阅读说明：本技术 一种往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的装置及方法 (Device and method for combined production of biochar by coupling gasification of reciprocating grate with coal-fired power generation ) 是由 别如山 于 2020-07-27 设计创作，主要内容包括：一种往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的装置及方法,属于新能源技术领域。生物质往复炉排气化炉包括往复炉排及设置在往复炉排上部的气化炉膛,往复炉排下部设有至少六个风室,往复炉排末端设有开口U型水冷绞龙,开口U型水冷绞龙出口设置生物炭水冷绞龙一,气化炉膛顶部出口与立式渐缩渐扩裂解器入口连接,立式渐缩渐扩裂解器出口与旋风分离器入口连接,旋风分离器下部出口设置生物炭水冷绞龙二,旋风分离器燃气出口通过引风机与大型燃煤锅炉连接,引风机与大型燃煤锅炉之间设有燃气阀门,立式渐缩渐扩裂解器入口设有旋转阀给料器,气化炉膛顶部的燃气放散口设有排空阀和放散燃烧器。本发明用于生物质气化耦合燃煤发电联产生物炭。(A device and a method for combined production of biochar by gasification of a reciprocating grate and coupling coal-fired power generation belong to the technical field of new energy. The biomass reciprocating furnace exhaust gasifier comprises a reciprocating grate and a gasification furnace arranged on the upper portion of the reciprocating grate, at least six air chambers are arranged on the lower portion of the reciprocating grate, an open U-shaped water-cooling auger is arranged at the tail end of the reciprocating grate, a biochar water-cooling auger I is arranged at an outlet of the open U-shaped water-cooling auger, an outlet of the top of the gasification furnace is connected with an inlet of a vertical gradually-reducing and gradually-expanding cracker, an outlet of the vertical gradually-reducing and gradually-expanding cracker is connected with an inlet of a cyclone separator, a biochar water-cooling auger II is arranged at an outlet of the lower portion of the cyclone separator, a fuel gas outlet of the cyclone separator is connected with a large coal-fired boiler through an induced draft fan, a fuel gas valve is arranged between the induced draft fan and. The biomass gasification combined biomass charcoal gasification combined coal-fired power generation device is used for biomass gasification coupled coal-fired power generation and biochar co-production.)

一种往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的装置及方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及生物质往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的装置及方法。

背景技术

生物质气化是将生物质进行热化学转化为可燃气体的一种技术，其原理是将生物质在气化炉内的缺氧条件下进行不完全燃烧，释放出的热量将生物质转化为CO、H₂、CH₄、CO₂和生物炭等，生物炭可作为钢厂钢水保温材料、土壤改良剂、肥料缓释载体以及活性炭的原料等；生物质气化气既可送入燃气锅炉燃烧供热，也可送入大容量高参数燃煤锅炉耦合发电，利用燃煤锅炉发电效率高和污染物集中治理超低排放的优势，大幅提高生物质发电效率，提高电厂经济性，同时降低每KW CO₂排放量。目前生物质气化炉有上吸式固定床气化炉、下吸式固定床气化炉、链条炉排气化炉、流化床及循环流化床气化炉。上吸式固定床气化炉、下吸式固定床气化炉容量较小，生物质处理量3t/h以下；链条炉排气化炉，目前只应用于稻壳气化，稻壳处理量不大于3t/h，当块状生物质气化时，存在气化不透的问题，即生物质不能完全碳化。要满足大型燃煤锅炉耦合生物质气化发电，循环流化床几乎是唯一选择，但是，循环流化床对生物质粒度及水分要求较高，对于木质颗粒希望粒度小于20mm，对于秸秆来说，长度不希望超过50mm，同时生物质的水分不超过15％。循环流化床气化炉得到的生物质炭通常是粒径小于6mm的颗粒及粉末，对于希望得到块状生物质炭或不改变生物质原来形状的，以及水分高过15％的生物质来说，循环流化床就难以胜任。此外，由于气化炉出口燃气温度为700-800℃，对后续引风机等设备要求过高，需要降低可燃气体温度至450℃左右。现有技术采用导热油换热器将可燃气体冷却至450℃，然后导热油与水或空气等进行二次换热，存在导热油换热器换热面积大，投资成本高，系统复杂，并且，目前导热油最高允许加热温度至360℃，因此导热油换热器壁面温度低于400℃，大分子焦油容易沾污在换热器上，影响传热，需要定期清理。

