一种低焦油生物质气化发电系统

摘要

本发明涉及一种低焦油生物质气化发电系统，系统增加了燃烧部分，在气化系统起炉过程也带来较大便利，可直接通过小型流化床系统燃烧热对气化系统进行暖炉，可大量节约起炉时燃油的消耗；流化床燃烧产生的热量通过汽水系统回收，并通过小型汽轮机进行发电，实现残炭中化学能的转化回收，另一方面，通过对出气化炉的高温气化气及内燃机发电后的高温排气均可经过换热器进行回收，采用有机朗肯循环系统实现烟气及工艺余热的回收，实现气化系统能源转化率的显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电系统，特别涉及一种低焦油生物质气化发电系统。

背景技术

气化是一种常见的生物质能转换方式，具有清洁、高效、燃料适应性强及运行灵活等特点，具有广阔的应用前景。在各种生物质气化技术中，下吸式气化炉产气中具有最低的焦油含量，约为0.5g/Nm³；而上吸式最多，可达50g/Nm³；流化床气化炉则适中，大概在8g/Nm³。三种气化技术中，流化床气化适用于大规模应用，上吸式气化具有最高能源转化效率，而现有的下吸式气化技术虽然产气中具有最低的焦油含量，但仍然存在产气品质的稳定性较差，气化规模偏小、能源利用率偏低等问题。

传统下吸式生物质气化炉虽然焦油含量低，但是焦炭的转化效率不高，且系统规模也难以放大，整体气化效率仅15%，远低于一般用能设备或能量转化设备，如燃煤发电厂整体效率可达40%，天然气的热电联产（CHP）甚至可达80%以上，可见气化转化技术在转化效率上还有较大提升空间。据检测，两段式下吸气化炉中焦炭的含碳量占比在50%左右，这部分能源资源不能得到合理利用，对气化系统效率影响显著。

另一方面，下吸式气化炉中，焦炭对焦油的反应活性是决定下吸式气化炉产气中焦油含量的关键因素，虽然焦炭对焦油脱除效果显著，但由于炭层在脱除焦油过程中大量发生“积炭失活”过程，要想进一步且稳定的降低气化气焦油含量，提高气化效率，需要采用其它更加有效的方法。

发明内容

本发明是针对现在采用下吸式生物质气化炉进行气化发电存在的问题，提出了一种低焦油生物质气化发电系统，充分利用下吸式气化炉炭层在焦油脱除中发挥的重要作用，通过有效提高炭层中焦炭反应活性来提高气化炉对焦油脱除效率，利用化学链反应原理并结合低品位热源资源化利用技术，开发出一种新型低焦油生物质气化发电系统。

本发明的技术方案为：一种低焦油生物质气化发电系统，包括双级下吸式低焦油气化炉，进料斗，回灰绞龙，进料绞龙，热解筒，喉口空气喷口，回灰分管，循环落灰管，堆积灰炭层，连续除灰旋转炉篦，排灰绞龙，循环流化床主体，流化床布风板，排灰口，旋风分离器；

双级下吸式低焦油气化炉通过进料斗进料，进料斗底部与进料绞龙垂直连接，在进料过程中在进料斗中的双级闸阀对进料和大气环境进行隔离，进料再经进料绞龙输送向前推进，在热解筒入口，新鲜生物质料与回灰绞龙输送的高温循环飞灰直接接触，形成对新鲜生物质料的直接加热，热解过程随着进料绞龙的前行逐步完成，热解产生的热解焦油及热解气经由进料绞龙上部开口处流出，进入气化炉炉膛上端，热解产生的热解焦则在进料绞龙的进一步推送下进入循环落灰管，循环落灰管采用双级闸阀配合使用，将热解焦和飞灰一起送入排灰绞龙，由排灰绞龙将热解焦及飞灰推进循环流化床主体进行循环燃烧，进风通过循环流化床主体底部的布风板进入，焦炭中的化学能释放出来同时形成新的高催化活性生物质焦，部分灰渣通过循环流化床主体底部边上排灰口排放，活性焦再经循环流化床主体上部连接的旋风分离器回收，一部分经回灰分管进入气化炉形成堆积灰炭层，通过连续除灰旋转炉篦将掉落的灰炭层送入排灰绞龙，在排灰绞龙中部再混入循环落灰管出口的热解焦，最终由排灰绞龙送入循环流化床进料口，另一部分则通过回灰绞龙送回热解筒，形成灰分的循环；

热解气在热解筒中生成后，经热解筒上端出口逸出，进入气化炉的上端，进一步向下通过气化炉喉口，与喉口空气喷口喷出的氧化剂进行部分氧化反应，形成局部高温区域，加速热解焦油的裂解转化，再进入高催化活性堆积灰炭层，聚合焦油产物在经过堆积灰炭层的选择性催化转化后，最终形成低焦油/无焦油气化气产物。

所述系统还包括气化炉旋风分离器，空气预热器，送风机，第一余热回收器，布袋除尘器，焦油及粉尘过滤器，储气罐，内燃机，第二余热回收器；

气化气从气化炉出，再通过旋风分离器、空气预热器及余热回收器后，进入布袋除尘器，再经过滤器、储气罐，进入内燃机进行发电，内燃机中高温尾气再经余热回收器后，排放进入大气，完成气化气循环；

