一种高效生物质气化与能源利用系统及生物质气化与能源利用方法与流程

本发明涉及生物质处理高效气化系统和方法，以及生物质清洁能源利用系统和方法，具体说是一种生物质气化系统、一种能源利用系统、以及生物质气化方法与能源利用方法。

背景技术：

我国具有比较丰富的生物质资源优势，每年产生数量巨大的如园林修剪废物和农业秸秆等生物质材料是可以清洁高效利用的可再生能源。然而，由于目前技术和经济效益等因素的限制，生物质在我国不仅没有得到有效利用，而且造成当前城市和农村的环境污染，以及秸秆焚烧造成的大气污染。为有效解决我国严重的环境问题和提升能源供给水平，发展生物质清洁高效利用已成为国家能源和资源利用的重大发展方向。生物质气化是实现生物质清洁和高效利用的基础和必要手段。

直接焚烧是生物质利用的最简单方式，具有数千年的历史，也是现代生物质利用的一种最基本方式。然而，由于生物质的材质和物料特性及其变化范围广和热值低等特点，现有生物质焚烧系统具有设备简单、能源效率低、大气污染排放显著等问题，是属于被淘汰的生物质利用方式或技术。利用生物质气化是实现生物质可再生能源清洁高效利用和解决环境问题的有效方法和发展方向。现有生物质气化及其装置和技术在煤气化技术的基础上，已从最初的卢奇炉技术原理和基本装置结构发展出多种生物质气化技术和装置。一般以气化装置压力可分类为，常用气化和加压气化(中压气化、高压气化)；以气化温度可分类为，低温气化、中温气化、高温气化；以加热方式可分类为，内热式气化和外热式气化；以生物质材料在气化炉内的移动状态可分类为，固定床、流化床、气流床；以生物质气化采用的氧化剂可分类为，空气、富氧、纯氧；以气化装置燃气产出位置可分类为，一段式、二段式。由于生物质的材质密度低，现有生物质气化技术要求其经过粉碎以及与添加剂混合并压制成生物质颗粒等预处理后才能使用，因而生物质气化材料的预处理流程长、复杂、成本高。

现有生物质气化技术和装置往往是以上多种分类特点的组合，比如常压固定层间歇式生物质气化技术、常压固定层生物质富氧连续气化技术、鲁奇固定床生物质加压气化技术、流化床生物质气化技术、两段式生物质加压气化技术等。现有各种生物质气化工艺技术和系统各有其特点和优缺点，及适用范围。而且，现有各种生物质气化工艺技术和系统都只完成生物质气化生产，而不能直接利用所产出燃气产生可供不同应用的热能或二次能源，实现燃气的清洁高效利用。

现有生物质气化技术及特点

由于外热式生物质气化技术与本技术发明的内热式气化不同，其气化规模小和效率低，一般用于小规模的燃气和生物质炭生产，其技术特点不在此累述。现有内热式生物质气化技术的核心特征是其气化剂由氧化剂(空气、富氧、或纯氧)和水蒸汽构成，其中氧化剂与生物质材料在生物质气化空间内发生燃烧反应，产生生物质材料气化所需要的热能；通过控制氧化剂量使生物质材料内形成的燃烧层处于燃烧-半燃烧状态，生产维持生物质气化反应所需要的热能。为利于控制和维持生物质材料在气化过程中的燃烧-半燃烧状态，生物质材料需要经过粉碎并与添加剂混合，经专有机械设备压制和干燥制成高材质密度生物质颗粒的复杂预处理过程。现有生物质气化技术特征可以从生物质材料在生物质气化装置内的两种运动方式进行归纳，并综合对比生物质气化装置的功能和作用，特别是气化剂的构成与功能和作用。

