專利名稱：一種微波等離子生物質(zhì)氣化固定床氣化爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型主要針對采用生物質(zhì)、固廢垃圾為原料的氣化工藝領(lǐng)域，具體來說是一種利用微波等離子技術(shù)高效利用生物質(zhì)燃料、固廢垃圾來制取高品質(zhì)合成氣的氣化爐。
背景技術(shù)：
我國生物質(zhì)資源非常豐富，如棉桿、秸桿、樹枝、稻殼等，而作為主要能源來源的常規(guī)優(yōu)質(zhì)化石燃料卻迅速地減少，且社會對能源的需求日益增長，因而，對低熱值燃料利用的關(guān)注將日益增加。與此同時，隨著人類對環(huán)境保護(hù)意識的日益增加，在關(guān)注資源生產(chǎn)利用的同時，效率更高、污染更小的高科技技術(shù)也逐步被工業(yè)生產(chǎn)所采用。目前，在生物質(zhì)氣化固定床工藝中主要存在氣化溫度低，焦油含量大，合成氣品質(zhì) 低等難題，常規(guī)生物質(zhì)固定床氣化爐由于受工藝條件的限制，合成氣中均含有焦油，現(xiàn)有凈化工藝需要花費較大代價來處理焦油，且不易去除，焦油富集能堵塞閥門、管道及設(shè)備，并對其產(chǎn)生腐蝕，因而危害性極大，同時也影響了生物質(zhì)燃料、垃圾等制取合成氣的工業(yè)化利用。當(dāng)今世界科技日新月異，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波等離子憑借其自身優(yōu)良的特點，已逐步在低溫化學(xué)氣相沉積(CVD)，光導(dǎo)纖維的快速制備，芯片的亞微米級刻蝕，進(jìn)行高分子材料的表面修飾、微電子材料的加工等方面應(yīng)用廣泛。本實用新型主要獨創(chuàng)性采用微波及其等離子技術(shù)來實現(xiàn)生物質(zhì)燃料等的高效、高品質(zhì)氣化，為生物質(zhì)燃料、垃圾等制取合成氣的高效工業(yè)化利用開辟一條途徑。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提出一種高效微波等離子生物質(zhì)氣化固定床氣化爐，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)、高效的工業(yè)利用途徑。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采取的技術(shù)方案如下一種微波等離子生物質(zhì)氣化固定床氣化爐，包括豎直設(shè)置的爐體，爐體上部為氣化爐凈空區(qū)，爐體最下部為固定床床層，在爐體上有原料和燃料進(jìn)口、產(chǎn)品氣出口、氧氣/蒸汽進(jìn)口，在爐體的底部設(shè)置有放渣口，產(chǎn)品氣出口處布置有合成氣監(jiān)測單元；其特征是在所述的爐體上至少設(shè)置一段微波等離子發(fā)生裝置。作為優(yōu)選方案，在爐體下部的固定床床層上方與原料和燃料進(jìn)口之間設(shè)置第一段微波等離子發(fā)生裝置，并同時在爐體上部的凈空區(qū)設(shè)置第二段微波等離子發(fā)生裝置；第一段微波等離子發(fā)生器包括2 3層微波等離子發(fā)生器，第二段微波等離子發(fā)生器包括I 2層微波等離子發(fā)生器；且每層微波等離子發(fā)生器均勻布置3 4個等離子工作氣體接入點。作為優(yōu)選方案，第一段的微波等離子發(fā)生器采用功率大，電極間距小，等離子體溫度高的等離子發(fā)生器；第二段的微波等離子發(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。作為優(yōu)選方案，各等離子發(fā)生器微波功率源主頻2. 45GHz，單臺功率約200kW以內(nèi)。作為優(yōu)選方案，爐體的上部凈空區(qū)設(shè)置上層氧氣/蒸汽噴口，爐體的固定床床層區(qū)域設(shè)置下層氧氣/蒸汽噴口。