生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置及方法與流程
2023-06-11 02:15:11
本發明涉及的是一種生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置及工藝方法，屬於生物質能源領域。
背景技術：
在能源和環境的雙重壓力下，大力開發清潔的可再生能源已成為擺在世界各國政府面前的一個非常緊迫的世界性課題。生物質能和其他新能源相比，具有可再生、汙染少、可運輸和儲存、與現在能源工業最具相容性等特點，因而特別受到關注。中國是一個農業大國，農林生物質資源豐富、數量巨大、品種多樣性。在利好的政策背景下，生物質資源化利用在中國獲得了長足的發展，但同時也產生工藝、裝備上的很多問題。
生物質氣化作為生物質資源化利用中一種熱化學轉化的方法，在國內多所高校進行了深入研究。人們相續開發了很多氣化發電工藝及裝備。縱觀當前生物質資源化利用氣化發電工藝及裝備：產品單一，經濟效益低；採用溼式淨化系統，產生水汙染；由於淨化不徹底採用內燃機及燃氣輪機發電系統穩定性差。南京林業大學團隊提出了生物質氣化熱燃氣燒鍋爐推動汽輪機發電的多聯產工藝，其已獲得階段性成功，但是也碰到了兩大問題：一是，生物質氣化氣燃燒雖然尾氣產生氮氧化物含量較低，但是由於環保要求越來越高，勢必也需要尾氣脫氮處理，脫氮處理費用昂貴，小規模產業項目不適合使用；二是，生物質氣化產生的可燃氣熱值低，不適合高溫高壓鍋爐使用，影響發電整體效益。因此，需要提出一個新的工藝方法解決熱值和可燃氣環保燃燒的問題。
技術實現要素：
本發明提出的是一種生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的方法，其目的旨在解決現有技術存在的上述缺陷，產生中熱值可燃氣，滿足高溫高壓鍋爐的熱量要求，提高發電整體效率；採用本方法後氮氧化物含量低，滿足環保要求，無需脫氮處理。
本發明所述的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的方法，包括如下步驟：
1）生物質原料被送入製備中熱值生物質可燃氣的氣化裝置內，生物質原料在700-850℃條件下，採用空氣與水蒸汽預混的氣化劑作用下氣化產生可燃氣，可燃氣熱值為1600-1800kcal，溫度200-300℃；
2）可燃氣直接送入環保型燃燒腔燃燒後通入高溫高壓鍋爐，燃氣在高溫高壓鍋爐內燃燒產生高溫高壓蒸汽，推動蒸汽輪機發電，對蒸汽輪機排出蒸汽餘熱進行利用;
3）對氣化裝置排出的炭冷卻後收集；
4）鍋爐尾氣通過空氣預熱器對空氣加熱，熱空氣由鼓風機送入分別送入燃燒腔和氣化裝置，利用其餘熱。
上述的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的方法，蒸汽輪機產生的低溫水在省煤器500內與鍋爐尾氣進行熱交換後，用於鍋爐補水。
本發明同時提供了一種能夠產生中熱值可燃氣，滿足高溫高壓鍋爐的熱量要求，提高發電整體效率，且無需脫氮處理的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置。
本發明所述的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置，它包括製備中熱值生物質可燃氣的氣化裝置200、用於生物質氣化可燃氣穩定燃燒的環保型燃燒腔300，高溫高壓鍋爐400、空氣預熱器600、煙氣抽風機700、蒸汽輪機900、發電機；