1.固定床：

固定床生物质气化炉，其下部为炉排，用以支撑上面的固定生物质层。通常，生物质颗粒从气化炉顶部加入，而气化剂(氧或空气和水蒸汽)则从炉子的下部供入，形成气固间的逆向流动。气化剂进入生物质气化炉(生物质气化装置)，其中的氧与底部的生物质发生燃烧，产生生物质气化所需要的热能；通过控制气化剂进入生物质气化炉的量，在底部形成和维持一个燃烧-半燃烧层，实现其上方生物质层的持续生物质干馏和气化反应。这种生物质气化技术的特点是技术和炉体结构简单，可为常压或加压气化，但单位容积的生物质处理量小、效率低、污染严重、大型化困难。

2.流化床：

流化床以传动输送方式将生物质颗粒加入气化炉，在流化床分散板上供给生物质，气化剂(氧和水蒸汽)从分散板下送入，使生物质颗粒在悬浮状下与气化剂中的氧发生燃烧，产生生物质气化所需要的热能而实现生物质干馏和气化；通过控制气化剂进入生物质气化炉的量，控制和维持燃烧层的燃烧-半燃烧状态，产生气化所需要的热能，实现气化炉内生物质颗粒的持续干馏和气化反应。与固定床气化炉相比，流化床气化炉生物质处理量大、可大型化，可为常压或加压气化，但仍有效率低和污染严重问题。另外，该气化方式碳利用率低。

以上现有生物质气化技术及其工作原理的综合对比和分析可以归纳出，无论是现有常压还是加压生物质气化技术，都是通过将由空气、富氧、或氧气和水蒸汽构成的气化剂直接加入到生物质气化炉(生物质气化反应器)内，并利用气化剂中的氧与生物质气化炉内的一部分生物质材料进行燃烧，生产余下生物质材料进行裂解和气化所需要的温度和热量。通过控制进入生物质气化炉内氧化剂量，控制生物质材料燃烧层的燃烧-半燃烧状态，从而实现和完成生物质材料气化。

因此，现有生物质气化技术和生物质气化装置存在以下三个主要缺点：

1)气化剂中的氧与生物质气化炉内的部分生物质材料的燃烧生产局部高温；生物质气化炉内存在过高和过低的非均匀气化温度分布，导致气化与能源效率低和污染排放问题，特别是以空气为氧化剂的常压固定床生物质气化技术的能效和焦油污染排放问题；

2)生物质材料需要经过复杂的粉碎、添加剂混合、颗粒压制等复杂的材料预处理过程加工制成生物质颗粒，提高材料密度，从而提高和维持材料气化过程的可控性和系统效率，增加了设备系统投资和运行成本；

3)生物质气化炉的运行状态和气化效率是通过控制进入炉内的氧化剂量来实现，具体是通过生物质材料燃烧层的燃烧-半燃烧状态和气化温度的调节和控制。然而，由于生物质颗粒的材质和热值等特性，依然难以实现有效控制，导致生物质气化炉的气化效率和能源效率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种气化效率和能源效率高、污染排放小、有效实现生物质气化过程控制的生物质气化系统及生物质气化方法，有效解决现有生物质气化技术的效率、污染和气化控制等问题、简化材料预处理过程和气化设备系统、降低设备投资和运行成本。其对于生物质材料密度没有严格要求，生物质材料只需经过基本的破碎处理，无需制成生物质颗粒；在本发明中生物质气化系统及生物质气化方法的基础上，形成能源高效利用系统和能源利用方法，实现生物质清洁高效气化和高效能源利用，并可根据需要生产固体有机肥。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

利用一种生物质气化与能源利用系统和生物质气化与能源利用方法，以主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)为乏氧高温气化剂；气化剂发生装置(2)与生物质气化反应装置(1)相连，为其提供乏氧高温气化剂；加料与闭锁装置(3)与生物质气化反应装置(1)相连，为其提供气化生物质材料；燃气处理装置(4)与生物质气化反应装置(1)相连，对其产生的粗燃气进行处理；燃气处理装置(4)与气化剂发生装置(2)相连，为其提供洁净燃气；密闭出渣装置(5)与生物质气化反应装置(1)相连，将灰渣(或固体有机肥)排出；氧化剂输入设备(6)与气化剂发生装置(2)相连，为其提供空气、富氧气、或纯氧气。