采用上述氣化爐的生物質(zhì)氣化工藝，其特征在于包括如下步驟I)生物質(zhì)燃料、垃圾等物料通過給料裝置送入氣化爐本體內(nèi)，在微波等離子固定床床層上快速氣化；生物質(zhì)燃料固定碳成分在床層上氧化區(qū)燃燒反應(yīng)，生成高溫?zé)煔?，煙氣上行至給料區(qū)，加熱入爐燃料，同時與下層氧氣/蒸汽噴口噴入的高溫蒸汽、以及第一段的微波等離子發(fā)生器的富含活性的微波等離子活化氧化劑進(jìn)行充分化學(xué)反應(yīng)，主要反應(yīng)為2C+02 = 2C0, C+H20 = C0+H2，反應(yīng)區(qū)溫度控制在 700°C 1600°C ；由于在該溫度區(qū)間內(nèi)，由于微波激發(fā)的等離子氧化劑具有電離及分散程度高，氧化活性極強(qiáng)的特點，且在微波輻射、等離子作用下化學(xué)反應(yīng)效能顯著，能在相對較低的環(huán)境溫度下，來實現(xiàn)需要高溫高壓環(huán)境工況才能實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，因而生物質(zhì)燃料中化學(xué)能的轉(zhuǎn)化比常規(guī)工藝的轉(zhuǎn)化率要高，CO和H2的合成氣品質(zhì)好含量高，焦油含量少；2)氣化反應(yīng)生成的合成氣上行至凈空區(qū)，并通過第二段的微波等離子發(fā)生器進(jìn)一步裂解；主要是進(jìn)一步裂解合成氣中的焦油，且對合成氣中烴類物質(zhì)進(jìn)行部分轉(zhuǎn)化；3)剩余焦炭物質(zhì)下行至固定床床層上并逐步放熱以維持床溫，燃盡后的生物質(zhì)渣從放渣口排出爐外；4)通過氣化爐頂部產(chǎn)品氣出口處布置的合成氣監(jiān)測單元實時在線監(jiān)測，維持氣化工藝參數(shù)在控制范圍內(nèi)。所述的步驟I)中氣化反應(yīng)區(qū)溫度范圍為700°C 1600°C ;所述的步驟4)中合成氣出口溫度1200°C以內(nèi)。所述的步驟I)中氣化反應(yīng)區(qū)溫度控制在750°C 950°C。所說的步驟I)中從下層氧氣/蒸汽噴口適量噴入蒸汽用以提高水蒸汽濃度，促進(jìn)燃料中剩余固定碳與蒸汽反應(yīng)；所說的步驟2)中第二段的微波等離子發(fā)生器總功率滿足反應(yīng)平衡所需吸熱量即可；所說的步驟2)中從上層氧氣/蒸汽噴口適量噴入高溫蒸汽，對合成氣中少量焦油類物質(zhì)進(jìn)一步裂解反應(yīng)。本工藝的有益效果是I.采用微波等離子獨特優(yōu)良的高電離及高分散度的特點，在爐內(nèi)實現(xiàn)生物質(zhì)燃料化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化，冷煤氣效率可明顯高于常規(guī)生物質(zhì)氣化工藝，達(dá)到85%以上。2.在凈空區(qū)布置微波等離子發(fā)生器對合成氣中焦油等進(jìn)行非平衡裂解反應(yīng)，達(dá)到焦油含量極少，能滿足工業(yè)化直接利用水平，后續(xù)工藝簡單可靠，經(jīng)濟(jì)性好。3.對燃料粒徑無特殊要求，只需簡單破碎，無需復(fù)雜處理，經(jīng)濟(jì)性好。

圖I為本實用新型優(yōu)選實施例的一種高效微波等離子生物質(zhì)氣化固定床氣化爐及工藝流程示意圖；圖2為圖I的A-A視圖。[0028]其中給料裝置I ;氣化爐本體2 ;微波等離子發(fā)生器3 ;下層氧氣/蒸汽噴口 4 ;上層氧氣/蒸汽噴口 5 ;監(jiān)測單元6 ;放渣口 7 ;氣化爐凈空區(qū)8。
具體實施方式
