專利名稱：一種微波等離子生物質氣化固定床氣化爐及工藝的制作方法
技術領域：
本發明主要針對采用生物質、固廢垃圾為原料的氣化工藝領域，具體來說是一種利用微波等離子技術高效利用生物質燃料、固廢垃圾來制取高品質合成氣的氣化爐及工藝。
背景技術：
我國生物質資源非常豐富，如棉稈、秸稈、樹枝、稻殼等，而作為主要能源來源的常規優質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注將日益增加。與此同時，隨著人類對環境保護意識的日益增加，在關注資源生產利用的同時，效率更高、污染更小的高科技技術也逐步被工業生產所采用。目前，在生物質氣化固定床工藝中主要存在氣化溫度低，焦油含量大，合成氣品質低等難題，常規生物質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、管道及設備，并對其產生腐蝕，因而危害性極大，同時也影響了生物質燃料、垃圾等制取合成氣的工業化利用。當今世界科技日新月異，隨著微波技術的發展，微波等離子憑借其自身優良的特點，已逐步在低溫化學氣相沉積(CVD)，光導纖維的快速制備，芯片的亞微米級刻蝕，進行高分子材料的表面修飾、微電子材料的加工等方面應用廣泛。本發明主要獨創性采用微波及其等離子技術來實現生物質燃料等的高效、高品質氣化，為生物質燃料、垃圾等制取合成氣的高效工業化利用開辟一條途徑。
發明內容
本發明的目的是提出一種高效微波等離子生物質氣化固定床氣化爐及工藝，解決上述生物質制取合成氣中存在的一系列問題，為生物質燃料制取合成氣，特別是CO和H2的合成氣提供一種經濟、高效的工業利用工藝。為解決上述技術問題，本發明采取的技術方案如下一種微波等離子生物質氣化固定床氣化爐，包括豎直設置的爐體，爐體上部為氣化爐凈空區，爐體最下部為固定床床層，在爐體上有原料和燃料進口、產品氣出口、氧氣/蒸汽進口，在爐體的底部設置有放渣口，產品氣出口處布置有合成氣監測單元；其特征是在所述的爐體上至少設置一段微波等離子發生裝置。作為優選方案，在爐體下部的固定床床層上方與原料和燃料進口之間設置第一段微波等離子發生裝置，并同時在爐體上部的凈空區設置第二段微波等離子發生裝置；第一段微波等離子發生器包括2 3層微波等離子發生器，第二段微波等離子發生器包括1 2層微波等離子發生器；且每層微波等離子發生器均勻布置3 4個等離子工作氣體接入點ο作為優選方案，第一段的微波等離子發生器采用功率大，電極間距小，等離子體溫度高的等離子發生器；第二段的微波等離子發生器采用電極間距大、等離子體活性強、體積范圍廣的等離子發生器。作為優選方案，各等離子發生器微波功率源主頻2. 45GHz，單臺功率約200kW以內。作為優選方案，爐體的上部凈空區設置上層氧氣/蒸汽噴口，爐體的固定床床層區域設置下層氧氣/蒸汽噴口。采用上述氣化爐的生物質氣化工藝，其特征在于包括如下步驟1)生物質燃料、垃圾等物料通過給料裝置送入氣化爐本體內，在微波等離子固定床床層上快速氣化；生物質燃料固定碳成分在床層上氧化區燃燒反應，生成高溫煙氣，煙氣上行至給料區，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生器的富含活性的微波等離子活化氧化劑進行充分化學反應，主要反應為2C+02 = 2C0，C+H20 = C0+H2，反應區溫度控制在 700°C 1600°C ；由于在該溫度區間內，由于微波激發的等離子氧化劑具有電離及分散程度高，氧化活性極強的特點，且在微波輻射、等離子作用下化學反應效能顯著，能在相對較低的環境溫度下，來實現需要高溫高壓環境工況才能實現的化學反應，因而生物質燃料中化學能的轉化比常規工藝的轉化率要高，CO和壓的合成氣品質好含量高，焦油含量少；2)氣化反應生成的合成氣上行至凈空區，并通過第二段的微波等離子發生器進一步裂解；主要是進一步裂解合成氣中的焦油，且對合成氣中烴類物質進行部分轉化；3)剩余焦炭物質下行至固定床床層上并逐步放熱以維持床溫，燃盡后的生物質渣從放渣口排出爐外；4)通過氣化爐頂部產品氣出口處布置的合成氣監測單元實時在線監測，維持氣化工藝參數在控制范圍內。所述的步驟1)中氣化反應區溫度范圍為700°C 1600°C ；所述的步驟4)中合成氣出口溫度1200°C以內。所述的步驟1)中氣化反應區溫度控制在750°C 950°C。所說的步驟1)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，促進燃料中剩余固定碳與蒸汽反應；所說的步驟幻中第二段的微波等離子發生器總功率滿足反應平衡所需吸熱量即可；所說的步驟幻中從上層氧氣/蒸汽噴口適量噴入高溫蒸汽，對合成氣中少量焦油類物質進一步裂解反應。本工藝的有益效果是1.采用微波等離子獨特優良的高電離及高分散度的特點，在爐內實現生物質燃料化學能高效轉化，冷煤氣效率可明顯高于常規生物質氣化工藝，達到85%以上。2.在凈空區布置微波等離子發生器對合成氣中焦油等進行非平衡裂解反應，達到焦油含量極少，能滿足工業化直接利用水平，后續工藝簡單可靠，經濟性好。3.對燃料粒徑無特殊要求，只需簡單破碎，無需復雜處理，經濟性好。
