CN102676236B - 一种三段分离式生物质气化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三段分离式生物质气化方法及装置，装置主体为反应炉，上部为热解室，为生物质料热解反应室。气化室燃烧室均位于反应炉中，且气化室位于燃烧室的里面。热解室与气化室由下料管相联。热解室、下料管外为烟气通道。所述上部热解室设有进料装置，下部气化室与燃烧室联通，且在气化室中部设有高温燃气抽出口。烟气经由燃烧室沿烟气道上行至热解室外围后由烟气出口排出。抽出的高温燃气经分离器分离净化后进入空气预热器。本发明将生物质气化发生系统的三个过程完全分离，加长了还原区的长度，保证焦油裂解所需时间及温度，从而减少了燃气中焦油的含量，提高了气化炉的产气率及生物质燃气的品质。本发明装置具有控温方便，节能环保，运行连续等优点。

Description

一种三段分离式生物质气化方法及装置

技术领域

本发明涉及生物质气化技术，具体地说是一种三段分离式生物质气化方法及装置。

背景技术

生物质是通过光合作用而形成的各种有机物，它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，它分布广泛、可利用量大，是一种可再生能源，并且也是唯一一种可再生的含有碳氢组分和热能的、可储存的自然原料，利用生物质进行能源利用和化工生产，具有CO₂零排放的特征。随着传统化石能源储量的日益减少，以及由于使用化石能源带来的环境污染问题，重视和发展可再生、环保能源已成为各国政府的共识。

将生物质转变为清洁气体或液体燃料的方法很多，其中，生物质热化学转化技术与其它技术相比能够适应所有的生物质种类，且具有大型工业化生产的能力，易于规模化应用。生物质热解气化制备生物质燃气(主要成分为H₂和CO气体)，进而合成液体燃料(如甲醇、乙醇、二甲醚、烯烃、柴油和石脑油等)是热化学转化技术中最具有发展前景的生物质能源资源化利用途径之一，受到了国内产业界和学术界前所未有的重视，并投入了大量的人力和物力进行相关的研究和开发，其中通过利用秸秆、稻壳、木柴等生物质原料通过高温热化学方法制备含有氢气和一氧化碳的生物质燃气的技术已经得到广泛的研究。生物质热解气化制备生物质燃气工艺中气化反应器是其核心设备。开发高效生物质热解气化装置制取高品质生物质燃气，并经后续合成反应器转化为液态烃类、醇类和醚类等燃料，既可以缓解对国际原油市场的依赖，也可以减少国内传统化石能源的消耗，同时具有积极保护环境的社会效益。

目前用于生物质气化的气化反应器(气化炉)大致可以分为三种:固定床、气流床和流化床。固定床气化炉的结构简单，操作方便，操作模式灵活，但是炉中温度不均匀换热效果较差，出口生物质燃气中含有大量焦油。气流床的运行温度较高，炉内温度比较均匀，焦油在气流床中裂解程度较高，但气流床气化对固体原料粒径的要求较高，进入气流床的原料需要磨成很细小的颗粒，这给含有大量纤维的生物质原料的研磨提出了另外一个技术难题。而流化床气化反应器由于热容量高、原料适应性强，可以处理高含水量物质,适于连续大规模生产，因此备受重视。但流化床反应器也存在对原料的物理特性很敏感，操作不易控制，运行温度一般也较低，出口生物质燃气中焦油含量也相当可观，且产气中CH₄和CO₂含量较高，一般需要后续设备来处理焦油和重整生物质燃气等问题，使得气化系统和装置变得比较复杂。

通过分段处理生物质原料以提高产气中生物质燃气的浓度，降低产气中CH₄和CO₂含量及降低焦油含量是解决流化床反应器制各高品质生物质燃气要求的方法之一。生物质固体首先在300～600℃左右这种较低的温度下通过热裂解制备生物质高产率的焦炭(半焦)和裂解气体，然后将热解产生的焦炭(半焦)送往流化床气化反应器中与水蒸汽起进行高温(700～900℃)气化反应来制备粗生物质燃气，未完全反应的焦油及制得的粗生物质燃气再经过催化裂解(重整)床层进一步在催化剂的作用下发生焦油裂解及粗生物质燃气重整反应来提高生物质燃气的品质。