以下結(jié)合實施實例及附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明，但不限定本實用新型。氣化爐本體2為垂直設(shè)立的圓柱體，最上部為氣化爐凈空區(qū)8，最下部為微波等離子固定床床層，固定床床層的最下端設(shè)置豎直向下的放洛口 7 ;氣化爐本體2外部,凈空區(qū)8外圍設(shè)置上層氧氣/蒸汽噴口 5，固定床床層外圍設(shè)置下層氧氣/蒸汽噴口 4，兩處噴口均可開關(guān)控制并進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。氣化爐本體2可以是圓柱，也可以是圓錐和圓柱的組合形式。給料裝置I位于氣化爐本體2的中部并通過斜置的進(jìn)料滑道與氣化爐本體2連通；給料方式也可以為螺旋給料方式，它不需要斜置的進(jìn)料滑道。微波等離子發(fā)生器3的布置數(shù)量需依據(jù)燃料工業(yè)分析中水份、揮發(fā)份等含量來考 慮，對生物質(zhì)燃料存在著水份含量高(約占20% )、熱值低特點，因而采用該實例方案時，第一段微波等離子發(fā)生裝置包括2 3層微波等離子發(fā)生器3 (附圖I中為布置2層)，集中布置于給料裝置I下方、但略高于固定床床層床料位，且每層均勻布置3 4個等離子工作氣體接入點，但不排除布置于給料上方這種等同變換的工藝方式。而在給料裝置I上方的氣化爐凈空區(qū)8外圍布置有第二段微波等離子發(fā)生裝置，包括I 2層微波等離子發(fā)生器3’，且每層均勻布置3 4個等離子工作氣體接入點(如圖2所示，包括3各接入點)。其中，第一段的微波等離子發(fā)生器3采用功率大，電極間距小，等離子體溫度高的等離子發(fā)生器。第二段的微波等離子發(fā)生器3’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，主要作用是進(jìn)一步裂解合成氣中的焦油，且對合成氣中甲烷等烴類物質(zhì)也有一定轉(zhuǎn)化效果，最終在氣化爐出口合成氣中焦油已能降低至工業(yè)經(jīng)濟(jì)利用水平，同時烴類物質(zhì)含量也較低，為后續(xù)洗滌脫碳工藝創(chuàng)造有利條件。其中，各等離子發(fā)生器微波功率源主頻2. 45GHz，單臺功率約200kW以內(nèi)。其中，第二段微波等離子發(fā)生器總功率滿足反應(yīng)平衡所需吸熱量即可。氣化爐2頂部合成氣出口處布置有合成氣監(jiān)測單元6，可實現(xiàn)在線監(jiān)測合成氣溫度、成份來實時調(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)。生物質(zhì)燃料、垃圾等物料通過給料裝置I送入氣化爐本體2內(nèi)，在氣化爐固定床床層上快速氣化反應(yīng)，并在氣化反應(yīng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜高效的化學(xué)反應(yīng)，首先燃料顆粒在高溫下爆裂熱解，析出占主要成分的揮發(fā)份后剩余半焦，揮發(fā)份在微波等離子發(fā)生器3微波激發(fā)的高活性等離子體氛圍作用下，與氧氣、蒸汽進(jìn)行高效化學(xué)反應(yīng)，此時，通過控制床層溫度作為調(diào)整氣化爐平穩(wěn)運行的關(guān)鍵參數(shù)，爐溫過低則加大等離子工作氣體氧氣的補給量，同時調(diào)節(jié)微波等離子發(fā)生器3微波功率與工作氣體流量相匹配，反之亦然。從噴口 4適量噴入蒸汽主要提高水蒸汽濃度，促進(jìn)燃料中剩余固定碳與蒸汽反應(yīng)，增加H2的產(chǎn)率，同時也對反應(yīng)區(qū)焦油的生成量起到抑制作用，能提高合成氣品質(zhì)。隨著生物質(zhì)物料連續(xù)給入，氣化持續(xù)進(jìn)行，生成的合成氣上行至凈空區(qū)8進(jìn)一步裂解，剩余焦炭物質(zhì)下行至固定床床層上并逐步放熱以維持床溫，燃盡后生物質(zhì)渣從放渣口 7排出爐外。在凈空區(qū)8合成氣進(jìn)入第二段的微波等離子發(fā)生器3’區(qū)域進(jìn)行裂解，利用等離子工作氣體電離度大、活性高的特點，從噴口 5適量噴入高溫蒸汽，對合成氣中少量焦油類物質(zhì)進(jìn)一步裂解反應(yīng)，能更進(jìn)一步降低焦油含量，達(dá)到后續(xù)工藝經(jīng)濟(jì)利用水平。