述壳体上设有进风口和出风管，所述进风口连接有渐缩形空腔。

本发明的技术方案还包括：所述出风管包括上出风管和下出风管，所述上出风管朝上倾斜设置，下出风管朝下倾斜设置，所述下出风管和上出风管均设有阀门。

本发明的技术方案还包括：所述上出风管沿壳体顶端间隔设置，所述下出风管沿壳体底端间隔设置。

本发明的技术方案还包括：所述壳体包括内壁和外壁，所述内壁和外壁偏心设置，所述渐缩形空腔位于内壁和外壁之间。

本发明的技术方案还包括：所述内壁和外壁之间的偏心距e与气化炉的炉径d之间的关系是e=kd，

当炉径d<800mm时，k取值是0.05；

当炉径d的范围是800≤d＜1500mm时，k取值是0.08；

当炉径d的范围是1500≤d＜2500mm时，k取值是0.12；

当炉径d的范围是2500≤d＜4000mm时，k取值是0.15。

本发明的技术方案还包括：所述蓄热器由耐火砖自下向上砌筑形成，同一水平面内相邻耐火砖之间留有通过空隙，所述通过空隙在高度方向上交错布置。

本发明的技术方案还包括：所述蓄热器包括外蓄热层和内蓄热层，蓄热器的工作温度大于800℃，蓄热体的高度是600～1000mm。

本发明的有益效果是：通过环形燃烧器向气化炉内均匀喷入流速基本相同的气化剂，可在炉内空间快速形成分布均匀的燃气与气化剂混合物，之后引射较少部分的气化炉内高焦油含量的燃气，在环形燃烧器和蓄热体之间的空间形成扩散燃烧区，可避免出现温度分布不均、局部高温的问题，产生的烟气与炉内燃气混合后进入蓄热体，在蓄热体形成的稳定高温温度场作用下，燃气中的98%以上的焦油组分得以去除，焦油组分裂解成为小分子不可凝可燃气，焦油含量低于20mg/nm3的燃气排出炉外。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明环形燃烧器的主视示意图。

图4是本发明环形燃烧器的俯视示意图。

图5是本发明蓄热体的主视示意图。

图6是本发明蓄热体的俯视示意图。

图7是本发明的安装示意图。

图中：1、环形燃烧器，11、进风口，12、上出风管，13、下出风管，14、壳体，15、渐缩形空腔，2、扩散燃烧区，3、蓄热器，31、耐火砖，32、外蓄热层，33、内蓄热层，34、热解筒，10、裂解装置，100、气化炉，101、原料进口，102、出炭口，103、炉排，104、气化剂进口，105、燃气出口。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

本发明的生物质燃气焦油组分去除方法，主要用于热裂解法脱除焦油，通过环形燃烧器和蓄热体来形成炉内稳定的高温温度场，使焦油组分裂解去除，既可以避免炉外燃气洗涤带来的二次污染，又可以充分利用焦油组分的能量。

如图1所示，本发明的生物质燃气焦油组分去除方法，主要包括以下步骤：

步骤一，通过环形燃烧器1向气化炉100内均匀喷入流速基本相同的气化剂；

步骤二，气化剂与气化炉100内部分生物质燃气燃烧，通过扩散燃烧区2为蓄热体3提供热量形成稳定的高温温度场；

步骤三，生物质燃气中的焦油组分在稳定的高温温度场内发生热裂解，达到出炉粗燃气焦油含量低于20mg/nm3。

本发明中，炉内环形燃烧器1的燃料来自炉内较少部分焦油含量高的燃气，使用的气化剂可以是空气或富氧气体，根据喷入炉内的气化剂的量，会燃烧相应量的生物质燃气，使蓄热体3保持在高温状态并形成稳定的高温温度场，实践证明当温度场温度大于800℃时，燃气中的焦油开始大量地快速分解，但当温度场温度超过1200℃时，又会燃烧掉过多的燃气量，使燃气热值有所下降。且在此温度下，燃气停留0.5～2s即可裂解燃气中98%以上的焦油组分，形成焦油含量低于20mg/nm3的生物质燃气排出炉外。不同温度工况与停留时间对生物质燃气中焦油含量的影响见表1所示。

