一种光热陶粒加热生物质制合成气系统及其制备方法与流程

1.本发明涉及能源利用技术领域，具体而言，涉及一种光热陶粒加热生物质制合成气系统及其制备方法。


背景技术：

2.我国地域广阔、生物质资源丰富，生物质的合理利用能够改善我国能源结构，有效减少对传统化石能源的依赖，实现多能互补。西部地区丰富的太阳能资源和生物质能分布为发展生物质耦合光热制氢提供了基础，生物质耦合光热制氢的基本原理为利用光热技术提供能量促进生物质的气化，进而产生出富氢合成气，为下游工业生产提原料。目前我国的生物质能源利用率很低，造成了太多的能源浪费，如果能妥善处理，不仅能够节约能源，创造效益，还能减少环境污染。
3.目前光热技术已在发电领域实现了商业化运营，并取得了不错的效益，例如常规槽式光热发电系统，以及cn201821037848.1提供的一种光热发电装置均涉及太阳能光热发电技术，即利用太阳能收集设备收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的；而光热技术在热化学反应方面的应用还有欠缺，现有的技术还未见工程实施案例。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光热陶粒加热生物质制合成气系统及其制备方法，利用光热技术产生的能量作为生物质气化所需能量来源，能有效降低能量消耗，提高资源利用率。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种光热陶粒加热生物质制合成气系统，包括：
6.集热器以及周向环绕所述集热器分布用于将太阳光反射至所述集热器上的镜面阵列，所述集热器内部装载有陶粒，集热器收集到的太阳光能量使得其内部的陶粒升温；
7.气化炉，所述气化炉分别设置有生物质入料口、陶粒入料口，气化剂入口以及合成气出口，所述气化炉用于接收生物质、气化剂以及来自于所述集热器的升温陶粒，使得生物质在气化炉内部反应，生成合成气；
8.其中，所述气化炉内部还设置有物料分布器，用于将陶粒和生物质在进入气化炉时混合，使得陶粒的热量将生物质预热；所述物料分布器包括基板以及在基板上分散固定的多个三角锥型构件，相邻的三角锥型构件形成空隙以供混合后的生物质及陶粒通过；所述基板的至少一侧与所述气化炉内壁连接，并采取与下料方向一致的方向固定于所述气化炉内腔，使得生物质及陶粒经三角锥型构件分散后下落。
9.由此，生物质与陶粒颗粒进入气化炉在下落过程中受到不同部位布置的三角锥型构件影响进而改变下落路径，实现均匀分布。高温陶粒与生物质的稳定混合将影响气化炉的稳定运行及气化效率。文中所述与下料方向一致可以理解为由上至下的物料下落方向。
10.根据本发明的系统，所述基板上设置多个点位以固定安放各个三角锥型构件。优选地，一个点位固定设置一个三角锥型构件，相邻点位之间的间隔距离为3
‑
6cm，优选5cm；另外，所述三角锥型构件由两块板状元件连接呈夹角为40
‑
50度组成，优选45度；三角锥型构件的上述参数设置即保证了生物质及陶粒物料颗粒能够及时下落，又能够防止物料堵塞。
11.根据本发明的系统，优选地，所述基板的相对两侧分别固定于气化炉内壁。
12.根据本发明的系统，所述基板为耐高温材料，例如耐高温陶瓷。
13.根据本发明的系统，所述镜面阵列可选择聚焦型凹槽镜面。
14.根据本发明的系统，所述生物质的颗粒粒径为30
‑
100μm，例如选自30μm，40μm，50μm，60μm，70μm，80μm，90μm及100μm中的一种或多种粒径；优选40
‑
60μm，更优选50μm。
15.根据本发明的系统，所述陶粒的颗粒粒径为≤200μm。优选的上述粒径的生物质颗粒及陶粒经上述优选参数设置的三角锥型构件分散后，保证了物料颗粒能够及时下落，最大程度地避免了物料颗粒在三角锥型构件中的停留。
16.根据本发明的系统，吸收太阳光的热量后，所述集热器内腔温度为700℃
‑
900℃，例如800℃。
17.根据本发明的系统，优选地，在所述气化炉顶部分别设置生物质入料口及陶粒入料口，在具体的实施方案中，可设置螺杆输送机构将生物质颗粒输送至气化炉顶部，本领域技术人员知悉，该螺杆输送机构为常规设备，根据需求完成物料的输送，不再赘述。
18.根据本发明的系统，所述气化剂入口设置在气化炉的底部，优选为气化剂喷射口。
19.根据本发明的系统，所述合成气出口设置在气化炉的中部，以供产生的合成气排出。
20.根据本发明的系统，所述气化炉还设置有排渣口，优选在气化炉底部；以供生物质颗粒气化中形成的灰分以及陶粒排出。
21.根据本发明的系统，还设置有与陶粒入料口连通的陶粒储罐以及与生物质入料口连通的生物质储罐，均优选在气化炉的顶部，陶粒储罐用于储存经集热器加热后的陶粒。
