專利名稱：生物質氣化制備燃料氣的方法及氣化反應裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種將生物質轉化為潔凈燃料氣的方法和氣化反應裝置。
生物質作為可再生能源，是除煤、石油、天然氣以及核能之外的具有開發(fā)前景的能源之一，可利用的生物質包括生活垃圾中的動植物廚余、動植物加工廢料，如鋸末、樹皮、木屑、果皮、秸稈、糞便和屠宰場廢料，其它還包括污泥及以能源利用為目的專門種植的木草等等。作為可再生能源，參與生物圈碳循環(huán)，因此其利用過程中釋放的CO2不會產生溫室效應；同時生物質的硫份和灰份一般較低，硫、灰排放的處理負擔輕，因此在石油貯量日益枯竭，而煤炭利用又存在高污染及不可再生等因素的影響下，世界各國已逐步意識到生物質能量化利用的重要性和各種合理途徑，美國甚至計劃種植高產短生長周期的草木以供能量利用。我國生物質資源十分豐富，僅農作物秸稈的年產量即達7億噸以上，約合標準煤3億多噸，而我國城市垃圾中的主要成分也是生物質。
傳統(tǒng)處理生物質的方法包括填埋、還田或就地焚燒，造成資源浪費、土壤和水源的污染、土地結構的破壞及高溫室效應甲烷氣生成，同時滋生病菌，危害人類健康。目前專門的焚燒技術由于減容大、可回收熱能而得到較快發(fā)展，但二次污染問題比較棘手。新興生物質氣化技術的突出優(yōu)點在于生物質原料轉化獲得化學能的同時，環(huán)保性能優(yōu)越，因此氣化法是當前生物質能量利用的新方向，主要體現(xiàn)在以下幾個方面(1)高溫還原性氣氛下，熱解氣化過程中產生的高分子碳氫化合物可以得到有效分解，同時防止逆向合成反應的進行；如某些生物質原料存在氯元素，則氯元素以氯化氫而不是游離氯的形式存在，也無游離氧存在，因此在高溫較長停留時間下操作可很好控制二惡英的生成。而已有的研究表明，含氯廢料的焚燒會產生較多的二惡英；(2)焚燒過程中部分氧化態(tài)的重金屬存在于排出的灰渣中而被視為危險物，氣化過程生物質中的重金屬基本上以還原態(tài)的重金屬形式富集于排除的灰渣中，被視為非危險物；(3)氣化法無酸性氣體生成，煤氣氣量僅為焚燒煙氣量的1/3，氣氛中粉塵、HCL等待處理物質濃度高，后續(xù)污染控制設備的規(guī)模小，投資小。
但常規(guī)的氣化方法在處理能量密度低、揮發(fā)分含量高的熱粘性生物質廢料時，系統(tǒng)的進料機構以及床內氣固流動及溫度場均需重新安排和構造。更重要的是高分子碳氫氧化合物產生較多，即通常所說的焦油，在沒有采取任何焦油裂化措施時，生物質如秸稈氣化產焦油量達20g/NM3。焦油的產生容易造成后系統(tǒng)堵塞和后續(xù)加工處理的困難，限制生物質氣化爐的推廣使用，同時使煤氣產率和熱值下降，系統(tǒng)冷煤氣效率下降，因此解決好生物質熱解氣化過程中焦油裂解問題是成功開發(fā)生物質氣化裝置和工藝的關鍵。焦油可采用催化裂化法或在高溫條件下保持一定的停留時間進行有效的分解。從相關文獻報道看，目前較多采用前一種方法，主要借鑒了烴類加工工業(yè)的方法，采用各種重油裂化催化劑或具有焦油裂解作用的廉價石灰石，但均存在催化劑積炭問題，影響使用壽命，因此需再生處理，增加了設備、工藝的復雜性，且焦油裂解不徹底，使煤氣的利用受到限制(如燃氣輪機適用燃氣要求焦油含量小于0.1g/NM3)，這些問題在中小型生物質氣化工藝中更顯突出。另有報道在生物質氣化過程中冷凝焦油并回收返回爐內消耗的工藝，但需增加油水分離系統(tǒng)，回流泵和回流管路內易發(fā)生堵塞等問題，同樣增加了工藝的復雜性。美國能源部新近組織開發(fā)了生物質氣化技術，為提高燃料氣熱值，在工藝上采取雙爐操作的模式，生物質在熱解氣化爐內與熱沙混合完成熱解產出高熱值煤氣，同時含碳飛灰與砂子混合進入燃燒爐內燃燒完成砂子的加熱，熱沙再返回熱解氣化爐內完成循環(huán)，但過程中也存在焦油的處理問題。
本發(fā)明的目的是提供一種無焦油產生、且工藝簡單的生物質氣化制備燃料氣的方法及氣化反應的專用裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的生物質不需分揀和凈化，破碎至小于5mm，加入氣化爐在700～800℃下進行熱解氣化，生成含有焦油的空氣煤氣再通過頂部高溫區(qū)域，使焦油在高溫下裂解，得到不含焦油的潔凈煤氣。
