一種生物質氣化產物與煤共燃燒的系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種生物質氣化產物與煤共燃燒的系統及方法，該系統包括生物質氣化裝置、生物質氣化產物分離輸送裝置和鍋爐共燃燒裝置，生物質氣化裝置以生物質為原料，并利用該生物質原料得到生物質氣化產物，生物質氣化產物包括生物質焦和氣態產物；生物質氣化產物分離輸送裝置用于將生物質氣化產物分離并輸送到鍋爐共燃燒裝置中與煤共燃；鍋爐共燃燒裝置用于將生物質氣化裝置中得到的生物質氣化產物與煤在鍋爐中共燃；所述方法采用所述系統實現生物質氣化產物與煤的共燃燒。本發明通過將生物質氣化得到的固、氣、液產物分離，充分利用了生物質原料氣化得到的所有產物，提高了常規生物質與煤共燃鍋爐的發電效率，減少了污染物和溫室氣體的排放。
【專利說明】
一種生物質氣化產物與煤共燃燒的系統及方法
技術領域
[0001]本發明屬于能源利用技術領域，更具體地，涉及一種生物質氣化產物與煤共燃燒的系統及方法。
【背景技術】
[0002]燃煤發電的大量采用導致每年排放大量的二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳氣體，這些污染物的排放及由其形成的酸雨造成的損失約占GDP總量的8%，而且二氧化碳的大量排放造成了嚴重的溫室效應，導致全球氣溫升高，極端天氣愈加頻繁。因此，加快能源結構調整，降低煤炭使用量刻不容緩。
[0003]中國是一個農業大國，每年的農林廢棄物產量巨大，大量農業秸桿采用的是田間焚燒處理方法，產生大量的PM2.5顆粒并造成了大量資源的浪費。與化石能源相比，生物質具有資源豐富、低污染、低灰和可再生的特點，燃用生物質發電可以顯著的降低二氧化硫、氮氧化物、重金屬和二氧化碳的排放。
[0004]將現有的燃煤鍋爐進行改造，摻燒生物質可以顯著降低污染物排放，并在發電規模、燃燒效率和運行穩定等方面有明顯的優勢。但是，由于生物質種類繁多，物理化學特性各不相同，普通的共燃方式對燃料適應性差，輸送生物質及生物質前處理困難，大規模推廣共燃技術仍然存在問題。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種生物質氣化產物與煤共燃燒的系統及方法，其利用生物質氣化產物與煤共燃的低氮燃燒技術，將各種生物質原料進行熱解和氣化，產生生物質焦、生物油、氣化氣三種產物，可將性質差別較大的生物質轉化為性質較為統一的氣化產物，有效地解決了鍋爐對于原料適應性的限制，同時，將生物質顆粒轉化為氣、液、固三態產物，分別投入鍋爐共燃，顯著提高了生物質的利用效率與共燃效果，充分利用氣化產物的燃燒特性，降低了煙氣中氮氧化物的含量，達到提高鍋爐原料適應性、降低污染物排放的目的。
[0006]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，本發明提出了一種生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其特征在于，該系統包括生物質氣化裝置、生物質氣化產物分離輸送裝置和鍋爐共燃燒裝置，其中:
[0007]所述生物質氣化裝置以生物質為原料，并利用該生物質原料得到生物質氣化產物，所述生物質氣化產物包括生物質焦和氣態產物；
[0008]所述生物質氣化產物分離輸送裝置用于將生物質氣化產物分離并輸送到鍋爐共燃燒裝置中與煤共燃；
[0009]所述鍋爐共燃燒裝置用于將生物質氣化裝置中得到的生物質氣化產物與煤在鍋爐中共燃。
[0010]作為進一步優選的，所述生物質氣化裝置包括生物質進料器和氣化反應爐，所述生物質進料器與氣化反應爐相連，其用于將生物質原料輸送至氣化反應爐中；所述氣化反應爐作為生物質原料氣化反應的容器，其底部與鍋爐共燃燒裝置中的鍋爐尾部相連，以此直接利用鍋爐尾部的高溫煙氣為氣化反應爐提供氣化反應所需的能量、O2和C02。
[0011]作為進一步優選的，所述氣化反應爐與鍋爐共燃燒裝置中的鍋爐通過高溫煙氣管道相連，該高溫煙氣管道上設置有風機，以便于抽取鍋爐中的高溫煙氣。
