專利名稱：一種將生物質能量形式進行轉換的設備及其運行工藝的制作方法
技術領域：
一種將生物質能量形式進行轉換的設備及其運行工藝。本發明具體涉及到一種適用于生物質能源材料的能量形式轉換設備及其運行工藝。屬于生物質熱化工設備的技術領域。
隨著工業的發展，全世界對能源的需求數量也日益增加。但是，目前滿足這種需求量增加的主要途徑是通過增加煤炭及油、氣資源的消耗量來滿足的。這不僅涉及到這些有限的化石資源的可持續發展問題，更嚴重的是燃用這些資源會使得目前已經危及到人類生存的環境條件更加惡化。因此積極的開發生物質可再生能源是新能源工業中的一個非常重要的組成部分。
但是生物質可再生能源資源特別是一年生植物秸稈及其它草本植物、樹葉等不但具有能量密度低、揮發份高、發熱量低的特點，而且還具有結構松散、原生態水份含量高、干燥后孔隙內又儲存有大量空氣的特點。因此，傳統的直接利用方法，在燃燒時冒黑煙、能源利用率低；儲存時體積大并且極易發生火災。
現代的主要利用方法是將生物質原料氣化后進行利用。具有突出代表意義的有下列成果●山東省科學院能源研究所的“秸稈氣化集中供氣技術”。
這是一種主要使用空氣作為氣化劑，通過秸稈氣化爐使秸稈轉變為發熱量為5MJ/NM3以下的低熱值煤氣之后再進行利用的技術方式。我國已經在這方面取得了很大的成就，特別適合于在農村集中推廣使用。
根據《生態農業中廢棄物的處理與再生利用》(卞有生著 化學工業出版社出版 2000年5月版)中披露的資料，該項目上所用的一臺XF-2000型氣化機組需要投資5萬元，每年轉化處理的植物秸稈數量為500噸。折合每氣化一萬噸植物秸稈的單位投資額度為100萬元。
●廣州能源研究所的“生物質氣化發電技術”。
這是一種主要使用富氧空氣作氣化劑，通過秸稈氣化爐使秸稈轉變為發熱量為15MJ/NM3以下的中熱值煤氣之后再用來發電的技術方式。作為“九五”科技攻關項目，中國科學院已經在2001年7月4日對廣州能源研究所承擔的“IMW生物質氣化發電系統”進行了鑒定。鑒定的主要結論為·“鑒定委員會對此進行了高度的評價，認為該項成果設計合理，成套性好，運行可靠，填補了國內MW級生物質氣化發電裝置的空白，屬國內首創。”·“達到了同類技術的國際先進水平，開發的系列產品在國際生物質氣化發電技術商業化中處于領先地位。”按照廣州能源研究所在《生態農業中廢棄物的處理與再生利用》中披露的資料，和1MW生物質氣化發電配套的氣化爐投資為50萬元，每年轉化處理的稻殼數量為1.3萬噸。折合每氣化一萬噸植物秸稈的單位投資額度為38萬元。
●德國魯奇公司的“100MW生物質燃氣聯合循環(IGCC)示范工程”；這是一項建立在秸稈氣化、木焦油裂解、中低熱值燃氣專用的燃氣發電機等幾項比較成熟的技術上并將其綜合起來的一種比較理想的大規模運行方式。
但是，在上述國內外的已有成果中有一個共同的特點，即都是要在先將生物質材料在控制燃燒的情況下，通過使用如空氣、空氣和水蒸汽、富氧空氣等作為氣化介質，根據兩步法氣化原理，經過先熱解再氣化或燃燒的工藝技術路線來生產燃氣或高溫煙氣，然后再作為生產和生活用的熱源。所使用的氣化設備有固定床、移動床、流化床、氣流床等。由于必須要使用氣化劑，生產的燃氣發熱量較低，不能最大限度的趨近于生物質理論上可能達到的發熱量指標〔約≮35MJ/NM3〕。因此，現有的生物質氣化設備不能為近代工業提供更為廣泛的服務。
