專利名稱：一種微波等離子生物質(zhì)氣流床氣化爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型主要針對(duì)采用生物質(zhì)燃料為原料的氣化工藝領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是ー種微波等離子氣流床エ藝來(lái)達(dá)到高效利用生物質(zhì)燃料制取高品質(zhì)合成氣的氣化爐。
技術(shù)背景 目前，在生物質(zhì)能源利用エ藝中，生物質(zhì)氣化技術(shù)因?qū)ι镔|(zhì)種類的適應(yīng)性更寬，且產(chǎn)品擴(kuò)展性更強(qiáng)，因而發(fā)展?jié)摿薮?。生物質(zhì)氣化工藝大致存在固定床、流化床、氣流床這三種エ藝，生物質(zhì)固定床エ藝主要存在氣化溫度低，焦油含量大，合成氣品質(zhì)低等問(wèn)題；流化床氣化工藝中雖床溫均勻，給料及排渣容易，但是由于需要確保穩(wěn)定流化，爐內(nèi)溫度不易過(guò)高，導(dǎo)致焦油含量較高。合成氣中含有焦油，則凈化工藝需要花費(fèi)較大代價(jià)來(lái)處理，且焦油不易去除，焦油富集能堵塞閥門、管道及設(shè)備，并對(duì)其產(chǎn)生腐蝕，因而危害性極大。而氣流床中氣化反應(yīng)溫度高，爐溫均勻，氣化效率高，焦油在爐內(nèi)能完全裂解，后續(xù)エ藝處理簡(jiǎn)單，且氣流床具有較好的放大性，適合エ業(yè)化規(guī)模利用，但是現(xiàn)行的氣流床エ藝對(duì)原料給料粒徑要求較高，一般均要求小于0. 1mm，特別是燃煤氣化工藝甚至要求更低，而生物質(zhì)這類纖維素含量較多的原料無(wú)法破碎到氣流床所需要的較小粒徑，且破碎粒徑越小，破碎機(jī)磨損越厲害，電耗也越高；而較大粒徑則會(huì)導(dǎo)致氣流床エ藝中碳轉(zhuǎn)化率降低，冷煤氣效率降低，這樣限制了常規(guī)氣流床エ藝在生物質(zhì)燃料方面的利用與發(fā)展。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種高效的微波等離子生物質(zhì)氣流床氣化爐，解決上述生物質(zhì)制取合成氣中存在的一系列問(wèn)題，為生物質(zhì)燃料制取合成氣，特別是CO和H2的合成氣提供一種經(jīng)濟(jì)、高效、可行的エ業(yè)化設(shè)備。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題，采取的技術(shù)方案如下微波等離子生物質(zhì)氣流床氣化爐，包括豎直設(shè)置的爐體、由燒嘴構(gòu)成的設(shè)置在爐體下部的燃料進(jìn)ロ、爐體頂部的合成氣出ロ、爐體底部的排渣ロ，爐體外還設(shè)置燃料預(yù)處理系統(tǒng)，包括燃料破碎裝置、位于燃料破碎裝置下游的篩分裝置、篩分裝置下游并列設(shè)置的粒徑合格燃料倉(cāng)和粒徑不合格燃料倉(cāng)、以及粒徑合格燃料倉(cāng)下游設(shè)置的爐前倉(cāng)，爐前倉(cāng)的底部通過(guò)燒嘴與爐體相連；氣化爐頂部合成氣出ロ布置有合成氣監(jiān)測(cè)単元；燒嘴沿爐體徑向布置，數(shù)量為2 4個(gè)；其特征在干，在爐體的氣化反應(yīng)區(qū)上下布置I 2層微波等離子發(fā)生器，每層微波等離子發(fā)生器布置2 4個(gè)工作氣體接入ロ。微波等離子發(fā)生器采用水平/切向布置方式，以增加含碳生物質(zhì)熔融顆粒在等離子體氛圍內(nèi)的行程及停留時(shí)間。微波等離子發(fā)生器采用電極間距大、等離子體活性強(qiáng)、體積范圍廣的等離子發(fā)生器。微波等離子發(fā)生器微波功率源主頻2. 45GHz，單臺(tái)功率約200kW以內(nèi)。