一种基于碱金属熔融盐的生物质热解气化装置及方法

1.本发明属于生物质和有机固废利用技术领域，具体涉及一种基于碱金属熔融盐的生物质热解气化装置及方法。


背景技术：

2.随着经济和科技的发展，人类对能源的依赖越来越严重，过去一个世纪人类最重要的能源来源是不可再生的化石能源(煤、石油。天然气)，但化石能源的过度使用导致严重的环境问题，如酸雨、雾霾频发、温室效应、冰川融化海平面上升等问题正严重危及人类生存。另一方面，目前发展可再生能源是迫在眉睫的，各个实体都在大力发展可再生能源。
3.农余废弃物储存大量的生物质资源，生物质资源作为生物质能作为唯一的可再生碳源，能够用于制备乙醇、生物柴油等液态燃料和合成气(h2和co)以及相关化学品，从而对煤化工和石油基的相应产品进行部分替代。同时随着城市的迅速发展，城市固废的处理成为限制城市进一步的发展的难题，而城市固废作为一种生物质资源也是潜在可利用的能源。目前生物质能源转化利用的主要途径包括生物化学转化和热化学转化，其中生物质热化学转化技术包括燃烧、热解和气化，以从生物质中获取热能、气体、液体和固体燃料。其中气化可以大规模制备氢气，值得重点研究。气化是指生物质以空气、氧气、水蒸气、co2或它们的混合物为气化剂，在700-900℃条件下发生不完全氧化，转化为以co、h2、ch4为主可燃气体的过程。气化反应可以通过选择不同的气化剂以获得的不同热值和不同组分的生物燃气，转化效率可高达70-90％。(讲原先气化装置的缺点)
4.熔融盐一般是指碱金属无机盐的熔融液体，能作为生物质热化学转化的反应介质、传热介质和催化介质。
5.目前的生物质的热解气化技术存在的问题主要有：
6.①
由于生物质在气化炉中扩散不够均匀导致生物质无法充分反应，导致气化效率降低。
7.②
常规的用气体做气化剂的气化方法需要用催化剂对气化气体进行催化重整，气化效率降低。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于碱金属熔融盐的生物质热解气化装置及方法，利用熔融盐循环系统对碱金属熔融盐进行循环处理，可以避免碱金属熔融盐在循环使用中发生的气化效率降低和催化失效等问题。
9.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于碱金属熔融盐的生物质热解气化装置，包括太阳能光热系统、熔融盐冷凝装置、生物质给料装置、蒸汽发生装置、密闭反应容器以及控制系统，太阳能光热系统中用熔盐作为吸热放热介质，太阳能光热系统、生物质给料装置以及蒸汽发生装置的介质出口连接密闭反应容器的入口，密闭反应容器的气态产物出口连接氢气回收装置；密闭反应容器的固态产物出口依次连接动力装置和过滤
装置，过滤装置的连接熔融盐冷凝装置和生物质炭收集装置，密闭反应容器中设置温度监控装置和压力监测装置，温度监控装置和压力监测装置连接控制系统的输入端；太阳能光热系统和生物质给料装置的介质出口均设置有给料控制装置，控制系统的输出端连接给料控制装置执行信号的输入端。
10.太阳能光热系统包括定日镜和吸热塔，吸热塔中设有熔盐作为换热介质，定日镜用于将太阳光反射至吸热塔，定日镜的反射光方向朝向吸热塔；熔融盐冷凝装置的出口连通吸热塔的介质入口，熔融盐冷凝装置的出口至吸热塔的介质入口设置熔盐输送泵。
11.密闭反应容器采用热解气化反应釜，热解气化反应釜的气态产物出口与氢气回收装置入口之间的路径上依次设置水煤气变化塔和气体除杂装置。
12.蒸汽发生装置连接有储水箱，蒸汽发生装置的出口设置有电动阀门、温度变送器和压力变送器，温度变送器和压力变送器连接控制系统的输入端，电动阀门执行机构的信号输入端连接控制系统的输出端。
13.熔融盐冷凝装置还连接有集水装置和焦油收集装置。
14.热解气化装置的压力可通过改变水蒸汽流量来调节。
