利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺及装置.pdf

本发明公开了一种利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺及装置。该工艺包括原料预处理、原料气化、分离出渣、煤气净化、煤气输送步骤；该装置包括原料预处理系统、煤气发生系统、煤气净化系统、煤气输送存贮系统。本发明所采用内置式快速流化床气化炉具有生产强度大、气化效率高、煤气焦油含量低、操作稳定性好等特点。气化反应在气力输送速度下完成，内置式分离器实现气化炉内的生物质原料快速循环，煤气净化采用水洗和有机溶剂洗涤相结合的方法，具有焦油脱除率高，煤气中焦油含量变化波动小等特点。本发明的工艺及设备可连续气化蓬松型生物质原料，气化所产生的煤气可用作燃气发电机的气源，也可以通过管网向周边的居民用户供气。

1、  一种利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺，其特征在于包括以下步骤：
(1)原料的预处理：蓬松型生物质原料经粉碎或切碎成3-10mm的碎块；
(2)原料的气化：经预处理的生物质原料碎块送入气化炉，生物质原料在气化炉内与气化介质发生部分氧化还原反应生成煤气，气化反应在600℃～1000℃温度范围内进行，并使焦油充分裂解，温度的控制通过调节气化介质量和原料的加入量来实现；
(3)分离、出渣：由气化炉引出的含有灰分和少量焦油的高温煤气进入分离装置，灰渣经分离后采用湿法出渣方式将湿润后的灰渣排出气化系统，分离灰渣后的煤气进入净化系统；
(4)煤气净化：分离后的煤气通过水洗进行降温，同时可除去煤气中的灰分和部分焦油；水洗净化后的煤气中残留的少量焦油采用有机溶剂洗涤法除去；净化系统中使用后的溶剂经回收后循环使用；
(5)煤气的输配：由净化系统输出的煤气送入煤气柜贮存备用或作为燃气发电机的气源、也可通过管网向周边的居民供气。

2、  根据权利要求1所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺，其特征在于气化介质为空气，单位为Nm³的气化空气量与单位为kg的原料加入量的体积与重量之比控制在1.05～1.15∶1，流化气速为1.4～2.5m/s。

3、  根据权利要求1所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺，其特征在于煤气净化所用的有机溶剂可以是重油或重质燃料油，溶剂循环量为3～5m³/h。

4、  一种利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其特征在于该装置包括原料预处理系统、煤气发生系统、煤气净化系统、煤气输送存贮系统。

5、  根据权利要求4所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其特征在于煤气发生系统采用内置式快速流化床气化炉。

6、  根据权利要求5所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其特征在于内置式快速流化床气化炉中设有内置式分离器，内置式分离器的料腿采用了含一个或多个活动翼片的翼阀密封结构，该密封结构只允许固体物料通过而不允许气体窜入，翼阀的活动翼可以根据料腿中的积料情况自动启闭。

7、  根据权利要求6所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其特征在于由内置式分离器与气化炉内足够长度的煤气引出管相连，煤气引出管经过气化炉高温区后引出气化炉。

8、  根据权利要求4所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其特征在于煤气净化系统由水洗涤装置、有机溶剂洗涤装置构成。

9、  根据权利要求8所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其特征在于水洗涤装置由鼓泡塔、一个或几个洗涤塔构成。

10、  根据权利要求8所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其特征在于有机溶剂洗涤装置由文氏管构成。

