生物质分级供氧气化炉及分级供氧方法

摘要

本发明公开一种生物质分级供氧气化炉及分级供氧方法。该生物质分级供氧气化炉具有炉体，炉体具有文丘里管结构的喉口部；所述炉篦具有至少一个打灰部，该打灰部具有转轴、承灰板和搅动杆；承灰板设有用于将气化气流出的出气通孔；在运动状态时，承灰板能绕转轴在竖直平面内做往复摆动，承灰板偏离平衡位置的最大摆动角度为0°‑60°之间的任意一个角度，且包括60°；搅动杆固设于转轴上，搅动杆的侧壁还设有气化剂出口。将该生物质分级供氧气化炉用于生物质气化，所得生物炭中碳含量低、气化效率高。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种生物质分级供氧气化炉及分级供氧方法。

背景技术

生物质是一种清洁、资源丰富、且唯一含碳的可再生能源，能很好的解决能源短缺、环境污染的世界难题，日益受到广泛关注。生物质热化学利用是在高温条件下对生物质进行燃烧、热解、气化等处理得到热、电或可燃气等产品，其中生物质气化技术因具有反应迅速、转化效率高、终端产品灵活以及易于工业化等优点，已成为世界研究重点。在众多生物质反应器中，固定床气化炉由于结构简单、规模灵活、运行稳定等优点受到广泛利用。常用的固定床气化炉分为上吸式、下吸式、开心式等，相较于上吸式等气化技术，虽然下吸式固定床气化炉焦油含量相对较低，但仍然达不到终端发电的需求，需要进一步改善。

中国专利文献CN102492489A公开的生物质分级供氧气化炉，采用在热解及喉口处分级供氧的方式。该方式虽然能够提高生物质热解效率、增加挥发分含量，然而却带来了生物质炭中碳含量高、气化效率较低的缺陷。

中国专利文献CN101144022A公开的三段式生物质气化炉，采用在喉口和炉篦处分级供氧方法，在第二段炉篦通入二级风。然而，由于炭层落入第二段炉篦时已经经过了第一段炉篦处还原反应以及散热的降温，在第二段有可能炭层温度较低导致无法发生氧化反应。同时，两段炉篦的设计不但增大了炭层搭桥的风险，而且大大增加了系统复杂程度，较难实现连续出灰，不利用工业利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有生物质气化技术中碳转化率不高、气化效率较低的缺陷，从而提供一种新型的生物质分级供氧气化炉及分级供氧方法。将该生物质分级供氧气化炉用于生物质气化，所得生物炭中碳含量低、气化效率高。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

本发明提供一种生物质分级供氧气化炉，所述生物质分级供氧气化炉具有炉体，所述炉体具有喉口部；所述喉口部的上部设有原料入口，所述喉口部设有多个用于将气化剂喷入的喷管；所述喉口部下方设有炉篦；所述炉体在所述炉篦下方的侧壁上设有气化气出口；所述炉篦具有至少一个打灰部；

所述打灰部具有转轴、承灰板和搅动杆；所述承灰板设有用于将气化气流出的出气通孔；在所述承灰板处于运动状态时，所述承灰板能绕所述转轴在竖直平面内做往复摆动，所述承灰板偏离平衡位置的最大摆动角度为0°-60°之间的任意一个角度，且包括60°，例如可为45°；在所述承灰板处于静止状态时，所述承灰板与所述炉体的内腔之间留有供所述承灰板进行所述往复摆动的间隙；所述搅动杆固设于所述转轴上，所述搅动杆的侧壁还设有气化剂出口。

上述生物质分级供氧气化炉的使用过程如下，生物质热解所得热解气及热解炭经所述原料入口进入所述喉口部后；所述热解炭堆积于所述承灰板上形成炭层，所述热解气与经所述喷管进入的气化剂，在所述喉口部发生部分氧化反应，该部分氧化反应后产生的混合气进入所述炉篦上方的炭层内；所述混合气、所述炉篦上方的炭层与经所述搅动杆的气化剂出口送入的气化剂发生进一步的氧化还原反应，得气化气及生物质灰；所得气化气经所述承灰板上的出气通孔排入下方炉体，并经所述炉体侧壁的气化气出口排出；在所述进一步的氧化还原反应的过程中，所述炉篦可以根据需要而启动，也可以是周期性地定时启动，那么，在所述炉篦的承灰板绕所述转轴往复摆动的过程中，所得生物质灰经所述炉篦转动过程中承灰板之间的空隙以及所述承灰板与所述炉体的内腔之间的空隙落入下方炉体，下方炉体内的生物质灰则会定时排出。

本发明中，所述炉篦可具有两个以上的所述打灰部；各所述承灰板在静止状态时，各所述承灰板之间留有供所述承灰板转动的间隙，且各所述承灰板共同形成用于支撑沉积于其上的炭层的承灰面。