[0012]作為進一步優選的，所述鍋爐共燃燒裝置包括鍋爐以及與鍋爐尾部相連的煙囪。
[0013]作為進一步優選的，所述生物質氣化產物分離輸送裝置包括氣固分離器、生物油液化分離器和磨煤機，所述氣固分離器將離開氣化反應爐的氣態產物進行分離獲得固體顆粒，該固體顆粒與生物質焦及煤混合后并經磨煤機磨制后噴入鍋爐的爐膛中共燃，以利用生物質焦的異相還原特性，還原煤粉燃燒過程中產生的氮氧化物，進而降低煙氣中氮氧化物的排放;所述生物油液化分離器將經過分離的氣態產物進行冷凝以獲得生物油和氣化氣，所述生物油收集在生物油收集器中。
[0014]作為進一步優選的，所述氣化氣作為再燃燃料噴入鍋爐爐膛中部的再燃區，以形成還原區，將燃煤生成的氮氧化物還原成N2,進而降低氮氧化物的生成，減少燃燒煙氣中氮氧化物的含量。
[0015]作為進一步優選的，所述生物油作為再燃燃料噴入鍋爐爐膛中部的再燃區，以形成還原區，將煤燃燒形成的氮氧化物還原成N2，進而降低鍋爐NOx的排放量;或將生物油通入鍋爐的一次風口內，以作為鍋爐的點火用油；或將生物油通入鍋爐的一次風口和二次風口內，以作為鍋爐的穩燃用油，進而實現生物質能源的高效梯級利用。
[0016]作為進一步優選的，所述高溫煙氣的溫度為100°C?1200°C，組成成分為5%02、14%CO2、15 %H20、65.8%氮氣和0.2%的氮氧化物與硫氧化物。
[0017]按照本發明的另一方面，提供了一種生物質氣化產物與煤共燃燒的方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0018]S1、利用生物質氣化裝置以生物質為原料得到生物質氣化產物，生物質氣化產物包括生物質焦和氣態產物；
[0019]S2、利用生物質氣化產物分離輸送裝置將生物質氣化產物分離并輸送到鍋爐共燃燒裝置中；
[0020]S3、利用鍋爐共燃燒裝置將生物質氣化裝置中得到的生物質氣化產物與煤在鍋爐中共燃。
[0021]作為進一步優選的，步驟SI包括如下子步驟:
[0022]S11、開啟連通生物質氣化裝置和鍋爐共燃燒裝置的高溫煙氣管道，向生物質氣化裝置中輸送氣化反應所需的能量、O2和CO2;
[0023]S12、生物質原料經生物質進料器連續的輸送到生物質氣化裝置中，并快速氣化以得到生物質焦和氣態產物；
[0024]步驟S2包括如下子步驟:
[0025]S21、將氣態產物中固體顆粒進行分離，收集固體顆粒，并將生物質氣化裝置中的生物質焦分離出來，將固體顆粒和生物質焦混合后再與煤混合，然后輸送至鍋爐共燃燒裝置中共燃；
[0026]S22、將分離的氣態產物進行冷凝分離獲得生物油和氣化氣，將生物油和氣化氣分別輸送到鍋爐共燃燒裝置中。
[0027]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點:
[0028]1.本發明系統將生物質原料在共燃之前，先進行氣化處理，得到氣、固、液三種氣化產物，根據三種產物的物理化學特性的不同，以分別適合這三態產物的共燃方式投入到鍋爐中與煤共燃，以將特性差別較大的不同生物質轉化為差別較小的三態產物，充分利用了生物質原料氣化得到的所有產物，達到高效利用生物質能，提高常規生物質與煤共燃鍋爐的發電效率，提高了鍋爐對生物質的適應性，減少煤的使用，減少污染物和溫室氣體的排放，最終達到保護環境和碳減排的目的。
[0029]2.本發明中改變氣化反應爐中的反應條件基本不會對隨后的共燃產生明顯影響，在使用不同生物質原料時，不需要對鍋爐進行改動，只需對氣化反應條件進行修改，有效解決了鍋爐對于原料適應性的限制問題。
[0030]3.本發明中，氣化氣和生物油噴入到再燃區，提供還原性氣氛，降低氮氧化物的生成，同時生物質自身氮含量較低，可有效降低燃燒煙氣中的氮氧化物含量。