发明内容

本发明的目的是为解决目前链条炉排气化炉、循环流化床气化炉及可燃气体降温的问题，并为了实现生物质气化与燃煤耦合发电的同时，高效生产生物炭的目的，进而提供一种往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的装置，包括生物质往复炉排气化炉、立式渐缩渐扩裂解器、开口U型水冷绞龙、旋转阀给料器、旋风分离器、引风机、燃气阀门、生物炭水冷绞龙一、生物炭水冷搅龙二、放散燃烧器、排空阀及至少六个风室；

所述生物质往复炉排气化炉包括往复炉排及设置在往复炉排上部的气化炉膛，所述往复炉排下部设置有至少六个风室，往复炉排末端设置有开口U型水冷绞龙，所述开口U型水冷绞龙出口设置生物炭水冷绞龙一，所述气化炉膛顶部出口与立式渐缩渐扩裂解器入口连接，所述立式渐缩渐扩裂解器出口与旋风分离器入口连接，所述旋风分离器生物炭出口设置有生物炭水冷搅龙二，旋风分离器燃气出口与引风机入口连接，所述引风机出口与大型燃煤锅炉连接，引风机与大型燃煤锅炉之间设置有燃气阀门，立式渐缩渐扩裂解器入口设置有旋转阀给料器，气化炉膛顶部设有燃气放散口，所述燃气放散口端部设有放散燃烧器，燃气放散口上设有排空阀。

一种往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的方法，所述方法步骤是：

步骤一：通过往复炉排的活动炉排片将生物质燃料推入气化炉膛内气化，并将气化后得到的生物炭推入开口U型水冷绞龙内；在生物质燃料气化过程中，至少有六个风室向气化炉膛送风，送风量为占理论空气量的25-40％，并控制气化炉膛内气温在700-800℃之间；

步骤二：将粒径小于5mm、水分小于15％的生物质通过旋转阀给料器送入气化炉膛顶部出口700-800℃的可燃气体管道内，并与高温可燃气体一起进入立式渐缩渐扩裂解器内将生物质碳化，生物质停留时间为8-10s，通过调节旋转阀给料器的转速，调节生物质给料量,将可燃气体温度从700-800℃降至450℃，之后进入旋风分离器内分离生物炭，生物炭进入生物炭水冷绞龙二内温度降至150℃以下回收；旋风分离器顶部的可燃气体在引风机的作用下进入大型燃煤锅炉中。

本发明相对于现有技术的有益效果是：采用生物质往复炉排气化炉解决了循环流化床对水分及粒度的苛刻要求，可以获得原有形状的生物炭；往复炉排具有拨火功能(现有技术)，解决了链条炉排气化炉气化不完全难题；生物质往复炉排气化炉造价只有同容量循环流化床气化炉的1/2，而且不需要高压风机，风机电耗显著下降。利用生物质气化产生的高温燃气在立式渐缩渐扩裂解器中使生物质碳化，联产生物炭，解决了燃气降温难题，达到了发电与生物炭联产的双重效果。本发明用于生物质气化耦合燃煤发电联产生物炭。