其中，较佳地，各所述承灰板之间的间隙与所述出气通孔的直径相同。

其中，较佳地，所述打灰部的各所述转轴的轴线互相平行，且处于同一水平面内；各所述承灰板在运动状态的每一时刻的摆动方向均相同。

本发明中，所述承灰板可为平板结构。

本发明中，较佳地，所述承灰板具有第一承灰板和第二承灰板；所述第一承灰板和所述第二承灰板分别对称固接于所述转轴的两侧并向下方倾斜。更佳地，所述第一承灰板和所述第二承灰板所成的夹角为90°。

本发明中，较佳地，所述转轴的一端封闭，所述转轴的另一端设有气化剂入口，所述气化剂入口与所述转轴的内腔连通；所述搅动杆的上端封闭；所述转轴的内腔与所述搅动杆的内腔连通。

本发明中，较佳地，所述搅拌杆在静止状态时固设于所述转轴的正上方。

本发明中，所述喷管的设置方式可采用现有技术中的任何设置方式，例如可采用切向设置或对置设置，当采用切向设置时，切向角例如可为30°，切向角的定义为所述喷管的轴线与通过所述喷管的轴线与所述炉体的内壁的交点的所述炉体的内壁的切面所形成的夹角。

本发明中，较佳地，所述转轴穿过所述炉体并伸至所述炉体外，且所述转轴与一驱动机构相连，在运行过程中，所述驱动机构带动所述转轴转动。所述驱动机构例如可采用电机带动，一般包括电机、气动执行机构和液压执行机构等。

本发明中，较佳地，所述生物质分级供氧气化炉的外部还设有气化剂总管，用于向所述喉口部及所述打灰部供应气化剂；所述气化剂总管设有第一气化剂支管和第二气化剂支管；所述第一气化剂支管与所述喷管连通，所述第二气化剂支管与所述转轴的气化剂入口连通。

本发明还提供一种分级供氧方法，所述分级供氧方法采用前述生物质气化炉，所述分级供氧方法包括如下步骤：

(1)生物质热解所得热解气及热解炭经所述原料入口进入所述喉口部；

(2)所述热解炭堆积于所述承灰板上形成炭层；所述热解气与经所述喷管进入的气化剂，在所述喉口部发生部分氧化反应，得混合气；所述混合气进入所述炉篦上方的炭层内；

(3)所述混合气、所述炉篦上方的炭层与经所述搅动杆送入的气化剂发生进一步的氧化还原反应，得气化气及生物质灰；

所得气化气经所述承灰板上的出气通孔排入所述炉篦下方的炉体内，并经所述气化气出口排出；

在所述进一步的氧化还原反应的过程中，所得生物质灰经所述炉篦转动过程中承灰板之间的空隙以及所述承灰板与所述炉体的内腔之间的空隙落入下方炉体，下方炉体内的生物质灰则会定时排出。

上述分级供氧方法如下，生物质热解所得热解气及热解炭经所述原料入口进入所述喉口部后；所述热解炭堆积于所述承灰板上形成炭层，所述热解气与经所述喷管进入的气化剂，在所述喉口部发生部分氧化反应，该部分氧化反应后产生的混合气进入所述炉篦上方的炭层内；所述混合气、所述炉篦上方的炭层与经所述搅动杆的气化剂出口送入的气化剂发生进一步的氧化还原反应，得气化气及生物质灰；所得气化气经所述承灰板上的出气通孔排入下方炉体，并经所述炉体侧壁的气化气出口排出；当所述承灰板绕所述转轴在竖直平面内做往复摆动的过程中，所得生物质灰经所述承灰板之间的空隙以及所述承灰板与所述炉体的内腔之间的空隙落入下方炉体，下方炉体内的生物质灰则会定时排出。

本发明中，所述气化剂可为本领域常规使用的气化剂，所述气化剂较佳地为空气。更佳地，所述气化剂的当量比为0.2-0.4，例如可为0.3。其中，所述当量比为通入所述生物质分级供氧气化炉的空气的质量流量与所述生物质完全燃烧所需的空气的质量流量的比值。

本发明中，较佳地，经所述喷管进入的气化剂的体积流量占所述气化剂总体积流量的20％-80％，例如可为75％，其中，所述气化剂总体积流量为经所述喷管进入的气化剂的体积流量与经所述搅动杆进入的气化剂的体积流量的总和。

在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供一种生物质分级供氧气化炉及分级供氧方法。该炉篦结构，能够有效提高炭层落灰效率，防止搭桥和结渣导致的炭层堵塞现象，且能增强生物质炭的气化反应，提高系统气化效率。

