專利名稱：生物質(zhì)水蒸氣間接氣化設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及將可燃物料轉(zhuǎn)變成清潔高效合成氣的技術(shù)，具體地指一種生物質(zhì) 水蒸汽間接氣化設(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(jìn)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(jìn)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。直接氣化工藝和設(shè) 備最主要的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn) 表明上述生物質(zhì)直接氣化工藝和設(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(diǎn)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(yùn)行溫度極難控制。二、當(dāng)以空氣作為氧化劑時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yùn)行溫度大多設(shè)計(jì)為800 1200°C，而在該溫度區(qū)域進(jìn)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(shí)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(shí)際生產(chǎn)中。如何使生物質(zhì)燃料的氣化從研究試驗(yàn)階段轉(zhuǎn)化為實(shí)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(shí)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)生合成氣熱值大、且能根除焦油和堿金屬化合物的生物質(zhì)水蒸汽間接氣化設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的生物質(zhì)水蒸汽間接氣化設(shè)備，包括通過各 種管道相連的儲水箱、輸水泵、熱交換器、等離子炬加熱器、氣化爐和噴淋塔等部件。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 端與等離子炬加熱器的進(jìn)汽口相連，所述等離子炬加熱器的排汽口與氣化爐的水蒸汽噴嘴 相連。所述氣化爐的排渣口與冷渣器的進(jìn)渣口相連，所述氣化爐的出氣口與噴淋塔的進(jìn) 氣口相連，所述噴淋塔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)連接。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(diǎn)，用其加熱儲水箱中的水時(shí)，能夠高效、連續(xù)、穩(wěn)定地輸出符合工藝要求的高溫過熱水蒸 汽，高溫過熱水蒸汽既作為氧化劑又作為能量載體，可確保氣化爐始終維持穩(wěn)定可靠的運(yùn) 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(shí)實(shí)現(xiàn)熱能的綜合利用。進(jìn)一步地，所述氣化爐的進(jìn)料口處連接有氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置。在從氣化的進(jìn)料口投放 生物質(zhì)燃料時(shí)，也向該進(jìn)料口輸送氮?dú)?，所形成的氮?dú)饷芊鈱蛹瓤煞乐箽饣癄t內(nèi)的粗合成 氣外泄，又可阻止外界空氣進(jìn)入氣化爐，從而杜絕火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)，并確保粗合成氣的品 質(zhì)。更進(jìn)一步地，所述氣化爐的水蒸汽噴嘴沿爐體的高度方向布置有3 4層，每層沿 圓周方向均勻切向分布。這樣，高溫過熱水蒸汽分多層噴入，能夠始終維持氣化爐內(nèi)沿高度 方向的溫度場穩(wěn)定、均勻，確保高溫過熱水蒸汽與生物質(zhì)燃料充分接觸。本實(shí)用新型在仔細(xì)研究和分析生物質(zhì)中水份、灰份、揮發(fā)份和灰熔點(diǎn)等固有特性 的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣化爐的運(yùn)行特點(diǎn)，摒棄傳統(tǒng)氧化劑空氣或富氧空氣，轉(zhuǎn)而利用高溫過熱水 蒸汽在氣化爐中對生物質(zhì)燃料連續(xù)進(jìn)行干燥、揮發(fā)份析出、裂解和氣化處理，再利用噴淋水 對所生成的粗合成氣進(jìn)行激冷淬火處理，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾方面其一，采用高溫過熱水蒸汽在氣化爐中間接氣化生物質(zhì)燃料，高溫過熱水蒸汽既 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氣分離 裝置，大幅降低了整個工藝的能耗及設(shè)備總投資。其二，生物質(zhì)燃料在連續(xù)干燥、揮發(fā)份析出、裂解和氣化的流程中無自身的燃燒 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，氣化爐的運(yùn)行易 于掌控。