本發(fā)明涉及生物質能源技術領域，具體涉及一種用于生物質與焦油混合物的上吸式水蒸汽氣化裝置。

背景技術：
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常見的生物質氣化裝置包括流化床、下吸式固定床、上吸式固定床、上下吸混流式固定床等等爐型。固定床與流化床氣化爐相比不易放大、氣化強度較低，但也有其顯著優(yōu)點，如結構簡單、造價低、操作容易、可用于塊狀物料、飛灰含量低等，因此在中小規(guī)模生物質燃氣生產(chǎn)領域仍然是較好的選擇。

固定床氣化爐含上吸式和下吸式兩種基本爐型，主要區(qū)別在于氣流與燃料的運行方向不同，上吸式氣化爐的氣流自下而上流動，下吸式氣化爐中的氣流自上而下流動，燃料均是依靠重力自由下落。由于爐內(nèi)反應特征的不同，兩種爐型的爐膛結構也有所區(qū)別。與下吸式固定床氣化爐相比，上吸式氣化爐的主要優(yōu)點在于：熱量利用比較充分，燃氣熱值較高，運行阻力低，飛灰攜帶較少。然而上吸式固定床氣化爐也有其顯著的難以克服的缺點，即燃氣中焦油含量較多，一般約為30～150g/Nm3(S.Heidenreich,et al.,Prog Energy Combust Sci,2015)。

焦油的存在降低了氣化效率，易堵塞燃氣管道、除塵設備以及用氣設備。一些應用場合要求將燃氣降至極低的水平：燃氣輪機、合成燃料等要求燃氣焦油含量低于數(shù)mg/Nm3量級(N.Abdoulmoumine et al.Appl.Energy,2015)；國家標準《GB/T 13612-2006人工煤氣》規(guī)定焦油和灰塵總含量低于10mg/m3；國家標準《GB 50494-2009城鎮(zhèn)燃氣技術規(guī)范》規(guī)定城鎮(zhèn)燃氣無論任何來源均不應含有固態(tài)、液態(tài)或膠狀物質。因此，為了滿足特殊應用需求，降低氣化爐出口燃氣焦油含量將極大減輕后續(xù)深度凈化系統(tǒng)運行負荷。

從運行成本和實用性方面考慮，現(xiàn)有上吸式氣化爐一般配合濕式凈化系統(tǒng)使用，但是隨著運行時間延長，洗焦廢水逐漸飽和，如何消耗這部分洗焦廢水成為困擾行業(yè)發(fā)展的技術難題。中國專利200910025366.3公開了一種帶有焦油回燃裝置的上吸或下吸式固定床秸稈氣化爐，氣化粗燃氣首先通過過濾除塵器進行除塵，再通過慣性與冷卻相結合的焦油捕集器進行焦油捕集，捕集下來的焦油通過重力作用和氣體引射作用被回流到氣化爐的燃燒區(qū)，焦油在該區(qū)的高溫條件下得到裂解和燃燒。類似地，中國發(fā)明公布201510532462.2公開了將含塵焦油引回氣化爐富氧區(qū)域燃燒從而得到自處理的方法。這一類專利的共同特點是將生物質焦油送回氣化爐燃燒區(qū)，利用氣化爐氧化區(qū)域的高溫環(huán)境燃燒或裂解焦油組分。由于焦油含水高，其回送會引起氣化設備燃燒區(qū)工況的變化(如溫度降低、增加空氣比等)，導致氣化效果變差，所以實施起來有一定難度。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種用于生物質與焦油混合物的上吸式水蒸汽氣化裝置及方法，利用上吸式固定床生物質氣化爐上部溫度低、停留時間長的特點，將乳化后的焦油在上吸式固定床生物質氣化爐上部與生物質物料充分混合，利用生物質物料和焦油的混合物降低氣化燃氣的溫度，降低燃氣中重焦油的含量；同時，利用上吸式固定床生物質氣化爐中部高度，使生物質和焦油混合物慢速均勻烘干，將生物質與焦油混合物的水分烘干至10％以下，保證上吸式固定床生物質氣化爐下部熱解層、還原層、和氧化層工況不受焦油水分的影響，從而實現(xiàn)生物質物料和焦油在氣化爐中的混合氣化，解決了現(xiàn)有技術將含水量高的焦油送回高溫氧化區(qū)引起氣化設備氧化層工況的變化(如溫度降低、增加空氣比等)，導致氣化效果變差的問題。