把生物质通过热解、气化、催化裂解、重整分段反应转化为清洁的二次能源，可以取得双重的有效效果，一是可以解决环境污染问题，二是可以减少对石油煤炭资源的依赖，为建设资源节约型社会和环境友好型社会起到积极作用。

有鉴于此，针对上述问题，提出一种设计合理且有效改善上述缺失的三段分离式生物质气化方法及装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三段分离式生物质气化方法及装置，克服现有生物质制备生物质燃气技术的缺陷。将生物质气化发生系统的三个过程完全分离，加长了还原区的长度，保证焦油裂解所需时间及温度，从而减少了燃气中焦油的含量，提高了气化炉的产气率及生物质燃气的品质。本发明具有控温方便，节能环保，运行连续等优点。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：一种三段分离式生物质气化方法，其步骤如下：

将生物质从生物质物料进料口投入到热解室中，热解室螺旋进料机通过电机带动旋转将物料翻滚混合同时进行350-650℃温度下的低温热解反应，生物质低温热解的产物主要为生物质焦炭和裂解气体；

在解热室螺旋进料机的作用下，热解产物不断下行，通过下料管来到下段气化室，气化室螺旋进料机通过电机旋转将热解产物翻滚同时进行900-1100℃温度下发生高温气化裂解还原反应，产生气化的生物质燃气，气化所需高温来自燃烧室；

生物质燃气由抽气装置抽送到惯性分离器进行气固分离，使产生的气体得以净化，然后进入空气预热器预热空气；

预热后的空气与外加生物质燃料一同进入燃烧室与从气化室末端下来的残碳进行剧烈的氧化燃烧，提供给气化室所需的高温；

高温燃烟气上行至热解室,为热解提供热量，然后从烟气出口排出；灰渣从灰渣出口排出，收集后进行其它应用。

为了达成另一目的，本发明采用如下技术方案：一种三段分离式生物质气化装置，包括反应炉，所述反应炉下层为燃烧室，位于燃烧室中的中上部位置设置有气化室，所述气化室通过朝下的连接口与燃烧室联通，气化室上方设置热解室，所述热解室和气化室通过下料管联通；所述热解室和气化室内分别设置有热解室螺旋进料机和气化室螺旋进料机；所述热解室外围处的反应炉壁上设置烟气出口，所述气化室中部设置有抽气口。