且因?yàn)闊o需空氣或富氧空氣參入反應(yīng)，所得合成氣中H2/CO的比例高，有效氣體 (CCHH2)的含量高，可達(dá)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)從原料轉(zhuǎn)變成初合成氣主要在氣化爐和噴淋塔兩級裝置中連續(xù)完 成。由于高溫過熱水蒸汽始終維持氣化爐內(nèi)的運(yùn)行溫度在焦油的氣化溫度之上，可將生物質(zhì)燃料裂解產(chǎn)生的焦油全部轉(zhuǎn)化為粗合成氣，碳轉(zhuǎn)化率極高。由于粗合成氣經(jīng)過噴淋塔水冷淬火后溫度驟降，不僅可使其中夾雜的熔渣冷卻顆?；?，而且可使其中攜帶的堿金屬氧 化物溶于噴淋水中，所獲得的初合成氣不含對設(shè)備、管道沾污和腐蝕的雜質(zhì)。并且，由于其 流程短暫、結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)合成氣的大型化批量生產(chǎn)。其四，由等離子炬加熱器在氣化爐外部產(chǎn)生的高溫過熱水蒸汽提供氣化所需要的 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，其冷煤氣效率可比傳統(tǒng)氣化 工藝提高8%左右，達(dá)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(shí)，通過調(diào)整等離子炬加熱器的功率，即可方便地調(diào)節(jié)高溫過熱水蒸汽的溫度區(qū)域，從而維 持氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定，確保初合成氣的產(chǎn)量和品質(zhì)穩(wěn)定。試驗(yàn)表明，本實(shí)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)水蒸汽間接氣化設(shè)備的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述圖中所示的生物質(zhì)水蒸汽間接氣化設(shè)備，主要包括用于生物質(zhì)輸送的皮帶傳送機(jī) 1、中間料斗2和螺旋給料機(jī)3，用于使生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成粗合成氣的氣化爐6，用于對粗合成氣 進(jìn)行淬火處理的噴淋塔11，用于給氣化爐6提供高溫過熱水蒸汽的等離子炬加熱器5，用于 給等離子炬加熱器5提供水源的儲水箱10和輸水泵9，用于熱能綜合利用的熱交換器12， 以及用于合成氣后續(xù)凈化處理的除塵器13、除酸塔14和干燥器15。皮帶傳送機(jī)1的輸出端置于中間料斗2的上方進(jìn)口處，中間料斗2的下方出口與 螺旋給料機(jī)3的原料進(jìn)口相連，螺旋給料機(jī)3的原料出口與氣化爐6的進(jìn)料口相連。氣化爐6是將生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺獾年P(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)，內(nèi)襯耐火耐蝕保溫材料，具有良好的高溫絕熱性能。氣化爐6的進(jìn)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。氣化爐6的進(jìn)料口處還連接有氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置4，所形成的氮?dú)饷?封層可有效阻隔粗合成氣和外界空氣接觸。氣化爐6的水蒸汽噴嘴設(shè)置在其爐體上，且沿 爐體的高度方向布置有3 4層，每層沿圓周方向均勻切向分布。這樣，噴入爐體內(nèi)的高溫 過熱水蒸汽流場均勻、穩(wěn)定，且不留死角，可確保其與物料生物質(zhì)燃料充分接觸和混合。氣 化爐6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，這些排 渣口與冷渣器7的進(jìn)渣口相連，用以將液態(tài)灰渣冷卻至固態(tài)。氣化爐6的出氣口可以設(shè)置 在其上部，也可以設(shè)置在其下部，通過管道與噴淋塔11的進(jìn)氣口相連。噴淋塔11是對氣化爐6所產(chǎn)生粗合成氣進(jìn)行淬火除渣處理的關(guān)鍵設(shè)備，其采用循 環(huán)冷卻水直接沖刷粗合成氣，用于分離粗合成氣中的熔渣和堿金屬氧化物等雜質(zhì)。噴淋塔 11的出氣口與熱交換器12的氣體輸入端相連，熱交換器12的氣體輸出端則依次與除塵器 13、除酸塔14和干燥器15串聯(lián)，干燥器15的輸出端與儲氣柜16相連，用以儲存凈合成氣。[0031]噴入氣化爐6中的高溫過熱水蒸汽是由儲水箱10中的軟水或除鹽水加熱轉(zhuǎn)變而 成的。儲水箱10的輸出端通過輸水泵9與熱交換器12的給水輸入端相連。熱交換器12 通常選用廢鍋，熱交換器12的蒸汽輸出端與等離子炬加熱器5的進(jìn)汽口相連，等離子炬加 熱器8的排汽口通過管道與氣化爐6的水蒸汽噴嘴相連。本設(shè)備還附設(shè)有灰渣庫8，可通過人工或機(jī)械的方式將冷渣器7所冷卻的灰渣、噴 淋塔11所沖刷下來的沉渣送至灰渣庫8儲存。上述生物質(zhì)水蒸汽間接氣化設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(jī)1、中間料斗2和螺旋給料機(jī)3連續(xù)輸 送到氣化爐6內(nèi)，同時(shí)通過氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置4向氣化爐6的進(jìn)料口處輸入氮?dú)?。