一種耦合式生物質加壓熱解系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種耦合式生物質加壓熱解系統，熱解爐頂部設置高溫合成氣出口，中段設置兩側給料口，下部設置多個微波入口及等離子炬接口，底部設置有排渣口；熱解爐的微波入口和等離子炬接口均采用多層環(huán)形均勻間隔布置；等離子炬接口置于微波入口之下；脈沖式給料系統與熱解爐給料口相連并設置給料控制器進行開關控制；熱解爐頂部合成氣出口與旋風分離器相連，熱解爐底部排渣口與渣鎖相連，旋風分離器出灰口與灰鎖相連，旋風分離器與冷卻裝置相連，冷卻裝置與凈化裝置相連。熱解爐采用加壓操作，單爐處理能力大且后續(xù)利用過程中無需增設壓縮機，大量節(jié)省壓縮功，降低系統能耗。生成合成氣中無焦油，后續(xù)凈化工藝簡單，無環(huán)境污染。
【專利說明】一種耦合式生物質加壓熱解系統
【技術領域】
[0001]本實用新型主要是針對生物質燃料制氣領域，具體來說是采用一種微波及等離子體熱解來制取生物質合成氣的耦合式生物質加壓熱解系統。
【背景技術】
[0002]當前，在生物質燃料利用領域，相對直接燃燒而言，生物質氣化將生物質固體燃料轉化為富含一氧化碳和氫氣的合成氣，以合成氣為原料氣，能進行甲烷化、合成氨、尿素、甲醇以及合成液體燃料等工藝，這樣豐富了生物質用途，擴大了生物質利用領域。
[0003]在生物質熱解氣化過程中，由于熱解氣化反應總反應為吸熱過程，在熱解過程中需要添加外部能源來維持熱解反應進行，常規(guī)熱解工藝一般采用間壁傳熱的方式，熱量通過間壁由燃料表面從外至內逐步傳遞，因而存在著能量傳遞效率低，燃料熱解不完全的缺點。
[0004]而新興微波熱解爐采用微波作為加熱熱源，其加熱效率明顯高于間壁式傳熱，但是即使利用微波熱解也存在著生物質熱解反應不完全，產氣量不高，在熱解產物中，有大部分生物焦炭生成，無法做到將生物質全部轉化為合成氣。
[0005]CN200880124955.0利用太陽能、微波和等離子體從生物質或煤中制備液體燃料和氫氣的方法，是通過使用不同類型的等離子體(電等離子體、微波等離子體、ICP等離子體、光等離子體)來使CO2形式的碳損失最小化。在整個過程中，將這些等離子體用作將碳氧化為CO并將CO2還原成CO的附加手段。通過用不同金屬元素(Mg、Mn、Al、Fe、S1、SiO2等)富集等離子體來增強等離子體的作用。而CN201110449489.7、CN201110449413.4及CN201110449459.6都是單一采用微波等離子設備進行爐內氣化的工藝方法，目前尚未出現在爐內通過特定的磁場約束而激勵等離子體形成次級等離子場，從而強化爐內氣化反應的應用報道。
[0006]另外，生物質熱解氣化過程中，加壓能提高生產能力，增加單爐產量，降低氧耗，減少帶出物損失；對于合成氣用于加壓合成油的工藝，前壓縮可以大大節(jié)約后壓縮的能量，提高了整體系統的能耗，同時，加壓后，物料濃度高，相同體積設備，處理能力大。但是由于生物質燃料自身的特性，傳統加壓給料方式需要成型或制漿或制粉，因而加壓給料操作比較困難且經濟性差，目前未見成功的加壓生物質熱解爐/氣化爐的報導。
實用新型內容
[0007]本實用新型要解決的技術問題是提供一種耦合式生物質加壓熱解系統，采用微波與等離子體耦合技術高效地將生物質燃料可燃成分全部轉化為合成氣，經濟性好、效率高，碳轉化率高，合成氣品質好，有效氣體積含量達90%以上；同時，熱解爐單爐處理能力大且后續(xù)利用過程中無需增設壓縮機，大量節(jié)省壓縮功，降低系統能耗；最后，生成合成氣中無焦油，后續(xù)凈化工藝簡單，無環(huán)境污染。