15.过滤装置中设置耐高温过滤筛，所述耐高温过滤筛用于将固体的生物质炭与液态的熔融盐分离。
16.本发明同时提供一种基于碱金属熔融盐的生物质热解气化方法，碱金属熔盐吸热成为熔融态碱金属熔盐，熔融态碱金属熔盐与经过处理的生物质在设定的温度和压力条件下进行热解反应，生物质生成生物质炭；或熔融态碱金属熔盐、经过处理的生物质以及水蒸气在设定的温度和压力条件下进行热解气化反应，生成气体产物和生物质炭，收集气体产物和生物质炭；放热后的熔融态碱金属进行过滤回收，并再次进行吸热和放热循环；所述热解反应的温度为450
±
50℃，压力为0.1～0.2mpa，所述热解气化反应的温度为800
±
50℃，压力为0.1-0.5mpa。
17.基于本发明所述的生物质热解气化装置的生物质热解气化方法，碱金属熔盐在太阳能光热系统吸热成为熔融态碱金属熔盐，熔融态碱金属熔盐与经过处理的生物质进入热解气化反应釜在设定的温度和压力条件下进行热解反应，生物质生成生物质炭；或熔融态碱金属熔盐、经过处理的生物质以及水蒸汽进入热解气化反应釜在设定的温度和压力条件下进行热解气化反应，生成气体产物和生物质炭，气体产物进入氢气回收装置收集；生物质炭和放热后的熔融态碱金属过滤装置在过滤装置中分离，将生物质炭输入生物质炭收集装置，放热后的熔融态碱金属再次进行吸热和放热循环；热解反应或热解气化反应过程中通过温度监控装置实时监测温度。
18.热解气化装置产生的气体送入水煤气变化塔将co转化为co2，然后通过气体除杂装置后将分离出的氢气送入氢气收集装置，除杂后剩余的气体成分主要是co2，利用co2收集罐19收集。
19.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
20.本发明利用太阳能光热结合生物质这种近零排放的清洁能源制氢，是一种环境友好型制氢装置，可作为未来制氢技术的参考；本发明提出利用熔融盐循环系统对碱金属熔融盐进行循环处理，可以避免碱金属熔融盐在循环使用中发生的气化效率降低和催化失效等问题，可以进一步提高碱金属熔融盐作为热解气化介质的优良性能，本发明利用碱金属
熔融盐作为热解气化介质相比传统的气体介质的优点有热解气体中合成气(h2 co)产量增加并提高气体能量产率；大幅提高生物油中酚类和芳烃类物质相对含量，提升生物油品质；活化效果更好，促进固体焦炭形成介孔多孔碳。
附图说明
21.图1为本发明一种可实施的装置结构示意图。
22.附图中，1-定日镜，2-吸热塔，3-熔融盐冷凝装置，4-过滤装置，5-动力装置，6-第一控制系统，7-生物质炭收集装置，8-温度监控装置，9-热解气化反应釜，10-第二控制系统，11-生物质给料装置，12-熔融盐给料控制装置，13-生物质给料控制装置，14-储水箱，15-蒸汽发生装置，16-氢气收集装置，17-气体除杂装置，18-水煤气变化塔，19-co2收集罐。
具体实施方式
23.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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
27.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
28.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
29.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不
同形状、大小、相对位置的区域/层。
30.由于熔融盐作为生物质气化的反应介质相比气体作为反应介质具有气化效率高，催化效率高，氢气产率高的优点，并且当前没有报道关于熔融盐生物质气化的相关技术。本发明提出利用太阳能光热与生物质气化制氢结合，由于生物质作为燃料使用是一种碳平衡过程，释放出来的二氧化碳量等于植物生长过程中通过光合作用所吸收的二氧化碳量，二氧化碳的净排放量近似为零，所以利用本发明本质是利用太阳能将热能传递给碱金属盐，利用碱金属熔融盐作为气化剂，使生物质在液态熔融盐介质中进行高效的气化。