喉口的预热空气经由送风机吸入环境空气，再进入空气预热器，预热后空气再经由喉口空气喷口喷入气化炉本体。

所述喉口空气喷口为一圈环形结构，进空气口为两个对称布置，且内部结构含有倒梯形环形缓冲气室组成。

所述系统还包含蒸汽透平膨胀机，给水泵，冷凝器，循环流化床主体所释放的大量热量经水冷壁转化为蒸汽，从循环流化床主体输出推动透平膨胀机进行做功，并由给水泵提供循环动力，冷凝器提供冷源，形成独立循环。

所述系统还包括有机朗肯循环系统，有机工质循环泵为有机朗肯循环系统提供循环动力，采用一用一备，有机工质冷凝器为做完功有机工质乏汽进行冷却，以形成冷凝液进入储液罐，常温有机工质从储液罐中经由有机工质循环泵分别送入充当蒸发器的两个余热回收器，最后汇合进入ORC膨胀机进行做功，乏汽通过有机工质冷凝器冷凝为液体工质，再回流到储液罐形成循环。

本发明的有益效果在于：本发明低焦油生物质气化发电系统，系统增加了燃烧部分，在气化系统起炉过程也带来较大便利，可直接通过小型流化床系统燃烧热对气化系统进行暖炉，可大量节约起炉时燃油的消耗；小型流化床燃烧产生的热量通过汽水系统回收，并通过小型汽轮机进行发电，实现残炭中化学能的转化回收，另一方面，通过对出气化炉的高温气化气及内燃机发电后的高温排气均可经过换热器进行回收，采用有机朗肯循环（ORC）系统实现烟气及工艺余热的回收，实现气化系统能源转化率的显著提高。

附图说明

图1为本发明低焦油生物质气化发电系统结构示意图。

具体实施方式

本发明专利引入循环流化床，通过将气化床层中经焦油催化反应后所积炭失活的焦炭进行燃烧活化，可将原有失活的灰分进行活化，同时将原有焦炭能量释放回收，且对具有催化作用效果的灰分进行循环使用，借用灰分的储热功能，将生物质进料进行热解，这比一般采用隔离式的热解筒传热热解，其传热效率能提高1~2个数量级，且通过大量具有催化活性的残炭加入，使得生物质料在热解过程即实现了对初级热解焦油的催化改性，这有利于后续过程中焦油的进一步脱除。

如图1所示低焦油生物质气化发电系统结构示意图，主要由双级下吸式低焦油气化炉1，进料斗11，回灰绞龙12，进料绞龙13，热解筒131，喉口空气喷口14，回灰分管15，循环落灰管16，堆积灰炭层17，除灰炉篦18，排灰绞龙19，循环流化床主体2，流化床布风板21，排灰口22，旋风分离器23，蒸汽透平膨胀机3，给水泵4，冷凝器5，气化炉旋风分离器6，空气预热器7，鼓风机8，余热回收器9，布袋除尘器10，焦油及粉尘过滤器110，储液罐120，有机工质循环泵130，储气罐140，内燃机150，有机工质冷凝器160，余热回收器170，ORC膨胀机180等结构和单元构成。

双级下吸式低焦油气化炉1通过进料斗11进料，进料斗11底部与进料绞龙13垂直连接，在进料过程中在进料斗11中的双级闸阀对进料和大气环境进行有效隔离，再经进料绞龙13输送向前推进，在热解筒131入口，新鲜生物质料与回灰绞龙12输送的高温循环飞灰直接接触，形成对新鲜生物质料的直接加热，热解过程随着进料绞龙13的前行逐步完成，热解产生的热解焦油及热解气经由进料绞龙13上部开口处流出，进入气化炉1炉膛上端，热解产生的热解焦则在进料绞龙13的进一步推送下进入循环落灰管16，循环落灰管16采用双级闸阀配合使用，将热解焦和飞灰一起送入排灰绞龙19，由排灰绞龙19将热解焦及飞灰推进循环流化床主体2进行循环燃烧，进风通过循环流化床主体2底部的布风板21进入，焦炭中的化学能释放出来，同时形成新的高催化活性生物质焦，部分灰渣通过循环流化床主体2底部边上排灰口22排放，活性焦再经循环流化床主体2上部连接的旋风分离器23回收，一部分经回灰分管15进入气化炉1形成堆积灰炭层17，另一部分则通过回灰绞龙12送回热解筒131，形成灰分的循环。连续除灰旋转炉篦18可以实现连续旋转除灰，同时保证灰层高度的相对恒定，灰炭层17通过炉篦18后掉落进入排灰绞龙19的进料口，并通过排灰绞龙19连续排出灰分，在中部再混入循环落灰管16出口的热解焦，最终由排灰绞龙19送入循环流化床2进料口。

