燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃装置及方法

摘要

本发明属于生物质利用技术领域，公开了燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃装置及方法，本发明采用生物质超高速自平衡气化设备将生物质气化，燃气通过降温增压后送入燃煤锅炉炉膛内燃烧。燃气降温介质采用从汽轮机中压段抽取的～400℃蒸汽，与燃气换热后的蒸汽通过与空气的二次换热，产生高温空气供给气化炉。本发明实现了生物质气化耦合大型燃煤发电系统，利用大容量、高参数汽轮发电系统提高了生物质发电参数和效率，解决了现存的生物质直燃工艺发电规模小、效率低的问题，并适用于高碱性、高水分的生物质，扩大了生物质利用范围。

说明书

技术领域

本发明属于生物质利用技术领域，具体涉及燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃装置及方法。

背景技术

生物质是传统的可再生资源，我国生物质能资源非常丰富，发展生物质发电产业大有可为。一方面，我国农作物播种面积有18亿亩，年产生物质约7亿吨。除部分用于造纸和畜牧饲料外，剩余部分都可做燃料使用。另一方面，我国现有森林面积约1.75亿公顷，森林覆盖率18.21%，每年通过正常的灌木平茬复壮、森林抚育间伐、果树绿篱修剪以及收集森林采伐、造材、加工剩余物等，可获得生物质资源量约8亿至10亿吨。此外，我国还有4600多万公顷宜林地，可以结合生态建设种植农植物，这些都是中国发展生物质发电产业的优势。

2006年12月1日投产的国能单县30兆瓦生物质直燃发电项目是我国第一个生物质直燃发电项目，拉开了国内大规模生物质发电产业发展的序幕。从近几年的实践来看，我国生物质直燃发电项目单个装机规模普遍为12MW-30MW，装机规模小、受原料限制大、抗风险能力弱，发电效率通常在22%~26%的水平，发电效率非常低。大部分的生物质直燃发电项目即使获得0.75元/KW·h的电价补贴也难以生存。生物质气化在我国主要以使用低水分，高热值、高灰熔点、流动性好的生物质（例如稻壳、木屑等）为原料，其他原料容易导致生物质气化不稳定、气化过程中结渣、加料卡阻等问题，装置无法长期稳定运行。

因此，需要一种合理的生物利用模式来提高原料利用的广泛性，提高生物质利用效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃的装置及方法。

燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃装置，包括生物质超高速自平衡气化设备（1），所述生物质超高速自平衡气化设备（1）前端开设入料口（104），生物质超高速自平衡气化设备（1）的燃气出口与旋风分离器（2）的进口相连，旋风分离器（2）的出口与燃气换热器（3）的进口连接，燃气换热器（3）的出口与高温燃气风机（9）的一端相连，高温燃气风机（9）的另一端与锅炉（5）内部设置的燃气燃烧器（501）相连；锅炉（5）的尾气出口通过尾气增压混风设备（7）与生物质超高速自平衡气化设备（1）内设置的自平衡返料器风室（102）相连；锅炉（5）的蒸汽出口与汽轮机（6）相连，汽轮机（6）中压段设有蒸汽抽气口，蒸汽抽气口与燃气换热器（3）的进口相连，燃气换热器（3）的出口还后进入与空气换热器（10）的进口相连，空气换热器（10）的出口与除氧器（4）的进口相连，除氧器（4）的出口与锅炉（5）的进口相连；空气换热器（10）还设有空气进口与空气出口，空气进口与鼓风机（8）相连，空气出口与生物质超高速自平衡气化设备（1）内设置的自平衡气化设备风室（101）相连。