在上述生物质气化与能源利用系统的基础上，气化剂发生装置(2)通过燃气与氧化剂(空气、富氧、或纯氧)的氧化反应，产生温度可有效控制和主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的乏氧高温气化剂。

在上述生物质气化与能源利用系统的基础上，通过调节和控制从气化剂发生装置(2)产生温度可根据气化工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂进入生物质气化反应装置(1)与生物质材料直接接触，实现生物质材料气化，产生并输出洁净燃气；整个系统工作在生物质气化状态，实现生物质的清洁和高效气化；系统输出洁净燃气。

在上述生物质气化与能源利用系统的基础上，通过调节和控制从气化剂发生装置(2)产生的一部分温度可根据气化和能源利用工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂进入生物质气化反应装置(1)，实现和维持生物质材料气化并产生燃气输出，并将其余部分乏氧高温气化剂作为热能向系统外输出；整个系统工作在生物质气化和能源利用状态，实现生物质的清洁和高效气化和灵活能源利用；系统输出洁净燃气和热能。

在上述生物质气化与能源利用系统的基础上，通过调节和控制从气化剂发生装置(2)将系统产生的全部燃气用于产生温度可根据气化和能源利用工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂，将一部分乏氧高温气化剂进入生物质气化反应装置(1)实现和维持生物质材料气化外，其余部分乏氧高温气化剂作为热能向系统外输出；整个系统工作在能源利用状态，实现生物质能源的清洁和高效利用；系统输出热能。

在上述生物质气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述生物质气化反应装置(1)，其使生物质材料与温度可根据气化和能源利用工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂进行有效和充分接触，实现生物质材料在乏氧高温气化剂作用下的高效生物质气化反应。

在上述生物质气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述生物质气化反应装置(1)为包括由生物质粉末、生物质碎块、生物质浆构成的生物质材料提供与温度可根据气化和能源利用工艺要求有效控制的乏氧高温气化剂进行有效和充分接触的空间结构和反应条件与时间，实现并完成高效生物质气化反应。

在上述生物质气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述燃气处理装置(4)，将生物质气化反应装置(1)生产的粗燃气进行净化处理和热量回收处理，输出洁净燃气。

在上述生物质气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述气化剂发生装置(2)，其为利用生物质气化系统生产的洁净燃气或外部能源产生温度可有效控制的高温乏氧烟气作为乏氧高温气化剂的燃烧器。

在上述生物质气化与能源利用系统和技术方案基础上，所述加料与闭锁装置(3)，有效实现包括用生物质粉末、生物质碎块、生物质浆构成的生物质材料在与空气隔绝条件下进入生物质气化反应装置(1)。

在上述生物质气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述密闭出渣装置(6)，有效实现生物质材料气化后产生的灰渣(或固体有机肥)在与空气隔绝的条件下排出生物质气化反应装置(1)。

在上述生物质气化与能源利用系统和技术方案的基础上，所述氧化剂输入设备(6)为气化剂发生装置(2)提供产生乏氧高温气化剂所需要的空气、富氧气、或纯氧气。

采用上述的生物质气化与能源利用系统的生物质气化与能源利用工艺方法，其特征在于，生物质气化与能源利用过程如下：

步骤1，在系统利用外部能源完成启动工艺过程并进入平稳运行后，将气化剂发生装置(2)产生达到预计温度的乏氧高温气化剂加入生物质气化反应装置(1)，并与通过加料与闭锁装置(3)而加入的相应和适量生物质材料进行直接接触和混合，使生物质材料和乏氧高温气化剂发生生物质气化反应，实现生物质材料气化并产生粗燃气；

步骤2，系统开始产生的粗燃气经燃气处理装置(4)净化处理，产生作为气化剂发生装置(2)的输入洁净燃气。系统随着洁净燃气量的逐渐增大，而逐渐减少并最终停止外部能源，实现系统利用自产洁净燃气而维持的稳定运行；