對于灰秸?類(樹枝、樹根)生物質(zhì)燃料而言，控制其粒徑在50mmX50mm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10中的除鹽水由輸水泵9送入熱交換器12的給水輸入端，與從熱交換 器12的氣體輸入端進(jìn)來的粗合成氣進(jìn)行熱交換，除鹽水吸收粗合成氣的顯熱，生產(chǎn)0. 4 0. 6Mpa的飽和蒸汽，該飽和蒸汽由熱交換器12的蒸汽輸出端輸送到等離子炬加熱器5中， 被加熱成高溫過熱水蒸汽。C)等離子炬加熱器5所產(chǎn)生的1200 1600°C的高溫過熱水蒸汽從氣化爐6的 水蒸汽噴嘴進(jìn)入其內(nèi)，保持氣化爐6內(nèi)的運(yùn)行溫度為1200 1400°C、運(yùn)行壓力為105 109Kpa、高溫過熱水蒸汽的噴入速度為35 50m/s，使生物質(zhì)燃料在下降的過程中與高溫 過熱水蒸汽充分接觸，經(jīng)過干燥、揮發(fā)份析出、裂解和氣化反應(yīng)，生成粗合成氣和液態(tài)灰渣， 且控制粗合成氣在氣化爐6內(nèi)的停留時(shí)間為15 20s、粗合成氣的引出速度為15 20m/S。D)氣化爐6所產(chǎn)生的溫度為1200 1400°C的液態(tài)灰渣通過其排渣口進(jìn)入冷渣 器7，經(jīng)熱能回收后降溫到150°C以下，送入灰渣庫8綜合利用。氣化爐6所產(chǎn)生的溫度為 1200 1400°C的粗合成氣則通過管道輸入噴淋塔11內(nèi)，在冷卻水的直接噴淋沖刷下，粗合 成氣的溫度在短期內(nèi)驟降至750 800°C，其中的高溫熔渣被冷卻顆?；?，其中的堿金屬氧 化物和部分酸性氣體被溶解于冷卻水中，并隨冷卻水一起排出噴淋塔11外，從而獲得初合 成氣。噴淋塔11中的冷卻水經(jīng)過沉淀和過濾可循環(huán)使用，收集的沉渣則送入灰渣庫8。E)從噴淋塔11輸出的不含熔渣的初合成氣進(jìn)入熱交換器12的氣體輸入端，可以 有效防止熱交換器12結(jié)渣、積灰和腐蝕。此時(shí)初合成氣仍然具有750 800°C的高溫，被除 鹽水回收顯熱后，降溫至260 320°C，從熱交換器12的氣體輸出端進(jìn)入除塵器13，初合成 氣中攜帶的粉塵被除塵器13捕獲，除塵器13出口處初合成氣的含塵濃度小于50mg/Nm3。F)經(jīng)過除塵處理的初合成氣進(jìn)入除酸塔14，在除酸塔14中除去初合成氣中的 H2S、COS、HCL、NH3、HCN 等有害氣體。G)經(jīng)過除酸處理的初合成氣再進(jìn)入干燥器15，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16中保存，供下游的工業(yè)應(yīng)用。經(jīng)過多次試驗(yàn)和數(shù)據(jù)檢測，本實(shí)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(shí)用新型所制取凈合成氣的CCHH2含量最高可達(dá)85%，H2/C0的比 值大于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。
權(quán)利要求一種生物質(zhì)水蒸汽間接氣化設(shè)備，包括儲水箱(10)、輸水泵(9)、熱交換器(12)、等離子炬加熱器(5)、氣化爐(6)和噴淋塔(11)，其特征在于所述儲水箱(10)通過輸水泵(9)與熱交換器(12)的給水輸入端相連，所述熱交換器(12)的蒸汽輸出端與等離子炬加熱器(5)的進(jìn)汽口相連，所述等離子炬加熱器(5)的排汽口與氣化爐(6)的水蒸汽噴嘴相連；所述氣化爐(6)的排渣口與冷渣器(7)的進(jìn)渣口相連，所述氣化爐(6)的出氣口與噴淋塔(11)的進(jìn)氣口相連，所述噴淋塔(11)的出氣口與熱交換器(12)的氣體輸入端相連，所述熱交換器(12)的氣體輸出端依次與除塵器(13)、除酸塔(14)和干燥器(15)串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)水蒸汽間接氣化設(shè)備，其特征在于所述氣化爐(6) 的進(jìn)料口處連接有氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物質(zhì)水蒸汽間接氣化設(shè)備，其特征在于所述氣化爐 (6)的水蒸汽噴嘴沿爐體的高度方向布置有3 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)水蒸汽間接氣化設(shè)備，主要包括用于使生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成粗合成氣的氣化爐，用于對粗合成氣進(jìn)行淬火處理的噴淋塔，用于給氣化爐提供熱源的等離子炬加熱器，用于給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。其利用高溫過熱水蒸汽作為氧化劑和能量載體，在氣化爐內(nèi)使生物質(zhì)燃料經(jīng)干燥、揮發(fā)份析出、裂解和氣化反應(yīng)，生成不含焦油的粗合成氣；在噴淋塔內(nèi)對粗合成氣激冷淬火處理，獲得不含熔渣和堿金屬氧化物的初合成氣；最后對初合成氣進(jìn)行冷卻、除塵、脫酸和干燥，即可獲得高品質(zhì)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C10J3/48GK201770674SQ20102026827
公開日2011年3月23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