專利名稱：一種利用鍋爐煙氣低溫熱解炭化生物質的裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種利用鍋爐煙氣低溫熱解炭化生物質的裝置及其方法，屬于生物質能利用和鍋爐煙氣余熱利用領域。
背景技術：
世界上生物質資源豐富，種類繁多，主要包括農作物、林產植物及其殘體、水生植物、畜禽糞便、有機廢棄物等。據統計，地球上每年生長的生物質能總量約1400-1800億噸(干重)，相當于目前世界總能耗的10倍左右。我國是農業大國，生物質資源非常豐富，僅農作物秸桿年產量就達7億噸左右。然而目前大多數秸桿以田間焚燒方式直接處理，造成了嚴重的資源浪費和污染環境。由于生物質能源具有低硫、低氮、低灰份、零CO2凈排放等的特點，生物質的燃燒、熱解、氣化和炭化等技術的研究與應用得到世界各國的普遍關注。但因生物質存在的含水量高、不易破碎、能量密度低以及不宜長期貯存與長距離運輸等缺陷，嚴重制約了生物質能的規模化利用。生物質熱解炭化技術是一種很有發展前景的生物質能利用技術，按照熱解炭化溫度的不同，生物質熱解炭化可分為低溫熱解、中溫熱解和高溫熱解三種形式。生物質低溫熱解炭化(又稱烘焙)是指在缺氧、低溫(200-30(TC )和低加熱速率((50°C /min)的條件下，以生產生物質炭為主要產品的熱化學處理方法。該方法提高了生物質的能量密，有效地改善了生物質的粉磨性和疏水性，適宜長期儲存和長距離運輸。近年來，已經開發了土燜炭化、池式炭化和螺旋式炭化等多種炭化方法。根據熱解炭化所需能量供給方式的不同，生物質低溫熱解炭化可分為自熱式、外熱式和組合式三種形式。發明專利CN200810049186.4提供了一種連續式生物質炭化裝置，該裝置通過生物質缺氧燃燒提供熱解炭化所需的熱量(即自熱式炭化)，但該方法未將生物質缺氧燃燒和熱解炭化過程合理分開，給生產控制帶來了一定的難度。CN102226092A和CN102154019A分別公開了一種螺旋式生物質低溫熱解炭化方法及炭化爐，利用燃氣燃燒裝置燃燒生物質熱解過程中產生的低品質熱解氣，并結合少量的外部供熱(組合式炭化·)，來提供生物質熱解炭化所需的能量，基本實現了生物質炭化過程的能量自給，但其仍然存在換熱效率低、生物質炭質量控制較為困難、裝置結構復雜以及炭化爐產量難以大型化等缺陷。因此，為了更好地解決生物質炭化工藝在原料適應性、生物質炭產率、低品位熱解氣以及煙氣余熱綜合利用等方面存在的問題，提高生物質低溫熱解炭化爐處理量和生物質炭質量，有必要開發新的生物質低溫熱解炭化方法和工藝。
發明內容
本發明的目的就是要克服現有生物質低溫熱解炭化技術存在的缺陷，提供一種利用鍋爐煙氣，連續生產生物質炭產率高、質量穩定、炭化過程控制方便、能量綜合利用率高、且易于大型化的生物質炭化裝置及其方法。本發明的裝置采用的技術方案如下:一種利用鍋爐煙氣低溫熱解炭化生物質的裝置，包括鍋爐爐膛、尾部煙道、省煤器、空氣預熱器、脫硫裝置、袋式除塵器、引風機、煙囪、高溫除塵器、高溫風機、低溫熱解炭化爐、生物質料倉、熱解氣風機、熱解氣噴口、生物質炭冷卻裝置、生物質炭粉磨裝置、排粉機、生物質炭粉噴口、生物質炭成型與包裝裝置，省煤器和空氣預熱器設置在尾部煙道內，尾部煙道與脫硫裝置、袋式除塵器、引風機、煙 依次相連，所述尾部煙道還與高溫除塵器、高溫風機和低溫熱解炭化爐依次相連，所述低溫熱解炭化爐包括干燥室和炭化室；熱解氣噴口和生物質炭粉噴口設置在鍋爐爐膛的上部，并分別通過熱解氣風機和排粉機與低溫熱解炭化爐和生物質炭粉磨裝置相連；所述低溫熱解炭化爐的底部出料口與生物質炭冷卻裝置、生物質炭粉磨裝置、生物質炭成型與包裝裝置依次相連。本發明所涉及的利用鍋爐煙氣低溫熱解炭化生物質的方法是:從燃煤或燃燒生物質鍋爐的尾部煙道(省煤器)中抽取中溫煙氣(煙氣溫度為300-450°C、煙氣量約占鍋爐總煙氣量的5% -20% )，經過預除塵器除去絕大部分飛灰，再分成兩部分送入生物質低溫熱解炭化爐內，分別通過間接換熱和直接換熱兩種方式將中溫煙氣中的熱量傳遞給生物質原料，使得生物質在缺氧條件下熱解并生成生物質炭、熱解氣和焦油三種產物。生物質炭既可以經冷卻和粉磨后直接送入鍋爐燃燒，也可以經過冷卻、粉磨、成型與包裝等工藝生產各種形式的生物質炭化產品。