氣化裝置200中的可燃氣出口與環保型燃燒腔300中的燃燒管相通，環保型燃燒腔300中的出口高溫煙氣管與高溫高壓鍋爐400的燃氣入口相通；高溫高壓鍋爐400的蒸汽出口與蒸汽輪機900的蒸汽入口相通；高溫高壓鍋爐400的尾氣排放管與空氣預熱器600的殼程相通，空氣預熱管經空氣預熱器600的管程後分別與燃燒管、氣化裝置相通。
上述的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置，蒸汽輪機900的低溫水出口通過省煤器500與高溫高壓鍋爐400的補水口相通；高溫高壓鍋爐400的尾氣排放管分別省煤器500、空氣預熱器600相通。
上述的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置，製備中熱值生物質可燃氣的氣化裝置200包括氣化爐和蒸汽發生進氣系統；在氣化爐中上部設置有密閉進料裝置2，在氣化爐底部設置螺旋出料布氣裝置5，螺旋出料布氣裝置5中轉動的螺旋軸29為外周帶有螺旋葉片的中空軸，中空軸上均勻設置把中空軸內部與氣化爐內部連通的出氣孔；蒸汽發生進氣系統包括汽包11、循環熱水泵12、布置於氣化爐中下部的加熱盤管4、混合器13、風機17以及閥門；加熱盤管出口通過循環熱水泵12與汽包的進水口9相連，汽包的出水口10與加熱盤管進口相連；汽包的水蒸氣出口7通過閥門15連接在混合器13的進入口；風機17出口通過閥門14連接在混合器13的進入口；混合器13出口與通過旋轉接頭30與螺旋軸29一端相通；風機17入口與空氣預熱器600的空氣出口相連。
上述的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置，螺旋出料布氣裝置5包括多個平行的穿過氣化爐底部的梯形出炭槽28，每個梯形出炭槽28內設置一根轉動的螺旋軸29；伸出氣化爐外部的各梯形出炭槽28的端部連接有一個出炭倉26，出炭倉26內設置有一根轉動的二級出炭螺旋27。
上述的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置，環保型燃燒腔300被蜂窩狀的蓄熱體46分割成一級腔體45和二級腔體48；燃燒管41與生物質燃氣進口和一次布風管54相通，燃燒管41與一級腔體45相連接，一級腔體45上設置有點火槍42、熱電偶t1，在二級腔體48內設置與蜂窩狀的蓄熱體46相對的二次布風管47、熱電偶t2，二級腔體48與出口高溫煙氣管51相連，一次布風管54、風量調節閥52與二次風管47、風量調節閥53一起連接到送風風機49上，控制器50與熱電偶t1、熱電偶t2、風量調節閥52、風量調節閥53、送風風機49相連接；送風風機49入口與空氣預熱器600的空氣出口相連。
上述的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置，所述的蜂窩狀的蓄熱體46與進口燃燒管41端部距離為燃燒火焰長度的1.1-1.3倍，蓄熱體與燃燒管同軸，蓄熱體中間部分具有與燃燒管截面積一樣大的不開孔區域，蓄熱體外周部分上開有通孔，通孔的通流面積為蓄熱體外周部分截面積的40-50%，蓄熱體材料採用鋯剛玉磚、鎂鉻磚。
上述的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置，通過一次布風管54進入燃燒管內的一次進風量為可燃氣所需風量的90%左右，通過二次布風管進入二級腔體內二次進風量為可燃氣所需風量的10%；一級腔體的溫度在1000度以下。
