控气型热分解系统生物质气化发电装置
技术领域
本实用新型涉及一种发电装置,特别是涉及一种利用生物质作为能源进行发电的控气型热分解系统(Controlled Air Pyrolysis System,缩写为“CAPS”)生物质气化发电装置。
背景技术
生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注,国外生物质能研究开发工作主要集中于气化、液化、热解、固化和直接燃烧等方面。预计到下世纪,世界能源消费的40%来自生物质能,我国农村能源的70%是生物质,我国有丰富的生物质能资源,仅农村秸杆每年总量达6亿多吨。随着经济的发展,人们生活水平的提高,环境保护意识的加强,对生物质能的合理、高效开发利用,必然愈来愈受到人们的重视。因此,科学地利用生物质能,加强其应用技术的研究,具有十分重要的意义。
生物质发电在发达国家已受到广泛重视,在奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典等欧洲国家和北美,生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。目前国内外生物质能发电主要工艺分三类:生物质锅炉直接燃烧发电、生物质~煤混合燃烧发电和生物质气化发电,以下分别介绍:
1)生物质锅炉直接燃烧发电
目前国内外广泛应用的秸秆直燃技术为振动炉排直接燃烧锅炉,该技术在国外已经有成熟经验,并已大量投产。直燃炉易存在的问题:由于秸秆灰中碱金属和氯的含量相对较高,因此,烟气在高温时(450℃以上)对过热器具有较高的腐蚀性。此外,飞灰的熔点较低,易产生结渣的问题。如果灰分变成固体和半流体,运行中就很难清除,就会阻碍管道中从烟气至蒸汽的热量传输。严重时甚至会完全堵塞烟气通道,将烟气堵在锅炉中。
2)生物质~煤混合燃烧发电
循环流化床是一种新型的环保锅炉,由于它采取了炉内物料循环,对燃料的适应性强,它可以燃用低位发热值2000~7000kcal/kg的矸石、原煤、煤泥和洗中煤等,还可以燃用热值比较低的糖渣、木霄、各种生物质秸秆及各种垃圾等。该炉虽然有燃用各种燃料的特性,但是在燃烧的过程中却有不同的效果,或多或少对锅炉都有一定的影响。掺烧糖渣、木屑、各种生物质秸秆及各种垃圾,需要重新计算风量等,并需有稳定的燃料供应,相对固定的掺烧比例。循环硫化床锅炉对燃料要求的适应性非常强,无论燃烧哪种燃料首先要核算经济性,而后计算掺烧量、最后再进行人员培训、注意事项、运行调整等。
3)生物质气化发电
目前国际上采用的生物质气化发电技术有生物质整体气化联合循环(B/IGCC)和加拿大瑞威集团开发的控气型热分解(CAPS)生物质气化发电技术。从纯技术的角度看,生物质IGCC技术可以大大地提高生物质气化发电的总效率。目前国际上有很多先进国家开展这方面研究,但由于焦油处理技术与燃气轮机改造技术难度很高,仍存在很多问题,如系统未成熟,造价也很高,限制了其应用推广。
另外,由于农作物秸秆含钾、氯、硫、硅等元素,传统的秸秆直接燃烧技术由于是农作物秸秆在高温直接燃烧的条件下,钾、氯、硫挥发份易于凝结成细小的黏性颗粒,硅和钾也易于在800℃时熔化结焦,因此易于在管壁表面结垢,并引起灰渣和飞灰结焦,并在高温状态引起矿物质堆积。灰渣和飞灰结焦会腐蚀一般的耐火砖和炉膛、过热器及省煤器金属管束,结焦会堵塞烟风管口和喷油口,导致设备需要经常性的停机,并带来能量转换效率降低、设备表层材料腐蚀等问题。
有鉴于上述现有的生物质发电装置存在的缺陷,本设计人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识,并配合学理的运用,积极加以研究创新,以期创设一种新型结构的控气型热分解系统(ControlledAir Pyrolysis System,缩写为“CAPS”)生物质气化发电装置,能够改进一般现有的生物质发电装置,使其更具有实用性。经过不断的研究、设计,并经过反复试作样品及改进后,终于创设出确具实用价值的本实用新型。
发明内容