[0008]為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案如下:[0009]—種耦合式生物質加壓熱解爐系統，包括熱解爐、脈沖式給料系統、旋風分離器；熱解爐頂部設置高溫合成氣出口，中段設置兩側給料口，下部設置多個微波入口及等離子炬接口，底部設置蓄渣池，蓄渣池下設置有排渣口 ；熱解爐的微波入口和等離子炬接口均布置成多層且每層都均勻間隔布置；
[0010]其特征在于等離子炬接口置于微波入口之下蓄渣池液位面之上，且等離子炬接口的等離子射流方向位于微波入口的微波場范圍之內；微波入口單個微波功率300kw以下；
[0011]脈沖式給料系統與熱解爐給料口通過輸送通路相連，脈沖式給料系統與給料輸送氣管道連通并設置給料控制器進行開關控制；熱解爐頂部合成氣出口與旋風分離器相連，熱解爐底部排渣口與渣鎖相連，旋風分離器出灰口與灰鎖相連，旋風分離器與冷卻裝置相連，冷卻裝置與凈化裝置相連；在熱解爐頂部合成氣出口與旋風分離器之間設置高溫合成氣循環(huán)激冷裝置。
[0012]按上述技術方案，加壓熱解爐爐體底部排渣口外串聯設置至少兩級渣鎖；旋風分離器底部出灰口外串聯設置至少兩級灰鎖。
[0013]按上述技術方案，在凈化裝置后還設置脫碳塔；脫碳塔二氧化碳氣體出口與脈沖式給料系統的給料輸送氣管道連通。
[0014]按上述技術方案，所述熱解爐整體呈圓筒型，爐外壁采用鋼材制作，內壁為耐火磚堆砌或采用水冷壁結構。
[0015]生物質燃料在內進行加壓熱解反應時，熱解爐保持帶壓工況；具體包括如下步驟:
[0016]I):將生物質燃料破碎、篩分至合格粒徑，送至專用的脈沖式加壓給料系統，以便利用給料密封風進行密相靜壓輸送；
[0017]2):破碎好的生物質顆粒經給料系統輸送至熱解爐內，同時微波和等離子矩開始工作，微波使得熱解爐內形成高強微波場，等離子炬工作氣體首次電離形成的高溫等離子體射流進入熱解爐內；
[0018]微波生物質顆粒吸收微波后顆粒內外同步升溫，從而活化、熱解；在高溫上行煙氣及爐內高強微波能的作用下，微波生物質顆粒瞬間干燥、分裂并急速升溫形成高溫合成氣，熱解后剩余灰渣及少部分殘焦物質形成的固定床層下移；
[0019]等離子體射流在高強微波場的電磁耦合作用下，使帶電離子周邊氣體持續(xù)電離，形成高能、高活性次級離子場，進一步加速生物質顆粒燃料物質傳熱與傳質反應速率；在固定床層底部，等離子炬產生的高溫等離子體射流氣體對殘焦類物質或含碳物質完全轉化為高溫合成氣，同時熱解爐內保持帶壓工況，使爐內氣相物料濃度持續(xù)增加，進一步加快反應速度，增加氣-固反應接觸時間，使底部固體生物質顆粒燃料完全轉化為高溫合成氣；
[0020]在固定床層下移同時，高溫合成氣上行給固定床層提供熱能，同時為上部熱解反應提供原料氣CO2 ;非含碳物質繼續(xù)下行成為灰渣；在高溫環(huán)境下，灰渣呈液態(tài)并熱解爐在底部蓄積，并且液態(tài)灰渣采用定期或連續(xù)排出的方式來維持設定渣位；
[0021]3):步驟2)中生成的高溫合成氣繼續(xù)上行，由熱解爐頂部引出，經在管道內采用循環(huán)合成氣激冷降溫后，進入旋風分離器分離飛渣，最后進入冷卻裝置及凈化裝置來制取清潔合成氣。
[0022]熱解爐合成氣出口溫度1100°C?1300°C以上；熱解反應溫度1200°C以上，底部高溫渣池維持1300°C?2000°C ;當生物質燃料為高灰熔點燃料時添加石灰石作為助熔劑，來降低渣的熔點溫度；
[0023]熱解爐的微波入口采用環(huán)形布置，并依據燃料特性多層布置，單個微波功率300kw以下；高溫合成氣在爐內停留時間為8?15s ;爐內絕對壓力為0.1Mpa?5Mpa。
[0024]單位時間內微波及等離子炬總輸入能量占輸入生物質燃料總能量的15%?30% ；當等離子工作氣體采用氧氣時，殘焦質量占生物質燃料質量10%以下，微波與等離子炬所消耗總電能為生物質燃料總能量5%?10%之間。