本發明的有益效果：本發明是把生物質原料的收集、削片至3-5cm後，在皮輸送或者提升機作用下，被送入利用中熱值生物質可燃氣的氣化裝置內，氣化製得的熱燃氣通過環保型燃燒腔燃燒後送入高溫高壓鍋爐，燃氣在高溫高壓鍋爐內燃燒產生高溫高壓蒸汽，推動蒸汽輪機發電，蒸汽輪機排出蒸汽餘熱用來供暖，從氣化裝置底部排出的炭冷卻收集後，根據生物質原料不同，可用於製作燒烤炭、炭基肥、活性炭等。鍋爐尾氣通過空氣預熱器對空氣加熱，熱空氣由鼓風機送入分別送入燃燒腔和氣化裝置，利用其餘熱。
1）不需要外熱將可燃氣熱值提高，滿足高溫高壓鍋爐的熱量需求，提高了發電效率。
2）採用環保型燃燒腔，在燃氣熱值波動情況下，保證完全燃燒，穩定運行同時降低了氮氧化物產生量，更環保。
3）產品多樣化，將尾氣預熱加以充分利用。
附圖說明
圖1是一種生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的工藝流程圖
圖2是用於製備中熱值生物質可燃氣的氣化裝置
圖3是密閉進料裝置的示意圖。
圖4是螺旋出料布氣裝置主視圖。
圖5是螺旋出料布氣裝置俯視圖。
圖6是螺旋出料布氣裝置側視圖。
圖7是用於生物質氣化可燃氣穩定燃燒的環保型燃燒腔的結構示意圖。
圖8是一種蓄熱體的示意圖。
圖9是另一種蓄熱體的示意圖。
圖10是二次布風管的示意圖。
圖11是圖10的左視圖。
圖12是圖11的局部放大圖。
圖中：
100是生物質預處理裝置（切片、提升機）、200是製備中熱值生物質可燃氣的氣化裝置、300是用於生物質氣化可燃氣穩定燃燒的環保型燃燒腔、400是高溫高壓鍋爐、500是省煤器、600是空氣預熱器、700是煙氣抽風機、800是排氣筒、900是蒸汽輪機、1000是發電機。
1是減速器帶動旋轉的鋪料器、2是密閉進料裝置、3是燃氣出口、4是加熱盤管、5是螺旋出料布氣裝置、6是破橋裝置、7是蒸汽出口、8是補水口、9是進水口、10是出水口、11是汽包、12是循環熱水泵、13是混合器、14是閥門一、15是閥門二、16是閥門三、17是風機。
18是料鬥、19是刀閥一、20是進料裝置料位計、21是中間過渡料倉、22是刀閥二、23是進料螺旋。
24是爐內出炭螺旋葉片、25是減速電機、26是出炭倉、27是二級出炭螺旋、28是梯形出炭槽、29是螺旋軸、30是旋轉接頭、31是混合氣化劑進口、32是料位計。
41是燃燒管、42是有點火槍、43是看火門、45是一級腔體、46是蓄熱體、461是蓄熱體中間部分，462是蓄熱體的外周部分（開孔區域），463是通孔；47是二次風管、471是二次風管出風孔、48是二級腔體、49是送風風機、50是控制器、51是出口高溫煙氣管、52是風量調節閥、53是風量調節閥、54是一次布風管。
具體實施方式
參見圖1所示的生物質固定床氣化發電聯產炭、熱的裝置，氣化裝置200中的可燃氣出口與環保型燃燒腔300中的燃燒管相通，環保型燃燒腔300中的出口高溫煙氣管與高溫高壓鍋爐400的燃氣入口相通；高溫高壓鍋爐400的蒸汽出口與蒸汽輪機900的蒸汽入口相通；高溫高壓鍋爐400的尾氣排放管依次與省煤器500、空氣預熱器600的殼程相通。空氣預熱管經空氣預熱器600的管程後分別與氣化裝置200中的風機17入口、環保型燃燒腔300中的送風風機49入口相連，使得熱空氣被送入燃燒管、氣化裝置內。蒸汽輪機900的低溫水出口通過省煤器500與高溫高壓鍋爐400的補水口相通。蒸汽輪機900帶動發電機1000發電。
參見圖2所示的用於製備中熱值生物質可燃氣的氣化裝置，氣化爐上部設置有減速器帶動旋轉的鋪料器1用於將密閉進料裝置2所進氣化原料鋪平，將密閉進料裝置2根據設置在氣化爐爐體上的料位計32控制其加料，在螺旋出料布氣裝置5的上方300mm爐壁上布置有加熱盤管4，爐體下部設置有破橋裝置6用於防止反應層出現架橋。
