專利名稱：多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，尤其涉及利用聚自由基加速反應(yīng) 裝置的生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
能源是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，能源的供給能力密切關(guān)系著國(guó)民經(jīng) 濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展，是國(guó)家戰(zhàn)略安全保障的基礎(chǔ)之一。中國(guó)目前能源供給形勢(shì) 嚴(yán)峻，環(huán)境質(zhì)量包袱沉重。由于化石能源儲(chǔ)量日益減少、油價(jià)波動(dòng)較大、對(duì)能 源安全問題的擔(dān)憂以及對(duì)全球變暖的關(guān)注，發(fā)展清潔可再生能源已成為緊迫的 課題，新能源行業(yè)呈現(xiàn)高成長(zhǎng)性。根據(jù)廣泛論證的可再生能源的產(chǎn)業(yè)背景及發(fā) 展概況，以生物質(zhì)能為代表的生物質(zhì)氣化發(fā)電、生物質(zhì)氫能、生物質(zhì)綠色液體 燃料將成為未來重要的替代能源。生物質(zhì)能屬于清潔能源，中國(guó)的生物質(zhì)再牛 能源的資源非常豐富，生物質(zhì)再生能源大規(guī)模普及應(yīng)用，有助于改善生態(tài)環(huán)境 和C02減排。
發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重 要途徑。循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市化發(fā)展進(jìn)程加大了對(duì)廢物處理以及對(duì)新能源技術(shù)
的需求。中國(guó)政府已經(jīng)頒布實(shí)施《可再生能源法》(2007)，《循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》 (2008)，將生物質(zhì)能等可再生能源的科學(xué)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展列為國(guó)家科技發(fā) 展與高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，尋求最大限度的使用可再生能源，最大限度 的推進(jìn)資源回收，抑制資源浪費(fèi)和污染物排放總量。
隨著石油價(jià)格的大幅波動(dòng)，未來汽車的能源動(dòng)力已向多元化發(fā)展。新能源汽 車主要分為代用燃料汽車和電動(dòng)汽車。代用燃料以內(nèi)燃機(jī)為主，比如乙醇燃料、 甲醇燃料為動(dòng)力；電動(dòng)汽車包括純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、內(nèi)燃機(jī)和電池共
同作用的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車?；剂峡萁吆螅挥猩镔|(zhì)資源可以用作大規(guī) 模燃料和氫能的生產(chǎn)，可以預(yù)測(cè)生物液體燃料及清潔電力，燃料電池電動(dòng)車將 會(huì)是未來汽車動(dòng)力的主要能源動(dòng)力。
生物質(zhì)是指各種類型的有機(jī)物，從廣義上講，生物質(zhì)都是來源于植物通過光 合作用生成的有機(jī)物，最初來自于太陽能。生物質(zhì)由C、 H、 O、 N、 S、 P等元 素組成，具有揮發(fā)性高、碳活性高，硫、氮含量低，灰分低的優(yōu)點(diǎn)。既具有礦物燃料屬性，又有儲(chǔ)存、運(yùn)輸、再生、轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。生 物質(zhì)的種類很多，通常包括以下幾個(gè)方面薪炭林、能源作物、水牛植物；油 料植物；農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品(如秸稈)；農(nóng)林業(yè)廢棄物；工業(yè)有機(jī)廢棄物(如廢塑料、 石化殘余)；谷物加工廠、造紙廠、木材加工廠、食品業(yè)副產(chǎn)品和各類有機(jī)廢棄 物(包括危險(xiǎn)廢物、醫(yī)疔廢物、生活垃圾)等。中國(guó)生物質(zhì)資源豐富，總量達(dá) 4.87億噸油當(dāng)量/年，其中76%可用于發(fā)電和供熱。(參見文獻(xiàn)中國(guó)政府/世界 銀行/全球環(huán)境基金一生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)提高潛力分析咨詢項(xiàng)目報(bào)告，中國(guó)科學(xué) 院廣州能源研究所，2005年4月)。
生物質(zhì)能可再生能源的利用過程構(gòu)成自然界的循環(huán)的一部分，其所產(chǎn)生的廢 物主要是二氧化碳和灰渣，對(duì)自然界來講是存量循環(huán)概念。排出的二氧化碳能 夠被植物重新吸收。并且生物質(zhì)含硫量極低，不到煤炭含硫量的1/4。生物質(zhì)能 具有資源分布廣、環(huán)境影響小、可以永續(xù)利用等特點(diǎn)。生物質(zhì)能的廣泛應(yīng)用， 可顯著減少二氧化碳和二氧化硫排放，產(chǎn)生巨大的環(huán)境和社會(huì)效益。
利用燃燒技術(shù)釋放生物質(zhì)能，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前技術(shù)上已經(jīng)成熟、商業(yè) 化普及程度較高，如生活垃圾焚燒和生物質(zhì)直燃發(fā)電，從長(zhǎng)期實(shí)踐來看，有著 本質(zhì)上的缺陷
1、 焚燒模式的環(huán)保問題突出，造成嚴(yán)重的二次污染，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 因?yàn)榉贌惺褂昧舜罅康倪^?？諝?，稀釋焚燒強(qiáng)度，焚燒爐工作溫度較低或者 停留時(shí)間短造成有害物質(zhì)不能有效分解；在下游設(shè)備的低溫區(qū)域，在過氧、金 屬鹽類化合物催化劑、飛灰顆粒和未燃盡碳的作用下，重新合成二惡英和呋喃
(PCDD/Fs)，它們是劇毒的有害物質(zhì)；特別是爐排層燃方式生成大量的酸性污 染氣體，如HC1、 HF、 S02、 NOx等；飛灰和底灰屮富集的重金屬滲入空氣和地 下水源。(參見文獻(xiàn)固體廢物焚燒過程中二噁英控制技術(shù)研究進(jìn)展，周莉菊等， 能源與環(huán)境，2006No.554;城市生活垃圾焚燒爐各工藝參數(shù)對(duì)二噁英生成的影 響，劉陽生等，現(xiàn)代化工，2001年10月21巻；國(guó)家環(huán)境分析測(cè)試中心，二噁 英研究，http:〃cneax.com/2005 。)
2、 而焚燒模式，通過鍋爐帶蒸汽輪機(jī)的發(fā)電技術(shù)本質(zhì)上凈發(fā)電效率有限。 尤其是，在單一燃燒過程中產(chǎn)生的大量腐蝕性很強(qiáng)的酸性氣體，易造成鍋爐受 熱面腐蝕，導(dǎo)致蒸汽參數(shù)和發(fā)電效率低，能源利用效率低。
3、 在單一燃燒過程中產(chǎn)生的灰渣，有重金屬滲析問題，導(dǎo)致其不能有效利 用，并形成二次污染，灰渣需額外處理，費(fèi)用昂貴。4、因?yàn)榉贌惺褂昧舜罅康倪^?？諝?，常規(guī)焚燒機(jī)組采用規(guī)模、體積巨大 的的尾氣處理設(shè)備，導(dǎo)致投資和運(yùn)行費(fèi)用大幅增加，降低了經(jīng)濟(jì)效益。
生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法的一種，基本原理是將生物質(zhì)原料加 熱，使較高分子量的碳?xì)浠衔餆崃呀?Pyrolysis)、氣化并重整(Reforming)，生 成較低分子量的CO、 H2、 CH4等R」'燃性氣體，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料。是生 物質(zhì)能高效利用的一種方法，和生物質(zhì)燃燒技術(shù)相比，能源利用效率高，環(huán)保 效果好，尤其是針對(duì)來源更廣泛、成分更復(fù)雜的生物質(zhì)原料，包括各類有機(jī)廢 棄物、危險(xiǎn)廢棄物。生物質(zhì)氣化后產(chǎn)生的初級(jí)可燃性氣體中含有焦油、灰分、 水分和少量的污染物(如酸性氣體和微量的鹽分、重金屬)，通過凈化設(shè)備凈化 處理后轉(zhuǎn)化為成品合成氣，投入使用。