從技術經濟角度分析，上述的成果還存在投資大、效益差的問題，規模較小，推廣的難度較大。
因此，國內外目前更加集中的將注意力放在如何使生物質材料轉化為高發熱量的燃氣和裂解油的研究，研究從高發熱量的燃氣中提取氫氣及氫燃料電池作為汽車動力和發電的技術。
從全部的生產工藝方面分析，雖然遼寧省能源研究所的“生物質固化成型技術”及成型后以“炭化”處理的方式進行轉化的生產過程和本發明的以生物質材料加工后再進行能量轉化利用的過程更相近一些，但是本發明側重于對生物質材料成型之后將其能量轉化為可燃氣體和木炭的設備，而遼寧省能源研究所的論文“生物質固化成型技術及其展望”更側重于‘固化成型’，而且特別提到“當木炭為最終產品時，木屑是唯一的原料”。不能涵蓋生物質材料的全部，特別是不能涵蓋一年生植物秸稈及其它草本植物、樹葉等能量密度低、揮發份高、發熱量低的生物質材料。
因此，本文并沒有把該技術項目作為主要的背景技術。只是論述原材料在加工成成型原料時作了簡單比較。
在中國新能源網2001年10月更新的網頁http//www.newenergy.org.cn/meetingpaper/main.html上發布的《全國清潔能源技術研討會論文集》和《中美清潔能源技術論壇論文集》所載的諸多專家、學者的論文中，可以清楚的查閱到和本發明相關的上述各種背景技術及其發展方向。
發明的目的本發明的目的就是為將生物質材料轉化為品位很高、用途很廣的高純度燃氣和活性很高、燃燒性能很好、用途很廣的木炭燃料提供一種最基本的生物質熱化工加工轉換設備及其運行工藝。
當本發明用于背景技術項目上時，可以極大的改善其投資的社會經濟效益；當本發明用于含有大量有機質廢物的造紙廢液和城市垃圾治理上的技術項目上時，可以結合生物質能的利用，一并得到根本治理并實現雙贏的效果，還可以大大的節約項目的投資額度。
本發明在治理堿法草漿造紙業的廢料方面的實施結果，證明了下述的發明內容可以達到上述目的。
在這個系統中，依靠連續輸入設備的熱能供應和能量交換，對置于該系統內但又和本系統嚴格隔離的多列布置均勻、留有足夠的燃燒空間、其中裝有生物質原料的豎管(10)進行加熱。
“加熱系統”的高溫煙氣和待熱解的原料嚴格分離，即“加熱系統”的加熱介質和將要敘述的“干餾熱解系統”內的被加熱材料是嚴格隔離的，它們之間僅僅只發生能量的交換，是本發明區別于背景技術的一個明顯特征。
正是因為具備了這一特征，因此爐膛內的煙氣溫度實際上可以不受生物質熱解氣化反應的溫度限制而自由調整，僅僅受制於筑爐材料的材質。也就是說，可以根據生產要求，只要在筑爐材料許可的條件下，可以通過提高爐膛(2)溫度的方式來加快生物質熱解氣化的反應速度提高生產率，也可以適當降低溫度來提高能源利用率。
能夠大幅度的調整設備的生產負荷，這是本發明優于前述的背景技術項目都不可能依靠氣化爐自身所能達到的一個十分優良的優勢。
由于在燃燒室〔或爐膛〕(2)中設置了數層輻射隔離板(11)，因此可以在爐膛(2)內形成幾個不同的溫度區段，特別是在底層部分能夠形成一個很有實用價值的高溫區段，是本發明區別于背景技術的又一個明顯特征。