[0025]步驟3)中根據后續(xù)利用工藝的不同，旋風分離器出來的氣體采用逐級降溫及水洗工藝或采用水激冷工藝進行處理。
[0026]步驟2)熱解爐底部蓄積的液態(tài)渣定期或連續(xù)排出以維持渣位，液態(tài)渣經過帶水冷或水激冷的渣鎖后，在常溫狀態(tài)下進行回收及利用。
[0027]等離子炬工作氣體為二氧化碳氣體和或水蒸汽和或氧氣和或凈化后的合成氣；等離子炬工作氣體首次電離形成的等離子體射流由離子、電子、自由基在內的高能活性粒子構成。
[0028]脈沖式加壓給料系統通過給料輸送氣體送料，給料輸送氣體為氮氣、蒸汽、二氧化碳氣體、或凈化后的合成氣。
[0029]相對于現有技術，本實用新型的有益效果為:
[0030]本實用新型的是將生物質燃料可燃成分全部轉化為高品質合成氣，且有效氣體含量高，同時應滿足后續(xù)利用工藝帶壓的要求。而常規(guī)生物質熱解工藝，雖然能產生品質較好的合成氣，但是均剩余生物質殘焦，其重量占燃料重量20%?30%，同時生物焦與灰渣混雜在一起，不僅造成大量顯熱損失，并且高溫裂解下所生成的生物焦與生物質相比反應活性降低，不利于繼續(xù)進行氣化反應，造成含碳原料的損失。
[0031]此外，如上所述，本工藝采用高溫熱解，在熱解爐內始終保持高強微波場，使得剩余殘焦物質僅占10%以下。
[0032]最重要的一點是，在熱解爐底部利用微波與等離子體耦合原理來形成高能、高活性次級離子場，并且熱解爐底部蓄積有渣池，大量研究表明，生物質渣中含量較高的堿金屬物質對燃料反應性起到明顯的催化作用，因而加速了氣-固-液三相間的傳質化學反應，提高了轉化率，并縮短了反應時間，將生物質燃料完全轉化為合成氣。
[0033]本實用新型主要優(yōu)點是:
[0034]1:熱解爐系統采用微波與等離子耦合熱解技術，加熱過程無熱慣性，采用高溫離子態(tài)熱解，熱解完全且可燃成分全部轉化為合成氣，效率高，碳轉化率高，合成氣品質好，有效氣體積含量達90%以上。
[0035]2:熱解爐進料部分通過脈沖式加壓給料系統采用加壓操作，單爐處理能力大，后續(xù)利用過程中無需壓縮機，大量節(jié)省壓縮功，降低系統能耗。
[0036]3:合成氣中無焦油，后續(xù)凈化工藝簡單，無環(huán)境污染。
[0037]4:采用密相靜壓輸送，生物質原料尺寸無需過分破碎，經濟性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為根據本實用新型實施的耦合式生物質加壓熱解爐系統結構示意圖；[0039]其中:脈沖式給料系統I ;熱解爐2 ;渣鎖3 ;旋風分離器4 ;灰鎖5 ;冷卻裝置6 ;凈化裝置7 ;脫碳塔8 ;給料管11 ;給料控制器10 ;給料壓縮機9 ;微波入口 12 ;等離子炬13 ；合成氣出口 14 ;熱解爐控制器15 ;生物質燃料16 ;給料輸送氣體17 ;給料密封風18 ;爐渣19 ;飛灰20 ;二氧化碳氣體21 ;成品氣22。
【具體實施方式】
[0040]下面以稻殼為例，結合流程圖一來介紹本實用新型的耦合式生物質加壓熱解爐系統的具體結構。
[0041]如圖1所示的一種耦合式生物質加壓熱解爐系統，包括熱解爐2、脈沖式給料系統1、旋風分離器4 ;熱解爐2頂部設置高溫合成氣出口 14，中段設置兩側給料口，下部設置多個微波入口 12及等離子炬13接口，底部設置蓄渣池，蓄渣池下設置有排渣口 ；熱解爐的微波入口 12和等離子炬13接口采用多層環(huán)形均勻間隔布置；其特征在于:單個微波功率300kw以下；等離子炬13接口置于微波入口 12之下蓄渣池液位面之上，且等離子炬接口的等離子射流方向位于微波入口的微波場范圍之內；
