一種改進的上吸式生物質氣化裝置的製作方法

2024-04-14 12:00:05

1.本發明涉及環保爐具設備技術領域，尤其涉及一種改進的上吸式固定床生物質氣化裝置。


背景技術：

2.隨著高碳化石能源的利用，愈發嚴重的氣候變化問題受到廣泛關注，以生物質能為代表的零碳可再生能源是未來能源的發展方向。相比於其他可再生能源，生物質能除了能夠提供電力以外，還可以提供高值燃氣、生物柴油、高品質化學品、高品位蒸汽、生物炭肥原料等多種工業產品，服務於民生、交通、農業、工業、建築供暖等多個領域，在我國未來能源利用領域佔據重要地位。生物質能利用技術主要有熱化學轉化和生物化學轉化兩大類，其中熱化學法效率較高，生物質氣化是最主要的熱化學處置法之一。
3.上吸式生物質固定床氣化爐是工業中常用的生物質氣化反應裝備，上吸式氣化爐物料向下運動，氣體向上運動，物料依次經過乾燥、裂解、還原和氧化階段。高溫氣體與物料逆流，物料被高溫氣體加熱烘乾及裂解後，在爐體底部主要發生殘餘固體與氧氣的異相燃燒反應。上吸式爐型熱效率較高，且對原料要求相對寬鬆，同時合成氣中的氫氣含量較高，但其存在合成氣中焦油含量較高的缺點。本專利對傳統的上吸式氣化爐進行改進，以解決合成氣中焦油含量高的缺點，同時提高合成氣品質。
4.申請號為202011333813.4，名稱為「一種上吸式固定床生物質氣化爐」的專利，該專利提出了一種上吸式固定床生物質氣化爐，該專利中氣化爐主要包括鬥提機、進料裝置、氣化爐主爐、爐排、焦油回收裝置等。該專利對進料設備進行改進，減少了進料過程的卡堵現象，但其主要爐體結構與傳統上吸式氣化爐相同，焦油含量高的問題仍未解決；申請號為201420483698.2，名稱為「一種中部出氣的上吸式生物質氣化爐」的專利，該專利提出一種中部出氣的固定床上吸式氣化爐，以提高產出可燃氣的氣體質量。該專利中生物質從頂部入料，底部進風及排渣，但該專利裝置中氣化劑停留時間較短，可能導致氣化反應不充分，合成氣品質較低，同時焦油問題也未很好解決。
5.可見，傳統的上吸式氣化爐生物質從爐頂部加入，生物質依次經過乾燥、裂解、還原和氧化等過程，高溫氣體與物料逆流，物料被高溫氣體加熱烘乾及裂解。在爐體底部主要發生殘餘固體碳與氧氣的異相燃燒反應。根據運行案例經驗及理論分析，其具體缺點如下：1.合成氣中焦油含量高現有上吸式固定床氣化爐中，在熱解階段產生的焦油未通過高溫分解從出口流出，導致合成氣中焦油含量較高，影響可燃氣品質，進一步可導致合成氣品質降低及管道堵塞。
6.2.合成氣水分含量高現有上吸式氣化爐乾燥區域和合成氣出口距離較近，乾燥階段生物質揮發的水分幾乎全部進入合成氣，未與床層內的碳發生氣化反應轉化為氫氣和一氧化碳，合成氣中水分含量較高。
7.3.現有部分上吸式氣化爐從側壁面通風，導致爐內氣化劑分布不均勻，爐內出現偏燒現象。
8.4.現有上吸式氣化爐通風方式一般為側壁面或底部通風，缺少布風裝置會導致爐內氣化劑分布不均勻,因氣化劑濃度較高的部位極容易和碳發生反應，發生反應的區域生物質會被消耗，導致氣流壓降減小，氣化劑集中流動，造成爐內偏燒現象；


技術實現要素：

9.本發明為了解決現有技術中存在問題，提出了一種改進型的上吸式生物質氣化方法及其裝置，通過對傳統上吸式生物質氣化爐進行改進，改變床層形狀，改變水蒸汽及合成氣流向，使水蒸氣通過床層發生氣化反應，使得合成氣出口溫度高於傳統上吸式固定床，並形成焦油過濾層，使得焦油被過濾，以減少合成氣中得焦油含量，以解決傳統上吸式氣化爐焦油含量高的問題，同時可有效提高出口合成氣中的氫氣和一氧化碳比例，改善合成氣品質。
