技术领域本发明涉及多种可再生能源互补利用技术领域，尤其是一种实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统，以实现利用太阳能驱动生物质进行高效气化反应。
背景技术：
能源作为经济社会发展的基础，近年来煤炭、石油和天然气等化石燃料的消耗量急剧增长，也造成了严重的环境污染。为应对未来的发展需求，需大力开发利用太阳能、风能和生物质等可再生能源。中国的一次能源生产总量从2000年的13.5亿吨标准煤增长至2013年的34亿吨标准煤，年一次能源消耗量也由2000年的14.6亿吨标准煤增长至2013年的37.5亿吨标准煤，分别增长了151.85％和156.85％。其中水电、核电和风电等清洁能源的生产量和消耗量为3.71亿吨标准煤和3.68亿吨标准煤，仅占总量的10.91％和9.81％。同时还需指出的是，至2014年中国的石油对外依存度已达到59.6％，我国的能源安全已受到严重威胁。相对而言，生物质作为物质能源，能直接以直燃方式通过锅炉燃烧生产蒸汽，进而驱动汽轮发电机组，与风电和太阳能等其他可再生能源发电技术相比，生物质发电方式可根据电网的需求进行灵活调节，同时对合理消耗农村地区剩余的生物质秸秆资源也有着重要意义。通过直燃方式利用生物质，其产物仅为热能，只能通过常规的蒸汽发电和集中供热等形式加以利用，燃烧生物质生产得到的蒸汽温度一般在550℃以下，同时受到发电机组规模等因素的影响，生物质直燃发电方式的能源利用效率难以大幅提升。为此通过热化学技术实现生物质热解制油和气化产气的利用方法更受众人青睐，对所获取的液体或气体燃料进行深加工后能够生产出品质更高且应用范围更广的能源产品，也能对基于化石燃料的能源供应现行体系进行部分替代。现有的生物质气化技术主要采用自热型方式来提供反应所需要的热量，通常选用空气或湿空气作为气化剂，利用空气中含有的氧成分与生物质发生氧化反应来为气化提供充足的热量，这种反应体系比较简单，但提供反应热的生物质量约占生物质原有输入量的1/3，不仅导致生物质的有利用率较低，同时产生的合成气中CO2含量偏高，同时因燃烧产生的杂质还将污染气化合成气，使得后期的气体净化负荷增大。最初受到原油价格大幅上涨等因素的影响，太阳能利用技术发展迅速，太阳能是人类可以利用的最丰富的能源，根据利用技术的不同，可分为太阳能光伏发电技术和太阳能光热发电技术。其中太阳能光热技术，是利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，并获得一定温度的热能的应用技术，常规的太阳能光热发电技术则将通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，最终生产电能。常用的太阳能集热装置可分为线聚焦和点聚焦两大类，其中线聚焦太阳能集热装置主要包括抛物槽式和线性菲涅尔式，而点聚焦太阳能集热装置则主要为塔式和碟式。因聚光装置的结构有所差异，不同类型集热器的聚光比和与之对应的集热温度也将有所区别，其中抛物槽式和线性菲涅尔式的集热温度一般在550℃以下，而塔式和碟式集热装置的集热温度甚至能超过1000℃。传统的太阳能热发电技术，通常以导热油或熔盐作为传热工质，产生的蒸汽温度一般分别为370℃和550℃左右，利用较低温度的蒸汽难以提高太阳能热发电系统的整体性能，而且太阳能还具有间歇性和周期性的变化特性，如何实现发电装置的连续稳定运转仍然是该类发电技术的难点之一。为此，太阳能驱动生物质等进行气化的高温热化学利用技术逐渐被重视，不仅规避了常规生物质气化技术中所存在的诸多不足，也将太阳能转变为化学能，不仅实现了太阳能的能量形式转化，有利于太阳能的长期稳定存储。同时将太阳能转化为高品质的化学能，也有助于实现能量的高效利用并拓展太阳能的利用途径。