本发明属于循环流化床利用技术领域，特别是涉及一种高效循环流化床气化装置及方法。
背景技术：
生物质是非常广泛的一类燃料，在生活生产中有着广泛的应用，流化床由于其结构简单、高效、燃烧强度高等优点被视为是处理生物质的优良炉型。相比于固定床和移动床，流化床炉型由于床料、燃料在床内混合剧烈，所以有较高的效率。
在循环流化床中按重量计，燃料仅占床料的1～20％，其余是不可燃的固体颗粒。因此，加到循环流化床中的生物质被一个大热载体的灼热灰渣颗粒所包围。这些灼热的灰渣颗粒把生物质加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而生物质的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平。
循环流化床气化装置按照某一工况设计定型后，其空塔速度、等效速度等就被固定下来。由于装置内为气化工况，空气的供入量远远小于燃烧工况，其炉内的流场状态也大不相同，所以生物质流化特性存在改变时，循环流化床中的密、稀相区可能会发生速度不足或过快，导致燃料在密、稀相区堆积或者燃料被迅速的排出反应区，使得反应终止或反应效率低下。
因此，需要一种技术进一步提高循环流化床气化装置对生物质适应性、提高反应效率。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高效循环流化床气化装置及方法，通过对气化装置结构的调整、流场的组织、气垫区的调整，使得燃料的反应时间延长，内循环量提高，降低了外循环量，大大降低了进入旋风的半焦的含碳量，提高了系统效率。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种高效循环流化床气化装置，包括提升管和分离器，所述提升管一端管型结构为变径管；所述提升管另一端气垫区；其中，所述变径管一侧设置有床料加料口；所述提升管沿轴向周侧设置有若干加料口；所述提升管上部管路与分离器连接；所述分离器上部设置有出口管路；所述分离器下部连接有返料器；其中，所述返料器一侧与提升管连接。
进一步地，所述气化装置为绝热式结构。
进一步地，所述提升管底部设置有风帽；所述风帽的中心区域速度为边缘区域速度的1.1-1.5倍。
进一步地，所述提升管下部的变径管为由上而下渐缩，渐缩段锥角10-90°。
进一步地，所述气垫区高度为提升管高度的1/50-1/20，所述提升管上部管路与分离器连接处设置有调节挡板，根据生物质的特性控制调节挡板的高度。
一种高效循环流化床气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，生物质通过不同燃料加料口加入提升管中，床料通过床料加料口加入提升管中；
步骤二，生物质在提升管中热解、气化，生产气体和半焦粉，一部分半焦粉经提升管边缘返回提升管底部密相区；另一部分半焦粉经过分离器收集，细粉和气体从分离器上部输出，半焦粗粉进入返料器；
步骤三，返料器将半焦粗粉返送回提升管中。
进一步地，所述生物质通过各燃料加料口分别加入到提升管中。
进一步地，所述提升管加入床料为耐磨粗床料颗粒，包括石英砂、河沙、氧化铝球以及它们的任意混合物。
进一步地，所述返料器的流化风及返料风使用气化气。
本发明的原理是：
由于生物质种类繁多，其燃料硬度、密度、粒度等特性大不相同，所以导致其流化特性的差异性较大。相对硬度小、密度小、粒度小的生物质其流化特性好，反之流化特性较差。
流化床中高于临界流化速度，床料及燃料才能够正常流化。本发明底部采用变截面设计，提升管上部为某一床料或燃料的临界流化速度时，底部速度为临界速度1-2倍。不同截面的速度梯度，满足了不同原料的流化需要。流化特性好的燃料，从下部加料口加入，延长燃料在提升管中的停留时间；流化特性差的，从上部加料口加入，通过延长燃料的下降时间，延长反应时间，同时使得生物质在提升管下降过程中利用床料的高温及冲击作用，改变生物质的物理和化学性质，将硬度大、密度大、颗粒大的含碳材料热解粉碎成为硬度小、密度小、粒度小的流化特性好的生物质粉。
本发明同时改善提升管内流场的组织，通过提高中心风帽的速度，使得气体在提升管内中心与边缘呈现更为明显的速度差，提高系统内循环。为了适应各种生物质，通过在气化炉上部设置气垫区，扩充了系统内循环灰总量，提高了系统内单位体积的循环灰密度，加强了系统的传热效率。通过提高系统的内循环，降低系统进入旋风的半焦含碳量，以降低旋风出口的灰分的含碳量。返料器的流化风及返料风使用气化气避免氧化放热，避免了返料器超温，避免了低灰熔点燃料结渣。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过改变了循环流化床燃料流化特性的单一性。原有循环流化床使用设计燃料特性以外的燃料时，流化床的工况会迅速的恶化，而本发明能够适应流化特性更为宽泛生物质。
