本发明属于生物质利用领域，更具体地，涉及一种燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统。
背景技术：
生物质作为一种可再生能源，具有资源储量丰富、分布广泛、环境友好和碳中性等优点，其大规模利用可有效缓解化石能源使用带来的能源危机和环境污染。我国是农业大国，每年产生大量的农林废弃物，目前得以有效处置的生物质占比较低，大量的农林废弃物由于处置不当造成了一系列的问题，如秸秆露天焚烧造成的大气污染，粉碎还田造成的病害增多和粮食减产，木材直接燃烧造成的资源浪费等。农林废弃物的能源化利用不仅可以有效处置大量废弃资源，还可用于供热和发电，实现“能源与环境”的双赢。
常见的生物质发电技术包括生物质直燃技术、生物质与煤混燃技术、生物质气化燃烧技术等。近年来，生物质气化混煤燃烧技术因具有发电效率高、污染物排放低、可避免生物质灰的不利影响(积灰、结渣和腐蚀)、燃煤锅炉改造量小等显著优点，受到广泛关注。然而，现有的生物质气化技术直接应用于燃煤锅炉混燃还存在一定的局限性，如直接气化产生的燃气热值较低，会影响燃煤锅炉内部温度分布，带来燃烧不稳定的问题；燃气进入锅炉前需除尘、降温以满足增压风机的要求，造成能量损失和增加焦油析出的风险。另外部分高品质的生物质原料如木材、果壳等，直接气化混燃，并未充分开发其利用价值。相比较而言，热解产生的燃气热值较高，且能同时产生高品质生物炭，生物炭常用于污水净化、土壤改良、催化剂载体、电极材料等领域，具有很高的附加值，应用前景广阔。但传统的热解装置需要提供大量的热量，且产生的燃气量低。
因此为了实现生物质原料的有效利用，发挥其原料特性，生产出高品质生物炭，满足进一步加工为高附加值产品的需要，同时结合生物质气化生产高热值的生物燃气，与现有燃煤锅炉深度耦合发电，且实现系统能量自给，必须研发新式燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，充分结合生物质气化、热解技术的优点，实现生产高品质生物炭的同时与现有燃煤锅炉耦合发电。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其中通过将生物质原料进行分类并分别进行气化和热解，制得生物炭的同时能够获得与煤混燃的生物燃气，从而实现了燃煤耦合生物质发电联产生物炭，因而尤其适用于生物质再利用的应用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，该系统包括给料装置、气化装置、热解装置和燃煤锅炉，其中：
所述给料装置包括预处理单元、气化炉给料单元和热解炉给料单元，所述预处理单元用于将待处理的生物质原料进行预处理，并将气化原料和热解原料分别送入所述气化炉给料单元和热解炉给料单元进行储存和给料；
所述气化装置包括气化炉和旋风分离器，所述气化炉与所述气化炉给料单元连接，用于将其送入的气化原料进行气化，生成气化气和气化灰渣，所述气化气通过旋风分离器送入所述热解装置，所述气化灰渣从所述气化炉的底部排出；
所述热解装置包括热解炉和增压风机，所述热解炉与所述热解炉给料单元连接，用于将其送入的热解原料进行热解，生成热解气和生物炭，所述热解气与所述热解炉下部通入的气化气混合获得生物燃气，所述生物燃气从所述热解炉的上部排出并通过增压风机送入所述燃煤锅炉，所述生物炭从所述热解炉的底部排出并进行收集；所述生物燃气在所述燃煤锅炉中与煤粉进行混燃。
作为进一步优选地，所述气化装置还包括设置在所述旋风分离器与热解炉之间的燃烧器，所述旋风分离器将所述气化气分别送入所述热解炉和燃烧器中，或将所述气化气全部送入所述燃烧器中，其中进入所述燃烧器的气化气燃烧产生烟气，并将所述烟气送入所述热解炉中，从而为其进行热解反应提供热量。
作为进一步优选地，所述气化装置还包括设置在所述旋风分离器出口与气化炉之间的流化密封返料器，所述流化密封返料器用于将所述旋风分离器分离出的含碳细颗粒送入所述气化炉继续进行气化，同时还作为气化反应器将部分所述含碳细颗粒进行气化。
