專利名稱：生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及將可燃物料轉(zhuǎn)變成清潔高效合成氣的設(shè)備，具體地指一種生物質(zhì) 低溫裂解高溫氣化設(shè)備。
背景技術(shù)：
可燃物料氣化技術(shù)在二十世紀(jì)末得到了快速發(fā)展，特別是對燃煤進行氣化的技術(shù) 已經(jīng)相當(dāng)成熟，科研人員已成功地開發(fā)出了對煤種適用性廣、氣化效率高、產(chǎn)生污染少的煤 氣化工藝和設(shè)備。而對樹枝、秸稈、稻草或其他農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)進行氣化的技術(shù)則是本 世紀(jì)出現(xiàn)的一種綜合利用能源的新技術(shù)，已有的生物質(zhì)氣化技術(shù)主要包括固定床氣化、流 化床氣化、兩段式制氣等工藝和設(shè)備，這些都屬于直接氣化工藝和設(shè)備。直接氣化設(shè)備最主 要的特點是利用部分生物質(zhì)燃燒放出的熱量為氣化反應(yīng)提供能源，氣化反應(yīng)所采用的氧化 劑一般是空氣、富氧空氣、或富氧空氣與水蒸汽的組合中的一種。近期的研究和實驗表明 上述生物質(zhì)直接氣化設(shè)備存在如下幾方面的缺陷一、生物質(zhì)燃料的成份和熱值極不穩(wěn)定、著火點低、著火反應(yīng)快，容易發(fā)生爆燃現(xiàn) 象，在氣化爐局部區(qū)域形成超溫結(jié)焦結(jié)垢，氣化爐的運行溫度極難控制。二、當(dāng)以空氣作為氧化劑時，由于空氣中存在大量不發(fā)生反應(yīng)的N2成份，會導(dǎo)致合 成氣中的N2含量偏高、有效氣體(CCHH2)含量偏低、H2/C0比例下降，合成氣的熱值偏低且不 穩(wěn)定，一般只能維持在5000KJ/Nm3以下，難以滿足后續(xù)的工業(yè)利用。三、當(dāng)以富氧空氣作為氧化劑時，雖然可以減少合成氣中的N2含量，但需要附設(shè)體 積龐大且能耗極高的空氣分離裝置，這樣將大幅增加整個氣化工藝和設(shè)備的成本。四、當(dāng)以富氧空氣與水蒸汽的組合作為氧化劑時，雖然可以減少合成氣中的N2含 量、增加合成氣中的H2含量，但水蒸汽作為反應(yīng)介質(zhì)仍需要消耗大量的熱能，與分離空氣的 能耗累積，同樣會大幅增加整個氣化工藝和設(shè)備的投資。五、需要自燃約15 20%的生物質(zhì)來提供氣化反應(yīng)的能量，而燃燒產(chǎn)生大量的 CO2,從而降低合成氣中有效氣體(CCHH2)的含量。并且，高溫合成氣連同混雜于其中的空氣 將帶走大量的顯熱，這樣熱能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的比例將大幅下降，導(dǎo)致整個氣化工藝的冷煤 氣效率較低，一般情況在70%以下，最好狀況也不會超過80%。六、氣化爐的運行溫度大多設(shè)計為800 1200°C，而在該溫度區(qū)域進行氣化反應(yīng) 的生物質(zhì)燃料將產(chǎn)生大量難以清除的焦油，過多的焦油在設(shè)備和管道中累積和粘結(jié)，可造 成管道堵塞和設(shè)備污染。七、生物質(zhì)燃料氣化反應(yīng)所產(chǎn)生的灰份中含有大量的K、Na等堿金屬氧化物，一般 占灰份重量的20 40%，而這些堿金屬氧化物在溫度高于800°C時會氣化混雜于所產(chǎn)生的 合成氣中，不僅影響合成氣的品質(zhì)，而且與焦油一起粘附在設(shè)備和管道中，對設(shè)備和管道腐 蝕嚴(yán)重。鑒于上述生物質(zhì)直接氣化工藝和設(shè)備所存在的若干致命缺陷，目前還難以將其應(yīng) 用于實際生產(chǎn)中。如何使生物質(zhì)燃料的氣化工藝和設(shè)備從研究試驗階段轉(zhuǎn)化為實際商業(yè)利用，是本領(lǐng)域科研人員一直在努力攻克的難題。