一种生物质气化方法及装置与流程

1.本发明属于生物质能源制备领域，具体涉及一种生物质气化方法及装置。


背景技术：

2.我国是能源消费大国，随着能源需求的迅速增长，化石原料的日趋枯竭，大量使用化石燃料对资源造成了很大浪费，并对环境和生态造成污染，产生了严重的影响。因而，迫切需求开发清洁的可再生能源，而可再生能源之一的生物质能源就是能够储存和可运输的清洁能源，其具有资源分布广、储存量大的优势，故开发潜力巨大。
3.生物质气化技术是一种热化学处理技术，是将固体生物质放入气化炉中进行加热从而转化成可燃性气体，以此用作燃料。其基本原理是将固体生物质原料进行不完全燃烧，在转换过程中需要加入氧气或水蒸汽等气化剂，使其生成co、h2、低分子烃等可燃性气体。
4.现今气化炉包括固定床气化炉和流化床气化炉，固定床气化炉包括上吸式气化炉、下吸式气化炉及横吸式气化炉；流化床气化炉中流化二字指的是炉内燃料在氧气、蒸汽或者空气中呈现流动状态，流化床气化炉反应物中常常加入不参与反应的颗粒作为流化介质和热载体，随着气体的吹入在气流的作用下颗粒物上下翻动，在气化炉内部呈现“搅动”状态，气化剂从底部通入流化床，生物质原料经由靠近炉体底部的部位通入流化床，生物质原料与气化剂在相互混合的同时向上运动，发生干燥、热解、氧化与还原等一系列复杂的反应。
5.由于生物质物料粒度较小，而且流化床内的气固两相混合流动十分剧烈，流化床内传热传质效果比较好，因此气化效率以及气化强度都比较高；流化床内的气化剂以及生物质原料都呈现流态化，可以在比较宽的范围内进行调节，大大提高了流化床的可操作性，而且调节流态化的原料与气化剂并不会在实质上改变流化床的反应本质，所以气化效果与气化效率不会有很明显的降低；流化床的温度并不是非常高，而且温度分布较为均匀，反应剩余的灰分结渣的可能性也会大大降低；但是流化床气化炉相比于固定炉也存在一定的缺点。由于其反应原理，反应合成气的出口温度较高，气体带走了较多的热量，会造成比较大的显热损失。由于生物质原料需要呈流态进行反应，所以其流速较快，加上较小的生物质颗粒粒径，产气中会有较多的固体携带物。由于流化床的反应要求较为均匀的炉内温度、压降以及物料分布，其启动与控制单元较为复杂，流化床生物质气化炉虽然产气效果比固定床生物质气化炉好，但其设计复杂且运行成本过高，因此其实际应用并不多。
6.传统固定床生物质气化炉一般是先燃烧燃料使气化炉体升温，达到生物质气化温度后，再进行生物质气化过程。气化过程中，在同一反应室中同时进行供热及气化，但由于以此反应原理设计的工艺及设备，因其燃烧阶段产生物质对气化反应造成抑制，且难以提供稳定均匀的高温，导致其产生的气体热值不高。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中生物质制备工艺及设备难以保证其生物质气化产生气体的热
值及产气量的技术问题，本发明提供一种生物质气化方法及装置。
8.具体技术方案如下：
9.一种生物质气化方法，其不同之处在于，所述生物质气化方法在生物质气化装置进行，所述生物质气化装置包括燃烧室及蓄热室，包括以下步骤：
10.s1:将燃料在所述燃烧室进行燃烧后，产生的热量在所述蓄热室进行蓄热直至所述蓄热室达到生物质气化反应所需的温度后，停止燃烧；
11.s2:将生物质原料及气化剂送入蓄热室进行生物质气化反应。
12.与现有技术相比，本发明制备方法的有益效果在于：(1)将燃烧过程与气化过程分开进行，避免燃烧过程中产生的产物对气化反应产生抑制；(2)利用蓄热室储存的热量进行气化反应，可提供均匀、稳定的高温，提高生物质气化产生气体的热值。
13.进一步，所述步骤s1中，燃烧室预热至150℃～350℃后，再将燃料送入燃料室进行燃烧，燃烧后产生的烟气排出所述燃烧室，燃烧产生废料排出。
14.进一步，所述步骤s1中，气化温度为500℃～1200℃，燃烧温度高于气化温度。
15.进一步，所述步骤s2中，所述蓄热室内装有蓄热材料，所述生物质原料及所述气化剂通过与所述蓄热材料的热交换进行气化反应。
