一種交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置及方法
【專利摘要】本發明是一種交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置與方法，固體燃料與用于流化與反應的氣體在流化床氣化反應器內發生熱解氣化反應，生成可燃氣體與未完全發生熱解氣化反應的固體焦與半焦；熱解反應所需熱量來源于高溫載熱循環床料；固體焦/半焦和放出熱量后的載熱循環床料根據反應器內運行狀態通過旋風分離器或溢流裝置進入氣動返料器中，隨后被可控的送至燃燒反應器內；固體焦/半焦在燃燒反應器內燃燒將載熱循環床料再次加熱；加熱后的載熱循環床料通過返料裝置再次進入氣化反應器，為熱解氣化反應提供熱量。氣化裝置同時適應鼓泡流態化與快速流態化的運行參數，從而實現對多種可燃固體的良好適應性以及整體裝置的運行高效率。
【專利說明】一種交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置，屬于固體燃料能源【技術領域】。該交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置適合應用于煤氣化、生物質氣化等多個方面。
【背景技術】
[0002]隨著當今社會的迅速進步，與之發展過程伴隨而生的能源與環境問題日益凸顯，這對能源生產和消耗方式的改進以及新能源技術的開發利用產生了現實而又緊迫的需求。
[0003]具體就我國國情而言，石油、天然氣儲量相對較少，尤其是石油需求與國內產量相比缺口很大，需要從海外各產油國大量進口，目前我國對外石油依存度已高達60%，對于保障國家能源安全和維護人民安定生活都是一個重要的隱患。相對于石油與天然氣資源的短缺，我國煤炭資源儲量豐富且產量巨大，目前煤炭占我國能源消費總量的約七成。另一方面，包括生物質在內的可燃固體廢棄物在我國的產量也非常大，特別是生物質資源作為清潔可再生能源之一，此類資源的應用對于彌補能源需求缺口和改善能源消費組成結構具有重要作用，對于可持續發展的實現和生態環境的改善也具有重要的現實意義。
[0004]固體燃料氣化是未來能源、燃料和化工原料工業的基本技術之一，也是當前固體燃料利用的有效技術之一。通過氣化技術利用煤、生物質和各類固體廢棄物轉化生成產品氣或合成氣。產品氣經處理后既可以直接作為燃料，也可以通過進一步的精制以及甲烷化等手段生產合成天然氣作為天 然氣的替代品使用。合成氣則可以被廣泛地用于各類化工生產中作為化學合成過程的原料氣，通過合成可以生產多種基本化工原料以及可用于替代石油產品的各類燃料油。
[0005]氣化技術的研究開發至今已有一個多世紀的歷史，在其發展過程中形成了多種不同的技術。當前氣化技術主要包括固定床/移動床技術、流化床技術和氣流床技術三類，其中流化床氣化技術具有工作溫度適中、生產能力較強等優點，但是仍然存在固定碳的對原料要求較高、氣化轉化效率不高、控制困難、焦油產量大且產氣熱值較低等缺點。
[0006]雙流化床氣化技術是一種近年來逐漸引起人們重視的特殊流化床氣化技術，通過利用雙流化床的特殊結構實現對可燃固體物料氣化中復雜化學反應網絡的解耦控制，從而對氣化過程中產出的能量與物質進行高效利用。當前設計用于氣化技術的雙流化床裝置主要包括鼓泡床耦合鼓泡床、鼓泡床耦合循環床、循環床耦合循環床三類，設計時所采用耦合氣化床的類型限定了雙流化床氣化裝置的原料和工作參數，此類裝置對物料成分和尺寸的變化應對能力相對較差，不能完全適應多種可燃固體原料應用背景下的實際應用。
【發明內容】
[0007]技術問題:
[0008]本發明的目的之一在于提供一種交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置。該裝置具有雙流化床交互循環回路，包括流化床氣化爐、氣化爐旋風分離器、氣化爐氣動返料裝置、流化床燃燒爐、燃燒爐旋風分離器、燃燒爐氣動返料裝置。兩個返料裝置的入口管段分別與旋風分離器固體出口以及反應器溢料管連接。返料裝置用于將一個反應器產生固體物料可控的送入另一個反應器中從而實現雙流化床反應器間的交互循環與耦合。
[0009]本發明的目的之一還在于提供交互循環雙流化床固體燃料氣化方法。固體燃料在氣化反應器進行熱解氣化產生可燃氣體。反應產生的焦/半焦通過返料裝置被送入燃燒反應器，在混合有熱載體顆粒的情況下燃燒放熱。加熱后的熱載體通過循環回路回到氣化反應器中提供氣化反應所需的熱量。通過使用交互循環雙反應器的設計解除氣化過程中所涉及的各反應間的耦合，使得對各反應間的相互作用區分利用成為可能，從而提高氣化過程所產生能量與物質的利用效率并提升可燃氣品質。
[0010]技術方案:為解決上述技術問題，本發明提供了一種交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置，該氣化裝置包括流化床氣化反應器和流化床燃燒反應器；
[0011]流化床氣化反應器上部出口與氣化反應器旋風分離器相連接，而后經返料下降管與氣化反應器返料器上部一側相連接；流化床氣化反應器中部設置有溢流斜管與返料下降管相連；氣化反應器氣動返料器通過燃燒反應器返料斜管與流化床燃燒反應器相連；
[0012]流化床燃燒反應器上部出口與燃燒反應器旋風分離器相連接，而后經返料下降管與燃燒反應器返料器上部一側相連接；流化床燃燒反應器中部設置有溢流斜管與返料下降管相連；燃燒反應器氣動返料器通過氣化反應器返料斜管與流化床氣化反應器相連。
[0013]優選的，流化床氣化反應器運行的表觀氣速為0.4~5m/s，流化床燃燒反應器運行的表觀氣速為0.4~5m/s ;流化床氣化反應器運行的溫度為700~900°C，流化床氣化反應器運行的溫度為800~1000°C。
[0014]本發明還提供了一種交互循環雙流化床固體燃料氣化方法，該方法包括如下步驟，
[0015]固體燃料通過螺旋進料器入口加至流化床氣化反應器中，并使該固體燃料被由該流化床反應器底部流化氣體入口供入的流化氣體流化，被流化的固體燃料與高溫載熱循環床料混合并升溫，固體燃料中的揮發分首先析出，隨后剩余固體燃料在氣化反應器中發生熱解氣化，產生可燃氣和焦/半焦，可燃氣經過氣化反應器旋風分離器分離輸出，包含焦/半焦在內的反應剩余固體物料混合有載熱床料根據流化條件不同通過氣化反應器旋風分離器或氣化反應器溢料斜管經由返料下降管送入氣化反應器氣動返料器，隨后經由燃燒反應器返料斜管被送入燃燒反應器；焦/半焦作為燃料在燃燒反應器中并被由燃燒反應器底部流化氣體入口供入的流化氣體流化，通過利用流化氣體中含有的氧氣燃燒，燃燒釋放的熱量被用于加熱載熱循環床料，燃燒生成的煙氣由燃燒反應器旋風分離器分離排出；升溫后的載熱循環床料根據流化條件不同通過燃燒反應器旋風分離器或氣化反應器溢料斜管經由返料下降管送入燃燒反應器氣動返料器，隨后經由氣化反應器返料斜管又重新進入氣化反應器，并釋放熱量加熱固體燃料使其熱解氣化，從而形成雙流化床反應器間的交互循環。
[0016]優選的，流化床氣化反應器與流化床燃燒反應器均通過對氣化反應器溢料斜管和燃燒反應器溢料斜管上所設置的閥門開關使之分別處于鼓泡流態化或快速流態化的運行狀態。
[0017]有益效果:與現有技術相比，本發明具有如下的特色及優點:
[0018](1)本發明采用流化床氣化反應器與流化床燃燒反應器相結合的交互循環雙流化床操作方法，利用固體載熱床料實現了固體燃料中高溫氣化與焦/半焦燃燒的有機結合，將吸熱的熱解氣化反應與放熱的燃燒反應放在同一裝置內完成，實現了能量與物質的聯合產出與分別利用；
