阅读说明：本技术 一种生物质流化床气化制备燃料气或合成气的方法及装置 (Method and device for preparing fuel gas or synthesis gas by biomass fluidized bed gasification ) 是由 张永奇 黄戒介 房倚天 赵建涛 王志宇 李春玉 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于燃料气或合成气的制备技术领域,具体涉及一种生物质流化床气化制备燃料气或合成气的方法及装置。其中装置包括进料装置、流化床、除尘装置、废热回收装置和水洗塔；床料星型给料器和生物质螺旋给料器通过进料管与气化炉下段连接,振动筛通过运输系统与床料受料斗连接,气化炉上段通过高温管段与一级旋风分离器的入口连接,一级旋风分离器的粉料出口与气化炉下段连接。本发明通过对床料和生物质原料分别计量,并分别吹送至气化炉下段,防止了因为两者之间颗粒大小不同、密度不同导致的其混合后在料仓内会自动产生分层的问题,可以实现床料和生物质原料的稳定计量和稳定输送。(The invention belongs to the technical field of preparation of fuel gas or synthesis gas, and particularly relates to a method and a device for preparing fuel gas or synthesis gas by biomass fluidized bed gasification. The device comprises a feeding device, a fluidized bed, a dust removal device, a waste heat recovery device and a water washing tower; bed material star type dispenser and living beings screw feeder pass through the inlet pipe and are connected with the gasifier hypomere, and the shale shaker passes through conveying system and is connected with bed material hopper, and the gasifier upper segment passes through the entry linkage of high temperature tube section and one-level cyclone, and one-level cyclone's powder export is connected with the gasifier hypomere. According to the invention, the bed material and the biomass raw material are respectively metered and respectively blown to the lower section of the gasification furnace, so that the problem that the bed material and the biomass raw material can be automatically layered in the storage bin after being mixed due to different particle sizes and densities between the bed material and the biomass raw material is solved, and the stable metering and stable conveying of the bed material and the biomass raw material can be realized.)

一种生物质流化床气化制备燃料气或合成气的方法及装置

技术领域

本发明属于燃料气或合成气的制备技术领域，具体涉及一种生物质流化床气化制备燃料气或合成气的方法及装置。

背景技术

随着社会对能源需求的日益增长，作为主要能源的化石燃料不断减少，而且也带来了严重的环境问题，因此，寻求可再生替代能源，成为未来能源的发展方向。生物质能源是一种理想的可再生能源，是世界第四大能源。利用生物质能具有两大优点：一是生物质能作为可再生能源，使人类可以摆脱对化石能源的依赖；二是有利于改善环境，生物质利用过程中排放的CO₂量等于其形成过程中吸收的CO₂量，所以生物质替代化石能源有助于减轻温室效应，而且生物质的S,N含量低，可以降低氮氧化合物的排放。

在众多的生物质利用技术中，生物质气化是最有前景，易于大规模化利用的技术。生物质气化可以生成中、低热值燃气，可用于工业燃料、化学品合成或发电，使用效率与其他技术相比也更高。目前固定床气化技术，设备制造简单、操作简单，但是规模小，气化过程产生难以处理的焦油，限制了其发展应用。流化床气化技术由于原料适应性广、气固传热传质性能好，混合均匀，是易于生物质大规模化气化应用的技术之一。但是，生物质物性差异大，单独稳定流化困难，容易形成搭桥、沟流、节涌等现象，阻碍了技术的应用。目前小型流化床生物气化通常是将生物质和床料如石英砂、炉渣和沙子按一定比例混合起来，一起加入气化炉进行气化，一方面床料作为流化介质，改善生物质的流化性能；另一方面作为热载体，以利于生物质的热解气化。但是该技术不适合大规模化生产，一方面由于床料和生物质的密度、流动特性等差异巨大，不容易均匀混合，另一方面生物质和床料混合物在连续进料的过程中，在料仓中极易形成床料和生物质原料的分层，床料在料仓下部堆积，而生物质聚集在料仓上部，随着生产的进行，物料的分层最终会导致生物质原料无法顺利进入气化炉，影响生产的顺利进行；再者这种混合进料的方式在大规模生产中需要大量的床料，增加生产成本，进料的不连续性也无法有效的控制床层，无法稳定连续生产。气化温度低，产生焦油也是目前该工艺存在的问题。