采用上述氣化爐進(jìn)行生物質(zhì)氣流床氣化的エ藝主要包括如下步驟[0010]I)生物質(zhì)燃料先經(jīng)過(guò)燃料預(yù)處理系統(tǒng)破碎、篩分后得到粒徑合格的生物質(zhì)燃料粉粒，并送入爐前倉(cāng)備用；2)微波等離子工作氣體從入口進(jìn)入等離子發(fā)生器中，激勵(lì)成高溫、高電離度、高活性的等離子體而噴入氣化爐中；3)生物質(zhì)燃料粉粒通過(guò)燒嘴噴入氣化爐中，同時(shí)將氧化劑從氧氣/蒸汽入口送入系統(tǒng)，與生物質(zhì)燃料同時(shí)噴入氣化爐內(nèi)，生物質(zhì)燃料粉粒在爐內(nèi)高活性的等離子體氛圍中進(jìn)行高溫快速熱化學(xué)反應(yīng)，生成含大量CO、H2的合成氣；4)對(duì)合成氣溫度、成份進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整氧氣流量、蒸汽流量及微波功率，維持氣化工藝參數(shù)在控制范圍內(nèi)；合成氣出口溫度900°C 1200°C ;最終高溫合成氣從頂部合成氣出口引出，同時(shí)液態(tài)渣由排渣ロ排出。步驟I)中，按設(shè)定粒徑分離出滿足設(shè)定粒徑尺寸的燃料進(jìn)入合格燃料倉(cāng)，粒徑過(guò)大燃料則進(jìn)入粒徑不合格燃料倉(cāng)，而粒徑不合格燃料倉(cāng)中燃料將被返回送入燃料破碎裝置中繼續(xù)破碎至較小粒徑，直至合格；經(jīng)破碎、篩分后滿足設(shè)定粒徑尺寸的生物質(zhì)燃料顆粒由合格燃料倉(cāng)輸送至氣化爐爐前倉(cāng)備用；生物質(zhì)燃料粉粒的粒徑為0 5_。步驟2)中，氣化爐燒嘴投運(yùn)前2 3秒即開啟微波等離子發(fā)生器，部分氧化劑形式的微波等離子工作氣體通過(guò)微波等離子工作氣體入口進(jìn)入微波等離子發(fā)生器，隨后被激勵(lì)成高溫、高電離度、高活性的等離子氣體噴入氣化爐。步驟3)中，生物質(zhì)燃料粉粒通過(guò)載氣由氣化爐噴嘴噴入氣化爐內(nèi)；氧化劑通過(guò)氧氣/蒸汽入口進(jìn)入系統(tǒng)，與生物質(zhì)燃料同時(shí)噴入氣化爐內(nèi)，由于采用高溫氣化工藝，燃料瞬間著火在爐內(nèi)進(jìn)行劇烈的部分氧化還原反應(yīng)，生物質(zhì)燃料在高溫缺氧環(huán)境下，生成含大量CO、H2和少部分C02、CH4, H2S, COS成分的合成氣；合成氣上行至等離子體反應(yīng)區(qū)也即氣化反應(yīng)區(qū)，與水平/切向噴入的高溫、高電離度、高活性的等離子氣體混合，并進(jìn)行高效氣相反應(yīng)，高溫?zé)峄瘜W(xué)氣化反應(yīng)區(qū)溫度為1200°C 1800°C，中心區(qū)溫度為1800°C 2000°C，合成氣在氣化反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間設(shè)定為I 10秒，同時(shí)控制微波等離子功率，促進(jìn)反應(yīng)充分進(jìn)行。步驟4)中，合成氣產(chǎn)物中有效成分CO和H2體積含量高達(dá)85%以上，且合成氣中無(wú)焦油、酚類物質(zhì)；生物質(zhì)液態(tài)渣由氣化爐底部排渣ロ排出爐外，激冷后能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)公害處理，同時(shí)也是良好的保溫建筑材料。步驟2)和3)中，微波等離子工作氣體和載氣為空氣和/或氧氣和/或蒸汽；蒸汽來(lái)源于對(duì)自身高溫合成氣顯熱的回收。在本エ藝氣化反應(yīng)區(qū)布置有微波等離子發(fā)生器，微波等離子發(fā)生器是通過(guò)微波激發(fā)工作氣體產(chǎn)生穩(wěn)定開放的等離子體的設(shè)備，激發(fā)的富含氧化劑的微波等離子體具有溫度高、電離度高、分散度大，活性強(qiáng)的特點(diǎn)，當(dāng)在氣流床氧化還原區(qū)中噴入適量微波等離子體工作氣體時(shí)，在高溫高活性的等離子體的作用下，一方面能提高反應(yīng)區(qū)溫度，促進(jìn)化學(xué)反 應(yīng)；另一方面由于等離子活性高、反應(yīng)強(qiáng)，能極大提高氣相合成氣與固相/液相生物質(zhì)顆粒間的化學(xué)反應(yīng)，加快了傳熱傳質(zhì)的速率，使得燃料化學(xué)反應(yīng)時(shí)間縮短，在相同停留時(shí)間基礎(chǔ)上，提高了燃料轉(zhuǎn)化率，同時(shí)由于生物質(zhì)燃料相對(duì)煤而言具有孔隙大、活性高、熔點(diǎn)低的特點(diǎn)，因而在高溫高電離度的等離子體反應(yīng)氣氛中，生物質(zhì)燃料粒徑能采用明顯高于常規(guī)氣流床所需燃料粒徑，且最終能達(dá)到理想效果。