一种生物质流化床气化设备的制作方法

本实用新型属于生物质气化领域，更具体地说，涉及一种生物质流化床气化设备。

背景技术：

作为继煤炭、石油、天然气之后的第四大能源，生物质的开发和利用受到了广泛关注。我国具有丰富的农林生物质资源，除了畜牧饲料、还田肥料及直接燃用秸秆作为农民的炊事燃料以外，还有许多以生物质为原料的各类生产企业,比如大量的木材加工厂、造纸厂、中药厂、蔗糖厂、酿酒厂等。这些企业在生产过程中产生数以千万吨计的生物质废弃物，如木屑、木块边角料、造纸废渣、中药渣、酒糟、蔗渣等。传统的生物质能源利用方式是直接燃烧来获取低品位的热能，其利用效率低，环境污染严重。因此，人们开发出生物质气化技术，其可以有效开发利用生物质能源，将可再生的生物质能源转化为洁净的高品位燃料，对环境污染小，能量转换效率与直接燃烧相比有很大提高。

生物质气化是一种将固体生物质转化成燃气的技术，是实现其清洁高效转化重要方法。生物质气化技术根据气化炉的不同主要分为固定床气化技术和流化床气化技术。常用的固定床气化装置具有结构简单、操作便利、运行方便灵活等优点，但普遍存在机械化、自动化程度较低，处理量小、碳转化效率低、生产的燃气含有大量焦油等缺点，严重影响了气化技术的进一步发展和清洁使用。流化床气化技术与固定床气化技术相比有以下优点：传热传质均匀，机械化、自动化程度高等。但同时由于流化床床层温度相对较低，焦油裂解受到抑制，工作时产出的气中焦油含量较高。此外，流化床内气流速度大，使得颗粒细小的生物质未完全燃烧就被气体带出，造成飞灰中含碳量增加，降低了碳的转化率。

上述两种气化技术各有优缺点，但从工业化、大型化处理生物质的可行性来看，流化床气化技术更加具有竞争力。然而，传统的流化床的各种缺点大大限制了它的发展。因此，市面上出现了一些新型流化床气化装置。

如中国专利申请号为CN201711167280.5，公开日为：2018年2月27日的专利文献，公开了一种生物质循环流化床气化装置，包括流化床气化炉本体、与流化床气化炉本体底端连接的空气供给机构、设置在流化床气化炉本体侧边上的给料机构、以及与流化床气化炉本体形成循环流化结构的一级分离装置和返料器，所述流化床气化炉本体、一级分离装置与返料器依次相互连接，所述返料器分别连接返料风机和蒸汽供给机构。该方案提供的气化装置采用了蒸汽返料的方式，虽然可以在一定程度上解决返料时的结渣情况，提高燃料的回收利用率，但是该装置工作时生物质燃料在气化室的停留时间较短，且装置内的热利用率不高，导致其残留碳的转化效率不高，整体装置的气化效率较低。

又如，中国专利申请号为CN201110173927.1，公开日为：2011年11月30日的专利文献，公开了一种内循环外热式气化装置，包括中心气化室、环形加热室、外围气化室和残留碳回流室等，生物质微米燃料进入环形加热室高效燃烧，为中心气化室、外围气化室和残留碳回流室提供所需的热量。裂解气化原料在中心气化室自下而上运动的过程中吸收热量而裂解气化，初生的裂解产物随后进入外围气化室进一步气化；残留碳经残留碳回流室回流，进入中心气化室与水蒸气进行水煤气反应，从而得到CO和H2等含量占80％左右的中热值燃气。该气化装置使用外加热方式气化，可以在该装置工作时提供较为充足的热量，通过高温提高气化的效率。但是，其通过额外的热源来对气化室进行加热，气化室中的燃料在发生反应时也会产生比较大的热量，对加热室和气化室之间的内壁造成一定的负担。且其工作时需要不停地向燃烧室添加燃料，增加了装置的工序，提高了工作成本。另外，该装置的中心气化室和外围气化室之间只通过上方连通，经中心气化室反应过的气体和细小残留碳颗粒流通至外围气化室进一步反应，但是中心气化室中反应产生的一些较大的颗粒残渣，容易堆积在中心气化室的底部，对其气化工作造成不利影响，尤其是生物质燃料在气化过程中会产生一些含半焦的固体颗粒，如果通过该装置进行生物质气化反应，含半焦的固体颗粒会反应不完全并对后续加料和气化造成极大影响，导致装置的气化效率降低。且中心气化室与外围气化室之间通过环形加热室隔开，燃料气化反应时产生的高温不能在彼此之间传递，对于热量的利用较差，装置的热利用率不高。