31.参考图1，本发明提供的一种基于碱金属熔融盐的生物质热解气化装置，包括太阳能光热系统、熔融盐冷凝装置3、生物质给料装置11、蒸汽发生装置15、密闭反应容器以及控制系统10，太阳能光热系统中用熔盐作为吸热放热介质，太阳能光热系统、生物质给料装置11以及蒸汽发生装置15的介质出口连接密闭反应容器的入口，密闭反应容器的气态产物出口连接氢气回收装置16；密闭反应容器的固态产物出口依次连接动力装置5和过滤装置4，过滤装置4的连接熔融盐冷凝装置3和生物质炭收集装置7，密闭反应容器中设置温度监控装置8和压力监测装置，温度监控装置8和压力监测装置连接控制系统10的输入端；太阳能光热系统和生物质给料装置11的介质出口均设置有给料控制装置，控制系统10的输出端连接给料控制装置执行信号的输入端。
32.太阳能光热系统包括定日镜1和吸热塔2，定日镜1负责吸收折射太阳光到吸热塔2，吸热塔2吸热将碱金属盐熔融，熔融盐循环系统包括热解气化反应釜9、动力装置5、过滤装置4、熔融盐冷凝装置3以及吸热塔2，吸热塔2与热解气化反应釜9相连，将熔融盐送入热解气化反应釜9中，熔融盐温度可根据产物要求和原材料种类进行调节，生物质在热解气化反应釜9中完成热解制炭过程后，由动力装置5将包含生物质炭的熔融盐送入过滤装置4将生物质炭过滤掉，然后进入熔融盐冷凝装置3中冷凝备用。同时熔融盐冷凝装置3也将吸收热解气化产生的液体成分，如焦油和水。
33.当本装置用于气化用途时，熔融盐的反复使用会导致熔融盐中灰分含量过大，从而影响反应进程，并且会导致催化活性降低；所以在气化过程中定期使用熔融盐循环系统进行灰分的去除。另外熔融盐循环系统将热解气化产生的水和焦油过滤掉。生物质热解气化系统包括生物质给料装置11、熔融盐给料控制装置12、生物质给料控制装置13、热解气化反应釜9以及第一控制系统6；生物质给料装置11连接热解气化反应釜9，生物质给料控制装置13设置在生物质给料装置11至热解气化反应釜9的路径上。
34.当开始进行热解/气化过程后，生物质给料装置11开始给料，由第二控制系统10控制熔融盐给料控制装置13和生物质给料控制装置12按照设定的混合比进行给料。水蒸汽系统包括储水箱14和蒸汽发生装置15，气化气体处理系统包括水煤气变化反应塔18和氢气收集装置16。气化产生的气体主要有co和h2，通过水煤气变化反应后转换为co2和h2，然后将其中的h2和co2分别储存起来。
35.考虑到熔融盐作为热解/气化介质需要良好的热稳定性，所以本发明中的碱金属熔融盐使用复合碱金属碳酸盐多元体系。
36.本发明提出的热解原理如下：
37.太阳能光热系统开始工作，吸热塔吸收来自定日镜的太阳能将碱金属碳酸盐转化为熔融态。
38.生物质热解气化系统开始工作，第二控制系统10控制熔融盐给料控制装置和生物质给料控制装置按照设定的混合比进行给料，进入热解气化反应釜中进行反应，同时温度监控装置开始操作，将测得的温度数据返还控制系统2，根据反应釜温度变化实时补充熔融盐。
39.热解气化反应釜内完成热解反应后，熔融盐循环系统和气化气体处理系统开始工作，携带生物质炭的熔融盐在动力系统的推动下进入过滤装置将固体生物质炭过滤后进入熔融盐冷凝装置，熔融盐冷凝后进入吸热塔。气化气体处理系统将热解产生的少量气体通过水煤气变化反应并进行除杂后进入氢气储集罐。
40.本发明提出的气化原理是：
41.太阳能光热系统开始工作，吸热塔吸收来自定日镜的太阳能将碱金属碳酸盐转化为熔融态。
