專利名稱：生物質(zhì)秸桿制氣的方法及用于該方法的煤氣發(fā)生爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制取煤氣的方法和裝置，尤其涉及一種煤炭和生物質(zhì)秸桿在同一爐內(nèi)制取高熱值煤氣的方法和裝置，屬農(nóng)業(yè)資源再生利用領域。
我國農(nóng)作物秸桿年產(chǎn)量在5.7億噸以上，約折合3億噸標煤，這是一筆巨大的能源儲備，現(xiàn)狀國情是絕大部分農(nóng)作物秸桿未能得到合理利用，農(nóng)村大量漫天焚燒秸桿，既浪費寶貴的能源，又嚴重污染環(huán)境。開發(fā)農(nóng)作物秸桿制氣技術，是充分利用現(xiàn)有能源，加強環(huán)境保護、促進生態(tài)平衡的需要，是我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要。
現(xiàn)有生物質(zhì)秸桿裂解制氣技術采用間熱式制氣方案，其基本方法是經(jīng)粉碎的生物質(zhì)秸桿在耐熱不銹鋼管內(nèi)作螺旋推進，管外用煤炭加熱管道，煤炭燃燒所產(chǎn)生的熱能通過傳導和對流換熱，使管內(nèi)生物質(zhì)秸桿升溫裂解，所產(chǎn)煤氣熱值較高。該系統(tǒng)難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化運作的主要原因是①裂解過程產(chǎn)生的大量焦油堵塞管道、附件，后續(xù)處理設備復雜，冷卻凈化洗滌水有毒有害物質(zhì)超標。②所用耐熱不銹鋼管道造價昂貴，且每3-4個月就需報廢更換，運行成本高。③秸桿裂解后占20-30％的固體殘?zhí)嘉茨艿玫嚼?，熱能利用率偏低?br> 中國專利《秸桿煤氣發(fā)生爐》(ZL96209603.2)公開了一種秸桿連續(xù)制氣技術，該技術采用單一原料制氣，氣化爐內(nèi)依靠秸桿的自身燃燒放熱供應秸桿氣化所需熱能，氣化機理是秸桿在缺氧狀態(tài)下的不完全燃燒法，產(chǎn)生以CO和H2為主的可燃氣體。由于秸桿自身熱值低(約2500～3000×4.18KJ/Kg)，氣化劑中的空氣中又含有大量不可燃的氮氣，并全部轉(zhuǎn)入煤氣成份，故所產(chǎn)煤氣熱值低，管網(wǎng)、儲氣系統(tǒng)投資大，從而大大局限了其使用功能。
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有生物質(zhì)秸桿制氣技術之缺點而提出了一種新的生物質(zhì)秸桿裂解制氣方法。
本發(fā)明的裂解氣化系統(tǒng)，氣化裂解所需熱源由煤炭燃燒放熱取得，從而提高了爐內(nèi)反應溫度，穩(wěn)定了爐內(nèi)反應層次，生物質(zhì)秸桿裂解所需熱能采用直熱式熱交換方式，使生物質(zhì)秸桿和高溫煤炭在爐內(nèi)進行充分熱交換，氣化方式由單純的氧化還原反應演變成隔絕空氣狀態(tài)下的高溫裂解反應，所產(chǎn)煤氣成份由CO、H2為主演變?yōu)橐訡H4、C2H4等低碳鏈碳氫化合物等烴類氣體為主，煤氣熱值可提高到3500×4.18KJ/m3以上。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種制取煤氣的方法，即煤炭燃燒放熱和生物質(zhì)秸桿高溫裂解制氣在同一發(fā)生爐內(nèi)進行。在制氣過程中，先由爐外鼓風機鼓入空氣進入爐上空間和熾熱的煤炭發(fā)生氧化還原反應，使爐上空層環(huán)境溫度達600℃以上，煤炭氧化層溫度達900-1100℃，所產(chǎn)生的以CO2、N2為主的煙氣，通過爐外煤氣排送機的抽吸作用，由爐中下部煤氣出口排出爐外；此時，停止鼓風，通過進料裝置連續(xù)不斷地加進生物質(zhì)秸桿，使其在隔絕空氣狀態(tài)下直接和高溫煤炭接觸，吸收空層、料層由熱傳導、熱輻射和熱對流產(chǎn)生的熱量，生成生物質(zhì)裂解煤氣，通過煤氣排送機的抽吸作用，從爐中下部煤氣出口排出爐外。