技术实现要素：

1、要解决的问题

针对现有技术中的生物质气化装置热利用率不高，气化效率低的问题，本实用新型提供一种生物质流化床气化设备，通过将气化炉分为内反应炉和外反应炉，增加了生物质原料在炉内的停留时间，气化效率高，且工作时各个部分之间的换热效果好，整体设备的热利用率高。

本实用新型还提供了一种生物质流化床气化方法，采用上述生物质流化床气化设备，通过内外炉两段式气化反应能够生成焦油含量极低的燃气，其对于设备工作时产生的热量的利用率较高，使得生物质原料的反应更加充分，提高生物质原料的气化效率。

2、技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种生物质流化床气化设备，包括外反应炉和顶部开口的内反应炉，所述内反应炉设置于外反应炉的内腔中，所述外反应炉内壁与内反应炉外壁之间装有倾斜的外炉布风板，内反应炉内装有水平的内炉布风板；所述外炉布风板上方的外反应炉侧壁上设有第一进料口，其下方的外反应炉侧壁上设有外炉气化剂进口；所述内炉布风板上方的内反应炉侧壁上设有第二进料口，其下方的内反应炉侧壁上设有内炉气化剂进口；所述内反应炉上端的外边缘与外反应炉内壁之间形成环形溢流口。

进一步的技术方案，所述外炉布风板相对于水平面的倾角为20°﹣50°；所述内炉布风板上设有排渣口，排渣口接有排渣管。

进一步的技术方案，所述内反应炉具有从上至下逐渐收缩的开口段。

进一步的技术方案，还包括加料装置；所述加料装置的出料口通过管道与外反应炉的第一进料口连通。

进一步的技术方案，还包括加热器；所述加热器用于对连接所述加料装置和外反应炉的管道内的生物质原料进行预热。

进一步的技术方案，还包括旋风分离器；所述旋风分离器的进气口通过导气管连通外反应炉顶部的燃气出口，其出气口连接下游储存设备，其料出口通过返料管连通外反应炉炉壁上的返料口；所述返料口位于外炉布风板的上方。

一种生物质流化床气化方法，包括以下步骤：

加料：通过第一进料口向外反应炉中添加生物质原料；

第一段反应：向外反应炉中添加低温气化剂，低温气化剂与生物质原料在反应区域I中发生初步反应，生成含有热解气、焦油或水蒸汽的气体产物和含半焦的固体产物，残余生物质原料和生成的固体产物进入内反应炉内部的反应区域II，生成的气体产物进入内反应炉上方的反应区域III；

第二段反应：向内反应炉中添加高温气化剂，第一段反应中生成的固体产物、气体产物以及残余的生物质原料与高温气化剂发生反应，生成燃气。

进一步的气化方法，在第二段反应后还包括如下步骤：

分离：经过第二段反应生成的燃气通入旋风分离器，旋风分离器将燃气中夹杂的固体颗粒分离，分离后的燃气输送至下游储存设备；

返料：分离后的固体颗粒返回至外反应炉内继续反应。

进一步的气化方法，所述的低温气化剂为被预热到300-500℃的纯氧、富氧空气、空气或二氧化碳中的任意一种或多种的混合气；所述的高温气化剂为被预热到600℃以上的纯氧、富氧空气、空气或二氧化碳中的任意一种或多种的混合气。

进一步的气化方法，所述生物质原料为木屑、纸渣、中药渣、蔗渣或酒糟中的任意一种或多种的组合；所述生物质原料为颗粒状，其粒径小于10mm。

3、有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的一种生物质流化床气化设备，气化炉分为内反应炉和外反应炉，通过这种两段式的气化炉结构，增加了生物质原料在气化炉中的停留时间，使得原料的反应更加充分，设备的气化效率更高。此外，通过这种内部循环的方式，使得内外反应炉之间的传热效果较好，内反应炉反应时的热量可以传递给外反应炉中的生物质原料并对其进行预热，极大地降低了反应过程中的热量损失，相比较常规的气化炉，本实用新型的能量利用率能够提高20％-50％。

(2)本实用新型的一种生物质流化床气化设备，外炉布风板相对于水平面设置有20°-50°的倾角，生物质原料在外炉布风板上反应后，生成的含半焦固体能够通过倾斜面更加顺畅地排放入内反应炉中，提高气化炉的反应效率。

