專利名稱：規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化發(fā)電生產(chǎn)工藝及成套設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化發(fā)電生產(chǎn)工藝及成套設備，屬于生物質(zhì) 能源領域。
背景技術(shù)：
中國是一個農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源十分豐富。中國擁有充足的可發(fā)展能源作物，同 時還包括各種荒地、荒草地、鹽堿地、沼澤地等。如加以有效利用，開發(fā)潛力將十分巨大。生 物質(zhì)發(fā)電主要是利用農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)廢棄物為原料，也可以將城市垃圾為原料，采取直接 燃燒或氣化的發(fā)電方式。近年來中國能源、電力供求趨緊，國內(nèi)外發(fā)電行業(yè)對資源豐富、可 再生性強、有利于改善環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的生物質(zhì)資源的開發(fā)利用給予了極大的關(guān)注。于 是生物質(zhì)能發(fā)電行業(yè)應運而生。開發(fā)利用可再生能源，對于保障能源安全、保護生態(tài)環(huán)境、 實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國家已經(jīng)決定，將安排資金支持可再生能源的技術(shù)研發(fā)、設 備制造及檢測認證等產(chǎn)業(yè)服務體系建設?？偟恼f來，生物質(zhì)能發(fā)電行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前
旦
ο生物質(zhì)氣化是將一次能源轉(zhuǎn)化為清潔的二次能源的重要途徑之一，其產(chǎn)品主要為 燃料氣，含有較高的熱值。相對于直接燃燒發(fā)電，有利于環(huán)境保護。為此，人們開發(fā)了各種 類型的生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝。如我國臺灣省黃家笙等人的專利《一種生物質(zhì)能循環(huán)發(fā)電工 藝及其發(fā)電系統(tǒng)》(專利號200810087169.X)；昆明電研新能源科技開發(fā)有限公司《生物質(zhì) 能源氣化發(fā)電裝置》(專利號=200820081327. 6)；北京瑞威環(huán)能能源技術(shù)有限公司《控氣型 熱分解系統(tǒng)生物質(zhì)氣化發(fā)電裝置》(專利號=200720155628. 4)；武漢力人投資有限公司《利 用生物質(zhì)發(fā)電的方法》(專利號=200710151203. 0)；哈爾濱工大格瑞環(huán)保能源科技有限公 司《生物質(zhì)高溫熱解氣化發(fā)電系統(tǒng)》(專利號=200910071440. 5)等。但目前這些工藝普遍 存在如下缺點采用生物質(zhì)熱解氣化，熱效率和轉(zhuǎn)化率不高；生物質(zhì)一般不經(jīng)過預處理，由 于其低密度致使生產(chǎn)能力低或者設備龐大，很難付諸生產(chǎn)實踐；氣體凈化系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的 旋風分離及過濾方式除去飛灰及焦油，跑冒滴漏現(xiàn)象嚴重，設備很難穩(wěn)定運行。這些不足造 成上述專利很難在工程實際中得到很好的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述反應裝置的缺陷，提供一種生產(chǎn)能力大、能量利用效 率高，且資源和能源均可合理化利用的生物質(zhì)氣化發(fā)電生產(chǎn)工藝及成套設備。由于生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝因技術(shù)可行性，環(huán)境友好性和經(jīng)濟合理性制約其可行 性。生物質(zhì)特別是農(nóng)作物秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有機物以及少量灰分 (主要含鉀、鋁、鐵、硅、氮及少量硫、氯等無機元素)。