2.本发明通过提高循环流化床气化效率，通过对气化装置结构的调整、流场的组织、气垫区的调整，使得燃料的反应时间延长，内循环量提高，降低了外循环量，大大降低了进入旋风的半焦的含碳量，提高了系统效率。
3.本发明通过提高循环流化床气化效率避免了低灰熔点生物质，如秸秆、棉杆的结渣。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种高效循环流化床气化装置的示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
提升管1，床料加料口101，燃料加料口102，气垫区103，风帽104，调节挡板105，分离器2，返料器3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1所示，本发明为一种高效循环流化床气化装置，包括提升管1和分离器2，
提升管1一端管型结构为变径管；提升管1另一端气垫区103；
其中，变径管一侧设置有床料加料口101；
提升管1沿轴向周侧设置有若干加料口102；提升管1上部管路与分离器2连接；分离器2上部设置有出口管路；分离器2下部连接有返料器3；
其中，返料器3一侧与提升管1连接。
其中，气化装置为绝热式结构，目的在于：维系系统的能量循环，提高系统效率。
其中，提升管1底部设置有风帽104；风帽104的中心区域速度为边缘区域速度的1.1-1.5倍，目的在于：改变炉内流场，增加内循环量。
其中，提升管1下部的变径管为由上而下渐缩，渐缩段锥角10-90°，目的在于：提供流场的速度梯度，提供有差异的流化速度。
其中，气垫区103高度为提升管高度的1/50-1/20，提升管1上部管路与分离器2连接处设置有调节挡板105，根据生物质的特性控制调节挡板105的高度，目的在于：根据原料的不同调整气垫区高度，控制内循环量。
一种高效循环流化床气化方法，包括以下步骤：
步骤一，生物质通过不同燃料加料口加入提升管中，床料通过床料加料口加入提升管中；
步骤二，生物质在提升管中热解、气化，生产气体和半焦粉，一部分半焦粉经提升管边缘返回提升管底部密相区；另一部分半焦粉经过分离器收集，细粉和气体从分离器上部输出，半焦粗粉进入返料器；
步骤三，返料器将半焦粗粉返送回提升管中。
其中，生物质通过各燃料加料口分别加入到提升管中，硬度、密度、粒度等不同特性的生物质通过高度不同的燃料加料口102加入提升管1中。
其中，提升管加入床料为耐磨粗床料颗粒，包括石英砂、河沙、氧化铝球以及它们的任意混合物。
其中，返料器的流化风及返料风使用气化气。
本发明的原理是：
由于生物质种类繁多，其燃料硬度、密度、粒度等特性大不相同，所以导致其流化特性的差异性较大。相对硬度小、密度小、粒度小的生物质其流化特性好，反之流化特性较差。
流化床中高于临界流化速度，床料及燃料才能够正常流化。本发明底部采用变截面设计，提升管上部为某一床料或燃料的临界流化速度时，底部速度为临界速度1-2倍。不同截面的速度梯度，满足了不同原料的流化需要。流化特性好的燃料，从下部加料口加入，延长燃料在提升管中的停留时间；流化特性差的，从上部加料口加入，通过延长燃料的下降时间，延长反应时间，同时使得生物质在提升管下降过程中利用床料的高温及冲击作用，改变生物质的物理和化学性质，将硬度大、密度大、颗粒大的含碳材料热解粉碎成为硬度小、密度小、粒度小的流化特性好的生物质粉。
实施例一
燃料为生物质秸秆压块从标高4000mm(风帽标高0mm)加料口加入，床料为石英砂。中心区域风帽速度为边缘区域风帽速度的1.1倍；提升管下部减缩段锥角10°；气垫区高度为提升管有效高度的1/30。稳定运行时，系统热转化效率95％。将燃料调整为稻壳，从标高2500mm加料口加入，稳定运行系统热转化效率96％。
实施例二
燃料为生物质木块(颗粒度小于5cm)从标高5500mm(风帽标高0mm)加料口加入，床料为河沙。中心区域风帽速度为边缘区域风帽速度的1.5倍；提升管下部减缩段锥角90°；气垫区高度为提升管有效高度的1/20。稳定运行时，系统热转化效率99％。将燃料调整为木屑，从标高1500mm加料口加入，稳定运行系统热转化效率97％。
实施例三
燃料为稻壳从标高3500mm(风帽标高0mm)加料口加入，床料为氧化铝球。中心区域风帽速度为边缘区域风帽速度的1.3倍；提升管下部减缩段锥角55°；气垫区高度为提升管有效高度的1/50。稳定运行时，系统热转化效率97％。将燃料调整为破碎后秸秆，从标高1700mm加料口加入，稳定运行系统热转化效率98％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。