(3)本实用新型的一种生物质流化床气化设备，内反应炉具有从上至下逐渐收缩的锥状开口段，使得内反应炉中生成的燃气可以较为流畅地流通至燃气出口处，且内反应炉中的温度集中在内炉布风板处，一方面使得内炉布风板上的物料反应更加充分，另一方面也提高了内外反应炉之间的换热效果。

(4)本实用新型的一种生物质流化床气化设备，当生物质原料在气化炉中反应速率达不到实际需求时，能够开启加热器对生物质原料进行预热，使得生物质原料在气化炉中的反应速率得到提高，反应也更加充分。

(5)本实用新型的一种生物质流化床气化设备，内反应炉气化反应生成的燃气经导气管输送至旋风分离器后，在旋风分离器的作用下将纯净的燃气和燃气中夹杂的固体颗粒分离出来，分离出的纯净的燃气输送至下游储存设备，分离出的固体颗粒经返料管返回至外反应炉内。因为分离的固体颗粒本身带有较高的温度，所以其进入外反应炉后与生物质原料混杂在一起，可以对外反应炉中的生物质原料进行预热，提高生物质原料的反应速率；而且分离出的固体颗粒中含有未反应完全的半焦，其可以在外反应炉内进行再次反应，提高设备的气化效率。

(6)本实用新型的一种生物质流化床气化方法，采用本实用新型中的气化设备，结合设备的具体结构，通过内外炉两段式气化反应能够生成焦油含量低于5mg/Nm³的燃气，能够较为充分地利用设备工作时产生的热量，使得生物质原料的反应更加充分，提高设备的气化效率。

(7)本实用新型的一种生物质流化床气化方法，被预热到300-500℃的低温气化剂通过外炉气化剂进口进入外反应炉中，与生物质原料发生初步反应，在这种温度范围的气化剂作用下，可以生成含有热解气、焦油或水蒸汽的气体产物和含半焦的固体产物。被预热到600℃以上的高温气化剂通过内炉气化剂进口进入内反应炉中，与第一段反应中生成的焦油、半焦发生反应并生成燃气，焦油会在高温、自身氧化和半焦催化重整的作用下完全分解，使得最后生成的燃气中焦油含量极低，且第二段反应中生成的高温热量还可以传递到外反应炉并对其中的物料进行加热。通过在两段反应中添加不同温度的气化剂，使得生物质原料能够更加充分地转换为所需的燃气，生成的燃气焦油含量极低，内外反应炉之间的热量可以循环利用，能量利用率高。如果直接采用高温对生物质原料进行反应，则最终生成的燃气中含有较多的焦油，影响燃气质量。

(8)本实用新型的一种生物质流化床气化方法，采用木屑、纸渣、中药渣、蔗渣或酒糟中的任意一种或多种生物质废弃物作为反应用的生物质原料，起到对废弃资源回收利用的效果，节约资源，成本较低。

(9)本实用新型的一种生物质流化床气化方法，生物质原料加工成粒径在10mm以下的颗粒状，比表面积较大，可以与气化剂接触更加充分，使得其在气化炉中的反应速度快，气化效率高。

附图说明

图1为本实用新型生物质气化系统具体实施例的结构示意图。

图中：1、加料装置；2、外反应炉；21、第一进料口；22、外炉布风板；23、外炉气化剂进口；24、返料口；25、环形溢流口；26、燃气出口；3、内反应炉；31、内炉布风板；32、第二进料口；33、内炉气化剂进口；34、排渣口；4、旋风分离器；5、返料管；6、反应区域I；7、反应区域II；8、反应区域III。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种生物质流化床气化设备，包括加料装置1、外反应炉2和内反应炉3。

其中，外反应炉2和内反应炉3均为圆筒结构，内反应炉3设置于外反应炉2的内腔中且顶部开口。内外反应炉之间装有倾斜的外炉布风板22，在外炉布风板22上方的外反应炉2侧壁上设有第一进料口21，第一进料口21通过管道连通加料装置1的出料口，外炉布风板22下方的外反应炉2侧壁上设有外炉气化剂进口23，外反应炉2顶部设有燃气出口26；内反应炉3中装有水平的内炉布风板31，内炉布风板31上设有排渣口34，排渣口34接有排渣管，在内炉布风板31上方的内反应炉3侧壁上设有连通内外反应炉的第二进料口32，内炉布风板31下方的内反应炉3侧壁上设有内炉气化剂进口33。此外，内反应炉3上端的外边缘与外反应炉2内壁之间形成环形溢流口25。