附图说明

图1是本发明的生物质往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的装置的结构示意图；

图2是立式渐缩渐扩裂解器的局部视图；

图3是图1的K向视图；图中W表示气化炉膛的宽度；

图4是往复炉排2的局部放大图；

图5是生物质往复炉排气化炉前后拱结构图。

上述附图中涉及到的部件名称及标号如下：

生物质往复炉排气化炉1、往复炉排2、风室一2-1、风室二2-2、风室三2-3、风室四2-4、风室五2-5、风室六2-6、活动炉排片2-7、固定炉排片2-8、炉前料斗3、立式渐缩渐扩裂解器4、下降段4-1、圆筒三4-1-1、圆筒四4-1-2、上升段4-2、圆筒一4-2-1、圆筒二4-2-2、弯管4-3、开口U型水冷绞龙5、旋转阀给料器6、旋风分离器7、引风机8、燃气阀门9、大型燃煤锅炉10、生物炭水冷绞龙一11、生物炭水冷搅龙二12、放散燃烧器13、排空阀14、旋转密封阀一15、旋转密封阀二16、鼓风机17。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1-图5所示，本实施方式披露了一种往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的装置，包括生物质往复炉排气化炉1、立式渐缩渐扩裂解器4、开口U型水冷绞龙5、旋转阀给料器6、旋风分离器7、引风机8、燃气阀门9、生物炭水冷绞龙一11、生物炭水冷搅龙二12、放散燃烧器13、排空阀14、炉前料斗3及至少六个风室，

所述生物质往复炉排气化炉1包括往复炉排2(如图1、图4所示，往复炉排由固定炉排片2-8和活动炉排片2-7组成，往复炉排具有翻拌功能，能够使生物质完全碳化，但是，现有的燃煤往复炉排不能胜任生物质气化，因为，活动炉排片2-7的高度及推程远远小于生物质气化炉所需要的的高度及推程，生物质气化炉所用的往复炉排，其活动炉排片2-7的高度为H＝100-200mm，推程L＝220-400mm。此外，往复炉排与水平面夹角α1为0～21°，如图5所示)及设置在往复炉排2上部的气化炉膛，所述往复炉排2下部设置有至少六个风室，往复炉排2上部首端设置炉前料斗3，往复炉排2末端设置有开口U型水冷绞龙5(为现有技术)，所述开口U型水冷绞龙5出口设置生物炭水冷绞龙一11，所述气化炉膛顶部出口与立式渐缩渐扩裂解器4入口连接，所述立式渐缩渐扩裂解器4出口与旋风分离器7入口连接，所述旋风分离器7生物炭出口设置有生物炭水冷绞龙二12，旋风分离器7燃气出口与引风机8入口连接，所述引风机8出口与大型燃煤锅炉10(功率至少在300兆瓦以上，通常在600-1000兆瓦之间)的燃气燃烧器连接，引风机8与大型燃煤锅炉10之间设置有燃气阀门9(用于紧急情况下切断生物质往复炉排气化炉1与大型燃煤锅炉10的联系)，立式渐缩渐扩裂解器4入口设置有旋转阀给料器6，通过旋转阀给料器6将粒径小于5mm，水分小于15％的生物质(如稻壳、木屑等)与高温燃气混合后进入立式渐缩渐扩裂解器4，生物质颗粒与可燃气体充分混合、干馏生成生物质炭和燃气，气化炉膛顶部设有燃气放散口，所述燃气放散口端部设有放散燃烧器13(现有技术)，燃气放散口上设有排空阀14。当燃气阀门9关闭时，排空阀14就打开，向外排出可燃气体，同时点燃设置在燃气放散口端部的放散燃烧器13，将燃气烧掉。

具体实施方式二：如图1、图3所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述生物炭水冷绞龙一11出口设置旋转密封阀一15，所述生物炭水冷绞龙二12出口设置旋转密封阀二16，旋转密封阀一15和旋转密封阀二16起密封作用，防止空气漏入燃气中，避免爆燃事故发生。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述风室的数量为六个，六个风室沿往复炉排2的运行方向(前后方向)依次为风室一2-1、风室二2-2、风室三2-3、风室四2-4、风室五2-5及风室六2-6，六个风室送风量依次占总风量的15％、20％、20％、20％、15％及10％。六个风室通过鼓风机17送风。本实施方式能够有效控制气化炉膛内温度，避免局部温度过高导致结渣。

具体实施方式四：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述立式渐缩渐扩裂解器4为‘蛇’形结构，立式渐缩渐扩裂解器4(立式渐缩渐扩裂解器4采用渐缩渐扩结构，有利于生物质与高温燃气充分均匀混合)由入口至出口方向依次由下降段4-1和上升段4-2交替设置，且二者之间由弯管4-3连接组合构成；