生物質(zhì)氣化使用的設(shè)備主要有兩類固定床和流化床氣化裝置。固定床主要 分為上流式、下流式和橫流式，物料在反應(yīng)器內(nèi)分為干燥層、熱分解層、氧化 層和還原層，層和層之間沒有界限。固定床氣化反應(yīng)器通常產(chǎn)氣量較小，用于 小型氣化站或戶用，發(fā)電功率一般〈1MW。流化床反應(yīng)器主要分為鼓泡床和循環(huán) 流化床，在流化床內(nèi)，反應(yīng)速度快，物料、沙子和氣化劑充分接觸，受熱強(qiáng)度、 反應(yīng)強(qiáng)度均勻，生產(chǎn)能力大。但是流化床必須工作在熔點(diǎn)溫度之下，對(duì)一般生 物質(zhì)來講是工作在900°C左右，在此溫度下不能徹底裂解焦油；而且灰渣需要 額外處理；并且流化床系統(tǒng)投資大，要求較大生產(chǎn)規(guī)模，發(fā)電功率一般〉5MW。 目前，在需求最廣泛的中等規(guī)模，發(fā)電功率范圍3 5MW，處理量在80-150噸/ 天之間，沒有合適的最佳氣化反應(yīng)器。
在氣化過程中，殘?zhí)亢徒褂投际遣豢杀苊獾母碑a(chǎn)品。殘?zhí)亢懈邿嶂档奶紱] 有氣化，大大降低了整體氣化效率；焦油是成分十分復(fù)雜的碳?xì)浠衔?，主?是苯的衍生物，在高溫下以氣體狀態(tài)存在，在低溫(<200°C)下以粘稠的液體 狀態(tài)存在，難以清除，即使清除，則一部分合成氣熱值隨著清除的焦油排走， 造成氣化效率損失。未清除的焦油對(duì)下游設(shè)備的應(yīng)用造成巨大困難，如淤堵氣 體凈化設(shè)備、堵塞燃機(jī)管路，也是很多生物質(zhì)氣化技術(shù)失效或者低效能的主要 原因。目前，使用氣化合成氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)，焦油含量要求小于30mg/Nm3， 使用于燃?xì)廨啓C(jī)、制氫應(yīng)用于燃料電池或者用于合成綠色液體燃料的氣化合成 氣，對(duì)焦油含量的要求要低得多。目前幾乎沒有工業(yè)化的生物質(zhì)氣化反應(yīng)器能 夠達(dá)到此要求。
生物質(zhì)氣化技術(shù)目前正處于人規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的初期階段，有很多嘗試和實(shí)踐，無論是應(yīng)用固定床或者流化床氣化反應(yīng)器，總的來講，目前商業(yè)化開發(fā)牛 物質(zhì)氣化技術(shù)遇到的主要問題有1.常規(guī)的氣化技術(shù)，熱解氣化.燃燒.鍋爐.蒸 汽輪機(jī).發(fā)電的工藝路線，和焚燒技術(shù)類似，盡管環(huán)保效果有所提高，但是殘?zhí)肌?飛灰和灰渣中由于重金屬滲析問題的存在，依然有二次污染問題；2.適應(yīng)不了 原料成分的復(fù)雜性，原料濕度太大，或者物料特性變動(dòng)較大，運(yùn)行中固體物料 局部高溫結(jié)塊、熔化或者粘結(jié)，運(yùn)行連續(xù)可靠性難以保證；3.常規(guī)氣化效率低、 殘?zhí)驾^多，氣化氣熱值低，熱值不穩(wěn)定；4.尤其是氣化過程產(chǎn)生的合成氣中由 于焦油的裂解和清除不徹底， 一般在50 200mg/Nm3以上，無法帶動(dòng)高效率的燃 機(jī)，或燃?xì)廨啓C(jī)，只能通過鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，和焚燒 發(fā)電相比，總發(fā)電效率提高有限；采用催化裂解來降低合成氣的焦油含量，使 用固體催化劑工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本大幅提高，催化劑在高溫和含有大量污染物 的合成氣內(nèi)工作，容易失效，焦油仍不能完全消除。
自由基，化學(xué)上也稱為"游離基"，是含有一個(gè)不成對(duì)電子的原子(C、 H、 0)、原子團(tuán)(OH、 H2、 02)和離子(02， H2， 0H'、 O'， H"，活性很強(qiáng)，以 中間體的形式存在，濃度很低，存留時(shí)間很短，快速實(shí)現(xiàn)熱解轉(zhuǎn)化，對(duì)穩(wěn)定的 環(huán)形結(jié)構(gòu)的有機(jī)物的分解效果明顯。(參見文獻(xiàn)The reduction and control technology of tar during biomass gasification/pyrolysis: an overview, Jun Han etc., Renewable and Sustainable Energy Reviews 12(2008)397.416。)尤其是對(duì)危險(xiǎn)廢物 及特殊要求廢物、氣化過程中難處理的殘?zhí)俊⒔褂统煞?，其先進(jìn)性與優(yōu)越性進(jìn) 一歩顯現(xiàn)出來。
目前所能檢索到的本領(lǐng)域技術(shù)方案有
屮國(guó)專利申請(qǐng)00112320.3的專利文獻(xiàn)《城市生活垃圾干燥氣化熔融處理方 法》，利用鍋爐尾氣余熱干燥物料；將灰分熔融，降低二惡英和重金屬等二次污 染；氣化爐內(nèi)加入石灰脫酸?；曳纸?jīng)過熔融，但是氣化氣沒有完全凈化，就直 接高溫燃燒掉，并且依然使用鍋爐.蒸汽輪機(jī)發(fā)電。中國(guó)專利申請(qǐng)200610054403.X 的專利文獻(xiàn)《城市生活垃圾干燥氣化熔融焚燒處理方法和系統(tǒng)》，利用鍋爐焚燒 余熱獲取高溫空氣，再引入到氣化和熔融焚燒爐；也可降低二惡英和重金屬等 二次污染；但是仍以焚燒處理為主要目的，資源化利用程度不高。
中國(guó)專利申請(qǐng)200610019351.2的專利文獻(xiàn)《一種裂解氣化重整爐》，將反應(yīng) 過程分解為粉塵云燃燒室、裂解氣化室和催化重整室。在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)將反應(yīng) 分步進(jìn)行。而粉塵云燃燒室的燃料要求為納米級(jí)的粉料，需增加運(yùn)營(yíng)成本。而在同一反應(yīng)器內(nèi)將二段反應(yīng)控制好，需要復(fù)雜的控制。中國(guó)專利申請(qǐng)
200720174504.0的專利文獻(xiàn)《一種把垃圾、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高熱值合成氣的氣化 設(shè)備》，在同一反應(yīng)器內(nèi)，將干燥產(chǎn)生的水蒸汽、煙氣和初級(jí)氣化氣從爐外，導(dǎo) 入爐底的高溫區(qū)。并應(yīng)用等離子技術(shù)加速爐底殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng)。但是在同一反 應(yīng)器內(nèi)控制多段反應(yīng)，需要復(fù)雜的控制，并且規(guī)模較小無法大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。 中國(guó)專利申請(qǐng)200620069301.0的專利文獻(xiàn)《氣化.等離子無害化廢物處理系統(tǒng)》， 高溫等離子只用于熔融灰分，尾氣單獨(dú)排放，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)不到整體效率優(yōu)化。 屮國(guó)專利申請(qǐng)1420155A的專利文獻(xiàn)《用等離子體熱解氣化生物質(zhì)制取合成氣的 方法》，高溫等離子用于反應(yīng)器頂部物料的熱解氣化和重整，獲得高熱值氣化合 成氣。但是熱解氣化不需要高溫，將等離子體這個(gè)高溫、高能的需大量額外電 力的能量源用于熱解氣化，將降低總體氣化效率。
中國(guó)專利申請(qǐng)02134850.2的專利文獻(xiàn)《生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的可燃?xì)饬呀鈨艋?法》，將從氣化反應(yīng)器出來的初級(jí)氣化氣經(jīng)過800。C 1200。C的高溫木炭床層的 移動(dòng)床反應(yīng)器，進(jìn)行高溫和催化裂解焦油。和其他催化劑裂解焦油技術(shù)相比， 高溫木炭作為催化劑不怕失活和硫中毒。但是，加入木炭，相當(dāng)于加入了附屬 燃料；高溫木炭床需要填料和排料，操作復(fù)雜性人幅增強(qiáng)，難以保證催化效果； 輸入額外空氣到木炭床燃燒維持高溫，降低氣化氣體的熱值。