针对生物质流化床气化工艺中的缺陷，国内有人提出了生物质与煤共气化的工艺技术路线，来克服和弥补生物质单独气化过程中的不足：生物质与煤双原料供应，避免了生物质利用受季节，气候因素影响而带来的生物质原料供应的波动；煤焦很好的流化特性可以改善生物质的流化特性，利于传热、传质和气化反应；较高的煤焦气化反应温度，强化了生物质热解焦油的裂解反应，使燃气中基本不含焦油，后系统净化简单。因此专利CN1557919A提出了煤与生物质流化床供风燃烧和供蒸汽气化的间歇式操作工艺流程，在供风燃烧阶段，通入煤和空气，使煤在流化状态下燃烧产生热量；在供蒸汽阶段，向气化炉内通入水蒸汽和生物质，进而得到高热值的燃料气，且无焦油产生，该过程采用供风燃烧和供蒸汽气化的间歇式操作,利用煤燃烧产生的高温料层来气化煤与生物质，提高了燃料气的热值，避免了焦油的产生，但是，降低了生产效率，增加了操作的复杂性，而且间歇操作使高温下阀门频繁切换，对材质要求高，增加了工业应用的难度，因此专利CN1865408A为了克服间歇操作的不足，提出了空气水蒸气流化床连续气化的方法，该过程虽然提高了生产效率，但是又存在明显的不足：生物质和煤为混合后进料，在同一储料仓中，即使混合均匀，但是由于密度，流动的差异性，在进料的过程中，仓内物料会慢慢分层，密度大的煤粒会聚集于料仓下部，而密度轻的的生物质颗粒会逐渐聚集于煤仓上部，造成进料不均匀，甚至不能连续进料，影响生产的连续性；燃气带出细粉量大，炭含量高，过程总碳转化率低，工艺的应用存在局限性。化石能源的利用带来的环境问题已经严重影响了人们的生活。生物质的利用技术特别是大规模利用技术的开发成为当务之急。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种生物质流化床气化制备燃料气或合成气的方法及装置。

为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

一种生物质流化床气化制备燃料气或合成气的方法，包括以下步骤：

步骤1，进料：通过送料装置对床料和生物质原料分别计量，并将其分别加入到气化炉下段，使床料和生物质原料在流化床内形成稳定的床层，进而使生物质原料进行流化气化；现有技术中的进料均为床料和生物质原料混合在一起共同进料，但由于床料和生物质原料的颗粒大小不同、密度不同，混合料在料仓中会自动分层，易导致生物质原料和床料无法顺利进入气化炉，影响稳定生产，本发明将床料和生物质原料分别计量，并分别吹送至气化炉下段可以实现稳定计量和稳定输送，从而有利于床料和生物质原料之间的流化反应，同时进料时增加吹送气送料可以防止进料管堵塞，保证持续均匀的供料；

步骤2，气化剂供气：在气化炉下段的底部采用四周倒锥形供气、环型供气以及环型中心供气三路结合的方式向气化炉下段提供气化剂，其中四周倒锥形供气为气化炉气化剂的主要来源，同时又作为气化炉的流化气；所述环型供气主要用于控制床层和排渣量；所述环型中心供气主要用于提高气化炉底部中心区域的气化温度，以利于提高碳转化率；通过调节四周倒锥形供气、环型供气以及环型中心供气的供气量和气体组成使床层稳定流化以及构建优化的气化反应区域；