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统，以提高生物质的气化效率，并降低气化合成气中的焦油含量。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统，该系统包括槽式中温太阳能热解吸收反应器1、焦炭分离器2、余热回收器3、焦油冷凝净化器4、高温太阳能流化床气化反应器5、储油罐6、旋风分离器7、定日镜场8和双曲面反射镜9，其中：经过干燥预热后的生物质a送入槽式中温太阳能热解吸收反应器1中，利用槽式中温太阳能热解吸收反应器1聚焦获得450℃以下的中温太阳能，驱动槽式中温太阳能热解吸收反应器1中的生物质a发生热解反应，生成的反应产物b中含有焦炭d、焦油e和烷烃类气体f；反应产物b送入焦炭分离器2中，分离出的固态焦炭d直接送入高温太阳能流化床气化反应器5，分离出的油气混合物c送入余热回收器3回收显热并降低气体产物的温度，经降温的油气混合物c进入焦油冷凝净化器4进行处理，得到液态的焦油e和烷烃类气体f，液态的焦油e送至储油罐6中储存，烷烃类气体f被送至高温太阳能流化床气化反应器5中；在余热回收器3中，利用油气混合物c释放出的显热来加热水j，将水j转变为水蒸气j’；一部分水蒸气j’作为推动气流送至槽式中温太阳能热解吸收反应器1中以保证生物质在反应器内的顺畅流动，另一部分水蒸气j’与由焦油冷凝净化器4分离出的烷烃类气体f一同送至高温太阳能流化床气化反应器5中；高温太阳能流化床气化反应器5生成的粗气化合成气g被送至旋风分离器7中，分离出灰分i，并引出一部分纯净的气化合成气h从高温太阳能流化床气化反应器5的底部送入高温太阳能流化床气化反应器5，促使高温太阳能流化床气化反应器5内的反应物形成流化态。上述方案中，所述中温太阳能直接由槽式中温太阳能热解吸收反应器1聚焦获得，并直接在槽式中温太阳能热解吸收反应器1内部完成生物质的热解反应。在所述槽式中温太阳能热解吸收反应器1中，反应生成的反应产物b经焦炭分离器2分离，分离出的固态焦炭d直接送入高温太阳能流化床气化反应器5，在高温太阳能流化床气化反应器5继续进行气化反应，用于生产获得粗气化合成气g。上述方案中，所述高温太阳能是利用定日镜场8和双曲面反射镜9聚焦获得，并借助双曲面反射镜9直接向下投射至高温太阳能流化床气化反应器5中。上述方案中，所述槽式中温太阳能热解吸收反应器1中进一步设置有气流推进和旋转推进装置，以保证生物质在其内部的顺畅流动。上述方案中，所述高温太阳能流化床气化反应器5采用流化床技术，并在反应腔室中部设置挡板结构，从底部引入纯净的气化合成气h促使在高温太阳能流化床气化反应器5形成流化状态。上述方案中，所述高温太阳能流化床气化反应器5进一步充分利用所投入气态反应物的高速动能，在高温太阳能流化床气化反应器5内部形成涡旋流场，加速反应物的扰动，提高反应动力学性能。上述方案中，该系统还根据需求将部分焦油e送至高温太阳能流化床气化反应器5中进行裂解，以增加系统合成气的产量。(三)有益效果从上述技术方案可看出，本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统，按照“温度对口”的原则分别利用中温和高温聚光太阳能依次独立驱动生物质进行热解和气化反应，由此可对系统的聚光过程进行优化，以提高系统的热效率，并降低系统热能的不可逆损失。2、本发明提供的实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统，充分利用抛物槽式等线聚焦太阳能集热装置获取的450℃以下的中温热能用以驱动生物质进行热解反应，反应生成的残炭和焦油等再利用高温太阳能聚光集热装置产生的800℃以上的高温热能进行气化，由此可降低高温聚光装置的集热量，从而提高整体的集热和热能利用效率，并降低系统的设备初投资。