一种生物质气化与水泥窑耦合的系统及方法与流程

1.本发明涉及一种水泥窑利用生物质作为替代燃料的系统及方法，尤其涉及一种生物质气化与水泥窑耦合的系统及方法。

背景技术：

2.现有的水泥窑利用生物质用作替代燃料的技术多为直燃技术，即将生物质当作燃料直接喂入分解炉。缺点是：生物质燃烧热值低导致替代率低、水泥窑燃烧稳定性不高。受制于生物质成分(k、na、cl等含量较高)，采用直燃的方式大量处置生物质时，势必造成系统结皮堵塞、生物质爆燃、分解炉局部高温等不利问题，从而影响到水泥窑的正常运行。针对有害元素富集、结皮堵塞问题，一般需要采用旁路放风系统将窑尾烟气放出窑外。
3.常规的旁路放风系统由于将烟气降温除尘后排放，又会造成系统热耗和料耗的损失增加生产运行的成本，同时旁路放风系统来自窑尾烟室，nox含量较高，直接排放存在污染物超标风险。为了利用旁路放风余热，常见做法是将水泥窑窑尾烟室经过旁路放出的烟气通过沉降分离后输入窑尾余热锅炉进行发电，它的不足之处是：通过沉降后的烟气中含有大量粉尘，由于锅炉换热过程中烟气含有大量灰尘，会对窑尾余热锅炉的运行造成影响，最终影响水泥生产系统的稳定运行。
4.专利cn209848654u公开了一种水泥窑利用生物质热解炉脱除nox系统，包括分解炉烟室和生物质热解炉，该专利通过从分解炉烟室引出部分热风，通过降温除尘后进入生物质热解炉中，与水蒸汽、煤粉、生物质粉末等有机物混合反应生成co、h2、chi还原气体，对分解炉还原区内剩余的nox进行还原。然而该专利中，分解炉烟室烟气采用风机引出，然而烟室温度高(≥1000℃)，氧含量极低(＜3.0％)，对风机的耐高温性能要求极高，烟气经过降温除尘仓的水直接接触冷却，导致部分热量被水带走而无法利用，且烟气含尘量高，换水频繁，不仅烟尘也被随之浪费，烟气热量也大部分被水吸收，且蒸发的水蒸气进入生物质热解炉，并最终进入分解炉。此外，进入生物质热解炉的烟气温度也是不可控的，烟气氧含量低也会影响生物质热解炉热解效果。