輻射隔離板(11)應當同時具有兩種功能一是保證煙氣合理通過；二是在煙氣通過時能將一部分能量輻射回本層。因此，輻射隔離板既可以和豎管(10)連在一體而另外在板上開洞，也可以和豎管(10)之間預留足夠的間隙從而保證煙氣在爐膛中合理流動；輻射隔離板(11)的底面應當平整并使用可以增強輻射效果的材料或增加增強輻射的涂料層。設置的層數為1～4層，可以根據爐膛高度、設計的最高溫度等因素確定。
2.一個由熱解氣出口(7)、熱解氣顯熱利用倉(8)、撥料裝置(9)、豎管(10)所組成的“干餾熱解系統”。
在這個和外界空氣完全隔絕的系統中，設置的熱解氣顯熱利用倉(8)應當具有足夠大空間，豎管(10)的長度也應當足夠長。這是由于“加熱系統”內部的高溫煙氣、豎管(10)內部的熱解氣的熱能流動方向和被加熱介質的物流方向采用了逆流原理設計，因此，熱解氣顯熱利用倉(8)應當具有足夠大空間，豎管(10)的長度也應當足夠長，這才能將從卸料兼密閉口(6)卸入的溫度較低的待熱解生物質材料和溫度較高的熱解氣〔包括木焦油氣和水蒸汽〕發生充分的熱交換，從而使產品的顯熱得到充分利用；也才能使豎管(10)內的物料在受控于卸料裝置(12)而逐步下降的過程中，在物料離開豎管(10)之前，將物料的溫度能夠逐步提高到最高溫度，保證生物質原料有充分的熱解時間，徹底完成干餾熱解，同時也不致于使成型原料爆裂。
豎管(10)底部存在的大約1000℃高溫區可以將由原料攜入的木焦油裂解提供必須的反應條件。而這一點也是前邊所介紹的背景技術都不可能依靠氣化爐自身所提供的。
在設備中設置的撥料裝置(9)可以排除生物質材料在下移的過程中發生的‘棚料’故障，是本發明區別于背景技術的又一個特征。
圖示的撥料裝置(9)為在發生‘棚料’時用手動水平撥料的方式。這樣的方式也可以采用外加震動力的方法進行撥料，即用震動的方法破壞導致發生‘棚料’的內拱。
還可以將撥料裝置(9)垂直設置，依靠圍繞中心軸的撥料齒的轉動破壞由于各種原因導致發生的‘棚料’。這種垂直設置的方法尤其適合于當爐體斷面呈園形時。
在該系統中，還會產生生物質材料中不能熱解的C素材料、灰分等，它們將以木炭的固態形式，有控制的從本系統中排出。但是其產出的數量卻會隨著生物質材料的不同而產生較大差異。
3.一個由煙道(3)、煙氣廢熱利用倉(4)、加料兼排煙口(5)、卸料兼密閉口(6)所組成的“預先加熱及煙氣隔離系統”。
在這個系統中，將使用從“加熱系統”排出的大約180℃-200℃的煙氣廢熱排除生物質原料所夾帶的空氣及游離水，使之隨同煙氣排向大氣。在經預熱處理后的生物質原料卸入“干餾熱解系統”時，依靠煙氣廢熱利用倉(4)內煙氣的充盈度阻斷空氣進入干餾熱解系統。
也就是說，只有“加熱系統”的加熱介質的溫度降低到180℃～200℃上下的時候，才能允許被加熱的生物質成型原料直接接觸并進行能量和物質交換。這也是區別于背景技術的一個特征。
過高的煙氣廢熱利用倉(4)可以充分的使煙氣廢熱得到利用。但是將會大大增加排煙阻力而導致爐溫降低。合適的方式是在加料兼排煙口(5)上增加煙囪并串入引風機，依靠引風機的啟閉和開度來控制加熱爐的爐況。
4.一個由卸料裝置(12)、水封池(13)所組成的“液體水封及卸料系統”。
這個系統的主要功能是防止空氣從底部進入“干餾熱解系統”并且起到熄焦的作用，同時承接由卸料裝置(12)定期排出的固態木炭。