作为上述技术方案的进一步描述：

生物质超高速自平衡气化设备（1）底部为锥形。

作为上述技术方案的进一步描述：

生物质超高速自平衡气化设备（1）中部设有二次风入口（103）。

作为上述技术方案的进一步描述：

尾气增压混风设备（7）包括尾气增压风机和空气混比阀。

作为上述技术方案的进一步描述：

自平衡气化设备风室（101）及自平衡返料器风室（102）均设有风帽。

作为上述技术方案的进一步描述：

燃气燃烧器（501）布置在两层煤粉燃烧器之间。

燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃的方法，包括以下步骤：

（1）生物质原料、床料通过入料口（104）加入生物质超高速自平衡气化设备（1），生物质超高速自平衡气化设备（1）产生高温燃气，底部锥段的运行速度为3-7m/s，底部密相区温度低于生物质灰熔点以下50~150℃，中部稀相区温度600~920℃，燃气出口温度450-900℃，通过旋风分离器（2）除尘后，燃气经燃气换热器（3）换热，温度降至350-550℃，高温燃气风机（9）将降温后的燃气送入锅炉（5）炉膛内燃气燃烧器（501）燃烧；

（2）锅炉（5）燃烧后的尾气一部分经过尾气增压混风设备（7）增压后，供给至自平衡返料器风室（102），作为返料风使用，通过尾气增压混风设备（7）调节空气加入量控制返料风的含氧量，控制自平衡返料器风室（102）温度为生物质灰熔点以下50~200℃；

（3）锅炉（5）产生的高参数蒸汽经汽轮机（6）做功后，从中压段抽出一部分蒸汽，温度约300-450℃，通入燃气换热器（3）将燃气降温，换热后的蒸汽再进入空气换热器（10）与空气换热，换热后的蒸汽进入除氧器（4），除氧器（4）与锅炉（5）相连；

（4）鼓风机（8）将常温空气送入空气换热器（10），得到300-500℃高温空气，高温空气送入自平衡气化设备风室（101）作为气化剂使用。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述生物质原料的含水量不高于50%，生物质灰中K、Na含量不超过40%，生物质长度不大于10cm。

作为上述技术方案的进一步描述：

入料口（104）处为微负压，负压范围为0~-500Pa。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述床料为耐磨粗床料颗粒，包括石英砂和/或氧化铝球，粒径为0.5~5mm。

作为上述技术方案的进一步描述：

步骤（2）所述返料风的含氧量为1%~21%。

本发明的原理是：

根据生物质化学元素分析，生物质是主要由C、H、O等元素组成的，在高温条件下较易热解挥发产生可燃性气体。本发明采用生物质超高速自平衡气化设备，通过控制生物质超高速自平衡气化设备底部速度，降低底部密相区温度，同时在生物质超高速自平衡气化设备中部设置二次风入口，提高稀相区温度，保证生物质完全气化，均匀温度场，避免高碱性生物质碱金属析出造成床料结渣。生物质超高速自平衡气化设备将生物质热解气化成450-900℃具有550-1400Kcal/Nm³热值的生物质燃气。由于生物质超高速自平衡气化设备内生物质反应时间段、反应强度高，必须保证生物质原料的连续供应，为了适应流动性较差的生物质，本发明采用负压给料即控制进料口处压力为微负压。负压压头来源于后部高温燃气风机。由于燃气温度较高，而现阶段的高温燃气风机稳定运行的工况温度＜550℃，所以本发明采用燃气换热器对生物质燃气进行降温。同时根据生物质燃气中焦油在350℃以下会大量析出的特殊性，一旦焦油析出将会大量的吸附在燃气换热器表面，大大降低换热效率，导致换热器失效，风机温度过高而停运。综合换热介质温度及能源合理利用角度，选用已在高压段做功后的~400℃中压蒸汽对高温燃气进行降温，由于已在汽轮机中膨胀做功，所以此时蒸汽的有效焓降已经大大减少。降温后的燃气经高温燃气风机喷入炉内燃烧。燃气燃烧器布置在两层煤粉燃烧器之间，煤粉燃烧器的高温温度场保证了低热值的生物质燃气的稳定燃烧，而生物质燃气的燃烧温度较煤粉的燃烧温度低200-500℃，能够有效降低炉膛燃烧的高温区温度，平衡温度场的温度梯度，从而抑制热力型NOx的生产。