一部分參與直接炭化并含熱解氣與焦油等組分的煙氣(150-300°C )經專用管道直接送入鍋爐爐膛內燃燒，另一部分參與生物質干燥或間接換熱后的煙氣(100-250°C )再回送至鍋爐尾部煙道(空氣預熱器上游或脫硫裝置入口)經換熱和凈化后排放。本發明的優點在于:I)熱解炭化過程中產生的可燃性氣體(如CO，H2, VOC等)和生物質炭可直接進入鍋爐燃燒，有效降低了生物質直接燃燒所產生的煙氣流量，減小了生物質鍋爐燃燒和尾部換熱系統的結構尺寸，在大幅提高了生物質鍋爐熱效率的同時，有效降低了鍋爐系統的造價。2)采用直接換熱和間接換熱相結合的方式，可將熱解炭化過程中產生可燃氣體和水蒸汽分開收集，大大提高了生物質炭化爐以及鍋爐系統的熱效率。3)直接利用鍋爐尾部中溫煙氣來熱解炭 化生物質原料，有效避免了生物質炭的復燃現象。4)生物質原料不需要進行復雜的粉碎、烘干和成型等預處理，與其他生物質炭化技術相比，具有原料適應性廣、炭產率高、質量穩定、炭化過程控制方便、易于大型化以及可連續性生產的特點，節約了大量的人工和電費成本。5)低溫熱解過程所產生的生物質炭不僅可以直接送入鍋爐燃燒，也可以經粉磨和成型等工藝制成其他生物質炭化產品。
圖1 一種利用鍋爐煙氣低溫熱解炭化生物質的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合圖1和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明根據生物質原料種類以及抽取煙氣量與煙氣溫度的不同，生物質在低溫熱解炭化炭化爐內的停留時間以及直接換熱煙氣量占抽取煙氣量的百分比分別控制在10-30min和60% -90%,以提高生物質炭化綜合熱效率，保證生物質炭產率與生物質炭品質。利用鍋爐煙氣炭化生物質的工藝流程如圖1所示。裝置主要包括:鍋爐爐膛1、尾部煙道2、省煤器3、空氣預熱器4、脫硫裝置5、袋式除塵器6、引風機7、煙囪8、高溫除塵器
9、高溫風機10、低溫熱解炭化爐11、生物質料倉12、熱解氣風機13、熱解氣噴口 14、生物質炭冷卻裝置15、生物質炭粉磨裝置16、排粉機17、生物質炭粉噴口 18、生物質炭成型與包裝裝置19等。燃料(煤粉或生物質)在鍋爐爐膛I內燃燒產生高溫煙氣，經設置在尾部煙道2內的省煤器3和空氣預熱器4換熱后進入脫硫裝置5，再經袋式除塵6除塵凈化，最后在引風機7的作用下由煙囪排出。在鍋爐省煤器3所在的尾部煙道3內抽取溫度為300-450°C的中溫煙氣，經高溫除塵器9除去大部分粉塵后，經高溫風機10分成兩路分別送入低溫熱解炭化爐11的干燥室1101和炭化室1102，高溫除塵器9收集的粉塵直接送入脫硫裝置的入口煙道501內。與此同時，儲存在生物質料倉12中的生物質原料(含水量15%左右)由給料裝置1201送入低溫熱解炭化爐11內，在中溫煙氣作用下分別完成生物質的干燥和低溫熱解炭化。生物質干燥過程中產生的含有大量水蒸汽的煙氣由低溫熱解炭化爐11的頂部排出，并被回送至空氣預熱器4上游或脫硫裝置入口`煙道501內。生物質低溫熱解過程產生的可燃性氣體(如CO、H2, VOC等)與換熱后的煙氣由熱解氣風機13送至鍋爐爐膛上部的熱解氣噴口 14，再噴入爐膛燃燒。生物質低溫熱解所生成的生物質炭由炭化爐的底部出料口 1103排出，進入生物質炭冷卻裝置15，冷卻后的生物質炭再經生物質炭粉磨裝置16粉磨成粒徑小于0.5mm生物質炭粉。生物質炭粉一方面可以通過排粉機17直接送至生物質炭粉噴口18，再進入鍋爐爐膛內燃燒，另一面也可以利用成型與包裝裝置19制成不同形式的生物質炭化產品。
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工作時，為了充分利用煙氣余熱，獲得良好的生物質熱解炭化效果，本發明涉及的主要控制參數如下:生物質原料含水量在20%以內；生物質原料在低溫熱解炭化爐內停留時間為10-30min ;從鍋爐煙道中抽取的煙氣量占鍋爐總煙氣量的5% -20%，其中進入低溫熱解炭化爐內參與直接換熱的煙氣量占抽取煙氣量的百分比為60% -90%，生物質低溫熱解炭化爐11入口處煙氣溫度為300-450°C，熱解氣出口溫度為150-300°C，干燥室煙氣出口溫度為 150-250°C。