圖1為本發明優選實施例的一種高效微波等離子生物質氣化固定床氣化爐及工藝流程示意圖2為圖1的A-A視圖。其中給料裝置1 ；氣化爐本體2 ；微波等離子發生器3 ；下層氧氣/蒸汽噴口 4 ；上層氧氣/蒸汽噴口 5 ；監測單元6 ；放渣口 7 ；氣化爐凈空區8。
具體實施例方式以下結合實施實例及附圖對本發明作進一步說明，但不限定本發明。氣化爐本體2為垂直設立的圓柱體，最上部為氣化爐凈空區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置豎直向下的放渣口 7 ；氣化爐本體2外部，凈空區8外圍設置上層氧氣/蒸汽噴口 5，固定床床層外圍設置下層氧氣/蒸汽噴口 4，兩處噴口均可開關控制并進行流量調節。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1位于氣化爐本體2的中部并通過斜置的進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，它不需要斜置的進料滑道。微波等離子發生器3的布置數量需依據燃料工業分析中水份、揮發份等含量來考慮，對生物質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生裝置包括2 3層微波等離子發生器3 (附圖1中為布置2層)，集中布置于給料裝置1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1上方的氣化爐凈空區8外圍布置有第二段微波等離子發生裝置，包括1 2層微波等離子發生器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生器。第二段的微波等離子發生器3’采用電極間距大、等離子體活性強、體積范圍廣的等離子發生器，主要作用是進一步裂解合成氣中的焦油，且對合成氣中甲烷等烴類物質也有一定轉化效果，最終在氣化爐出口合成氣中焦油已能降低至工業經濟利用水平，同時烴類物質含量也較低，為后續洗滌脫碳工藝創造有利條件。其中，各等離子發生器微波功率源主頻2. 45GHz，單臺功率約200kW以內。其中，第二段微波等離子發生器總功率滿足反應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測單元6，可實現在線監測合成氣溫度、成份來實時調整氧氣流量、蒸汽流量及微波功率，維持氣化工藝參數在控制范圍內。生物質燃料、垃圾等物料通過給料裝置1送入氣化爐本體2內，在氣化爐固定床床層上快速氣化反應，并在氣化反應區域內進行復雜高效的化學反應，首先燃料顆粒在高溫下爆裂熱解，析出占主要成分的揮發份后剩余半焦，揮發份在微波等離子發生器3微波激發的高活性等離子體氛圍作用下，與氧氣、蒸汽進行高效化學反應，此時，通過控制床層溫度作為調整氣化爐平穩運行的關鍵參數，爐溫過低則加大等離子工作氣體氧氣的補給量，同時調節微波等離子發生器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，促進燃料中剩余固定碳與蒸汽反應，增加H2的產率，同時也對反應區焦油的生成量起到抑制作用，能提高合成氣品質。隨著生物質物料連續給入，氣化持續進行，生成的合成氣上行至凈空區8進一步裂解，剩余焦炭物質下行至固定床床層上并逐步放熱以維持床溫，燃盡后生物質渣從放渣口 7排出爐外。在凈空區8合成氣進入第二段的微波等離子發生器3’區域進行裂解，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進一步裂解反應，能更進一步降低焦油含量，達到后續工藝經濟利用水平。其中，氣化反應區溫度范圍為700°C 1600°C，合成氣出口溫度1200°C以內。本發明特別適用于采用750°C 950°C溫度范圍作為氣化反應溫度段，可在滿足產品品質情況下，盡量減少顯熱轉換，使冷媒氣效率更高。