美國(guó)專禾ll文獻(xiàn)20040231243， Ash fusing system, method of operating the system, and gasification fUsing system for waste,將氣化、熔融、重整反應(yīng)分為三個(gè)連接 的反應(yīng)室單獨(dú)進(jìn)行，但總體反應(yīng)并未優(yōu)化。美國(guó)專利文獻(xiàn)20040170210， Plasma pyrolysis, gasification and vitrification of organic material ， 是應(yīng)用等禺子的流化床 技術(shù)，等離子只應(yīng)用于反應(yīng)器底部的碳?xì)饣突胰廴凇?br> 與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)，美國(guó)專利文獻(xiàn)2007068413 ， A horizontally.oriented gasifier with lateral transfer system,將氣化、重整反應(yīng)分為兩 個(gè)連接的反應(yīng)室單獨(dú)進(jìn)行，氣化反應(yīng)器水平放置，重整反應(yīng)器垂直放置，并配 有高溫等離子裝置裂解焦油?；曳秩廴谠诹硗夥磻?yīng)器進(jìn)行。該設(shè)計(jì)力圖將固體 熱解和干燥的低溫反應(yīng)區(qū)與氣體重整的高溫反應(yīng)區(qū)分成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的反應(yīng) 區(qū)。但是固體熱解和干燥在同一反應(yīng)器內(nèi)完成，熱解反應(yīng)減慢，碳轉(zhuǎn)化率低，
整體氣化效率低，尤其是針對(duì)濕度較大、熱值較低的物料。美國(guó)專利文獻(xiàn) 2007068397， A gas reformulating system using plasma torch heat，將高溫等離子裝 置用于合成氣化氣的重整反應(yīng)，重整反應(yīng)器垂直放置。該設(shè)計(jì)力圖利用等離子的高溫獲得合成氣重整的高溫反應(yīng)區(qū)，并同時(shí)利用離子化的氣體加速焦油裂解。 但是焦油裂解和合成氣重整有著不同的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，反應(yīng)器相對(duì)較大、等 離子高溫區(qū)相對(duì)較小，結(jié)果是焦油裂解和合成氣重整的效率都不夠理想，尤其 是針對(duì)濕度較大、含有很多惰性氣體和燃盡氣體(如氮?dú)夂虲02)、有低溫空氣 泄漏并且熱值較低的初級(jí)合成氣。總體來講，目前的生物質(zhì)氣化技術(shù)的嘗試和實(shí)踐只在小規(guī)模創(chuàng)新，多數(shù)屬于 局部改進(jìn)，總體上配置尚未達(dá)到優(yōu)化；高級(jí)氣化系統(tǒng)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累不足， 控制系統(tǒng)配套不完善，離全面的商業(yè)化應(yīng)用有一定距離。等離子開始應(yīng)用在生 物質(zhì)氣化工藝過程中，大多是應(yīng)用其提供的髙溫，對(duì)其離子化特性應(yīng)用不足。 等離子炬核心溫度超高，達(dá)6,000 10,000。C，設(shè)備耗電量較大，如果使用不當(dāng)， 會(huì)造成運(yùn)行安全隱患；或者沒有用到最需要的地方，能耗大，氣化系統(tǒng)的焦油 問題解決不徹底，或者達(dá)不到設(shè)計(jì)的凈發(fā)電效率，甚至凈發(fā)電量為負(fù)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中熱解反應(yīng)難以控制、碳轉(zhuǎn)化效率低、焦油 裂解和合成氣重整效率低等不足和缺點(diǎn)，最大化的提高生物質(zhì)氣化效率，徹底 裂解焦油，將廣泛的生物質(zhì)、含碳原料，轉(zhuǎn)化為高品位的純凈的氣化合成氣， 為生物質(zhì)氣化發(fā)電、生物質(zhì)氫能、生物質(zhì)綠色液體燃料的生產(chǎn)創(chuàng)造條件，為生 物質(zhì)能的大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)，同時(shí)徹底解決生物質(zhì)氣化過程中 的可能的污染物排放問題。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)采取 的措施主要為應(yīng)用現(xiàn)有的生化、能源、材料、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域的高新技術(shù)， 氣化反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行設(shè)計(jì)，將氣化各分步過程預(yù)處理、熱解、碳轉(zhuǎn)化、灰熔 融、焦油清除、合成氣重整、余熱利用分為各個(gè)相互聯(lián)系的獨(dú)立反應(yīng)單元，逐 一精細(xì)控制并整合達(dá)到優(yōu)化，最大化的提高生物質(zhì)氣化效率；運(yùn)用聚自由基加 速反應(yīng)裝置徹底裂解焦油，不損失在焦油中的能量，并提高合成氣重整效率， 提高氫氣含量；通過凈化系統(tǒng)和熔融系統(tǒng)解決污染物排放問題。多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，可以是熱解氣化單元、合成 氣重整單元，聚自由基加速反應(yīng)單元組成，且聚自由基加速反應(yīng)單元位置位于 熱解氣化單元之后，合成氣重整單元之前，每個(gè)單元為互相獨(dú)立的反應(yīng)室，有 氣體通道連接，聚自由基加速反應(yīng)單元對(duì)熱解氣化產(chǎn)物-初級(jí)氣化氣進(jìn)行深度處 理，初級(jí)氣化氣在此接觸到大量活性自由基存在的高溫反應(yīng)環(huán)境，徹底裂解焦油和啟動(dòng)合成氣重整反應(yīng)，氣化氣在重整單元完成重整反應(yīng)。聚自由基加速反 應(yīng)單元包括反應(yīng)器本體、氣體混合裝置和聚自由基發(fā)生器，熱解氣化產(chǎn)物—— 初級(jí)氣化合成氣在此單元完成焦油的徹底裂解，并啟動(dòng)氣化合成氣的重整反應(yīng)， 聚自由基發(fā)生器包括不同類型的能產(chǎn)生自由基的發(fā)生源。多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，系統(tǒng)還可以是由預(yù)處理裝置、 熱解氣化單元、碳轉(zhuǎn)化單元、熔融單兀組成，每個(gè)單元為互相獨(dú)立的反應(yīng)室， 有固體傳送通道連接，物料直接送入預(yù)處理裝置，預(yù)處理干燥過程吸出的濕氣被導(dǎo)入碳轉(zhuǎn)化單元參與碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)；熱解氣化單元熱裂解并氣化已經(jīng)預(yù)處理過 的并干燥的物料；物料完成熱解工序后，殘?zhí)己蜌埢曳诌M(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元；熔融 單元連續(xù)性地將殘余灰分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)固化的熔漿排出；熔融單元的高溫氣體進(jìn)入 碳轉(zhuǎn)化單元；碳轉(zhuǎn)化單元產(chǎn)生的高溫還原性氣體進(jìn)入熱解氣化單元，產(chǎn)生熱解氣化產(chǎn)物-初級(jí)氣化氣。該系統(tǒng)也可以增加聚自由基加速反應(yīng)單元。多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，系統(tǒng)還可以是由各個(gè)互相聯(lián) 系的預(yù)處理裝置、熱解氣化單元、碳轉(zhuǎn)化單元、熔融單元、合成氣重整單元、 聚自由基加速反應(yīng)單元組成，每個(gè)單元為互相獨(dú)立的反應(yīng)室，且熱解氣化單元 的熱量來自碳轉(zhuǎn)化單元的還原性高溫氣體產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)完全無氧熱解氣化，碳轉(zhuǎn) 化單元位于熱解氣化單元之后，熔融單元之前；碳轉(zhuǎn)化單元與聚自由基加速反 應(yīng)單元之間通過熱解氣化單元連接，熔融單元連續(xù)性地將殘余灰分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)固化的熔漿排出；聚自由基加速反應(yīng)單元對(duì)熱解氣化產(chǎn)物-初級(jí)氣化氣進(jìn)行深度處 理。