[0019](2)本發明所述方法中的固體燃料的熱解/氣化和燃燒過程分別在兩個流化床中進行，可以實現分別控制，易于提高整體系統的運行效率；
[0020](3)本發明所述氣化裝置在采用雙流化床反應器，具有流化床反應器對固體燃料種類適應性好、污染排放低、操作簡單、處理量大等優點。在此基礎上通過特殊設計使得所述裝置可以分別適應鼓泡流態化和快速流態化的運行要求，使得所述氣化裝置能夠應對包括煤、生物質等在內的復雜固體燃料，并且通過運行參數的調整能夠最大限度的提高燃燒與氣化效率，從而實現物質與能量的高效利用；
[0021](4)本發明可以進一步采用多層加料結構與多層溢流結構，根據可燃固體種類以及運行參數的變化對進料與溢料位置進行調整，使得不同種類的可燃固體可以同時在所述裝置上使用，有利于固體燃料氣化技術的普及與發展。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明交互循環雙流化床氣化裝置原理示意圖；
[0023]圖2是實施本發明方法的一種結合換熱器和凈化裝置處理產品氣和煙氣的氣化裝置結構示意圖。
[0024]其中有:氣化反應器螺旋進料入口 1，氣化反應器流化氣體入口 2，流化床氣化反應器3，氣化反應器旋風分離器4，氣化反應器溢料斜管及控制閥門5，氣化反應器氣動返料器6，燃燒反應器返料斜管7，燃燒反應器螺旋進料入口 8，燃燒反應器流化氣體入口 9，燃燒反應器10，燃燒反應器旋風分 離器11，燃燒反應器溢料斜管及控制閥門12，燃燒反應器氣動返料器13，氣化反應器返料斜管14，氣化反應器氣動返料器返料氣體入口 15，燃燒反應器氣動返料器返料氣體入口 16，氣化反應器出口 17，燃燒反應器出口 18，可燃氣體出口19，煙氣出口 20，氣化反應器旋風分離器返料下降管21，燃燒反應器旋風分離器返料下降管22，可燃氣凈化裝置A、煙氣凈化裝置B、可燃氣換熱器C、煙氣換熱器D。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作更進一步的說明。
[0026]參見圖1-2，本發明提供的交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置，包括流化床氣化反應器3和流化床燃燒反應器10 ;流化床氣化反應器上部出口 17與氣化反應器旋風分離器4相連接，而后經返料下降管21與氣化反應器返料器6上部一側相連接；流化床氣化反應器中部設置有溢流斜管5與返料下降管21相連；氣化反應器氣動返料器6通過燃燒反應器返料斜管7與流化床燃燒反應器相連；流化床燃燒反應器上部出口 18與燃燒反應器旋風分離器11相連接，而后經返料下降管22與燃燒反應器返料器13上部一側相連接；流化床燃燒反應器中部設置有溢流斜管12與返料下降管22相連；燃燒反應器氣動返料器13通過氣化反應器返料斜管14與流化床氣化反應器相連。
[0027]固體燃料采用褐煤與生物質混合物料，通過螺旋進料器入口 I加至流化床氣化反應器3中，并使該固體燃料被由該流化床反應器底部流化氣體入口 2供入的流化氣體流化，被流化的固體燃料與高溫載熱循環床料混合并升溫，固體燃料中的揮發分首先析出，隨后剩余固體燃料在氣化反應器3中發生熱解氣化，產生可燃氣和固體焦/半焦，可燃氣經過氣化反應器旋風分離器4分離輸出，包含焦/半焦在內的反應剩余固體物料混合有載熱床料根據流化條件不同通過氣化反應器旋風分離器4或氣化反應器溢料斜管5經由返料下降管送入氣化反應器氣動返料器6，隨后經由燃燒反應器返料斜管7被送入燃燒反應器10。焦/半焦作為燃料在燃燒反應器10中并被由燃燒反應器底部流化氣體入口 9供入的流化氣體流化，通過利用流化氣體中含有的氧氣燃燒，燃燒釋放的熱量被用于加熱載熱循環床料，燃燒生成的煙氣由燃燒反應器旋風分離器11分離排出。升溫后的載熱循環床料根據流化條件不同通過燃燒反應器旋風分離器11或氣化反應器溢料斜管12經由返料下降管送入燃燒反應器氣動返料器13，隨后經由氣化反應器返料斜管14又重新進入氣化反應器3，并釋放熱量加熱固體燃料使其熱解氣化，從而形成雙流化床反應器間的交互循環。