所述上升段4-2由多个圆筒一4-2-1和多个圆筒二4-2-2同轴且依次交替设置构成，每个所述圆筒一4-2-1的下端通过缩口一与圆筒二4-2-2的上端连接，每个圆筒二4-2-2的下端通过扩口一与圆筒一4-2-1的上端连接，每个圆筒二4-2-2下端的扩口一与圆筒一4-2-1组合构成扩张段一，每个圆筒一4-2-1下端的缩口一与圆筒二4-2-2组合构成收缩段一；

所述下降段4-1由多个圆筒三4-1-1和多个圆筒四4-1-2同轴且依次交替设置构成，每个所述圆筒三4-1-1的下端通过缩口二与圆筒四4-1-2的上端连接，每个圆筒四4-1-2的下端通过扩口二与圆筒三4-1-1的上端连接，每个圆筒四4-1-2下端的扩口二与圆筒三4-1-1组合构成扩张段二，每个圆筒三4-1-1下端的缩口二与圆筒四4-1-2组合构成收缩段二。此种结构保证高温燃气与生物质充分混合，使得生物质在其中停留8-10s后能够彻底碳化。

具体实施方式五：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式四作出的进一步说明，在所述上升段4-2中，所述收缩段一气速为18-20m/s，所述扩张段一气速为14-16m/s，相邻两个圆筒一4-2-1中部之间的距离为一个节距一L1,圆筒二4-2-2的内圆壁直径为d1，L1/d1＝4-6。上升气流需要携带生物质颗粒，所以气速必须达到14m/s以上，否则，生物质颗粒就不能随气流带走，通常取14-16m/s；而收缩段一速度需要达到18-20m/s,才能起到良好的混合效果，速度过高没有必要，因为阻力与速度的平方成正比。

在所述下降段4-1中，所述收缩段二气速为8-10m/s，所述扩张段二气速为5-6m/s，相邻两个圆筒三4-1-1中部之间的距离为一个节距二L2，圆筒四4-1-2的内圆壁直径为D1，L2/D1＝4-6。在下降段4-1，为了增加停留时间，扩张段二速度选取5-6m/s，收缩段二8-10m/就能保证良好混合；如果扩张段速度更低，则直径更大，材料量增加，投资增加；收缩段二速度低于8m/s不能充分混合，高于10m/s阻力增加较多。

具体实施方式六：如图1-图4所示，本实施方式披露了一种利用具体实施方式1-5任一具体实施方式所述的装置实现往复炉排气化耦合燃煤发电联产生物炭的方法，所述方法步骤是：

步骤一：往复炉排2的活动炉排2-7设置在固定炉排片2-8上，通过往复炉排2的活动炉排2-7将生物质燃料推入气化炉膛内气化，并将气化后得到的生物质炭从上层推入下层，这样一层接一层，直至将生物质炭推入开口U型水冷绞龙5内；活动炉排片2-7推程L＝220-400mm，活动炉排片2-7高度H＝100-200mm；往复炉排与水平面之间的夹角为0～21；在生物质燃料气化过程中，至少有六个风室向气化炉膛送风，送风量依据生物质燃料及含水率的不同为理论空气量的25-40％(水分高者取高值)，每个风室下配有蒸汽喷枪，当局部炉温超过800时，喷入蒸汽，控制气化炉膛内气温在700-800℃之间；

步骤二：为解决导热油降低燃气温度带来的一系列问题，将粒径小于5mm、水分小于15％的生物质通过起密封作用的旋转卸料阀6送入气化炉膛顶部出口700-800℃的可燃气体管道内，并与高温可燃气体一起进入立式渐缩渐扩裂解器4内将生物质碳化(生物质与高温700-800℃的可燃气体充分混合干馏生成生物炭和燃气)，生物质停留时间为8-10s，足以将生物质碳化，通过调节旋转卸料阀6转速，调节生物质给料量,将可燃气体温度从700-800℃降至450℃(从而免去导热油换热器)，之后进入旋风分离器7内分离生物炭，生物炭进入生物炭水冷绞龙二12内温度降至150℃以下回收；旋风分离器7顶部的可燃气体在引风机8的作用下进入大型燃煤锅炉10中。本实施方式的有益效果是控制气化炉膛内温度700-800℃，避免局部高温导致炉排表面结渣；采用生物质裂解吸热降温，免去导热油换热器，进而避免昂贵的设备投资。同时获得生物炭及450℃燃气，直接通过引风机8送入大型燃煤锅炉10耦合发电。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步说明，步骤一中，所述生物质燃料包括秸秆散料、秸秆压块及木质棒料，生物质燃料加入量为5～40t/h。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七作出的进一步说明，所述秸秆散料的水分小于35％，最长不超过150mm；所述秸秆压块的断面尺寸即：宽×高＝32×32mm，长度小于100mm(水分小于15％)；所述木质棒料的水分小于25％，断面尺寸即：宽×高＜40×40mm，长度小于200mm。本实施例有益效果是：将高水分的秸秆散料气化，同时将25％以下水分的木质棒料、压块(通常水分小于15％)碳化，所有结果的获得，得益于往复炉排拨火搅拌功能以及700-800℃气化温度。