作为进一步优选地，所述气化炉给料单元包括依次连接的气化炉料仓、一级给料机、星型阀和二级给料机，所述气化炉料仓与所述预处理单元连接，用于储存所述气化原料，所述二级给料机与所述气化炉连接，工作时所述气化原料依次经过所述一级给料机、星型阀和二级给料机输送至所述气化炉中；所述热解炉给料单元包括依次连接的热解炉料仓和给料机，所述热解炉料仓与所述预处理单元连接，用于储存所述热解原料，所述给料机与所述热解炉连接，用于将所述热解原料送入所述热解炉。
作为进一步优选地，所述燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统还包括设置在所述热解炉和燃煤锅炉之间的生物燃气放散装置，所述生物燃气放散装置用于在系统启动或出现紧急情况时将所述生物燃气排放到外部，避免所述生物燃气进入所述燃煤锅炉。
作为进一步优选地，所述气化装置还包括设置在所述气化炉底部出口的冷渣器，所述冷渣器用于冷却所述气化灰渣，同时利用所述气化灰渣的热量加热空气，并将预热的空气通入所述气化炉。
作为进一步优选地，所述热解装置还包括设置在所述热解炉底部出口的生物炭收集器，所述生物炭收集器用于冷却所述生物炭，同时利用所述生物炭的热量加热空气，并将预热的空气通入所述燃烧器供所述气化气燃烧使用。
作为进一步优选地，所述生物燃气从所述燃煤锅炉的上部进入，用于促进燃煤锅炉再燃，从而降低NOx生成。
作为进一步优选地，所述生物燃气从所述燃煤锅炉的下部进入，用于促进煤粉燃烧。
作为进一步优选地，所述气化原料包括秸秆、谷壳和城市固废中的一种或多种，所述热解原料包括木材、果壳和竹子中的一种或多种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将气化过程和热解过程有机结合，利用气化气的热量为热解反应提供能量的同时，利用热解料层充分过滤气化气中的颗粒物和粉尘，从而避免了气化气换热设备、除尘设备的使用，能够有效减少能量损失，进而提高系统的稳定性，同时气化气能够对热解炭起到一定的活化作用，达到连续稳定产出高品质、高附加价值的生物炭和高热值、低焦油、低粉尘的高品位生物燃气的目的，解决了热解装置产炭过程中能耗过高、能量不能自给、热解气产量低等问题；
2.同时，本发明通过在热解炉和旋风分离器之间设置燃烧器，能够将气化气燃烧产生的热量加热热解气，并通过调节气化气在热解炉内部供热与外部燃烧供热的配比，实现调节混合燃气中热解气比例的目的，进而控制混合燃气的热值和成分，满足混烧和再燃的要求，并且气化气燃烧产生的烟气最终进入燃煤锅炉烟气处理系统，能够实现余热利用和烟气净化；
3.此外，本发明通过在旋风分离器出口与气化炉之间设置流化密封返料器，不仅能实现含碳细颗粒的返料功能，还能充当气化反应器，强化循环物料中残炭的气化，从而提高气化效率；
4.本发明的气化炉给料单元采用两级进料方式，能够有效避免给料过程中的原料回火问题，并杜绝原料的缠绕、卡塞等问题，提高了系统整体的运行稳定性和安全性，其中通过设置星型阀，能够在给料装置发生故障的情况下，实现不停机安全快速地进行在线维修；
5.本发明通过在气化炉和热解炉的出口设置冷渣器和生物炭收集器，能够有效回收气化灰渣和生物炭的热量用于预热空气，实现热量的回收利用，从而提高系统的能量利用效率，同时气化灰渣可用于生产化肥或作为铁水保温材料，生物炭可用于制备活性炭、吸附剂和碳材料等，均具有较高的经济利用价值；
6.本发明的气化系统和热解系统可分别采用不同的原料，从而充分发挥不同原料的优势，其中气化原料的适应性广，可使用稻杆、麦秆、玉米杆等储量巨大的农林废弃物，热解原料可采用产炭品质高的生物质原料，如竹子、木材、果壳等，生产的生物炭可带来很高的经济效益。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统的结构示意图；
图2是气化气分别送入燃烧器和热解炉时燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统的结构示意图；