上述反應的代表式可用下列方程式表述
式中+Q為放熱；-Q為吸熱以上所述入爐煤炭為無煙煤、煙煤、貧瘦煤之塊煤或型煤，所述入爐生物質(zhì)秸桿為經(jīng)過破碎加工的0-30mm長的粉碎料；所述煤氣排送機可是羅茨風機、高壓離心風機、引風機、抽風機，也可以是真空泵。
上述制氣方案采用微電腦、電磁閥組合、時間繼電器等控制元件，驅(qū)動機構(gòu)為液壓、氣壓或電動閥門，按設定的程序使煤炭燃燒放熱和生物質(zhì)秸桿裂解制氣間歇交替地進行。
本方案所述既定程序依次為a．鼓風煤炭蓄熱；b．煙氣排凈；c．生物質(zhì)秸桿裂解制氣；d．余氣回收。四個階段組成一個循環(huán)周期，一個周期時間為8-30分鐘，其中a階段所占百分比時間為15-40％，c階段所占百分比時間為60-85％，b、c階段各占1-2％。
一種專用于上述制氣方法的煤氣發(fā)生爐，包括進料裝置、爐體和灰盤出灰機構(gòu)。其中煤炭進料裝置和生物質(zhì)秸桿進料裝置同在爐體上部，并分別依靠設置在相應裝置上的密封錐和密封蓋隔絕外界空氣之進入；爐體上部空間處的全部爐壁內(nèi)側(cè)圓周涂復耐火材料；爐體中下部設置水夾套；燃煤爐渣及生物質(zhì)秸桿裂解后的殘留物依靠爐下部灰盤出渣機構(gòu)排出爐外，煤氣、煙氣由設置在爐中下部的煤氣出口排出爐外。
下面結(jié)合附

圖1、2，對本技術方案作進一步的說明。
附圖中1、空氣鼓風機2、生物質(zhì)秸桿進料裝置 3、煤氣發(fā)生爐4、除塵裝置 5、冷卻凈化裝 6、煤氣排送機7、放空閥門 8、煤氣閥門 9、空氣閥門10、電機 11、生物質(zhì)秸桿料斗12、生物質(zhì)秸桿料斗密封蓋13、煤炭布料錐 14、煤炭進料裝置 15、耐火材料16、防爆裝置 17、空氣進氣口18、水夾套19、灰盤出渣機構(gòu) 20、煤氣出口 21、布料錐
(1)鼓風煤炭蓄熱，煙氣排凈階段。
打開煤炭進料裝置14內(nèi)的煤炭布料錐13，煤炭從上部煤炭進料裝置14經(jīng)布料錐21進入煤氣發(fā)生爐3，開啟空氣鼓風機1，煤氣排送機6，空氣閥門9，放空閥門7，空氣從爐上空間空氣進氣口17進入煤氣發(fā)生爐3上部空間，和爐內(nèi)熾熱的煤炭及上一循環(huán)周期生物質(zhì)秸桿裂解后殘余碳化物發(fā)生氧化還原反應，產(chǎn)生大量CO2氣體和少量CO氣體，形成煙氣并放出大量熱量，熱量積蓄于煤炭層內(nèi)，所產(chǎn)煙氣通過煤氣排送機6的抽吸作用，從發(fā)生爐3中下部煤氣出口20排入系統(tǒng)，進入除塵裝置4，冷卻凈化裝置5，除塵、冷卻、凈化后的煙氣，經(jīng)煤氣排送機6壓送，從放空閥門7排入大氣。經(jīng)一定周期后，按既定程序，關閉空氣閥門9，爐內(nèi)及系統(tǒng)內(nèi)的殘余煙氣按以上運行路線放空至大氣。
(2)秸桿裂解制氣，余氣回收階段。
開啟與秸桿進料裝置2相連的電機10，開啟煤氣閥門8，經(jīng)破碎的生物質(zhì)秸桿均勻連續(xù)地進入煤氣發(fā)生爐3上部，并直接和熾熱的煤炭層接觸，通過傳導、輻射和對流傳熱，接受煤炭及爐上空層內(nèi)周圈耐火材料15的蓄熱，并迅速上升至生物質(zhì)秸桿有機質(zhì)氣化及裂解所需溫度，進行快速氣化、裂解，其中已經(jīng)氣化、尚未裂解的有機質(zhì)，在煤氣排送機6的抽吸作用下，和爐內(nèi)高溫料層自上而下地接觸并繼續(xù)裂解。生物質(zhì)秸桿有機質(zhì)裂解產(chǎn)物主要為CH4、C2H4等有機烴類，發(fā)熱量高，所產(chǎn)氣體通過煤氣排送機6的抽吸作用，從煤氣發(fā)生爐3中下部煤氣出口20排入系統(tǒng)，進入除塵裝置4、冷卻凈化裝置5，經(jīng)除塵、冷卻、凈化的煙氣，由煤氣排送機6壓送，經(jīng)煤氣閥門8排入用氣系統(tǒng)或氣柜。經(jīng)一定周期后，按既定程序，關閉生物質(zhì)秸桿進料電機10，爐內(nèi)及系統(tǒng)內(nèi)殘余煤氣按以上運行路線排至用氣系統(tǒng)或氣柜。