與煤相比，生物質(zhì)反應活性高，因此可 在較低的溫度下進行氣化，可節(jié)約能耗。同時生物質(zhì)本身含有的鉀等金屬元素可作為催化 劑促進反應的進行，使反應速率加快，節(jié)省反應時間。且這些元素在生物質(zhì)中分布均勻，與 有機質(zhì)接觸良好，可突破傳統(tǒng)固固相接觸(如外加催化劑與煤)的傳質(zhì)阻力而使生物質(zhì)氣化反應趨于完全，不會產(chǎn)生反應不均一的現(xiàn)象。然而生物質(zhì)本身也存在固有的缺陷，如農(nóng)作 物秸稈大都存在堆積密度小、自然堆積較大(在氣化爐里容易產(chǎn)生架橋、穿孔現(xiàn)象)、木炭 機械強度低(不能保持原有形狀，容易在反應層中形成空洞，致使氣流分布不均勻)和灰熔 點低(< 1050°C，固態(tài)排渣困難)等缺點。因此在進入氣化爐之前需要成型使生物質(zhì)相對 密度達到lg/cm3左右才能很好的應用于固定床。眾所周知，電捕焦油器與機械除焦油器相比，具有捕焦油效率高、阻力損失小、氣 體處理量大等特點，不僅可保證后續(xù)工序?qū)怏w質(zhì)量的要求，提高產(chǎn)品回收率，而且可明顯 改善操作環(huán)境。但電捕焦油器一般要求燃氣進口氧氣含量低于1%，否則存在爆炸隱患。生 物質(zhì)中本身氧含量較高，且氣化過程中要補加空氣實現(xiàn)自熱，需要防止過多的氧以氧氣的 方式從氣化爐中排出才能應用電捕焦油器。通過優(yōu)化氣化爐結(jié)構(gòu)和操作條件，完全可以使 絕大多數(shù)氧元素以碳氧化物和水的形式排出。經(jīng)過深度凈化的生物質(zhì)燃氣完全可滿足發(fā)電 的需要。通過以上分析可見，在生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝中，成型是前提，氣化是關(guān)鍵，凈化是保 障。滿足以上要求后，技術(shù)上是完全可行的。相對于煤和石油等化石能源來講，生物質(zhì)原料通常含有的S、C1等元素較少(一般 低于0. 5% )，氣化所得燃氣含H2S、SO2以及HCl等也就較低，可采用氣固相凈化工序脫除， 完全能滿足后續(xù)發(fā)電機中對硫、氯含量的要求。本發(fā)明也考慮了對這些微量有害物質(zhì)的脫 除，因此滿足環(huán)境友好的要求。生物質(zhì)分布廣泛，價格低廉，可節(jié)約原料成本。因為生物質(zhì)氣化過程中溫度較低、 反應完全，可降低傳統(tǒng)火力發(fā)電對于設備材質(zhì)以及尺寸的要求，節(jié)約設備成本。同時較短的 工藝流程和適當?shù)哪芰考煞绞娇晒?jié)約操作成本，提高氣化及發(fā)電效率。如果再加上減少 排放三廢的費用，可進一步節(jié)約資金。此外，生物質(zhì)灰可作為復合肥及建筑材料產(chǎn)生相當可 觀的經(jīng)濟效益。因此相對于煤發(fā)電，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)在經(jīng)濟上是有競爭優(yōu)勢的。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化發(fā)電生產(chǎn)工藝及成套設備，其特征在于包括原料預 處理、生物質(zhì)固定床氣化、氣體凈化和燃氣發(fā)電等部分。根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)工藝，其特征在于原料預處理包括生物質(zhì)收集、烘干和成型。根據(jù)本發(fā)明，其中氣體凈化部分采用兩段水(熱水和冷水)噴淋凈化，主要用于脫 除飛灰及冷卻，采用電捕的方法除去焦油，并利用干法脫除氣體中微量含氯、硫組分。所得 燃氣基本不含有害氣體，且氧含量低，熱值高。根據(jù)本發(fā)明，其特征在于燃氣可用于內(nèi)燃機發(fā)電，同時可回收廢熱，節(jié)約能耗。根據(jù)本發(fā)明，同時還包括水處理及能量集成系統(tǒng)等附屬設施。一種規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化發(fā)電生產(chǎn)工藝，其特征在于，由如下步驟組成(1)原料預處理，主要包括原料成型步驟；還進一步包括成型步驟之前的原料收 集和烘干步驟；(2)生物質(zhì)氣化，主要包括在大型生物質(zhì)固定床氣化爐中氣化的步驟；(3)氣體凈化，主要包括除灰、除焦油、脫硫、脫氯步驟；(4)燃氣發(fā)電，主要包括深度凈化后的燃氣主要利用內(nèi)燃機燃燒發(fā)電。