步骤3，在系统利用自产洁净燃气进入稳定运行后，可以根据系统的应用要求和设计而运行在三种不同的工作状态而实现四种不同的系统功能：

3.1.生物质气化功能：

通过调节和控制从气化剂发生装置(2)产生温度可有效控制的乏氧高温气化剂进入生物质气化反应装置(1)与生物质材料直接接触，实现生物质材料气化，产生并输出洁净燃气；整个系统工作在生物质气化状态，实现生物质的清洁和高效气化；系统输出洁净燃气。

3.2.生物质气化与能源利用功能：

通过调节和控制从气化剂发生装置(2)产生的一部分温度可有效控制的乏氧高温气化剂进入生物质气化反应装置(1)，实现和维持生物质材料气化并产生燃气输出，并将其余全部乏氧高温气化剂作为热能向系统外输出；整个系统工作在生物质气化和能源利用状态，实现生物质的清洁和高效气化和灵活能源利用；系统输出洁净燃气和热能。

3.3.能源利用功能：

通过调节和控制从气化剂发生装置(2)将系统产生的全部燃气用于产生温度可有效控制的乏氧高温气化剂，将一部分乏氧高温气化剂进入生物质气化反应装置(1)实现和维持生物质材料气化外，其余部分乏氧高温气化剂作为热能向系统外输出；整个系统工作在能源利用状态，实现生物质能源的清洁和高效利用，直接输出清洁高温热能，或二次能源；系统输出热能。

3.4.固体有机肥生产功能：

在生物质气化与能源利用系统完成上述三种运行状态之一的运行状态下，根据生物质材料成分和气化产品需要，通过控制气化过程参数对生物质灰渣含碳量等成分的控制，同时实现生物质碳或固体有机肥的生产；扩大生物质材料利用途径和项目产品种类与利润来源，实现固体有机肥还田和生物质充分利用。

步骤4，生物质气化与能源利用系统在上述三种运行状态之一的运行状态下，进行实现相应功能所要求的生物质材料加料、气化、出渣等系统运行工艺过程，和维持系统的连续与稳定运行。

本发明所述的生物质气化与能源利用系统，利用高效清洁的气体燃料燃烧技术和燃烧器系统作为产生乏氧高温气化剂发生装置，利用气体燃料的高效清洁燃烧所产生温度可有效控制的高温乏氧烟气作为生物质材料的乏氧高温气化剂，提高了生物质气化所需气体燃料的燃烧效率和生物质气化率，有效控制和优化生物质气化条件和过程，并最大限度地降低氮氧化物、硫氧化物、生物质焦油等污染物的产生和排放。

本发明所述的生物质气化与能源利用系统，简化了现有生物质气化复杂的设备结构和工作原理，在提高系统能源效率的同时大大提高了气化效率和简化了生物质气化系统，并大幅度降低了生物质气化炉设备系统的设计和建造成本。特别重要的是，在保持生物质气化炉的核心功能实现生物质高效气化的同时，本发明的系统和方法可以直接和灵活地实现能源的清洁和高效利用，为生物质能源清洁利用和固体有机肥成分还田提供多种清洁和高效的回收和利用方式。

附图说明

本发明有如下附图：

图1生物质气化与能源利用系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明包括生物质气化和能源利用系统及生物质气化与能源利用工艺方法两个部分。

本发明所述的生物质气化和能源利用系统，其系统结构如图1所示(本发明所述的生物质气化和能源利用系统图中未显示且不再详述已为该领域专有工程技术人员所熟悉的采用现有技术实施的其它相关辅助单元、结构、设备、工艺技术和流程。)，可以满足多种应用、功能、成本等需求，并有多种具体实施方式，其中包括：

实施方式1：

生物质气化反应装置(1)，所述生物质气化反应装置设有包括与现有固定床常压(或加压)生物质气化炉基本相同或相似的炉体结构和功能，以现有固定床气化炉要求的生物质粉末或生物质碎块为生物质材料，并以现有固定床气化炉的工作方式运行；但采用气化剂发生装置(2)产生的温度可根据气化工艺要求有效控制的高温乏氧尾气作为气化剂。在压力差的作用下，乏氧高温气化剂从气化剂发生装置(2)进入生物质气化反应装置(1)，并与生物质材料直接和充分接触而产生气化反应，实现生物质材料的清洁和高效气化。

