CN112266800A - 一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，该模块适于公路运输并做为秸秆能源化利用的模块化系统的一部分，在建设供热站和小型发电厂的安装现场仅需很少的安装工作量。水平布置的燃烧室耐火砖内衬拱顶被设计为可变，通过连接多个气化模块可以提高模块化系统的热出力。整捆式秸秆气化模块包含一个整捆秸秆气化室1和一个后气化室2，整捆秸秆气化室和后气化室由可转动炉排3隔开，可转动炉排的间隙宽度可以从外部调整，可转动炉排的运动可以随时破坏掉炉排之间的炭灰桥，通过控制后气化室2的给风可以产出含高比例生物炭的灰烬。气化模块的冷却水套7由相同的弯曲金属板等距离交错焊接制成以简化制造过程和实现足够的抗压强度。

Description

一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法

技术领域

本发明涉及一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，该整捆式秸秆气化装置采用模块化结构，可以通过公路运输。该整捆式秸秆气化装置即可独立使用，也可与其它整捆式秸秆气化装置相互连接以实现高燃烧功率输出。该整捆式秸秆气化装置的气化过程分两个步骤进行，气化过程的完整性得以改善，烟气中粉尘含量得以降低。

背景技术

根据专利WO2005/040680A1，整捆秸秆捆包气化时是位于布置在中央位置的抽气口上，气化产生的可燃烟气在抽气口周边被向下以加速度吸走。尽管这有利于烟气中碳残留物的燃烧，但灰分也会同时与烟气一起被吸出，因此灰分与烟气的分离可能会是不充分的。

根据专利CN201811060698.0，可燃烟气被向上吸出可实现更好的灰分分离。但是此处存在气化室下部残留有更多碳残留物的风险。这些碳残留物的燃烧需要通过气化室的底板添加空气。但是由于没有布置传感器因此很难准确控制给风量，如果给风量过大会降低燃料气体的质量并推动炉渣的形成。

已知的整捆秸秆捆包气化系统一般仅具有一个气化室，即一步气化实现多个功能过程，这些功能过程包括热解、气化、碳残留物燃烧和除灰等，但这些功能过程只有在单独的、彼此差异非常大的参数条件下才能得到最佳的实现。

许多农田需要肥料来改善土壤品质，除了草木灰里的矿物质外有时还需要较大比例的生物炭，目前还未见有用整捆气化燃烧系统来生产不同比例的生物炭的装置。

已知的整捆式秸秆气化系统因受到道路运输最大允许尺寸和最大重量等的限制，因此无法通过靠增加整捆秸秆气化系统的数量来提高燃烧功率输出，并且已知的整捆秸秆气化系统会因含有大量的平板或弯板，因此就制造工艺而言这些平板或弯板会使整捆式秸秆气化系统的制造优化设计变得复杂。

发明内容

本发明的整捆式秸秆气化装置包括已在工厂加工完毕、可在公路上运输的模块单元，整捆式秸秆气化装置可以构成秸秆能源化利用的标准模块化系统的一部分。还可以通过在侧面相互连接的整捆式秸秆气化装置实现更大的燃烧功率输出和可变热出力。灰渣分离和残炭燃烧可以比以前更加完全彻底，也可以根据需要产出更高比例的生物炭和灰分混合物。

含冷却水套的炉体的制造也将通过结构工艺优化措施实现简化。

根据本发明，其目的主要是通过将整捆秸秆捆包气化过程分为两个空间和两个步骤来实现。整捆秸秆捆包在第一个空间，即整捆秸秆气化室里进行热裂解和气化，但会残余部分秸秆纤维和炭等。

在整捆秸秆气化室的底部布置有一个后气化室，该后气化室可作为一个独立单元单独制造单独运输。在这个后气化室里较小块、段的残余秸秆和残留炭会通过二次给风而被气化或者燃烧，这里的气化和燃烧的一部分会在烟气的低流速移动过程中完成，另一部分则会在位于后气化室中下部的灰烬层中完成。