本發(fā)明使用聚自由基生物質(zhì)氣化技術(shù)，英文名稱BioCRG Tech， Biomass Concentrated Radical Gasification Technology,將生物質(zhì)或有機(jī)廢棄物熱解氣化過 程中產(chǎn)生的初級(jí)氣化氣用高溫或高能的聚自由基裝置徹底裂解焦油并啟動(dòng)合成 氣化氣的重整反應(yīng)的技術(shù)，包括殘?zhí)己徒褂投紡氐邹D(zhuǎn)化為氣化合成氣，最大化 的增加氫氣H2的含量。氣化合成氣經(jīng)過凈化裝置凈化，成為潔凈的成品氣化合 成氣。聚自由基裝置根據(jù)物料不同有不同的相應(yīng)組合，例如某種或多種自由基 的發(fā)生源，自由基的發(fā)生源包括高溫等離子炬，水蒸汽、氫氣等離子炬，低溫等離子(輝光、電暈、高頻)，氫氧燃燒器，微波等。 利用聚自由基加速反應(yīng)裝置將廣泛的生物質(zhì)、含碳原料轉(zhuǎn)化為高品位能源，是生物質(zhì)再生能源應(yīng)用的上游技術(shù)。氣化合成氣的應(yīng)用十分廣泛，包括①用 作鍋爐的燃料，供熱或者帶蒸汽輪機(jī)發(fā)電；②直接帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)、燃機(jī)或者聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；③分離山來的氫氣，可用作燃料電池的燃料；④作為合成生物質(zhì) 甲醇、乙醇和其他綠色液體燃料的原料；⑤作為化工產(chǎn)品的原料。而且聚自由基生物質(zhì)氣化技術(shù)的高環(huán)保效能也同時(shí)體現(xiàn)出來。在氣體排放方 面，和焚燒使用過量空氣相比，處理同樣多的物料，合成氣體體積小，凈化效 率高，能源利用能夠滿足任何嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，也是一項(xiàng)非焚燒的節(jié)能環(huán)保型 技術(shù)。在固體排放方面，經(jīng)過等離子炬超高溫處理后的完全穩(wěn)固化、玻璃化的 熔渣，滲析率極低，冷卻后的特性和石頭接近，高標(biāo)準(zhǔn)的滿足了資源化利用的 環(huán)境要求和技術(shù)要求。多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，依次包括將廣泛的生物質(zhì)、含碳原料，包括能源作物、農(nóng)林副產(chǎn)品和廢棄物、有機(jī)廢 物、工業(yè)和危險(xiǎn)廢物等，直接送入預(yù)處理裝置。針對(duì)生物質(zhì)物料特性的復(fù)雜性， 如農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品、工業(yè)副產(chǎn)品、生活垃圾、醫(yī)療廢物、危險(xiǎn)廢物；固體、液體類物料等都有專用的預(yù)處理技術(shù)。預(yù)處理裝置采用全封閉設(shè)計(jì)， 一體化的完成物 料切碎、傳送、分揀、除金屬、干燥、除味、防爆、防泄漏等功能，為主氣化 反應(yīng)器的可靠運(yùn)行提供保證，其包括，輸送裝置，上料機(jī)構(gòu)，預(yù)處理裝置上料 密封門和下料密封門。上料密封門，保證沒有濕氣和氣味泄漏，尤其針對(duì)廢棄 物，隨時(shí)處理，與外界大氣不接觸，沒有異味，以方便在任何地方選址。下料 密封門，保證沒有濕氣和空氣泄漏到熱解氣化反應(yīng)器，同時(shí)保證沒有較高溫度 的熱解氣休進(jìn)入預(yù)處理裝置。 預(yù)處理裝置內(nèi)部，主要包括切碎裝置，內(nèi)部傳送裝置和外部熱源，外部熱源包括蒸汽熱源，間接加熱物料；預(yù)熱低溫空氣，直接加熱物料，并輸送空氣 作為載體送出干燥過程中產(chǎn)生的濕氣，進(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元底部；其他外部熱源， 例如微波、電加熱器等。通過外部熱源和傳送裝置速率對(duì)出口氣體的溫度和濕 度進(jìn)行控制。預(yù)處理后分揀過的、切碎的、干燥的物料進(jìn)入通過預(yù)處理裝置出 料密封門進(jìn)入熱解氣化單元。從預(yù)處理裝置干燥過程吸出的濕氣，經(jīng)除塵器除 塵后，被導(dǎo)入碳轉(zhuǎn)化單元底部，用以徹底分解濕氣中的有害成分，中和碳轉(zhuǎn)化 反應(yīng)強(qiáng)度，避免高溫結(jié)塊、熔化或者粘結(jié)，提高碳轉(zhuǎn)化的效率和穩(wěn)定性。預(yù)處理裝置的濕氣導(dǎo)入碳轉(zhuǎn)化單元的系統(tǒng)包括除塵器和濕氣吸風(fēng)機(jī)，濕氣導(dǎo) 入系統(tǒng)分離出的灰分，被送入熔融反應(yīng)器。熱解氣化單元，為移動(dòng)床反應(yīng)器，熱裂解并氣化已經(jīng)預(yù)處理過的并干燥過的物料，熱量來自碳轉(zhuǎn)化單元的還原性高溫氣體產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)完全無氧熱裂解氣化， 避免因有氧環(huán)境下危害的或者穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔锏闹匦潞铣伞峤鈿饣瘑?元的出口的溫度控制保證熱解氣產(chǎn)率、質(zhì)量和穩(wěn)定性。物料移動(dòng)速度和外部熱 源參與反應(yīng)器出口溫度控制，外部熱源包括電加熱、微波或石英加熱管等。熱
解氣化產(chǎn)物.初級(jí)氣化合成氣進(jìn)入聚自由基加速反應(yīng)單元。由于是處理己經(jīng)預(yù)處 理過的并干燥過的物料，物料顆粒相對(duì)均勻，物料濕度小，熱裂解反應(yīng)迅速。 熱解氣化產(chǎn)物.初級(jí)氣化合成氣中的濕氣含量最小，熱值高，初級(jí)氣化氣成分比 較集中，便于聚自由基加速反應(yīng)單元對(duì)其進(jìn)行集屮高強(qiáng)度的深度處理。
物料經(jīng)過熱解氣化單元完成熱裂解工序后，殘?zhí)己蜌堄嗷曳诌M(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單 元，其為固定床或流化床反應(yīng)器，熱量來自預(yù)熱空氣和殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng)，從物 料預(yù)處理裝置的干燥工序?qū)氲臐駳夂腿急M氣參與反應(yīng)器出口溫度控制。其核
心反應(yīng)溫度卯0 1200。C，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，在缺氧還原氣氛下，完成碳轉(zhuǎn)化，灰 分在碳轉(zhuǎn)化單元底部軟化或熔化后，經(jīng)過固液分離裝置進(jìn)入熔融單元；高溫氣 體控制在750 850。C進(jìn)入熱解氣化單元底部，尤以800。C為上選，為熱解氣化 工藝提供熱量。
在熔融單元內(nèi)，連續(xù)性地將灰分熔化成穩(wěn)固化的熔渣排走，灰分不僅來白碳 轉(zhuǎn)化單元，還包括預(yù)處理濕氣中的灰分，聚自由基加速反應(yīng)單元、合成氣重整 單元和氣體凈化系統(tǒng)分離或捕捉的飛灰。熔融單元接受高溫?zé)嵩?，如高溫等離 子或其他高溫?zé)嵩磶淼臒崃?，維持在130(K1600。C，殘余灰分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)固化的 熔漿，經(jīng)過加壓急冷器，噴水急冷，壓力隨熔融單元調(diào)整，液位保持不變，沒 有水汽返回熔融單元。冷卻的熔渣由熔渣輸送設(shè)備送出；高溫氣體經(jīng)過固液分 離裝置進(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元，并為固液分離裝置持續(xù)提供熱量，保證暢通。
生物質(zhì)灰渣經(jīng)過等離子超高溫處理后的完全穩(wěn)固化、玻璃化的熔渣，冷卻后 的特性和石頭接近，滲析率極低，高標(biāo)準(zhǔn)的滿足了資源化利用的環(huán)境要求和技 術(shù)要求?？勺鳛橛猩虡I(yè)價(jià)值的產(chǎn)品，目前氣化灰渣的資源化利用途徑主要有 石油瀝青路面的替代骨料，水泥/混凝土的替代骨料，填埋場(chǎng)覆蓋材料，路堤路 基等的填充材料等。
