本实用新型涉及一种固体燃料热解气化的系统。
背景技术：
热化学转化具有诸多优点，尤适用于工业化生产。在众多热化学转化技术中，固体燃料热解和气化因其产气高、自动化程度高、规模大最具有工业应用前景。固体燃料热解和气化是通过热化学反应将固体燃料转化为气体燃料的过程，所得的气体产物主要是氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和其他的烃类。具体地，固体燃料先热解为半焦、焦油和热解气，半焦再气化为合成气。其中，热解过程中需要不断供入热量，耗能大；气化过程中，气化剂包括纯氧、空气、水蒸气、二氧化碳等，纯氧气化产气中可燃气体浓度高、产气热值高，但是纯氧制备的高成本、高能耗，限制了纯氧气化的工业应用。由此，亟需一种既能获得可燃气体浓度高、热值高的产气，又能降低成本和能耗的固体燃料热解气化的系统。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本实用新型的目的在于提供一种既能获得可燃气体浓度高、热值高的产气，又能降低成本和能耗的固体燃料热解气化的系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：
本实用新型提供一种固体燃料热解气化的系统，包括气化反应器、粗合成气净化设备、热解反应器、热解气净化设备、氧化反应器、第一分离器和第二分离器；气化反应器具有载氧体入口、半焦入口、水蒸气入口和混合物出口；第一分离器具有混合物入口、粗合成气出口和载氧体出口，第一分离器的混合物入口与气化反应器的混合物出口连通；粗合成气净化设备具有粗合成气入口和合成气出口，粗合成气净化设备的粗合成气入口与第一分离器的粗合成气出口连通；热解反应器具有载氧体入口、固体燃料入口、粗热解气出口和固体混合物出口，热解反应器的载氧体入口与第一分离器的载氧体出口连通；热解气净化设备具有粗热解气入口和热解气出口，热解气净化设备的粗热解气入口与热解反应器的粗热解气出口连通；第二分离器具有固体混合物入口、载氧体出口和半焦出口，第二分离器的固体混合物入口与热解反应器的固体混合物出口连通，第二分离器的半焦出口与气化反应器的半焦入口连通；氧化反应器具有如下构造：氧化反应器具有载氧体入口、含氧气体入口、载氧体出口和贫氧气体出口，氧化反应器的载氧体入口与第二分离器的载氧体出口连通，氧化反应器的载氧体出口与气化反应器的载氧体入口连通；或者氧化反应器具有载氧体入口、含氧气体入口、气固混合物出口，氧化反应器的载氧体入口与第二分离器的载氧体出口连通，氧化反应器的气固混合物出口与一第三分离器的气固混合物入口连通，第三分离器的载氧体出口与气化反应器的载氧体入口连通，第三分离器还具有贫氧气体出口。
根据本实用新型，粗合成气净化设备包括除尘器和冷凝器，除尘器和冷凝器的构造及连接方式为：冷凝器具有粗合成气入口、冷凝介质入口、液态水出口、冷凝介质出口和粗合成气出口，冷凝器的粗合成气入口作为粗合成气净化设备的粗合成气入口，除尘器具有与冷凝器的粗合成气出口连通的粗合成气入口，还具有合成气出口，除尘器的合成气出口作为粗合成气净化设备的合成气出口；或者除尘器具有粗合成气入口、粗合成气出口和灰分出口，除尘器的粗合成气入口作为粗合成气净化设备的粗合成气入口，冷凝器具有与除尘器的粗合成气出口连通的粗合成气入口，还具有冷凝介质入口、冷凝介质出口、液态水出口和合成气出口，冷凝器的合成气出口作为粗合成气净化设备的合成气出口。
根据本实用新型，粗合成气净化设备中的冷凝器的冷凝介质出口与氧化反应器的含氧气体入口连通。
根据本实用新型，还包括：换热器，换热器具有供热气体入口、废气出口、连通在供热气体入口和废气出口之间的第一流体通道、液态水入口、水蒸气出口、连通在液态水入口和水蒸气出口之间的第二流体通道，第一流体通道和第二流体通道之间能够进行热交换，液态水入口与粗合成气净化设备中的冷凝器的液态水出口连通，水蒸气出口与气化反应器的水蒸气入口连通；其中，在设置第三分离器的情况下，供热气体入口与第三分离器的贫氧气体出口连通，在氧化反应器的载氧体出口与气化反应器的载氧体入口连通而不经过第三分离器的情况下，供热气体入口与氧化反应器的贫氧气体出口连通。