22.根据本发明的系统，所述气化炉为固定床反应器，生物质及陶粒颗粒下落与下方喷射的气化剂混合反应，此时为下落床反应，部分未反应的颗粒继续进入气化炉底部以固定床模式继续进行反应，最终生成的合成气经合成气出口排出。
23.另一方面，本发明还提供了利用上述系统制备合成气的方法，包括如下步骤：
24.1)将集热器内陶粒加热至700
‑
900℃；
25.2)生物质以及加热后的陶粒由气化炉顶部进入，气化剂由所述气化炉底部进入，生物质与陶粒先经物料分布器混合换热后下落，生物质与气化剂反应生成合成气。
26.根据本发明的方法，所述陶粒与生物质的重量比例为1
‑
3：1，优选2：1。
27.根据本发明的方法，还包括步骤3)，反应后的生物质和陶粒经排渣口排出，并经过离心分离并洗涤后回收重复利用陶粒。优选地，回收的陶粒再次加入所述集热器中。
28.本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
29.本发明利用塔式太阳能光热技术将太阳能通过镜面反射加热集热器，集热器内陶粒受热产生高温，高温陶粒和生物质颗粒在进入气化炉的过程中，利用陶粒的热量预热生物质，同时由于物料分布器的设置，高温陶粒与生物质颗粒在分布器内呈现正态分布，两流
股相互混合，能更好的接触传热，加热生物质颗粒，生物质颗粒预热后与高温陶粒继续朝气化炉底部继续下落，在此过程中与气化剂反应，产生合成气，反应过程中产生的热量可促进生物质颗粒的继续反应，合成气从气化炉溢出，而反应后的颗粒落入气化炉底部，最终生成的生物质灰与陶粒一起排出，由于生物质灰较轻，陶粒可经过离心分离并洗涤后回收重复利用。
30.但是太阳能是一种不稳定的能源，如何保证气化的稳定输出是本发明的关键。本发明气化炉能够保证工况的连续性运行，本发明系统设置的陶粒储罐储存着多余的高温陶粒，可保证镜场能量不足时备用的高温陶粒也能满足后续所需，满足24小时不间断运行。
31.综上，本发明系统可实现太阳能与生物质能的综合高效利用，且具有多种优势：利用光热技术产生的能量可作为生物质气化所需能量来源，能有效降低气化能量消耗，提高资源利用率；且能量来源清洁，减少了生物质气化的能耗；其次是生物质气化炉内温度分布更均衡，无需再次设置换热装置，而常规的气化炉需设置，而正是由于本发明中物料分布器的设置，生物质及陶粒物料下落过程中受到缓冲，分布较为均匀，可形成类似的均匀反应区域，不会产生高温反应区，因此无需设置换热装置。
附图说明
32.图1为一种实施方式中的光热陶粒加热生物质制合成气系统结构示意图；
33.图2为图1系统的物料分布混合原理图。
34.图3a为物料分布器的结构正视图。
35.图3b为物料分布器的结构侧视图。
36.图中标记如下，1
‑
集热器，2
‑
镜面阵列，3
‑
气化炉，4
‑
陶粒储罐，5
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生物质储罐，3.1
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生物质入料口，3.2
‑
陶粒入料口，3.3
‑
气化剂入口，3.4
‑
合成气出口，3.5
‑
物料分布器，3.51
‑
基板，3.52
‑
三角锥型构件，3.6
‑
排渣口。
具体实施方式
37.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
39.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
41.图1示意了一种实施方式中的光热陶粒加热生物质制合成气系统，包括：
42.集热器1以及周向环绕所述集热器分布用于将太阳光反射至所述集热器上的镜面阵列2，所述集热器1内部装载有陶粒，集热器收集到的太阳光能量使得其内部的陶粒升温；
43.气化炉3，所述气化炉3分别设置有生物质入料口3.1、陶粒入料口3.2，气化剂入口3.3以及合成气出口3.4，所述气化炉3用于接收生物质、气化剂以及来自于所述集热器1的升温陶粒，使得生物质在气化炉内部反应，生成合成气。
44.其中，所述气化炉3内部还设置有物料分布器3.5，用于将陶粒和生物质在进入气化炉时混合，使得陶粒的热量将生物质预热；所述物料分布器包括基板3.51以及在基板上分散固定的多个三角锥型构件3.52，相邻的三角锥型构件形成空隙以供混合后的生物质及陶粒通过；所述基板3.51的至少一侧与所述气化炉内壁连接，并采取与下料方向一致的方向固定于所述气化炉内腔，使得生物质及陶粒经三角锥型构件分散后下落。
45.较佳地，在一具体的示例中，所述基板3.51的相对两侧分别固定于气化炉3内壁，即图示左、右两侧。