[0031]4.本發明中，利用生物油代替柴油和重油作為鍋爐點火和穩燃用油，實現生物質能源的高效梯級利用;此外，對于煤粉鍋爐而言，形狀不一且不宜磨碎的生物質很難直接輸送入煤粉爐內，本發明采用固定床式的氣化爐，可以將切碎的物料直接輸送至氣化爐，解決了物料送入問題。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發明實施例的生物質氣化產物與煤共燃燒系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0033]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0034]如圖1所示，本發明實施例提供的一種生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其主要包括生物質氣化裝置A、生物質氣化產物分離輸送裝置B和鍋爐共燃燒裝置C，其中，生物質氣化裝置A以生物質為原料，并利用生物質原料得到生物質氣化產物，生物質氣化產物主要包括生物質焦和氣態產物;生物質氣化產物分離輸送裝置B用于將生物質氣化產物分離并輸送到鍋爐共燃燒裝置C中與煤共燃;鍋爐共燃燒裝置C用于將生物質氣化裝置中得到的生物質氣化產物與煤在鍋爐中共燃。本系統將性質差別較大的生物質轉化為性質較為統一的氣化產物，有效解決了鍋爐對于原料適應性的限制，同時將生物質顆粒轉化為氣、液、固三態產物，分別投入鍋爐共燃，顯著提高了生物質的利用效率與共燃效果，并充分利用氣化產物的燃燒特性，降低了煙氣中氮氧化物的含量。
[0035]下面將對系統中的各個裝置進行詳細的說明和描述。
[0036]生物質氣化裝置A具體為固定床形式，其對生物質原料適應性強，可以對一種生物質或多種生物質進行混合，例如秸桿、谷殼、棉桿、木肩、樹皮等農林廢棄物，樹木等林木等，最大程度的利用各種生物質能，達到更好的能源利用與環境保護方面的目的；其運行條件可以改變，根據鍋爐共燃燒裝置C的需要，可以通過調整反應溫度、停留時間、生物質種類與粒徑等條件，得到不同比例、不同成分的三態產物，以便于達到最好的共燃效果。此外，所采用的生物質原料的多樣性，不同特性的生物質經過氣化之后，得到的氣化產物性質差別小，有效的解決了鍋爐對于原料適應性的限制。
[0037]具體的，生物質氣化裝置A包括生物質進料器I和氣化反應爐2，生物質進料器I與氣化反應爐2相連，其用于將生物質原料輸送至氣化反應爐2中；氣化反應爐2作為生物質原料氣化反應的容器，將生物質氣化生成生物質焦和氣態產物，生物質焦留在氣化反應爐2中，而氣態產物則從氣化反應爐2的頂部輸出，以待后續處理。生物質氣化裝置A的底部設置有進氣口，該進氣口用于輸入高溫煙氣，具體的通過高溫煙氣管道14連接生物質氣化裝置A的進氣口和鍋爐共燃燒裝置C的鍋爐尾部，以此可直接利用鍋爐尾部的高溫煙氣為氣化反應爐提供氣化反應所需的能量、O2和C02。為了便于抽取鍋爐中的高溫煙氣，在高溫煙氣管道14上設置有風機13，其中，高溫煙氣的溫度為100°C?1200°C，組成成分為約5%02、14%C02、15%H20、65.8%氮氣和0.2%的氮氧化物與硫氧化物。氣化反應爐2上還設置有出氣口和排料口，出氣口通過共燃燃料輸運管道12與生物質氣化產物分離輸送裝置B相連，用于排出氣化反應爐中的氣態產物，排料口通過共燃燃料輸運管道12與生物質氣化產物分離輸送裝置B相連，用于排出氣化得到的生物質焦。
[0038]如圖1所示，鍋爐共燃燒裝置C包括鍋爐6以及與鍋爐6尾部相連的煙囪7，其可以根據不同生物質原料以及得到的不同的三態產物(生物質焦、生物油和氣化氣)特性，以不同的輸送方法進入鍋爐共燃，并根據鍋爐運行情況，改變一次風、二次風、三次風、燃盡風、煤粉的噴入方式和比例，同時改變氣化產物噴口的位置、噴入方式，達到最高的熱效率和最低的污染物排放。圖中a為燃盡區，b為再燃區，c為主燃區。
[0039]生物質氣化產物分離輸送裝置B將生物質氣化產物分離并以最優的方式分配到鍋爐中與煤共燃，其包括氣固分離器3、生物油液化分離器4和磨煤機11，氣固分離器3將離開氣化反應爐的氣態產物進行分離以獲得固體顆粒，并將留在氣化反應爐2中的生物質焦分離出來，將兩部分固體產物混合，然后與煤混合后經磨煤機11磨制后噴入鍋爐6的爐膛中共燃。通過將焦與煤混合燃燒，可以利用焦異相還原特性，還原煤粉燃燒過程中產生的氮氧化物，降低煙氣中氮氧化物的排放。生物油液化分離器4將經過分離的氣態產物進一步進行冷凝分離以獲得生物油和氣化氣，生物油由生物油收集器5收集，然后存儲在油罐10中。