此外，本工藝中還包括水處理及換熱等步驟及附屬系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化發(fā)電成套設備，其特征在于，包括原料預處理、生物質(zhì)固定床氣化、氣體凈化和燃氣發(fā)電裝置。根據(jù)本發(fā)明，所述的原料預處理裝置包括生物質(zhì)收集、烘干和成型裝置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方案，本發(fā)明的設備由如下部件組成(1)原料預處理裝置，主要包括原料收集、烘干和成型裝置(2)生物質(zhì)氣化裝置，主要包括大型生物質(zhì)固定床氣化爐及其相關(guān)配套設施；(3)氣體凈化裝置，主要包括除灰、除焦油、脫硫、脫氯等設備；(4)燃氣發(fā)電裝置，深度凈化后的燃氣主要利用內(nèi)燃機中燃燒發(fā)電。此外，本工藝中還包括水處理及換熱等附屬系統(tǒng)。本發(fā)明利用廢棄農(nóng)作物秸稈等 生物質(zhì)為原料，利于合理利用資源及環(huán)境保護。本發(fā)明所產(chǎn)氣體熱值較高，并且綜合利用所 產(chǎn)殘渣及焦油，開源節(jié)流。本發(fā)明同時充分利用了各環(huán)節(jié)中的產(chǎn)生的能量，從而使熱效率大 大提高，降低了運行成本。生物質(zhì)原料利用滾軸式壓縮機將其壓縮成為尺寸均一、密度高(lg/cm3以上)、機 械強度高的棒狀，成型生物質(zhì)的相對密度優(yōu)選為1. 1-1. 2kg/m3以上的棒狀；可使生物質(zhì)在 氣化爐內(nèi)分布均勻，且利于生產(chǎn)能力的提高。對于生物質(zhì)原料的成型處理設備，可采用本申請人于同日提交的發(fā)明名稱為“秸 稈原料預處理、原料成型雙磨設備”的專利申請，其全文引入本文作為參考。其中所述的成型雙磨設備優(yōu)選包括兩個串聯(lián)的料斗(位于設備上部的稱為“一級 料斗”;位于下部的料斗稱為“二級料斗”)，料斗底部的平磨盤上按圓周均勻鑲嵌若干?？?(位于一級料斗中的?？诜Q為一級?？?，位于二級料斗中的?？诜Q為二級?？?。在兩個料 斗內(nèi)對稱設置兩個擠壓輪，由貫穿兩個料斗的中心轉(zhuǎn)軸連接。在平磨盤上方與?？趯?置，所述擠壓輪側(cè)面設有可適應于?？趯恢玫膰Ш淆X。串聯(lián)料斗中的兩個擠壓輪分別 安裝在同一水平設置的橫梁的兩端，所述橫梁安裝于穿過平磨盤上的通孔，并通過中心轉(zhuǎn) 軸連接。出料口下部設有卸料盤(圍繞中心轉(zhuǎn)軸但非一體)，可由小功率電機驅(qū)動。所述中 心轉(zhuǎn)軸通過料斗通孔延伸至底部大皮帶輪，由電機驅(qū)動其高速運轉(zhuǎn)。從而使粉碎的生物質(zhì) 秸稈擠壓成型。更優(yōu)選的是所述?？跒榈怪脠A臺狀。優(yōu)選的實施方式如下預先粉碎的生物質(zhì)秸稈原料通過傳送帶由料斗頂部連續(xù)裝入，由擠壓輪和平磨盤 的模口粗成型并進入二級成型部位，由二級部位的擠壓輪和平磨盤的?？谶M一步成型為高 密度棒狀成品并排出料斗。利用該生物質(zhì)成型設備處理稻秸稈，原料粉碎至50-100mm，兩料 斗的料倉容積為0. 6m3，一級和二級?？谥睆綖?0-40mm，錐度為1_3°，電機總額定功率為 35kW，處理量可達650t/h，成型后生物質(zhì)密度可達1. 1-1. 2kg/m3。根據(jù)本發(fā)明，所述的氣化爐為大規(guī)模固定床氣化爐，具有良好的操作彈性，既可用 于空氣氣化也能用于蒸汽氣化，便于工業(yè)應用。氣化爐內(nèi)徑為l-5m，優(yōu)選2-4m，高徑比為0.5-4，優(yōu)選1.5-2。采用固定床方式。 上部進料，底部排灰；下部進氣(空氣和水蒸氣的混合氣體作為氣化劑)，頂部排氣(粗燃 氣)。通入空氣的目的是實現(xiàn)自熱，通入水蒸氣的目的有兩個一是調(diào)節(jié)氣化爐底部溫度， 滿足固態(tài)排灰的要求；二是利用變換反應調(diào)節(jié)燃氣中H2/co摩爾比，從而提高燃氣熱值。通 過此氣化爐可使燃氣熱值> 6MJ/kg，氧氣含量在0. 6%以下，優(yōu)選0. 5%以下。硫氯含量極 低，便于凈化、深加工及利用，利于環(huán)保。