(3)上述各階段運行過程中，所使用的主要附屬設備，包括除塵裝置4、冷卻凈化裝置5及空氣鼓風機1，煤氣排送機6及各類閥門等，采用與系統(tǒng)相匹配的市場應用成熟的各類現(xiàn)成設備。
(4)上述各階段的一個循環(huán)周期為8-30分鐘，其中鼓風煤炭蓄熱階段占15-40％，煙氣排凈階段占1-2％，生物質(zhì)秸桿裂解制氣階段占60-85％，余氣回收階段占1-2％，周期時間及各階段時間分配的設定和調(diào)整，應根據(jù)原料狀況、人員操作狀況、系統(tǒng)規(guī)模大小等因素確定，由微機、電磁閥組合、時間繼電器等控制元件及電動、液壓、氣動閥門等執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)自動控制。
(5)一種專用于上述制氣方法的煤氣發(fā)生爐裝置，包括煤氣發(fā)生爐3、生物質(zhì)秸桿進料裝置2、生物質(zhì)秸桿料斗11、煤炭進料裝置14、灰盤出渣機構(gòu)15等部附件，其特征在于煤炭進料裝置14和生物質(zhì)秸桿進料裝置2同在煤氣發(fā)生爐3的上部，并分別依靠設置在相應裝置上的煤炭布料錐13和生物質(zhì)秸桿料斗密封蓋12隔絕外界空氣的進入；發(fā)生爐3上部空間處的全部爐壁內(nèi)側(cè)圓周涂復耐火材料15，用以防止熱能損耗；爐體中下部設置水夾套用以防止煤炭高溫結(jié)渣掛壁；煤氣、煙氣由設置在爐中下部的煤氣出口20排出爐外；上述各制氣階段煤炭燃燒及生物質(zhì)秸桿殘余碳化物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的灰份，經(jīng)爐下部灰盤出渣機構(gòu)19排出爐外；生物質(zhì)秸桿裂解制氣、余氣回收階段的爐內(nèi)、外密封，依靠煤炭布料錐13與煤炭進料裝置的機械接觸式密封及生物質(zhì)秸桿料斗與生物質(zhì)秸桿料斗密封蓋之間的墊料充填來保證；為確保系統(tǒng)運行安全，在煤氣發(fā)生爐3之爐上空層側(cè)壁對稱設置防爆板2塊。
本發(fā)明和現(xiàn)有各類生物質(zhì)秸桿制氣技術方案相比，有如下優(yōu)點(1)煤炭、生物質(zhì)秸桿在同一爐內(nèi)進行直熱式熱交換，傳熱效率高；生物質(zhì)秸桿裂解后所剩殘余碳化物質(zhì)(約占秸桿加入量的15-20％)得以燃燒放熱，并將熱能積蓄于料層，能源利用率高。
(2)煤炭作為一種輔助原料(其耗量約占總能耗的30％)，參與爐內(nèi)燃燒反應，除為生物質(zhì)秸桿裂解提供熱源外，還有如下獨特的重要作用煤氣發(fā)生爐內(nèi)的煤炭層、灰渣層本身就是一個優(yōu)良的可再生過濾器，生物質(zhì)秸桿裂解階段所吸收未來得及裂解的焦油排出物，在鼓風煤炭蓄熱階段，其焦油排出物、生物質(zhì)秸桿殘余碳化物質(zhì)又可隨煤炭燃燒同步燃燒放熱，從而節(jié)約了能源，實現(xiàn)了自身凈化，并使后續(xù)處理設備大大簡化。
(3)本發(fā)明采用煤炭燃燒作為生物質(zhì)秸桿裂解之熱源，由于裂解所需溫度較低(350℃-850℃)，爐內(nèi)溫度可比傳統(tǒng)單一煤炭造氣爐爐溫低150-200℃，因而對煤炭本身的質(zhì)量要求不高(指發(fā)熱值，灰熔點等)，劣質(zhì)煤炭可得以利用。由于煤炭和生物質(zhì)秸桿皆為廉價資源，故運行成本低，工業(yè)及民用戶完全可以接受。
