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CN106402911B - 一种基于循环流化床的双回路气化燃烧系统及方法与应用 - Google Patents

一种基于循环流化床的双回路气化燃烧系统及方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于循环流化床的双回路气化燃烧系统及方法与应用，包括气化炉、一级分离器、换热器、二级分离器、锅炉和灰仓，其中，一级分离器的进口与气化炉的出口连通，一级分离器的气体出口与换热器的热介质进口连通，换热器的热介质出口与二级分离器的进口连通，经过一级分离后的气体在换热器中换热冷却；二级分离器的气体出口与所述锅炉连通；一级分离器的固体出口与第一返料阀的进口连通，第一返料阀的一侧出口与气化炉的第一返料口连通，第一返料阀的另一侧出口与灰仓连通；二级分离器的固体出口与第二返料阀的进口连通，第二返料阀的一侧出口与气化炉的第二返料口连通，第二返料阀的另一侧出口与灰仓连通。

Description

一种基于循环流化床的双回路气化燃烧系统及方法与应用
技术领域
本发明涉及高效清洁燃烧领域，特别涉及一种基于循环流化床的双回路气化燃烧系统及方法与应用。
背景技术
循环流化床气化炉由于具有原料适应性广、易于工程化放大等特点，在我国发展迅速，广泛应用于煤及生物质类固体废弃物的热化学转化能源化利用领域。
目前工程中常见的生物质气化燃烧系统工艺为：生物质原料在循环流化床气化炉内气化燃烧后，所产生的高温燃气携带大量颗粒经过旋风分离器进行气固分离，大颗粒高温灰被捕集下来经立管和返料器返回气化炉膛，燃气携带细颗粒飞灰经过后续净化除尘处理后储存备用或直接通入蒸汽锅炉燃烧制取蒸汽两种主要应用模式。
然而由于原料颗粒在炉膛内的停留时间较短，且气化炉膛温度较低(一般低于900℃)等原因，气化燃气中的飞灰含碳量一般在20％左右，对于粒径差别较大或原料草本、木质成分不一的生物质原料，部分灰渣与飞灰中的含碳量甚至高达30％，灰分含碳量高是导致系统效率降低的主要原因之一。
例如，对于中药渣类工业生物质，不同种类不同配方所产生的药渣原料复杂多样，并含有较多的木质纤维，原料气化处理前也需要粉碎处理，但考虑到工程运行的经济性，进入气化炉的物料匀质性远不如煤粉。因此，多物料混合的生物质类原料气化系统运行工况更加复杂，易发生反应不均匀、气化不完全的情况，造成系统压力不稳定，并将返料阀堵塞，进而影响系统的稳定运行。
而对于直接通入锅炉燃烧的应用模式，由于旋风分离器的气固分离效率有限，气化燃烧中携带数量可观的飞灰进入锅炉燃烧室，长时间运行产生的灰尘势必会对水冷壁产生沾污和腐蚀，影响锅炉换热效率与安全运行。
发明内容
针对以上现有技术中存在的技术问题，本发明的一个目的是提供一种基于循环流化床的双回路气化燃烧系统。该气化燃烧系统不但可以大大降低灰分中的含碳量，降低进入锅炉的飞灰量，提高锅炉的燃烧效率，还可以方便地控制物料循环量，并保持返料管路的压力平衡，避免返料阀处的堵塞导致的系统运行不稳定，并且通过控制物料循环量实现快速调节气化炉的反应工况，利于系统的动态调控与稳定运行。
本发明的第二个目的是提供一种基于循环流化床的气化燃烧系统的稳定运行方法，该方法可以实现气化炉的稳定运行。
本发明的第三个目的是提供上述循环流化床的双回路气化燃烧系统在生物质物料气化中的应用，尤其在多种类生物质混合物料气化中的应用。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种基于循环流化床的双回路气化燃烧系统，包括气化炉、一级分离器、换热器、二级分离器、锅炉和灰仓，其中，
一级分离器的进口与气化炉的出口连通，一级分离器的气体出口与换热器的热介质进口连通，换热器的热介质出口与二级分离器的进口连通，经过一级分离后的气体在换热器中换热冷却；二级分离器的气体出口与所述锅炉连通；
一级分离器的固体出口与第一返料阀的进口连通，第一返料阀的一侧出口与气化炉的第一返料口连通，第一返料阀的另一侧出口与灰仓连通；
二级分离器的固体出口与第二返料阀的进口连通，第二返料阀的一侧出口与气化炉的第二返料口连通，第二返料阀的另一侧出口与灰仓连通。