图3是气化气全部送入燃烧器时燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-预处理单元，2-气化炉料仓，3-热解炉料仓，4-一级给料机，5-星型阀，6-二级给料机，7-气化炉，8-旋风分离器，9-流化密封返料器，10-冷渣器，11-给料机，12-热解炉，13-生物炭收集器，14-燃烧器，15-增压风机，16-生物燃气放散装置，17-燃煤锅炉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提出了一种燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，该系统包括给料装置、气化装置、热解装置和燃煤锅炉17，其中：
给料装置包括预处理单元1、气化炉给料单元和热解炉给料单元，预处理单元1用于将待处理的生物质原料进行干燥、粉碎和筛分，并将气化原料和热解原料分别送入气化炉给料单元和热解炉给料单元进行储存和给料，更具体地，可根据原料特性将产炭品质高的原料与普通原料分开，其中气化原料包括储量大、种类繁杂、不易制炭的普通生物质，如麦秆、玉米杆、稻杆等秸秆、谷壳或城市固废等，热解原料包括产炭品质较高的原料，如木材、果壳或竹子等，并且热解原料破碎后还需要经过筛选，将过于细碎的部分送至气化炉7进行气化，以保证热解炭的品质；
气化装置包括气化炉7和旋风分离器8，气化炉7与气化炉给料单元连接，用于将其送入的气化原料进行气化，生成气化气和气化灰渣，气化气通过旋风分离器8送入热解装置，为热解反应提供所需热量，气化灰渣从气化炉7的底部排出，气化炉7优选为循环流化床，反应温度约为800℃，并且气化介质为空气；
热解装置包括热解炉12和增压风机15，热解炉12与热解炉给料单元连接，用于将其送入的热解原料进行热解，生成热解气和生物炭，热解气与热解炉12下部通入的气化气混合获得生物燃气，生物燃气从热解炉12的上部排出并通过增压风机15送入燃煤锅炉17，生物炭从热解炉12的底部排出并进行收集，更具体地，600℃～900℃的气化气从热解炉12的下部通入，穿过热解料层后与热解气混合得到的生物燃气的温度可降至400℃～500℃，从而满足增压风机对燃气温度的最高限制，并且气化气中的飞灰被热解料层拦截，因此混合燃气无需进一步除尘便可通入增压风机15中；
生物燃气在燃煤锅炉17中与煤粉进行混燃，生物燃气可从燃煤锅炉17的上部进入，用于促进燃煤锅炉再燃，从而降低NOx生成，生物燃气也可从燃煤锅炉17的下部进入，用于促进煤粉燃烧。
进一步，气化装置还包括设置在旋风分离器8与热解炉12之间的燃烧器14，如图2所示，旋风分离器8将气化气分别送入热解炉12和燃烧器14中，或如图3所示，旋风分离器8将气化气全部送入燃烧器14中，其中进入燃烧器14的气化气燃烧产生烟气，并将烟气送入热解炉12中，从而为其进行热解反应提供热量，气化气在燃烧器14中燃烧释放的热量大于其自身携带的热量，因此可以根据热解炉发生热解时所需的热量，确定气化气送入热解炉12和燃烧器14中的比例。
进一步，气化装置还包括设置在旋风分离器8出口与气化炉7之间的流化密封返料器9，流化密封返料器9用于将旋风分离器8分离出的含碳细颗粒送入气化炉7继续进行气化，同时还作为气化反应器将部分含碳细颗粒进行气化，从而改善返料并强化气化反应，进而提高气化效率。
进一步，气化炉给料单元包括依次连接的气化炉料仓2、一级给料机4、星型阀5和二级给料机6，气化炉料仓2与预处理单元1连接，用于储存气化原料，因稻杆、秸秆等秸秆类生物质质地轻软、流动性不强，在料仓中形成搭桥、结拱现象非常普遍，故气化炉料仓2优选采用锥形料仓，可有效避免蓬料、堵料等现象的出现，二级给料机6与气化炉7连接，工作时一级给料机4将原料自气化炉料仓2内取出，经星型阀5后落入二级给料机6，二级给料机6将气化原料直接推进气化炉7，其中星型阀5能够将一级给料机4和二级给料机6之间的气压隔断，从而起到锁气的作用，当给料装置出现故障时，可以实现不停机在线检修，一级给料机4优选为双螺旋给料机，二级给料机6优选为无轴螺旋给料机；
热解炉给料单元包括依次连接的热解炉料仓3和给料机11，热解炉料仓3与预处理单元1连接，用于储存热解原料，给料机11与热解炉12连接，用于将热解原料送入热解炉12，给料机11优选采用翻板阀。