具体实施方式九：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步说明，步骤一中，所述风室的数量为六个，六个风室沿往复炉排2的运行方向(即前后方向)依次为风室一2-1、风室二2-2、风室三2-3、风室四2-4、风室五2-5及风室六2-6，六个风室送风量依次占总风量的15％、20％、20％、20％、15％及10％。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步说明，步骤二中，所述生物质为稻壳、木屑及其他符合粒度小于5mm、含水率小于15％所有生物质。所述生物质优先考虑稻壳及木屑。

具体实施方式十一：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步说明，步骤二中，所述立式渐缩渐扩裂解器4为‘蛇’形结构，立式渐缩渐扩裂解器4(立式渐缩渐扩裂解器4采用渐缩渐扩结构，有利于生物质与高温燃气充分均匀混合)由入口至出口方向依次由下降段4-1和上升段4-2交替设置，且二者之间由弯管4-3连接组合构成；

所述上升段4-2由多个圆筒一4-2-1和多个圆筒二4-2-2同轴且依次交替设置构成，每个所述圆筒一4-2-1的下端通过缩口一与圆筒二4-2-2的上端连接，每个圆筒二4-2-2的下端通过扩口一与圆筒一4-2-1的上端连接，每个圆筒二4-2-2下端的扩口一与圆筒一4-2-1组合构成扩张段一，每个圆筒一4-2-1下端的缩口一与圆筒二4-2-2组合构成收缩段一；

所述下降段4-1由多个圆筒三4-1-1和多个圆筒四4-1-2同轴且依次交替设置构成，每个所述圆筒三4-1-1的下端通过缩口二与圆筒四4-1-2的上端连接，每个圆筒四4-1-2的下端通过扩口二与圆筒三4-1-1的上端连接，每个圆筒四4-1-2下端的扩口二与圆筒三4-1-1组合构成扩张段二，每个圆筒三4-1-1下端的缩口二与圆筒四4-1-2组合构成收缩段二；

在所述上升段4-2中，所述收缩段一气速为18-20m/s，所述扩张段一气速为14-16m/s，相邻两个圆筒一4-2-1中部之间的距离为一个节距一L1,圆筒二4-2-2的内圆壁直径为d1，L1/d1＝4-6；

在所述下降段4-1中，所述收缩段二气速为8-10m/s，所述扩张段二气速为5-6m/s，相邻两个圆筒三4-1-1中部之间的距离为一个节距二L2，圆筒四4-1-2的内圆壁直径为D1，L2/D1＝4-6。

气化炉前后拱尺寸：前拱与水平夹角α2＝38-42°，前拱直段高度L6＝1.0-1.5m，前拱覆盖往复炉排长度：L3/L5≥30％；后拱与水平夹角α3＝12-30°，后拱末端距炉排表面垂直高度L7＝0.5-0.8m,后拱覆盖往复炉排长度：L4/L5＝50％-60％。保证前后拱覆盖往复炉排长度达到80-90％，这样才能保证高水分(≤35％)的生物质散料、水分≤25％的木棒(块)以及生物质压块(水分≤15％)完全碳化，如图5所示。其中L3为前拱水平投影的长度，L5为往复炉排水平投影的长度，L4为后拱水平投影的长度。