[0042]脈沖式給料系統I與熱解爐給料口通過給料管11相連，脈沖式給料系統I與給料輸送氣管道連通并設置給料控制器進行開關控制；熱解爐頂部合成氣出口與旋風分離器相連，熱解爐底部排渣口與渣鎖3相連，旋風分離器4出灰口與灰鎖5相連，旋風分離器4與冷卻裝置6相連，冷卻裝置6與凈化裝置7相連；在熱解爐頂部合成氣出口 14與旋風分離器4之間設置高溫合成氣循環(huán)激冷裝置。
[0043]按上述技術方案，熱解爐2爐體底部排渣口外串聯設置至少兩級渣鎖3 ;旋風分離器4底部出灰口外串聯設置至少兩級灰鎖。
[0044]按上述技術方案，在凈化裝置7后還設置脫碳塔8 ;脫碳塔二氧化碳氣體出口與脈沖式給料系統I的給料輸送氣管道連通。
[0045]按上述技術方案，所述熱解爐2整體呈圓筒型，爐外壁采用鋼材制作，內壁為耐火磚堆砌或采用水冷壁結構。
[0046]具體反應過程如下:
[0047]I)稻殼首先經過破碎、篩分處理成小于3_尺寸，然后稻殼16通過脈沖式給料系統1，脈沖式給料系統I采用壓縮機9將給料輸送氣體17加壓，加壓后氣體輸送至給料倉頂部、底部播料布風板及脈沖氣刀閥處，通過給料控制器10控制各管線閥門的啟閉，使稻殼在給料管11中呈料栓式靜壓輸送，在給料料栓與氣化爐入口處采用一路壓縮的輸送氣體17作為給料密封風18來輸送，密封風一方面能起到冷卻熱解爐給料口，避免給料口結焦事故的發(fā)生，另一方面利用密封風在噴口處動能來輸送燃料，避免擁塞、搭橋事故的發(fā)生。
[0048]2)稻殼16進入熱解爐2中，在高溫上行煙氣及爐內高強微波能的作用下，瞬間干燥、分裂并急速升溫。稻殼吸收微波后顆粒內外同步升溫，加熱作用沒有熱慣性，這種加熱方式不同于熱量從顆粒外壁傳遞至顆粒內部的加熱方式，因而對顆粒燃料起到良好的活化作用，提高了熱解反應速率，使得入爐后生物質燃料在短時間內能大部分熱解成生物質合成氣，合成氣主要成分CO、CH4, H2，還有少量C02、H2O等，此工藝無需氧化劑或氣化劑，利用生物質燃料特性，完全由燃料自身熱解反應生成。
[0049]3)稻殼熱解后剩余灰渣及少部分殘焦物質形成固定床層(這個床層完全由生物質燃料熱解后的殘?zhí)课镔|構成，反應活性很低，不易燃盡)，固定床層下移，在固定床層底部等離子炬13產生高溫等離子氣流對殘焦類物質高溫氣化，等離子態(tài)高溫氣流在高強微波場電磁耦合作用下，帶電離子活度系數更高，反應性更強，使含碳物質完全轉化為高溫合成氣。合成氣上行給固定床層提供熱能，同時為上部熱解反應提供原料氣CO2 ;非含碳物質繼續(xù)下行成為灰渣。在高溫環(huán)境下，灰渣呈液態(tài)，在底部蓄積并形成渣池，液態(tài)渣定期或連續(xù)排出以維持渣位，液態(tài)渣經過帶水冷或水激冷的渣鎖3后，在常溫狀態(tài)下進行回收及利用。
[0050]4)高溫合成氣從熱解爐2合成氣出口 14引出，進入高溫旋風分離器4，在進入旋風分離器4的管道內采用循環(huán)合成氣激冷方式將合成氣中灰渣溫度降低至灰熔點以下，由旋風分離器分離下來的飛灰20進入灰鎖5，分離后的合成氣隨后進入冷卻裝置6，采用激冷塔或廢鍋等設備來降低合成氣溫度。
[0051]5)降溫后合成氣隨后進入凈化裝置7，脫除合成氣中有害氣體雜質，同時凈化裝置7也包含變換反應所需變換塔，特別是由激冷工藝所產生的富含飽和蒸汽的合成氣的變換過程。
[0052]6)作為優(yōu)化配置，在凈化裝置7后設置脫碳塔8，將合成氣中二氧化碳氣體21脫除，這樣提質后的成品氣22熱值更高、品質更好。二氧化碳氣體21可作為給料輸送氣17使用。
[0053]燃料無需過分破碎,顆粒尺寸在IOmm以下,優(yōu)選為3mm以下,無需過分破碎。燃料應盡量干燥，高水分燃料影響合成氣品質及系統能耗，優(yōu)選地可采用余熱來干燥燃料。