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是要提供一種工藝易于控制、能耗和投資低廉、冷煤氣效率 高、所產(chǎn)生合成氣的熱值大、且能根除焦油和堿金屬化合物的生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè) 備。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所設(shè)計的生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備，主要由裂 解爐和氣化爐、低溫等離子炬加熱器和高溫等離子炬加熱器、儲水箱和輸水泵、以及熱交換 器等部件組合而成。其中所述儲水箱通過輸水泵與熱交換器的給水輸入端相連，所述熱交換器的蒸汽輸出 端同時與低溫等離子炬加熱器的進汽口和高溫等離子炬加熱器的進汽口相連，所述低溫等 離子炬加熱器的排汽口與裂解爐的水蒸汽噴嘴相連，所述高溫等離子炬加熱器的排汽口與 氣化爐的水蒸汽噴嘴相連。所述裂解爐的出氣口與氣化爐的進氣口相連，所述裂解爐的排渣口與冷渣器的進 渣口相連，所述冷渣器的出渣口與灰炭分離器的進料口相連，所述氣化爐的出氣口與熱交 換器的氣體輸入端相連，所述熱交換器的氣體輸出端依次與除塵器、除酸塔和干燥器串聯(lián)。由于等離子炬加熱器具有可超高溫加熱、傳熱傳質(zhì)快、熱效率高、熱功率可調(diào)等特 點，用其加熱儲水箱中的水時，能夠高效、連續(xù)、穩(wěn)定地輸出符合工藝要求溫度的過熱水蒸 汽，過熱水蒸汽既作為氧化劑又作為能量載體，可確保裂解爐和氣化爐始終維持穩(wěn)定可靠 的運行。而熱交換器的設(shè)置可以有效回收初合成氣所攜帶的大量顯熱，這些顯熱可將儲水 箱中的水預(yù)熱成飽和蒸汽，再送入等離子炬加熱器處理，這樣可以降低等離子炬加熱器的 能耗，同時實現(xiàn)熱能的綜合利用。進一步地，所述裂解爐的進料口處連接有氮氣保護裝置。在從裂解爐的進料口投 放生物質(zhì)燃料時，也向該進料口輸送氮氣，所形成的氮氣密封層既可防止裂解爐內(nèi)的粗合 成氣外泄，又可阻止外界空氣進入裂解爐，從而杜絕火災(zāi)和爆炸的危險，并確保粗合成氣的品質(zhì)。再進一步地，所述灰炭分離器的焦炭出口通過焦炭輸送機與氣化爐的進炭口相 連。例如可以用螺旋送料裝置直接將焦炭輸送至氣化爐，這樣可以減少中間人工輸送環(huán)節(jié)， 提高氣化爐運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。更進一步地，所述裂解爐的水蒸汽噴嘴和氣化爐的水蒸汽噴嘴沿各自爐體的高度 方向布置有2 4層，每層沿圓周方向均勻切向分布。這樣，過熱水蒸汽分多層噴入，能夠 始終維持裂解爐和氣化爐內(nèi)沿高度方向的溫度場穩(wěn)定、均勻，確保過熱水蒸汽與反應(yīng)物充 分接觸。本實用新型在仔細研究和分析生物質(zhì)中水份、灰份、揮發(fā)份和灰熔點等固有特性 的基礎(chǔ)上，結(jié)合裂解爐和氣化爐的運行特點，摒棄傳統(tǒng)氧化劑空氣或富氧空氣，轉(zhuǎn)而利用過 熱水蒸汽在不同的溫度條件下分級對生物質(zhì)燃料進行低溫裂解和高溫氣化，其優(yōu)點主要體 現(xiàn)在如下幾方面其一，采用過熱水蒸汽在裂解爐和氣化爐對生物質(zhì)燃料分級裂解和氣化，過熱水 蒸汽既是氧化介質(zhì)又是能量載體，這樣不需要空氣或富氧空氣，工藝中省略了高能耗的空
4氣分離裝置，大幅降低了整個設(shè)備的能耗及工程總投資。其二，裂解和氣化兩級工藝中均無生物質(zhì)燃料的燃燒反應(yīng)，有效解決了傳統(tǒng)氣化 過程中爐內(nèi)燃料爆燃而產(chǎn)生局部結(jié)焦的難題，各級工藝非常易于掌控。且因為無需空氣或 富氧空氣參入反應(yīng)，所得合成氣中H2/C0的比例高，有效氣體(CCHH2)的含量高，可達到85% 以上，從而可大幅提高合成氣的熱值，拓寬合成氣的用途。其三，生物質(zhì)反應(yīng)裝置由裂解爐和氣化爐組成，生物質(zhì)首先被低溫裂解成粗合成 氣和焦炭，粗合成氣和焦炭再被高溫氣化。