本发明在这两个气化空间之间布置了数个双管结构的可转动炉排，每个炉排包含一个内管和一个内管，内外管均可围绕可转动炉排的纵轴线旋转。冷却剂从内管流过，而外管则由耐火不锈钢和耐火陶瓷材料等制成，外管的横截面呈大致椭圆形，这种结构可通过从外部旋转双管来设定可转动炉排之间的间隙宽度。

通过改变这些可转动炉排的双管的位置，气化燃烧形成的炭灰桥就会不断被破坏，在这个操作过程中两个嵌套管的温度差异会较大，不锈钢外管宽松地置于冷却的内管之上并可纵向伸展。

可转动炉排的缝隙宽度可在10-30厘米之间变化，这个缝隙宽度可以让整包秸秆在气化过程中尽量长时间的保持捆包形态不变。秸秆茎秆和秸秆碳纤维彼此紧密交织从而让秸秆始终以较低的强度进行气化，而可转动炉排间隙又可以同时保持较大空间而更便于较小块、段的秸秆和残留炭通过。

较大的炉排间隙宽度会使烟气低速流动从而优化灰分分离，较小的炉排间隙宽度能够减少后气化室中的小燃料颗粒数量但会使烟气流动速度提高。很小的、已经与烟气分离的燃烧和未燃烧的小秸秆颗粒和炭残留物穿过可转动炉排并与灰烬等一起进入后气化室的下部。

在位于后气化室底部的排灰装置上方设有给风口，通过给风口可以吸入空气以燃烧或气化灰烬层中的残余小秸秆颗粒或炭残留物。

能够到达此处的残余小秸秆燃料颗粒和未燃烧炭等仅占气化总燃料量的一小部分，因此仅需将少量燃烧空气添加到后气化室中的灰烬层中就足够了，该燃烧空气是通过负压被吸入。经验表明几乎恒定的少量给风量就可以使后气化室中的残余小秸秆燃料颗粒和炭燃烧或完成气化，一般不需要其它特殊的控制调节措施。

如果阻止或者减少燃烧空气的添加，还可以通过形成更多的灰烬和生物炭等的混合物并从气化装置中移出直接用做土壤改良剂或者复合肥的原料。

来自整捆秸秆气化室的可燃烟气约呈对角线向下通过可转动炉排进入后气化室，并再沿相反的方向从后气化室约呈对角线向上折返被吸入烟气排放通道。由于这种结构设计可燃烟气以近乎U字形路径流动，通过重力和离心力可以促进灰分和小燃料颗粒等向下移动并与可燃烟气分离。

根据所需的整捆秸秆捆包的气化表现，后气化室的尺寸可以设计为使可燃烟气在此停留时间超过一秒。整捆秸秆气化室和后气化室的所有内壁均可设计成为与水平面最小约成55°角，这样可以让小秸秆燃料颗粒和灰烬等沿内壁自动自由向下滑落。

此整捆秸秆气化模块即可以单独使用，也可以将模块相邻组合在一起使用。呈水平布置的燃烧室的陶瓷等耐火材料构成的内衬被设计为可变结构，这些内衬是由几个由拱形耐火砖构成的互相嵌套的拱顶组成，当去除燃烧室拱顶的最内层时燃烧室的内部横截面就会增大并获得更大的烟气流量，这样可以实现更多的整捆秸秆气化模块彼此相邻组合在一起。

呈水平布置的燃烧室是被设计成一个带槽钢制管状结构，带槽钢制燃烧室管与支撑石桥接，燃烧室拱顶的耐火砖构架在支撑石上，来自整捆秸秆气化室的可燃烟气通过支撑石之间的自由空间流入呈水平布置的燃烧室。

整捆秸秆气化模块的生产由于以下事实而得以简化和降低制造成本：整捆秸秆气化模块的前壁和后壁仅选用金属板材，制造时在水平方向上将尺寸相同、呈拱形的板材定位后焊接，这样可以节省壁体内板和外板的连接作业时间。有一定弯曲度的板材可以获得足够抗压强度以保证冷却剂可以在内外板之间自由流动，同时还可以抵御由于气化室内部爆燃引起的壁体压力变化而提高整个整捆秸秆气化模块的安全性。