进一步，燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统还包括设置在热解炉12和燃煤锅炉17之间的生物燃气放散装置16，生物燃气放散装置16用于在系统启动或出现紧急情况时将所述生物燃气排放到外部，避免所述生物燃气进入所述燃煤锅炉17。
进一步，气化装置还包括设置在气化炉7底部出口的冷渣器10，冷渣器10用于冷却气化灰渣，同时利用气化灰渣的热量加热空气，并将预热的空气通入气化炉7，一部分作为播料风将气化原料吹散到气化炉7内，使其充分气化，另一部分用于促进气化原料发生气化反应；
热解装置还包括设置在热解炉12底部出口的生物炭收集器13，生物炭收集器13用于冷却生物炭，同时利用生物炭的热量加热空气，并将预热的空气通入燃烧器14供气化气燃烧使用。
下面对本发明优选实施例提供的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统的工作过程作具体说明。
待处理的生物质原料在预处理单元1中进行预处理和筛分，获得的气化原料进入气化炉料仓2进行储存，同时获得的热解原料进入热解炉料仓3进行储存；
气化原料依次经过一级给料机4、星型阀5和二级给料机6后被送入气化炉7中进行气化，产生气化气和气化灰渣，其中气化灰渣从气化炉7的底部排出并经过冷渣器10进行冷却，同时利用气化灰渣的热量对空气进行预热，产生的预热空气通入气化炉7中，一部分用于促进气化反应，另一部分进行播料，气化气则经过旋风分离器8的气固分离后从热解炉的下部通入，用于加热热解原料，当热解炉处理量较大，仅通过气化气降温释放的显热不足以完全为热解反应供热时，可将一部分气化气通入燃烧器14中进行燃烧，产生的高温烟气通入热解炉12中从而加热热解原料，此外，旋风分离器8收集到的含碳细颗粒一部分在流化密封返料器9中进行气化，产生的气化气连同剩余的含碳细颗粒返回到气化炉7中；
热解原料经过给料机11后被送入热解炉12中进行热解，产生热解气和生物炭，生物炭从热解炉12的底部排出并经过生物炭收集器13进行冷却，同时利用生物炭的热量对空气进行预热，产生的预热空气通入燃烧器14中促进气化气的燃烧，同时热解气与气化气混合获得生物燃气，经过增压风机15送入燃煤锅炉17中与煤进行混燃。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，该系统包括给料装置、气化装置、热解装置和燃煤锅炉(17)，其中：
所述给料装置包括预处理单元(1)、气化炉给料单元和热解炉给料单元，所述预处理单元(1)用于将待处理的生物质原料进行预处理，并将气化原料和热解原料分别送入所述气化炉给料单元和热解炉给料单元进行储存和给料；
所述气化装置包括气化炉(7)和旋风分离器(8)，所述气化炉(7)与所述气化炉给料单元连接，用于将其送入的气化原料进行气化，生成气化气和气化灰渣，所述气化气通过旋风分离器(8)送入所述热解装置，所述气化灰渣从所述气化炉(7)的底部排出；
所述热解装置包括热解炉(12)和增压风机(15)，所述热解炉(12)与所述热解炉给料单元连接，用于将其送入的热解原料进行热解，生成热解气和生物炭，所述热解气与所述热解炉(12)下部通入的气化气混合获得生物燃气，所述生物燃气从所述热解炉(12)的上部排出并通过增压风机(15)送入所述燃煤锅炉(17)，所述生物炭从所述热解炉(12)的底部排出并进行收集；所述生物燃气在所述燃煤锅炉(17)中与煤粉进行混燃。
2.如权利要求1所述的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，所述气化装置还包括设置在所述旋风分离器(8)与热解炉(12)之间的燃烧器(14)，所述旋风分离器(8)将所述气化气分别送入所述热解炉(12)和燃烧器(14)中，或将所述气化气全部送入所述燃烧器(14)中，其中进入所述燃烧器(14)的气化气燃烧产生烟气，并将所述烟气送入所述热解炉(12)中，从而为其进行热解反应提供热量。