所述热解室螺旋进料机通过外部的一号驱动电机连接带动旋转，所述热解室上方开设生物质物料进料口；所述气化室螺旋进料机通过外部的二号驱动电机连接带动旋转。

所述下料管与气化室水平外壁呈45-90度，且为上细下粗的扩管状。

所述气化室螺旋进料机长度要超过抽气口位置，而且抽气口位置往后的螺旋进料机的螺旋直径大于抽气口位置往前的螺旋进料机的螺旋直径。

所述下料管周围与反应炉内壁之间形成烟气道，此烟气道外包覆有保温材料层，此烟道上联通至烟气出口，下连接至燃烧室。

所述抽气口又连接至惯性分离器。

所述惯性分离器又连接至空气预热器的燃气进口。

所述空气预热器上开设空气进口和燃气出口，所述空气预热器还通过预热空气出口连接至燃烧室的燃料及助燃空气入口。

所述燃烧室外围还开设有灰渣出口。

相较于现有技术，本发明结合生物质的热解特性、生物质焦炭(半焦)的气化特性、焦油的热裂解及粗生物质燃气特性，将生物质热解气化制各生物质燃气过程中的热解段、还原段、氧化过程分开，使各个反应阶段在同一装置中不同室区相对分开且连续进行，简化了生物质制备生物质燃气的实验系统。生物质经过低温热解、焦炭(半焦)的高温水蒸汽气化、焦油热裂解反应，大幅度降低焦油含量，产生适用于生产生活的高品质生物质燃气，达到清洁高效利用生物质能。本发明简单、高效、节能、经济和工程实现性强，大幅度地提高了气化系统的气化效率、降低了有效生物质燃气耗氧量、增高了生物质燃气的热值，减少了生物质燃气的焦油含量，提高了整个系统的能量转化率和保证了系统的稳定性。

本发明装置具有节能环保，运行连续，结构简单等优点，可利用秸秆、稻壳、锯末等生物质料热解制取高品质生物质燃气。

附图说明

图1为本发明一种三段分离式生物质气化装置结构示意图；

图2为本发明一种三段分离式生物质气化装置另一种实施例结构示意图。

图中：l、一号驱动电机，2、生物质物料进料口，3、烟气出口，4、解热室螺旋进料机，5、下料管，6、空气进口，7、空气预热器，8、燃气进口，9、燃气出口，1O、预热空气出口，11、气化室螺旋进料机，12、惯性分离器，13、中间抽气口，14、二号驱动电机，15、灰渣出口，16、燃烧室，17、气化室，18、气化室与燃烧器连接口，19，燃料及助燃空气入口。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

根据图1和图2所示，一种三段分离式生物质气化装置，包括反应炉，所述反应炉下层为燃烧室，位于燃烧室中的中上部位置设置有气化室17，所述气化室通过朝下的气化室与燃烧器连接口18与燃烧室联通，以保证生物质料气化后残余物可进入燃烧室燃烧，气化室17上方设置热解室，所述热解室和气化室17通过下料管5联通；所述热解室和气化室内分别设置有热解室螺旋进料机4和气化室螺旋进料机11；所述热解室外围处的反应炉壁上设置烟气出口3，所述气化室中部设置有中间抽气口13。反应炉上段热解室为生物质热解反应室，主要以产焦炭为目的；气化室主要以生成高品质燃气为主，且气化室长度足够长，以保证生物质料能够充分还原气化裂解，降低焦油的产量；而燃烧室则是残炭与空气进行剧烈氧化燃烧提供充足热量的地方。

所述热解室螺旋进料机4通过外部的一号驱动电机1连接带动旋转，所述热解室上方开设生物质物料进料口2；所述气化室螺旋进料机11通过外部的二号驱动电机14连接带动旋转。螺旋进料机主轴采用耐高温材料制成。所述下料管5与气化室17水平外壁呈45-90度，如图1和图2所示两种结构的实施例所示，以保证生物质物料在热解后顺利下落至气化室，且为上细下粗的扩管状，方便生物质料下落与积存。所述气化室螺旋进料机长度要超过抽气口13位置，而且抽气口位置往后的螺旋进料机的螺旋直径大于抽气口位置往前的螺旋进料机的螺旋直径。所述下料管5周围与反应炉内壁之间形成烟气道，此烟气道外包覆有保温材料层，此烟道上联通至烟气出口3，下连接至燃烧室。所述抽气口13又连接至惯性分离器12。所述惯性分离器12又连接至空气预热器7的燃气进口8。所述空气预热器上开设空气进口6和燃气出口9，所述空气预热器还通过预热空气出口10连接至燃烧室的燃料及助燃空气入口19。所述燃烧室外围还开设有灰渣出口15。