10.為了實現上述目的，本發明採用了如下技術方案：一種改進的上吸式生物質氣化裝置，包括爐體外壁、進料管、爐內擋板、固體收集水槽、進氣管、爐篦；爐體外壁為立式，頂部中心開設有安裝孔，頂部邊緣設有合成可燃氣出口；進料管插置於安裝孔，連接處密封處理，進料管部分位於爐體外壁外，用於投入生物質；固體收集水槽安裝於爐體外壁下部，並相互連通，固體收集水槽內盛有水；進氣管貫穿固體收集水槽設置，一端連接爐篦，另一端連通外界的風機；爐篦位於固體收集水槽和爐體外壁之間，爐篦與爐體外壁之間一周的間隙為固體出口；進料管位於爐體外壁內的端部為斜面，斜面外圍設有爐內擋板，所述爐內擋板為優弧結構，爐內擋板斜面的平面布置，爐內擋板內圈與進料管連接，外圈與爐體外壁的內壁連接，爐內擋板的開口位於進料管斜面的較低的一側，形成床層合成氣出口，爐內擋板上部的進料管外圍區域為合成氣流道。
11.作為更進一步的優選方案，進料管位於爐體外壁外的端部設有生物質緩存倉，生物質緩存倉外接有用於投入生物質的入料螺旋。
12.作為更進一步的優選方案，爐體外壁頂部還設有觀察孔。
13.作為更進一步的優選方案，爐篦上分布有空氣布風口，爐篦內置空氣布風器。
14.作為更進一步的優選方案，爐體外壁靠近爐篦的位置開設有水蒸汽入口。
15.作為更進一步的優選方案，爐體外壁底部內壁周向設有用於縮小生物質直接掉落空間的床層縮口。
16.作為更進一步的優選方案，爐體外壁為圓柱結構，固體出口的間隙寬度為爐體外壁直徑的1/15-1/10。
17.有益效果一、合成氣水分含量低本發明中生物質中的水分全部進入床層參與氣化反應，生成co和h2,相比於傳統
上吸式固定床氣化爐，可有效降低合成氣中h2o的含量,增加合成氣中co和h2的含量。
18.二、有效降低焦油含量由於合成氣出口位於還原層和氧化層中間，溫度高於傳統上吸式固定床氣化爐，在此溫度下焦油大部分為氣相，且在高溫作用下焦油會進一步分解為小分子氣體，同時出口的固體物質對粘性較高的焦油進行了二次過濾，大大降低了焦油的含量。螺旋環形流道使得合成氣的停留時間增長，有利於氣體間的二次反應。
19.三、布風更均勻，並通入蒸氣使得氣化反應更充分在爐體底部設置旋轉爐篦連接空氣布風器，布風器為多層布置，可大大增強床層內部的布風均勻性。同時床層周圍設置由蒸汽噴孔，噴入蒸汽可使得碳進一步轉化為co和h2，減少出口的固體中的碳含量，增加合成氣中h2和co的含量。
附圖說明
20.圖1為本發明內部結構示意圖；圖2為爐內擋板俯視圖；圖3為本發明床層位置示意圖；圖中：1.空氣入口，2.床層縮口，3.水蒸汽入口，4.爐體外壁，5.爐內擋板，6.合成可燃氣出口，7.生物質緩存倉，8.入料螺旋，9.觀察孔，10.合成氣流道，11.床層合成氣出口，12.空氣布風口，13.空氣布風器，14.固體收集水槽，15.固體出口，16.爐篦，17.進料管。
具體實施方式
21.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。
22.本發明中，提出了一種改進型的上吸式氣化爐，其主要結構如圖1所示。爐體的主要組成部分為進料螺旋、緩存料倉、進料管、爐體本體、出氣螺旋流道、空氣布氣倉、爐篦及出固體殘餘物水槽。
23.入料：經過自然乾燥的生物質如模板、秸稈、稻殼和園林廢棄物等經過破碎後，保持顆粒粒徑在5cm以內，將生物質顆粒加入螺旋進料器，生物質顆粒由螺旋輸送至生物質緩衝倉中。生物質緩衝倉底部裝有卸料閥，通過調節轉速控制進入爐內的生物質流量(2-10t/h)。生物質加入爐內後，沿著入料管在重力作用下自然下沉。
24.乾燥區域：入料管材料為鋼材，有較強的導熱性能，與外側高溫合成氣換熱後將熱量傳入入料管內對生物質進行乾燥。隨著生物質溫度的升高，在大於100℃時其內部的水分幾乎全部揮發,形成水蒸氣隨著生物質在入料管中向下運動。
25.裂解區域：隨著生物質向下運動，由於合成氣的高溫作用及底部床層的輻射作用，生物質的溫度快速升高，在到達入料管底部時溫度接近500℃，此時生物質內部揮發分快速析出，主要是小分子的co、ch4、co2及h2等，揮發出的小分子伴隨著蒸發的水分一起進入進料管底部氣化床層區域。