蒸汽發生進氣系統由汽包11、循環熱水泵12、混合器13、閥門、風機17等組成。汽包11上設有補水口8、進水口9、出水口10、水蒸氣出口7。加熱盤管4出口通過循環熱水泵12與汽包進水口9相連，汽包11的水蒸氣出口7與通過閥門二15與混合器13相連，供氣化劑風機17出口通過與閥門一14與混合器13相連，混合器13出口通過旋轉接頭30與螺旋軸29相連，混合器13實現了空氣與利用氣化爐反應區熱量產生的水蒸汽的混合，並把它們通過螺旋軸29均勻進入到反應區。
參見圖3所示的密閉進料裝置，包括料鬥18、中間過渡料倉21、底倉、進料螺旋23等。料鬥18與中間過渡料倉21之間設置刀閥一19，中間過渡料倉21與底倉之間設置刀閥二22，底倉下部設置伸入氣化爐內的進料螺旋23。原料首先進入料鬥18，繼而打開刀閥一19，原料進入中間過渡料倉21，關閉刀閥一19，打開刀閥二22，原料進入底倉。然後打開進料螺旋23，原料進入氣化爐，同時關閉刀閥二22，繼而實現密閉進料
螺旋出料布氣裝置5除了可以出炭外還用於實現均勻布氣。對照圖4-6所示螺旋出料布氣裝置的示意圖，其由爐內出炭螺旋葉片24、減速電機25、出炭倉26、二級出炭螺旋27、梯形出炭槽28、旋轉接頭30組成。減速電機25帶動帶有爐內出炭螺旋葉片24的螺旋軸29旋轉出炭，出炭倉26與梯形出炭槽28兩端相連，出炭倉26內設置連接二級出炭螺旋27。爐內出炭螺旋24上的螺旋軸管29上均勻分布有布氣用出氣孔，用於均勻布氣化劑入氣化爐。
製備中熱值生物質可燃氣的氣化裝置的優點：
閥門與混合器相連，供氣化劑風機出口與閥門、混合器相連，混合器出口與出料螺旋中間軸相連，實現了空氣與利用氣化爐反應區熱量產生水蒸汽混合後，均勻進入到反應區。
螺旋出料布氣裝置中，作為中空軸的螺旋軸均勻布置出氣孔，實現一機兩用，均勻出料的同時均勻布氣，並對氣化劑進行預熱。
在反應區布置盤管，利用反應區熱量製得水蒸汽，簡單，方便。
爐外採用空氣與水蒸汽的預混合系統，保證在進水蒸汽反應的同時，可以提供足夠熱量，不引起反應溫度下降，保證氣化的穩定進行。
對照圖7所示的用於生物質氣化可燃氣穩定燃燒的環保型燃燒腔，包括與生物質燃氣進口和一次布風管54相通的燃燒管41，燃燒管41與一級腔體45相連接，一級腔體45是上設置有點火槍42、看火門43、熱電偶t1，一級腔體的後端與蜂窩狀的蓄熱體46相連，蜂窩狀的蓄熱體46後部與二級腔體48相連接，二級腔體48內（蜂窩狀的蓄熱體46後部）設置有二次布風管47、熱電偶t2，二級腔體48與出口高溫煙氣管51相連，一次布風管54通過風量調節閥52、二次風管47通過風量調節閥53一起連接到送風風機49上，控制器50與熱電偶t1、熱電偶t2、風量調節閥52、風量調節閥53、送風風機49、壓力變送器p1、壓力變送器p2相連接，繼而形成燃燒腔。
控制器50，其一，控制一次進風量為可燃氣所需風量的90%左右，二次進風量為可燃氣所需風量的10%左右；其二，控制一級腔體的溫度在1000度以下，控制器從熱電偶t1獲得超溫信號，調整風量調節閥52和風量調節閥53，降低一次風風量，同時提高二次風風量。
對照圖8、9所示蓄熱體，蓄熱體46形狀根據腔體形狀變化，可以是方形，也可以設計成圓形，蓄熱體46前端面與進口燃燒管41端部距離為燃燒火焰長度的1.1-1.3倍，蓄熱體開孔通流面積為蜂窩狀的蓄熱橫截面積的40-50%，蓄熱體中間部分461不開孔，該不開孔區域的截面積與燃燒管截面積基本一樣大，蓄熱體的外周部分462是開孔區域，該區域上開有通孔463，各通孔的通流面積（截面積）之和為蓄熱體外周部分開孔區域截面積的40-50%，蓄熱體材料採用蓄熱、耐溫能力強的鋯剛玉磚、鎂鉻磚等。