步骤3，气化反应：床料和生物质原料在气化炉下段进行气化反应，反应生成的气体夹带部分细粉上升至气化炉中段，向气化炉中段通入二次风，提高气化炉中段的气化温度，使焦油进一步转化，在气化炉上段的顶部则进行喷水降温，以保护后续的旋风分离器，延长设备的使用寿命；

步骤4，料渣循环：收集从气化炉下段下端落下的生物质气化形成的料渣，再对料渣冷却后进行筛分，对径粒大于10mm的料渣进行外运处理，对径粒小于10mm的料渣则通过运输机构重新输送至送料装置进行循环使用，节约了资源；

步骤5，气体除尘：步骤3中经喷水冷却后的气体进入旋风分离器进行两级除尘，一级除尘分离出来的细粉重新进入气化炉下段进行气化反应，对二级除尘分离出来的细粉则进行收集处理；

步骤6，废热回收和水洗：先对除尘后的气体进行废热回收，再将降温后的气体送入水洗塔进行水洗，得到合格的燃料气或合成气。

进一步，所述步骤1中床料的粒度为0-10mm，且粒径在0.2-1.0mm的组分占40％-80％，这部分细颗粒床料有利于床层的充分流化、强化传热，提高床层温度和气化效率，所述步骤1中生物质原料的粒度为0-10mm，且水分≤20％。

再进一步，所述步骤1中的床料为煤、半焦、石油焦、锅炉炉渣、煤矸石、石英砂、石灰石或高铝矾土中的任意一种。

更进一步，所述步骤3中气化炉上段的顶部喷水降温后气体的温度为750-850℃。

一种生物质流化床气化制备燃料气或合成气的装置，包括进料装置、流化床、除尘装置、废热回收装置和水洗塔；

所述进料装置包括床料进料装置和生物质进料装置，所述床料进料装置由依次设置的床料受料斗、床料平衡斗、床料进料斗和床料星型给料器组成；所述生物质进料装置由依次设置的生物质受料仓、生物质平衡斗、生物质进料斗、生物质星型给料器和生物质螺旋给料器组成；生物质原料进料的计量和控制采用生物质星型给料器连接生物质螺旋给料器的方式，易于连续进料且控制稳定。床料进料采用床料星型给料器进料，控制床层过程快速、简单。

所述流化床由从下往上依次连接的气化炉下段、气化炉中段和气化炉上段组成，所述气化炉中段的直径大于气化炉下段的直径，所述气化炉下段的直径大于气化炉上段的直径，所述气化炉中段通过锥形连接段与气化炉下段和气化炉上段连接，在所述气化炉下段的底部设有倒锥分布板，在所述气化炉下段的下端设置有环管，所述环管的上端与倒锥分布板连接，在所述环管内还穿插设置有中心管，所述中心管的轴线与环管的轴线重合，且所述中心管的上端延伸至倒锥分布板的下端，所述环管的下端和上渣斗的上端连接，所述上渣斗的下端和下渣斗的上端连接，所述下渣斗的出口和冷渣机的入口连接，所述冷渣机的出口和料渣收集仓的上端入口连接，在所述料渣收集仓的下方设置有振动筛；

所述除尘装置包括一级旋风分离器、二级旋风分离器、飞灰取热器、上细粉斗、下细粉斗和细粉收集仓，所述一级旋风分离器的出气口通过管路与二级旋风分离器的入口连接，所述二级旋风分离器的粉料出口通过管路依次与飞灰取热器、上细粉斗、下细粉斗和细粉收集仓连接；本发明设置的飞灰取热器可以控制细粉的温度，操作稳定可靠，从而保护后续的上细粉斗和下细粉斗，延长它们的使用寿命，降低对高温高压阀门的要求。