所述气化炉、一级分离器、换热器、二级分离器、锅炉均设有若干个温度和压力测点。
换热器的目的之一是对空气进行加热，将加热得到的热空气、蒸汽作为气化介质供给循环流化床气化炉，控制气化反应温度、调节反应气氛；换热器的目的之二是为了降低气化燃气温度，使部分气态焦油组分冷凝为液态，并粘附于细小飞灰颗粒，使细小飞灰颗粒形成较大粒径的粒子，进而提高二级旋风分离器的除尘效率，获取清洁生物质燃气，并可减小进入蒸汽锅炉的飞灰量，保证锅炉的换热效率，也可减轻烟气排放前的环保除尘压力。
优选的，所述第一返料阀和第二返料阀底部设有风室，所述风室顶部设有布风板，所述布风板上设有若干通风的风帽。
优选的，在所述返料阀的密闭空间内竖直落灰管口的两侧分别设置挡板将返料阀分隔为三个相对独立的腔室，第一腔室的出口连接于气化炉返料口，第三腔室的出口连接于灰仓，所述竖直落灰管连接于第二腔室的入口，所述挡板连接于返料阀顶板，其高度为返料阀空间高度的1/2～2/3。
优选的，所述第一返料阀与第一返料口之间连接有第一输料阀，第二返料阀与第二返料口之间连接有第二输料阀。
进一步优选的，所述第一返料阀与灰仓之间连接有第三输料阀，第二返料阀与第二返料口之间连接有第四输料阀。
通过调节返料阀风室的通风量以及输料阀开度，实现返回气化炉或进入灰仓物料循环量的控制，并可保持返料管路的压力平衡，避免返料阀处的堵塞导致的系统运行不稳定；此外，两级返料装置分别通过不同的管路连接于气化炉与灰仓，构成两个独立的返料工作回路，便于系统的操作与可控性能。
优选的，所述换热器为空气预热器，空气预热器的冷介质进口与空气源连接，冷介质出口与所述气化炉连接。
气化煤气将冷空气加热，加热后的热空气通入气化炉中，控制气化反应温度、调节反应气氛。
优选的，所述换热器为蒸汽发生器，蒸汽发生器的蒸汽出口端与气化炉连通。气化得到的高温燃气将水加热得到蒸汽。
优选的，所述锅炉与灰仓连接。
优选的，所述锅炉废气出口通过除尘装置与烟囱连接，除尘装置的固体出口与所述灰仓连通。
所述的一级分离器与二级分离器可选用分离器的种类有旋风分离器、重力沉降器、惯性分离器；优选的，所述一级分离器为第一旋风分离器，二级分离器为第二旋风分离器。
一种基于循环流化床的气化燃烧系统的稳定运行方法，包括如下步骤：
将气化炉气化得到的燃气经过第一步气固分离后，进行降温，降温后的燃气进行第二步气固分离，得到净化后的燃气；第一步气固分离和第二步气固分离后的固体经过返料阀进行物料分配，固体按照分配比例返回气化炉和灰仓。
优选的，第一步气固分离后的燃气中灰分的含量为0.5～2g/m3。
优选的，降温后的燃气的温度为200～300℃。
优选的，第二步气固分离后的燃气中灰分的含量为50～200mg/m3。
上述循环流化床的双回路气化燃烧系统在生物质物料气化中的应用，尤其在多种类生物质混合物料气化中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明的双回路气化燃烧系统，采用两级返料单元各自独立工作返料，系统压力与物料循环量易于调节控制，具有较好的颗粒循环倍率与燃烧效率，便于制取清洁的生物质燃气，也可减小进入蒸汽锅炉的飞灰量，保证锅炉的换热效率，也可减轻烟气排放前的环保除尘压力，进而实现了废弃生物质原料的高效清洁转化与利用。
本发明的一级分离器与二级分离器之间连接有换热器，换热器不但可以对进入气化炉中的空气进行预热，改善气化炉的燃烧环境，还可以对高温燃气进行降温，将燃气中的部分焦油冷凝凝结，将燃气中的细小固体颗粒粘结为较大的固体颗粒，提高了二级分离器对灰分的去除效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明返料阀的结构示意图；
图3是气化炉运行温度变化曲线；
图4是系统运行压力差变化曲线，气化炉运行压力差为气化炉底部与气化风室压力差值，第一返料阀压力差、第一返料阀压力差分别为所述返料阀与其对应风室的压力差值。