表1不同温度工况与停留时间对生物质燃气中焦油含量的影响

如图2至图7所示，本发明的生物质燃气焦油组分去除方法所使用的装置，包括环形燃烧器1和蓄热器3，该环形燃烧器1和蓄热器3均与气化炉100的炉体同轴，并且从低到高布置，即环形燃烧器1位于蓄热器3的下方。

环形燃烧器1与蓄热器3之间形成有扩散燃烧区2，扩散燃烧区2的设置有利于形成稳定的燃烧，可避免由于燃烧失控造成的不稳定问题。根据燃气在炉内的流动速度区间为0.1～0.4m/s，为保证燃气在燃烧区有足够的停留时间以将气化剂提供的氧燃烧干净，形成稳定的燃烧火焰，得到扩散燃烧区2的高度为400～600mm。具体地，扩散燃烧区2的高度是500mm，即环形燃烧器1顶部与蓄热器3底部高度方向间隔高度为500mm。

环形燃烧器1固定在气化炉内壁面，包括壳体14，该壳体14由耐高温钢板材料制成，壳体14上设有进风口11和出风管，进风口11连接有渐缩形空腔15。具体地，环形燃烧器1的高度是200mm左右，环形燃烧器1的顶端和底端分别均布有10～30个上出风管12和下出风管13。其中，顶端的上出风管12倾斜朝上，底端的下出风管13倾斜朝下，向上倾斜设置的上出风管属于正常燃烧状态供风，向上使部分燃气在扩散燃烧区内燃烧，倾斜使供风形成旋流燃烧更充分；向下倾斜设置的下出风管是为了不正常燃烧时或在初期点火用，燃烧器下方即是料层，向下的供风管可以引燃料层的物料形成明火，以使扩散燃烧区的气体引燃。具体地，在下出风管13和上出风管12均设有控制其打开和关闭的阀门。

环形燃烧器1的壳体14包括偏心设置的内壁和外壁，即环形燃烧器1由偏心设置的外圆和内圆构成，其中，外圆与气化炉体同轴，环形燃烧器1的截面可以是矩形的风管，或者设计成圆形或包含弧线段，本实施例中选用矩形，具有现场焊接安装方便的优点。具体设计时，环形燃烧器1的內圆和外圆的偏心距e与气化炉100的炉径d存在比例关系，具体参照表2：

表2基于炉径范围的偏心距选取表

工作时，环形燃烧器1进风口与炉外进风口相连接，气化剂由炉外通过环形燃烧器1的顶、底端的上、下出风管喷入炉内，环形燃烧器1内部的环形空间自近炉外进风口处至远炉外进风口处渐进缩小，即壳体14内部形成渐缩形空腔15，由于环形燃烧器1中渐缩形空间的存在，可对环形燃烧器1内气化剂的流速进行干扰和调整，以保证其顶、底端的各个出风管处的气化剂喷入炉内的流速基本相同，利于形成稳定的燃烧火焰。并且，将燃烧器设计成环形，并在环形燃烧器上均布有出风管，利于在炉内各处喷入均匀的气化剂，以在炉内空间快速形成分布均匀的气化剂与燃气混合物，利于形成稳定的温度场。

蓄热器3固定在气化炉内壁面，由蓄热性能良好的耐火砖31自下向上砌筑而成，砌筑时，同一水平面内相邻耐火砖31之间留有通过空隙，并且，该通过空隙在高度方向上交错布置，以增大燃气与蓄热器的接触面积，提高焦油裂解效果。蓄热器3的高度是800mm左右，工作温度大于800℃，通流面积依据燃气在蓄热器内停留时间为0.5～2s而确定。具体地，蓄热器3包括外蓄热层32和内蓄热层33，蓄热保温效果好。

工作时，将生物质原料从气化炉100的原料进口101加入，经过热解筒34向下落，并与从气化剂进口104加入的气化剂燃烧发生热解反应，热解完成后，从出炭口102排出炭，带有焦油的燃气向上先经过裂解装置将焦油去除，最后燃气从燃气出口105排出。在对焦油进行裂解时，气化剂喷入炉内后，可引射较少部分的气化炉内高焦油含量的燃气，在环形燃烧器1和蓄热器3之间的空间形成扩散燃烧区2，产生的烟气与炉内燃气混合后进入蓄热器3，在蓄热器3形成的高温温度场作用下，燃气中的98%以上的焦油组分得以去除，焦油组分裂解成为小分子不可凝可燃气，焦油含量低于20mg/nm³的燃气排出炉外。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。