本發(fā)明的生物質氣化制備燃料氣的方法包括如下步驟(1)把生物質破碎至粒度小于5mm；(2)將砂料置于氣化爐內，加熱到700～800℃，把粒度小于5mm的生物質加入到氣化爐內，并與砂料在攪拌狀態(tài)下，通入空氣，入爐空氣總量與生物質原料配比為2.0-3.5NM3/Kg，保持氣化爐內溫度為700～800℃，生成含焦油的空氣煤氣；(3)含有焦油的空氣煤氣通過850～950℃的高溫區(qū)并停留1-3秒裂解，生成不含焦油的潔凈煤氣；(4)將不含焦油的潔凈煤氣的一部分返回到第(3)步高溫區(qū)，配以完全燃燒所需空氣，使高溫區(qū)溫度保持在850～950℃，使含焦油的空氣煤氣中的焦油裂解。
如上所述空氣總量是指底部入爐空氣和由頂部噴嘴進入空氣兩個部分之和。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明，設計了一種專用氣化反應裝置。
該裝置是由爐體、進料口、測溫口、氣體分布板、煤氣出口、燃料噴嘴組成，其特征在于一個進料口位于爐體下部的氣體分布板之上，另一個進料口位于爐體頂部，在爐體中部沿徑向安裝有一組燃料噴嘴，在爐體上部的煤氣出口之下沿徑向安裝有另一組燃料噴嘴，在爐體下部的氣體分布板之下有進風室和進風口，在爐體內裝有攪拌器。
如上所述的氣體分布板是錐形的。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明由于基于氣化技術，二惡英類物質的生成得到抑制，同時待處理氣量小，使后續(xù)污染控制設備規(guī)模小，投資小，環(huán)保性能優(yōu)越。
(2)本發(fā)明的反應裝置結構簡單，操作方便。
(3)本發(fā)明的制備燃氣的方法無焦油產生，工藝簡單。
(4)所產煤氣的熱值在1200-1500Kcal/Nm3。
下面結合實施例及其附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖1是本發(fā)明的流程圖。
圖2是本發(fā)明專用氣化反應裝置的結構示意圖。
如圖所示，1是爐體，2是位于爐體1中部的燃料噴嘴，3是位于爐體1上部且位于煤氣出口4之下的燃料噴嘴，5是位于爐體1下部且位于氣體分布板8之上的進料口，6是位于爐頂?shù)倪M料口，因此原料可以根據(jù)具體情況選擇不同位置的入料口入爐，7是原料入口閥，9是位于爐體1底部且位于氣體分布板6之下的進風口，10是與氣體分布板8連接并與爐體1底部連接的排砂排灰口，下接排料閥11,12是安裝于爐體1內的攪拌器，該攪拌器12通過位于爐體1頂部的電機13驅動，14、15、16是位于爐體1上中下三處的測溫口，17是聯(lián)接熱電偶的測溫儀表，18是進入爐體1內的砂料或生物質，19是鼓風機，20是空氣壓力表，21是電機，22是由電機21帶動的螺旋進料器，23、24是連接螺旋進料器22的儲料倉，25是燃料源，26是與煤氣出口4相連的旋風分離器，27是儲灰倉，28是灰渣，29是水冷換熱器，30是水泵，31是冷卻水，32是排出的熱水，33是從水冷換熱器29排出的冷凝水，34是純凈煤氣，35是真空泵，該真空泵將潔凈煤氣34一部分返回到燃料源25，36是位于氣體分布板8之下的進風室。
實施例1以木屑為氣化原料不需分揀、凈化，破碎至粒度小于5mm，裝入儲料倉23、24待用。將過篩后粒度均一的砂料置于氣化反應器1中，開啟羅茨鼓風機19和城市煤氣氣源或液化氣氣源25出氣閥，在常壓下用液化氣或城市煤氣配以完全燃燒所需空氣由爐體上部噴嘴3和爐體中部噴嘴2進入爐內燃燒進行烘爐，在測溫口14、15、16中插入熱電偶，通過熱電偶連接控溫儀17進行測溫。