根据本实用新型，粗热解气净化设备具有液态水出口，液态水出口与换热器的液态水入口连通。
根据本实用新型，还包括：蒸汽储存器，蒸汽储存器可选择地与换热器连通，并且蒸汽储存器可选择地与气化反应器连通。
根据本实用新型，气化反应器的水蒸气入口与换热器的水蒸气出口通过第一管线连通，蒸汽储存器通过第二管线与第一管线连通，在第二管线上设有控制阀，控制阀至少能够在使第二管线沿从第一管线朝向蒸汽储存器的方向单向导通的储存状态和使第二管线沿从蒸汽储存器朝向第一管线的方向单向导通的释放状态之间切换。
根据本实用新型，蒸汽储存器为蒸汽管网。
根据本实用新型，还包括：合成气储存器，合成气储存器与粗合成气净化设备的合成气出口连通。
根据本实用新型，还包括：粗热解气储存器，粗热解气储存器与热解气净化设备的热解气出口连通。
(三)有益效果
本实用新型的有益效果是：
在本实用新型提供的固体燃料热解气化的系统中，半焦、载氧体颗粒和水蒸气在气化反应器中进行气化反应，载氧体颗粒失氧后作为固体热载体和催化剂在热解反应器中参与固体燃料的热解反应，然后再使释氧后的载氧体颗粒在氧化反应器中与含氧气体反应而实现氧化再生，由此载氧体颗粒在气化反应器、热解反应器和氧化反应器之间循环，将热解和气化工艺耦合在一起，这种热解气化系统成本低、能耗低。并且，因合成气中无氮气，所以生成的合成气中可燃气体浓度高、合成气热值高；因载氧体颗粒起到了催化焦油裂解的作用，而减少粗热解气中焦油的含量，提高热解气的产量。
附图说明
图1为具体实施方式提供的固体燃料热解气化的系统的结构示意图。
【附图标记】
1：蒸汽储存器；2：第二管线；3：控制阀；4：第一管线；5：换热器；6：合成气储存器；7：冷凝器；8：除尘器；9：灰斗；10：第一分离器；11：热解反应器；12：第二分离器；13：氧化反应器；14：气化反应器；15：第三分离器；16：粗合成气净化设备；17：热解气储存器。
具体实施方式
为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。其中，本文所涉及的“上”、“下”等方位术语，以图1中示出的定向为参考。
实施例一
参照图1，本实施例提供一种固体燃料热解气化的系统，该系统包括气化反应器14、粗合成气净化设备(参照图1中标号7和8)、热解反应器11、粗热解气净化设备16、氧化反应器13、第一分离器10、第二分离器12、第三分离器15、换热器5、蒸汽储存器1(优选为蒸汽管网)、合成气储存器6、热解气储存器17、灰斗9。
气化反应器14能够供半焦、载氧体颗粒和水蒸气在高温下进行气化反应，生成以氢气和一氧化碳为主要组分的粗合成气和释氧后的载氧体颗粒，粗合成气中带有灰分和水蒸气，粗合成气夹杂释氧后的载氧体颗粒从气化反应器14中输出。在气化反应器14中的主要反应为：
MexOy+C＝CO(g)+MexOy-1
MexOy+0.5C＝0.5CO2(g)+MexOy-1
MexOy+H2(g)＝H2O(g)+MexOy-1
MexOy+CO(g)＝CO2(g)+MexOy-1
MexOy+CH4(g)＝2H2(g)+CO(g)+MexOy-1
4MexOy+CH4(g)＝2H2O(g)+CO2(g)+4MexOy-1
2C+O2(g)＝2CO(g)
C+O2(g)＝CO2(g)
C+CO2(g)＝2CO(g)
C+H2O＝CO(g)+H2(g)
C+2H2(g)＝CH4(g)
CO(g)+H2O(g)＝H2(g)+CO2(g)
CH4(g)+H2O(g)＝3H2(g)+CO(g)
第一分离器10与气化反应器14连通，以接收气化反应器14中生成的粗合成气和释氧后的载氧体颗粒。第一分离器10将粗合成气和释氧后的载氧体颗粒进行分离。第一分离器10与粗合成气净化设备连通，以将粗合成气送至粗合成气净化设备进行净化工艺。第一分离器10与热解反应器11连通，以将释氧后的载氧体颗粒送至热解反应器11进行热解反应。