16.燃烧温度与气化具体温度根据不同生物质原料气化要求进行调节。
17.进一步，生物质的气化温度为800℃～1100℃，er值为0.2～0.6。
18.采取上述进一步技术方案的有益效果在于：采取上述范围时，产气率可以提高至1.1m3/kg以上。
19.进一步，生物质原料为微米级木屑。
20.进一步，er值为0.3～0.4。
21.采取上述进一步技术方案的有益效果在于：当er值在上述范围时，产气效率、产气率及产气品质的综合效果更为优良。
22.一种实现上述生物质气化方法的生物质气化装置，其不同之处在于，包括：连通在一起的燃烧室及蓄热室，所述燃烧室设置有燃料输入管及排灰口，所述蓄热室包括蓄热室本体及设于所述蓄热室本体内的蓄热材料；所述生物质气化装置还包括与所述蓄热室连通的烟气排出口、气化原料进口及产气出口；
23.其中，所述燃料输送管安装有燃料输送阀门，所述气化原料进口安装有气化原料输送阀门；
24.所述燃烧室和所述烟气排出口安装有温度测试装置和/或所述蓄热室安装有温度测试装置。
25.进一步，所述生物质气化装置还包括进料室，所述进料室、所述蓄热室及所述燃料区从上至下依次连接，所述进料室与所述蓄热室连通，所述烟气排出口及所述气化原料进口设置在所述进料室，所述产气出口设置在所述燃烧室。
26.进一步，所述燃料输送阀门与所述气化原料输送阀门不同时打开。
27.进一步，所述蓄热材料包括密布在所述蓄热室本体内的若干根蓄热管，所述蓄热管之间的间隙由绝热材料进行填充。
28.进一步，所述蓄热区本体内壁设有保温耐火砖。
29.进一步，所述蓄热管由所述三氧化二铝材料浇筑制备，所述绝热材料为耐火棉。
30.本发明的装置的有益效果在于：(1)将燃烧室和蓄热室分开操作，有效避免了燃烧过程中产生的物质对生物质气化的抑制影响；(2)蓄热室可以有效储存燃烧过程中产生的热量，从而保证生物质气化过程中的温度稳定，提高生物质的气化效率；(3)采用多根蓄热管填充炉腔，生物质气化反应在蓄热管中进行，生物质颗粒在蓄热管中能够均匀受热，气化效果会得到明显改善；(4)内部附加保温耐火砖，采用al2o3为材料浇筑制作蓄热单管，并将制备的蓄热单管采用多根管束布局，密布排列在炉腔内，能有效地起到保温隔热效果，使蓄热室中的温度极限由传统的1000℃提高至1200℃，提高生了物质的气化温度。
附图说明
31.图1为实施例1装置结构图；
32.图2为进料室主视图；
33.图3为蓄热室剖面图；
34.图4为蓄热室旋转剖视图；
35.图5为燃烧室结构图；
36.图6为燃烧室阶梯剖视图；
37.图7为实施例2装置结构图；
38.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0039]1‑
进料室，2
‑
蓄热室，3
‑
燃烧室，4
‑
法兰，5
‑
保温耐火砖，6
‑
气体换向装置，101
‑
烟气排出口，102
‑
气化原料进口，201
‑
蓄热室本体，202
‑
蓄热材料，203
‑
绝热材料，301
‑
燃料输入管，302
‑
排灰口，303
‑
产气出口，3011
‑
燃料输送阀门，1011
‑
烟气阀门，1021
‑
气化原料输送阀门，3021
‑
排灰口阀门，3031
‑
产气出口阀门，601
‑
第一通道，602
‑
第二通道，603
‑
第三通道，604
‑
第四通道，605
‑
第五通道，6011
‑
第一三通换向阀，6021
‑
第二三通换向阀，6031
‑
第三三通换向阀，6041
‑
第四三通换向阀，6051
‑
第五三通换向阀。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0041]
实施例1
[0042]