由于溫度設(shè)定的針對性極強，粗合成氣中不含堿 金屬化合物，其中的焦油和焦炭可全部轉(zhuǎn)化為初合成氣，碳轉(zhuǎn)化率高，有效克服了合成氣攜 帶雜質(zhì)對設(shè)備、管道沾污和腐蝕的難題，且可使合成氣的后續(xù)凈化流程更加簡單可靠。其四，由等離子炬加熱器在裂解爐和氣化爐外部產(chǎn)生的過熱水蒸汽提供裂解和氣 化所需要的全部能量，生物質(zhì)燃料的熱能可全部轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能，兩級工藝轉(zhuǎn)化的 冷煤氣效率可比傳統(tǒng)氣化工藝提高8 %左右，達到88 %以上。其五，等離子炬加熱器的熱效率高、輸入功率可調(diào)，當(dāng)生物質(zhì)燃料的成份發(fā)生變化 時，通過調(diào)整等離子炬加熱器的功率，即可方便地調(diào)節(jié)過熱水蒸汽的溫度區(qū)域，從而維持裂 解爐和氣化爐運行穩(wěn)定，確保初合成氣的產(chǎn)量和品質(zhì)穩(wěn)定。試驗表明，本實用新型的設(shè)備能夠有效氣化各種生物質(zhì)燃料，適合于生物質(zhì)氣化 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和制取生物質(zhì)液體燃料等工業(yè)應(yīng)用。

附圖為一種生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細描述圖中所示的生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備，主要包括用于生物質(zhì)輸送的皮帶傳送 機1、中間料斗2和螺旋給料機3，用于容納生物質(zhì)進行裂解和氣化反應(yīng)的裂解爐5和氣化 爐9，用于給裂解爐5和氣化爐9提供過熱水蒸汽的低溫等離子炬加熱器8和高溫等離子 炬加熱器10，用于給低溫等離子炬加熱器8和高溫等離子炬加熱器10提供水源的儲水箱 17和輸水泵16，用于熱能綜合利用的熱交換器11，以及用于合成氣后續(xù)凈化處理的除塵器 12、除酸塔13和干燥器14。皮帶傳送機1的輸出端置于中間料斗2的上方進口處，中間料斗2的下方出口與 螺旋給料機3的原料進口相連，螺旋給料機3的原料出口與裂解爐5的進料口相連。裂解爐5是對生物質(zhì)燃料進行一級處理的關(guān)鍵設(shè)備，其采用空氣或水冷夾套式常 壓絕熱殼體結(jié)構(gòu)，具有良好的高溫絕熱性能。裂解爐5的進料口布置在其上部或頂部，按照 容量大小可設(shè)置二至四個，以確保生物質(zhì)燃料能夠均勻投入，維持爐內(nèi)煙氣流場的相對穩(wěn) 定。裂解爐5的進料口處還連接有氮氣保護裝置4，所形成的氮氣密封層可有效阻隔粗合 成氣和空氣。裂解爐5的出氣口可以設(shè)置在其上部，也可以設(shè)置在其下部，通過管道與氣化 爐9的進氣口相連，將所生成的粗合成氣輸送至氣化爐9中。裂解爐5的排渣口采用固態(tài) 排渣形式，布置在其底部，按照容量大小可設(shè)置一至二個，這些排渣口與冷渣器6的進渣口 相連，用以冷卻含焦炭灰渣。冷渣器6的出渣口則與灰炭分離器7的進料口相連，用于分離焦炭。作為優(yōu)選的方案，灰炭分離器7的焦炭出口直接通過焦炭輸送機19與氣化爐9的進 炭口相連，這樣可以減少低效率的人工送料操作，滿足氣化爐9連續(xù)穩(wěn)定運行的需要。氣化爐9是對生物質(zhì)燃料進行二級處理的關(guān)鍵設(shè)備，其也采用空氣或水冷夾套式 常壓絕熱殼體結(jié)構(gòu)，確保優(yōu)良的高溫絕熱性能。氣化爐9的進炭口設(shè)置在其上部或頂部，按 照容量大小可以布置一至二個，以確保焦炭原料能夠均勻投入，維持爐內(nèi)煙氣流場的相對 穩(wěn)定。氣化爐9的排渣口采用液態(tài)排渣形式，布置在其底部，按照容量大小可設(shè)置一至二 個。