[0021]再次，微波等離子發(fā)生器不僅能為反應(yīng)提供一部分氧化劑，提高反應(yīng)物供給的平衡性與均勻性，而且微波等離子也同時(shí)輸入了一定量的熱功率，提供了一部分外熱源，増加了氣化爐運(yùn)行的一種調(diào)節(jié)手段。本實(shí)用新型的有益效果是I.采用微波等離子氣流床高溫エ藝，結(jié)合生物質(zhì)燃料自身具有的高活性的特點(diǎn)，在爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)約99%，冷煤氣效率85%以上，CO和H2有效成分含量高。 2.采用微波等離子高溫氣流床エ藝合成氣中無(wú)焦油、無(wú)酚類物質(zhì)，后續(xù)利用エ藝簡(jiǎn)單。3.對(duì)生物質(zhì)燃料粒徑適應(yīng)范圍廣，無(wú)需過(guò)分破碎，經(jīng)濟(jì)性好；且通過(guò)微波等離子氣流床能實(shí)現(xiàn)將生物質(zhì)顆粒在氣流床中氣化，解決了常規(guī)氣流床氣化工藝中需采用粒徑小的生物質(zhì)燃料帶來(lái)的難度大、經(jīng)濟(jì)性差的難題。4.給料、排渣容易，氣化強(qiáng)度大，大型化容易。


以下結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型。圖I為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例的微波等離子生物質(zhì)氣流床氣化爐及エ藝流程示意圖；圖2為圖I的A-A視圖。其中燃料破碎裝置I ;篩分裝置2 ;粒徑合格燃料倉(cāng)3 ;粒徑不合格燃料倉(cāng)4 ;爐前倉(cāng)5 ;燒嘴6 ;微波等離子發(fā)生器7 ;氣化爐8，合成氣出ロ 9 ;排渣ロ 10 ;微波等離子工作氣體入口 11 ;監(jiān)測(cè)單元12 ;氧氣/蒸汽入口 13。
具體實(shí)施方式
如圖I和2所示的微波等離子生物質(zhì)氣流床氣化爐8，包括豎直設(shè)置的圓柱狀爐體、由燒嘴6構(gòu)成的設(shè)置在爐體下部的燃料進(jìn)ロ、爐體頂部的合成氣出口 9、爐體底部的排渣ロ 10，爐體外還設(shè)置燃料預(yù)處理系統(tǒng)，包括燃料破碎裝置I、位于燃料破碎裝置I下游的篩分裝置2、篩分裝置2下游并列設(shè)置的粒徑合格燃料倉(cāng)3和粒徑不合格燃料倉(cāng)4、以及粒徑合格燃料倉(cāng)3下游設(shè)置的爐前倉(cāng)5，爐前倉(cāng)5的底部通燒嘴6與爐體相連；其特征在干，在爐體的氣化反應(yīng)區(qū)上下布置I 2層微波等離子發(fā)生器7，以增大等離子反應(yīng)區(qū)范圍，每層微波等離子發(fā)生器布置2 4個(gè)工作氣體接入口 11 (如圖2所示為3個(gè))。氣化爐爐體可以是圓柱狀，也可以是圓錐和圓柱的組合形式。微波等離子布置點(diǎn)的位置及布置方式也對(duì)エ藝存在較大影響，本實(shí)用新型中，微波等離子發(fā)生器7采用水平/切向兩種布置方式，這樣使得反應(yīng)氣流擾流充分，以增加含碳生物質(zhì)熔融顆粒在等離子體氛圍內(nèi)的行程及停留時(shí)間。氣化爐頂部合成氣出ロ 9布置有合成氣監(jiān)測(cè)單元12，可實(shí)現(xiàn)在線對(duì)合成氣溫度、成份的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整氧氣流量、蒸汽流量及微波功率，維持氣化工藝參數(shù)在控制范圍內(nèi)。氣化爐燒嘴6可采用常規(guī)沿爐體徑向布置方式，布置數(shù)量可為2 4個(gè)，實(shí)際運(yùn)行中可依據(jù)負(fù)荷情況，選擇運(yùn)行燒嘴數(shù)目。[0035]微波等離子發(fā)生器采用電極間距大、等離子體活性強(qiáng)、體積范圍廣的等離子發(fā)生器。微波等離子發(fā)生器微波功率源主頻2. 45GHz，單臺(tái)功率約200kW以內(nèi)。