对于气体来说，热解气在热解筒131中生成后，经热解筒131上端出口逸出，进入气化炉1的上端，进一步向下通过气化炉喉口，与喉口空气喷口14喷出的氧化剂（空气/氧气/水蒸气等）进行部分氧化反应，形成局部高温区域，加速热解焦油的裂解转化，再进入高催化活性堆积灰炭层17，聚合焦油产物在经过堆积灰炭层17的选择性催化转化后，最终形成低焦油/无焦油气化气产物，气化气从气化炉1出，再通过旋风分离器6、空气预热器7及余热回收器9后，进入布袋除尘器10，再经过滤器110、储气罐140，进入内燃机150进行发电，内燃机150中高温尾气再经余热回收器170后，排放进入大气，完成气化气循环。

另外，喉口的预热空气是经由送风机8吸入环境空气，再进入空气预热器7，预热后空气再经由喉口空气喷口14喷入气化炉本体1，喉口空气喷口14，喷口14为一圈环形结构，进空气口为两个对称布置，且内部结构含有倒梯形环形缓冲气室组成。

为了提高系统能源利用率，引入了循环流化床主体2，循环流化床主体2所释放的大量热量经水冷壁转化为蒸汽，从循环流化床主体2输出推动透平膨胀机3进行做功，并由给水泵4提供循环动力，冷凝器5提供冷源，形成独立循环。

储液罐120，由一个不锈钢储罐组成，有机工质循环泵130为有机朗肯循环系统提供循环动力，通常采用一用一备，有机工质冷凝器160为做完功有机工质乏汽进行冷却，以形成冷凝液进入储液罐120，ORC膨胀机180选择转化效率高、负荷适应性好的螺杆膨胀机。

有机工质循环基本过程为常温有机工质从储液罐120中经由有机工质循环泵130分别送入充当蒸发器的余热回收器9、170，最后汇合进入ORC膨胀机180进行做功，乏汽通过有机工质冷凝器冷凝为液体工质，再回流到储液罐120形成循环。

为了充分利用系统排烟余热，设置空气预热器7和余热回收器9，余热回收器170，并利用有机工质实现朗肯循环（ORC），可至少提高系统能源转化效率10%，节能效果显著。

另外，如果将气化气应用在化工合成（如F-T合成）等领域，则内燃机150可替换为合成塔等单元结构。

由带回灰余热热解的绞龙式给料热解筒131，以及热解筒含向上的热解气出口，实现热解焦和热解气的有效分离，以及带缓冲气室的喉口喷口14，堆积灰炭层17经由回灰分管15引入，具有高焦油催化活性，可大大提高对聚合焦油成分的选择性脱除效率，最终实现对焦油的完全脱除。

生物质气化焦油的化学链式脱除循环，通过将高活性炭焦引入形成堆积灰炭层17，将聚合焦油产物催化转化后逐步失活，通过除灰炉篦18和排灰绞龙19进入循环流化床2，在循环流化床2中进行燃烧重新活化，即通过化学链反应原理实现对焦油的脱除。

热解筒131是含向上开口的热解气析出口，以及绞龙输送的热解焦出口，实现热解气固态产物的有效分离。

喉口空气喷口14给风采用带缓冲气室的结构，以确保不同喷口间喷气量的均匀性。

该低焦油生物质气化发电系统，是包含烟气余热回收利用的有机朗肯循环系统（ORC），可实现对系统能源利用率整体提高约10%。

双级下吸式低焦油气化炉1的热解过程是采用高活性、高热容的循环炭灰实现生物质热解的过程，具有传热量大、传热效果好、热解充分和焦油析出率高等特点。

热解循环灰量通过调节循环流化床循环倍率来调节，热解灰与气化灰比例通过回灰分管15来进行调节。

本发明专利与传统气化技术的另一个显著区别在于生物质热解焦并不由气化炉喉口处下落，即部分氧化区是完全的均相反应区，这主要是考虑以下几点原因：

1、喉口处温度较高，冷热解焦（500℃）直接通过喉口（1000℃）时，引起喉口温度下降，不利于焦油进一步转化；

2、大量热解焦的下落过程，对喉口形成的稳定火焰有干扰，在燃烧不充分时影响尤为明显；

3、过高温度（>700℃）会引起热解焦反应活性下降，也不利于焦油的脱除；

4、直接采用经燃烧活化后的残焦来催化转化焦油，可大大提高对焦油的脱除效率；

5、均相部分氧化过程能形成更高温度的区域、反应更快、焦油转化更充分；

6、热解焦与热解气在热解筒中已实现二者物料平衡，对焦油的脱除作用已大大减弱，需要进行有效活化；

此外，由于系统增加了燃烧部分，在气化系统起炉过程也带来较大便利，可直接通过小型流化床系统燃烧热对气化系统进行暖炉，可大量节约起炉时燃油的消耗。

小型流化床燃烧产生的热量通过汽水系统回收，并通过小型汽轮机进行发电，实现残炭中化学能的转化回收，另一方面，通过对出气化炉的高温气化气及内燃机发电后的高温排气均可经过换热器进行回收，采用有机朗肯循环（ORC）系统实现烟气及工艺余热的回收，实现气化系统能源转化率的显著提高。