所述废热回收装置由依次连接的一段蒸发器、蒸汽过热器、金属过滤器和二段蒸发器省煤器组合体组成；二级旋风分离器除尘后的气体先经过一段蒸发器和蒸汽过热器降温，通过降温，使气体的温度满足金属过滤器的使用要求，工艺上满足温度高于露点，同时金属过滤器的材质又能在该温度下使用。金属过滤器可以高效除尘，降低水洗塔的洗涤负荷和减轻洗涤水处理处理的污泥，而得到合格的燃料气或合成气。

所述进料装置中的床料星型给料器和生物质螺旋给料器通过进料管与流化床中的气化炉下段连接，所述流化床中的振动筛通过运输系统与进料装置中床料受料斗连接，所述流化床中气化炉上段的上部通过高温管段与除尘装置中一级旋风分离器的入口连接，所述除尘装置中一级旋风分离器的粉料出口与流化床中的气化炉下段连接，在所述一级旋风分离器的粉料出口与气化炉下段之间设置有料腿阀，所述除尘装置中二级旋风分离器的出气口通过管路与废热回收装置中一段蒸发器的入口连接，所述废热回收装置中金属过滤器的粉料出口与除尘装置中细粉收集仓的上端连接，所述废热回收装置中二段蒸发器省煤器组合体的出口与所述水洗塔的入口连接。

进一步，在所述气化炉上段的下部设置有二次风口，以通入二次风，从而提高气化炉中段的温度，使焦油进一步转化。

再进一步，在所述气化炉上段的顶部设置有降温喷水口，以通过降温喷水口喷入水或水蒸汽从而降低气体温度，进而降低碱金属或碱土金属的腐蚀，最终降低对后续系统设备的要求。

更进一步，所述生物质螺旋给料器与气化炉下段连接的进料管的高度不高于床料星型给料器与气化炉下段连接的进料管的高度。

更进一步，设所述气化炉中段的直径为D中、气化炉下段的直径为D下，气化炉上段的直径为D上，则它们之间有如下关系：

0.5D下≤D上≤0.8D下，1.2D下≤D中≤1.8D下。

根据反应器内气固流化和反应特性，对流化床反应器上、中、下段的炉径进行优化设计，气化炉中段为扩大段，用于降低气化炉速，增加物料的停留时间，使未反应的大颗粒返回下部浓相段，提高碳转化率，本发明在气化炉中段上部又设计了减小了直径的气化炉上段用于增大气速，在上部形成快速床，加大湍流，利于二次风加入后的热量传递，使整个气化炉上段温度均匀，利于上部夹带细粉的转化，提高碳转化率。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、本发明通过对床料和生物质原料分别计量，并分别吹送至气化炉下段，防止了因为两者之间颗粒大小不同、密度不同导致的其混合后在料仓内会自动产生分层的问题，可以实现床料和生物质原料的稳定计量和稳定输送，有利于床料和生物质原料之间的流化反应，同时进料时增加吹送气送料可以防止进料管堵塞，保证持续均匀的供料；

2、本发明对从气化炉下段出来的料渣进行筛分，并将径粒小于10mm的料渣进行循环利用，大大减少了所需要的大量床料，降低了资源的浪费，节省了成本，有利于生物质的大规模气化；

3、本发明在气化炉上段的下部设置有二次风口，用于向气化炉中段吹送二次风，从而提高气化炉中段的温度，使焦油进一步转化；

4、本发明根据反应器内气固流化和反应特性，对流化床反应器上、中、下段的炉径进行优化设计，气化炉中段为扩大段，用于降低气化炉速，增加物料的停留时间，使未反应的大颗粒返回下部浓相段，提高碳转化率，本发明在气化炉中段上部又设计了减小了直径的气化炉上段用于增大气速，在上部形成快速床，加大湍流，利于二次风加入后的热量传递，使整个气化炉上段温度均匀，利于上部夹带细粉的转化，提高碳转化率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明气化炉下段的结构示意图；