本發明還可以有其它實施方式，凡采用同等替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種利用鍋爐煙氣低溫熱解炭化生物質的裝置，包括鍋爐爐膛(I)、尾部煙道(2)、省煤器(3)、空氣預熱器(4)、脫硫裝置(5)、袋式除塵器(6)、引風機(7)、煙囪(8)、高溫除塵器(9)、高溫風機(10)、低溫熱解炭化爐(11)、生物質料倉(12)、熱解氣風機(13)、熱解氣噴口(14)、生物質炭冷卻裝置(15)、生物質炭粉磨裝置(16)、排粉機(17)、生物質炭粉噴口(18)、生物質炭成型與包裝裝置(19)，其特征在于，省煤器(3)和空氣預熱器(4)設置在尾部煙道⑵內，尾部煙道⑵與脫硫裝置(5)、袋式除塵器(6)、引風機(7)、煙囪⑶依次相連，所述尾部煙道(2)還與高溫除塵器(9)、高溫風機(10)和低溫熱解炭化爐(11)依次相連，所述低溫熱解炭化爐(11)包括干燥室(1101)和炭化室(1102);熱解氣噴口(14)和生物質炭粉噴口(18)設置在鍋爐爐膛(I)的上部，并分別通過熱解氣風機(13)和排粉機(17)與低溫熱解炭化爐(11)和生物質炭粉磨裝置(16)相連；所述低溫熱解炭化爐(11)的底部出料口與生物質炭冷卻裝置(15)、生物質炭粉磨裝置(16)、生物質炭成型與包裝裝置(19)依次相連。
2.一種如權利要求1所述利用鍋爐煙氣低溫熱解炭化生物質的裝置的方法，其特征在于，包括如下步驟: 燃料在鍋爐爐膛(1)內燃燒產生高溫煙氣，經省煤器(3)和空氣預熱器(4)換熱后進入脫硫裝置(5)，再經袋式除塵￠)除塵凈化，最后在引風機(7)的作用下由煙囪(8)排出；在省煤器(3)所在的尾部煙道(2)內抽取溫度為300-450°C的中溫煙氣，經高溫除塵器(9)除去大部分粉塵后，經高溫風機(10)分成兩路分別送入低溫熱解炭化爐(11)的干燥室(1101)和炭化室(1102)，高溫除塵器(9)收集的粉塵直接送入脫硫裝置(5)的入口煙道(501)內； 與此同時，儲 存在生物質料倉(12)中的生物質原料由給料裝置(1201)送入低溫熱解炭化爐(11)內，在中溫煙氣作用下分別完成生物質的干燥和低溫熱解炭化；生物質干燥過程中產生的含有大量水蒸汽的煙氣由低溫熱解炭化爐(11)的頂部排出，并被回送至空氣預熱器(4)上游或脫硫裝置(5)的入口煙道(501)內； 生物質低溫熱解過程產生的可燃性氣體與換熱后的煙氣由熱解氣風機(13)送至鍋爐爐膛(I)上部的熱解氣噴口(14)，再噴入爐膛燃燒；生物質低溫熱解所生成的生物質炭由低溫熱解炭化爐(11)的底部出料口排出，進入生物質炭冷卻裝置(15)，冷卻后的生物質炭再經生物質炭粉磨裝置(16)粉磨成粒徑小于0.5_生物質炭粉；生物質炭粉一方面通過排粉機(17)直接送至生物質炭粉噴口(18)，再進入鍋爐爐膛(I)內燃燒，另一面利用生物質炭成型與包裝裝置(19)制成不同形式的生物質炭化產品。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，生物質原料含水量在20%以內；生物質原料在低溫熱解炭化爐(11)內停留時間為10-30min ;從尾部煙道(2)中抽取的煙氣量占鍋爐總煙氣量的5%-20%，其中進入低溫熱解炭化爐(11)內參與直接換熱的煙氣量占抽取煙氣量的百分比為60% -90% ;低溫熱解炭化爐(11)入口處煙氣溫度為300-450°C，熱解氣出口溫度為150-300°C，干燥室(1101)煙氣出口溫度為150-250°C。
全文摘要
本發明公開了一種利用鍋爐煙氣低溫熱解炭化生物質的裝置及其方法，其具體特征是利用鍋爐省煤器處抽取的溫度為300-450℃中溫煙氣，在低溫熱解炭化爐內采用直接換熱和間接換熱相結合的方式，使得生物質在缺氧條件下熱解炭化。炭化過程中獲得的能量密度高、易粉磨、疏水性好的生物質炭，既可以送入鍋爐燃燒，也可以經粉磨、成型等工藝制成生物質炭化產品。本發明充分利用了鍋爐煙氣余熱與熱解氣燃燒熱，實現了生物質的連續炭化，具有原料適應性廣、質量穩定、炭產率高、運行操作方便、能量綜合利用率高、且易于大型化等特點，適用于燃煤電站和生物質電站，其經濟效益、環境效益和社會效益顯著。
文檔編號C10B49/02GK103242869SQ20131017062
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月9日 優先權日2013年5月9日
發明者盧平, 饒肸, 夏雯, 周鈺, 袁也, 張杰辰, 王賢嫻, 徐生榮, 祝秀明 申請人:南京師范大學