3、本发明提供的实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统，系统产物包括生物质热解焦油和合成气，同时可根据需要将热解焦油继续转变为合成气以提高系统合成气的产率，由此能够更好地满足下游设备的需求，拓展该系统的应用范围。4、本发明提供的实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统，能充分将热解段产生的焦油进行分解，由此能够有效降低最终所产生气化合成气中的焦油含量，有利于气化系统及合成气后续利用装置的安全稳定运行。附图说明图1为依照本发明实施例的实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统的结构示意图。图2为依照本发明实施例的安装有气流推进和旋转推进装置的槽式中温太阳能热解吸收反应器的结构示意图。图3为依照本发明实施例的安装有挡板结构和导流装置的高温太阳能流化床气化反应器的结构示意图。附图标记为：1-槽式中温太阳能热解吸收反应器、2-焦炭分离器、3-余热回收器、4-焦油冷凝净化器、5-高温太阳能流化床气化反应器、6-储油罐、7-旋风分离器、8-定日镜场、9-双曲面反射镜；a-生物质、b-焦油、焦炭和烷烃类气体的混合物、c-含焦油和烷烃类气体的油气混合物、d-焦炭、e-焦油、f-烷烃类气体、g-粗气化合成气、h-纯净的气化合成气、i-灰分、j-水、j’-水蒸气。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，图1为依照本发明实施例的实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统的结构示意图，该系统包括槽式中温太阳能热解吸收反应器1、焦炭分离器2、余热回收器3、焦油冷凝净化器4、高温太阳能流化床气化反应器5、储油罐6、旋风分离器7、定日镜场8和双曲面反射镜9，其中：经过干燥预热后的生物质a送入槽式中温太阳能热解吸收反应器1中，利用槽式中温太阳能热解吸收反应器1聚焦获得450℃以下的中温太阳能，驱动槽式中温太阳能热解吸收反应器1中的生物质a发生热解反应，生成的反应产物b中含有焦炭d、焦油e和烷烃类气体f。反应产物b送入焦炭分离器2中，分离出的固态焦炭d直接送入高温太阳能流化床气化反应器5，分离出的油气混合物c送入余热回收器3回收显热并降低气体产物的温度，经降温的油气混合物c进入焦油冷凝净化器4进行处理，得到液态的焦油e和烷烃类气体f，液态的焦油e送至储油罐6中储存，烷烃类气体f被送至高温太阳能流化床气化反应器5中；在余热回收器3中，利用油气混合物c释放出的显热用来加热水j，将水j转变为水蒸气j’；一部分水蒸气j’作为推动气流送至槽式中温太阳能热解吸收反应器1中以保证生物质在反应器内的顺畅流动，另一部分水蒸气j’与由焦油冷凝净化器4分离出的烷烃类气体f一同送至高温太阳能流化床气化反应器5中；高温太阳能流化床气化反应器5生成的粗气化合成气g被送至旋风分离器7中，分离出灰分i，并引出一部分纯净的气化合成气h从高温太阳能流化床气化反应器5的底部送入高温太阳能流化床气化反应器5，促使高温太阳能流化床气化反应器5内的反应物形成流化态。图1中，中温太阳能直接由槽式中温太阳能热解吸收反应器1聚焦获得，并直接在槽式中温太阳能热解吸收反应器1内部完成生物质a的热解反应。在所述槽式中温太阳能热解吸收反应器1中，反应生成的反应产物b经焦炭分离器2分离，分离出的固态焦炭d直接送入高温太阳能流化床气化反应器5，在高温太阳能流化床气化反应器5继续进行气化反应，用于生产粗气化合成气g。槽式中温太阳能热解吸收反应器1用于太阳能聚光集热，生物质a作为反应物在其中发生热解反应。