甲烷合成设备及甲烷合成净化系统的制作方法

本发明涉及能源化工技术领域，具体而言，涉及一种甲烷合成设备及甲烷合成净化系统。

背景技术：

生物质作为一种可再生能源，在能源结构系统中的地位越来越重要，由于化石燃料、煤炭的不可再生性和使用过程对环境的影响，生物质能将成为最主要能源之一。生物质在我国丰富而广泛，大力发展生物质气化技术，对缓解能源供求矛盾和减少环境污染有着十分重要的意义。

生物质中含有大量的c和h等元素，但是直接利用c和h合成为甲烷(ch4)是难以攻克的难题。因为c原子外层4个电子，2s轨道内2个已成对，2px、2py轨道内各1个电子未成对，根据泡利原理，1个轨道最多容纳2个电子，因此，2s轨道已有2个电子就不能再吸收电子，2px、2py轨道最多各吸收1个电子，所以，c原子最多与2个h化合，不能与4个h合成ch4。

而通过隔绝氧气，利用生物质，经过微生物发酵产生甲烷的周期较长，而且受外界因素影响较大，一时难以解决对能源的需求。因此，利用生物质直接快速的合成甲烷已成为亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种甲烷合成设备及甲烷合成净化系统，能够将生物质中的c与h直接合成ch4，并提高合成气中ch4含量。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面，提供一种甲烷合成设备，包括依次连接设置的热解装置、燃烧装置和还原装置，生物质输入所述热解装置并在所述热解装置中热解为可燃性气体和半焦，所述热解装置输出的可燃性气体和半焦输入所述燃烧装置并由分子态裂解为原子态，所述燃烧装置输出的原子态裂解产物输入所述还原装置合成为甲烷气体。

可选地，所述热解装置包括第一撬装箱和穿设在所述第一撬装箱上的第一回转窑筒体；所述燃烧装置包括第二撬装箱和设置在所述第二撬装箱内的灰渣输送机；所述还原装置包括第三撬装箱和穿设在所述第三撬装箱上的第二回转窑筒体，所述第一回转窑筒体的一端与所述第二回转窑筒体的一端通过所述第二撬装箱连接。

可选地，所述第一撬装箱内设置有第一加热组件，所述第三撬装箱内设置有第二加热组件，所述第一回转窑筒体和所述第二回转窑筒体内壁分别设置有导流板，以形成输送通路。

可选地，所述热解装置还包括窑头罩，所述窑头罩设置在所述第一回转窑筒体远离所述第二撬装箱的一端；所述还原装置还包括窑尾罩，所述窑尾罩设置在所述第二回转窑筒体远离所述第二撬装箱的一端。

可选地，所述第一回转窑筒体与所述窑头罩连接处、所述第一回转窑筒体与所述第二撬装箱连接处、所述第二回转窑筒体与所述窑尾罩以及所述第二回转窑筒体与所述第二撬装箱连接处分别设置有密封装置，所述密封装置包括第一密封层、第二密封层和风机，所述第一密封层和所述第二密封层之间形成有空腔，所述风机用于将所述空腔内形成负压。

可选地，所述热解装置还包括进料输送机，所述进料输送机设置在所述窑头罩上，用于将生物质输送到所述第一回转窑筒体内。

可选地，所述燃烧装置还包括点火组件，所述点火组件包括供氧管、燃气管、液化气管和点火枪，所述供氧管、所述燃气管、所述液化气管以及所述点火枪的末端汇集于一处，所述燃气管用于输送燃气，所述供氧管用于提供燃气燃烧所需氧气，所述液化气管用于提供液化气以引燃火苗，所述点火枪用于提供点火源。

可选地，所述还原装置还包括设置在所述第二回转窑筒体上的光催化组件，以及设置在所述第三撬装箱上的光催化控制器，所述光催化组件和所述第二加热组件分别与所述光催化控制器电连接，其中，所述光催化组件用于出射红外光。

可选地，所述甲烷合成设备还包括分别与所述第一回转窑筒体和所述第二回转窑筒体转动连接的转动装置，所述转动装置包括电动机和套设在所述第一回转窑筒体/所述第二回转窑筒体上的传动轮，所述第一回转窑筒体和第二回转窑筒体上还分别设置有轮带，以及与所述轮带对应的第一挡轮和第二挡轮，用于限制所述第一回转窑筒体和第二回转窑筒体的轴向窜动。