生物质气化装置从上至下分别为进料室1、蓄热室2和燃烧室3，分别制造，通过法兰4结构连接；蓄热室2包括蓄热室本体201，蓄热室本体内有多根蓄热管202密闭排列，蓄热管202之间填充耐火棉203，从而保证蓄热室2的隔热效果，生物质原料在蓄热管202内进行高温气化过程，燃烧室3设置有燃料输入管301、排灰口302及产气出口303，排灰口302设置在燃烧室3底部，烟气排出口101及气体原料进口102设置在所述进料室1，烟气排出口101设置在进料室1顶部，燃料输送管301安装有燃料输送阀门3011，气化原料进口102安装有气化原料输送阀门1021，排灰口302设置有排灰口阀门3021，产气出口303设置有产气出口阀门3031，燃料输送阀门3011与气化原料输送阀门1021不同时打开，所述烟气排出口安装有烟气阀门1011。
[0043]
装置工作时，首先燃料进入燃料室3燃烧，使蓄热室2温度升高，产生的烟气从炉体上部流出，灰渣从炉底排出。当温度达到气化要求时，关闭燃料输送阀门3011，燃烧室3中停
止燃烧，此时，进料室1的气化原料输送阀门1011打开，气化原料进入蓄热室2，由于之前的蓄热升温过程，蓄热室2的温度已经达到气化温度，生物质原料将在蓄热管202内气化，气化产生的气体从燃烧室3的产气出口303排出。
[0044]
所述进料室1、所述蓄热室2和所述燃烧室拼接后呈圆柱形，采用耐高温金属材料制造，内部附加保温耐火砖5，使整个炉体有良好的保温隔热效果。
[0045]
所述蓄热管202采用al2o3为材料浇筑制作，保温耐火砖5的厚度为3cm
‑
20cm。
[0046]
在传统的生物质固定床气化炉中，气化过程是在整个炉腔中进行的，首先因为整个炉腔的体积较大，生物质原料不能均匀受热，气化效果比较差，采用多根蓄热管填充炉腔，生物质气化反应在蓄热单管中进行，生物质原料在蓄热单管中能够均匀受热，气化效果更好。
[0047]
采用金属制造圆柱形炉体，内部附加3cm～20cm厚的保温耐火砖，采用al2o3为材料浇筑制作蓄热单管，并将制备的蓄热管采用多根管束布局，密布排列在炉腔内，能有效地起到保温隔热效果，从而保证生物质的气化温度。
[0048]
在本发明中，生物质气化温度的监测方法有三种：
[0049]
第一种方式为：同时监测燃烧室的温度和烟气排出口排出烟气的范围，当燃烧室的燃烧温度达到相应范围，而烟气温度也达到规定温度并呈现平稳态势，便可估算出生物质气化温度；
[0050]
第二种方式为：直接测试蓄热室中的温度。
[0051]
第三种方式为：结合上述两种方式一起判断。
[0052]
采取第一种方式时，在燃烧室及烟气排气口安装温度测试装置即可；
[0053]
采取第二种方式时，在蓄热室中安装温度测试装置即可；
[0054]
采取第三种方式时，燃烧室、烟气排出口及蓄热室均安装温度测试装置。
[0055]
在本实施例中，采取第一种方式进行温度检测，在燃烧室及烟气排气口安装温度测试装置(图中未示出)。
[0056]
实施例2
[0057]
在满足步骤s1与步骤s2分开的前提下，为进一步提高反应效率，连续进行，设置两个实施例1所述的生物质气化炉，并将其用气体换向装置6进行连接，两个生物质气化炉标记为第一生物质气化炉a及第二生物质气化炉b。
[0058]
连接在所述第一生物质气化炉a燃料输入与所述第二生物质气化炉b燃料输入管301之间的第一通道601，连接在所述第一生物质气化炉a与所述第二生物质气化炉b气化原料进口之间的第二通道602，连接在所述第一生物质气化炉a与所述第二生物质气化炉b排灰口302之间的第三通道603，连接在所述第一生物质气化炉a与所述第二生物质气化炉b产气出口303之间的第四通道604，连接在所述第一生物质气化炉a与所述第二生物质气化炉b烟气排出口101之间的第五通道605，安装在所述第一通道601上的第一三通换向阀6011及安装在所述第二通道602上的第二三通换向阀6021，安装在所述第三通道603上的第三三通换向阀6031，安装在所述第四通道604上的第四三通换向阀6041及安装在所述第五通道605上的第五三通换向阀6051。
[0059]
采用图7气体换向装置进行气体换向操作时：