其中，氣化反應(yīng)區(qū)溫度范圍為700°C 1600°C，合成氣出口溫度1200°C以內(nèi)。本實用新型特別適用于采用750°C 950°C溫度范圍作為氣化反應(yīng)溫度段，可在滿足產(chǎn)品品質(zhì)情況下，盡量減少顯熱轉(zhuǎn)換，使冷媒氣效率更高。為了使本工藝達(dá)到最佳工作效果，滿足工藝整體性能要求，設(shè)計中關(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。通過對合成氣出口監(jiān)測裝置來達(dá)到對上述關(guān)鍵因素的控制，也能實現(xiàn)連鎖控制，進(jìn)行全自動化操作，提高運行穩(wěn)定性。以上所揭露的僅為本實用新型的較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本實用新型之權(quán)利范圍，因此依本實用新型申請專利范圍所作的等效變化，仍屬本實用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種微波等離子生物質(zhì)氣化固定床氣化爐，包括豎直設(shè)置的爐體，爐體上部為氣化爐凈空區(qū)，爐體最下部為固定床床層，在爐體上有原料和燃料進(jìn)口、產(chǎn)品氣出口、氧氣/蒸汽進(jìn)口，在爐體的底部設(shè)置有放渣口，產(chǎn)品氣出口處布置有合成氣監(jiān)測單元；其特征是在所述的爐體上至少設(shè)置一段微波等離子發(fā)生裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化爐，其特征在于在爐體下部的固定床床層上方與原料和燃料進(jìn)口之間設(shè)置第一段微波等離子發(fā)生裝置，并同時在爐體上部的凈空區(qū)設(shè)置第二段微波等離子發(fā)生裝置；第一段微波等離子發(fā)生器包括2 3層微波等離子發(fā)生器，第二段微波等離子發(fā)生器包括I 2層微波等離子發(fā)生器；且每層微波等離子發(fā)生器均勻布置3 4個等離子工作氣體接入點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣化爐，其特征在于各等離子發(fā)生器微波功率源主頻2.45GHz,單臺功率約200kff以內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的氣化爐，其特征在于爐體的上部凈空區(qū)設(shè)置上層氧氣/蒸汽噴口，爐體的固定床床層區(qū)域設(shè)置下層氧氣/蒸汽噴口。
專利摘要本實用新型涉及一種微波等離子生物質(zhì)氣化固定床氣化爐，包括豎直設(shè)置的爐體，爐體上部為氣化爐凈空區(qū)，爐體最下部為固定床床層，在爐體上有原料和燃料進(jìn)口、產(chǎn)品氣出口、氧氣/蒸汽進(jìn)口，在爐體的底部設(shè)置有放渣口，產(chǎn)品氣出口處布置有合成氣監(jiān)測單元；其特征是在所述的爐體上至少設(shè)置一段微波等離子發(fā)生裝置。采用微波等離子的高電離及高分散度的特點，在爐內(nèi)實現(xiàn)生物質(zhì)燃料化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化，冷煤氣效率可明顯高于常規(guī)生物質(zhì)氣化工藝，達(dá)到85％以上。對合成氣中焦油等進(jìn)行非平衡裂解反應(yīng)，達(dá)到焦油含量極少，能滿足工業(yè)化直接利用水平，后續(xù)工藝簡單可靠。對燃料粒徑無特殊要求，只需簡單破碎，無需復(fù)雜處理，經(jīng)濟(jì)性好。
文檔編號C10J3/72GK202465606SQ20112056136
公開日2012年10月3日 申請日期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 申請人:武漢凱迪工程技術(shù)研究總院有限公司