對照圖10、11所示的二次布風管，二次布風管47距離蓄熱體46後端面距離100-200cm之間，其布風管也根據腔體形狀變化，可以是方形，也可以設計成圓形，其朝向蓄熱體46的側部均勻開有二次風管出風孔71。
生物質氣化可燃氣穩定燃燒的環保型燃燒腔的優點：
1）本燃燒器可以適應可燃氣熱值大範圍波動，本燃燒腔內採用蜂窩狀的蓄熱體，蓄熱體散熱慢，保證了其溫度始終高於可燃氣的燃點，即保證低熱值可燃氣的穩定燃燒。
2）本燃燒腔採用了兩級燃燒腔體、兩級自動配風結構，控制燃燒溫度以及給可燃氣燃燒創造還原性的氛圍，以達到控制尾氣氮氧化物含量的目的。
對照附圖1，以木材原料為例：經過切片的原料經過生物質預處理裝置100（用鼓式切片機切片至3-6cm左右）、提升機通過氣化裝置200中的密閉進料裝置2進入氣化爐內。風機17鼓入來自空氣預熱器10的熱空氣；同時氣化爐下部加熱盤管4水逐步吸收反應區的熱量在汽包中形成蒸汽，經過閥門二15，蒸汽與熱空氣在混合器13中混合後，由風機17送入氣化爐中出炭螺旋軸中，再通過螺旋軸上的出氣孔均勻布入氣化爐，在700-850℃發生氧化-還原反應，同時由於通入一定比例的水蒸汽發生加氫反應，氣化後產生熱燃氣（熱燃氣溫度200-300℃含有提取液、焦油、粉塵），熱值為1600-1800kcal。氣化裝置200下部產生的生物質炭經過常規設備內軸和外殼通水的螺旋冷卻收集後打包入庫，根據生物質原料不同，可用於製作燒烤炭、炭基肥、活性炭等。
氣化爐底部設置有破橋裝置可以防止反應區架橋；設置有獨特的螺旋出料布氣裝置，保證了出料布氣均勻；利用反應區熱量的蒸汽發生進氣系統以及採用蒸汽與熱空氣採用爐外混合進氣方式，保證反應穩定，同時混合氣化將可燃氣熱值提高至1600-1800kcal，滿足高溫高壓鍋爐使用要求。
含有提取液、焦油、粉塵的熱燃氣在風機27的正壓下送入環保燃燒腔300燃燒。控制器50控制送入一級腔體45內的一次風風量為總風量的90%,送入二級腔體48內的二次風風量為總風量10%。在一級腔體形成一個限氧燃燒的環境，而燃料型氮氧化物是在氧化氣氛下產生，一級腔體產生燃燒型氮氧化物量就會大大降低。還有10%可燃氣沒有燃燒，通過二級腔體供入氧氣進行燃燒，通過控制一級腔體送風量控制一級腔體的溫度在1000度以下，如果超溫，控制器50會自動降低一次風的風量，這樣降低了熱力型氮氧化物的產生。蓄熱體46在可燃氣燃燒火焰灼燒下，始終保持溫度，當可燃氣出現大的波動時，比如可燃氣熱值突然降低至650kacl，此時火焰由於配風可能瞬間斷火，當可燃氣直接噴射到高溫蓄熱體上，立刻復燃（即使不能立刻燃燒，低熱值可燃氣也會立刻被氧化），同時控制器自動調整供風量，保證供氧，這樣保證可燃氣不因為熱值波動，不燃燒的可燃氣在後續鍋爐中集蓄引起安全事故，同時也保證了燃燒腔的穩定運行。該燃燒腔既可以實現熱值波動的生物質氣化熱燃氣穩定燃燒，又降低氮氧化物含量，保障了燃燒的環保性。
燃燒腔300燃燒的高溫煙氣通過出口高溫煙氣管51直接送入鍋爐400中，鍋爐400產生高溫高壓蒸汽推動蒸汽輪機900，進而帶動發電機1000發電，蒸汽經過汽輪機部分蒸汽供熱使用，低溫水進入凝氣器回省煤器500用於鍋爐補水。鍋爐400尾氣經過先經過省煤器500，再經過空氣預熱器600對氣化劑進行預熱，預熱後空氣送入燃燒腔300和氣化爐200，尾氣最終通過排氣筒800排出。
本發明採用製備中熱值生物質可燃氣的氣化裝置產生可燃氣熱值可以達到1600-1800kcal，燃燒滿足者高溫高壓鍋爐的發熱量要求，可以提高發電效率；採用環保型燃燒腔，燃燒穩定同時降低尾氣氮氧化物的含量，尾氣無需加裝脫硝裝置即可滿足排放要求；產品多樣，經濟效益好，可規模化使用。