其中，1、进料口，2、气化炉，3、一级旋风分离器，4、换热器，5、二级旋风分离器，6、锅炉，7、除尘装置，8、风机，9、烟囱，10、灰仓，11、二级返料阀，12、一级返料阀，13、输料阀；21-1、第一返料口，21-2、第二返料口，22、刚玉质钢纤维耐磨浇注料，23、中轻质保温可塑砼，24、硅酸铝甩丝毯，25、挡板，26、落灰管，27、风室，28、布风板，29、风帽，30、清渣口，31、排渣装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的基于循环流化床的双回路气化燃烧系统，包括气化炉2、一级旋风分离器3、换热装置4、二级旋风分离器5、锅炉6、风机8、烟囱9、灰仓10、一级返料阀12、二级返料阀11以及四个输料阀13，气化炉2的气体出口与一级旋风分离器3的气体进口连通，一级旋风分离器3气体出口与换热器4的热介质进口连通，换热器4的热介质出口与二级旋风分离器5的气体进口连通，二级旋风分离器5的气体出口与锅炉6连通，锅炉6的废气出口与除尘装置7连通，锅炉6的固体出口与灰仓10连通，除尘装置7的气体出口通过风机8与烟囱9连通，除尘装置7的固体出口与灰仓10连通。
一级旋风分离器3的固体出口与一级返料阀12连通，一级返料阀12内设置有风机，一级返料阀12的一侧出口通过输料阀13与气化炉2连通，一级返料阀12的另一侧出口通过输料阀13与灰仓10连通。
二级旋风分离器3的固体出口与二级返料阀11连通，二级返料阀11内设置有风机，二级返料阀11的一侧出口通过输料阀13与气化炉2连通，二级返料阀11的另一侧出口通过输料阀13与灰仓10连通。
所述第一返料阀和第二返料阀底部设有风室27，所述风室27顶部设有布风板28，所述布风板28上设有若干用于通风的风帽29。
在所述返料阀的内部空间内竖直落灰管26口的两侧分别设置挡板25将返料阀分隔为三个相对独立的腔室，第一腔室的出口(即第一返料口21-1)连接于气化炉返料口，第三腔室的出口(即第二返料口21-2)连接于灰仓10，所述竖直落灰管26连接于第二腔室的入口，所述挡板25连接于返料阀顶板，其高度为返料阀空间高度的1/2～2/3。
风室27中的风通过布风板28上的风帽29吹入返料阀的内部空间内，根据现场情况调整进入返料阀内部的风的分布，实现物料的分配。所述风室27的底部倾斜设置，底部的最低处设置有清渣口30，通过布风板28及风帽29进入风室27的灰渣，可以通过清渣口2排出，贯穿所述布风板28上下表面还设置有排渣装置31，排渣装置31的下端延伸出风室27的底部，排渣装置31上安装有阀门，打开阀门即可将返料阀内部空间中积累的灰渣排出。
返料阀壁由内到外依次为刚玉质钢纤维耐磨浇注料22、中轻质保温可塑砼23和硅酸铝甩丝毯24,其中刚玉质钢纤维耐磨浇注料22主要起耐高温、耐磨损作用，中轻质保温可塑砼23主要起保温作用，硅酸铝甩丝毯24起隔热保温作用，三种材料的共同作用具有较好的保温效果，可以减小系统的散热损失，并减轻返料阀的重量。
粉碎后的生物质材料从气化炉2的进料口1投入气化炉2中进行气化，气化得到的高温燃气在一级旋风分离器3中进行一次气固分离，一级净化后的燃气进入换热器4中与空气或水进行换热，得到热空气或蒸汽，燃气被降温至200～300℃，加热得到的热空气或蒸汽输送进入气化炉中；降温后的燃气进入二级旋风分离器5进行二次气固分离，净化后的燃气进入锅炉6中燃烧，燃烧过程中得到的灰分被收集进入灰仓10中，产生的废气经过除尘器7除尘后，在风机8的作用下通过烟囱9排放。除尘器7中积累的灰分排入灰仓10中。
一级旋风分离器3中积累的灰分经过一级返料阀12分配后，大部分灰分返回气化炉2，当气化炉运行波动较大或分离出的固体物料残碳值较低时，可把返回气化炉的物料量调减甚至关停，将大部分的灰分输送至灰仓10中；在调节一级返料阀12分配物料过程中，需要配合调整返料阀两端出口处的输料阀开度以便调节返料系统管理的压力，保证气化炉生产过程的稳定性。
二级旋风分离器5中积累的灰分经过二级返料阀11分配后，一部分灰分返回气化炉2，一部分进入灰仓10储存，并调节输料阀13的开度调节返料的压力，保证气化炉生产过程的稳定性。
以含有黄芪、川芎、赤芍、桂枝、桑枝等多种生物质的某中药渣为原料，采用本发明系统进行了48h连续试验，试验前先将药渣处理成含水率约15wt.％、粒径＜1cm的物料，试验过程中保持进料量为系统设计生物质进料量2t/h，气化炉运行温度与系统运行压力差变化曲线分别如图3、图4所示。