附图说明

图1示出了整捆秸秆气化模块，其横截面带有后气化室(2)。

图2示出了可转动炉排(3)的布置截面。

图3示出了可转动炉排(3)的双管等的结构布置。

图4示出了可转动炉排(3)带有轴承套的双管纵向切面单元。

图5示出了呈水平布置的燃烧室(10)的横切面。

图6示出了两个相互连接的整捆秸秆气化模块的平面图。

图7示出了呈水平布置的燃烧室(10)的剖面图。

图8示出了带有秸秆捆包草捆上料装置的整捆秸秆捆包气化模块。

图中：1-整捆秸秆气化室，2-后气化室，3-可转动炉排，4-秸秆捆包填入口，5-捆包填充量指示钮，6-给风口，7-冷却水套，8-陶瓷隔热衬里，9-排灰装置，10-燃烧室，11-可燃烟气，12-给风口，13-烟气排放通道，14-炭灰层，15-灰烬，16-混凝土基础，17-手柄，18-炉排内管，19-炉排外管，20-耐高温钢支撑杆，21-耐高温钢长钩，22-耐高温钢短钩，23-硬质陶瓷层，24-隔热层，25-内钢板，26-外钢板，27-冷却剂，28-驱动管，29-啮合锁定装置，30-软性密封，31-滚动轴承，32-软管，33-第一燃烧室圆拱，34-第二燃烧室圆拱，35-支撑石，36-带槽钢制燃烧室管，37-内弯板，38-外弯板，39-整捆式秸秆气化装置1，40-整捆式秸秆气化装置2，41-张紧带，42-封闭门，43-烟气出口，44-自由空间，45-整捆秸秆捆包，46-链条式滑动盾，47-冷却水套，48-捆包闸口，49-二次风引入口，50-矿物纤维缓冲垫，51-法兰盘。

具体实施方式

以下将参考附图更详细地解释本发明的应用示例。

根据图1的整捆式秸秆气化装置，其额定热出力为4.7MW，最大热出力可以达到5.3MW。整捆秸秆气化室(1)可以一次并排进入2个长度约为1.2米、直径约为1.4米的秸秆圆包，最多一次可容纳16个长度约为1.2米、直径约为1.4米的秸秆捆包(图1中未示出)。

一次超过3000kg的大容量秸秆进行气化能够让秸秆气化的强度非常小，并且仅需要相对较低的气化温度即可产生足够量的可燃烟气(11)，这样可以最大限度避免气化过程中形成结焦并且灰烬基本保持粉末状和较高的肥料价值。

在以上的气化过程中，吸入的给风中的氧气在氧化过程中被大量消化，这样可以使给风量最小化，同时不可燃的二氧化碳和氮气的含量也较低、气化产生的可燃烟气发热量达到最高。

后气化室(2)在底部与整捆秸秆气化室(1)相连，后气化室(2)是一个独立模块可以单独制造单独运输后与包含整捆秸秆气化室(1)的部分连接在一起构成本发明的整捆式秸秆气化模块。

可转动炉排(3)布置在整捆秸秆气化室(1)和后气化室(2)之间，整捆秸秆捆包(45)通过秸秆捆包填入口(4)进入整捆秸秆气化室(1)。当整捆秸秆捆包(45)填满整捆秸秆气化室(1)后捆包填充量指示钮(5)就会发出信号并停止继续填充整捆秸秆捆包(45)。燃烧给风通过给风口(6)吸入整捆秸秆气化室(1)。

本发明的整捆式秸秆气化模块的所有外侧均被周向冷却水套(7)包裹，冷却水套(7)的内侧布置有陶瓷隔热衬里(8)。细小的秸秆颗粒、炭残留物和灰烬等通过可转动炉排(3)掉落入后气化室(2)中并形成一个炭灰层(14)。为了能让落入后气化室(2)的细小秸秆颗粒和炭残留物完全燃烧和气化，可通过给风口(12)吸入少量燃烧空气。