本發(fā)明是通過以下技術方案予以實現(xiàn)的：

一種用于生物質與焦油混合物的上吸式水蒸汽氣化裝置，該裝置包括上吸式氣化爐，所述上吸式氣化爐由下至上依次分為氧化層、還原層、熱解層、烘干層和混合區(qū)；所述上吸式氣化爐上部設有燃氣出口和進料口，頂部設有乳化后焦油水噴入口，氧化層底部設有空氣接口；所述燃氣出口連接有間接冷卻器，將焦油與燃氣分離并得到上層的含輕質焦油水與下層的含重質焦油水；所述氧化層和還原層交界處周向設有共同噴嘴接口，所述共同噴嘴接口跟加壓水蒸氣接口連通，加壓水蒸汽從氧化層和還原層交界處的共同噴嘴接口均勻噴入爐膛；所述乳化后焦油水噴入口用于輸入含重質焦油水或含輕質焦油水。

特別地，所述共同噴嘴接口還跟含輕質焦油水接口連通，含輕質焦油霧化水與加壓水蒸汽混合后從氧化層和還原層交界處的加壓水蒸氣和含輕質焦油霧化水的共同噴嘴接口均勻噴入爐膛。

所述混合區(qū)高度不低于2.0m，烘干層、熱解層的高度均不低于4.0m，氧化層、還原層的高度均不低于1.0m。

特別地，所述乳化后焦油水噴入口為1-4個；所述氧化層和還原層交界處周向設有加壓水蒸汽和含輕質焦油水的共同噴嘴接口為4-6個。

本發(fā)明還保護一種用于生物質與焦油混合物的上吸式水蒸汽氣化方法，當共同噴嘴接口僅跟加壓水蒸汽接口連通時，包括以下步驟：生物質原料在上吸式氣化爐熱解氣化制備的含焦油燃氣經(jīng)冷凝乳化后得到的乳化重質焦油水與生物質原料在上吸式氣化爐上部混合區(qū)混合，在烘干層遇到下方上升的熱氣流，脫除水分的同時將氣流里的部分焦油冷卻截留；脫除水分的原料下移至熱解層進一步受熱發(fā)生熱解分解成揮發(fā)分和固體焦炭，揮發(fā)分被氣流帶到上方；固體焦炭依次進入下方的還原層和氧化層；同時空氣從上吸式氣化爐底部進入氧化層，與固體焦炭發(fā)生氧化反應，釋放出大量的熱量；氧化產(chǎn)物與焦炭在還原層發(fā)生還原反應生成一氧化碳、氫氣和甲烷，向上與熱解分解出的揮發(fā)分混合；加壓水蒸汽從氧化層和還原層交界處均勻噴入；還原層產(chǎn)生的燃氣與輕焦油氧化裂解重整得到的氣體，向上進入熱解層，與熱解分解的揮發(fā)分一起進入混合區(qū)，從燃氣出口排出。

當所述共同噴嘴接口還跟含輕質焦油水接口連通時，所述用于生物質與焦油混合混合物的上吸式水蒸汽氣化方法，包括以下步驟：生物質原料在上吸式氣化爐熱解氣化制備的含焦油燃氣經(jīng)冷凝乳化后得到的乳化焦油水與生物質原料在上吸式氣化爐上部混合區(qū)混合，在烘干層遇到下方上升的熱氣流，脫除水分的同時將氣流里的部分焦油冷卻截留；脫除水分的原料下移至熱解層進一步受熱發(fā)生熱解分解成揮發(fā)分和固體焦炭，揮發(fā)分被氣流帶到上方；固體焦炭依次進入下方的還原層和氧化層；同時空氣從上吸式氣化爐底部進入氧化層，與固體焦炭發(fā)生氧化反應，釋放出大量的熱量；氧化產(chǎn)物與焦炭在還原層發(fā)生還原反應生成一氧化碳、氫氣和甲烷，向上與熱解揮發(fā)分混合；輕質焦油水與加壓水蒸汽混合后從氧化層和還原層交界處均勻噴入，一方面輕焦油在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化裂解，另一方面水蒸汽同時參與焦油的重整反應；還原層產(chǎn)生的燃氣與輕焦油裂解重整得到的氣體，向上進入熱解層，與熱解分解的揮發(fā)分一起進入混合區(qū)，從燃氣出口排出。

所述生物質原料在上吸式氣化爐熱解氣化制備的含焦油燃氣經(jīng)冷凝將焦油與燃氣分離，得到的含焦油廢水分為上層的含輕焦油廢水與下層的含重焦油廢水。

本發(fā)明的有益效果如下：

1)本發(fā)明利用上吸式氣化爐上部自由空間和加料裝置，將冷凝焦油乳化后與生物質原料進行混合，實現(xiàn)將焦油送回氣化爐二次氣化的目的，避免了焦油所攜帶能量的損失；