图3为本发明流化床的结构示意图；

图中床料受料斗—1、床料平衡斗—2、床料进料斗—3、床料星型给料器—4、生物质受料仓—5、生物质平衡斗—6、生物质进料斗—7、生物质星型给料器—8、生物质螺旋给料器—9、倒锥分布板—10、中心管—11、环管—12、上渣斗—13、下渣斗—14、冷渣机—15、料渣收集仓—16、振动筛—17、气化炉下段—18、气化炉中段—19、气化炉上段—20、二次风口—21、降温喷水口—22、高温管段—23、一级旋风分离器—24、二级旋风分离器—25、飞灰取热器—26、上细粉斗—27、下细粉斗—28、细粉收集仓—29、一段蒸发器—30、蒸汽过热器—31、金属过滤器—32、二段蒸发器省煤器组合体—33、水洗塔—34。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

如图1至图3所示，一种生物质流化床气化制备燃料气或合成气的方法，包括以下步骤：

步骤1，进料：通过送料装置对床料和生物质原料分别计量，并将其分别吹送至气化炉下段18，使床料和生物质原料在流化床内形成稳定的床层，进而使生物质原料进行流化气化；所述床料为煤、半焦、石油焦、锅炉炉渣、煤矸石、石英砂、石灰石或高铝矾土中的任意一种。床料的粒度为0-10mm，且粒径在0.2-1.0mm的组分占40％-80％，当床料为煤时，水分<10％；当床料为烟煤、无烟煤、半焦、石油焦、锅炉炉渣或煤矸石时，水分<5％；当床料为石英砂、石灰石或高铝矾土等其他高熔点无机矿物质时，水分<3％，所述生物质原料的粒度为0-10mm，且水分≤20％。

步骤2，气化剂供气：对流化床进行烘炉，待流化床炉底部温度大于900℃，顶部温度大于600℃时，向气化炉下段18送入床料和生物质原料，在气化炉下段18的底部采用四周倒锥形供气、环型供气以及环型中心供气三路结合的方式向气化炉下段18提供气化剂，所述环型供气气速为3-10m/s，气体中的氧浓度<30vol％；所述环型中心供气气速为15-50m/s，气体中的氧浓度为30-60vol％；

步骤3，气化反应：床料和生物质原料在气化炉下段18进行气化反应，反应生成的气体夹带部分细粉上升至气化炉中段19，向气化炉中段19通入二次风，二次风为氧气，提高气化炉中段19的气化温度至900～1000℃，使焦油进一步转化，在气化炉上段20的顶部则进行喷水降温，使气体温度降温至750-850℃，以保护后续的一级旋风分离器24，延长一级旋风分离器24的使用寿命；

步骤4，料渣循环：在气化过程中，环型供气气速在3～10m/s，氧浓度<30Vol％；环型中心供气气速10～50m/s，氧浓度30～60％vol％，控制排渣量；收集从气化炉下段18下端落下的生物质气化形成的料渣，再对料渣冷却后进行筛分，对径粒大于10mm的料渣进行外运处理，对径粒小于10mm的料渣则通过运输机构重新输送至送料装置进行循环使用，节约了资源；

步骤5，气体除尘：对步骤3中经喷水冷却后的气体进入旋风分离器进行两级除尘，粗煤气经一级旋风分离器24分离，捕集的细粉经立管、高温细粉控制阀，吹入到气化炉下段18浓相段中上部，再次参与反应；分离后的粗煤气进入二级旋风分离器25，捕集的细粉先经过飞灰取热器26使飞灰从750-850℃降温到400-500℃，再经过上细粉斗27和下细粉斗28进入细粉收集仓29外运；

步骤6，废热回收和水洗：经二级旋风分离器25分离后的高温煤气经一段蒸发器30、蒸汽过热器31换热后，煤气由750-850℃降温到400-500℃，粗煤气再进入金属过滤器32进一步除尘，除尘后的粗煤气再进入二段蒸发器省煤器组合体33降温至150-250℃，再将降温后的粗煤气送入水洗塔进行水洗，得到合格的燃料气或合成气。