与气态或液态物质不同的是，生物质是固态物质，其流动特性较差，为保证作为反应物的生物质在槽式中温太阳能热解吸收反应器1内顺畅流动，本发明是利用一部分水蒸气j’的高速动能带动生物质流动；同时，为保证生物质在槽式中温太阳能热解吸收反应器1内部的顺畅流动，本发明还可以借助于气流推进和旋转推进装置。气流推进和旋转推进装置类似于螺旋给料装置，将其安装于槽式中温太阳能热解吸收反应器1内部，可以通过在高速气流和螺旋推进的作用下实现反应物的向前顺畅流动。安装有气流推进和旋转推进装置的槽式中温太阳能热解吸收反应器，可参照图2，图2示出了依照本发明实施例的安装有气流推进和旋转推进装置的槽式中温太阳能热解吸收反应器的结构示意图。图1中，焦炭分离器2主要用于分离生物质热解后生产的气态和固态产物，焦炭分离器2一般采用常规的旋风分离技术，例如旋风分离器。焦炭分离器主要包括上部的圆筒和底部的锥形装置，将待分离的气-固或气-液物质以一定流速并以切向方式送入焦炭分离器，利用离心力即可将密度相差较大的气态和固态产物进行分离，该项技术属于目前非常成熟的工业应用技术。图1中，高温太阳能流化床气化反应器5是本发明的核心设备之一，其采用流化床技术，主要用于焦炭d和焦油e的后续反应。图1中所展示的是高温太阳能流化床气化反应器5的结构示意简图，为实现在高温太阳能流化床气化反应器5内形成涡旋流场，一般还可以在高温太阳能流化床气化反应器5内部安装挡板结构和导流装置等辅助部件，如图3所示，图3为依照本发明实施例的安装有挡板结构和导流装置的高温太阳能流化床气化反应器的结构示意图，在充分利用气体反应物的高速动能时将引导反应物按照所设定特定的路径进行流动，从而在高温太阳能流化床气化反应器5内部形成涡旋流场。从底部引入纯净的气化合成气h促使在高温太阳能流化床气化反应器5形成流化状态。高温太阳能流化床气化反应器5进一步充分利用所投入气态反应物的高速动能，在高温太阳能流化床气化反应器5内部形成涡旋流场，加速反应物的扰动，提高动力学反应性能。该系统还可以根据需求将部分焦油e送至高温太阳能流化床气化反应器5中进行裂解，以增加系统合成气的产量。图1中，高温太阳能流化床气化反应器5所需的高温太阳能由太阳能聚光集热装置提供，太阳能聚光集热装置采用点聚焦结构形式，其主要包括定日镜场8、集热塔以及为实现聚光太阳能下射而布置在集热塔顶部的双曲面反射镜9。高温太阳能是利用定日镜场8和双曲面反射镜9聚焦获得，并借助双曲面反射镜9直接向下投射至高温太阳能流化床气化反应器5中。定日镜场8布置在集热塔周围，用于收集太阳能并反射至集热塔顶部，同时定日镜场8的集热面积将根据实际需要进行调整。目前已有多套塔式太阳能热发电系统投入示范性商业运行，例如美国的SolarTwo和西班牙的PS20电站，他们可将融盐或给水等工质加热至560℃以上，进而生产高温高压蒸汽驱动蒸汽轮机作功发电。对于要求更高太阳能集热温度的太阳能热化学利用技术或其他应用场合，可扩大定日镜场的面积并优化定日镜场的结构布局，以增加太阳能的聚光比从而可进一步提高太阳能集热温度。在高温太阳能利用方面，在位于西班牙的PSA实验平台上曾采用点聚焦集热技术将空气等工质成功加热至1000℃以上。本发明中采用的下射式太阳能集热形式主要借助安装于集热塔顶部塔顶的双曲面反射镜9改变聚光光线的光路，从而高温太阳能流化床气化反应器5可安装于地面，虽然这样的聚光形式会增加集热损失，但仍然能够满足800℃集热温度的技术要求。生物质a经过前期的热解后将主要生成焦炭d和焦油e，在高温太阳能流化床气化反应器5中主要完成焦炭d和焦油e这两种物质的后续反应。焦炭d气化的反应条件主要包括高温条件、供应水蒸气或CO2等气化剂，焦炭d与气化剂在高温条件下进行气化反应并生产H2和CO等可燃性气体燃料。与此同时，前述热解得到的焦油e是一种成分复杂的碳氢化合物，在高温条件下也将发生裂解反应。焦炭d和焦油e这两种物质的反应主要依赖高温反应条件，两种不同物质的反应过程则相对独立，甚至会起到相互促进的作用。