可选地，所述第一回转窑筒体和所述第二回转窑筒体外侧，以及所述第一撬装箱、所述第二撬装箱和所述第三撬装箱内侧分别设置有保温层。

本发明的另一方面，提供一种甲烷合成净化系统，包括如上所述任意一项所述的甲烷合成设备，以及与所述甲烷合成设备连通的净化设备，所述净化设备用于对所述甲烷合成设备生成的气体进行净化。

可选地，所述净化设备包括依次连通的沉积设备、散热组件、净化组件和引风机，所述沉积设备与所述散热组件之间设置有风阀，所述沉积设备与所述甲烷合成设备的还原装置连通。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的甲烷合成设备，通过依次连接设置的热解装置、燃烧装置和还原装置，使生物质(如秸秆、生活垃圾等)经过热解装置的热解作用，将生物质热解为可燃性气体和半焦。生成的可燃性气体和半焦再经过燃烧装置的裂解作用，将热解产物由分子态裂解为原子态。最后原子态的裂解产物在还原装置的作用下将裂解产物合成为甲烷气体。

本发明实施例提供的甲烷合成净化系统，通过与甲烷合成设备连通的净化设备，使生成的甲烷气体净化，进而提升生成甲烷气体的纯度，减小了生成的其他杂质气体对甲烷气体的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的甲烷合成净化系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的热解装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的还原装置的结构示意图。

图标：100-热解装置；110-第一回转窑筒体；120-第一撬装箱；122-第一加热组件；130-窑头罩；140-进料输送机；200-燃烧装置；210-第二撬装箱；220-灰渣输送机；300-还原装置；310-第二回转窑筒体；320-第三撬装箱；322-第二加热组件；324-光催化组件；330-窑尾罩；400-导流板；500-密封装置；510-第一密封层；520-第二密封层；530-空腔；600-点火组件；610-供氧管；620-燃气管；630-点火枪；710-传动轮；720-轮带；722-第一挡轮；724-第二挡轮；800-保温层；900-净化设备；910-沉积设备；920-散热组件；930-净化组件；940-引风机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。

请参照图1，本实施例提供一种甲烷合成设备，包括依次连接设置的热解装置100、燃烧装置200和还原装置300，生物质输入热解装置100并在热解装置100中热解为可燃性气体和半焦，热解装置100输出的可燃性气体和半焦输入燃烧装置200并由分子态裂解为原子态，燃烧装置200输出的原子态裂解产物输入还原装置300合成为甲烷气体。

需要说明的是，热解装置100、燃烧装置200和还原装置300之间依次连通，生物质(含水率＜30％、破碎至粒径＜40cm)等原材料进入热解装置100，进行初步的加工。再依次通过燃烧装置200和还原装置300，最终生成甲烷气体。

本发明实施例提供的甲烷合成设备，通过依次连接设置的热解装置100、燃烧装置200和还原装置300，使生物质(如秸秆、生活垃圾等)经过热解装置100的热解作用，将生物质热解为可燃性气体和半焦。生成的可燃性气体和半焦再经过燃烧装置200的裂解作用，将热解产物由分子态裂解为原子态。最后原子态的裂解产物在还原装置300的作用下将裂解产物合成为甲烷气体。本发明实施例提供的甲烷合成设备，投资规模较小，易于加工生产，运行成本低，自动化程度高，维护费用小，为村镇建设“微型”制气供气站奠定了坚实的技术基础。

如图1所示，热解装置100包括第一撬装箱120和穿设在第一撬装箱120上的第一回转窑筒体110；燃烧装置200包括第二撬装箱210和设置在第二撬装箱210内的灰渣输送机220；还原装置300包括第三撬装箱320和穿设在第三撬装箱320的第二回转窑筒体310上，第一回转窑筒体110的一端与第二回转窑筒体310的一端通过第二撬装箱210连接。

具体的，第一回转窑筒体110的长度可设置在4m～25m之间，第二回转窑筒体310的长度可设置在6m～40m之间，示例的，第一回转窑筒体110的长度可设置为4m、8m、15m或15m等，第二回转窑筒体310的长度可设置为6m、10m、20m、30m或40m等。另外，第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310可以水平设置，也可以倾斜设置，本发明实施例对此不做具体限制。当第一回转窑筒体110或第二回转窑筒体310倾斜设置时，可设置2％～6％的倾斜度，其中，第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310的入口端高于出口端，这样一来，方便传送到第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310内的原材料顺利滑落。