生物质气化反应装置(1)生产的粗燃气经燃气处理装置(4)进行净化处理和热量回收处理，生产可以燃烧利用或输出的洁净燃气。

气化剂发生装置(2)通过洁净燃气与氧化剂(空气、富氧、或纯氧)的氧化反应，产生温度可有效控制和主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的乏氧高温气化剂。

加料与闭锁装置(3)有效实现将适量的生物质材料在与外部空气隔绝的条件下以间歇或连续方式进入生物质气化反应装置(1)，与气化剂发生装置(2)产生的相应乏氧高温气化剂直接接触并发生气化反应。

生物质材料气化后产生的灰渣(或固体有机肥)经密闭出渣装置(6)，在与空气隔绝的条件下有效排出生物质气化反应装置(1)。

根据生物质气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，氧化剂输入设备(6)为气化剂发生装置(2)提供产生乏氧高温气化剂所需要的空气、富氧气、或纯氧气。

根据生物质气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，所述系统可以连续运行和实现生物质气化、生物质气化和能源利用、及能源利用三种功能之一。

以上述生物质气化和能源利用系统中采用现有技术设备装置和技术实施方法，生物质气化和燃烧技术领域的专业工程技术人员可以有效实施，具体方法在此不再详述。

实施方式2：

生物质气化反应装置(1)，所述生物质气化反应装置设有包括与现有流化床常压(或加压)生物质气化炉基本相同或相似的炉体结构和功能，以现有流化床气化炉要求的生物质粉末或生物质块为生物质材料，并以现有流化床气化炉的设备运行方式实现生物质材料在生物质气化反应装置(1)内的流化运动；但采用气化剂发生装置(2)产生的温度可有效控制的高温乏氧尾气作为气化剂。在压力差的作用下，乏氧高温气化剂从气化剂发生装置(2)进入生物质气化反应装置(1)，与生物质材料直接和充分接触而产生气化反应，实现生物质材料的高效气化。

生物质气化反应装置(1)生产的粗燃气经燃气处理装置(4)进行净化处理和热量回收处理，生产可以燃烧利用或输出的洁净燃气。

气化剂发生装置(2)通过洁净燃气与氧化剂(空气、富氧、或纯氧)的氧化反应，产生温度可有效控制和主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的乏氧高温气化剂。

加料与闭锁装置(3)有效实现将适量的生物质材料在与外部空气隔绝的条件下以间歇或连续方式进入具有流化床的生物质气化反应装置(1)，与气化剂发生装置(2)产生的相应乏氧高温气化剂直接接触并发生气化反应。

生物质材料气化后产生的灰渣(或固体有机肥)经密闭出渣装置(6)，在与空气隔绝的条件下有效排出生物质气化反应装置(1)。

根据生物质气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，氧化剂输入设备(6)为气化剂发生装置(2)提供产生乏氧高温气化剂所需要的空气、富氧气、或纯氧气。

根据生物质气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，所述系统可以连续运行和实现生物质气化、生物质气化和能源利用、及能源利用三种功能之一。

以上述生物质气化和能源利用系统中采用现有技术设备装置和技术实施方法，生物质气化和燃烧技术领域的专业工程技术人员可以有效实施，具体方法在此不再详述。

实施方式3：

生物质气化反应装置(1)，所述生物质气化反应装置设有包括与现有气流床加压生物质气化炉基本相同或相似的炉体结构和功能，以现有气流床气化炉要求的生物质粉末或生物质浆为生物质材料，并以现有气流床气加压生物质气化炉的方式实现将生物质粉末或生物质浆喷入生物质气化反应装置(1)内；但采用气化剂发生装置(2)产生的温度可气化工艺要求有效控制的高温乏氧尾气作为气化剂。在压力差的作用下，乏氧高温气化剂从气化剂发生装置(2)进入生物质气化反应装置(1)，与生物质材料直接和充分接触而产生气化反应，实现生物质材料的高效气化。