粗合成气净化设备接收第一分离器10输出的粗合成气，并且能够去除粗合成气中的水蒸气和灰分，形成合成气。在本实施例中，粗合成气净化设备包括除尘器8和冷凝器7，除尘器8与第一分离器10连通以接收粗合成气并去除粗合成气中的灰分，灰斗9与除尘器8连通以收集灰分。冷凝器7与除尘器8连通以接收去除灰分后的粗合成气，冷凝器7继续去除粗合成气中的水蒸气，具体为，冷凝器7采用冷凝介质(在本实施例中为空气)与粗合成气换热，粗合成气中的水蒸气冷凝成液态水从粗合成气脱除，作为冷凝介质的空气吸收热量变为热空气。合成气储存器6与冷凝器7连通，接收去除灰分和水蒸气后形成的合成气并存储。
热解反应器11接收第一分离器10输出的释氧后的载氧体颗粒，并且能够接收固体燃料，热解反应器11供固体燃料在释氧后的载氧体颗粒的作用下热解生成半焦(半焦呈絮状)和以H2、CO、CH4、CO2、碳氢化合物为主要气体组分的热解气，热解气还与焦油和水蒸气混合在一起，形成粗热解气。热解反应器11能够将固体和气体分别输出，其中固体为半焦以及使用后的释氧后的载氧体颗粒，气体为粗热解气。热解反应器11中发生的热解反应主要为：
固体燃料→半焦+焦油+热解气
粗热解气净化设备16能够接收热解反应器11中输出的粗热解气，去除粗热解气中的焦油和水蒸气，形成热解气。在本实施例中，粗热解气净化设备16能够将水蒸气冷凝成液态水输出。焦油可进入焦油收集器(图中未示出)或进入下游工艺设备。
热解气储存器17与粗热解气净化设备16连通，以接收热解气并储存。
第二分离器12与热解反应器11连通，以接收热解反应器11输出的固体物料(半焦和释氧后的载氧体颗粒)。第二分离器12将半焦和释氧后的载氧体颗粒进行分离，并分别输出。第二分离器12与氧化反应器13连通，以将释氧后的载氧体颗粒送至氧化反应器13进行氧化反应。第二分离器12与气化反应器14连通，以半焦送至气化反应器14，以热解反应器11产生的半焦作为原料进行气化反应。
氧化反应器13与第二分离器12连通，能够从第二分离器12接收热解反应器11使用后的释氧后的载氧体颗粒并供释氧后的载氧体颗粒与含氧气体在其中、在高温下进行氧化反应，生成被氧化的载氧体颗粒(“被氧化的载氧体颗粒”指释氧后的载氧体颗粒重新被氧化后)和贫氧气体。在本实施例中，贫氧气体携带氧化后的载氧体颗粒(“氧化后的载氧体颗粒”指释氧后的载氧体颗粒重新被氧化)一起输出。其中，粗合成气净化设备中的冷凝器7与氧化反应器13连通，将热空气送入氧化反应器13作为含氧气体使用。
在氧化反应器13中进行的氧化反应主要为：
MexOy-1+0.5O2(g)＝MexOy
第三分离器15与氧化反应器13连通，以接收氧化反应器13输出的贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒。第三分离器15将贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒分离并分别输出。第三分离器15与气化反应器14连通，以将氧化反应器13中生成的氧化后的载氧体颗粒送至气化反应器14中继续进行气化反应，由此，载氧体颗粒在整个系统中循环使用。第三分离器15与换热器5连通，以将在氧化过程中获得大量热量的贫氧气体送至换热器5作为供热气体。
换热器5与粗热解气净化设备16连通，以能够接收粗热解气净化设备16输出的液态水；换热器5与粗合成气净化设备的冷凝器7连通，以能够接收粗合成气净化设备输出的液态水输出的液态水。在换热器5中，这两部分液态水与氧化反应器13中产生的贫氧气体进行换热，形成水蒸气并输出。气化反应器14与换热器5连通，以接收换热器5输出的水蒸气，该部分水蒸气进入气化反应器14继续进行气化反应。换热后的贫氧气体可直接进入大气、或进入下游工艺设备、或与存储器连通以储存贫氧气体(合理收集贫氧气体可用于化肥等生产)。
蒸汽储存器1可选择地与换热器5连通以接收水蒸气，并且蒸汽储存器1可选择地与气化反应器14连通以能够随时向气化反应器14中输送水蒸气。由此，换热器5形成的水蒸气可以一部分直接送入气化反应器14用于反应，另一部分送入蒸汽储存器1中，待需要提高向气化反应器14的蒸汽供应量时从蒸汽储存器1中获取水蒸气对此时换热器5产生的水蒸气做补充。