技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种大幅提高水泥窑利用生物质作为替代燃料比例的生物质气化与水泥窑耦合的系统；
6.本发明的第二个目的是提供一种利用上述系统进行生物质气化与水泥窑耦合的方法。
7.技术方案：本发明的生物质气化与水泥窑耦合的系统，包括分解炉、旁路放风系统，还包括与分解炉连接的生物质气化系统；所述旁路放风系统包括依次连接的急冷系统、旋风筒、烟气再热器、除尘器和排风机；所述烟气再热器与生物质气化系统连接，用于使降温除尘后的烟气经加热后进入生物质气化系统。
8.其中，所述排风机的出口分为两路，其中一路与烟气再热器连通，用于使排风机排
出的烟气与经旋风筒除尘后的烟气在烟气再热器中进行换热。
9.其中，所述急冷系统设有冷空气入口，所述冷空气入口与急冷风机连接。
10.其中，所述急冷风机出风口设有第二风量调节阀，用于调节冷空气送入量。
11.其中，所述急冷装置与烟气再热器之间设有旋风筒，所述烟气再热器与排风机之间设有除尘器。
12.其中，所述生物质气化系统包括料仓、给料机、生物质气化炉和鼓风机，所述鼓风机的一路进风口连接烟气再热器。
13.其中，所述鼓风机的另一路进风口还可通入空气或富氧气体，管路上设有第一风量调节阀。
14.其中，所述生物质气化系统产生的燃气通过管路与分解炉的还原区连通。
15.上述的系统进行生物质气化与水泥窑耦合的方法，包括以下步骤：
16.(s1)生物质气化系统利用生物质和来自旁路放风系统的热烟气产生生物质燃气并送入分解炉还原区；
17.(s2)旁路放风系统将分解炉烟室内的热烟气引出，经急冷系统冷却，降温后的烟气经降温后的烟气经旋风筒除尘、烟气再热器冷却、除尘器除尘后送入排风机；从排风机排出的一路烟气进入烟气再热器，经升温后送入生物质气化系统。
18.其中，烟气通过旋风筒和除尘器除尘的同时也降低了水泥窑系统内部的有害元素含量。
19.其中，步骤(1)中，当水泥窑利用的生物质和水泥原料中的有害元素含量较低时，分解炉旁路放风量很少或者不需要放风的情况下，本发明可以开启生物质气化系统鼓风机的空气或富氧气体的管路，通过第一风量调节阀调节送风量，保证生物质气化系统的正常进行。
20.其中，步骤(2)中，急冷系统采用掺入冷空气的方式对烟室烟气进行冷却，冷空气通过急冷系统上的急冷风机送入，利用急冷风机出风口的第二风量调节阀调节冷却温度，同时也调节生物质气化系统的气化剂量。
21.此外，步骤(2)中，排风机的出口分两路，一路与烟气再热器连通，经升温后接入生物质气化系统的鼓风机，一路接入烟囱或者烟气处理系统，所述两路烟管上均设置有一个风量调节阀，用于调节两路烟管上的烟气量；本发明优先满足送入生物质气化系统的风量，剩余风量送入烟囱或者烟气处理系统。
22.有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：
23.(1)旁路放风系统掺入的空气作为生物质气化剂，为生物质气化提供稳定的气源，本发明不仅利用了烟室高温烟气的热量，同时较高的生物质送风温度也提高了生物质气化系统的气化效率及燃气热值。此外，旁路放风系统的设置也降低了水泥窑中的有害元素含量。本发明可以大幅提高水泥窑利用生物质作为替代燃料的比例，窑尾燃料替代率理论上可达100％。
24.(2)采用生物质气化技术，将含有ch4、c
nhm
、h2、co等强还原性气体以及含碳飞灰的生物质燃气送入分解炉还原区，可以起到降低水泥窑烟气no
x
浓度的作用。
25.(3)旁路放风抽取的烟气主要来自回转窑窑气，其no
x
含量高，本发明在利用其旁路放风烟气余热的同时，也利用生物质气化产生的还原气氛降低旁路放风烟气中的no
x
含
量，避免排放问题。
26.(4)本发明以生物质制气的方式送入分解炉，实现生物质气化产物在分解炉内的均匀燃烧，实现燃料替代。与直燃方式相比，燃气接入分解炉的方式更灵活多样，针对不同规模的水泥生产线，通过优化射流速度和送入位置，具有更优的分解炉燃烧环境和调节空间，对水泥烧成系统影响更小。
27.(5)本发明利用旁路放风系统掺入的空气作为生物质气化剂，通过冷风机风量的调节可以起到对生物质气化系统鼓风量和鼓风温度的调节，此外，生物质气化系统的鼓风机也设有通入空气或富氧气体的通路，使得生物质气化系统针对不同生物质种类和喂料量的气化效果变得可控。
28.(6)本发明设置了烟气再热器，可以进一步提高生物质气化系统热烟气的温度，提高气化效率，同时也可以降低冷空气的掺入量。
附图说明
29.图1为本发明的系统结构示意图；
30.图2为本发明的生物质燃气接入分解炉不同部位的温度数值模拟结果；
31.图3为本发明的生物质燃气接入分解炉不同部位的no摩尔浓度数值模拟结果。
具体实施方式
32.下面对本发明作进一步详细描述。