利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺及装置
技术领域
本发明涉及生物质原料制备煤气的工艺及设备，特别是涉及利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺，本发明还涉及该工艺的装置。
背景技术
广义的生物质是指由光合作用所产生的碳氢化合物。按生物质原料的质地划分，生物质原料可分为密实型和蓬松型两大类：密实型生物质原料主要包括林区采伐剩余物、高粱、玉米、棉花等农作物秸秆，蓬松型生物质原料主要包括稻草、麦草、稻壳等农作秸秆。我国是农业大国，农作物以小麦、水稻为主，因此蓬松型生物质原料在我国生物质资源中占相当大比例。
如何高效合理地开发利用蓬松型生物质资源(稻草、麦草、稻壳、木屑等)是我们面临的重大课题。国内生物质气化一般采用下吸式气化炉，该炉型对密实型生物质原料气化效果比较好，而对于蓬松型生物质原料使用效果不够理想。对于木屑、木粉等粉状物料有采用外循环流化床气化炉的报道，但存在炉型结构复杂、稳定性差等缺陷。煤气的净化一般采用湿式工艺，净化过程产生大量的含焦油污水，造成对环境的二次污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种效率高、成本低、污染少、可连续气化蓬松型生物质原料制备煤气的工艺。
本发明的另一个目的是提供上述工艺的专用装置。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺，包括以下步骤：
(1)原料的预处理：蓬松型生物质原料经粉碎或切碎成3-10mm的碎块；
(2)原料的气化：经预处理的生物质原料碎块送入气化炉，生物质原料在气化炉内与气化介质发生部分氧化还原反应生成煤气，气化反应在600℃～1000℃温度范围内进行，并使焦油充分裂解，温度的控制通过调节气化介质量和原料的加入量来实现；
(3)分离、出渣：由气化炉引出的含有灰分和少量焦油的高温煤气进入分离装置，灰渣经分离后采用湿法出渣方式将湿润后的灰渣排出气化系统，分离灰渣后的煤气进入净化系统；
(4)煤气净化：分离后的煤气通过水洗进行降温，同时可除去煤气中的灰分和部分焦油；水洗净化后的煤气中残留的少量焦油采用有机溶剂洗涤法除去；净化系统中使用后的溶剂经回收后循环使用；
(5)煤气的输配：由净化系统输出的煤气送入煤气柜贮存备用或作为燃气发电机的气源、也可通过管网向周边的居民供气。
所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺，其中气化介质为空气，单位为Nm³的气化空气量与单位为kg的原料加入量的体积与重量之比控制在1.05～1.15∶1，流化气速为1.4～2.5m/s。
所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的工艺，其中煤气净化所用的有机溶剂可以是重油或重质燃料油，溶剂循环量为3～5m³/h。
一种利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，包括原料预处理系统、煤气发生系统、煤气净化系统、煤气输送存贮系统。
所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其中煤气发生系统采用内置式快速流化床气化炉。
所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其中内置式快速流化床气化炉中设有内置式分离器，内置式分离器的料腿采用了含一个或多个活动翼片的翼阀密封结构，该密封结构只允许固体物料下流而不允许气体窜入，翼阀的活动翼片可以根据料腿中的积料情况自动启闭。
所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其中内置式分离器与气化炉内足够长度的煤气引出管相连，煤气引出管经过气化炉高温区后引出气化炉。
所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其中煤气净化系统由水洗涤装置和有机溶剂洗涤装置构成。
所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其中水洗涤装置由鼓泡塔、一个或几个洗涤塔构成。
所述的利用蓬松型生物质原料制备煤气的装置，其中有机溶剂洗涤装置由文氏管构成。
本发明的工艺步骤关键是生物质原料的气化和煤气的净化，气化的关键设备是内置式快速流化床气化炉。
本发明的优点：
(1)本发明采用的内置式快速流化床气化炉结构简单，炉体总体造价低廉，施工方便，炉体使用寿命长；工艺中煤气净化采用封闭循环多级净化工艺，经水洗后的煤气中的微量焦油采用溶剂法脱除，溶剂经回收处理后循环使用，净化效率高，生产成本低。
(2)内置式分离器实现气化炉内蓬松型生物质原料的快速循环，生物质气化反应在高气速1.4～2.5m/s(大于原料粒子沉降速度)条件下完成，气化炉内传热、传质速度快，单位气化空间生产强度大，气化炉操作稳定性好；内置式分离器的料腿采用了单翼或多翼阀密封结构，该密封结构只允许固体物料下流而不允许气体窜入，阀翼可以根据料腿中地积料情况自动启闭，保证内置式分离器的分离效果；内置式分离器收集的未气化的固体物料由料腿返回气化炉下部继续参与反应，减少了气化炉飞炭量，生物质原料的炭转化率大于95％，提高了生物质的利用率。本发明采用的内置式快速流化床气化炉生产强度是普通流化床气化炉的5-10倍，灰渣中碳含量小于20％，原料碳转化率大于95％，所产生煤气热值大于5800kJ/Nm³。