在某些場合下本裝置卻是可以充分利用固態木炭的顯熱來對水封的液體進行蒸發濃縮的主要裝置。
比如，本發明用于申請專利01115858.1時，便可以采用堿法草漿造紙所產生的廢液作為水封材料，經過卸出的灼熱木炭的幾次浸泡熄焦，可以有效的提高廢液濃度，減少需要治理的廢液數量。
其中的箭頭表示了如下的含義“↑”表示了高溫煙氣向上的流出方向；“↓”表示了被加工的生物質材料在爐中向下的流程；“→”表示了生物質材料熱解氣流動方向；“ ”表示了其中充滿了液體。
其運行工藝及操作步驟的詳細說明如下1.設備點火，連續將外加的熱能經燃燒器〔或加熱爐高溫煙氣入口〕(1)送入燃燒室〔或爐膛〕(2)中；2.將生物質材料加工成適宜的大小(比如樹木的枝椏類比較堅實的材料)或經過壓力加工成一定形狀和大小的成型原料之后，經垂直輸送設備運至加料兼排煙口(5)加入到煙氣廢熱利用倉(4)中，用大約180℃～2000℃廢煙氣的廢熱對其進行加熱處理。達到既能夠加熱入爐原料中夾帶的空氣和蒸發其中的游離水分使之隨煙氣排出體系，又能夠盡量減少生物質材料揮發份物質的損失。
對于一年生植物秸稈及其它草本植物、樹葉等結構疏松、能量密度低、揮發份高、發熱量低的生物質材料，壓力加工成密度較高的成型原料是該設備進行能量形式轉換加工區別于背景技術各個項目的明顯的工藝技術特征。
但是，在本發明中所說的“壓力加工成型”的適宜方式，不是遼寧省能源研究所在論文“生物質固化成型技術及其展望”中所說的“以螺桿先輸送和壓縮物料的連續擠出”并配合加熱的方法，在不加粘合劑的情況下擠壓成型。而是加了粘合劑的。
盡管本發明所使用的原料可以象主要的背景技術那樣使用僅僅經過粉碎加工的生物質材料，但是將造紙廢液作為粘合劑卻會在普通成型機上將一年生植物秸稈及其它草本植物、樹葉等結構疏松、能量密度低、揮發份高、發熱量低的生物質材料很方便的加工成密實體，克服這一類材料在儲存、使用過程中的諸多不便條件，也根治了造紙廢液，實現了真正意義上的雙贏。是本發明中所說的“壓力加工成型”的適宜方式。
在將生物質材料加工成適宜的大小或經過壓力加工成一定形狀和大小的成型原料過程中，把由熱解氣經冷凝凈化所得到的木焦油部分一并加入，或者將木焦油直接單獨輸送到豎管(10)的高溫階段進行熱裂解，可以不再單獨另設焦油裂解設備。這也是本發明區別于背景技術的另外一個特征。
3.將完成預先加熱的生物質材料經卸料兼密閉口(6)卸入熱解氣顯熱利用倉(8)及豎管(10)中，進入到“干餾熱解系統”；4.將熱解后的氣態產物由熱解氣出口(7)連續排向煤氣冷凝凈化裝置，獲得到高發熱值煤氣產品。不能熱解的固態物質由卸料裝置(12)定期打開卸入水封池(13)中，獲得到以炭素及灰分為主要組分的木炭固態產品；5.定期清除水封池(13)中的固態產品。
6.重復步驟2～5，使生產連續進行。
根據本發明的實施例“自循環連續干餾熱解爐(ZLGR-0.5-1)”爐子總投資為16.5萬元，每年至少可以氣化3.5萬噸植物秸稈，折合每氣化一萬噸植物秸稈的單位投資額度為4.7萬元。而在背景技術中的“生物質氣化發電技術”需要38萬元，“秸稈氣化集中供氣技術”需要100萬元，分別是本發明的8倍和21倍。
權利要求