46.在本发明实施例中，图2为图1系统的物料分布混合原理图，生物质与陶粒颗粒进入气化炉在下落过程中受到不同部位布置的三角锥型构件影响进而改变下落路径，实现均匀分布。高温陶粒与生物质的稳定混合将影响气化炉的稳定运行及气化效率。
47.较佳地，在一具体的示例中，如图3a和3b所示，所述基板3.51上设置多个点位以固定安放各个三角锥型构件3.52。一个点位固定设置一个三角锥型构件，相邻点位之间的间隔距离为3
‑
6cm，例如5cm；另外，所述三角锥型构件由两块板状元件连接呈夹角为40
‑
50度组成，例如45度；三角锥型构件的上述参数设置即保证了物料颗粒能够及时下落，又能够防止物料堵塞。
48.在一具体的示例中，生物质入料口3.1及陶粒入料口3.2分别设置在气化炉1顶部，在一优选的实施例中，另设置螺杆输送机构将生物质颗粒输送至气化炉顶部，本领域技术人员知悉，该螺杆输送机构为常规设备，根据需求完成物料的输送，不再赘述。
49.较佳地，本发明实施例系统还设置与陶粒入料口3.2连通的陶粒储罐4以及与生物质入料口3.1连通的生物质储罐5，均优选在气化炉3的顶部，陶粒储罐4用于储存经集热器1加热后的陶粒。
50.较佳地，所述孔状基板为耐高温陶瓷材料。
51.较佳地，所述镜面阵列可选择聚焦型凹槽镜面。
52.较佳地，所述生物质的颗粒粒径为30
‑
100μm，例如在多个示例中可具体选择30μm，40μm，50μm，60μm，70μm，80μm，90μm及100μm中的一种或多种粒径的生物质颗粒；优选40
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60μm，本实施例中选为50μm。
53.较佳地，所述陶粒的颗粒粒径为≤200μm，本实施例中选为100μm或50μm。
54.在本发明实施例的系统中，吸收太阳光的热量后，所述集热器内腔温度为700℃
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900℃，例如800℃，可根据镜面阵列系统提供的光能调控集热器内腔的温度，例如：现有的镜面阵列能够根据太阳角度及辐照度改变镜面角度，从而改进镜面反射能力，保证能量处于稳定状态，并通过集热器内的温度传感器反馈实时调控。
55.在一具体的示例中，所述气化剂入口3.3设置在气化炉3的底部，优选为气化剂喷
射口，且在其它示例中，可在不同位置设置多个气化剂入口。所述合成气出口3.4设置在气化炉的中部，以供产生的合成气排出。
56.在一具体的示例中，所述气化炉3还设置有排渣口3.6，优选在气化炉底部，以供生物质颗粒气化中形成的灰分以及陶粒排出。
57.较佳地，所述气化炉3为固定床反应器，生物质及陶粒颗粒下落与下方喷射的气化剂混合反应，此时为下落床反应，部分未反应的颗粒继续进入气化炉底部以固定床模式继续进行反应，生成合成气。气化剂可选自水蒸气、二氧化碳与氧气中的一种或多种混合。
58.利用本发明上述系统制备合成气的方法，包括如下步骤：
59.1)将集热器1内陶粒加热至700
‑
900℃；
60.2)生物质以及加热后的陶粒由气化炉3顶部进入，气化剂由所述气化炉底部进入，生物质与陶粒先经物料分布器混合换热后下落，生物质与气化剂反应生成合成气。
61.所述陶粒与生物质的重量比例为1
‑
3：1，例如2：1。
62.较佳地，还包括步骤3)，反应后的生物质和陶粒经排渣口3.6排出，并经过离心分离并洗涤后回收重复利用陶粒。回收的陶粒再次加入集热器1中。
63.以具体生产为例，将100kg用量的生物质颗粒(粒径为50
‑
80μm)和200kg陶粒(加热至900℃，粒径为100μm)加入到气化炉3中，并在气化炉3中通入8.3kmol用量的气化剂(h2o或co2)，可将生物质颗粒气化，气化率可达80％。
64.而采用常规的气化炉(固定床反应器)，将相同用量100kg及粒径50
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80μm的生物质颗粒气化，在本发明示例基础上，还需要补充30kg氧气作为供体与生物质颗粒反应供热，且气化率仅为60％。
65.并且，通过本发明生产示例发现，当相邻点位之间的间隔距离设置为5cm、三角锥型构件由两块板状元件连接呈夹角为45度组成时，当上述粒径为50
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80μm的生物质颗粒以及粒径为100μm的陶粒颗粒经该三角锥型构件分散后，保证了物料颗粒能够及时下落，最大程度地避免了物料颗粒在三角锥型构件中的停留。
66.本发明系统采用装置为常规结构，本领域技术人员根据其功能即可获悉其具体结构，例如：固定床反应器，螺杆输送机构，镜面阵列等。
67.本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。