33.如图1所示，本发明提供了一种生物质气化与水泥窑耦合的系统，包括生物质气化系统100、分解炉2、旁路放风系统300；生物质气化系统100产生的燃气接入分解炉还原区；旁路放风系统包括急冷系统5、旋风筒6、卸灰阀7、烟气再热器8、除尘器9以及排风机10；旁路放风系统300从分解炉2窑尾烟室抽取设定比例的高温烟气经急冷系统5掺入冷空气冷却后接入旋风筒6，分离出的大颗粒灰经卸灰阀7送入分解炉2，剩余烟气经烟气再热器8换热和除尘器9除尘后由排风机10抽出，经烟气再热器8升温后送至生物质气化系统100，多余烟气送至水泥窑生产线的窑尾烟囱或者烟气处理系统。
34.生物质气化系统100包括料仓101、给料机102、生物质气化炉103和鼓风机104；生物质经料仓101，通过给料机102进入生物质气化炉103，鼓风机104将热烟气送入生物质气化炉103，生物质气化炉103产生的生物质燃气通过管道接入分解炉2还原区，燃气输送动力通过分解炉2负压产生。由图2、3的数值模拟分析可知，相比其他部位接入分解炉2，生物质燃气从分解炉2三次风管接口下方的还原区进入，分解炉2可以获得更好的燃烧温度分布，且从还原区进入避免了局部高温，同时也起到了降低分解炉中nox的作用；其中，图2、图3中的(a)均为与三次风一同入炉，(b)均为在三次风之上入炉，(c)均为由分解炉锥部中心入炉，即由还原区入炉。鼓风机104设有两路进风口，一路为旁路放风系统300排出的高温烟气，一路为空气或富氧气体，管路上设有第一风量调节阀105；当所处置的生物质和水泥原料中的k、na、cl等有害元素含量较低时候，分解炉2旁路放风量很少或者不需要放风的情况下，本发明可以开启空气或富氧气体的这条管路，保证生物质气化系统的正常进行，通过第一风量调节阀105调节送风量。
35.旁路放风系统300由急冷系统5、第二风量调节阀4、急冷风机3、旋风筒6、卸灰阀7、
烟气再热器8、除尘器9、排风机10、第三风量调节阀11以及第四风量调节阀12组成；分解炉2通过设置在烟室上的烟气管道与旁路放风系统300中的急冷系统5连通；急冷系统5采用掺入冷空气的方式进行冷却，该冷空气作为生物质气化系统的气化剂；冷空气通过急冷系统5上的急冷风机3送入，急冷系统5出口与旋风筒6进风口连通；急冷风机3出风口设有第二风量调节阀4，用于调节急冷系统的冷空气送入量；急冷风机3还可以采用变频装置调节送风量。
36.旋风筒6将急冷后烟气中的大颗粒灰分离出送入分解炉2，剩余烟气与烟气再热器8连通；烟气再热器8与除尘器9和排风机10连通，将旋风筒6送入的烟气降温后送入除尘器9，经除尘器9除尘后进入排风机10；同时将排风机10排出的烟气升温后送入生物质气化系统100，两股烟气在烟气再热器中进行间接换热。
37.除尘器9采用常规布袋除尘器时，一般耐热温度≤200℃，此时通过调节急冷风机3的鼓风量，将进入除尘器9的温度控制在这个温度范围内；在满足生物质气化系统用风量的情况下，除尘器9还可以采用高温除尘器，其工作温度可达300～400℃；采用高温除尘器可以进一步提高旁路放风热烟气的温度，进而提高生物质气化系统的气化效率，降低整个系统的排烟损失。
38.排风机10的出口分两路，一路与烟气再热器8连通，一路外排接入水泥窑的烟囱或者烟气处理系统等其他处理途径，两路烟管上分别设置有第三风量调节阀11、第四风量调节阀12，用于调节两路烟管上的烟气量。当旁路放风的热烟气经急冷后的风量超过生物质气化系统的需求量情况下，开启第四风量调节阀12。本发明优先满足送入生物质气化系统的风量，剩余风量送入烟囱或者烟气处理系统。
39.利用上述系统进行生物质气化与水泥窑耦合的方法，包括以下步骤：
40.(s1)生物质气化系统利用生物质和来自旁路放风系统的热烟气产生生物质燃气并送入分解炉还原区，生物质气化系统中的鼓风机在热烟气不足的情况还可以从另一路通入空气或富氧气体，通过风量调节阀调节输入量；
41.(s2)当大量处置生物质造成分解炉内部有害成分富集时，开启旁路放风系统，将分解炉烟室内的热烟气引出，经急冷系统冷却，旋风筒分离出大颗粒灰返回分解炉后，降温后的烟气经烟气再热器冷却和除尘器除尘后送入排风机；
42.(s3)急冷系统采用掺入冷空气的方式对烟室烟气进行冷却，该冷空气作为生物质气化系统的气化剂，冷空气通过急冷系统上的急冷风机送入，急冷风机出风口的第二风量调节阀，用于调节急冷系统的冷空气送入量，掺入的空气作为生物质气化系统的气化剂，第二风量调节阀不仅调节冷却温度，同时也调节生物质气化系统的气化剂量；
43.(s4)排风机的出口分两路，一路与烟气再热器连通，经升温后接入生物质气化系统的鼓风机，一路接入烟囱或者烟气处理系统；两路烟管上均设置有一个风量调节阀，用于调节两路烟管上的烟气量；本发明优先满足送入生物质气化系统的风量，剩余风量送入烟囱或者烟气处理系统。
44.本发明的相关计算如下：
45.(1)旁路放风系统的急冷后热烟气成分
46.假设急冷系统鼓入的冷空气温度为25℃，窑尾烟室窑气温度为1050℃，其旁路放风系统的急冷后热烟气成分如表1所示。
47.表1旁路放风系统的急冷后热烟气成分
48.