[0028]流化床氣化反應器3與流化床燃燒反應器10均在設置有上部出口分別與氣化反應器旋風分離器4和燃燒反應器旋風分離器11相連，同時均在流化床反應器中部設置有可由閥門控制開關的氣化反應器返料斜管5和燃燒反應器返料斜管12，氣化反應器返料斜管
5與氣化反應器旋風分離器返料下降管21匯合后通入氣化反應器氣動返料器6，燃燒反應器返料斜管12與燃燒反應器旋風分離器返料下降管22匯合后通入燃燒反應器氣動返料器13。
[0029]流化床氣化反應器3與流化床燃燒反應器10均可以通過對氣化反應器溢料斜管5和燃燒反應器溢料斜管12上所設置的閥門開關使之分別處于鼓泡流態化或快速流態化的運行狀態。
[0030]流化床氣化反應器3運行的表觀氣速為0.4~5m/s，流化床燃燒反應器10運行的表觀氣速為0.4~5m/s ;流化床氣化反應器3運行的溫度為700~900°C，流化床氣化反應器10運行的溫度為800~1000`°C。
[0031]當流化床氣化反應器3內溫度低于設計要求時，可以通過燃燒反應器螺旋進料入口 8向流化床燃燒反應器10加入固體燃料或者由燃燒反應器流化氣體入口 9向流化氣體內混入可燃氣體，用以提高燃燒反應器10內燃燒強度提高反應器內工作溫度。
[0032]燃固體選用生物質與褐煤混合物作為原料，打開流化床氣化反應器3的溢流斜管5上設置的閥門使之作為鼓泡流化床運行，氣化反應器內表觀氣速設定為0.35~0.45m/s,關閉燃燒反應器10的溢流斜管12上設置的閥門使之作為快速流化床運行，燃燒反應器內表觀氣速設定為3.5~4m/s。
[0033]固體燃料經由燃燒爐螺旋進料器入口 8被送入流化床燃燒反應器10，燃燒反應器螺旋進料速度設定為0.5m/s，通過設置在燃燒反應器內的點火裝置點火，并控制燃燒反應器內溫度為900±20°C。當氣化反應器內溫度逐漸上升達到設計范圍內后，通過氣化反應器螺旋進料器入口 I加入固體燃料，氣化反應器內溫度控制為800±20°C。
[0034]固體燃料加入氣化流化床10后被底部流化氣體入口通入的空氣與水蒸氣混合氣體流化，高溫載熱循環床料對固體燃料加熱使其在此環境下熱解氣化。固體燃料熱解氣化后一部分成分轉化為可燃氣，生物質與煤殘余部分轉化為焦。高溫可燃氣從氣化反應器旋風分離器出口 19輸出，首先經過可燃氣換熱器C作為第一級預熱加熱輸入的空氣，然后經過可燃氣凈化裝置A做進一步凈化處理并分離焦油后得到可燃氣產品，作為燃料或者工業原料使用。焦和換熱后的床料從溢流口流出經由氣化反應器溢料斜管5進入氣化反應器返料器6，氣化反應器返料器設有流化氣體入口 15，此處選用空氣送入氣化反應器返料器6將生物質與煤反應生成的焦和換熱后的床料送入流化床燃燒反應器10。
[0035]空氣作為流化風從流化床燃燒反應器10底部燃燒反應器流化氣體入口 9送入，輔助燃料從燃燒反應器螺旋進料器入口 8進入。生物質與煤氣化剩余的焦和輔助燃料在燃燒反應器10內燃燒并釋放熱量使載熱循環床料升溫。加熱后的載熱循環床料和高溫煙氣上升進入燃燒反應器旋風分離器11，高溫煙氣在此被分離后由燃燒反應器旋風分離器出口20輸出，用于煙氣換熱器D對空氣進行第二級預熱，而后經煙氣凈化裝置B處理污染物后排放入環境中。高溫載熱循環床料則被分離后經由燃燒反應器旋風分離器返料下降管22進入燃燒反應器返料器13，隨后由氣化反應器返料斜管14返回氣化反應器內3。高溫載熱循環物料和固體燃料通過熱對流等傳熱方式進行換熱，同時高溫床料起到催化作用。