在聚自由基加速反應(yīng)單元包括反應(yīng)器本體、氣體混合裝置和聚自由基發(fā)生 器，對(duì)熱解氣化產(chǎn)物.初級(jí)氣化合成氣進(jìn)行深度處理。熱解氣化產(chǎn)物.初級(jí)氣化合 成氣在聚自由基加速反應(yīng)單元內(nèi)接觸到大量活性自由基存在的高溫反應(yīng)環(huán)境， 反應(yīng)器體積相對(duì)較小，反應(yīng)溫度大于1200°C，自由基濃度高，專門為焦油成分裂解的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)，在較短時(shí)間內(nèi)集中完成焦油的徹底裂解，并啟動(dòng) 氣化合成氣的重整反應(yīng)。聚自由基發(fā)生器包括不同類型的、能產(chǎn)生自由基的發(fā) 生源，根據(jù)所處理物料的復(fù)雜性，有相應(yīng)不同的組合，例如某種或多種自由基 發(fā)生源，自由基發(fā)生源包括高溫等離子，水蒸汽、氫氣等離子炬，低溫等離 子(輝光、電暈、高頻)，氫氧燃燒器，微波等自由基發(fā)生源。通過聚自由基發(fā) 生器的能量、氫氣或者再循環(huán)的成品合成氣輸入量控制反應(yīng)器出口溫度。
聚自由基裝置需要消耗一定的能量，但是，由于減少了空氣輸入量，氣化產(chǎn) 物一合成氣的熱值提高；聚自由基反應(yīng)器維持高溫需要犧牲少量的氣化氣熱值， 但是氣相反應(yīng)迅速，無需額外的復(fù)雜催化裂解系統(tǒng)，焦油裂解徹底，H2的含量 高；下游能源利用可帶高效燃機(jī)、聯(lián)合循環(huán)甚至燃料電池，不僅能夠補(bǔ)償能量 消耗，還能達(dá)到更高的總體凈發(fā)電效率。由于聚自由基發(fā)生器需要消耗一定的 能量，可以優(yōu)先考慮使用綠色能源產(chǎn)品，如太陽能、風(fēng)能產(chǎn)生的電力或其分解 水產(chǎn)生的氫氣。
合成氣在重整單元內(nèi)完成重整反應(yīng)，合成氣重整單元包括反應(yīng)器本體和氣體
混合裝置。在合成氣重整單元內(nèi)，反應(yīng)器體積相對(duì)較大，反應(yīng)溫度大于iooo°c， 專為合成氣重整的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)，氣體停留時(shí)間較長(zhǎng)，H2和CO比例最 終調(diào)節(jié)適當(dāng)，最大化增加H2的含量。出口有溫度和氣體成分控制裝置，預(yù)熱空 氣和再循環(huán)的成品合成氣參與反應(yīng)器出口溫度和成分控制。高溫合成氣經(jīng)余熱 回收換熱器和凈化處理系統(tǒng)，除塵、清除酸氣和污染物后，成為成品合成氣， 進(jìn)入下游應(yīng)用。
余熱回收換熱器，可將合成氣中的余熱回收，傳導(dǎo)至550~650°C的預(yù)熱空氣， 上選600°C預(yù)熱，送回碳轉(zhuǎn)化單元、熔融單元、聚自由基加速反應(yīng)單元、合成 氣重整單元和余熱鍋爐。
合成氣凈化系統(tǒng)可對(duì)合成氣進(jìn)行凈化，或/和氫氣分離并提純，回收合成氣中 所含的有附加價(jià)值的產(chǎn)品。和焚燒使用過量空氣相比，處理同樣質(zhì)量的物料， 合成氣體體積小的多，凈化效率高。本合成氣凈化系統(tǒng)分離出可回收的純凈水，
合成氣凈化系統(tǒng)分離出有附加值的酸、鹽和硫等，合成氣凈化系統(tǒng)分離出無再 生價(jià)值的產(chǎn)品，可送入熔融單元轉(zhuǎn)化為穩(wěn)固化熔渣排除。
凈化后的合成氣經(jīng)吸風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)氣罐進(jìn)入下游應(yīng)用，包括合成氣燃燒類的能 源利用系統(tǒng)，例如燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或聯(lián)合循環(huán)；合成氣分離出的氫氣的能源 利用，例如，應(yīng)用于氫燃料電池；合成氣應(yīng)用綠色液體燃料類能源生產(chǎn)，例如生產(chǎn)生物質(zhì)甲醇、生物質(zhì)乙醇。部分合成氣產(chǎn)品將再循環(huán)使用，也包括燃盡氣 再循環(huán)使用，H的是提高氣化效率，進(jìn)行氣體組分和溫度控制。
潔凈的成品合成氣進(jìn)行燃燒或者其他能量利用后，排放的氣體可以滿足任何 嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)不需要煙囪，優(yōu)良的環(huán)保效果和效益也進(jìn)一步體現(xiàn)。
本發(fā)明的有益效果為1.氣化反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行設(shè)計(jì)，將氣化各分歩過程預(yù)處 理、熱解氣化、碳轉(zhuǎn)化、灰熔融、焦油清除、合成氣重整、余熱利用分為各個(gè) 相互聯(lián)系的獨(dú)立反應(yīng)單元，逐一精細(xì)控制并整合達(dá)到優(yōu)化，最大化的提高生物 質(zhì)氣化效率；2.運(yùn)用聚自由基加速反應(yīng)裝置徹底裂解焦油，為生物質(zhì)能的高效 和廣泛的應(yīng)用打下基礎(chǔ)，不損失在焦油中的能量，并提高合成氣重整效率，提 高氫氣含量；配合以凈化系統(tǒng)和熔融系統(tǒng)解決污染物排放問題；3.反應(yīng)器整體 設(shè)計(jì)，無須輔助燃料，可實(shí)現(xiàn)快速啟停；4.規(guī)?？纱罂尚。?00kW 20，000kW， 不影響效率；5.應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，可處理廣泛的生物質(zhì)、含碳原料，包括能 源作物、農(nóng)林副產(chǎn)品和廢棄物、有機(jī)廢物、工業(yè)和危險(xiǎn)廢物等；對(duì)濕度大，物 料來源復(fù)雜，或者各類高危和難分解的廢棄物，同樣達(dá)到很高的處理效率；6.資 源化利用程度高，全部是有價(jià)值的產(chǎn)品；7.分布式模塊化結(jié)構(gòu)項(xiàng)目實(shí)施周期短， 方便在任何地方選址，易于大規(guī)模商業(yè)化普及。8.能源利用過程中，固體和氣 體排放能夠滿足任何嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，也是一項(xiàng)非焚燒的環(huán)保型技術(shù)。


圖1為多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)的原理圖。 圖1中，l.輸送裝置，2.上料機(jī)構(gòu)，3.上料密封門，4.預(yù)處理裝置，5.切碎裝 置，6.內(nèi)部傳送裝置，7.蒸汽熱源，8.預(yù)熱低溫空氣，9.其他外部熱源，10.除塵 器，ll.濕氣吸風(fēng)機(jī)，12.下料密封門，13.熱解氣化單元，14.熱解氣化單元出口 密封裝置，15.碳轉(zhuǎn)化單元，16.固液分離裝置，17.熔融單元，18.熔融單元的熱 源裝置，19.高溫?zé)嵩矗?0.加壓急冷器，21.熔渣輸送設(shè)備，22.聚自由基發(fā)生器， 23.聚自由基加速反應(yīng)單元，24、高溫等離子炬，25、氫氧燃燒器，26、低溫等 離子，27.合成氣重整單元，28.余熱回收換熱器，29.送風(fēng)機(jī)，30.余熱鍋爐，31. 合成氣凈化系統(tǒng)，32.合成氣凈化系統(tǒng)分離出的可回收的純凈水，33.合成氣凈化 系統(tǒng)分離出的有附加值的酸、鹽和硫等，34.合成氣凈化系統(tǒng)分離出的無再生價(jià) 值的產(chǎn)品，35.吸風(fēng)機(jī)，36.儲(chǔ)氣罐，37.合成氣燃燒類的能源利用系統(tǒng)，38.應(yīng)用 于燃料電池類能源利用的合成氣分離出的氫氣，39.綠色液體燃料類能源生產(chǎn)的 合成氣，40.再循環(huán)的成品合成氣，41.燃盡氣，42.預(yù)處理濕氣中的灰分，43.氣休凈化系統(tǒng)分離或捕捉的飛灰，44.反應(yīng)器積存排放的飛灰，45.預(yù)處理裝置分揀
的有回收價(jià)值的物料，46.預(yù)熱空氣，47.去熔融單元的預(yù)熱空氣，48.去碳轉(zhuǎn)化單元上部的預(yù)熱空氣，49.去反應(yīng)器的預(yù)熱空氣，50.從物料預(yù)處理裝置的干燥工序?qū)氲臐駳猓?1.外部熱源。
具體實(shí)施方案
以下實(shí)施例中將進(jìn)一歩說明本發(fā)明，但對(duì)本發(fā)明不構(gòu)成限制。實(shí)施例一
多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)可將廣泛的生物質(zhì)、含碳原料，其中包括能源作物、農(nóng)林副產(chǎn)品和廢棄物、有機(jī)廢物、工業(yè)和危險(xiǎn)廢物等，轉(zhuǎn)化為高品位能源。