采用上述氣化爐8進(jìn)行生物質(zhì)氣流床氣化的エ藝主要包括如下步驟I)生物質(zhì)燃料經(jīng)過(guò)燃料破碎裝置I、篩分裝置2后得到粒徑合格的生物質(zhì)燃料粉粒;首先，生物質(zhì)燃料先經(jīng)過(guò)燃料預(yù)處理系統(tǒng)的燃料破碎裝置1，被破碎至合適尺寸，破碎粒徑大小是本エ藝經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，破碎粒徑過(guò)大，則氣化工藝效率低，碳轉(zhuǎn)化率低；破碎粒徑過(guò)小，則破碎機(jī)磨損嚴(yán)重，電耗高，經(jīng)濟(jì)性差。破碎后燃料進(jìn)入燃料篩分裝置2，按設(shè)定粒徑分離出滿足設(shè)定粒徑尺寸的燃料進(jìn)入合格燃料倉(cāng)3，粒徑過(guò)大燃料則進(jìn)入粒徑不合格燃料倉(cāng)4，而粒徑不合格燃料倉(cāng)4中燃料將被返回送入燃料破碎裝置I中繼續(xù)破碎至較小 粒徑，直至合格。以稻殼為例，稻殼原樣粒徑為長(zhǎng)約7 10mm，寬2mm，外形如船形，只需簡(jiǎn)單破碎至I 5_粒徑燃料即可利用。以樹枝、秸桿類為例，樹枝、秸桿原樣粒徑較大，可選盤式或鼓式破碎機(jī)至50 IOOmm左右，再采用錘式粉碎機(jī)按如上所述給料預(yù)處理方案破碎至I 5mm粒徑燃料即可利用。2)微波等離子工作氣體從入口 11進(jìn)入等離子發(fā)生器7中，激勵(lì)成高溫、高電離度、高活性的等離子體而噴入氣化爐8中；氣化爐燒嘴6投運(yùn)前2 3秒即開啟微波等離子發(fā)生器7，部分氧化劑形式的微波等離子工作氣體通過(guò)微波等離子工作氣體入口 11進(jìn)入微波等離子發(fā)生器7，隨后被激勵(lì)成高溫、高電離度、高活性的等離子氣體噴入氣化爐8。3)載氣將生物質(zhì)燃料通過(guò)燒嘴6噴入氣化爐8中，同時(shí)將氧化劑從氧氣/蒸汽入ロ 13送入系統(tǒng)，與生物質(zhì)燃料同時(shí)噴入氣化爐內(nèi)，生物質(zhì)燃料粉粒在爐內(nèi)高活性的等離子體氛圍中進(jìn)行高溫快速熱化學(xué)反應(yīng)，生成含大量co、h2和少部分co2、ch4、h2s、cos成分的合成氣。經(jīng)破碎、篩分后滿足設(shè)定粒徑尺寸的生物質(zhì)燃料顆粒由合格燃料倉(cāng)3輸送至氣化爐爐前倉(cāng)5，在爐前倉(cāng)5下部通過(guò)氣化劑氣カ輸送至氣化爐噴嘴6處，由噴嘴6處噴入氣化爐內(nèi)；氧化劑通過(guò)氧氣/蒸汽入口 13進(jìn)入系統(tǒng)，與生物質(zhì)燃料同時(shí)噴入氣化爐內(nèi)，由于采用高溫氣化工藝，燃料瞬間著火在爐內(nèi)進(jìn)行劇烈的部分氧化還原反應(yīng)，生物質(zhì)燃料在高溫缺氧環(huán)境下，生成含大量CO、H2和少部分C02、CH4, H2S, COS成分的合成氣；合成氣上行至等離子體反應(yīng)區(qū)也即氣化反應(yīng)區(qū)，與水平/切向噴入的高溫、高電離度、高活性的等離子氣體混合，并進(jìn)行高效氣相反應(yīng)，高溫?zé)峄瘜W(xué)氣化反應(yīng)區(qū)溫度為1200°C 1800°C，中心區(qū)溫度可高達(dá)1800°C 2000°C，エ藝設(shè)計(jì)中保證該氣化反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間I 10秒，同時(shí)控制微波等離子功率，促進(jìn)反應(yīng)充分進(jìn)行，最終合成氣由氣化爐頂部合成氣出口 9引出，合成氣產(chǎn)物中有效成分CO和H2體積含量高達(dá)85%以上，且合成氣中無(wú)焦油、酚類物質(zhì)。生物質(zhì)液態(tài)渣由氣化爐排渣ロ 9排出爐外，激冷后可實(shí)現(xiàn)無(wú)公害處理，同時(shí)也是良好的保溫建筑材料。エ藝中采用的蒸汽來(lái)源于對(duì)高溫合成氣的回收。4)對(duì)合成氣溫度、成份進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整氧氣流量、蒸汽流量及微波功率，維持氣化工藝參數(shù)在控制范圍內(nèi)；合成氣出口溫度900°C 1200°C ;高溫合成氣從頂部合成氣出口 9引出，同時(shí)液態(tài)渣由底部排渣ロ 10排出。