專利名稱：分布式可再生能源系統的生物質和高熱值垃圾氣化方法
技術領域：
本發明涉及一種分布式可再生能源的氣化方法，尤其涉及一種分布式可再生能源
系統的生物質和高熱值垃圾的氣化方法，屬于可再生清潔能源技術領域和廢料生產燃料的 技術領域。
背景技術：
分布式可再生能源的氣化方法用于供能系統很有發展前景，它以靈活的可調節 性、能量利用率高和污染小的優勢正逐漸被人們接受。常規分布式供能系統是以不可再生 的天然氣為原料，且我國產量不高。因此采用以可再生能源為主的燃料具有一定的經濟效 益和環境效益。生物質是一種可再生能源，我國農村秸稈類生物質年產量超過6億噸，但長 期以來農作物秸稈大部分被田間焚燒，此方式不僅生物質利用效率低、而且污染空氣環境、 易引發火災和交通事故等問題。按我國國家環境保護總局頒布的《秸稈禁燒和綜合利用管 理辦法》(環發[1999]98號)，農作物秸稈在禁燒區內是禁止焚燒的。 分布式可再生能源系統前期燃料供應的關鍵，就是尋求一種產生高熱值燃氣的技 術。生物質氣化是生物質熱化學轉化中最具實用性的技術之一。生物質氣化是指將固體生 物質在不完全燃燒條件下，利用空氣中的氧氣或含氧物質作氣化劑，將生物質轉化為含C0， H2， C4等可燃氣體的過程。但通過氣化的方式所得到的生物質氣熱值較低(4-6MJ/m"，遠 遠不能滿足分布式供能系統中的微型燃氣輪機的燃料熱值，且氣化過程產生的焦油較多， 造成燃氣凈化困難，影響燃氣輪機的正常工作。 本發明采用的高熱值垃圾包括廢塑料以及生活垃圾經一次粉碎、垃圾分選剔除 不燃物及廚余垃圾后得到的可燃物紙類、塑料橡膠、木竹及紡織品(所占比例分別為5%、 10%、2%和7% )。經分析發現，此高熱值垃圾氣化的燃氣熱值高達到12-35MJ/m3。我國的 白色垃圾(廢塑料)所占的比重越來越大，據統計2005年國內廢棄塑料產生量約為960.8 萬噸，排放率約36%，占我國垃圾排放總量的15%左右(國家重點攻關廢塑料橡膠利用技 術.再生資源與循環經濟，2008 (05))。而且我國歷年垃圾堆積量約60億噸，城市生活垃圾 產生量以年平均增長約9%的速率迅速增大，儲量巨大的生活垃圾已對城市及城市周圍的 生態環境構成嚴重的威脅。據有關規定表明，產氣發熱量大于15. 07MJ/m3的燃料為高熱值 燃料。故若將這些高熱值垃圾混入生物質中，既能使廢塑料和生活垃圾得到處理又能使燃 氣熱值提高，符合國家相關產業政策，達到節能環保的目標。因此本"分布式可再生能源系 統"采用的燃料為秸稈和高熱值垃圾的混合物。 經相關計算得出，應用生物質和高熱值垃圾聯合氣化的方法，使得分布式可再生 能源系統相對于傳統的發電系統能源綜合利用率提高30-50%，且單位電價比電網電價低 0. 19元/KWh，供熱成本比集中供暖低7. 41元/m、在經濟上具有一定的優勢。
發明內容
本發明采用生物質和高熱值垃圾為原料產生氣化氣，以滿足分布式能源系統中燃
3氣輪機的需要，該發明彌補了傳統分布式供能系統原料不可再生且數量不足的缺陷。 生物質是一種可再生能源，但生物質氣化產氣熱值相對較低(4-6MJ/m3)，不能滿
足分布式供能系統中的微型燃氣輪機的燃料熱值，且氣化過程產生的焦油較多，造成燃氣
凈化困難，影響燃氣輪機的正常工作，本發明采用的分布式可再生能源系統的生物質和高
熱值垃圾氣化方法，是一種能夠滿足分布式可再生能源系統中微型燃氣輪機燃料熱值的生
物質和高熱值垃圾聯合氣化方法，并能實現系統后續冷熱電三聯供，該方法采用新型多孔
床料循環流化床氣化爐制取高熱值燃氣。其制取步驟包括 (1)將生物質和高熱值垃圾以1 : 2的質量比投入到運行溫度為600-90(TC的爐 體中，其流化速度大于3-5倍的顆粒終端速度、當量比在0. 2-0. 25之間，生物質和高熱值垃 圾首先發生快速分解生成氣、焦炭和焦油； (2)焦油在高溫環境下繼續裂解，而焦炭與C02、 H20進行進一步的還原，在出口處 未完全反應的碳粒與氣體被分離，氣體作為產品通過集氣裝置送走；焦炭由空氣泵送回流 化床3底部與空氣進行燃燒，產生的熱量經蒸氣發生器供給整個氣化爐，以確保熱解及還 原吸熱過程，基本滿足還原及焦油裂解要求； (3)氣相在爐內的停留時間在2-4s之間，固相在爐內的停留時間能達4-6s之間。