26.還原區域(氣化區)：進料管壁面左邊較高，右邊較低，因此生物質在加入爐內後，左邊阻礙較小，大部分生物質會在爐體左側集聚，爐內生物質氣化床層分布呈現左邊多右邊少的分布特徵，該床層分布特徵有別於現有的全部上吸式床層分布。左邊生物質較多，是主要的氣化反應區域。生物質自入料管底部下落進入床層後，床層內溫度在700-900℃左
右，在水蒸氣進入床層後，與剩餘的碳發生氣化反應，水分部分轉化為c0和h2,可減少合成氣中的水分含量，此項特徵與下吸式氣化爐相近。此外，通入的氣化劑如空氣和水蒸氣等在氧化區發生氧化反應後，剩餘的氧氣和水蒸氣也將進入還原區與碳發生氣化反應，轉化為co和h2。
27.氧化區域：還原區域反應剩餘的的碳在重力作用下繼續向下運動進入氧化區域，氧化區域為碳與氣化劑如氧氣和水蒸氣發生反應的主要場所。將空氣從底部通風管道利用增壓風機通入，空氣通過爐篦布風器後進入床層氧化區，與碳發生氧化反應，放出大量熱，為氣化反應提供能量來源，此床層內的溫度在900-1200℃之間。底部的爐篦布風器在順時針或逆時針旋轉，每轉約1-5min，在旋轉的同時，反應剩餘的固體沿著爐篦和爐體壁面的縫隙緩慢下落，此時的剩餘固體的溫度約300-400℃，落下後進入水槽中進行降溫。爐篦上連接由布風器，空氣氣化劑可通過布分器進入床層內，空氣通入壓力為3-5kpa，溫度為25-80℃，er(實際空氣量/理論空氣量)為0.15-0.3，通風孔為多層布置(4-8層)，可使得進入床層的氣體更加均勻。在氧化區域的爐體壁面上開有通入水蒸氣的開孔，孔徑為0.5-2cm,通入壓力為3-5kpa,溫度為105-150℃。通過額外將水蒸氣通入爐內，使得更多的碳與水蒸氣發生氣化反應，從而減少固體殘餘物中碳的佔比，提高可燃氣中co和h2的含量。
28.氣體出口區域：生成的合成氣在爐體右側出口離開床層，出口區域位於氣化區域和氧化區域中間位置，即合成氣流道位置，相比於傳統上吸式固定床，此處溫度仍然較高，約300-500℃，所有合成氣均需通過此區域，此溫度下大部分焦油為氣相狀態，並且此溫度可以促使合成氣中的焦油大分子進一步發生二次分解，減少合成氣中焦油的含量，提高合成氣的品質。此外，此位置會聚集固體殘餘物，對未裂解的黏性較大的焦油形成自然的過濾層，進一步減少合成氣中焦油的含量，緩解管道的堵塞現象。離開床層的合成氣沿著螺旋環形流道向上流動，相比於傳統的上吸式氣化爐，此流道使得合成氣具有更長的停留時間及湍動能，使得氣相之間的二次反應更加充分。
29.爐體描述：爐體從上至下可分為乾燥區、裂解區、還原區和氧化區，可適應不同類型的生物質如模板、秸稈、廢棄園林綠植、稻殼、玉米芯、棉杆、稻草等。破碎後的生物質(粒徑小於5cm)加入輸送螺旋，輸送螺旋為變頻式，通過頻率調節控制加入倉內的生物質的量。輸送螺旋下接生物質緩衝倉，緩衝倉容量為5-7噸生物質容量。緩衝倉下接變頻給料控制閥，通過調節頻率控制進入爐內的生物質量。控制閥下接進料管，進料管材為碳鋼，直徑d為1-2.5m,入料管在爐內延長至氣化區域至爐體縮口所在位置，入料管底部所在平面為傾斜平面。入料管右側伸入長度為爐體高度的0.45-0.6倍，入料管左側最低部位與右側最低部位所在的直線與水平線的夾角為40-60度。進料與爐體壁面之間的區域裝有平面擋板，厚度為0.8-2cm，擋板右側開孔，供合成氣流出，其開孔角度為90-125度。擋板的其中之一定位點為入料管道的右側最低點，其與水平方向的夾角約45-60度。爐體外壁面一般為碳鋼材質，其直徑為2.5-5.5m，爐體內側裝有耐火材料，耐火材料厚度為爐體直徑的0.05-0.1倍，可防止高溫損傷爐壁，同時對爐體進行保溫。爐體內壁面與入料管組成合成氣出流螺旋環形流道，流道接爐體左側上方氣體出口，氣體出口為方形或圓形，出口氣體流速為2-20m/s。爐體高度(不含下部水槽)為4.5-9m，爐體下部床層位置裝有耐火材料製作的縮口，縮口部位高度為爐體的0.25-0.35倍，縮口最底部位置與床層最底部齊平，縮口中間部位最厚，其厚度