附图说明

图1为实施例1的生物质分级供氧气化炉的示意图。

图2为图1中炉篦处的局部放大图。

图3为图1中A-A向视图。

图4为图1中B-B向视图。

图5为图1中喉口部的喷管分布的俯视图。

附图标记说明：

原料入口1

喷管2

炉篦3

打灰部31

转轴311

第一承灰板312

第二承灰板313

出气通孔314

搅动杆315

炉膛4

炉膛的顶面41

炉膛的底面42

炭层5

气化气出口6

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

生物质分级供氧气化炉

以30KW规模生物质气化系统所采用的生物质分级供氧气化炉，如图1所示，生物质分级供氧气化炉具有炉体，炉体具有文丘里管结构的喉口部；炉体除喉口部以外的其余炉体的内径为300mm；喉口部的上部设有原料入口1，喉口部设有4个用于将气化剂喷入的喷管2，喷管2切向布置，切向角α为30°；喉口部下方设有炉篦3；喉口部以下与炉篦3以上形成的内部空间为炉膛4，炉膛的顶面41为圆形，炉膛的底面42也为圆形；炉体在炉篦3下方的侧壁上设有气化气出口6；炉篦3具有5个打灰部31；其中，打灰部31具有转轴311、承灰板和搅动杆315；转轴311水平设置，转轴311的轴线互相平行，转轴311的轴线处于同一水平面内；在运动状态时，承灰板能绕转轴311在竖直平面内做往复摆动，承灰板偏离平衡位置的最大摆动角度为45°；在静止状态时，承灰板与炉体的内腔之间仅留有供承灰板进行往复摆动的间隙；在静止状态时，各所述承灰板之间留有供所述承灰板转动的间隙，该间隙与承灰板的出气通孔的直径相同，用于支撑沉积于其上的炭层5；承灰板设有用于将气化气流出的出气通孔314，承灰板具有第一承灰板312和第二承灰板313；第一承灰板312和第二承灰板313分别对称固接于转轴311的两侧并向下方倾斜，第一承灰板312和第二承灰板313所成的夹角为90°；所有承灰板在运动状态的每一时刻的摆动方向均相同，与水平面的夹角均相同；转轴311的一端封闭，转轴311的另一端设有气化剂入口，气化剂入口与转轴311的内腔连通；搅动杆315固设于转轴311的正上方；搅动杆315的上端封闭；转轴311的内腔与搅动杆315的内腔连通；搅动杆315的侧壁还设有气化剂出口，气化剂出口用于将气化剂通入堆积于承灰板上的炭层5。其中：

位于正中间的打灰部31的转轴311上均布有5根长度均为300mm的搅动杆315，每一搅动杆315上都均布有5个气化剂出口；位于该正中间的打灰部31的两侧的打灰部31的转轴311上都均布有3根长度为200mm的搅动杆315，每一搅动杆315上都均布有3个气化剂出口；最外侧的两个打灰部31的转轴311的中心位置处均设有1根长度为70mm的搅动杆315，每一搅动杆315上都均布有3个气化剂出口；上述各气化剂出口的孔径均为3mm；

转轴311穿过炉体并伸至炉体外，并与驱动机构相连，在运动状态时，驱动机构带动转轴311转动；

生物质分级供氧气化炉的外部还设有气化剂总管，用于向喉口部及打灰部31供应气化剂；气化剂总管设有第一气化剂支管和第二气化剂支管；第一气化剂支管与喷管2连通，第二气化剂支管与转轴311的气化剂入口连通。

实施例2

分级供氧气化方法

分级供氧方法采用实施例1的生物质分级供氧气化炉，且该分级供氧方法包括如下步骤：

(1)将进料量为20kg/h的木材成型颗粒热解得热解气及热解炭；所得热解气及热解炭经原料入口1进入喉口部；

(2)热解炭堆积于承灰板上形成炭层5；热解气与经喷管2进入的气化剂，在喉口部发生部分氧化反应，得混合气；混合气进入炉篦3上方的炭层5内；

(3)混合气、炉篦3上方的炭层5与经搅动杆315送入的气化剂发生进一步的氧化还原反应，得气化气及生物质灰；

所得气化气经承灰板上的出气通孔314排入炉篦3下方的炉体内，并经气化气出口6排出；

在进一步的氧化还原反应的过程中，生物质灰经炉篦3转动过程中承灰板之间的空隙以及承灰板与炉体的内腔之间的空隙落入炉篦3下方的炉体内。其中：气化剂为空气，气化剂的当量比为0.3；经喷管2进入的气化剂的体积流量为12Nm³/h，经搅动杆315进入的气化剂的体积流量为4Nm³/h；也即经喷管2进入的气化剂的体积流量占气化剂总体积流量的75％。

效果数据：稳定运行后，气化效率达到70％，生物质灰中碳含量仅为12％。

对比例1

采用实施例1的生物质气化炉，生物质气化方法如下：

采用木材成型颗粒，进料量为20kg/h，以空气为气化剂，进气量为16Nm³/h，且气化剂全部从喉口部的喷管2通入。

效果数据：稳定运行后，气化效率为66％，生物质灰中碳含量为20％。

比较实施例2及对比例1的效果数据可知，采用分级布氧，可显著提高气化效率，并降低生物质灰中的碳含量。