[0036]返料器均為相互連通的雙室結構，包括入料室與出料室，可以實現雙流化床反應器間物料的可控循環并有效防止氣化裝置內氣體的竄混，通過通入返料器內的空氣流量可以控制循環物料的通量 。
【權利要求】
1.一種交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置，其特征在于，該氣化裝置包括流化床氣化反應器(3)和流化床燃燒反應器(10)； 流化床氣化反應器(3)上部出口(17)與氣化反應器旋風分離器(4)相連接，而后經返料下降管(21)與氣化反應器返料器(6)上部一側相連接；流化床氣化反應器中部設置有溢流斜管(5)與返料下降管(21)相連；氣化反應器氣動返料器(6)通過燃燒反應器返料斜管(7)與流化床燃燒反應器(10)相連； 流化床燃燒反應器(10)上部出口( 18)與燃燒反應器旋風分離器(11)相連接，而后經返料下降管(22)與燃燒反應器返料器(13)上部一側相連接；流化床燃燒反應器中部設置有溢流斜管(12)與返料下降管(22)相連；燃燒反應器氣動返料器(13)通過氣化反應器返料斜管(14)與流化床氣化反應器相連。
2.根據權利要求1所述的交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置，其特征在于，流化床氣化反應器(3)運行的表觀氣速為0.4~5m/s，流化床燃燒反應器(10)運行的表觀氣速為0.4~5m/s ;流化床氣化反應器(3)運行的溫度為700~900°C，流化床氣化反應器(10)運行的溫度為800~1000°C。
3.一種交互循環雙流化床固體燃料氣化方法，其特征在于，該方法包括如下步驟， 固體燃料通過螺旋進料器入口(I)加至流化床氣化反應器(3)中，并使該固體燃料被由該流化床反應器底部流化氣體入口(2)供入的流化氣體流化，被流化的固體燃料與高溫載熱循環床料混合并升溫，固體燃料中的揮發分首先析出，隨后剩余固體燃料在氣化反應器(3)中發生熱解氣化 ，產生可燃氣和焦/半焦，可燃氣經過氣化反應器旋風分離器(4)分離輸出，包含焦/半焦在內的反應剩余固體物料混合有載熱床料根據流化條件不同通過氣化反應器旋風分離器(4)或氣化反應器溢料斜管(5)經由返料下降管送入氣化反應器氣動返料器(6)，隨后經由燃燒反應器返料斜管(7)被送入燃燒反應器(10);焦/半焦作為燃料在燃燒反應器(10)中并被由燃燒反應器底部流化氣體入口(9)供入的流化氣體流化，通過利用流化氣體中含有的氧氣燃燒，燃燒釋放的熱量被用于加熱載熱循環床料，燃燒生成的煙氣由燃燒反應器旋風分離器(11)分離排出；升溫后的載熱循環床料根據流化條件不同通過燃燒反應器旋風分離器(11)或氣化反應器溢料斜管(12)經由返料下降管送入燃燒反應器氣動返料器(13)，隨后經由氣化反應器返料斜管(14)又重新進入氣化反應器(3)，并釋放熱量加熱固體燃料使其熱解氣化，從而形成雙流化床反應器間的交互循環。
4.根據權利要求3所述的交互循環雙流化床固體燃料氣化裝置，其特征在于，流化床氣化反應器(3 )與流化床燃燒反應器(10 )均通過對氣化反應器溢料斜管(5 )和燃燒反應器溢料斜管(12)上所設置的閥門開關使之分別處于鼓泡流態化或快速流態化的運行狀態。
【文檔編號】C10J3/56GK103756731SQ201410003086
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月3日 優先權日:2014年1月3日
【發明者】鐘文琪, 耿察民, 金保昇, 邵應娟, 劉倩 申請人:東南大學