本实用新型的目的在于,克服现有的生物质发电装置存在的缺陷,而提供一种新型结构的控气型热分解系统(Controlled Air Pyrolysis System,缩写为“CAPS”)生物质气化发电装置,所要解决的技术问题是使其避免产生结垢和结焦,延长设备使用寿命,提高设备年运行时间和能源利用效率,减少设备的维护和使用费用,从而更加适于实用。
本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本实用新型提出的一种控气型热分解系统(Controlled Air PyrolysisSystem,缩写为“CAPS”)生物质气化发电装置,其至少包括:加料装置,用于供应生物质燃料;热分解气化装置,其进口与上述加料装置的出口连接,用于对上述生物质燃料进行热分解气化,热分解气化反应装置进一步包括:干燥区,其进口与上述加料装置的出口连接,对由加料装置送入的生物质燃料进行干燥;热分解气化反应区,其进口与上述干燥区的出口连接;固态碳燃烧区,其进口与上述热分解气化反应区的出口连接,并设置于上述热分解气化反应区的下端;氧化燃烧装置,用于可燃合成气体的完全燃烧,对有机物进行高温分解,将烟气中的热量转化成过热蒸汽,氧化燃烧装置设置于热分解气化装置的上部,其进口与热分解气化反应装置的出口连接;除灰装置,用于将热分解气化装置中燃尽的灰渣排出,并将灰渣送到指定的地点,除灰装置的进口与热分解气化装置的出口连接。
本实用新型的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的控气型热分解系统生物质气化发电装置,其中所述的加料装置进一步包括:解捆机构、松散机构、存储机构和喂料机构,各机构之间依次顺序连接,所述喂料机构的出口与热分解气化装置的进口连接。
前述的控气型热分解系统生物质气化发电装置,其中所述的氧化燃烧装置进一步包括:紊流混合区,设置于氧化燃烧装置与热分解气化装置的连接处;点火燃烧器,设置于上述紊流混合区内;膜式水冷壁,设置于氧化燃烧装置的内壁四周,其一端连接于氧化燃烧装置的上部,另一端连接于氧化燃烧装置的下部;多级送风机构,设置于氧化燃烧装置的外壁,用于将空气逐级注入到氧化燃烧装置内的易燃气体混合物中。
前述的控气型热分解系统生物质气化发电装置,其中所述的自动除灰装置进一步包括:出灰机构,用于排出热分解气化装置中燃尽的灰渣,其与上述热分解气化反应装置的固态碳燃烧区连接;密封机构,用于除灰装置在排灰过程中的热分解气化装置的密封,保证热分解气化反应的连续进行,其设置于热分解气化装置与除灰装置的连接处;灰渣冷却机构,用于热分解气化装置排出的高温灰渣逐步降温,其进口与所述热分解气化装置的出口连接;排灰机构,其进口与上述灰渣冷却机构的出口连接。
前述的控气型热分解系统生物质气化发电装置,其还包括一凝渣管束,用于排出氧化燃烧装置完全燃烧所产生的烟气,其进口与氧化燃烧装置的出口连接。
前述的控气型热分解系统生物质气化发电装置,其还包括一过热蒸汽产生装置,所述过热蒸汽产生装置进一步包括:过热器,将饱和蒸汽加热成为具有一定温度和压力的过热蒸汽,其烟气进口与上述凝渣管束的出口连接,其蒸汽进口与汽包的蒸汽出口连接;多级省煤器,用于提高给水温度和降低烟气温度,其烟气进口与过热器的烟气出口连接,其给水进口与供水系统的出口连接;汽包,用于热交换工质加热、蒸发和过热三过程的连接枢纽,其给水进口与省煤器的给水出口连接。
前述的控气型热分解系统生物质气化发电装置,其还包括一烟气系统,所述烟气系统进一步包括布袋除尘器,布袋除尘器的进口与省煤器的烟气出口连接,所述省煤器排出的烟气在引风机的抽吸下经过布袋除尘器,通过烟囱排出。
前述的控气型热分解系统生物质气化发电装置,其还包括一汽轮发电机组,所述汽轮发电机组进一步包括:汽轮机、发电机、变压器;所述汽轮机的蒸汽进口与过热器蒸汽出口连接,由过热器所产生的过热蒸汽送往汽轮机驱动发电机发电。
借由上述技术方案,本实用新型控气型热分解系统(Controlled AirPyrolysis System,缩写为“CAPS”)生物质气化发电装置至少具有下列优点:
1、热分解气化系统避免高温状况下的运动部件,生物质加料装置和除灰装置的机械结构简便可靠,因此大大减少了设备运行过程中的可能故障点,热分解气化设备经久耐用、安全可靠。
2、CAPS生物质气化发电装置根据生物质秸秆易于气化的特点,将生物质的能量释放和转换分成两个阶段来完成:第一阶段在缺乏空气的条件下,农作物秸秆在热分解气化装置中受热而使有机质分解,转化成可燃合成气体,并通过控制热分解气化反应温度来控制农作物秸秆的气化速率;第二阶段在氧化燃烧装置中完成可燃气体的燃烧和能量转换,并通过多级送风机构实现多级分层的合成气燃烧控制,控制炉膛燃烧反应温度低于灰渣及飞灰的熔融温度,从而避免产生结垢和结焦,延长设备使用寿命,提高设备年运行时间和能源利用效率,减少设备的维护和使用费用。
综上所述,本实用新型具有上述诸多优点及实用价值,其不论在装置结构或功能上皆有较大的改进,在技术上有显著的进步,并产生了好用及实用的效果,且较现有的生物质发电装置具有增进的突出功效,从而更加适于实用,并具有产业的广泛利用价值,诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述,为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举较佳实施例,并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1是根据本实用新型实施例的CAPS生物质气化发电装置的结构示意图;
图2是根据本实用新型实施例的加料装置的结构示意图;
图3是根据本实用新型实施例的热分解气化装置的结构示意图;
图4是根据本实用新型实施例的氧化燃烧装置的结构示意图;
图5是根据本实用新型实施例的除灰装置的结构示意图。
10:加料装置 11:解捆机构
12:松散机构 13:存储机构
14:喂料机构 20:热分解气化装置
21:干燥区 22:热分解气化反应区
23:固态碳燃烧区 30:氧化燃烧装置
31:紊流混合区 32:点火燃烧器
33:膜式水冷壁 34:多级送风机构
40:除灰装置 41:出灰机构
42:一级密封机构 43:二级密封机构
44:灰渣冷却机构 45:排灰机构
46:储灰斗 47:运灰车
50:过热蒸汽产生装置 51:凝渣管束
52:省煤器 53:汽包
54:过热器 60:汽轮发电机组
61:汽轮机 62:发电机
63:变压器 70:供水系统
71:化学水装置 72:冷凝器
73:除氧器 80:烟气系统
81:布袋除尘器 82:引风机
83:烟囱 90:空气系统
91:鼓风机 92:火下空气系统
100:液压系统
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例,对依据本实用新型提出的CAPS生物质气化发电装置其具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明如后。
请参阅图1所示,图1是根据本实用新型实施例的CAPS生物质气化发电装置的结构示意图。本实用新型CAPS生物质气化发电装置主要包括如下装置:加料装置10、热分解气化装置20、氧化燃烧装置30、除灰装置40、过热蒸汽产生装置50、汽轮发电机组60、供水系统70、烟气系统80、空气系统90、液压系统100。
其中,农作物秸秆由储藏间被送往加料装置10,加料装置10的出口连接热分解气化装置20的进口,农作物秸秆在热分解气化装置20内进行热分解气化反应,由液压系统100分别给加料装置10和热分解气化装置20提供动力。热分解气化装置20的出口还连接有除灰装置40,生物质燃烧的残余物成灰渣后被排放到除灰装置40中。氧化燃烧装置30直接位于热分解气化装置20之上,其进口与热分解气化装置20的烟气出口连接。空气系统90通过一鼓风机91输送空气,一部分输送到直接与热分解气化装置20连接的火下空气系统92,一部分输送到氧化燃烧装置30内,使得氧化燃烧装置30内的合成气体与空气进行充分的燃烧。由氧化燃烧装置30出来的高温烟气通过过热蒸汽产生装置50将烟气中的热能吸收,产生过热蒸汽,送往汽轮发电机组60发电,旋转的汽轮机61带动发电机62旋转发出电力,经过变压器63升压后送往电网。