2)利用生物質原料與乳化焦油混合后水分高、溫度低的特點，降低氣化爐燃氣出口粗燃氣的溫度，使燃氣中重焦油組分冷凝并吸附到原料的表面，極大地降低了燃氣的攜帶的重焦油含量和顯熱損失；

3)加大生物質原料和焦油混合物在氣化爐中的停留時間，利用氣化爐還原層高溫燃氣均勻烘干生物質和焦油混合物并使其熱解，保證氣化爐下部熱解層、還原層和氧化層的工況不受含重焦油廢水水分含量高的影響，從而實現(xiàn)生物質物料和焦油在氣化爐中的混合氣化；

4)使用高壓水蒸氣霧化含輕焦油的冷凝廢水，利用蒸汽和霧化廢水抑制爐內(nèi)結渣現(xiàn)象的發(fā)生，并提高還原反應效果，調控燃氣成分。

總之，本發(fā)明利用上吸式固定床生物質氣化爐上部溫度低、停留時間長的特點，將乳化后的焦油在上吸式固定床生物質氣化爐上部與生物質物料充分混合，利用生物質物料和焦油的混合物降低氣化燃氣的溫度，降低燃氣中重焦油的含量；同時，利用上吸式固定床生物質氣化爐中部高度，使生物質和焦油混合物慢速均勻烘干，將生物質與焦油的混合物的水分烘干至10％以下，保證上吸式固定床生物質氣化爐熱解層、還原層和氧化層工況不受焦油水分的影響，從而實現(xiàn)生物質物料和焦油在氣化爐中的混合氣化。本發(fā)明工藝簡單、產(chǎn)氣潔凈、能耗低、氣化效率高，燃氣飛灰和爐內(nèi)結渣大幅減少，檢修周期延長，氣化爐運行更為穩(wěn)定可靠，解決了現(xiàn)有技術將含水量高的焦油送回高溫氧化層引起氣化設備氧化層工況的變化(如溫度降低、增加空氣比等)，導致氣化效果變差的問題。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是圖1的A-A斷面圖。

其中，1、氧化層；2、還原層；3、熱解層；4、烘干層；5、混合區(qū)；6、進料口；7、乳化后焦油水噴入口；8、空氣接口；9、加壓水蒸氣接口；10、含輕質焦油霧化水接口；11、燃氣出口；12、噴嘴接口；13、爐膛。

具體實施方式：

以下是對本發(fā)明的進一步說明，而不是對本發(fā)明的限制。

實施例1：

如圖1所示的一種用于生物質與焦油混合物的上吸式水蒸汽氣化裝置，生物質處理量1.5t/h，該裝置包括上吸式氣化爐，主體為圓柱狀耐火材料砌筑爐膛13及鋼制爐殼，爐殼下部設有通過動密封連接的旋轉爐排，所述旋轉爐排兼具空氣進入與分布功能；所述上吸式氣化爐由下至上依次分為氧化層1、還原層2、熱解層3、烘干層4和混合區(qū)5；所述上吸式氣化爐上部設有燃氣出口11和進料口6，頂部設有1-3個乳化后焦油水噴入口7，氧化層底部設有空氣接口8；所述燃氣出口11連接有間接冷卻器，將焦油與燃氣分離并得到上層的含輕質焦油水與下層的含重質焦油水；所述氧化層1和還原層2交界處周向設有5個共同噴嘴接口12，所述共同噴嘴接口12分別跟加壓水蒸氣接口9和含輕質焦油霧化水接口10連通，含輕質焦油水經(jīng)霧化器霧化后得到的含輕質焦油霧化水與加壓水蒸汽混合后從氧化層1和還原層2交界處的加壓水蒸氣和含輕質焦油霧化水的共同噴嘴接口12均勻噴入爐膛13；所述乳化后焦油水噴入口7用于輸入含重質焦油水或含輕質焦油水；