對(duì)于普通特性的固體物料，如薪柴、秸稈或者城市固體廢棄物，正常工序?qū)⒐腆w物料直接送入預(yù)處理裝置4，經(jīng)預(yù)處理裝置4處理后進(jìn)入熱解氣化單元13完成熱裂解和氣化，殘?zhí)荚谔嫁D(zhuǎn)化單元15完全氣化，灰分進(jìn)入熔融單元17完全熔化為熔漿，經(jīng)過加壓急冷器20，最后以穩(wěn)固化的熔渣的形式排除。產(chǎn)生的氣體經(jīng)過熔融單元17、碳轉(zhuǎn)化單元15、熱解氣化單元13、聚自由基加速反應(yīng)單元23、合成氣重整單元27生成氣化合成氣，經(jīng)余熱回收，氣體凈化，生成成品氣化合成氣，進(jìn)入下游應(yīng)用。
對(duì)于其他特性的物料，可以采用不同的處理過程，選擇不同的入口。例如，處理廢塑料，熱值高、濕度低、酸性大，可以直接送入熱解氣化單元13;處理含碳高的干燥物料，如石化副產(chǎn)品、垃圾焚燒底灰，可直接送入碳轉(zhuǎn)化單元15;處理危險(xiǎn)廢棄物，如POPs， Persistent Organic Pollutants,(持久性有機(jī)污染物，具有環(huán)境持久性、生物累積性、長(zhǎng)距離遷移能力和高生物毒性的特殊污染物)，可直接送入熔融單元17;處理灰分很低的液體廢棄物，如廢機(jī)油，可直接送入聚自由基加速反應(yīng)單元23。
實(shí)施例二
本實(shí)施例來自一個(gè)5MW生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)料量~100噸/大，用空氣為工作氣體，將熱值為13 16MJ/kg，濕度為35% 45%的物料來源成分復(fù)雜的生物質(zhì)原料氣化并凈化，供給7臺(tái)750kW的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。
物料將在全封閉設(shè)計(jì)的預(yù)處理裝置4內(nèi)，完成T燥工序，直到物料的濕度<5%，送入熱解氣化單元13。干燥工序蒸發(fā)的濕氣被吸出后，經(jīng)過除塵器10除塵后，進(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元15底部。干燥過程使用的外部熱源主要為在下游能量利 用過程中產(chǎn)生的低溫余熱，包括蒸汽熱源7， 150 180°C，間接加熱物料；預(yù)
熱低溫空氣8， 80 105°C，流量1300kg/h左右，直接加熱物料，并輸送空氣作 為載體送出干燥過程中產(chǎn)生的濕氣，進(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元15底部。這部分低溫余熱 難以有效利用，應(yīng)用到這里不僅可以節(jié)約能量，而且可以提高氣化效率和氣化 氣品質(zhì)。原因是這些物料中的濕氣在啟動(dòng)熱解工序(〉200。C)前需要消耗多余的 用于濕氣蒸發(fā)的能量，需輸入額外的空氣參與反應(yīng)，犧牲了一部分氣化合成氣 熱值，大約占物料總輸入能量的8%;這些蒸發(fā)后的水汽在熱解氣化的產(chǎn)物氣中 的含量約30%，嚴(yán)重的降低了焦油裂解和合成氣重整的效率；在碳轉(zhuǎn)化單元， 為防止避免高溫結(jié)塊、熔化或者粘結(jié)，需額外輸入約600kg/h的水汽，輸入更多 的額外的空氣參與反應(yīng)，犧牲更多的合成氣的熱值。而在氣化之前利用系統(tǒng)中 已有的余熱提前千燥物料，可以避免上述問題。更重要的是，聚自由基牛物質(zhì) 氣化技術(shù)的核心，徹底裂解焦油，需要提高反應(yīng)能量等級(jí)，需要最小化的水汽， 以獲得最大化的聚自由基加速反應(yīng)速率。
如果不導(dǎo)入濕氣到碳轉(zhuǎn)化單元15,殘?zhí)挤磻?yīng)較快，釋放大量熱量，物料很容 易軟化或者熔化，難以進(jìn)一步反應(yīng)，碳轉(zhuǎn)化效率低。碳轉(zhuǎn)化單元15的還原性高 溫氣體產(chǎn)物，用于熱解氣化單元13的無氧化熱解，要求碳轉(zhuǎn)化單元15在缺氧 環(huán)境下進(jìn)行，不能因?yàn)闇囟瓤刂铺岣哌^氧系數(shù)。將預(yù)處理過程中吸出的濕氣導(dǎo) 入碳轉(zhuǎn)化單元15，用以徹底分解濕氣中的有害成分，中和碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)強(qiáng)度，避 免高溫結(jié)塊、熔化或者粘結(jié)，提高碳轉(zhuǎn)化的效率和穩(wěn)定性。不僅減少了輸入額 外約600kg/h的水汽，而且減少了輸入額外約450kg/h的空氣量，保證了最佳氣 化效率和合成氣品質(zhì)。碳轉(zhuǎn)化單元(15)為固定床反應(yīng)器，直徑在lm左右，高度 在6m左右。碳轉(zhuǎn)化單元15中心反應(yīng)溫度900 1100。C，熱量來自預(yù)熱空氣(46) 和殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng)，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，保證碳轉(zhuǎn)化效率100%。在碳轉(zhuǎn)化單元15 頂部，有溫度控制和氧量監(jiān)測(cè)，在缺氧還原氣氛下，干燥過程中導(dǎo)入的濕氣在 高溫下和碳反應(yīng)，主要?dú)怏w成分為CO和H2。在碳轉(zhuǎn)化單元15底部，完成碳轉(zhuǎn) 化的灰分接觸到從熔融單元17出口的1300~1600°C的高溫氣體后，灰分開始軟 化或熔化，經(jīng)過固液分離裝置16進(jìn)入熔融單元17。
熱解氣化單元13，為移動(dòng)床反應(yīng)器，床層高度小于0.9m，熱裂解并氣化已 經(jīng)預(yù)處理過的并干燥過的物料，物料顆粒相對(duì)均勻，物料的濕度小于5%，熱裂 解反應(yīng)迅速，反應(yīng)時(shí)間小于15分鐘。熱解氣化需要消耗能量，熱量來自碳轉(zhuǎn)化單元15的還原性高溫氣體產(chǎn)物，溫度在600 000。C。實(shí)現(xiàn)完全無氧熱裂解氣化，避免因有氧環(huán)境下危害的或者穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔锏闹匦潞铣伞峤鈿饣瘑卧?3的出口的溫度根據(jù)物料不同，控制在400 750。C，保證熱解氣產(chǎn)率、質(zhì)量和穩(wěn)定性。物料移動(dòng)速度和外部熱源51參與反應(yīng)器出口溫度控制。熱解氣化產(chǎn)物-初級(jí)氣化合成氣進(jìn)入聚自由基加速反應(yīng)單元23。熱解氣化產(chǎn)物.初級(jí)氣化合成氣中的濕氣含量最小，低于<5°/ ，熱值高，平均〉20MJ/Nm3，初級(jí)氣化氣成分比較集中，便于聚自由基加速反應(yīng)單元23對(duì)其進(jìn)行集中高強(qiáng)度的深度處理。物料經(jīng)過熱解氣化單元(13)完成熱裂解工序后，殘?zhí)己蜌堄嗷曳诌M(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元(15)，殘?zhí)己蜌堄嗷曳值馁|(zhì)量含量分別為30%和62%左右。
在熔融單元17內(nèi)，連續(xù)性地將灰分熔化成的穩(wěn)固化的熔渣排走，灰分主要來自碳轉(zhuǎn)化單元15，大約520kg/h，還包括預(yù)處理濕氣中的灰分42，聚自由基加速反應(yīng)單元23、合成氣重整單元27和氣體凈化系統(tǒng)分離或捕捉的飛灰43，總量低于80kg/h。最終排出的熔渣約是進(jìn)料體積的1/125。熔融單元17 -般工作在微正壓，這里使用高溫等離子炬作高溫?zé)嵩?，輸入功?00 400kW，維持在1300 1600°C之間，在此高溫下，殘余灰分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)固化的熔漿，經(jīng)過加壓急冷器20，噴水急冷，水量約為20噸/小時(shí)，循環(huán)使用。加壓急冷器20的工作壓力隨熔融單元17調(diào)整，減少液位高度，液位保持不變。沒有水汽返回熔融單元17。冷卻的熔渣由熔渣輸送設(shè)備21送出；高溫氣體經(jīng)過固液分離裝置16進(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元15，為微過氧狀態(tài)，并為同液分離裝置16持續(xù)提供熱量，保證暢通。