[0060]
所述第一生物质气化炉的燃料输送管、排灰口以及烟气排出口连通时，所述第一
生物质气化炉的气化原料进口及产气出口关闭，所述第二生物质气化炉的气化原料进口及产气出口打开，所述第二生物质气化炉的燃料输送管、排灰口以及烟气排出口关闭；
[0061]
所述第一生物质气化炉的燃料输送管、排灰口以及烟气排出口关闭时，所述第一生物质气化炉的气化原料进口及产气出口打开，所述第二生物质气化炉的气化原料进口及产气出口关闭，所述第二生物质气化炉的燃料输送管、排灰口以及烟气排出口打开。
[0062]
所述燃料输送管301的连通与关闭通过所述第一三通换向阀6011进行控制；所述气化原料进口102的连通与关闭通过所述第二三通换向阀6021进行控制；所述排灰口606的连通与关闭通过所述第三三通换向阀6031进行控制；所述产气出口303的连通与关闭通过所述第四三通换向阀6041进行控制；所述烟气排出口101的连通与关闭通过所述第五三通换向阀6051进行控制。
[0063]
烧室3侧边的产气出口中排出，将排出的初生气经过净化处理，得到产品气。
[0064]
实施例3
[0065]
采用实施例2装置，在气化温度在1035℃，er值(即生物质气化供给的空气量与生物质完全燃烧理论所需的空气量之比)为0.2、0.3、0.4、0.6条件下以微米级木屑为原料分别进行生物质气化反应。
[0066]
具体步骤如下：
[0067]
步骤s1:首先将燃烧室预热到250℃，连通所述第一生物质气化炉a的所述燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，将微米级木屑原料以18kg/h～30kg/h的速率，空气以1.656m3/h的速率通过燃料输送管运送至燃烧室3进行燃烧，气化温度达到1035℃时，燃烧产生的灰渣从所述排灰口302排出，产生的烟气从所述烟气排出口101排出；
[0068]
步骤s2:关闭第一生物质气化炉a的燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，同时连通所述第一生物质气化炉a的所述气化原料进口102及所述产气出口303进行生物质气化反应，将微米级木屑原料以60kg/h的速率及200℃过热蒸汽通过气化原料进口102切向进入进料室形成旋流，微米级木屑原料与过热蒸汽的混合物在向下运动的过程中，与蓄热材料202进行换热，吸收蓄热材料202中储存的热量，在蓄热室2中全部气化，产生初生气，继续向下从蓄热室2进入最下部的燃烧室3，从燃烧室3侧边的产气出口303中排出，同时连通所述第二生物质气化炉b的所述燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，在所述第二生物质气化炉b中按步骤s1条件在蓄热室进行供热反应，直至所述第一生物质气化炉a降温至无法进行生物质气化反应同时第二生物质气化炉b达到生物质气化条件；将排出的初生气经过净化处理，得到产品气。
[0069]
步骤s3:关闭第二生物质气化炉b的燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，连通所述第二生物质气化炉b的所述气化原料进口102及所述产气出口303，按步骤s2反应条件在第二生物质气化炉b的蓄热室2中进行生物质气化反应，同时连通所述第一生物质气化炉a的所述燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，在所述第一生物质气化炉a的燃烧室3进行供热反应，直至所述第二生物质气化炉b降温至无法进行气化反应同时第一生物质气化炉a达到生物质气化条件，将排出的初生气经过净化处理，得到产品气。
[0070]
步骤s4:交替进行步骤s2及s3。
[0071]
实施例4
[0072]
采用实施例2装置，在气化温度在941℃，er值(即生物质气化供给的空气量与生物质完全燃烧理论所需的空气量之比)为0.2、0.3、0.4、0.6条件下以微米级木屑为原料分别进行生物质气化反应。