為了使本工藝達到最佳工作效果，滿足工藝整體性能要求，設計中關鍵是控制床層溫度，調節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測裝置來達到對上述關鍵因素的控制，也能實現連鎖控制，進行全自動化操作，提高運行穩定性。以上所揭露的僅為本發明的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，因此依本發明申請專利范圍所作的等效變化，仍屬本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種微波等離子生物質氣化固定床氣化爐，包括豎直設置的爐體，爐體上部為氣化爐凈空區，爐體最下部為固定床床層，在爐體上有原料和燃料進口、產品氣出口、氧氣/蒸汽進口，在爐體的底部設置有放渣口，產品氣出口處布置有合成氣監測單元；其特征是在所述的爐體上至少設置一段微波等離子發生裝置。
2.根據權利要求1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口之間設置第一段微波等離子發生裝置，并同時在爐體上部的凈空區設置第二段微波等離子發生裝置；第一段微波等離子發生器包括2 3層微波等離子發生器，第二段微波等離子發生器包括1 2層微波等離子發生器；且每層微波等離子發生器均勻布置3 4個等離子工作氣體接入點。
3.根據權利要求2所述的氣化爐，其特征在于第一段的微波等離子發生器采用功率大，電極間距小，等離子體溫度高的等離子發生器；第二段的微波等離子發生器采用電極間距大、等離子體活性強、體積范圍廣的等離子發生器。
4.根據權利要求3所述的氣化爐，其特征在于各等離子發生器微波功率源主頻2. 45GHz，單臺功率約200kff以內。
5.根據權利要求1-4之一所述的氣化爐，其特征在于爐體的上部凈空區設置上層氧氣/蒸汽噴口，爐體的固定床床層區域設置下層氧氣/蒸汽噴口。
6.采用上述權利要求之一所述氣化爐的生物質氣化工藝，其特征在于包括如下步驟1)生物質燃料、垃圾等物料通過給料裝置送入氣化爐本體內，在微波等離子固定床床層上快速氣化；生物質燃料固定碳成分在床層上氧化區燃燒反應，生成高溫煙氣，煙氣上行至給料區，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生器的富含活性的微波等離子活化氧化劑進行充分化學反應，主要反應為2C+02=2C0，C+H20 = C0+H2，反應區溫度控制在 700°C 1600°C ；2)氣化反應生成的合成氣上行至凈空區，并通過第二段的微波等離子發生器進一步裂解；主要是進一步裂解合成氣中的焦油，且對合成氣中烴類物質進行部分轉化；3)剩余焦炭物質下行至固定床床層上并逐步放熱以維持床溫，燃盡后的生物質渣從放渣口排出爐外；4)通過氣化爐頂部產品氣出口處布置的合成氣監測單元實時在線監測，維持氣化工藝參數在控制范圍內。
7.根據權利要求6所述的生物質氣化工藝，其特征在于所述的步驟1)中氣化反應區溫度范圍為700°C 1600°C ；所述的步驟4)中合成氣出口溫度1200°C以內。
8.根據權利要求7所述的生物質氣化工藝，其特征在于所述的步驟1)中氣化反應區溫度控制在750°C 950°C。
9.根據權利要求7或8所述的生物質氣化工藝，其特征在于所說的步驟1)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，促進燃料中剩余固定碳與蒸汽反應；所說的步驟2)中第二段的微波等離子發生器總功率滿足反應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進一步裂解反應。
全文摘要
本發明涉及一種微波等離子生物質氣化固定床氣化爐及工藝，包括豎直設置的爐體，爐體上部為氣化爐凈空區，爐體最下部為固定床床層，在爐體上有原料和燃料進口、產品氣出口、氧氣/蒸汽進口，在爐體的底部設置有放渣口，產品氣出口處布置有合成氣監測單元；其特征是在所述的爐體上至少設置一段微波等離子發生裝置。采用微波等離子的高電離及高分散度的特點，在爐內實現生物質燃料化學能高效轉化，冷煤氣效率可明顯高于常規生物質氣化工藝，達到85％以上。對合成氣中焦油等進行非平衡裂解反應，達到焦油含量極少，能滿足工業化直接利用水平，后續工藝簡單可靠。對燃料粒徑無特殊要求，只需簡單破碎，無需復雜處理，經濟性好。
文檔編號C10J3/72GK102559273SQ201110449459
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者夏明貴, 張亮, 張巖豐, 陳義龍 申請人:武漢凱迪工程技術研究總院有限公司