蒸汽经燃气换热器后，进入空气预热器，将空气加热至高温，低温蒸汽回送至除氧器。通过将能量换热给空气，提高生物质超高速自平衡气化设备气化剂温度，改善炉内气化条件，稳定炉内温度场，同时回收的能量能通过燃烧再次传递至汽轮机做功，提高了能量的品质。生物质超高速自平衡气化设备自平衡返料器中返料风使用锅炉尾气并增加空气调节配比手段，能控制生物质循环灰中的半焦在自平衡返料器中的反应进程，对于生物质循环灰的温度已接近于生物质灰熔点温度，需要控制自平衡返料器处温度防止二次配风造成的自平衡返料器高温结渣，则通入低氧高温的锅炉尾气，稳定自平衡返料器的温度，改善了自平衡返料器工况；对于高生物质灰熔点的生物质，则适当的提高自平衡返料器返料风的氧含量，促进半焦的反应。

本发明的有益效果是：

（1）超高速流化床速度设定为3~7m/s，超过传统的流化床和高速流化床的1~3m/s的运行速度，大大改善了气化装置的原料适应性，通过床料之间的高速碰撞，极大抑制了高碱生物质结渣的可能性。将生物质气化后获得的高温燃气通入燃煤锅炉进行混燃发电，利用大型电站的高参数实现生物质的高效率发电（≥35%），解决了现存的生物质直燃工艺发电规模小、效率低的问题，并适用于高碱性、高水分的生物质，扩大了生物质利用范围。

（2）生物质超高速自平衡气化设备底部采用锥形设计，中部设有二次风入口，使用高温度预热空气作为气化剂，密相区采用很高的流化速度，大大提高了反应的强度，平衡了气化设备内的温度场，加强了原料的适应性，减少了高碱生物质结渣的风险。

（3）入料口处采用负压，解决了流动性差的生物质入料和封闭的问题。

（4）通过使用高温蒸汽作为燃气换热器换热介质，降低了燃气温度，同时避免了焦油析出，解决了高温燃气输送的问题；

（5）使用在汽轮机内膨胀做功后的低焓值高温蒸汽作为燃气换热介质。高温燃气的热量依次传递给高温蒸汽、空气、生物质燃气，最后燃烧回到锅炉系统中产生高参数蒸汽，能源得到了最高效的利用。

（6）由于气化炉内循环的固体物料很大一部分是未完全反应的高温半焦，采用直接采用空气作为返料风会导致半焦燃烧，返料器温度升高造成结渣，采用低氧含量的锅炉尾气作为返料风，改善了自平衡返料器温度场，较蒸汽返料减低了运行成本。同时设有尾气增压混风设备，可以控制返料风中氧含量，根据原料变化，改善自平衡返料器的温度。

（7）锅炉的燃气燃烧器布置在两层煤粉燃烧器之间，能够保证低热值生物质燃气稳定燃烧，有效降低炉膛燃烧的高温区温度，平衡温度场的温度梯度，从而抑制热力型NOx的生产。

附图说明

图1为本发明中燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃装置的示意图。

其中有：生物质超高速自平衡气化设备1，自平衡气化设备风室101，自平衡返料器风室102，二次风入口103，入料口104，旋风分离器2，燃气换热器3，除氧器4，锅炉5，燃气燃烧器501，汽轮机6，尾气增压混风设备7，鼓风机8，高温燃气风机9，空气换热器10。

具体实施方式

参见图1，燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃装置，包括生物质超高速自平衡气化设备1，所述生物质超高速自平衡气化设备1前端开设入料口104，生物质超高速自平衡气化设备1的燃气出口与旋风分离器2的进口相连，旋风分离器2的出口与燃气换热器3的进口连接，燃气换热器3的出口与高温燃气风机9的一端相连，高温燃气风机9的另一端与锅炉5内部设置的燃气燃烧器501相连；锅炉5的尾气出口通过尾气增压混风设备7与生物质超高速自平衡气化设备1内设置的自平衡返料器风室102相连；锅炉5的蒸汽出口与汽轮机6相连，汽轮机6中压段设有蒸汽抽气口，蒸汽抽气口与燃气换热器3的进口相连，燃气换热器3的出口还与空气换热器10的进口相连，空气换热器10的出口与除氧器4的进口相连，除氧器4的出口与锅炉5的进口相连；空气换热器10还设有空气进口与空气出口，空气进口与鼓风机8相连，空气出口与生物质超高速自平衡气化设备1内设置的自平衡气化设备风室101相连。