[0073]
具体步骤如下：
[0074]
步骤s1:首先将燃烧室预热到250℃，连通所述第一生物质气化炉a的所述燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，将微米级木屑原料以18kg/h～30kg/h的速率，空气以1.656m3/h的速率通过燃料输送管运送至燃烧室3进行燃烧蓄热，气化温度达到941℃时，燃烧产生的灰渣从所述排灰口302排出，产生的烟气从所述烟气排出口101排出；
[0075]
步骤s2:关闭第一生物质气化炉a的燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，同时连通所述第一生物质气化炉a的所述气化原料进口b及所述产气出口303进行生物质气化反应，将微米级木屑原料以60kg/h的速率及200℃过热蒸汽通过气化原料进口102切线进入进料室形成旋流，微米级木屑原料与气过热蒸汽的混合物向下运动的过程中，与蓄热材料202进行换热，吸收蓄热材料202中储存的热量，在蓄热室2中全部气化，产生初生气，继续向下从蓄热室2进入最下部的燃烧室3，从燃烧室3侧边的产气出口303中排出，同时连通所述第二生物质气化炉b的所述燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，在所述第二生物质气化炉b按步骤s1条件在蓄热室进行供热反应，直至所述第一生物质气化炉a降温至无法进行生物质气化反应同时第二生物质气化炉b达到生物质气化条件；将排出的初生气经过净化处理，得到产品气。
[0076]
步骤s3:关闭第二生物质气化炉b的燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，连通所述第二生物质气化炉b的所述气化原料进口102及所述产气出口303,按步骤s2反应条件在第二生物质气化炉b的蓄热室2进行生物质气化反应，同时连通所述第一生物质气化炉a的所述燃料输送管301、所述排灰口302及所述烟气排出口101，在所述第一生物质气化炉a的燃烧室3进行供热反应，在直至所述第二生物质气化炉b降温至无法进行气化反应同时第一生物质气化炉a达到生物质气化条件，将排出的初生气经过净化处理，得到产品气。
[0077]
步骤s4:交替进行步骤s2及s3。
[0078]
实施例5
[0079]
对实施例3及实施例4的产气进行检测，具体过程如下：
[0080]
首先对合成气进行净化处理，净化处理过程为：
[0081]
1、对合成气进行除尘；
[0082]
2、将经除尘之后的合成气进行冷凝，去除低沸点附属物；
[0083]
3、吸附气体中的小液滴焦油并同时进行干燥；
[0084]
4、对合成气体进行二次干燥，得到产品气。
[0085]
然后，用合成气分析仪气泵在负压条件下吸入产品气，对产品气进行在线成分检测。合成气分析仪采用的是便携式红外煤气分析仪(gasboard
‑
3100p系列)。该仪器可在线检测待测气体中的co、h2、ch4、o2和c
n
h
m
的组分占比。
[0086]
实施例3及实施例4产气品质评判指标计算结果如表1所示。
[0087]
表1实施例3及实施例4产气品质评判指标计算结果
[0088][0089]
表1说明在er值相同的情况下，温度越高越利于产气效率及品质；
[0090]
而在温度相同条件下，采用本发明气化装置进行生物质气化反应时，er值对生物质气化反应的气化效率及产气品质均有很大的影响，er值在0.2～0.6范围时，er值越高其产气率越高，但是气化效率与燃气热值呈现出随er值先升高后下降的趋势。当er值在0.3～0.4时，产气效率、产气率及产气品质的综合效果更为优良。
[0091]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。