本实施例中，外炉布风板22相对于水平面的倾斜角为20°，通过这种倾斜面的结构，使得外炉布风板22上反应后的固体物质可以更加顺畅地落入内反应炉3中继续反应，提高反应效率；加料装置1主要用于将生物质原料输送到外反应炉2中进行反应，目前市面上常见的加料装置均可以达到这种作用，如螺旋给料机、振动给料机、皮带式给料机等，本实施例中采用螺旋给料机，给料定量连续。

常规的生物质流化床气化设备中，生物质原料直接一次性反应生成燃气，生物质原料在炉内的停留时间短，无法充分反应，排出的废渣中仍含有可以继续反应的残碳，浪费资源，且设备工作过程中会产生较大的热量损失。而本实施例的生物质流化床气化设备，生物质原料经过内外反应炉两段反应，延长了生物质原料的反应时间，使得其反应较为充分，且本设备内外炉之间通过环形溢流口25和第二进料口32相互连通，使得内外反应炉之间的热传递效率较高，气化反应中的中间物质在内外反应炉之间的热量损失较低，极大地减少了设备工作过程中的热量损失，能量利用率高。

值得一提的是，本设备中内外反应炉之间直接接触，内反应炉3气化反应时的热量可以传递至外反应炉2中，并对其中的生物质原料进行预热，提高生物质原料在外反应炉2中的反应速率，相比较常规气化炉，本设备的热利用率得到了很大的提高。更为优化的，本实施例的内反应炉3具有从上至下逐渐收缩的锥状开口段，使得内反应炉3中生成的燃气可以较为流畅地流通至燃气出口26处，且内反应炉3中的温度集中在内炉布风板31处，一方面使得内炉布风板31上的物料反应更加充分，另一方面也提高了内外反应炉之间的换热效果，进一步加强设备的能量利用率。

本实施例的一种生物质流化床气化方法，采用上述生物质流化床气化设备，其步骤如下：

加料：螺旋给料机通过管道持续稳定地向外反应炉2中输送生物质原料，生物质原料通过第一进料口21进入外反应炉2中后落到外炉布风板22上。本步骤中生物质原料采用粒径小于10mm的颗粒状的木屑、纸渣、中药渣的组合物，这种粒径较小的生物质原料，其比表面积较大，在反应过程中与气化剂的接触更加充分，使得其在气化炉中的反应速度高，气化效率高。

第一段反应：预热过的低温气化剂通过外炉气化剂进口23进入外反应炉2的下方，并穿过外炉布风板22流入反应区域I 6与生物质原料发生初步反应，生成含有热解气、焦油或水蒸汽的气体产物和含半焦的固体产物，气体产物通过环形溢流口25进入反应区域III 8中，固体产物通过第二进料口32落入内炉布风板32上。本步骤中低温气化剂为60％空气、40％二氧化碳的混合气，其温度为300℃，这种低温气化剂可以使得第一段反应处在缺氧和相对较低的温度环境下，这种缺氧环境下的生物质原料可以发生较多的热解反应，生成半焦固体和为第二段反应提供足够的水蒸气。

第二段反应：预热过的高温气化剂通过内炉气化剂进口33进入内反应炉3的下方，并穿过内炉布风板31流入反应区域II 7和反应区域III 8，与第一段反应生成的气体产物、固体产物以及残余的生物质原料发生进一步反应，生成燃气和充分反应后的废渣，燃气通过燃气出口26进入炉外的下游装置，废渣则经排渣口34落入排渣管中排出炉外。本步骤中高温气化剂为30％纯氧、20％富氧空气、50％空气的混合气，其温度为700℃，这种高温气化剂可以使得第二段反应中的半焦发生充分的氧化还原反应并生成可燃气，焦油则在高温、自身氧化和半焦催化重整的作用下完全分解。因为纯氧或者富氧空气的成本过高，所以本步骤中的气化剂采用纯氧、富氧空气和空气混合的方式，其配比是在保证氧气含量充足的情况下最大程度上节约生产成本的组合。本步骤中最终生成的燃气中CO、H2、CH4等可燃性气体的含量为95％以上，焦油含量低于5mg/Nm³。

综上所述，本实施例的气化方法结合了本实施例的气化设备，将传统的气化方式改进为两段式内循环气化方式，极大地提升了生物质原料的气化效率，能够生成焦油含量低、热值高的燃气，在工业生产和日常生活中都能起到极大的作用。