这里的给风量保持恒定几乎不需要调节控制，为不降低气化产生的可燃烟气热值和控制后气化室(2)温度避免产生炉渣，应提供尽可能少的空气。在后气化室(2)的最底部有一个排灰装置(9)。

如果希望产出更多的灰烬-生物炭混合物则可以关闭给风口(12)，这样就会增加灰烬中生物炭的比例并且通过排灰装置(9)从后气化室(2)中移出。

可燃烟气(11)在呈U字形的路径上首先穿过可转动炉排(3)后流经后气化室(2)再进入烟气排放通道(13)，在这个过程中通过重力和离心力实现了小秸秆颗粒、灰尘和沙土等与可燃烟气(11)的分离。在后气化室(2)的自由空间中小秸秆颗粒和未燃尽炭等以近流体状态或者在灰烬层中燃烧或者完成气化。

整捆秸秆气化室(1)和后气化室(2)中的所有壁体与水平面夹角约为55°，这样在壁体上不会形成大量的灰烬沉积物。

在图2中更详细地示出了可转动炉排(3)的执行，本实施例中的可转动炉排(3)由3个双管组成，每个双管均可围绕纵轴线旋转，双管的外部是被设计为横截面近椭圆形的硬质陶瓷层(23)。

在本实施例中，三个可转动炉排(3)仅通过手柄(17)从外部分别进行转动并锁定在所需位置，这个过程也可以通过电动机等驱动来实现。近椭圆形状允许可移动炉排(3)之间的间隙宽度改变，如果间隙较大时可燃烟气(11)的流速会降低、会有更多的小秸秆颗粒和灰烬等通过可移动炉排(3)进入后气化室(2)。如果间隙较小时可燃烟气(11)的流速会提高、通过可移动炉排(3)进入后气化室(2)的小秸秆颗粒和灰烬等就会减少，但同时会导致烟气温度的升高。

通过旋转可转动炉排(3)的双管可改变可转动炉排(3)的之间的间隙宽度，本实施例中可转动炉排(3)的间隙宽度可在10到30cm之间变化。在后气化室(2)可以布置开口或观察孔方便操作者随时观察炭灰层(14)的大小。

通过转动可转动炉排(3)可以随时打破可转动炉排(3)之间形成的炭灰桥。

图3示出了可转动炉排(3)的双管结构。其中炉排内管(18)可使用普通碳钢材料，本实施例中炉排内管(18)的外径为89mm、壁厚为10mm、管长约3.2m，冷却剂(27)在炉排内管(18)的内部流动，本实施例中的冷却剂是乙二醇与水的混合物。炉排外管(19)可使用不锈钢等耐高温钢材，外管上布置有耐高温钢支撑杆(20)和固定陶瓷材料的耐高温钢长钩(21)、耐高温钢短钩(22)，呈近椭圆形的硬质陶瓷层(23)可由高质量烧结陶瓷等构成。

图4示出了炉排内管(18)和由不锈钢制成的炉排外管(19)中的布置。与有冷却剂流过的炉排内管(18)相比，在运行过程中炉排外管(19)的温度要高很多，膨胀力也会大更多，但因为炉排外管(19)是松紧适宜地套在冷却的炉排内管(18)上，所以也减少了向炉排内管(18)的热传递。

驱动管(28)通过啮合锁定装置(29)牢固地连接在炉排内管(18)上，炉排外管(19)可以在纵向方向上自由地膨胀，但是当炉排内管(18)旋转时会通过驱动管(28)与炉排外管(19)的啮合锁定装置(29)而带动炉排外管(19)。

炉排内管(18)在软性密封(30)的范围内也可以轻微膨胀，这样还可以防止空气进入整捆秸秆气化室(1)。冷却剂(27)通过软管(32)供给，软管(32)不会影响可转动炉排(3)的转动。

整捆秸秆气化室(1)的壁体材料是钢板，本实施例中分别使用的是厚度为7毫米的内钢板(25)和厚度为5毫米的外钢板(26)，两者通过图4中未示出的钢柱相互连接以获得足够的抗压强度。冷却剂(27)在内钢板(25)、外钢板(26)两者之间流动，本实施例中的冷却剂的压力限定在0.1MPa。