[0040]其中，氣化氣作為再燃燃料噴入鍋爐爐膛中部的再燃區，以形成還原區，將燃煤生成的氮氧化物還原成N2,進一步降低氮氧化物的生成，減少燃燒煙氣中氮氧化物的含量。生物油作為再燃燃料噴入鍋爐爐膛中部的再燃區，以形成還原區，將煤燃燒形成的氮氧化物還原成N2,進而降低鍋爐NOx的排放量;或者可以將生物油通入鍋爐的一次風口9內，以作為鍋爐的點火用油;或者可以將生物油通入鍋爐的一次風口 9和二次風口8內，以作為鍋爐的穩燃用油，取代柴油和重油，實現生物質能源的高效梯級利用。
[0041]本發明實施例還提供了一種生物質氣化產物與煤共燃燒的方法，其采用本發明的系統實現生物質氣化產物與煤的共燃燒，其主要包括如下步驟:
[0042]S1、利用生物質氣化裝置A以生物質為原料得到生物質氣化產物:
[0043]S11、開啟連通生物質氣化裝置A和鍋爐共燃燒裝置C的高溫煙氣管道14，向生物質氣化裝置A中輸送氣化反應所需的能量、O2和C02，保證氣化反應爐中氣氛和溫度適合氣化；
[0044]S12、生物質原料經生物質進料器I連續的輸送到生物質氣化裝置A中，并快速氣化以得到生物質焦和氣態產物；
[0045]S2、利用生物質氣化產物分離輸送裝置B將生物質氣化產物分離并輸送到鍋爐共燃燒裝置C中:
[0046]S21、將氣態產物中固體顆粒進行分離，收集固體顆粒，并將生物質氣化裝置A中的生物質焦分離出來，將固體顆粒和生物質焦混合后再與煤混合，然后輸送至鍋爐共燃燒裝置中；
[0047]S22、將分離的氣態產物進行冷凝分離獲得生物油和氣化氣，將生物油和氣化氣分別輸送到鍋爐共燃燒裝置中；
[0048]S3、利用鍋爐共燃燒裝置C將生物質氣化裝置中得到的生物質焦、生物油和氣化氣三態產物與煤在鍋爐中共燃。
[0049]以下為本發明的具體實施例，通過該實例進一步對本發明進行說明。
[0050]本系統運行時，首先將破碎并干燥后粒徑不大于50mm的玉米秸桿通過生物質進料器輸送到氣化反應爐中，氣化反應爐的能量和02、C02來自于鍋爐尾部抽取的高溫煙氣，高溫煙氣的溫度為100tC，實現氣化爐的高效連續運行;在循環高溫煙氣的氣氛與加熱作用下，玉米秸桿顆粒在500 V下經過氣化后，產生揮發份和焦;揮發份通過氣化反應爐上端的出氣口排出，焦通過氣化爐下端的排料口排出；揮發份通過氣固分離器后，將揮發份中夾帶的細小焦炭顆粒分離出來，分離出的焦炭顆粒掉落到焦的輸送管道中；分離后的揮發份進入生物油分離器中，揮發份冷凝后產生生物油，生物油進入生物油收集器，之后通入油罐;不可凝部分為氣化氣；
[0051]收集到的焦通過輸送管道與煤混合，一同經磨煤機磨制后噴入爐膛主燒區；氣化氣則通過單獨的噴口噴入爐膛中部再燃區，一同共燃;生物油自生物油收集器出來之后，分為兩部分:一部分噴入再燃區；另一部分進入油罐，之后分為兩路作為一次風和二次風穩燃用油和二次風大油槍穩燃用油。
[0052]本領域的技術人員容易理解，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其特征在于，該系統包括生物質氣化裝置(A)、生物質氣化產物分離輸送裝置(B)和鍋爐共燃燒裝置(C)，其中: 所述生物質氣化裝置(A)以生物質為原料，并利用該生物質原料得到生物質氣化產物，所述生物質氣化產物包括生物質焦和氣態產物； 所述生物質氣化產物分離輸送裝置(B)用于將生物質氣化產物分離并輸送到鍋爐共燃燒裝置(C)中與煤共燃； 所述鍋爐共燃燒裝置(C)用于將生物質氣化裝置中得到的生物質氣化產物與煤在鍋爐中共燃。2.根據權利要求1的生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其特征在于，所述生物質氣化裝置(A)包括生物質進料器(I)和氣化反應爐(2)，所述生物質進料器(I)與氣化反應爐(2)相連，其用于將生物質原料輸送至氣化反應爐(2)中；所述氣化反應爐(2)作為生物質原料氣化反應的容器，其底部與鍋爐共燃燒裝置(C)中的鍋爐尾部相連，以此直接利用鍋爐尾部的高溫煙氣為氣化反應爐提供氣化反應所需的能量、O2和C02。