對于大規(guī)模固定床氣化爐，可采用本申請人于同日提交的發(fā)明名稱為“規(guī)?；?定床生物質(zhì)氣化爐及低含氧燃氣的生產(chǎn)工藝”或“規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化爐”的專利申 請，其全文引入本文作為參考。優(yōu)選的氣化爐包括進料裝置、爐體、爐篦、排灰裝置和空氣進口。頂部設進料裝置， 包括料斗間門，計量加料器和計量鎖氣器，可實現(xiàn)連續(xù)進料。氣化爐頂部設燃氣排放口，后 可接各種氣體凈化及深加工裝置。氣化爐的爐體為一個組合體，由外層金屬殼體和內(nèi)層耐 火防堿金屬腐蝕的襯里組成。氣化爐爐篦為耐熱鑄鐵鑄成，爐篦設在進風管上，下部與可旋 轉(zhuǎn)托盤相連，既用于排灰，也作為氣體分布板，使爐內(nèi)氣流均勻。排灰裝置包括刮刀及灰盤， 可有效將灰排出爐外。氣化爐底部設有空氣進口，也可進富氧或純氧。其中所述的固定床 氣化爐以壓縮成型秸稈生物質(zhì)為原料，生物質(zhì)濕度為5_15%。原料氣化時可以空氣、富氧或 純氧為氣化劑，也可以以后續(xù)凈化工藝處理后獲得水蒸汽和空氣的混合氣體(空氣與水蒸 汽的體積比優(yōu)選為6 1)作為氣化劑進行氣化反應，氣碳比為1. 48-1. 5m3/kg ；操作溫度例 如為 1115-1150°C。氣體凈化工序中，利用水洗塔除去粗燃氣中夾雜的飛灰，以及部分硫化物氮氧化 物等雜質(zhì)，同時降低燃氣溫度至80°C以下，滿足中溫電捕焦油的要求。該工藝中電捕焦油分為中溫和常溫兩種，首先利用中溫電捕焦油器除去大部分焦 油，然后通過間冷塔將燃氣冷卻至常溫，再利用常溫電捕焦油器除去余下的少部分焦油。前已述及，生物質(zhì)燃氣中含有S、Cl等雜質(zhì)很少，因此并不需要火力發(fā)電廠復雜的 脫除流程及龐大的脫除設備。僅需要利用干法脫除(如Fe203、ZnO和CaCO3等)的方式即 可使S、Cl含量分別降至30ppm、0. 5ppm以下。完全滿足內(nèi)燃機對這些雜質(zhì)的要求，同時保 證煙氣外排時不污染大氣。對于氣體凈化工藝，可參考本申請人于同日提交的發(fā)明名稱為“一種應用于生物 質(zhì)氣化過程的氣體深度凈化工藝”的專利申請，其全文引入本文作為參考。其中所述的氣體深度凈化工藝，將由氣化爐出來的粗燃氣分別經(jīng)過水洗塔、中溫 電捕焦油器、間冷塔、常溫電捕焦油器、脫氯塔和脫硫塔后，最終可得到深度凈化的凈燃氣。 該凈化工藝可將生物質(zhì)燃氣焦油、硫和氯可分別脫至8ppm、30ppm以及0. 5ppm以下。完全 滿足后續(xù)進一步利用的要求。對于燃氣發(fā)電工藝及設備，可采用本領域常規(guī)的工藝及設備，沒有特別要求。


圖1是本發(fā)明規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化發(fā)電成套設備示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施方式
作進一步說明。本領域技術(shù)人員了解，下述具體實施方式
不得作為對本發(fā)明的限制，任何對本發(fā)明的改進都沒有背離本發(fā)明的精神。如圖1所示，收集到的生物質(zhì)利用成型機壓縮成高密度的棒狀(1. 1-1. 2kg/m3)進 入氣化爐。該生物質(zhì)氣化爐的爐內(nèi)徑為3m，高為3m，日處理壓縮成型秸稈51噸。其中氣化 爐使用空氣與水蒸氣(來源于后續(xù)間冷塔中排出的高溫水汽)的混合氣作為氣化劑在氣化 爐底入爐向上流動，該氣化劑與自上而下的原料逆流接觸，在燃燒層中充分反應提供氣化
6所需熱量，氣化完全后以灰的方式由底部排出。氣化爐產(chǎn)生的氣化氣、干餾氣及焦油等混 合氣由爐體頂部排出，該粗燃氣分別經(jīng)過水洗塔、中溫電捕焦油器、間冷塔、常溫電捕焦油 器、脫氯塔和脫硫塔，除去99%以上的灰，并將生物質(zhì)燃氣焦油、硫和氯可分別脫至8ppm、 30ppm以及0. 5ppm以下。由深度凈化工序排出的凈燃氣進入內(nèi)燃機燃燒發(fā)電，并利用變壓 器轉(zhuǎn)變?yōu)?5kV高壓電遠程輸送。此外，該工藝中還包括殘渣回收、廢水處理以及煙氣排放 等附屬設施。 上述氣化爐中的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率為98%，氣化強度為294. 8kg/m2h,出口燃氣含氧量 為0. 4%，發(fā)電負荷2MW。