生物质超高速自平衡气化设备1底部为锥形。目的在于，提高反应强度，降低密相区温度，加强原料适应性。

生物质超高速自平衡气化设备1中部有二次风入口103。目的在于，提高稀相区温度。

尾气增压混风设备7包括尾气增压风机和空气混比阀。目的在于，调节返料风的含氧量到合适的范围。

自平衡气化设备风室101及自平衡返料器风室102设有风帽。目的在于，能够将空气及烟气均匀的送入生物质超高速自平衡气化设备1中，便于高效的完成反应。

燃气燃烧器501布置在两层煤粉燃烧器之间。

燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃的方法，采用燃煤锅炉前置生物质超高速自平衡气化混燃装置进行生产，包括以下步骤：

（1）生物质原料、床料通过入料口104加入生物质超高速自平衡气化设备1，生物质超高速自平衡气化设备1产生高温燃气，底部锥段的运行速度为3-7m/s，燃气温度约450-900℃，通过旋风分离器2除尘后，燃气经燃气换热器3换热，温度降至350-550℃，高温燃气风机9将降温后的燃气送入锅炉5炉膛内燃气燃烧器501燃烧；

（2）锅炉5燃烧后的尾气一部分经过尾气增压混风设备7增压后，供给至自平衡返料器风室102，作为返料风使用，同时利用尾气增压混风设备7调整返料风的含氧量；

（3）锅炉5产生的高参数蒸汽经汽轮机6做功后，从中压段抽出一部分蒸汽，温度约300-450℃，通入燃气换热器3将燃气降温，换热后的蒸汽再进入空气换热器10与空气换热，换热后的蒸汽进入除氧器4，除氧器4与锅炉5相连；

（4）鼓风机8将常温空气送入空气换热器10，得到300-500℃高温空气，高温空气送入自平衡气化设备风室101作为气化剂使用。

其中，所述生物质原料的含水量不高于50%，生物质灰中K、Na含量不超过40%，生物质长度不大于10cm。

其中，入料口104处为微负压，负压范围为0~-500Pa。

其中，所述床料为耐磨粗床料颗粒，包括石英砂和/或氧化铝球，粒径为0.5~5mm。

其中，返料风的含氧量为1%~21%。

实施例1

原料为枝桠柴，长度5cm，含水量25%，生物质灰中K、Na含量5%，床料为石英砂，粒径1.2mm，通过压力为-200Pa的入料口104加入生物质超高速自平衡气化设备1，生物质超高速自平衡气化设备1底部锥段速度3.5m/s，密相区温度780℃，中部稀相区温度825℃，产生的高温燃气温度790℃，通过旋风分离器2除尘后，燃气经燃气换热器3换热，温度降至420℃。高温燃气风机9将降温后的燃气送入锅炉5炉膛内燃气燃烧器501燃烧。燃烧后的锅炉尾气通过尾气增压混风设备7混合为含氧量为21%的返料风，通入自平衡返料器风室102，自平衡返料器风室102温度765℃。锅炉5产生的24.2Mpa，538℃蒸汽经汽轮机6做功后，从中压段抽出400℃蒸汽，通入燃气换热器3将燃气降温，换热后的蒸汽再进入空气换热器10与空气换热，换热后的蒸汽进入除氧器4，除氧器4与锅炉5相连。换热后430℃的高温空气送入自平衡气化设备风室101。系统发电效率41%，生物质发电效率36%。

实施例2

原料为棉杆，长度5cm，含水量40%，生物质灰中K、Na含量35%，床料为氧化铝小球，粒径3mm，通过压力为0Pa的入料口104加入生物质超高速自平衡气化设备1，生物质超高速自平衡气化设备1底部锥段速度7m/s，密相区温度645℃，中部稀相区温度678℃，产生的高温燃气温度630℃，通过旋风分离器2除尘后，燃气经燃气换热器3换热，温度降至400℃。高温燃气风机9将降温后的燃气送入锅炉5炉膛内燃气燃烧器501燃烧。燃烧后的锅炉尾气通过尾气增压混风设备7混合为含氧量为1%的返料风，通入自平衡返料器风室102，自平衡返料器风室102温度622℃。锅炉5产生的24.2Mpa，538℃蒸汽经汽轮机6做功后，从中压段抽出380℃蒸汽，通入燃气换热器3将燃气降温，换热后的蒸汽再进入空气换热器10与空气换热，换热后的蒸汽进入除氧器4，除氧器4与锅炉5相连。换热后390℃的高温空气送入自平衡气化设备风室101。系统发电效率41%，生物质发电效率35%。