在整捆秸秆气化模块壁体的冷却水套(7)的内侧首先布置的是隔热层(24)，本实施例中的隔热层(24)是厚度约为9厘米的蛭石混凝土，接下来是硬质陶瓷层(23)，本实施例中的硬质陶瓷层(23)是厚度约8厘米的耐磨耐火混凝土，隔热层(24)和硬质陶瓷层(23)共同构成陶瓷隔热衬里(8)。

陶瓷隔热衬里(8)是由大量的耐高温钢钩(图4中未显示)固定，本实施例中的耐高温钢构使用的是直径4毫米的圆形不锈钢丝，这些不锈钢钩使用螺柱焊接工艺以彼此约8-10cm的距离固定焊接。

图5示出了呈水平布置的燃烧室(10)的结构。燃烧室(10)为一个带槽开口的管状结构，管状结构的最外侧是带槽钢制燃烧室管(36)，本实施例中的带槽钢制燃烧室管(36)直径是1400mm。带槽钢制燃烧室管(36)内侧首先布置了蛭石混凝土构成的隔热层(24)，隔热层(24)内侧布置的是由耐火砖等构成的第一燃烧室拱顶(33)、第二燃烧室拱顶(34)。

可通过减少第一燃烧室拱顶(33)以扩大燃烧室(10)的横截面，还可以将两个整捆秸秆气化模块在侧面互相连接以使整捆秸秆气化容量增加一倍。燃烧室拱顶的耐火砖侧向支撑在支撑石(35)上，在支撑石之间可燃烟气(11)经烟气排放通道(13)流入，支撑石(35)可以由铸造或烧结的耐火混凝土构成。

在水平方向上延伸的壁体是由相同的金属板构成的内弯板(37)和外弯板(38)。内弯板(37)和外弯板(38)彼此交错的焊接以补偿弯板长度上的差异。曲率可增加弯板的抗压强度。这种设计即可以减少使用钢板的种类，还可以节省内弯板(37)和外弯板(38)的复杂连接。

图6示出了两个整捆式秸秆气化装置(39、40)，每个整捆式秸秆气化装置额定热出力4.7MW、最高可达5.3MW。两个整捆式秸秆气化装置(39、40)彼此相邻布置、燃烧室(10)彼此连接，热出力合计可达10.6MW。

本实施例中的连接是通过带槽钢制燃烧室管(36)上金属板制成的张紧带(41)和矿物纤维缓冲垫(50)实现，这种灵活的连接方式允许张紧带(41)等因应热膨胀而产生微小位移。

图6中位于左侧的整捆式秸秆气化装置1(39)的燃烧室(10)含有第一燃烧室拱顶(33)；在位于右侧的整捆式秸秆气化装置2(40)的燃烧室(10)里就去掉了第一燃烧室拱顶(33)，去掉第一燃烧室拱顶(33)的燃烧室(10)约可容纳两倍的烟气流量。

整捆式秸秆气化装置1(39)可以单独工作，也可以与整捆式秸秆气化装置2(40)一起工作提高热出力。如果热量需求小只需要一个模块时则可以在两个模块之间插入一块金属材质等的密封板，通过停止单个模块可以实现热出力的可变，同时不会降低尾部烟气排放性能和造成燃料消耗的浪费。还可以通过将燃烧室(10)的烟气出口(43)链接到汇集式后燃烧系统上来实现更多的整捆秸秆气化模块同时工作而进一步扩大热力输出。

图7进一步示出了水平布置的燃烧室(10)的结构，该燃烧室(10)内置于一个带槽钢制燃烧室管(36)中，带槽钢制燃烧室管(36)中的开口由支撑石(35)桥接，在它们之间存在自由空间(44)，可燃烟气(11)可通过该自由空间流入水平布置的燃烧室(10)，这些自由空间(44)的宽度可以通过增减耐火砖块数量来调整，以便始终都能实现最佳燃烧效果。