本發明與現有技術相比具有的優點是 1.選用了生物質和高熱值垃圾作為氣化原料，產生的燃氣熱值高，環境污染小，而 且實現了廢物綜合利用； 2.采用多孔床料代替普通床料，該床料對^的生成有較強的促進作用，相同條件 下H2體積分數最多可增加31. 76%，大大提高了燃氣的穩定性。 3.選用了生物質和高熱值垃圾作為氣化原料，能夠滿足分布式可再生能源系統中 微型燃氣輪機燃料熱值的需求，為分布式可再生能源系統實現后續冷熱電三聯供提供了保 證。 由此可見，本發明利用生物質(秸稈)和高熱值垃圾(以廢塑料為主)制取可燃 氣體的方法，突破了傳統的單獨生物質氣化的慣用方法，通過流化床中的化學反應過程，實 現了燃氣熱值高、環境污染小、氣化反應穩定等優點。 這種方法可以明顯提高可再生能源的利用效率，且原料來源豐富，成本低廉，同時 解決了城鎮白色污染和生活垃圾的部分處理處置等問題。
圖1為本發明使用的新型多孔床料循環流化床氣化爐結構示意圖。
圖2為本發明用于分布式可再生能源系統的冷熱電三聯供示意圖。
具體實施例方式
分布式可再生能源系統的生物質和高熱值垃圾氣化方法，該方法采用多孔床料循 環流化床氣化爐制取高熱值燃氣，其制取步驟包括 (1)將生物質和高熱值垃圾以1 : 2的質量比投入到運行溫度為600-90(TC的爐 體中，其流化速度大于3-5倍的顆粒終端速度、當量比在0. 2-0. 25之間，生物質和高熱值垃 圾首先發生快速分解生成氣、焦炭和焦油；
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(2)焦油在高溫環境下繼續裂解，而焦炭與C02、 H20進行進一步的還原，在出口處 未完全反應的碳粒與氣體被分離，氣體作為產品通過集氣裝置5送走；焦炭由空氣泵10送 回流化床3底部與空氣進行燃燒，產生的熱量經蒸氣發生器11供給整個氣化爐，以確保熱 解及還原吸熱過程，基本滿足還原及焦油裂解要求； (3)氣相在爐內的停留時間在2-4s之間，固相在爐內的停留時間能達4-6s之間。
以下結合附圖詳細描述本發明提供的生物質和高熱值垃圾聯合氣化方法的實現 手段。 參看圖l，本發明以多孔床料循環流化床氣化爐為研究手段，在該方法中所使用的 多孔床料循環流化床氣化爐固定在支架12上，其爐壁設有保溫層2，流化床3底部設有多孔 床料層1，并通過流化床3底部的外接管路分別與空氣泵10和蒸氣發生器11連接；在流化 床3頂部設有進料口 4，并通過管路與集氣裝置5連通；溫控裝置6通過熱電偶7與靠近流 化床3的爐體內壁控制連接。在所述空氣泵10和蒸氣發生器11與流化床3之間的管路上 分別設有流量計8。在所述蒸氣發生器11與流化床3之間的管路上還設有限壓閥9。
參看圖2，使用多孔床料循環流化床氣化爐對生物質顆粒和高熱值垃圾進行氣化， 制取的高熱值燃氣為分布式可再生能源系統提供了實現后續冷熱電三聯供。生物質顆粒 (秸稈顆粒)和高熱值垃圾(以廢塑料為主)同時進入多孔床料流化床，產生的高熱值氣體 經凈化器和儲氣罐處理后進入微型燃氣輪機，其內部燃燒室產生的氣體在壓力的作用下膨 脹作功，驅動燃氣輪機發電，多余電量輸入電網。燃氣輪機排出的高溫煙氣進入換熱器，與 給水換熱后一部分供給用戶采暖和生活使用，另一部分進入溴化鋰制冷機制出冷媒水，冷 媒水再進入中央空調的風機盤管內進行換熱降溫。換熱器排出的低溫煙氣經防污染處理后 排入大氣，實現冷熱電三聯供。 以下實施例均是在不同實驗工況下對生物質和高熱值垃圾聯合氣化產氣趨勢的
研究，作為本發明的理論基礎。
實施例1 首先投入沸石作床料到流化床3內形成多孔床料層1，再按1 : 2質量比取2-5mm 的生物質顆粒(秸稈顆粒)和壓縮成型后直徑小于8mm的高熱值垃圾，由進料口 4投入到運 行溫度為600-900°C的爐體中，進料量控制在3. 78kg/h，其流化速度大于3_5倍的顆粒終端 速度、當量比在0. 2-0. 25之間，在氧氣濃度為40%以上的富氧氣氛中，秸稈顆粒和廢塑料 首先發生快速分解生成氣、焦炭和焦油；焦油在高溫環境下繼續裂解，而焦炭與C02、 1120進 行進一步的還原，在出口處未完全反應的碳粒與氣體被分離，氣體當成產品被送進集氣裝 置5，焦炭由空氣泵10送回流化床3底部與空氣進行燃燒，產生的熱量經蒸氣發生器11供 給整個氣化爐，以確保熱解及還原吸熱過程，以及基本滿足還原及焦油裂解要求；氣相在爐 內的停留時間在2-4s之間，固相在爐內的停留時間能達4-6s。實驗結果發現生物質顆粒 和高熱值垃圾聯合氣化后產生的氣體有H2、C0，同時還有CH4， 、C2H4、C2H6和C02等，所有氣體 的總熱值達到30MJ/m3。此燃氣熱值可滿足微型燃氣輪機所需燃料的熱值(26. 1_93. 85MJ/ Nm3) ， C30低壓燃氣型燃氣輪機發電機組日可利用余熱量為7174MJ，可以產生672KWh的電 會g，且滿足1800m2的小區22家住戶洗浴621MJ和制冷機886MJ的熱量需求。流量計8和 限壓閥9分別控制試驗系統的空氣流量和壓力，由集氣裝置5收集聯合氣化后的燃氣。