1.一種將生物質能量形式進行轉換的設備及其運行工藝，其設備是由四個子系統組成·由燃燒器〔或加熱爐高溫煙氣入口〕(1)、燃燒室〔或爐膛〕(2)、1～4層輻射隔離板(11)所組成的“加熱系統”；·由熱解氣出口(7)、熱解氣顯熱利用倉(8)、撥料裝置(9)、豎管(10)所組成的“干餾熱解系統”；·由煙道(3)、煙氣廢熱利用倉(4)、加料兼排煙口(5)、卸料兼密閉口(6)所組成的“預先加熱及煙氣隔離系統”；·由卸料裝置(12)、水封池(13)所組成的“液體水封及卸料系統”；其運行工藝及操作步驟如下①設備空載點火、升溫；②將加工成適宜的大小或經過壓力加工成一定形狀和大小的生物質成型原料在煙氣廢熱利用倉(4)中用180℃～200℃的廢煙氣對其進行預先加熱處理；③將完成預先加熱的生物質材料經卸料兼密閉口(6)卸入熱解氣顯熱利用倉(8)及豎管(10)中；④將在“干餾熱解系統”中熱解的氣態產物由熱解氣出口(7)連續排向另外的加工系統，將不能熱解的固態物質由卸料裝置(12)定期打開卸入水封池(13)中；⑤定期清除“液體水封及卸料系統”中的固態產品；⑥重復步驟2～5，使生產連續進行。
2.根據權利要求1所述的一種將生物質能量形式進行轉換的設備，其特征是“干餾熱解系統”的豎管(10)是呈多列、均勻地布置在“加熱系統”的燃燒室(或爐膛)(2)中的，豎管內的物質和燃燒室(或爐膛)(2)中的加熱介質只發生能量的交換。
3.根據權利要求1所述的一種將生物質能量形式進行轉換的設備，其特征是在燃燒室(或爐膛)(2)內設置有1～4層既可以合理通過煙氣，又能將一部分能量輻射回本層的輻射隔離板。
4.根據權利要求1所述的一種將生物質能量形式進行轉換的設備，其特征是在系統中設置有專門保證固態物料暢通的撥料裝置，
5.根據權利要求1所述的一種將生物質能量形式進行轉換的設備的運行工藝，其特征是隔絕干餾熱解材料和空氣接觸的方法采用了下述的兩種技術方案·在加料時和生產過程中，利用煙氣廢熱利用倉內充盈的煙氣，阻止空氣進入干餾熱解材料；·在卸料時和生產的過程中，將卸料裝置始終浸沒在液體之中，用水封來阻止空氣進入。
6.根據權利要求1所述的一種將生物質能量形式進行轉換的設備的運行工藝，其特征是當使用一年生植物秸稈及其它草本植物、樹葉等能量密度低、揮發份高、發熱量低的生物質材料時，首先應當加工成成型原料后入爐，合理的實施方案是用外加10～30％的造紙廢液〔濃度為20％〕作為粘合劑壓制成可以和豎管直徑大小配套不容易在撥料器處形成堵塞而且具有一定形狀和大小的成型原料。
全文摘要
一種將生物質能量形式進行轉換的設備及其運行工藝一種將生物質能量形式進行轉換后可以獲得到極高品位燃氣的設備。由相互獨立的‘加熱系統’、‘干餾熱解系統’、‘預先加熱及煙氣隔離系統’、‘液體水封及卸料系統’四部分組成。全爐膛可分為2～5個明顯的溫度區間,特別是爐膛內有一個很有實用價值的高溫區存在;加有撥料裝置;采用水封和充盈煙氣隔絕空氣;設置了充分的余熱利用設施;結合治理造紙污染和開發生物質能源工業實現雙贏等因素,將使得該設備將成為二十一世紀在環保和可再生能源產業方面必不可少的專業設備。
文檔編號C10B53/02GK1371959SQ0210299
公開日2002年10月2日 申請日期2002年2月18日 優先權日2002年2月18日
發明者許紹良 申請人:許紹良