3.根據權利要求2的生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其特征在于，所述氣化反應爐(2)與鍋爐共燃燒裝置(C)中的鍋爐通過高溫煙氣管道(14)相連，該高溫煙氣管道(14)上設置有風機(13)，以便于抽取鍋爐中的高溫煙氣。4.根據權利要求3的生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其特征在于，所述鍋爐共燃燒裝置(C)包括鍋爐(6)以及與鍋爐(6)尾部相連的煙囪(7)。5.根據權利要求1的生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其特征在于，所述生物質氣化產物分離輸送裝置(B)包括氣固分離器(3)、生物油液化分離器(4)和磨煤機(11)，所述氣固分離器(3)將離開氣化反應爐的氣態產物進行分離獲得固體顆粒，該固體顆粒與生物質焦及煤混合后并經磨煤機(11)磨制后噴入鍋爐(6)的爐膛中共燃，以利用生物質焦的異相還原特性，還原煤粉燃燒過程中產生的氮氧化物，進而降低煙氣中氮氧化物的排放;所述生物油液化分離器(4)將經過分離的氣態產物進行冷凝以獲得生物油和氣化氣，所述生物油收集在生物油收集器(5)中。6.根據權利要求5的生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其特征在于，所述氣化氣作為再燃燃料噴入鍋爐爐膛中部的再燃區，以形成還原區，將燃煤生成的氮氧化物還原成N2，進而降低氮氧化物的生成，減少燃燒煙氣中氮氧化物的含量。7.根據權利要求5的生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其特征在于，所述生物油作為再燃燃料噴入鍋爐爐膛中部的再燃區，以形成還原區，將煤燃燒形成的氮氧化物還原成Ns，進而降低鍋爐NOx的排放量;或將生物油通入鍋爐的一次風口內，以作為鍋爐的點火用油；或將生物油通入鍋爐的一次風口和二次風口內，以作為鍋爐的穩燃用油，進而實現生物質能源的高效梯級利用。8.根據權利要求2和3的生物質氣化產物與煤共燃燒的系統，其特征在于，所述高溫煙氣的溫度為100℃?1200℃，組成成分為5%02、14%0)2、15%!120、65.8%氮氣和0.2%的氮氧化物與硫氧化物。9.一種生物質氣化產物與煤共燃燒的方法，其特征在于，包括如下步驟: S1、利用生物質氣化裝置(A)以生物質為原料得到生物質氣化產物，生物質氣化產物包括生物質焦和氣態產物； S2、利用生物質氣化產物分離輸送裝置(B)將生物質氣化產物分離并輸送到鍋爐共燃燒裝置(C)中； S3、利用鍋爐共燃燒裝置(C)將生物質氣化裝置中得到的生物質氣化產物與煤在鍋爐中共燃。10.根據權利要求9的生物質氣化產物與煤共燃燒的方法，其特征在于，步驟SI包括如下子步驟: S11、開啟連通生物質氣化裝置(A)和鍋爐共燃燒裝置(C)的高溫煙氣管道(14)，向生物質氣化裝置(A)中輸送氣化反應所需的能量、O2和CO2; S12、生物質原料經生物質進料器(I)連續的輸送到生物質氣化裝置(A)中，并快速氣化以得到生物質焦和氣態產物； 步驟S2包括如下子步驟: S21、將氣態產物中固體顆粒進行分離，收集固體顆粒，并將生物質氣化裝置(A)中的生物質焦分離出來，將固體顆粒和生物質焦混合后再與煤混合，然后輸送至鍋爐共燃燒裝置(C)中共燃； S22、將分離的氣態產物進行冷凝分離獲得生物油和氣化氣，將生物油和氣化氣分別輸送到鍋爐共燃燒裝置中。
【文檔編號】C10B53/02GK105841140SQ201610205543
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】向軍, 熊哲, 汪, 汪一, 胡松, 蘇勝, 江龍, 孫依, 唐浩
【申請人】華中科技大學