權(quán)利要求
一種規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化發(fā)電生產(chǎn)工藝，其特征在于包括原料預處理、生物質(zhì)固定床氣化、氣體凈化和燃氣發(fā)電步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)工藝，其特征在于原料預處理步驟包括生物質(zhì)收集、烘干和 成型步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的生產(chǎn)工藝，其中所述的生物質(zhì)原料選自農(nóng)作物秸稈，成型后的 相對密度為1. 1-1. 2kg/m3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的氣化爐為大規(guī)模固定床氣 化爐。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項的生產(chǎn)工藝，其特征在于氣體凈化部分采用兩段水(熱水 和冷水)噴淋凈化，采用電捕的方法除去焦油，并利用干法脫除氣體中微量含氯、硫組分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的生產(chǎn)工藝，其特征在于燃氣可用于內(nèi)燃機發(fā)電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項的電生產(chǎn)工藝，其特征在于，由如下步驟組成(1)原料預處理，主要包括原料收集、烘干步驟和原料成型步驟；(2)生物質(zhì)氣化，主要包括在大型生物質(zhì)固定床氣化爐中氣化的步驟；(3)氣體凈化，主要包括除灰、除焦油、脫硫、脫氯步驟；(4)燃氣發(fā)電，主要包括深度凈化后的燃氣主要利用內(nèi)燃機燃燒發(fā)電。
8.一種規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化發(fā)電的成套設備，其特征在于包括原料預處理、生物 質(zhì)固定床氣化、氣體凈化和燃氣發(fā)電裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的成套設備，其特征在于原料預處理裝置包括生物質(zhì)收集、烘干和 成型裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的成套設備，其特征在于，由如下結(jié)構(gòu)組成(1)原料預處理裝置，主要包括原料收集、烘干和成型裝置(2)生物質(zhì)氣化裝置，主要包括大型生物質(zhì)固定床氣化爐；(3)氣體凈化裝置，主要包括除灰、除焦油、脫硫、脫氯設備；(4)燃氣發(fā)電裝置，主要包括內(nèi)燃機。
全文摘要
一種規(guī)?；潭ù采镔|(zhì)氣化發(fā)電生產(chǎn)工藝及成套設備，其特征在于由四個部分組成(1)原料預處理部分，主要包括原料收集、烘干和成型系統(tǒng)(2)生物質(zhì)氣化部分，主要為大型生物質(zhì)固定床氣化爐及其相關(guān)配套設施；(3)氣體凈化部分，主要包括除灰、除焦油、脫硫、脫氯等設備；(4)燃氣發(fā)電部分，深度凈化后的燃氣主要利用內(nèi)燃機中燃燒發(fā)電。此外，本工藝中還包括水處理及換熱等附屬系統(tǒng)。本發(fā)明利用廢棄農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)為原料，利于合理利用資源及環(huán)境保護。本發(fā)明所產(chǎn)氣體熱值較高，并且綜合利用所產(chǎn)殘渣及焦油，開源節(jié)流。本發(fā)明同時充分利用了各環(huán)節(jié)中的產(chǎn)生的能量，從而使熱效率大大提高，降低了運行成本。
文檔編號F02B43/10GK101974351SQ201010251310
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者嚴慧敏, 吳幼青, 宋欣, 尉建中, 盛衛(wèi)東, 秦世平, 韓文科 申請人:高郵市林源科技開發(fā)有限公司;華東理工大學;建設部沈陽煤氣熱力研究設計院