设置在第二撬装箱210内的灰渣输送机220，用以将灰渣推进至第二回转窑筒体310内，该灰渣输送机220包括电动机以及和电动机传动连接的螺旋杆，该螺旋杆为空心结构，内部可设置风冷却或水冷却功能。另外，在螺旋杆外圈可设置无盖的箱体，以便接受落入的灰渣，并及时通过螺旋杆传送至第二回转窑筒体310内。

如图1至图3所示，第一撬装箱120内设置有第一加热组件122，第三撬装箱320内设置有第二加热组件322，第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310内壁分别设置有导流板400，以形成输送通路。

具体的，第一撬装箱120内设置的第一加热组件122和第三撬装箱320内设置有第二加热组件322均可采用电加热，优选地，采用电热丝进行电加热，采用电加热能源利用率高，加热时没有污染等其他因素影响。

导流板400可设置为螺旋形，当第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310水平设置时也不会影响物料的传送，另外，导流板400设置为螺旋形，可使内部的物料传送过程中更加松散，有利于提升合成率，使生物质合成为甲烷更加充分。

如图1所示，热解装置100还包括窑头罩130，窑头罩130设置在第一回转窑筒体110远离第二撬装箱210的一端；还原装置300还包括窑尾罩330，窑尾罩330设置在第二回转窑筒体310远离第二撬装箱210的一端。

具体的，通过设置在第一回转窑筒体110远离第二撬装箱210的一端的窑头罩130和设置在第二回转窑筒体310远离第二撬装箱210的一端的窑尾罩330，使依次连接的热解装置100、燃烧装置200和还原装置300之间具有所需的密封性，确保甲烷的正常合成。

如图1和图2所示，第一回转窑筒体110与窑头罩130连接处、第一回转窑筒体110与第二撬装箱210连接处、第二回转窑筒体310与窑尾罩330以及第二回转窑筒体310与第二撬装箱210连接处分别设置有密封装置500，该密封装置500包括第一密封层510、第二密封层520和风机，第一密封层510和第二密封层520之间形成有空腔530，风机用于使空腔530内呈负压。

具体的，第一密封层510和第二密封层520均可起到密封的作用，风机的抽风口与第二密封层520连通，风机连续抽风使空腔530内形成负压，第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310内气体即使外泄，也将被抽走而不会无规则泄漏，降低了甲烷合成设备的使用风险。

如图1所示，热解装置100还包括进料输送机140，进料输送机140设置在窑头罩130上，用于将生物质输送到第一回转窑筒体110内。

具体的，进料输送机140包括螺旋铰刀，方便物料顺利的进入热解装置100内。进料输送机140伸入窑头罩130内的400mm-1000mm无螺旋铰刀，物料在此堆积，有螺旋铰刀段的推挤力把物料挤紧压实，起到第一回转窑筒体110内外密封作用。

如图1所示，燃烧装置200还包括点火组件600，该点火组件600包括供氧管610、燃气管620、液化气管(图1中未示出)和点火枪630，供氧管610、燃气管620、液化气管以及点火枪630的末端汇集于一处，燃气管620用于输送燃气，供氧管610用于提供燃气燃烧所需氧气，液化气管用于提供液化气以引燃火苗，点火枪630用于提供点火源，其中，燃烧装置200内燃烧时产生的明火可见光能照射到第二回转窑筒体310内。

具体的，供氧管610、燃气管620、液化气管和点火枪630分别设置有阀门，供氧管610经阀门送入氧气(也可以是空气)，燃气管620经阀门送入本甲烷合成设备自产的燃气或通过其他燃气源输送的其他燃气，液化气管经阀门送入瓶装液化气，点火枪630每隔20秒持续打火20秒(确保连续8000小时无故障)，火苗被引燃后，再由火苗引燃燃气管620送入的燃气着火。来自第二撬装箱210的可燃性气体的温度约500℃，经点火组件600送入燃气明火燃烧(送入的氧气量为理论空气量的10-30％)，温度升至将近1000℃，目的是使cmhn气体瞬间裂解，得到原子级的c和分子级的h2。因为只有原子级的c，其2s轨道的电子才能接受红外光能量，形成sp3杂化轨道，co、co2和固定碳分子中所含的c，红外光对其2s轨道的电子不起作用，而碳氢气体cmhn需在900℃以上才会裂解，如果5c以上的cmhn分子不裂解，从窑尾罩330排出冷却至室温就是焦油，就不会变成ch4，所以必须提高温度使cmhn裂解以获得原子级的c，为光催化使c原子形成sp3杂化轨道创造必须的条件。