生物质气化反应装置(1)生产的粗燃气经燃气处理装置(4)进行净化处理和热量回收处理，生产可以燃烧利用或输出的洁净燃气。

气化剂发生装置(2)通过洁净燃气与氧化剂(空气、富氧、或纯氧)的氧化反应，产生温度可有效控制和主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的乏氧高温气化剂。

加料与闭锁装置(3)有效实现将适量的生物质材料在与外部空气隔绝的条件下以间歇或连续方式进入生物质气化反应装置(1)，与气化剂发生装置(2)产生的相应乏氧高温气化剂直接接触并发生气化反应。

生物质材料气化后产生的灰渣(或固体有机肥)经密闭出渣装置(6)，在与空气隔绝的条件下有效排出生物质气化反应装置(1)。

根据生物质气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，氧化剂输入设备(6)为气化剂发生装置(2)提供产生乏氧高温气化剂所需要的空气、富氧气、或纯氧气。

根据生物质气化与能源利用系统的具体应用和工艺要求，所述系统可以连续运行和实现生物质气化、生物质气化和能源利用、及能源利用三种功能之一的同时，还可以根据生物质材料成分生产固体有机肥，实现生物质充分利用。

以上述生物质气化和能源利用系统中采用现有生物质气化技术设备装置和技术实施方法，生物质气化技术领域的专业工程技术人员可以有效实施，具体方法在此不再详述。

另外，以上述生物质气化和能源利用系统与生物质气化和能源利用方法中的乏氧高温气化剂发生装置和方法是涉及燃烧技术领域利用气体燃料产生高温乏氧烟气的现有技术和设备，该领域的专业工程技术人员可以有效实施，本发明不再详述。

本发明具有以下优点：

1)本发明采用高温气化剂实现生物质气化的技术和方法，气化剂的主要组分为二氧化碳、水(水蒸汽)、和氮气(取决于氧化剂中氮气比例)的高温乏氧尾气作为气化剂，实现清洁和高效生物质气化；

2)由于本发明采用了利用气体燃料燃烧生产温度可以根据生物质气化应用和工艺需要进行有效控制的高温乏氧烟气作为生物质气化所需的乏氧高温气化剂，其显著提高生物质气化效率和能源效率，有效提高生物质气化温度和有效降低污染物和生物质焦油的产生和排放，和显著减少生物质气化用水量；

3)本发明通过有效控制乏氧高温气化剂的温度和剂量，实现对生物质气化状态和过程的有效控制；彻底解决现有生物质气化炉普遍存在的生物质气化状态和过程的有效控制问题；

4)本发明通过有效控制乏氧高温气化剂的组分，实现对燃气组分和热值等燃气品质参数的有效控制，满足不同应用行业和领域对燃气品质的要求；

5)本发明通过有效控制乏氧高温气化剂的温度以及气化剂量和分布，在气化反应装置内建立更大和更为均匀的温度分布和生物质气化反应空间，提高气化效率并有效解决现有生物质气化炉普遍存在的局部高温问题，延长气化设备寿命和保障安全产生运行；

6)本发明具有清洁高效生物质气化核心功能，其即可以作为生物质气化系统，生产和输出清洁燃气；又可以根据需要，同时生产和输出清洁燃气和热能，或全部输出热能。这些实现灵活的高效能源利用的功能和形式，可以满足不同行业和领域高效利用生物质作为低成本清洁能源的需求；

7)根据技术应用需要和生物质材料成分，通过有效控制生物质气化灰分成分和灰分量，实现固体有机肥生产，形成生物质循环利用。

8)现有生物质气化炉通过相应功能和结构的技术改造，可以作为本发明生物质气化和能源利用系统的生物质气化装置，解决现有气化设备系统气化效率和污染排放问题，有效利用现有设备和降低技术应用成本。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。