為爐體直徑的0.15-0.25倍。爐體下部床層部位(0-0.2爐體高度)周圍爐體壁面上開有蒸汽噴孔，噴孔分布在爐體四周，其數量可在10-40個之間。噴入的蒸汽壓力可在3-5kpa，噴孔直徑0.5-2cm，噴入蒸汽量為噴入空氣品質的0-0.4倍。爐體底部設置有旋轉爐篦，轉速為1-5min每轉。殘餘的固體在旋轉爐篦的作用下緩慢下落，從爐篦和爐殼之間的縫隙落入水槽中。爐篦中裝有空氣布氣器，在爐篦上有12-30個通風孔，可將空氣均勻送入爐內，送入空氣的壓力3-5kpa，溫度為25-80℃，er(實際空氣量/理論空氣量)為0.15-0.3，通風孔為多層布置(4-8層)，可上下調節。爐內最下方設有水槽，水槽體積為3-20m3,高溫殘餘固體落入水槽中進行降溫。爐體上部開有觀察孔，在安裝視鏡後可對爐內工況進行觀察。實施例
30.(1)進料本實施例中，爐體高度為6.5m，爐體外徑為3.5m。破碎後的生物質通過螺旋輸送機8加入緩衝料倉7，螺旋輸送機為變頻螺旋，可調節加入緩衝倉的物料量。緩衝料倉7底部與變頻給料閥相連接。通過變頻給料閥將生物質送入入料管，入料管直徑為1.2m，入料管長度為4m，入料管底部所在平面與水平面的夾角為48度，爐內擋板與入料管底部所在平面共面，擋板厚度為1.8cm。
31.(2)氣化劑空氣從空氣管道中由增壓風機通入布氣室13，布氣室與爐篦16相連，布氣室有4層開孔，使得空氣均勻進入爐內床層，多層通風使得爐內氧化區氧化劑分布較為均勻，避免氧化床層內部出現溫度不均勻的現象。在爐體周圍設置有蒸汽噴口3，數量為20個，通過3kpa壓力將水蒸氣送入爐內。
32.(3)氣化過程生物質進入爐內後，在進料管的導向作用下完成布料過程。生物質進料過程中，在和進料管壁面進行換熱，生物質溫度高於100℃時內部水分快速析出，伴隨生物質繼續向下運動。運動至進料管底部時，溫度在500℃左右，此時生物質內部的揮發分快速析出，形成小分子ch4、h2、co及co2，焦油進入還原層。在還原層內部，生物質析出的水分與碳發生還原反應，此床層的溫度在800-900℃，還原反應可快速進行，在此反應下，生物質揮發的水分大量轉化為h2和co，從爐體右側出口離開床層。剩餘的固體進入氧化區與空氣中的氧氣發生氧化反應，氧化反應大量放熱，使得床層溫度在1000-1200℃以內。氧氣和碳在氧化層反應大量生成co和co2,生成的高溫氣體進入還原層，進入還原層後部分co2與碳發生反應生成co。合成氣的出口位於爐體右側，此位置低於還原層但高於氧化層，其溫度為350℃。生物質裂解產生的焦油及合成氣需經過此區域，大部分焦油在此溫度下為氣相狀態，並且大分子焦油仍會發生二次裂解，裂解為小分子。此外，在固體殘餘物的作用下，粘性較大的焦油會被過濾在床層內部，因此可大大降低合成氣內的焦油含量。離開床層的合成氣及焦油經過螺旋環形流道通過氣體排出口6進行排出。
33.(4)排渣過程離開氧化區域的固體通過旋傳的爐篦進行排出，爐篦在電機的帶動下進行轉動，轉速為1r/h。離開氧化區的固體溫度為300-500℃，經由出口15進入水槽14進行冷卻。
34.以下為上述改進式氣化爐的具體運行實例，來說明本發明的有益效果。
35.實施例1(說明可有效降低合成氣中的水分含量及焦油含量)
表1生物質物料元素和工業分析操作條件：生物質種類：木屑入料粒徑：2-5cm生物質入料量：7t/h爐內壓力：0.5kpa氣化劑：空氣空氣當量比er：0.25空氣進氣量：8064m3/h利用木屑作為氣化原材料，根據上述操作條件進行氣化過程，其氣化結果如下。