在聚自由基加速反應(yīng)單元23對(duì)熱解氣化產(chǎn)物.初級(jí)氣化合成氣進(jìn)行深度處理。聚自由基發(fā)生器22這里使用高溫等離子炬(100 800kW)和氫氧燃燒器(100 600kW)兩種自由基發(fā)生源的組合，氫氧燃燒器的氫氣主要來自本系統(tǒng)成品合成氣分離出來的氫氣。高溫等離子炬的核心工作溫度可達(dá)6，000 10,000。C，氫氧燃燒器的核心工作溫度也可達(dá)2,000°C以上，并提供大量的自由基到反應(yīng)器內(nèi)。熱解氣化產(chǎn)物.初級(jí)氣化合成氣在聚自由基加速反應(yīng)單元23內(nèi)接觸到預(yù)熱空氣和大量活性自由基存在的高溫反應(yīng)環(huán)境，迅速升溫至M200。C反應(yīng)溫度。聚自由基加速反應(yīng)器(23)克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，專門為焦油成分裂解的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)，體積相對(duì)較小，能量集中，自由基濃度高，反應(yīng)迅速，在較短時(shí)間內(nèi)集中完成焦油的徹底裂解，并啟動(dòng)氣化合成氣的重整反應(yīng)。通過高溫等離子炬的能量、再循環(huán)的成品合成氣40輸入量控制反應(yīng)器出口溫度，始終大于1200°C。高溫等離子炬需要消耗一定的能量，包括在聚自由基加速反應(yīng)單元23和熔
融單元17,總共運(yùn)行功率約為700kW。但是，由于減少了空氣輸入量 600kg/h， 氣化產(chǎn)物一合成氣的熱值提高，從3.9MJ/Nm3提高到4.3MJ/Nm3;維持聚自由基 反應(yīng)器高溫需要犧牲少量的氣化氣熱值，但是氣相反應(yīng)迅速，H2的含量高〉19M， CO>17%， CH4<800ppm，無需額外的復(fù)雜催化裂解系統(tǒng)，焦油裂解徹底，測(cè)試 <25mg/Nm3，經(jīng)凈化系統(tǒng)后可降至〈9mg/Nm、可適用于任何高效能的下游能源 利用，例如，B」'帶高效內(nèi)燃機(jī)(發(fā)電效率>38%)、聯(lián)合循環(huán)(發(fā)電效率>50%) 甚至燃料電池(發(fā)電效率>65%)，都遠(yuǎn)高于常規(guī)氣化發(fā)電燃燒帶動(dòng)鍋爐.汽輪機(jī) 發(fā)電方式(發(fā)電效率約20%)，不僅能夠補(bǔ)償能量消耗，還能達(dá)到更高的總體凈 發(fā)電效率。聯(lián)合循環(huán)凈發(fā)電效率為30%，高于使用常規(guī)氣化技術(shù)的同等規(guī)模機(jī) 組的凈發(fā)電效率， 一般在20%左右。
從合成氣重整反應(yīng)單元23出口的高溫合成氣， 10,000Nm3/h，溫度大于 1000°C，經(jīng)過余熱回收換熱器28回收余熱，冷卻到約200。C，進(jìn)入合成氣凈化 系統(tǒng)31。合成氣凈化系統(tǒng)31約分離山的可回收的純凈水1000kg/h，同時(shí)分離出 的有附加值的鹽23kg/h和硫4.55kg/h等，生產(chǎn)出成品氣化合成氣 9,000kg/h。氣 化合成氣帶動(dòng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電后，燃盡氣體排放HCK2mg/Nm3， S02<4mg/Nm3， Hg<0.5ug/Nm3 ，歐盟氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，以上三項(xiàng)的限值為 10mg/Nm3、 50mg/Nn^和50ug/Nm3。優(yōu)良的環(huán)保效果也隨著高效的氣化技術(shù)體 現(xiàn)出來。
實(shí)施例三
本發(fā)明配備高級(jí)氣化控制系統(tǒng)，對(duì)氣化各分歩過程，各個(gè)互相聯(lián)系的獨(dú)立反 應(yīng)單元預(yù)處理、熱解、碳轉(zhuǎn)化、灰熔融、聚自由基加速反應(yīng)、合成氣重整、 余熱利用，逐一精細(xì)控制并整合達(dá)到優(yōu)化。針對(duì)生物質(zhì)物料特性的復(fù)雜性，控 制系統(tǒng)能夠根據(jù)物料特性和實(shí)際工況自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。同時(shí)運(yùn)行的還包括氣 化過程模擬器，擁有龐大的數(shù)以萬計(jì)的各種類型的原料和相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù) 庫(kù)。此模擬器的獨(dú)特性能、預(yù)測(cè)功能與控制系統(tǒng)配合使用，?？梢詫?shí)現(xiàn)更高級(jí)、 更精細(xì)、更全面的控制。
主要?dú)饣^程控制點(diǎn)依次包括預(yù)處理裝置4出口氣體的溫度和濕度控制； 熱解氣化單元13的出U的溫度控制；碳轉(zhuǎn)化單元15出口溫度、氣體成分和底 部溫度、氧量控制；熔融單元17運(yùn)行溫度控制；聚自由基加速反應(yīng)單元23反 應(yīng)溫度控制和合成氣重整單元27反應(yīng)溫度、出口氣體成分控制。主要?dú)饣^程控制歩驟互相關(guān)聯(lián)成一個(gè)優(yōu)化的整體，包括通過預(yù)處理控制物料干度，并將濕氣導(dǎo)入碳轉(zhuǎn)化單元15控制碳轉(zhuǎn)化效率、速率和溫度，通過物料干度、碳轉(zhuǎn)化氣體溫度和熱解氣化單元13出口溫度控制熱解初級(jí)氣化氣品質(zhì)，
通過聚自由基加速反應(yīng)單元23和合成氣重整單元27出口溫度控制來獲得優(yōu)化
的氣體產(chǎn)率和成分等。
這些控制和其他相關(guān)控制，如壓力、物料位置、風(fēng)量、電量、液位以及高級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，完成整合達(dá)到優(yōu)化，最大化的提高整體生物質(zhì)氣化效率和資源化利用率。
權(quán)利要求
1. 一種多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，其包括熱解氣化單元(13)、聚自由基加速反應(yīng)單元(23)、合成氣重整單元(27)三個(gè)連續(xù)的單元，其特征在于每個(gè)單元為互相獨(dú)立的反應(yīng)室，有氣體通道連接，聚自由基加速反應(yīng)單元(23)位于熱解氣化單元(13)之后，合成氣重整單元(27)之前，聚自由基加速反應(yīng)單元(23)對(duì)熱解氣化產(chǎn)物-初級(jí)氣化氣進(jìn)行深度處理，初級(jí)氣化氣在此接觸到大量活性自由基存在的高溫反應(yīng)環(huán)境，其功能包括徹底裂解焦油和啟動(dòng)合成氣重整反應(yīng)，氣化氣隨后在重整單元(27)完成重整反應(yīng)。
2. —種多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，其包括預(yù)處理單元(4)、熱解氣化單元(13)、碳轉(zhuǎn)化單元(15)、熔融單元(17)四個(gè)連續(xù)的單元，其特征在于每個(gè)單元為互相獨(dú)立的反應(yīng)室，有固體傳送通道連接，物料直接送入預(yù)處理裝置(4)，預(yù)處理千燥過程吸出的濕氣被導(dǎo)入碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)單元(15)參與碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)；熱解氣化單元(13)熱裂解并氣化已經(jīng)預(yù)處理過的并干燥的物料；物料完成熱解工序后，殘?zhí)己蜌埢曳诌M(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元(15);熔融單元(17)連續(xù)性地將殘余灰分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)固化的熔漿排出；熔融單元(17)的高溫氣體進(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元(15)，碳轉(zhuǎn)化單元(15)產(chǎn)生的高溫氣體進(jìn)入熱解氣化單元(13)。
