一种微波等离子生物质气化固定床气化炉及工艺

摘要

本发明涉及一种微波等离子生物质气化固定床气化炉及工艺，包括竖直设置的炉体，炉体上部为气化炉净空区，炉体最下部为固定床床层，在炉体上有原料和燃料进口、产品气出口、氧气/蒸汽进口，在炉体的底部设置有放渣口，产品气出口处布置有合成气监测单元；其特征是：在所述的炉体上至少设置一段微波等离子发生装置。采用微波等离子的高电离及高分散度的特点，在炉内实现生物质燃料化学能高效转化，冷煤气效率可明显高于常规生物质气化工艺，达到85％以上。对合成气中焦油等进行非平衡裂解反应，达到焦油含量极少，能满足工业化直接利用水平，后续工艺简单可靠。对燃料粒径无特殊要求，只需简单破碎，无需复杂处理，经济性好。

说明书

技术领域

本发明主要针对采用生物质、固废垃圾为原料的气化工艺领域，具体来说是一种利用微 波等离子技术高效利用生物质燃料、固废垃圾来制取高品质合成气的气化炉及工艺。

背景技术

我国生物质资源非常丰富，如棉秆、秸秆、树枝、稻壳等，而作为主要能源来源的常规 优质化石燃料却迅速地减少，且社会对能源的需求日益增长，因而，对低热值燃料利用的关 注将日益增加。

与此同时，随着人类对环境保护意识的日益增加，在关注资源生产利用的同时，效率更 高、污染更小的高科技技术也逐步被工业生产所采用。

目前，在生物质气化固定床工艺中主要存在气化温度低，焦油含量大，合成气品质低等 难题，常规生物质固定床气化炉由于受工艺条件的限制，合成气中均含有焦油，现有净化工 艺需要花费较大代价来处理焦油，且不易去除，焦油富集能堵塞阀门、管道及设备，并对其 产生腐蚀，因而危害性极大，同时也影响了生物质燃料、垃圾等制取合成气的工业化利用。 当今世界科技日新月异，随着微波技术的发展，微波等离子凭借其自身优良的特点，已逐步 在低温化学气相沉积(CVD)，光导纤维的快速制备，芯片的亚微米级刻蚀，进行高分子材料的 表面修饰、微电子材料的加工等方面应用广泛。

本发明主要独创性采用微波及其等离子技术来实现生物质燃料等的高效、高品质气化， 为生物质燃料、垃圾等制取合成气的高效工业化利用开辟一条途径。

发明内容

本发明的目的是提出一种高效微波等离子生物质气化固定床气化炉及工艺，解决上述生 物质制取合成气中存在的一系列问题，为生物质燃料制取合成气，特别是CO和H₂的合成气提 供一种经济、高效的工业利用工艺。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种微波等离子生物质气化固定床气化炉，包括竖直设置的炉体，炉体上部为气化炉净 空区，炉体最下部为固定床床层，在炉体上有原料和燃料进口、产品气出口、氧气/蒸汽进口， 在炉体的底部设置有放渣口，产品气出口处布置有合成气监测单元；其特征是：在所述的炉 体上至少设置一段微波等离子发生装置。

作为优选方案，在炉体下部的固定床床层上方与原料和燃料进口之间设置第一段微波等 离子发生装置，并同时在炉体上部的净空区设置第二段微波等离子发生装置；第一段微波等 离子发生器包括2～3层微波等离子发生器，第二段微波等离子发生器包括1～2层微波等离 子发生器；且每层微波等离子发生器均匀布置3～4个等离子工作气体接入点。

作为优选方案，第一段的微波等离子发生器采用功率大，电极间距小，等离子体温度高 的等离子发生器；第二段的微波等离子发生器采用电极间距大、等离子体活性强、体积范围 广的等离子发生器。

作为优选方案，各等离子发生器微波功率源主频2.45GHz，单台功率约200kW以内。

作为优选方案，炉体的上部净空区设置上层氧气/蒸汽喷口，炉体的固定床床层区域设置 下层氧气/蒸汽喷口。

采用上述气化炉的生物质气化工艺，其特征在于包括如下步骤：

1)生物质燃料、垃圾等物料通过给料装置送入气化炉本体内，在微波等离子固定床床层 上快速气化；生物质燃料固定碳成分在床层上氧化区燃烧反应，生成高温烟气，烟气上行至 给料区，加热入炉燃料，同时与下层氧气/蒸汽喷口喷入的高温蒸汽、以及第一段的微波等离 子发生器的富含活性的微波等离子活化氧化剂进行充分化学反应，主要反应为2C+O₂＝2CO， C+H₂O＝CO+H₂，反应区温度控制在700℃～1600℃；

由于在该温度区间内，由于微波激发的等离子氧化剂具有电离及分散程度高，氧化活性 极强的特点，且在微波辐射、等离子作用下化学反应效能显著，能在相对较低的环境温度下， 来实现需要高温高压环境工况才能实现的化学反应，因而生物质燃料中化学能的转化比常规 工艺的转化率要高，CO和H₂的合成气品质好含量高，焦油含量少；

2)气化反应生成的合成气上行至净空区，并通过第二段的微波等离子发生器进一步裂 解；主要是进一步裂解合成气中的焦油，且对合成气中烃类物质进行部分转化；

3)剩余焦炭物质下行至固定床床层上并逐步放热以维持床温，燃尽后的生物质渣从放渣 口排出炉外；

4)通过气化炉顶部产品气出口处布置的合成气监测单元实时在线监测，维持气化工艺参 数在控制范围内。

所述的步骤1)中气化反应区温度范围为700℃～1600℃；所述的步骤4)中合成气出口 温度1200℃以内。

所述的步骤1)中气化反应区温度控制在750℃～950℃。

所说的步骤1)中从下层氧气/蒸汽喷口适量喷入蒸汽用以提高水蒸汽浓度，促进燃料中 剩余固定碳与蒸汽反应；所说的步骤2)中第二段的微波等离子发生器总功率满足反应平衡 所需吸热量即可；所说的步骤2)中从上层氧气/蒸汽喷口适量喷入高温蒸汽，对合成气中少 量焦油类物质进一步裂解反应。