实施例2

因为流化床气化设备反应时的气体流速较大，所以实施例1中的气化炉生成燃气后，一些未反应完全的固体颗粒容易夹杂在燃气中从燃气出口26排出，一方面降低了燃气的纯净度，另一方面也是一种对生物质资源的浪费。

本实施例与实施例1的生物质流化床气化设备的结构基本相同，所不同的是，如图1所示，本实施例还包括旋风分离器4，且外炉布风板22上方的外反应炉2侧壁上设有返料口24。旋风分离器4的进气口通过导气管连通燃气出口26，其出气口连接下游储存设备，其料出口通过返料管5连通返料口24。本实施例中外炉布风板22相对于水平面的倾角为50°。

本实施例的一种生物质流化床气化方法，采用上述生物质流化床气化设备，其步骤如下：

加料：螺旋给料机通过管道持续稳定地向外反应炉2中输送生物质原料，生物质原料通过第一进料口21进入外反应炉2中后落到外炉布风板22上。本步骤中生物质原料采用粒径小于10mm的颗粒状的木屑、蔗渣、酒糟的组合物。

第一段反应：预热过的低温气化剂通过外炉气化剂进口23进入外反应炉2的下方，并穿过外炉布风板22流入反应区域I 6与生物质原料发生初步反应，生成含有热解气、焦油或水蒸汽的气体产物和含半焦的固体产物，气体产物通过环形溢流口25进入反应区域III 8中，固体产物通过第二进料口32落入内炉布风板32上。本步骤中低温气化剂为20％富氧空气、50％空气、30％二氧化碳的混合气，其温度为500℃。这种配比和温度的气化剂可以使得第一段反应中的生物质原料发生更多的氧化还原反应，从而在第一段中便生成部分燃气，但其燃气中夹杂的焦油较多，且生成的半焦含量相对较少，影响第二段反应后的燃气质量。

第二段反应：预热过的高温气化剂通过内炉气化剂进口33进入内反应炉3的下方，并穿过内炉布风板31流入反应区域II 7和反应区域III 8，与第一段反应生成的气体产物、固体产物以及残余的生物质原料发生进一步反应，生成燃气和充分反应后的废渣，燃气通过燃气出口26进入炉外的下游装置，废渣则经排渣口34落入排渣管中排出炉外。本步骤中高温气化剂为20％纯氧、40％富氧空气、40％空气的混合物，其温度为800℃。本步骤中最终生成的燃气中CO、H2、CH4等可燃性气体的含量为93％以上，焦油含量低于7mg/Nm³。

分离：经过第二段反应生成的燃气经燃气出口26通过导气管通至旋风分离器4，旋风分离器4将燃气中夹杂的固体颗粒分离，分离后的燃气输送至下游储存设备。

返料：分离后的固体颗粒返回至外反应炉内继续反应。

相比较实施例1，通过这种方法可以去除掉燃气中夹杂的固体颗粒，得到较为纯净的燃气，且因为分离出的固体颗粒中含有未反应完全的半焦，半焦可以在外反应炉2内进行再次反应，提高设备的气化效率。另外，因为分离的固体颗粒本身带有较高的温度，所以其进入外反应炉2后与生物质原料混杂在一起，可以对外反应炉2中的生物质原料进行预热，提高生物质原料的反应速率，进一步提高了整体设备的热利用率。

实施例3

与实施例2基本相同，所不同的是，本实施例还包括用于对连接加料装置1和外反应炉2的管道内的生物质原料进行预热的加热器，目前市面上的电加热器、水加热器等均可以用在本实施例中对生物质原料进行加热。本实施例中采用水循环加热器，在连接加料装置1和外反应炉2的管道外圈装有一层隔层，隔层内环绕管道装有多根加热水管，水管的水进口连接加热器的出水口，其水出口连接加热的进水口，高温液体在水管中流通并对生物质原料进行加热，加热后的高温液体流回至加热器中升温后继续使用。本实施例的外炉布风板22相对于水平面的倾角为35°。

实施例2中的生物质流化床气化设备反应时的热量比较依靠于预热的气化剂本身含有的热量，所以当设备工作时，如果气化剂的温度没有达到要求或者气化剂的量不够时，生物质原料在气化炉中的反应速率会达不到实际需求。而本实施例装有用于对生物质原料进行预热的加热器，当生物质原料在气化炉中的反应速率不够时，可以开启加热器对生物质原料进行预热，从而提高生物质原料的反应速度，保证设备的气化效率。

本实用新型所述实例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的保护范围。