一种三段分离式生物质气化方法，其步骤如下：将生物质从生物质物料进料口2投入到热解室中，热解室螺旋进料机4通过一号驱动电机带动旋转将物料翻滚混合同时进行350-650℃温度下的低温热解反应，生物质低温热解的产物主要为生物质焦炭和裂解气体；在解热室螺旋进料机4的作用下，热解产物不断下行，通过下料管5来到下段气化室17，气化室螺旋进料机11通过二号驱动电机14旋转将热解产物翻滚同时进行900-1100℃温度下发生高温气化裂解还原反应，产生气化的生物质燃气，气化所需高温来自燃烧室；生物质燃气由抽气装置抽送到惯性分离器12进行气固分离，使产生的气体得以净化，然后进入空气预热器7预热空气；预热后的空气与外加生物质燃料一同进入燃烧室与从气化室末端下来的残碳进行剧烈的氧化燃烧，提供给气化室所需的高温；高温燃烟气上行至热解室,为热解提供热量，然后从烟气出口3排出；灰渣从灰渣出口15排出，收集后进行其它应用。

运行实例中各种生物质的燃气热值：含水8%-12%的玉米秸杆、木屑等生物质得到粗燃气焦油含量小于15mg/m³，热值12MJ/m³—22MJ/m³，气化效率超过80%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。

Claims (2)

1. 一种三段分离式生物质气化方法，其步骤如下：

将生物质从生物质物料进料口投入到热解室中，热解室螺旋进料机通过电机带动旋转将物料翻滚混合同时进行350-650℃温度下的低温热解反应，生物质低温热解的产物主要为生物质焦炭和裂解气体；

在解热室螺旋进料机的作用下，热解产物不断下行，通过下料管来到下段气化室，气化室螺旋进料机通过电机旋转将热解产物翻滚同时进行900-1100℃温度下发生高温气化裂解还原反应，产生气化的生物质燃气，气化所需高温来自燃烧室；

生物质燃气由抽气装置抽送到惯性分离器进行气固分离，使产生的气体得以净化，然后进入空气预热器预热空气；

预热后的空气与外加生物质燃料一同进入燃烧室与从气化室末端下来的残碳进行剧烈的氧化燃烧，提供给气化室所需的高温；

高温燃烟气上行至热解室,为热解提供热量，然后从烟气出口排出；灰渣从灰渣出口排出，收集后进行其它应用。

2. 一种三段分离式生物质气化装置，其特征在于，包括反应炉，所述反应炉下层为燃烧室，位于燃烧室中的中上部位置设置有气化室，所述气化室通过朝下的连接口与燃烧室联通，气化室上方设置热解室，所述热解室和气化室通过下料管联通；所述热解室和气化室内分别设置有热解室螺旋进料机和气化室螺旋进料机；所述热解室外围处的反应炉壁上设置烟气出口，所述气化室中部设置有抽气口；所述热解室螺旋进料机通过外部的一号驱动电机连接带动旋转，所述热解室上方开设生物质物料进料口；所述气化室螺旋进料机通过外部的二号驱动电机连接带动旋转；所述下料管周围与反应炉内壁之间形成烟气道，此烟气道外包覆有保温材料层，此烟道上联通至烟气出口，下连接至燃烧室。

3．根据权利要求2所述的一种三段分离式生物质气化装置，其特征在于，所述下料管与气化室水平外壁呈45-90度，且为上细下粗的扩管状。

4．根据权利要求2所述的一种三段分离式生物质气化装置，其特征在于，所述气化室螺旋进料机长度要超过抽气口位置，而且抽气口位置往后的螺旋进料机的螺旋直径大于抽气口位置往前的螺旋进料机的螺旋直径。

5．根据权利要求2所述的一种三段分离式生物质气化装置，其特征在于，所述抽气口又连接至惯性分离器。

6．根据权利要求5所述的一种三段分离式生物质气化装置，其特征在于，所述惯性分离器又连接至空气预热器的燃气进口。

7．根据权利要求6所述的一种三段分离式生物质气化装置，其特征在于，所述空气预热器上开设空气进口和燃气出口，所述空气预热器还通过预热空气出口连接至燃烧室的燃料及助燃空气入口。

8．根据权利要求2所述的一种三段分离式生物质气化装置，其特征在于，所述燃烧室外围还开设有灰渣出口。

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