氣化爐9的出氣口可以設(shè)置在其上部，也可以設(shè)置在其下部，通過管道與熱交換器11 的氣體輸入端相連，熱交換器11的氣體輸出端則依次與除塵器12、除酸塔13和干燥器14 串聯(lián)，干燥器14的輸出端與儲氣柜15相連。噴入裂解爐5和氣化爐9中的過熱水蒸汽是由儲水箱17中的軟水或除鹽水加熱 轉(zhuǎn)變而成的。儲水箱17的輸出端通過輸水泵16與熱交換器11的給水輸入端相連。熱交 換器11通常選用廢鍋，熱交換器11的蒸汽輸出端同時與低溫等離子炬加熱器8的進汽口 和高溫等離子炬加熱器10的進汽口相連，低溫等離子炬加熱器8的排汽口通過管道與裂解 爐5的水蒸汽噴嘴相連，高溫等離子炬加熱器10的排汽口通過管道與氣化爐9的水蒸汽噴 嘴相連。作為較佳的結(jié)構(gòu)，裂解爐5的水蒸汽噴嘴和氣化爐9的水蒸汽噴嘴沿各自爐體的 高度方向布置有2 4層，每層沿圓周方向均勻切向分布。這樣，噴入爐體內(nèi)的過熱水蒸汽 流場均勻、穩(wěn)定，且不留死角，可確保過熱水蒸汽與物料的充分接觸和混合。本設(shè)備還附設(shè)有灰渣庫18，可通過人工或機械的方式將灰炭分離器7所分離出的 固態(tài)灰渣、氣化爐9所排出的液態(tài)渣送至灰渣庫18儲存。上述生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備在實際運行時的工藝過程概括如下A)將破碎好的生物質(zhì)燃料經(jīng)由皮帶傳送機1、中間料斗2和螺旋給料機3輸送到 裂解爐5內(nèi)，同時通過氮氣保護裝置4向裂解爐5的進料口處輸入氮氣。對于灰秸稈類(樹 枝、樹根)生物質(zhì)燃料而言，控制其粒徑在20mmX20mm以下、含水量小于40%。對于黃秸稈 類(稻草、麥稈、茅草、玉米稈等)生物質(zhì)燃料而言，其粒徑要求可適當(dāng)放寬。B)儲水箱17中的除鹽水由輸水泵16送入熱交換器11的給水輸入端，與從熱交換 器11的氣體輸入端進來的初合成氣進行熱交換，除鹽水吸收初合成氣的顯熱，生產(chǎn)0. 4 0. 6Mpa的飽和蒸汽，該飽和蒸汽由熱交換器11的蒸汽輸出端同時輸送到低溫等離子炬加 熱器8和高溫等離子炬加熱器10中，被加熱成不同溫度的過熱水蒸汽。C)低溫等離子炬加熱器8所產(chǎn)生的500 800°C的低溫過熱水蒸汽從裂解爐5 的水蒸汽噴嘴進入其內(nèi)，保持裂解爐5內(nèi)的運行溫度為500 650°C、運行壓力為105 109Kpa、低溫過熱水蒸汽的噴入速度為35 50m/s，使生物質(zhì)燃料與低溫過熱水蒸汽充分 接觸，裂解生成粗合成氣和含焦炭灰渣，且控制粗合成氣在裂解爐5內(nèi)的停留時間為15 20s、粗合成氣的引出速度為15 20m/s。D)裂解爐5所產(chǎn)生的溫度為500 650°C的粗合成氣通過管道從氣化爐9的進氣 口輸入其內(nèi)。裂解爐5所產(chǎn)生的溫度為500 650°C的含焦炭灰渣則從裂解爐5的排渣口 進入冷渣器6，經(jīng)熱能回收后降溫到150°C以下，再通過灰炭分離器7將其中的焦炭分離出 來。所分離出的焦炭通過焦炭輸送機19從氣化爐9的進炭口輸入其內(nèi)，所分離出的灰渣則 送入灰渣庫18。E)高溫等離子炬加熱器10所產(chǎn)生的1200 1600°C的高溫過熱水蒸汽從氣化爐9的水蒸汽噴嘴進入其內(nèi)，保持氣化爐9內(nèi)的運行溫度為1200 1400°C、運行壓力為105 109Kpa、高溫過熱水蒸汽的噴入速度為35 50m/s，使粗合成氣和焦炭與高溫過熱水蒸汽 充分接觸，氣化生成初合成氣，且控制初合成氣在氣化爐9內(nèi)的停留時間為15 20s、初合 成氣的引出速度為15 20m/s。F)氣化爐9所產(chǎn)生的溫度為1200 1400°C的液態(tài)灰渣通過其排渣口排出，送入 灰渣庫18綜合利用。氣化爐9所產(chǎn)生的溫度為1200 1400°C的初合成氣則通過管道進入 熱交換器11的氣體輸入端，被除鹽水冷卻降溫至260 320°C后，從熱交換器11的氣體輸 出端進入除塵器12，初合成氣中攜帶的粉塵被除塵器12捕獲，除塵器12出口處初合成氣的 含塵濃度小于50mg/Nm3。