本工艺的有益效果是：

1.采用微波等离子独特优良的高电离及高分散度的特点，在炉内实现生物质燃料化学能 高效转化，冷煤气效率可明显高于常规生物质气化工艺，达到85％以上。

2.在净空区布置微波等离子发生器对合成气中焦油等进行非平衡裂解反应，达到焦油含 量极少，能满足工业化直接利用水平，后续工艺简单可靠，经济性好。

3.对燃料粒径无特殊要求，只需简单破碎，无需复杂处理，经济性好。

附图说明：

图1为本发明优选实施例的一种高效微波等离子生物质气化固定床气化炉及工艺流程示 意图；

图2为图1的A-A视图。

其中：给料装置1；气化炉本体2；微波等离子发生器3；下层氧气/蒸汽喷口4；上层氧 气/蒸汽喷口5；监测单元6；放渣口7；气化炉净空区8。

具体实施方式：

以下结合实施实例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

气化炉本体2为垂直设立的圆柱体，最上部为气化炉净空区8，最下部为微波等离子固 定床床层，固定床床层的最下端设置竖直向下的放渣口7；气化炉本体2外部，净空区8外 围设置上层氧气/蒸汽喷口5，固定床床层外围设置下层氧气/蒸汽喷口4，两处喷口均可开关 控制并进行流量调节。气化炉本体2可以是圆柱，也可以是圆锥和圆柱的组合形式。

给料装置1位于气化炉本体2的中部并通过斜置的进料滑道与气化炉本体2连通；给料 方式也可以为螺旋给料方式，它不需要斜置的进料滑道。

微波等离子发生器3的布置数量需依据燃料工业分析中水份、挥发份等含量来考虑，对 生物质燃料存在着水份含量高(约占20％)、热值低特点，因而采用该实例方案时，第一段微 波等离子发生装置包括2～3层微波等离子发生器3(附图1中为布置2层)，集中布置于给 料装置1下方、但略高于固定床床层床料位，且每层均匀布置3～4个等离子工作气体接入点， 但不排除布置于给料上方这种等同变换的工艺方式。而在给料装置1上方的气化炉净空区8 外围布置有第二段微波等离子发生装置，包括1～2层微波等离子发生器3’，且每层均匀布 置3～4个等离子工作气体接入点(如图2所示，包括3各接入点)。

其中，第一段的微波等离子发生器3采用功率大，电极间距小，等离子体温度高的等离 子发生器。第二段的微波等离子发生器3’采用电极间距大、等离子体活性强、体积范围广 的等离子发生器，主要作用是进一步裂解合成气中的焦油，且对合成气中甲烷等烃类物质也 有一定转化效果，最终在气化炉出口合成气中焦油已能降低至工业经济利用水平，同时烃类 物质含量也较低，为后续洗涤脱碳工艺创造有利条件。

其中，各等离子发生器微波功率源主频2.45GHz，单台功率约200kW以内。

其中，第二段微波等离子发生器总功率满足反应平衡所需吸热量即可。

气化炉2顶部合成气出口处布置有合成气监测单元6，可实现在线监测合成气温度、成 份来实时调整氧气流量、蒸汽流量及微波功率，维持气化工艺参数在控制范围内。

生物质燃料、垃圾等物料通过给料装置1送入气化炉本体2内，在气化炉固定床床层上 快速气化反应，并在气化反应区域内进行复杂高效的化学反应，首先燃料颗粒在高温下爆裂 热解，析出占主要成分的挥发份后剩余半焦，挥发份在微波等离子发生器3微波激发的高活 性等离子体氛围作用下，与氧气、蒸汽进行高效化学反应，此时，通过控制床层温度作为调 整气化炉平稳运行的关键参数，炉温过低则加大等离子工作气体氧气的补给量，同时调节微 波等离子发生器3微波功率与工作气体流量相匹配，反之亦然。从喷口4适量喷入蒸汽主要 提高水蒸汽浓度，促进燃料中剩余固定碳与蒸汽反应，增加H₂的产率，同时也对反应区焦油 的生成量起到抑制作用，能提高合成气品质。

随着生物质物料连续给入，气化持续进行，生成的合成气上行至净空区8进一步裂解， 剩余焦炭物质下行至固定床床层上并逐步放热以维持床温，燃尽后生物质渣从放渣口7排出 炉外。在净空区8合成气进入第二段的微波等离子发生器3’区域进行裂解，利用等离子工 作气体电离度大、活性高的特点，从喷口5适量喷入高温蒸汽，对合成气中少量焦油类物质 进一步裂解反应，能更进一步降低焦油含量，达到后续工艺经济利用水平。

其中，气化反应区温度范围为700℃～1600℃，合成气出口温度1200℃以内。本发明特 别适用于采用750℃～950℃温度范围作为气化反应温度段，可在满足产品品质情况下，尽量 减少显热转换，使冷媒气效率更高。

为了使本工艺达到最佳工作效果，满足工艺整体性能要求，设计中关键是控制床层温度， 调节好微波等离子功率及氧气、蒸汽的供给量。通过对合成气出口监测装置来达到对上述关 键因素的控制，也能实现连锁控制，进行全自动化操作，提高运行稳定性。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围， 因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。