36.出口合成氣組成如表2所示：表2合成氣組成燃氣組成ch4co2h2coh2on2其他體積分數(％)1.21318185440.8氣化效率：80％灰渣含碳量：4.1％可燃氣焦油含量：＜5g/nm3由上面結果可知，本實施例中氣化爐出口h2o體積分數遠小於傳統的上吸式氣化爐(氣化出口水蒸汽體積分數在8％-15％)，可說明本發明在降低合成氣中水分含量的有益效果，該效果與下吸式氣化爐相近，但又避免了合成氣中的co及h2等氣體被氧氣氧化的不利作用。除此之外，由於水分與碳的反應，使得灰渣中的含碳量降低，低於傳統上吸式氣化爐8％-15％的水平。焦油含量也遠低於同類型生物質原料傳統上吸式氣化爐氣化，其焦油含量一般在8-20g/nm3。
37.實施例2(說明不同類型的生物質均有較好的適應性)表3生物質物料元素和工業分析操作條件：生物質種類：木屑、玉米芯、稻草及秸稈生物質入料量：7t/h入料粒徑：2-5cm
爐內壓力：0.5kpa氣化劑：空氣加蒸汽空氣當量比er：0.22蒸汽質量與空氣品質比：0.1利用木屑作為氣化原材料，根據上述操作條件進行氣化過程，其氣化結果如下：合成氣組成如表4所示：表4合成氣組成燃氣組成ch4co2h2coh2on2其他木屑1.310.821.318.46.241.20.8玉米芯1.612.519.717.95.142.11.1稻草1.2313.520.216.95.941.90.37棉杆1.2114.721.216.84.9410.19氣化效率：木屑：81％、玉米芯78％、稻草75％、棉杆82％灰渣含碳量：木屑3.85％、玉米芯4.25％稻草3.88％、棉杆4.53％可燃氣焦油含量：均小於4.59g/nm3由上面結果可知，本案例中利用多種類生物質進行氣化效果分析，其四種生物質種類的焦油含量均遠小於傳統上吸式氣化爐，表明此爐型對不同種類生物質均可以起到降低焦油含量的有益效果。同時，加入0.1倍空氣品質的蒸汽作為氣化劑，提高了出口h2的濃度，可提升合成氣的熱值。
38.(1)變頻式輸送螺旋下接生物質緩衝倉，緩衝倉容量為5-7噸生物質容量。緩衝倉下接變頻給料控制閥，控制閥下接進料管，進料管材為碳鋼，直徑d為1-2m,入料管在爐內延長至氣化區域至爐體縮口所在位置，入料管的最底部為管道右側，右側伸入長度為爐體高度的0.45-0.6倍，入料管左側最低部位與右側最低部位所在的直線與水平線的夾角為40-60度；(2)進料管與爐體壁面之間的區域裝有爐內擋板，其與水平方向的夾角約45-60度，厚度為0.8-2cm，擋板右側開孔，供合成氣流出，其開孔角度為90-125度。
39.(3)爐體外壁面一般為碳鋼材質，其直徑為2.5-5.5m，爐體內側裝有耐火材料，耐火材料厚度為爐體直徑的0.05-0.1倍；(4)爐體內壁面與入料管組成合成氣出流螺旋環形流道，流道接爐體左側上方氣體出口，氣體出口為方形或圓形；(5)爐體高度(不含下部水槽)為4.5-9m，爐體下部床層位置裝有耐火材料製作的縮口，縮口部位高度為爐體的0.25-0.35倍，縮口最底部位置與床層最底部齊平。縮口中間部位最厚，其厚度為爐體直徑的0.15-0.25倍；(6)爐體下部床層部位(0-0.2爐體高度)周圍爐體壁面上開有蒸汽噴孔，噴孔分布在爐體四周，其數量可在10-40個之間。噴入的蒸汽壓力可在3-5kpa，噴孔直徑0.5-2cm，噴入蒸汽量為噴入空氣品質的0-0.4倍。
40.(7)爐體底部設置有旋轉爐篦，轉速為0.5-3h每轉。爐篦中裝有空氣布氣器，在爐篦上有12-30個通風孔，可將空氣均勻送入爐內，送入空氣的壓力1.5-2mpa，溫度為25-80℃，er(實際空氣量/理論空氣量)為0.15-0.4，通風孔為多層布置(4-8層)，可上下調節；
(8)爐內最下方設有水槽，水槽體積為3-20m3；(9)氣體出口流道為螺旋環形流道，連接至爐體上方左側氣體出口。
41.以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。