G)經(jīng)過除塵處理的初合成氣進入除酸塔13，在除酸塔13中除去初合成氣中的 H2S、COS、HCL、NH3、HCN 等有害氣體。H)經(jīng)過除酸處理的初合成氣再進入干燥器14，除去其中的水份，即可獲得凈合成 氣，凈合成氣通過管道輸送至儲氣柜15中保存，供下游的工業(yè)應(yīng)用。經(jīng)過多次試驗和數(shù)據(jù)檢測，本實用新型所制取的凈合成氣的主要成份及特性如表 1所示。由表1可見，本實用新型所制取凈合成氣的CCHH2含量最高可達90%，H2/C0的比 值大于或等于1，合成氣的熱值(LHV)為12. 5 13. 4MJ/Nm3，冷煤氣效率在88%左右，具有 良好的商業(yè)前景，非常適于生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和制取生物質(zhì)液體燃料等工業(yè)應(yīng)用。表 1
權(quán)利要求一種生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備，包括裂解爐(5)和氣化爐(9)、低溫等離子炬加熱器(8)和高溫等離子炬加熱器(10)、儲水箱(17)和輸水泵(16)、以及熱交換器(11)，其特征在于所述儲水箱(17)通過輸水泵(16)與熱交換器(11)的給水輸入端相連，所述熱交換器(11)的蒸汽輸出端同時與低溫等離子炬加熱器(8)的進汽口和高溫等離子炬加熱器(10)的進汽口相連，所述低溫等離子炬加熱器(8)的排汽口與裂解爐(5)的水蒸汽噴嘴相連，所述高溫等離子炬加熱器(10)的排汽口與氣化爐(9)的水蒸汽噴嘴相連；所述裂解爐(5)的出氣口與氣化爐(9)的進氣口相連，所述裂解爐(5)的排渣口與冷渣器(6)的進渣口相連，所述冷渣器(6)的出渣口與灰炭分離器(7)的進料口相連，所述氣化爐(9)的出氣口與熱交換器(11)的氣體輸入端相連，所述熱交換器(11)的氣體輸出端依次與除塵器(12)、除酸塔(13)和干燥器(14)串聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備，其特征在于所述裂解爐(5) 的進料口處連接有氮氣保護裝置(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備，其特征在于所述灰炭 分離器(7)的焦炭出口通過焦炭輸送機(19)與氣化爐(9)的進炭口相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備，其特征在于所述裂解 爐(5)的水蒸汽噴嘴和氣化爐(9)的水蒸汽噴嘴沿各自爐體的高度方向布置有2 4層， 每層沿圓周方向均勻切向分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備，其特征在于所述裂解爐(5) 的水蒸汽噴嘴和氣化爐(9)的水蒸汽噴嘴沿各自爐體的高度方向布置有2 4層，每層沿 圓周方向均勻切向分布。
專利摘要一種生物質(zhì)低溫裂解高溫氣化設(shè)備，主要包括用于生物質(zhì)反應(yīng)的裂解爐和氣化爐，用于給裂解爐和氣化爐提供過熱源的低溫等離子炬加熱器和高溫等離子炬加熱器，用于給低溫等離子炬加熱器和高溫等離子炬加熱器提供水源的儲水箱和輸水泵，用于熱能綜合利用的熱交換器，以及用于合成氣后續(xù)凈化處理的除塵器、除酸塔和干燥器。其利用過熱水蒸汽作為氧化劑和能量載體，首先對生物質(zhì)燃料低溫裂解，獲得不含堿金屬氧化物的粗合成氣和焦炭；然后對粗合成氣和焦炭高溫氣化，獲得不含焦油成份的初合成氣，最后對初合成氣依次進行冷卻、除塵、脫酸和干燥處理，即可獲得高品質(zhì)的凈合成氣。該設(shè)備既適于生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，也適于制取生物質(zhì)液體燃料。
文檔編號C10J3/72GK201737906SQ20102026836
公開日2011年2月9日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者唐宏明, 張巖豐, 陳義龍 申請人:武漢凱迪控股投資有限公司