(3)由于温度过高，易于结渣，温度过低，不易有效反应，制备的煤气质量差，本发明一方面通过调节气化空气量和原料的加料速度控制气化反应温度，另一方面对气化炉主体采用金属材料和非金属材料相结合的结构，即上部采用钢结构，下部采用非金属耐火材料构筑，使该气化炉气化区域广，气化反应温度均匀，炉内传热传质速度快，可有效的防止因局部过热而造成的结渣问题。
(4)气化炉产生的煤气采用一定长度的引出管经气化炉高温区后引出气化炉，煤气在引出管中有足够的停留时间使煤气中的焦油得到充分裂解，气化炉出口煤气中焦油含量低，煤气中的主要可燃成份是：CO，H₂，CH₄，C_mH_n等。煤气净化采用水洗和有机溶剂洗涤相结合的方法，通过鼓泡塔—第一洗涤塔—第二洗涤塔—有机溶剂洗涤器(文氏管)4级净化工艺进行；溶剂法去除微量焦油工艺具有运行成本低、焦油去除率高等特点，净化后的煤气中焦油含量小于30mg/Nm³，完全能满足燃气发电机要求或管道输送的要求。
(5)本发明气化所产生的煤气可用作燃气发电机的气源，也可以通过管网向周边的居民用户供气，是解决农村大量蓬松型生物质原料过剩问题的有效途径，该技术的推广应用对于促进农村可再生生物质资源的合理利用，保护环境，改善农村能源供应，提高农民的生活质量具有巨大的社会和经济效益。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是本发明采用的含垂直下引式煤气引出管的内置式快速流化床气化炉结构示意图。
图3是本发明采用的双翼阀密封结构示意图。
图4是本发明采用的含螺旋下引式煤气引出管的内置式快速流化床气化炉结构示意图。
图5是本发明采用的单翼阀密封结构示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体实施方案进一步描述：
实施例1
结合附图1、2、3，本发明的工艺是：将蓬松型生物质原料用粉碎装置粉碎成8-10mm的碎料，由提升螺旋1加入料斗2，再由螺旋加料器3送入内置式快速流化床气化炉4的下部；空气从进气口27送入炉内，通过调节气化空气量和原料的加料速度控制气化反应温度在800℃～900℃，控制气化空气量(Nm3)与原料加入量(kg)之比在1.15。气化炉内流化气速为2.5m/s，生物质原料在气化炉内呈沸腾状态与气化介质(空气)发生部分氧化还原反应，产生煤气。夹带固体物料及灰渣的煤气进入内置式旋风分离器20，经旋风分离器20捕集的固体物料由料腿21的双翼阀密封结构22返回气化炉下部继续反应(双翼阀密封结构22由翼片26通过铰链24连接在料腿21下端，料腿21下端内部还有一锥形装置25，分离后的灰渣及固体物料落入料腿21，当料腿中固体物料积累到一定高度，物料对翼片产生的压力大于翼片自身的回复力时翼片自动打开，物料由此流出，当料腿中物料较少时，翼片26在自身重量作用下回复到密封状态)。气化炉产生的含有部分灰渣等杂质的煤气经煤气引出管23引出(煤气引出管23采用垂直下引式，从内置式旋风分离器20经气化炉4的高温区后引出，煤气引出管23在气化炉内保持一定的长度，使焦油在高温作用下进行充分裂解)，送入外置旋风分离器5，分离出的灰渣进入灰箱6，灰箱中的灰渣经湿润后由螺旋出渣机7连续排出，由旋风分离器5出来的高温煤气先进入鼓泡塔8，利用鼓泡塔内的水去除煤气中部分灰分和焦油，再进入第一洗涤塔9、第二洗涤塔10继续水洗降温、除焦油和灰尘，最后进入有机溶剂洗涤器(文氏管)12通过重油进一步出去煤气中的微量焦油。重油经分离后进入贮槽13，回收的重油由泵11送入洗涤系统循环使用，溶剂循环量5m³/h，净化后的煤气中的焦油含量小于30mg/Nm³。净化后的煤气由罗茨风机14经水封15后送入煤气柜16，煤气柜中的煤气可作为燃气发电机17的气源，也可通过管网向居民用户18供气。
实施例2
结合附图1、4、5，本发明的工艺是：将蓬松型生物质原料用粉碎装置粉碎成3-5mm的碎料，由提升螺旋1加入料斗2，再由螺旋加料器3送入内置式快速流化床气化炉4的下部；空气从进气口27送入炉内，通过调节气化空气量和原料的加料速度控制气化反应温度在700℃～800℃，控制气化空气量(Nm3)与原料加入量(kg)之比在1.05。气化炉内流化气速为1.4m/s，生物质原料在气化炉内呈沸腾状态与气化介质(空气)发生部分氧化还原反应，产生煤气。夹带固体物料及灰渣的煤气进入内置式旋风分离器20，经旋风分离器20捕集的固体物料由料腿21的单翼阀密封结构22返回气化炉下部继续反应(单翼阀密封结构22由翼片26通过铰链24连接在料腿21下端，料腿21下端内部还有一锥形装置25，分离后的灰渣及固体物料落入料腿21，当料腿中固体物料积累到一定高度，物料对翼片26产生的压力大于翼片自身的回复力时，翼片自动打开，物料由此流出，当料腿中物料较少时，翼片26在自身重量作用下回复到密封状态)。气化炉产生的含有部分灰渣等杂质的煤气经煤气引出管23引出(煤气引出管23采用螺旋下引式，从内置式旋风分离器20经由气化炉4的高温后引出，煤气引出管23在气化炉内保持一定的长度，使焦油在高温作用下进行充分裂解)，送入外置旋风分离器5，分离出的灰渣进入灰箱6，灰箱中的灰渣经湿润后由螺旋出渣机7连续排出，由旋风分离器5出来的高温煤气先进入鼓泡塔8，利用鼓泡塔内的水去除煤气中部分灰分和焦油，再进入第一洗涤塔9、第二洗涤塔10继续水洗降温、除焦油和灰尘，最后进入有机溶剂洗涤器(文氏管)12通过180#重质燃料油进一步出去煤气中的微量焦油。重质燃料油经分离后进入贮槽13，回收的重质燃料油由泵11送入洗涤系统循环使用，溶剂循环量3m³/h，净化后的煤气中的焦油含量小于27mg/Nm³。净化后的煤气由罗茨风机14经水封15后送入煤气柜16，煤气柜中的煤气可作为燃气发电机17，也可通过管网向居民用户18供气。