其中,过热蒸汽产生装置50包括凝渣管束51、省煤器52(省煤器使用的是多级省煤器)、汽包53和过热器54;凝渣管束51的进口连接氧化燃烧装置30的出口,氧化燃烧装置的产品为高温烟气,高温烟气通过凝渣管束51进一步送往锅炉的过热器54和省煤器52,省煤器52排出的烟气在引风机82的抽吸下经过布袋除尘器81,后通过烟囱排往大气中。
其中,供水系统70包括化学水装置71、冷凝器72、除氧器73;冷凝器72的进口连接汽轮机61出口,化学水装置71与冷凝器72的出水共同经过除氧器73,之后再注入多级省煤器52中。其中,汽包53是热交换工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽,是维持锅炉正常的水循环的保证。汽包53内部有汽水分离装置和连续排污装置(图中未示),保证锅炉蒸汽品质。在运行过程中汽包53内总是维持有一定水量,保持一定蓄热能力,缓和汽压的变化速度。锅炉给水经过多级省煤器52加热后以饱和水或接近饱和水的状态送入汽包53;经过汽水分离装置的饱和水从汽包53经过下降管到达氧化燃烧室30的底部集箱(图中未示),经过膜式水冷壁33的换热后饱和水蒸发成饱和蒸汽回到汽包53;汽包53内的饱和蒸汽再经过过热器54的换热过程变成过热蒸汽。
请参阅图2所示,图2是根据本实用新型实施例的加料装置的结构示意图。加料装置10包括生物质燃料解捆机构11、松散机构12、多极存储机构13和喂料机构14,保证生物质燃料的正常稳定的供应。其中,生物质燃料经传送机构(图中未示)送到解捆机构11前,解捆机构11对生物质燃料进行解捆后,将生物质燃料推入生物质燃料松散机构12,并以低速运动方式被松散挤压,保证生物质燃料的在进行热分解气化反应前处于松散的状态。之后,生物质燃料进入分级存储机构13,在多级联动运行条件下,避免松散物料的架桥和阻塞。加料装置10另还设有生物质燃料的液压式喂料机构14,根据热分解气化装置20内的反应进程,保证将生物质燃料顺利送入热分解气化装置20。
请参阅图3所示,图3是根据本实用新型实施例的热分解气化装置的结构示意图。其中,热分解气化装置20包括依次顺序连接的燃料干燥区21、热分解气化反应区22和固态碳燃烧区23(又称为灰渣燃烬区)。热分解气化反应装置22在缺氧和微负压状态下工作,热分解过程中所释放的热量可通过调整热分解气化反应装置22供风量对其进行控制,使其少于完全燃烧所释放的热量。在这种亚化学当量的条件下,农作物秸秆燃料被干燥、加热和高温分解,释放出水气和可挥发性组分。秸秆燃料中不可分解的可燃部分在热分解气化反应室末端中燃烧,同时为热分解气化反应室提供热量直至成为灰烬。
其中,生物质燃料由加料装置10送入热分解气化装置20后,在热分解气化装置20的固体生物质燃料干燥区21将固体物料表面水分蒸发,利于其热分解气化过程的开展。
热分解气化装置20还设有热分解气化反应区22,经干燥的生物质燃料被推入燃料热分解气化反应区22,在规定的温度下,固体生物质分子在热分解气化反应区内分解成一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷和气态高碳氢化合物等合成气。
热分解气化装置20设有固态碳燃烧区23,在热分解气化反应区22完成热分解气化的剩余固体物质被送入固态碳燃烧区23,固体生物质燃料中不能分解气化的固态碳在固态碳燃烧区23内完全燃烧,发出能量。
热分解气化装置20通过对热分解气化过程中反应温度的有效控制,避免了灰渣在热分解气化过程中熔融结焦。
热分解气化装置20的工作条件:热分解气化装置处于缺氧还原条件,进入气化装置的空气量仅仅满足热分解过程的能量需要。在热分解气化装置内,不存在剧烈的搅动,是一种相对静止的工作环境,通常反应温度在550~750℃左右。