實施例2
將燃料進料量為3. 78kg/h的生物質顆粒(2-5mm)和壓縮成型的高熱值垃圾(直 徑8mm)以l : 2的質量比投入沸石作床料的流化床內，在蒸汽氣氛(水蒸氣流量為1.38kg/ h)反應溫度在600-90(TC條件下進行氣化。結果發現兩者聯合氣化后產生的氣體有H2、 CO，同時還有CH4， 、 C2H4、 C2H6和C02等，所有氣體的總熱值達到28MJ/m3。此燃氣熱值可滿 足微型燃氣輪機所需燃料的熱值(26. 1-93. 85MJ/Nm3)， C30低壓燃氣型燃氣輪機發電機組 日可利用余熱量為6695MJ，可以產生627KWh的電能，且滿足1600m2的小區19家住戶洗浴 580MJ和制冷機827MJ的熱量需求。其他內容同實施例1。
權利要求
分布式可再生能源系統的生物質和高熱值垃圾氣化方法，該方法采用多孔床料循環流化床氣化爐制取高熱值燃氣，其制取步驟包括(1)將生物質和高熱值垃圾以1∶2的質量比投入到運行溫度為600-900℃的爐體中，其流化速度大于3-5倍的顆粒終端速度、當量比在0.2-0.25之間，生物質和高熱值垃圾首先發生快速分解生成氣、焦炭和焦油；(2)焦油在高溫環境下繼續裂解，而焦炭與CO2、H2O進行進一步的還原，在出口處未完全反應的碳粒與氣體被分離，氣體作為產品通過集氣裝置(5)送走；焦炭由空氣泵(10)送回流化床(3)底部與空氣進行燃燒，產生的熱量經蒸氣發生器(11)供給整個氣化爐，以確保熱解及還原吸熱過程，基本滿足還原及焦油裂解要求；(3)氣相在爐內的停留時間在2-4s之間，固相在爐內的停留時間能達4-6s之間。
2. 根據權利要求1所述的分布式可再生能源系統的生物質和高熱值垃圾氣化方法，其 特征在于在該方法中所使用的多孔床料循環流化床氣化爐固定在支架(12)上，其爐壁設 有保溫層(2)，流化床(3)底部設有多孔床料層(l)，并通過流化床(3)底部的外接管路分 別與空氣泵(10)和蒸氣發生器(11)連接；在流化床(3)頂部設有進料口 (4)，并通過管路 與集氣裝置(5)連通；溫控裝置(6)通過熱電偶(7)與靠近流化床(3)的爐體內壁控制連 接。
3. 根據權利要求2所述的分布式可再生能源系統的生物質和高熱值垃圾氣化方法，其 特征在于在所述空氣泵(10)和蒸氣發生器(11)與流化床(3)之間的管路上分別設有流 量計(8)。
4. 根據權利要求3所述的分布式可再生能源系統的生物質和高熱值垃圾氣化方法，其 特征在于在所述蒸氣發生器(11)與流化床(3)之間的管路上還設有限壓閥(9)。
全文摘要
分布式可再生能源系統的生物質和高熱值垃圾氣化方法，為了解決生物質氣化氣熱值較低，不能滿足分布式供能系統中的微型燃氣輪機的燃料熱值，且氣化過程產生的焦油較多，造成燃氣凈化困難，影響燃氣輪機的正常工作等技術問題而設計的，該方法采用多孔床料循環流化床氣化爐，以生物質(秸稈)和高熱值垃圾作為原料來制取高熱值燃氣。突破了傳統的單獨生物質氣化的慣用方法，通過流化床中的化學反應過程，實現了分布式可再生能源系統的燃氣熱值高、環境污染小、氣化反應穩定等目標。該方法彌補了傳統分布式供能系統原料不可再生且數量不足的缺陷，滿足了分布式供能系統中燃氣輪機的需要，同時可以明顯提高可再生能源的利用效率，且原料來源豐富，成本低廉，同時解決了城鎮白色污染和生活垃圾的部分處理處置問題。
文檔編號C10J3/64GK101768473SQ20101010102
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月26日 優先權日2010年1月26日
發明者孫洋, 李延吉, 李潤東, 楊天華, 邢萬麗 申請人:沈陽航空工業學院