42.生物质热解气化系统开始工作，第二控制系统用于控制熔融盐给料控制装置和生物质给料控制装置按照设定的混合比进行给料，进入热解气化反应釜中进行反应。水蒸汽给气系统开始工作，储水塔将水送入蒸汽发生装置，产生水蒸气送入热解反应釜。同时温度监控装置将测得的温度数据返还第一控制系统6，再根据反应釜温度变化实时补充熔融盐；可以将第一控制系统6和第二控制系统连接，相互传输信息和指令。
43.热解气化反应釜内完成热解反应后，熔融盐循环系统和气化气体处理系统开始工作，携带气化后剩余的生物质炭的熔融盐在动力系统的推动下进入过滤装置将固体生物质炭过滤后进入熔融盐冷凝装置，熔融盐冷凝后进入吸热塔。气化气体处理系统将气化产生的气体通过水煤气变化反应并进行除杂后进入氢气储集罐。
44.参考图1，本发明提供一种基于碱金属熔融盐的生物质热解气化装置，包括定日镜1，吸热塔2，熔融盐冷凝装置3，过滤装置4，动力装置5，第一控制系统6，生物质炭收集装置7，温度监控装置8，热解气化反应釜9，第二控制系统10，生物质给料装置11，生物质给料控制装置12，熔融盐给料控制装置13，储水箱14，蒸汽发生装置15，氢气收集装置16，气体除杂装置17，水煤气变化塔18以及co2收集罐19；所述的热解气化装置使用碱金属熔融盐作为热解/气化介质与生物质直接接触，气化效率和催化效果显著，但是在热解气化过程中产生的灰分、水、焦油等产物的不断堆积会降低液态熔融盐的反应活性，所以设计熔融盐循环系统来保证液态熔融盐体系的纯度确保热解气化反应的进行。碱金属盐通过吸热塔2变成熔融态然后通过熔融盐给料控制装置13与来自生物质给料控制装置12的生物质混合进入热解气化反应釜9中进行热解/气化反应然后在动力装置5的推动下进入过滤装置4利用耐高温过滤筛将热解/气化产生的生物质炭过滤后进入熔融盐冷凝装置3冷凝除去热解/气化产生的液体焦油和水后再次进入吸热塔2；生物质给料控制装置12和熔融盐给料控制装置13的信号输入端连接第二控制系统10的输出端。
45.所述的热解气化装置使用定日镜1和吸热塔2组成太阳能光热系统提供热源，并且通过第一控制系统6接收温度监控装置8反馈的热解气化反应釜9中的温度信息直接调节定日镜角度来改变吸热塔的加热温度，同时控制熔融盐供料，可以采用一种可控温的光热系统。
46.所述热解气化装置使用的碱金属熔融盐是复合体系碱金属盐，其热稳定性强，催化效果较好；所述热解气化装置的热解温度在为450
±
50℃，气化温度在800
±
50℃，温度调
节通过温度监控装置8获取热解气化反应釜9中温度信息反馈至第一控制系统6，第一控制系统6控制吸热塔调整熔融盐温度以实时调节热解气化反应釜9内反应温度。
47.所述的热解气化装置的工作压力可通过调节水蒸汽流量来调节。
48.所述的热解气化装置产生的气体主要成分是co和h2，产生的气体送入水煤气变化塔18，通过水煤气变化反应后转换为co2和h2，然后通过气体除杂装置17后将氢气送入16氢气收集装置。
49.所述的热解气化装置在用于热解制炭功能时蒸汽发生装置15停止工作，当热解气化装置切换到气化功能时蒸汽发生装置15开始工作。
50.一种基于碱金属熔融盐的新型生物质/有机固废热解气化方法，碱金属盐在吸热塔2吸收来自定日镜1的热能后转变为熔融盐后在第二控制系统10的控制下由熔融盐给料控制装置13与来自生物质给料控制装置12的生物质按照设定混合比混合后进入热解气化反应釜9进行热解/气化反应，同时储水箱14的给水进入蒸汽发生装置15产生水蒸气进入热解气化反应釜9，完成反应后的熔融盐混合物在动力装置5的带动下进入过滤装置4将产生的生物质炭过滤后进入熔融盐冷凝装置3将熔融盐混合物中的焦油和水去除后，碱金属盐将再次进入吸热塔2，热解/气化反应产生的气体进入水煤气变化塔18进行水煤气变化反应后进入气体除杂装置17，除杂后的氢气进入氢气收集装置16进行储存，产生的co2通过co2收集罐19收集起来。
51.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。