现有固定床或流化床等反应器结构已广泛应用于生物质气化等技术，因此本发明中采用的高温太阳能流化床气化反应器5能够满足焦炭气化制合成气与焦油裂解制合成气的相关技术要求。依赖于高温太阳能流化床气化反应器5内部的结构设计和反应物投入反应器时的速度，高温太阳能流化床气化反应器5中能够形成涡旋流场。在高温太阳能流化床气化反应器中形成涡旋流场，其目的是改善反应物在反应器内的扰动特性以提高反应物的反应动力学特性和反应速率。图1所示的高温太阳能流化床气化反应器内可以安装中间隔板和导流装置等辅助部件，通过充分利用所投入气态反应物的高速动能，并借助导流隔板等将引导反应物按照某种特定路径进行流动，从而在反应器内部形成涡旋流场。从技术角度出发，在高温太阳能流化床气化反应器中形成涡旋流场的过程如下：例如现有的旋风分离器和流化床反应器，其中旋风分离器主要包括上部的圆筒和底部的锥形装置，其结构非常简单，将待分离的气-固或气-液物质以一定流速并以切向方式通入旋风分离器中，充分利用离心力即可分离出密度较大的固相或液相杂物。而流化床反应器则在反应器底部床层布置了多个通风口，气态工质从底部向上通入流化床反应器中，带动反应器内的固体颗粒床料运动，此时气体工质的流速将直接决定反应器内的流态，如鼓泡态、流化态或气流态。本发明采用的高温太阳能流化床气化反应器将充分借鉴现有的流化床结构设计技术，根据具体要求增设辅助导流部件，同时通过需要进行完善的结构改进和设备优化在反应器内部实现形成涡旋流场。请再次参照图1，生物质a与槽式中温太阳能热解吸收反应器1的入口相连，槽式中温太阳能热解吸收反应器1的出口与焦炭分离器2的入口连接。焦炭分离器2的气体产物出口经由余热回收器3高温侧与焦油冷凝净化器4的入口连接，焦油冷凝净化器4的油端出口直接与储油罐6入口相连，焦炭分离器2的固体产物出口与高温太阳能流化床气化反应器5下部的入口连接。水j与余热回收器3低温侧入口连接，余热回收器3低温侧出口与槽式中温太阳能热解吸收反应器1的入口和高温太阳能流化床气化反应器5上部的入口相连。焦油冷凝净化器4的气端出口和储油罐6出口均与高温太阳能流化床气化反应器5上部的入口连接。图1所示的实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统的具体流程为：经过干燥预热后的生物质a送入槽式中温太阳能热解吸收反应器1中，利用槽式中温太阳能热解吸收反应器1聚焦获得450℃以下的中温太阳能，并驱动反应器内的生物质发生热解反应，反应产生的产物b中含有焦油、焦炭和烷烃类气体；反应产物b送入焦炭分离器2中，分离出的固态焦炭直接送入高温太阳能流化床气化反应器5，分离出的油气混合物c送入余热回收器3用于回收显热并降低气体产物的温度，经降温的油气混合物c利用焦油冷凝净化器4进行处理，并将获得的液态焦油e送至储油罐6中；在余热回收器3中，利用油气混合物c释放出的显热来加热水j，并转变为水蒸气j’；一部分水蒸气j’作为推动气流送至槽式中温太阳能热解吸收反应器1中以保证生物质在反应器内的顺畅流动，另一部分水蒸气j’与由焦油冷凝净化器4分离出的烷烃类气体一同送至高温太阳能流化床气化反应器5中；利用定日镜场8收集太阳能并聚焦至双曲面反射镜9以获取高温聚光太阳能，高温聚焦太阳能再由双曲面反射镜9反射并投射至高温太阳能流化床气化反应器5中；高温太阳能流化床气化反应器5生成的合成气送至旋风分离器6中，分离出灰分，并将引出一部分合成气h从底部送入高温太阳能流化床气化反应器5，促使反应器内的反应物形成流化态。系统已生产得到的焦油e还可根据需要分离出一部分送至高温太阳能流化床气化反应器5中进行裂解以增加系统合成气的产量。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。