实施例3

原料为稻壳，含水量12%，生物质灰中K、Na含量6%，床料为氧化铝小球，粒径4mm，通过压力为-300Pa的入料口104加入生物质超高速自平衡气化设备1，生物质超高速自平衡气化设备1底部锥段速度4.5m/s，密相区温度780℃，中部稀相区温度795℃，产生的高温燃气温度755℃，通过旋风分离器2除尘后，燃气经燃气换热器3换热，温度降至450℃。高温燃气风机9将降温后的燃气送入锅炉5炉膛内燃气燃烧器501燃烧。燃烧后的锅炉尾气通过尾气增压混风设备混合为含氧量为7%的返料风，通入自平衡返料器风室102，自平衡返料器风室102温度750℃。锅炉5产生的24.2Mpa，538℃蒸汽经汽轮机6做功后，从中压段抽出430℃蒸汽，通入燃气换热器3将燃气降温，换热后的蒸汽再进入空气换热器10与空气换热，换热后的蒸汽进入除氧器4，除氧器4与锅炉5相连。换热后450℃的高温空气送入自平衡气化设备风室101。系统发电效率42%，生物质发电效率37%。

实施例4

原料为稻杆，长度7cm，含水量50%，生物质灰中K、Na含量40%，床料为石英砂，粒径0.5mm，通过压力为-400Pa的入料口104加入生物质超高速自平衡气化设备1，生物质超高速自平衡气化设备1底部锥段速度3m/s，密相区温度780℃，中部稀相区温度600℃，产生的高温燃气温度450℃，通过旋风分离器2除尘后，燃气经燃气换热器3换热，温度降至350℃。高温燃气风机9将降温后的燃气送入锅炉5炉膛内燃气燃烧器501燃烧。燃烧后的锅炉尾气通过尾气增压混风设备7混合为含氧量为1%的返料风，通入自平衡返料器风室102，自平衡返料器风室102温度765℃。锅炉5产生的24.2Mpa，538℃蒸汽经汽轮机6做功后，从中压段抽出300℃蒸汽，通入燃气换热器3将燃气降温，换热后的蒸汽再进入空气换热器10与空气换热，换热后的蒸汽进入除氧器4，除氧器4与锅炉5相连。换热后300℃的高温空气送入自平衡气化设备风室101。系统发电效率40%，生物质发电效率35%。

实施例5

原料为玉米秸秆，长度10cm，含水量15%，生物质灰中K、Na含量18%，床料为粒径5mm氧化铝小球和粒径0.5mm的石英砂，通过压力为-500Pa的入料口104加入生物质超高速自平衡气化设备1，生物质超高速自平衡气化设备1底部锥段速度6m/s，密相区温度645℃，中部稀相区温度920℃，产生的高温燃气温度900℃，通过旋风分离器2除尘后，燃气经燃气换热器3换热，温度降至550℃。高温燃气风机9将降温后的燃气送入锅炉5炉膛内燃气燃烧器501燃烧。燃烧后的锅炉尾气通过尾气增压混风设备7混合为含氧量为9%的返料风，通入自平衡返料器风室102，自平衡返料器风室102温度622℃。锅炉5产生的24.2Mpa，538℃蒸汽经汽轮机6做功后，从中压段抽出450℃蒸汽，通入燃气换热器3将燃气降温，换热后的蒸汽再进入空气换热器10与空气换热，换热后的蒸汽进入除氧器4，除氧器4与锅炉5相连。换热后500℃的高温空气送入自平衡气化设备风室101。系统发电效率43%，生物质发电效率37%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。