热分解气化装置20形成的产品:热分解气化装置20主要产生两大产品,即热分解过程中产生的可燃合成烟气和燃烬的惰性灰渣。合成烟气被送往氧化燃烧装置30内燃烧,燃烬的惰性灰渣经过除灰装置40在排出热分解气化装置20后回收使用,如作为农家肥出售给农户。
请参阅图4所示,图4是根据本实用新型实施例的氧化燃烧装置的结构示意图。氧化燃烧装置30直接位于热分解气化装置20之上并由紊流混合区31、点火燃烧器32、膜式水冷壁33、多级送风机构34和凝渣管束51等组成。其中,从热分解气化反应装置20中所释放出的可燃气体通过紊流混合区21进行充分紊流作用后进入氧化燃烧装置30的炉膛。
氧化燃烧装置30设置有点火燃烧器32,点火燃烧器32位于紊流混合区31内,点火燃烧器32用于系统的点火起动,如果装置内热能供应不足,点火燃烧器32也将点燃,以维持装置能量的平衡。
氧化燃烧装置30的内壁四周设置有膜式水冷壁33,其为锅炉受压件一部分,由空气系统90将助燃空气逐级注入到从热分解气化装置20出来的易燃气体混合物中。逐级风量增加用于控制氧化程度和能量释放,在热风口中间,释放的能量将被膜式水冷壁33内的循环水吸收。尖峰烟气温度将被控制在900℃以下,将飞灰软化及锅炉管壁的污垢最小化,足够量的热风将加到最后一级确保完全燃烧。附加的助燃空气使氧化反应过程得以完全、彻底地实现。多极送风机构34的送风口开孔与空气系统90相连接,在膜式水冷壁33上根据炉膛送风的位置及大小提供送风口及与之相应的连接件,如关断阀,膨胀节等。氧化燃烧装置30出口设有凝渣管束51,从氧化燃烧装置30中完全燃烧产生的烟气经过锅炉凝渣管束51排出炉膛并进入过热器54,经过凝渣管束换热降温后的烟气进入到高温过热器和低温过热器后,烟气温度降低保证飞灰在过热器上不会出现结焦架桥现象。
氧化燃烧装置30的工作条件:氧化燃烧装置30处于富氧环境,进入燃烧室的空气量大于实现合成气完全燃烧所需要的空气量,以实现所有合成气的分级完全燃烧。在氧化燃烧室内气流处于剧烈的搅动状态,以实现可燃的合成气体与空气快速和充分混合。氧化燃烧室内的燃烧反应温度也较高,根据所处理的生物质的特性,燃烧室的反应温度通常控制在800~1100℃。
氧化燃烧室实现的目标:氧化燃烧室必须在规定的温度条件下实现可燃合成气体的完全燃烧,同时对有机物进行高温分解。
氧化燃烧室形成的产品:氧化燃烧室的产品为高温烟气,高温烟气通过凝渣管管束51进一步送往锅炉的过热器54和省煤器52,通过热交换机制将烟气中的热能吸收,产生过热蒸汽,送往汽轮机61驱动发电机62发电,或者用于供应蒸汽,供应热水,采暖,空调等。
请参阅图5所示,图5是根据本发明实施例的除灰装置的结构示意图。除灰装置40由出灰机构41、一级密封机构42、灰渣冷却机构44、二级密封机构43和排灰机构45等组成。出灰机构41与热分解气化装置20的固态碳燃烧区23相连接,通过液压推进装置(图中未示)把热分解气化装置20燃烬的灰渣从炉膛内排出。一级密封机构42采用液压翻转密封装置,确保在除灰装置40的排灰过程中热分解气化装置20的密封和缺氧状态,保证热分解气化的连续进行。灰渣冷却机构44使热分解气化装置20排出的高温灰渣在排出热分解气化装置20后逐步降温。二级密封机构43采用气动翻板锁气装置,确保空气不会通过除灰装置40进入热分解气化装置20以实现生物质气化反应的正常的连续地进行。排灰机构45把已经冷却的灰渣通过储灰斗46排出,并经过运灰车47以便运送到指定的地点。
CAPS生物质气化发电装置将秸秆热能利用分为热分解气化和完全燃烧两个过程,前者为缺氧条件下的热裂解和不完全燃烧产生中间产物,即合成气,然后,合成气再与空气混合实现完全燃烧产生热能进行发电。合成气及其燃烧使生物质物料的能量利用率显著增大,燃烧完全、洁净,燃烧火力强、升温快,提高了生物质的利用效率。
以上所述,仅是本实用新型的较佳实施例而已,并非对本实用新型作任何形式上的限制,虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容,依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本实用新型技术方案的范围内。