3.如权利要求1或2所述的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，所述气化装置还包括设置在所述旋风分离器(8)出口与气化炉(7)之间的流化密封返料器(9)，所述流化密封返料器(9)用于将所述旋风分离器(8)分离出的含碳细颗粒送入所述气化炉(7)继续进行气化，同时还作为气化反应器将部分所述含碳细颗粒进行气化。
4.如权利要求1～3任一项所述的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，所述气化炉给料单元包括依次连接的气化炉料仓(2)、一级给料机(4)、星型阀(5)和二级给料机(6)，所述气化炉料仓(2)与所述预处理单元(1)连接，用于储存所述气化原料，所述二级给料机(6)与所述气化炉(7)连接，工作时所述气化原料依次经过所述一级给料机(4)、星型阀(5)和二级给料机(6)输送至所述气化炉(7)中；所述热解炉给料单元包括依次连接的热解炉料仓(3)和给料机(11)，所述热解炉料仓(3)与所述预处理单元(1)连接，用于储存所述热解原料，所述给料机(11)与所述热解炉(12)连接，用于将所述热解原料送入所述热解炉(12)。
5.如权利要求1所述的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，所述燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统还包括设置在所述热解炉(12)和燃煤锅炉(17)之间的生物燃气放散装置(16)，所述生物燃气放散装置(16)用于在系统启动或出现紧急情况时将所述生物燃气排放到外部，避免所述生物燃气进入所述燃煤锅炉(17)。
6.如权利要求1所述的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，所述气化装置还包括设置在所述气化炉(7)底部出口的冷渣器(10)，所述冷渣器(10)用于冷却所述气化灰渣，同时利用所述气化灰渣的热量加热空气，并将预热的空气通入所述气化炉(7)。
7.如权利要求2所述的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，所述热解装置还包括设置在所述热解炉(12)底部出口的生物炭收集器(13)，所述生物炭收集器(13)用于冷却所述生物炭，同时利用所述生物炭的热量加热空气，并将预热的空气通入所述燃烧器(14)供所述气化气燃烧使用。
8.如权利要求1所述的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，所述生物燃气从所述燃煤锅炉(17)的上部进入，用于促进燃煤锅炉再燃，从而降低NOx生成。
9.如权利要求1所述的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，所述生物燃气从所述燃煤锅炉(17)的下部进入，用于促进煤粉燃烧。
10.如权利要求5～9任一项所述的燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统，其特征在于，所述气化原料包括秸秆、谷壳和城市固废中的一种或多种，所述热解原料包括木材、果壳和竹子中的一种或多种。
技术总结
本发明属于生物质利用领域，并公开了一种燃煤耦合生物质发电联产生物炭系统。该系统中给料装置用于将待处理的生物质原料进行预处理、筛分、储存和给料；气化装置包括气化炉和旋风分离器，用于将气化原料进行气化，并将生产的气化气通过旋风分离器送入热解装置；热解装置包括热解炉和增压风机，用于将热解原料进行热解，生成的热解气与气化气混合获得生物燃气，最后在燃煤锅炉中与煤粉进行混燃。本发明利用气化气的热量为热解反应提供能量的同时，利用热解料层充分过滤气化气中的颗粒物和粉尘，能够提高系统的稳定性，同时气化气能对热解炭起到一定的活化作用，达到连续稳定产出生物炭和高品位生物燃气的目的。
技术研发人员：陈汉平;樊纪原;谢迎谱;王贤华;杨海平;邵敬爱;杨晴;陈应泉;张雄;曾阔;张世红
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：.06.28
技术公布日：.10.22