將爐頂溫度升高到860℃，將爐體下部和中部溫度升高到750℃，開啟電機13帶動攪拌器12開始攪拌，開啟電機21使螺旋進料器22將儲料倉23或24里準備好的生物質送入到爐內，按入爐空氣木屑比為2.325Nm3/Kg的計量空氣(入爐空氣總量計)，使空氣從進入口9進入爐內，并停止噴嘴2進氣，空氣經過氣體分布板8入爐與生物質接觸，使爐下部和中部的溫度為750℃，并調整噴嘴3的流量，使爐頂溫度為860℃，待床溫和氣量調節(jié)穩(wěn)定后，開啟冷卻水泵31，生物質和從分布板8入爐的空氣在750℃的溫度下進行燃燒及熱解氣化反應，生成含有焦油的空氣煤氣。該空氣煤氣上升到爐頂部860℃的高溫區(qū)、停留1秒后，使焦油分解。煤氣從出口4進入旋風分離器26，使灰塵和煤氣分離；灰塵進入儲灰倉27，從儲灰倉27排出灰塵28；從旋風分離器26出來的煤氣經過水冷換熱器29冷卻后得到潔凈煤氣34。開啟真空泵35，使部分潔凈煤氣返回到燃料氣源25處，再通過噴嘴3入爐頂，此時停止城市煤氣或液化氣等替代燃料的供給，調整返回煤氣的量，使爐頂?shù)臏囟缺３衷?60℃。煤氣經水冷換熱器29冷凝出來的冷凝水33排放，所產煤氣的指標見表1。
實施例2調節(jié)爐頂溫度達870℃，將爐體下部和中部溫度變?yōu)?50℃，空氣木屑比變?yōu)?.07Nm3/Kg，含有焦油的空氣煤氣上升到爐頂部870℃的高溫區(qū)，停留2秒，其余同實施例1。
實施例3調節(jié)爐頂溫度達870℃，將爐體下部和中部溫度變?yōu)?30℃，空氣木屑比變?yōu)?.557Nm3/Kg，含有焦油的空氣煤氣上升到爐頂部870℃的高溫區(qū)，停留1秒，其余同實施例1。
實施例4調節(jié)爐頂溫度達935℃，將爐體下部和中部溫度變?yōu)?80℃，空氣木屑比變?yōu)?.493Nm3/Kg，含有焦油的空氣煤氣上升到爐頂部935℃的高溫區(qū)，停留2.5秒，其余同實施例1。
實施例5調節(jié)爐頂溫度達940℃，將爐體下部和中部溫度變?yōu)?00℃，空氣木屑比變?yōu)?.455Nm3/Kg，含有焦油的空氣煤氣上升到爐頂部940℃的高溫區(qū)，停留2秒，其余同實施例1。表1
權利要求
1．生物質氣化制備燃料氣的方法，其特征在于包括如下步驟(1)把生物質破碎至粒度小于5mm；(2)將砂料置于氣化爐內，加熱到700～800℃，把粒度小于5mm的生物質加入到氣化爐內，并與砂料在攪拌狀態(tài)下，通入空氣，入爐空氣總量與生物質原料配比為2.0-3.5NM3/Kg，保持氣化爐內溫度為700～800℃，生成含焦油的空氣煤氣；(3)含有焦油的空氣煤氣通過頂部850～950℃的高溫區(qū)并停留1-3秒裂解，生成不含焦油的潔凈煤氣；(4)將不含焦油的潔凈煤氣的一部分返回到第(3)步高溫區(qū)，配以完全燃燒所需空氣，使高溫區(qū)溫度保持在850～950℃，使含焦油的空氣煤氣中的焦油裂解。
2．一種生物質氣化制備燃料氣的氣化反應裝置，是由爐體(1)、進料口(5)和(6)、測溫口(14、15、16)、氣體分布板(8)、煤氣出口(4)、燃料噴嘴(2、3)組成，其特征在于進料口(5)位于爐體(1)下部的氣體分布板(8)之上，另一個進料口(6)位于爐體(1)的頂部，在爐體(1)中部安裝有燃料噴嘴(2)，在爐體(1)上部的煤氣出口(4)之下安裝有燃料噴嘴(3)，在爐體(1)下部的氣體分布板(8)之下有進風室(36)和進風口(9)，在爐體(1)內裝有攪拌器(12)。
3．根據(jù)權利要求2所述的一種生物質氣化制備燃料氣的氣化反應裝置，其特征存于所述的氣體分布板(8)是錐形的。
全文摘要
一種生物質氣化制備燃料氣的方法是將生物質加入到氣化爐中,在700—800℃裂解,氣化生成含有焦油的空氣煤氣,再經過850—950℃高溫區(qū),使焦油裂解,得到不含焦油的煤氣。本發(fā)明具有環(huán)保性能好,不產生或較少產生二次污染,且無焦油等副產品產生,工藝簡單,系統(tǒng)氣化效率高的優(yōu)點。
文檔編號C10B53/00GK1304976SQ0013071
公開日2001年7月25日 申請日期2000年10月11日 優(yōu)先權日2000年10月11日
發(fā)明者王洋, 曹晏, 張尚武, 王洪瑜, 陳寒石, 徐奕豐, 房倚天, 董眾兵 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所