由图中可以看出，从冷态起炉到系统正常运行耗时近6h，随后可以反应系统装置主要运行工况的气化炉温度、风室与炉膛压力差等参数出现不规则变化，但通过系统物料循环量的控制与调节，仍能保持系统压力和炉体温度在合理的区间内波动，实现系统长时间运行的连续与稳定。
经过两级返料，系统排灰中的平均残碳量可控制在10％以下，进入蒸汽锅炉的燃气的飞灰量为50～200mg/m3，锅炉的换热效率可达85％～90％。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于循环流化床的双回路气化燃烧系统，其特征在于：包括气化炉、一级分离器、换热器、二级分离器、锅炉和灰仓，其中，
一级分离器的进口与气化炉的出口连通，一级分离器的气体出口与换热器的热介质进口连通，换热器的热介质出口与二级分离器的进口连通，经过一级分离后的气体在换热器中换热冷却；二级分离器的气体出口与所述锅炉连通；
一级分离器的固体出口与第一返料阀的进口连通，第一返料阀的一侧出口与气化炉的第一返料口连通，第一返料阀的另一侧出口与灰仓连通；
二级分离器的固体出口与第二返料阀的进口连通，第二返料阀的一侧出口与气化炉的第二返料口连通，第二返料阀的另一侧出口与灰仓连通；
所述第一返料阀与第一返料口之间连接有第一输料阀，第二返料阀与第二返料口之间连接有第二输料阀；
所述第一返料阀与灰仓之间连接有第三输料阀，第二返料阀与第二返料口之间连接有第四输料阀；
所述第一返料阀和第二返料阀底部设有多个风室，多个风室的顶部设有布风板，所述布风板上设有若干用于通风的风帽，布风板与返料阀的壁围成返料阀的内部空间；
所述风室的底部倾斜设置，底部的最低处设置有清渣口，通过布风板及风帽进入风室的灰渣，可以通过清渣口排出，贯穿所述布风板上下表面还设置有排渣装置；
换热器的目的是为了降低气化燃气温度，使部分气态焦油组分冷凝为液态，并粘附于细小飞灰颗粒，使细小飞灰颗粒形成较大粒径的粒子，进而提高二级旋风分离器的除尘效率，获取清洁生物质燃气，并可减小进入蒸汽锅炉的飞灰量，保证锅炉的换热效率，也可减轻烟气排放前的环保除尘压力。
2.根据权利要求1所述的双回路气化燃烧系统，其特征在于：在返料阀的进口的两侧分别设置有第一挡板和第二挡板，将返料阀内部空间分隔为三个相互连通的腔室，第一腔室的出口连接于气化炉返料口，第三腔室的出口连接于灰仓，第二腔室设置有所述返料阀的进口。
3.根据权利要求2所述的双回路气化燃烧系统，其特征在于：所述第一挡板和第二挡板固定在返料阀的顶板上，第一挡板和第二挡板的高度为返料阀内部高度的1/2～2/3。
4.根据权利要求1所述的双回路气化燃烧系统，其特征在于：所述换热器为空气预热器，空气预热器的冷介质进口与空气源连接，冷介质出口与所述气化炉连接。
5.根据权利要求1所述的双回路气化燃烧系统，其特征在于：所述换热器为蒸汽发生器，蒸汽发生器的蒸汽出口端与气化炉连通；气化得到的高温燃气将水加热得到蒸汽。
6.根据权利要求1所述的双回路气化燃烧系统，其特征在于：所述锅炉废气出口通过除尘装置与烟囱连接，除尘装置的固体出口与所述灰仓连通。
7.根据权利要求1所述的双回路气化燃烧系统，其特征在于：所述一级分离器为第一旋风分离器，二级分离器为第二旋风分离器。
8.根据权利要求1所述的双回路气化燃烧系统，其特征在于，所述气化炉、一级分离器、换热器、二级分离器和锅炉内均设有若干个温度和压力测点。
9.权利要求1-8任一项所述的一种基于循环流化床的气化燃烧系统的稳定运行方法，其特征在于：包括如下步骤：
将气化炉气化得到的燃气经过第一步气固分离后，进行降温，降温后的燃气进行第二步气固分离，得到净化后的燃气；第一步气固分离和第二步气固分离后的固体经过返料阀进行物料分配，固体按照分配比例返回气化炉和灰仓。
10.权利要求1-8任一所述基于循环流化床的双回路气化燃烧系统在生物质物料气化中的应用，所述应用为在多种类生物质混合物料气化中的应用。
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