3. —種多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，其包括各個(gè)互相聯(lián)系的預(yù)處理裝置(4)、熱解氣化單元(13)、碳轉(zhuǎn)化單元(15)、熔融單元(17)、聚自由基加速反應(yīng)單元(23)，合成氣重整單元(27)，其特征在于每個(gè)單元為互相獨(dú)立的反應(yīng)室，預(yù)處理裝置(4)與無氧的熱解氣化單元(13)相互獨(dú)立；聚自由基加速反應(yīng)單元(23)，其位置位于熱解氣化單元(13)之后，合成氣重整單元(27)之前；碳轉(zhuǎn)化單元(15)位于熱解氣化單元(13)之后，熔融單元(17)之前；碳轉(zhuǎn)化單元(15)與聚自由基加速反應(yīng)單元(23)之間通過熱解氣化單元(13)連接，預(yù)處理裝置(4)十燥過程中導(dǎo)出的濕氣進(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元(15);熔融單元(17)連續(xù)性地將殘余灰分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)固化的熔漿排出；碳轉(zhuǎn)化單元(15)產(chǎn)生的高溫氣體進(jìn)入熱解氣化單元(13);聚自由基加速反應(yīng)單元(23)對(duì)熱解氣化產(chǎn)物-初級(jí)氣化氣進(jìn)行深度處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3中所述的多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，其包括聚自由基加速反應(yīng)單元(23)，聚自由基加速反應(yīng)單元(23)包括反應(yīng)器本體、氣體混合裝置和聚自由基發(fā)生器(22)，聚自由基發(fā)生器(22)包括不同類型的能產(chǎn)生自由基的發(fā)生源，根據(jù)所處理物料的特性的不同，自由基發(fā)生源使用相應(yīng)不同組合，例如某種或多種fi由基發(fā)生源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3中所述的多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，其預(yù)處理裝置(4)，采用全封閉一體化進(jìn)行顆粒粉碎、傳送、分揀、除金屬、干燥、除味、防爆、防泄漏處理等。包括輸送裝置(l)，上料機(jī)構(gòu)(2)，預(yù)處理裝置上料密封門(3)和下料密封門(12)，預(yù)處理裝置(4)內(nèi)部主要包括切碎裝置(5)，內(nèi)部傳送裝置(6)，外部熱源為間接加熱物料的蒸汽熱源(7)、直接加熱物料的預(yù)熱低溫空氣(8)、以及其他外部熱源(9)，通過外部熱源和傳送裝置速率對(duì)出口氣體的溫度和濕度進(jìn)行控帝lj，預(yù)處理后的物料通過預(yù)處理裝置下料密封門(12)進(jìn)入熱解氣化單元(13)，從物料預(yù)處理裝置的干燥工序?qū)氲臐駳?50)，經(jīng)除塵器(IO)除塵后，被導(dǎo)入碳轉(zhuǎn)化單元(15)底部，濕氣導(dǎo)入系統(tǒng)分離出的預(yù)處理濕氣中的灰分(42)，被送入熔融單元(17)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3中所述的多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，其包括熱解氣化單元(13)，熱裂解并氣化已經(jīng)預(yù)處理過的并干燥的物料，熱量來自碳轉(zhuǎn)化單元(15)的還原性高溫氣體產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)完全無氧熱解氣化，通過物料移動(dòng)速度和外部熱源(51)來控制反應(yīng)單元出口溫度，外部熱源(51)包括電加熱或微波加熱等。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2或3中所述的多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，其包括碳轉(zhuǎn)化單元(15)，物料完成熱解工序后，殘?zhí)己蜌埢曳诌M(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元(15)，熱量來自預(yù)熱空氣(46)和殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng)，用物料預(yù)處理裝置(4)的物料預(yù)處理裝置的干燥工序?qū)氲臐駳?50)和燃盡氣(41)來控制反應(yīng)單元出口溫度和氣體成分，在完全還原氣氛下，完成殘?zhí)嫉臍饣D(zhuǎn)化，灰分軟化或熔化后，直接流入連接的熔融單元(17)，氣化的高溫氣體進(jìn)入熱解氣化單元(13)底部，為熱解工藝提供熱量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2或3中所述的多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，其包括熔融單元(17)，熔融單元(17)接受高溫?zé)嵩?19)，如高溫等離子或其他燃燒器帶來的熱量，連續(xù)性地將殘余灰分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)同化的熔漿，經(jīng)過加壓急冷器(20)排出，高溫氣體經(jīng)過固液分離裝置(16)進(jìn)入碳轉(zhuǎn)化單元(15)，并為固液分離裝置(16)持續(xù)提供熱量，保證暢通。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2或3或7中所述的多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，在其熔融單元(17)內(nèi)，連續(xù)性地將灰分熔化成穩(wěn)固化的熔漿排走，灰分不僅來自碳轉(zhuǎn)化單元(15)，還包括預(yù)處理裝置(4)導(dǎo)入碳轉(zhuǎn)化單元(15)的預(yù)處理濕氣中的灰分(42)，聚自由基加速反應(yīng)器(23)，合成氣重整單元(27)和氣體凈化系統(tǒng)分離和捕捉的飛灰(43)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或3或4中所述的多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，在聚自由基加速反應(yīng)單元(23)內(nèi)，通過聚自由基發(fā)生器(22)的能量、氫氣(25)、預(yù)熱空氣(49)或者再循環(huán)的成品合成氣(40)輸入量來控制反應(yīng)單元出口溫度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1或3中所述的多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，在合成氣重整單元(27)內(nèi)完成氣化合成氣的重整反應(yīng)，其包括反應(yīng)器本體和氣體混合裝置，用預(yù)熱空氣(49)和再循環(huán)的成品合成氣(40)來控制反應(yīng)單元出口溫度和氣體成分，高溫合成氣經(jīng)余熱回收換熱器(28)和合成氣凈化系統(tǒng)(31)，除塵、清除酸氣和污染物后，成為成品合成氣。
12. 如權(quán)利要求11所述的一種多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，其特征在于余熱回收換熱器(28)將合成氣中的余熱回收，傳導(dǎo)至550 650° C的預(yù)熱空氣，送回碳轉(zhuǎn)化單元(15)、熔融單元(17)、聚自由基加速反應(yīng)單元(23)、合成氣重整單元(27)和余熱鍋爐(30)，凈化后的合成氣經(jīng)吸風(fēng)機(jī)(35)和儲(chǔ)氣罐(36)進(jìn)入下游應(yīng)用。
全文摘要
一種多級(jí)控制聚自由基生物質(zhì)氣化再生能源系統(tǒng)，能將廣泛的生物質(zhì)、含碳原料，包括能源作物、農(nóng)林副產(chǎn)品、有機(jī)廢物、工業(yè)和危險(xiǎn)廢物等轉(zhuǎn)化為高品位能源。該系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行設(shè)計(jì)，將氣化各分步過程預(yù)處理、熱解、碳轉(zhuǎn)化、灰熔融、焦油裂解、合成氣重整、余熱利用逐一精細(xì)控制并整合達(dá)到優(yōu)化；物料經(jīng)預(yù)處理后的濕氣被導(dǎo)入碳轉(zhuǎn)化單元，實(shí)現(xiàn)無氧熱解；氣化氣在聚自由基加速反應(yīng)單元接觸大量活性自由基；經(jīng)凈化，進(jìn)入下游應(yīng)用，如發(fā)電、制氫和制生物質(zhì)甲醇乙醇。系統(tǒng)無需輔助燃料，最大化氣化效率，徹底裂解焦油和清除污染物，是生物質(zhì)再生能源應(yīng)用的上游技術(shù)。能源利用滿足任何嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，也是一項(xiàng)非焚燒無害化處理的節(jié)能環(huán)保型技術(shù)。
文檔編號(hào)C10B53/02GK101519604SQ20091001028
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月24日
發(fā)明者劉興業(yè) 申請(qǐng)人:劉興業(yè)