所述混合區(qū)5高度不低于2.0m，烘干層、熱解層3的高度均不低于4.0m，氧化層1、還原層2的高度均不低于1.0m。

氣化爐運行負荷1t/h，頂部含輕質焦油水溶液噴入量300kg/h，所述含輕質焦油水溶液的焦油濃度為15wt.％(即焦油與水的質量比為15:85)，底部通過空氣接口8通入空氣量約1000Nm³/h，通過加壓水蒸氣接口9通入飽和水蒸氣量約80kg/h，所述飽和水蒸氣參數(shù)為0.25～0.4MPa、127～143℃，含輕質焦油水霧化接口10關閉。在此運行條件下，生物質原料在上吸式氣化爐制備的含焦油燃氣經(jīng)冷凝乳化后得到的乳化重質焦油水與生物質原料在氣化爐上部混合區(qū)5混合，停留時間1～2h，在烘干層4遇到下方上升的熱氣流，脫除水分的同時將氣流里的部分焦油冷卻截留；脫除水分的原料下移至熱解層3進一步受熱發(fā)生熱解分解成揮發(fā)分和固體焦炭，揮發(fā)分被氣流帶到上方；固體焦炭依次進入下方的還原層2和氧化層1；在還原層2停留時間2～3h，在氧化層1燃燒區(qū)停留時間約0.5h，同時空氣從上吸式氣化爐底部進入氧化層1，與固體焦炭發(fā)生氧化反應，釋放出大量的熱量；氧化產(chǎn)物與焦炭在還原層2發(fā)生還原反應生成一氧化碳、氫氣和甲烷，向上與熱解分解出的揮發(fā)分混合；加壓水蒸汽從氧化層1和還原層2交界處均勻噴入；還原層產(chǎn)生的燃氣向上進入熱解層，與熱解分解的揮發(fā)分一起進入混合區(qū)，從燃氣出口排出。燃氣出口溫度80～100℃，燃氣組成及熱值分析見表1，出口燃氣焦油含量低于30mg/Nm³，氣化冷氣效率約79％。

表1.燃氣組成與熱值分析

實施例2：

裝置參考實施例1，運行負荷1t/h，空氣輸入量為1000Nm³/h，頂部含重質焦油水溶液噴入量200kg/h，所述含重質焦油水溶液濃度為50wt.％，底部飽和水蒸氣輸入量約50～80kg/h，含輕質焦油水霧化接口10打開，底部含輕質焦油霧化水輸入量20kg/h，其中焦油濃度為15wt.％。在此條件下，乳化后重焦油水與生物質原料在上吸式氣化爐上部混合區(qū)混合，在烘干層遇到下方上升的熱氣流，脫除水分的同時將氣流里的部分焦油冷卻截留；脫除水分的原料下移至熱解層進一步熱解成揮發(fā)分和固體焦炭，揮發(fā)分被氣流帶到上方；固體焦炭依次進入下方的還原層和氧化層；同時空氣從上吸式氣化爐底部進入氧化層，與固體焦炭發(fā)生氧化反應，釋放出大量的熱量；氧化產(chǎn)物與焦炭在還原層發(fā)生還原反應生成一氧化碳、氫氣和甲烷，向上與熱解分解出的揮發(fā)分混合；含輕質焦油水與加壓水蒸汽混合后從氧化層和還原層交界處霧化后均勻噴入，一方面輕焦油在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化裂解，另一方面水蒸汽同時參與焦油的重整反應；還原層產(chǎn)生的燃氣與輕焦油氧化裂解重整得到的氣體，向上進入熱解層，與熱解揮發(fā)分一起進入混合區(qū)，從燃氣出口排出。產(chǎn)生燃氣性質參見表1所示。出口燃氣焦油含量低于30mg/Nm³，氣化冷氣效率約82％。

實施例3：

裝置參考實施例1，不同之處在于，生物質處理量2t/h，所述裝置的頂部安裝有4個乳化后焦油水噴入口7，所述氧化層1和還原層2交界處周向設有4個共同噴嘴接口12。

運行負荷2t/h，頂部含重質焦油水溶液噴入量300～500kg/h，底部通過空氣接口8的空氣通入量為2000Nm³/h，底部通過加壓水蒸氣接口9的飽和水蒸氣輸入量650kg/h，所述飽和水蒸氣參數(shù)為0.25～0.4MPa、127～143℃，底部通過含輕質焦油霧化水接口10的含輕質焦油霧化水輸入量100kg/h，其中焦油含量50～100g/L。在此運行條件下，含重質焦油水溶液與生物質原料在上吸式氣化爐上部混合區(qū)5停留時間1.0～1.5h，在烘干層4停留1.0～1.5h，在熱解層3停留1.0h，在還原層2停留時間1.0h，在氧化層1停留時間約0.5h，燃氣出口溫度為<120℃，出口燃氣焦油含量30mg/Nm³，燃氣經(jīng)間接冷凝和電捕焦分離后焦油含量為20mg/Nm³，氣化效率83.5％。

未采用本發(fā)明的一般上吸式固定床氣化爐的燃氣出口溫度一般高于200℃，氣化效率很難高于75％。本發(fā)明相比傳統(tǒng)的上吸式氣化爐能夠明顯降低出口燃氣焦油含量，提高氣化效率，有效消耗洗焦廢水，提高燃氣熱值，燃氣飛灰和爐內(nèi)結渣大幅減少，檢修周期延長，氣化爐更為穩(wěn)定可靠。