技术特征：

1.一种生物质气化与水泥窑耦合的系统，包括分解炉、旁路放风系统，其特征在于，还包括与分解炉连接的生物质气化系统；所述旁路放风系统包括依次连接的急冷系统、旋风筒、烟气再热器、除尘器和排风机；所述烟气再热器与生物质气化系统连接，用于使降温除尘后的烟气经加热后进入生物质气化系统。2.根据权利要求1所述的生物质气化与水泥窑耦合系统，其特征在于，所述排风机的出口分为两路，其中一路与烟气再热器连通，用于使排风机排出的烟气与来自旋风筒的烟气在烟气再热器中进行换热。3.根据权利要求1所述的生物质气化与水泥窑耦合系统，其特征在于，所述急冷系统设有冷空气入口，所述冷空气入口与急冷风机连接。4.根据权利要求1所述的生物质气化与水泥窑耦合系统，其特征在于，所述急冷风机出风口设有第二风量调节阀，用于调节冷空气送入量。5.根据权利要求1所述的生物质气化与水泥窑耦合系统，其特征在于，所述急冷装置与烟气再热器之间设有旋风筒，所述烟气再热器与排风机之间设有除尘器。6.根据权利要求1所述的生物质气化与水泥窑耦合系统，其特征在于，所述生物质气化系统包括料仓、给料机、生物质气化炉和鼓风机，所述鼓风机的一路进风口连接烟气再热器。7.根据权利要求6所述的生物质气化与水泥窑耦合系统，其特征在于，所述鼓风机的另一路进风口还可通入空气或富氧气体，管路上设有第一风量调节阀。8.根据权利要求1所述的生物质气化与水泥窑耦合系统，其特征在于，所述生物质气化系统产生的燃气通过管路与分解炉的还原区连通。9.一种利用权利要求1所述的系统进行生物质气化与水泥窑耦合的方法，其特征在于，包括以下步骤：(s1)生物质气化系统利用生物质和来自旁路放风系统的热烟气产生生物质燃气并送入分解炉还原区；(s2)旁路放风系统将分解炉烟室内的热烟气引出，经急冷系统冷却，降温后的烟气经旋风筒除尘、烟气再热器冷却、除尘器除尘后送入排风机；从排风机排出的一路烟气进入烟气再热器，经升温后送入生物质气化系统。10.根据权利要求9所述的进行生物质气化与水泥窑耦合的方法，其特征在于，步骤(2)中，急冷系统采用掺入冷空气的方式对烟室烟气进行冷却，冷空气通过急冷系统上的急冷风机送入，利用急冷风机出风口的第二风量调节阀调节冷却温度，同时也调节生物质气化系统的气化剂量。

技术总结

本发明公开了一种生物质气化与水泥窑耦合的系统及方法，该系统包括分解炉、旁路放风系统、生物质气化系统。该方法为：生物质气化系统利用生物质和来自旁路放风系统的热烟气产生生物质燃气并送入分解炉还原区；分解炉内的热烟气由旁路放风系统引出，依次经急冷、除尘、烟气再热后送入生物质气化系统。本发明既利用了烟室高温烟气的热量，又提高了生物质气化效率及燃气热值，并且生物质燃气中的还原性气体还可以降低水泥窑系统中的氮氧化物含量，最终提高水泥窑利用生物质作为替代燃料的比例。提高水泥窑利用生物质作为替代燃料的比例。提高水泥窑利用生物质作为替代燃料的比例。