[0054]給料輸送氣體17為二氧化碳氣體、氮氣、或蒸汽等輸送介質，可以將脫碳塔8后產生的二氧化碳氣體21返回利用，也可以利用將熱解后的高溫合成氣。
[0055]熱解爐2的微波入口 12采用環(huán)形布置，并可依據燃料特性多層布置，單個微波功率300kw以下。合成氣高溫區(qū)停留時間為8?15s。爐內絕對壓力可依據后續(xù)利用工藝來經濟性的確定，優(yōu)選為0.1Mpa?5Mpa。
[0056]等離子炬13主要提供高溫熱源，并維持底部一定的液態(tài)渣渣位，液態(tài)渣池的蓄熱能力起到了維持爐內工況穩(wěn)定的作用。等離子炬工作氣體為凈化后的合成氣22和或二氧化碳氣體21和或水蒸汽和或氧氣。
[0057]單位時間內微波及等離子炬總輸入能量占輸入燃料總能量的15%?30%，其中電能采用太陽能發(fā)電、余熱發(fā)電或電網峰谷時低價電能以降低能源成本，提高工藝的經濟性。特別地，當等離子工作氣體采用氧氣時，氧氣與底部殘焦類物質發(fā)生劇烈燃燒放熱反應，為整體熱解反應提供了熱能，殘焦質量約占燃料質量10%以下，此時微波與等離子炬所消耗總電能為燃料總能量5%?10%之間。
[0058]熱解反應溫度1100°C以上，底部高溫渣池維持1300°C?2000°C，優(yōu)選為1400°C?1600 0C，對高灰熔點燃料可添加石灰石等助熔劑，來降低渣的熔點溫度。
[0059]由于熱解工況復雜，傳統人工操作方式無法滿足耦合式熱解工藝的操作要求，因而通過設置熱解爐控制器15來實現對合成氣溫度、微波功率、等離子功率、渣位等參數的控制。
[0060]優(yōu)先熱解爐頂部至高溫旋風分離器4間循環(huán)激冷的激冷區(qū)控制溫度范圍為600。。?850。。。
[0061]以上所述為本實用新型的較佳實例，并非對本實用新型任何型式上的限制，凡是未脫離本專利技術內容，依據本專利的技術實質對以上實例進行的修改、等同變化與修飾，均屬于本實用新型權利保護范圍內。
【權利要求】
1.一種耦合式生物質加壓熱解爐系統，包括熱解爐、脈沖式給料系統、旋風分離器；熱解爐頂部設置高溫合成氣出口，中段設置兩側給料口，下部設置多個微波入口及等離子炬接口，底部設置蓄渣池，蓄渣池下設置有排渣口 ；熱解爐的微波入口和等離子炬接口均布置成多層且每層都均勻間隔布置； 其特征在于等離子炬接口置于微波入口之下蓄渣池液位面之上，且等離子炬接口的等離子射流方向位于微波入口的微波場范圍之內；微波入口單個微波功率300kw以下； 脈沖式給料系統與熱解爐給料口通過輸送通路相連，輸送通路與給料輸送氣管道連通并設置給料控制器進行開關控制；熱解爐頂部合成氣出口與旋風分離器相連，熱解爐底部排渣口與渣鎖相連，旋風分離器出灰口與灰鎖相連，旋風分離器與冷卻裝置相連，冷卻裝置與凈化裝置相連；在熱解爐頂部合成氣出口與旋風分離器之間設置高溫合成氣循環(huán)激冷裝置。
2.根據權利要求1所述的耦合式生物質加壓熱解爐系統，其特征在于:加壓熱解爐爐體底部排渣口外串聯設置至少兩級渣鎖；旋風分離器底部出灰口外串聯設置至少兩級灰鎖。
3.根據權利要求1或2所述的耦合式生物質加壓熱解爐系統，其特征在于:在凈化裝置后還設置脫碳塔；脫碳塔二氧化碳氣體出口與脈沖式給料系統的給料輸送氣管道連通。
4.根據權利要求1或2所述的耦合式生物質加壓熱解爐系統，其特征在于:所述熱解爐整體呈圓筒型，爐外壁采用鋼材制作，內壁為耐火磚堆砌或采用水冷壁結構。
【文檔編號】C10J3/84GK203582820SQ201320775425
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2013年11月29日
【發(fā)明者】張巖豐, 張亮, 陳義龍 申請人:武漢凱迪工程技術研究總院有限公司