[0046]步驟I)中，生物質(zhì)燃料粉粒的粒徑為O 5臟，較佳實(shí)例為2mm左右。步驟2)和3)中，微波等離子工作氣體和載氣為空氣和/或氧氣和/或蒸汽；蒸汽來(lái)源于對(duì)自身高溫合成氣顯熱的回收。為了使本エ藝達(dá)到最佳工作效果，滿足エ藝整體性能要求，設(shè)計(jì)中關(guān)鍵是控制床層溫度，調(diào)節(jié)好微波等離子功率及氧氣、蒸汽的供給量。通過(guò)對(duì)合成氣出ロ監(jiān)測(cè)裝置來(lái)達(dá)到對(duì)上述關(guān)鍵因素的控制，也能實(shí)現(xiàn)連鎖控制，進(jìn)行全自動(dòng)化操作，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。以上所揭露的僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來(lái)限定本實(shí)用新型之權(quán)利范圍，因此依本實(shí)用新型申請(qǐng)專利范圍所作的等效變化，仍屬本實(shí)用新型的保護(hù) 范圍。
權(quán)利要求1.一種微波等離子生物質(zhì)氣流床氣化爐，包括豎直設(shè)置的爐體、由燒嘴構(gòu)成的設(shè)置在爐體下部的燃料進(jìn)ロ、爐體頂部的合成氣出ロ、爐體底部的排渣ロ，爐體外還設(shè)置燃料預(yù)處理系統(tǒng)，包括燃料破碎裝置、位于燃料破碎裝置下游的篩分裝置、篩分裝置下游并列設(shè)置的粒徑合格燃料倉(cāng)和粒徑不合格燃料倉(cāng)、以及粒徑合格燃料倉(cāng)下游設(shè)置的爐前倉(cāng)，爐前倉(cāng)的底部通過(guò)燒嘴與爐體相連；氣化爐頂部合成氣出ロ布置有合成氣監(jiān)測(cè)単元；燒嘴沿爐體徑向布置，數(shù)量為2 4個(gè)；其特征在于，在爐體的氣化反應(yīng)區(qū)上下布置I 2層微波等離子發(fā)生器，每層微波等離子發(fā)生器布置2 4個(gè)工作氣體接入ロ。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化爐，其特征在于微波等離子發(fā)生器采用水平/切向布置方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的氣化爐，其特征在于微波等離子發(fā)生器采用電極間距大、等離子體活性強(qiáng)、體積范圍廣的等離子發(fā)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣化爐，其特征在于微波等離子發(fā)生器微波功率源主頻 .2.45GHz，單臺(tái)功率約200kW以內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及微波等離子生物質(zhì)氣流床氣化爐，包括豎直設(shè)置的爐體、設(shè)置在爐體下部的燃料進(jìn)口、爐體頂部的合成氣出口、爐體底部的排渣口，爐體外還設(shè)置燃料預(yù)處理系統(tǒng)，包括燃料破碎裝置、位于燃料破碎裝置下游的篩分裝置、篩分裝置下游并列設(shè)置的粒徑合格燃料倉(cāng)和粒徑不合格燃料倉(cāng)、以及粒徑合格燃料倉(cāng)下游設(shè)置的爐前倉(cāng)，爐前倉(cāng)的底部通過(guò)燒嘴與爐體相連；氣化爐頂部合成氣出口布置有合成氣監(jiān)測(cè)單元。主要采用微波及其等離子技術(shù)與高效氣流床技術(shù)的結(jié)合，基于生物質(zhì)燃料自身所具有反應(yīng)活性高的特點(diǎn)，在爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃料制取合成氣的工業(yè)化利用提供新的途徑。
文檔編號(hào)C10J3/48GK202390392SQ201120561338
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者夏明貴, 張亮, 張巖豐, 陳義龍 申請(qǐng)人:武漢凱迪工程技術(shù)研究總院有限公司