一种生物质流化床气化制备燃料气或合成气的方法的装置，包括进料装置、流化床、除尘装置、废热回收装置和水洗塔34；

所述进料装置包括床料进料装置和生物质进料装置，所述床料进料装置由依次设置的床料受料斗1、床料平衡斗2、床料进料斗3和床料星型给料器4组成；所述生物质进料装置由依次设置的生物质受料仓5、生物质平衡斗6、生物质进料斗7、生物质星型给料器8和生物质螺旋给料器9组成；所述生物质螺旋给料器9与气化炉下段18连接的进料管的高度不高于床料星型给料器4与气化炉下段18连接的进料管的高度。

所述流化床由从下往上依次连接的气化炉下段18、气化炉中段19和气化炉上段20组成，所述气化炉中段19的直径大于气化炉下段18的直径，所述气化炉下段18的直径大于气化炉上段20的直径，设所述气化炉中段19的直径为D中、气化炉下段18的直径为D下，气化炉上段20的直径为D上，则它们之间有如下关系：

0.5D下≤D上≤0.8D下，1.2D下≤D中≤1.8D下。

所述气化炉中段19通过锥形连接段与气化炉下段18和气化炉上段20连接，在所述气化炉下段18的底部设有倒锥分布板10，在所述气化炉下段18的下端设置有环管12，所述环管12的上端与倒锥分布板10连接，在所述环管12内还穿插设置有中心管11，所述中心管11的轴线与环管12的轴线重合，且所述中心管11的上端延伸至倒锥分布板10的下端，所述环管12的下端和上渣斗13的上端连接，所述上渣斗13的下端和下渣斗14的上端连接，所述下渣斗14的出口和冷渣机15的入口连接，所述冷渣机15的出口和料渣收集仓16的上端入口连接，在所述料渣收集仓16的下方设置有振动筛17；在所述气化炉上段20的下部设置有二次风口21，以通入二次风，从而提高气化炉中段19的温度，使焦油进一步转化。在所述气化炉上段20的顶部设置有降温喷水口22，以通过降温喷水口22喷入水或水蒸汽从而降低气体温度，进而降低碱金属或碱土金属的腐蚀，最终降低对后续系统设备的要求。

所述除尘装置包括一级旋风分离器24、二级旋风分离器25、飞灰取热器26、上细粉斗27、下细粉斗28和细粉收集仓29，所述一级旋风分离器24的出气口通过管路与二级旋风分离器25的入口连接，所述二级旋风分离器25的粉料出口通过管路依次与飞灰取热器26、上细粉斗27、下细粉斗28和细粉收集仓29连接；本发明设置的飞灰取热器26可以控制细粉的温度，操作稳定可靠，从而保护后续的上细粉斗27和下细粉斗28，延长它们的使用寿命，降低对高温高压阀门的要求。

所述废热回收装置由依次连接的一段蒸发器30、蒸汽过热器31、金属过滤器32和二段蒸发器省煤器组合体33组成；

所述进料装置中的床料星型给料器4和生物质螺旋给料器9通过进料管与流化床中的气化炉下段18连接，所述流化床中的振动筛17通过运输机构与进料装置中床料受料斗1连接，所述流化床中气化炉上段20的上部通过高温管段23与除尘装置中一级旋风分离器24的入口连接，所述除尘装置中一级旋风分离器24的粉料出口与流化床中的气化炉下段18连接，在所述一级旋风分离器24的粉料出口与气化炉下段18之间设置有料腿阀，所述除尘装置中二级旋风分离器25的出气口通过管路与废热回收装置中一段蒸发器30的入口连接，所述废热回收装置中金属过滤器32的粉料出口与除尘装置中细粉收集仓29的上端连接，所述废热回收装置中二段蒸发器省煤器组合体33的出口与所述水洗塔34的入口连接。

以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。