(4)型煤中加入的石灰含CaCO3成份50％以上，可有效脫除煙氣和煤氣中的有害成份——有機硫和H2S等，脫除率可達80％以上。
(5)所產(chǎn)生物質(zhì)秸桿裂解氣為有機烴類可燃物質(zhì)組成，煤氣熱值可達3500×4.18KJ/m3以上。
綜上所述，本發(fā)明對我國廣大農(nóng)村的農(nóng)作物秸桿及我國城鄉(xiāng)的生物質(zhì)廢棄物的再生利用，對節(jié)約能源、保護生態(tài)環(huán)境，對占中國人口75％以上廣大農(nóng)村人民生活質(zhì)量的提高，具有重要現(xiàn)實意義。
權利要求
1.一種生物質(zhì)秸桿制取煤氣的方法，其特征是煤炭燃料放熱和生物質(zhì)秸桿裂解制氣在同一發(fā)生爐內(nèi)進行，入爐煤炭和生物質(zhì)秸桿由爐上部分別進入爐內(nèi)，爐外設置的鼓風機將空氣鼓入爐上空間，和熾熱的煤炭發(fā)生氧化反應放出熱量并將熱量積蓄于料層，生物質(zhì)秸桿在隔絕空氣狀態(tài)下直接和高溫煤炭接觸，通過熱傳導、對流和輻射，吸收料層蓄熱，產(chǎn)生裂解反應生成高熱值煤氣，所產(chǎn)煤氣通過爐外煤氣排送機的抽吸作用，由爐中下部排出爐外。
2.根據(jù)權利要求1所述的制氣方法，其特征是所述煤炭為無煙煤、煙煤、貧瘦煤之塊煤或型煤，所述生物質(zhì)秸桿為經(jīng)過破碎0-30mm長的玉米桿、稻草、棉桿、麥桿、油菜桿、稻殼、竹木碎料、樹葉、菜葉、青草等各類農(nóng)作物秸桿或生物質(zhì)廢棄物。
3.根據(jù)權利要求1所述的制氣方法，其特征是采用微電腦、時間繼電器、電磁閥組合等控制元件，液壓、氣壓或電動等閥門驅(qū)動裝置，按照一定的循環(huán)周期和既定程序，使煤炭燃燒放熱和生物質(zhì)秸桿裂解氣化間歇交替進行。
4.根據(jù)權利要求1和3所述的制氣方法，其特征在于一個循環(huán)周期為8-30分鐘，其中鼓風煤炭蓄熱階段占15-40％，生物質(zhì)秸桿裂解制氣階段占60-85％，煙氣排凈和余氣回收階段各占1-2％。
5.根據(jù)權利要求1所述的制氣方法，其特征在于煤炭燃燒所產(chǎn)煙氣和所產(chǎn)煤氣一樣，都必須經(jīng)過除塵、冷卻凈化去除氣體中之灰塵、焦油等雜質(zhì)后方可排放。
6.根據(jù)權利要求1所述的制氣方法，其爐外煤氣排送機可以是羅茨風機、高壓離心風機、抽、引風機，也可以是真空泵。
7.根據(jù)權利要求1和2所述的制氣方法，入爐煤炭當采用型煤時，型煤內(nèi)應添加5-15％的石灰。
8.根據(jù)權利要求1所述的制氣方法設計的專用煤氣發(fā)生爐，包括進料裝置、爐體和灰盤出灰機構(gòu)，其特征在于煤炭進料裝置和生物質(zhì)秸桿進料裝置同在爐體上部，并分別依靠設置在相應裝置上的煤炭布料錐和生物質(zhì)秸桿料斗密封蓋隔絕外界空氣的進入，爐體上部空間處的全部爐壁內(nèi)側(cè)圓周涂復耐火材料，爐體中下部設置水夾套，煤氣、煙氣由設置在爐中下部的煤氣出口排出，燃煤爐渣及燃燒裂解后的生物質(zhì)殘留物依靠爐下部灰盤出渣機構(gòu)排出爐外，煤氣發(fā)生爐之爐上空層側(cè)壁對稱設置防爆板2塊。
全文摘要
一種生物質(zhì)秸桿制取煤氣的方法,即煤炭燃燒放熱和生物質(zhì)秸桿裂解制氣在同一發(fā)生爐內(nèi)進行。首先是煤炭在爐內(nèi)燃燒并將熱能積蓄于料層,再送入生物質(zhì)秸桿,使其與高溫煤炭直接接觸,并在隔絕空氣狀態(tài)下產(chǎn)生裂解。采用程序控制方法,使蓄熱過程和裂解反應按既定程序運行。采用本方案制取的煤氣,發(fā)熱量可達3500×4.18KJ/m
文檔編號C10B53/02GK1323871SQ00115739
公開日2001年11月28日 申請日期2000年5月17日 優(yōu)先權日2000年5月17日
發(fā)明者強克炎, 葉勇, 陳欣榮 申請人:蘇州絲綢科學研究所, 強克炎