燃烧室拱顶的耐火砖可在安装之前被烧结并且布置在支撑石(35)上，这些块状材料的热应力有限因此使用寿命长。所有耐火砖和陶瓷块都能在较高温度时吸收热量，并也能在较低的温度时释放热量，这样会使燃烧过程更加均匀稳定。

采用已知技术可以通过二次风引入口(49)将二次风引入水平布置的燃烧室(10)。

图8示出了包含自动捆包进料装置的整捆秸秆气化模块，自动捆包进料装置对于整捆秸秆气化器模块的操作是必需的。它包含一个秸秆捆包闸口(48)和一个由链条驱动的链条式滑动盾(46)完成投送整捆秸秆捆包(45)。自动捆包进料装置插入整捆秸秆气化室(1)的部分包含由弯曲的金属板构成的冷却水套(47)。

通过标准的模块化设计和制造可以实现经济性量产，这意味着可以使用最先进制造技术提高产品质量、降低价格和提高竞争力。

整捆秸秆气化模块旨在用于建造满足各种不同条件的整捆秸秆气化燃烧系统，特别是用于以秸秆为燃料的生物质发电厂的建造。由于组装件大部分都可在工厂制造完成后运输到项目建设现场，因此在项目建设现场的安装人员支出可以减少数倍，并且组装时间也可大大缩短，这样会显著降低成本。

Claims (9)

1.一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，包括一个水冷且内部为陶瓷隔热衬里的整捆秸秆气化室，整捆秸秆气化室的底板呈斜角，整捆式秸秆气化装置包含有从上方输送整捆秸秆捆包的自动化整捆秸秆上料装置，一个用于指示整捆秸秆气化室内秸秆投入量的秸秆捆包填充量指示钮和位于整捆秸秆气化室顶部的燃烧空气给风口；其特征在于，在整捆秸秆气化室(1)后向下布置了一个后气化室(2)，并且在整捆秸秆气化室(1)和后气化室(2)之间布置了可转动炉排(3)。

2.根据权利要求1所述的一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，其特征在于，所述可转动炉排(3)包含可围绕可转动炉排(3)纵轴旋转的水平布置的炉排内管(18)和炉排外管(19)两个管。

3.根据权利要求2所述的一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，其特征在于，可转动炉排(3)的炉排内管(18)和炉排外管(19)双管彼此套在一起，冷却剂(27)在炉排内管(18)中流动，炉排外管(19)的外侧布置有硬质陶瓷层(23)。

4.根据权利要求3所述的一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，其特征在于，所述炉排外管(19)外侧上的硬质陶瓷层(23)的横截面为近椭圆形，硬质陶瓷层(23)可以通过不锈钢制成的耐高温钢支撑杆(20)加强稳固性。

5.根据权利要求1所述的一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，其特征在于，所述后气化室(2)四周布置了冷却水套(7)，在冷却水套(7)的内测布置了陶瓷隔热衬里(8)以及若干个给风口(12)，在后气化室(2)的最低点布置了一个排灰装置(9)。

6.根据权利要求1所述的一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，其特征在于，所述整捆秸秆气化室(1)和所述后气化室(2)的内表面设计成与水平面成最小约55°角。

7.根据权利要求1所述的一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，其特征在于，所述可转动炉排(3)、所述后气化室(2)和所述烟气排放通道(13)的尺寸和相互布置使得可燃烟气(11)流过后气化室(2)的路径大致为U形，并且可燃烟气(11)在后气化室(2)中的停留时间长于一秒。

8.根据权利要求1所述的一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，其特征在于，呈水平布置的燃烧室(10)布置在带槽钢制燃烧室管(36)中，并且包含至少两个嵌套的、由支撑石(35)支撑的耐火砖制成的第一燃烧室拱顶(33)和第二燃烧室拱顶(34)，支撑石(35)与带槽钢制燃烧室管(36)的开口桥接。

9.根据权利要求1所述的一种整捆式秸秆气化装置的设计与构造方法，其特征在于，布置的冷却水套(7)由金属的内弯板(37)和外弯板(38)组成，内弯板(37)和外弯板(38)以等距离尺寸彼此交错焊接在一起。

Images