如图1和图3所示，还原装置300还包括设置在第二回转窑筒体310上的光催化组件324，以及设置在第三撬装箱320上的光催化控制器，光催化组件324和第二加热组件322分别与光催化控制器电连接，其中，光催化组件324用于出射红外光。

具体的，第二回转窑筒体310为耐热钢卷制的焊接件，通过设置在第二回转窑筒体310上的光催化组件324，在300℃-900℃的温区内，能够发射出红外光，发射出的光子的震动频率，将与2s轨道的电子的频率相吻合，因此可被2s轨道的电子吸收。2s轨道内有一对2个电子，其所吸收的光子的能量，与其跃迁到2p轨道所需要的能量一致时，2s轨道内有1个电子就会跃迁到2pz空轨道内，从而，使c原子外层4个轨道各有1个电子，并重新分布为sp3杂化轨道，即每个sp3杂化轨道有1/4的s成分，3/4的p成分，这样c原子就可与4个h生成ch4，其夹角为109°28＇。

另外，当第二回转窑筒体310的光催化功能显著下降，ch4合成不能最大化时，光催化控制器会根据实际情况，对光催化组件324和第二加热组件322进行适时的调整。例如，使第二加热组件322加热，以使第二回转窑筒体310内保持合适的温区。

如图1至图3所示，甲烷合成设备还包括分别与第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310转动连接的转动装置，转动装置包括电动机和套设在第一回转窑筒体110/第二回转窑筒体310上的传动轮710，第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310上还分别设置有轮带720，以及与轮带720对应的第一挡轮722和第二挡轮724，用于限制第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310的轴向窜动。

具体的，本发明实施例对传动轮710不做具体限制，示例的，传动轮710可设置为齿轮、带轮和链轮的任意一种，只要能够满足所需的传动即可。另外，本发明实施例对传动轮710个轮带720的个数不做具体限制，示例的，第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310上可分别设置两个轮带720，第一挡轮722和第二挡轮724分别设置在轮带720的两侧，当第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310倾斜设置时，第一挡轮722和第二挡轮724可防止第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310因倾斜而下移，进而对设备安装的精度造成影响。

如图1所示，第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310外侧，以及第一撬装箱120、第二撬装箱210和第三撬装箱320内侧分别设置有保温层800。

具体的，第一撬装箱120、第二撬装箱210和第三撬装箱320内侧的保温层800固定不动，对第一撬装箱120、第二撬装箱210和第三撬装箱320起到保温的作用。第一撬装箱120、第二撬装箱210和第三撬装箱320区域之外的第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310设置的保温层800随着第一回转窑筒体110和第二回转窑筒体310同步回转。

本发明实施例还提供一种甲烷合成净化系统，包括如上任意一项的甲烷合成设备，以及与甲烷合成设备连通的净化设备900，净化设备900用于对甲烷合成设备生成的气体进行净化。

本发明实施例提供的甲烷合成净化系统，通过与甲烷合成设备连通的净化设备900，使生成的甲烷气体净化，进而提升生成甲烷气体的纯度，减小了生成的其他杂质气体对甲烷气体的影响。

如图1所示，净化设备900包括依次连通的沉积设备910、散热组件920、净化组件930和引风机940，沉积设备910和散热组件920之间设置有风阀(图1中未示出)，沉积设备910与甲烷合成设备的还原装置300连通。

具体的，通过引风机940使合成的甲烷气体可以顺利的引出，便于对气体的收集。另外，通过调整风阀的开启度，可以调整甲烷合成设备内的压力，使之符合要求的压力工况。其中，生成的甲烷气体最先通过沉积设备910，混杂在甲烷气体内的粉尘颗粒等会落至沉积设备910底部，对甲烷气体进行初步的净化。此时的甲烷气体温度还较高，之后通过散热组件920以对甲烷气体进行散热。散热后再经过净化组件930，把混杂在甲烷气体内的焦油、硫化氢等其他杂质气体进行处理，以得到纯净度更高的甲烷气体。之后便被引风机940引出收集，以及通过气体成份分析仪对净化后的甲烷气体进行检测或者通入其他设备进行更进一步的操作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。