综上，半焦、载氧体颗粒和水蒸气在气化反应器14中进行气化反应，载氧体颗粒失氧后作为固体热载体和催化剂在热解反应器11中参与固体燃料的热解反应，然后再使释氧后的载氧体颗粒在氧化反应器13中与含氧气体反应而实现氧化再生，由此载氧体颗粒在气化反应器14、热解反应器11和氧化反应器13之间循环，将热解和气化工艺耦合在一起，这种热解气化系统成本低、能耗低。同时，因合成气中无氮气，所以生成的合成气中可燃气体浓度高、合成气热值高；因载氧体颗粒起到了催化焦油裂解的作用，而减少粗热解气中焦油的含量，提高热解气的产量。
并且，通过控制气化反应器14中水蒸气的注入量，可控制合成气中H2和CO的比例，为最终获得的合成气用于合成乙醇、甲醇等多种化学品提供不同要求的H2和CO的比例。本系统能够将一部分换热器5获得的水蒸气送入蒸汽储存器1，也可随时从蒸汽储存器1获取水蒸气送入气化反应器14，以调节合成气中的H2和CO的比例。由此，本系统能够适用于不同的目标化学品的制备并且实现这种适用的方法极为简便，大大节约了成本，提高了生产效率。
并且，本实施例的系统实现了热量在气化反应器14、热解反应器11和氧化反应器13之间的传递，整体系统能量利用效率更高。具体而言，贫氧气体带有的热量用于生成水蒸气供应给气化反应，释氧后的载氧体颗粒先将热量带至热解反应器11供应给热解反应，又将热量带回至氧化反应器13用于生成贫氧气体，在载氧体颗粒循环使用的同时，也形成了能量的循环，降低了能耗，能量利用率高。进一步，气化反应生成粗合成气所携带的热量为空气加热，形成的热空气送入氧化反应器13参加氧化反应。综上，从整体而言，整体系统的热量在气化反应、热解反应、氧化反应之间循环利用，降低了能耗，能量利用率高。
并且，粗合成气净化设备和粗热解气净化设备16中产生的液态水经过换热形成水蒸气作为气化反应器14的载气，整个系统实现废水的零排放，更加环保。此外，降温后的贫氧气体排入大气，也有利于环保。
并且，载氧体颗粒在生产过程中循环利用，节约了原料，载氧体使用效率高。
综合上述描述，本实施例提供的系统，工艺流程简单，创新性地通过载氧体颗粒的连续运用将固体燃料的热解和气化耦合在一起，同时制备高热值合成气以及高产量的热解气，并且各反应器等部件相互耦合实现了热量以及水资源的循环利用，具有重要的节能减排现实意义。
进一步，在本实施例中，气化反应器14为流化床气化反应器。气化反应器14能够承受的反应温度至少为750-1200℃。载氧体颗粒的粒径为200-1000μm，载氧体颗粒为铁基载氧体颗粒、铜基载氧体颗粒、锰基载氧体颗粒和镍基载氧体颗粒中的一种或多种复合形成的复合载氧体颗粒，或者载氧体颗粒为矿石颗粒、冶金渣颗粒或矿渣颗粒。如图1，气化反应器14的底端设有水蒸气入口，用于供水蒸气进入气化反应器14；气化反应器14的顶端设有载氧体入口，以用于补给载氧体颗粒；气化反应器14的顶部侧壁还设有半焦入口，以用于供半焦进入气化反应器14；气化反应器14的顶部侧壁上还设有混合物出口，因载氧体颗粒粒径小，会夹杂在粗合成气中形成混合物在气化反应器14中一起向上运动，从混合物出口排出。其中，混合物出口高于半焦入口。气化反应器14底部还设有卸料口。
当然，本实用新型不局限于此，在其他实施例中，气化反应器14可以选择现有任何类型，只要能够供载氧体颗粒和水蒸气在其中反应生成包含水蒸气和氧气的混合气以及释氧后的载氧体颗粒即可。例如，氧化反应器13为移动床氧化反应器，氧化反应器13与气化反应器14连通，直接将氧化后的载氧体颗粒送至气化反应器14中。此时，载氧体入口位于气化反应器14的底部侧壁上。
进一步，在本实施例中，第一分离器10为气固分离器(在本实施例中为旋风分离器)，其侧壁上设有混合物入口，该混合物入口与气化反应器14的混合物出口连通，以接收粗合成气与释氧后的载氧体颗粒；第一分离器10的顶部设有粗合成气出口，供粗合成气输出；第一分离器10的底部设有载氧体出口，供释氧后的载氧体颗粒输出。
进一步，在本实施例中，粗合成气净化设备中的除尘器8为气固分离器(可选旋风分离器)。该除尘器8的侧壁上设有粗合成气入口，该除尘器8的粗合成气入口作为粗合成气净化设备的入口，与第一分离器10的粗合成气出口连通，以接收粗合成气；除尘器8的底端设有灰分出口，灰分出口与灰斗9连通；除尘器8的顶端设有粗合成气出口。
进一步，在本实施例中，粗合成气净化设备中的冷凝器7设有粗合成气入口，该粗合成气入口与除尘器8的粗合成气出口连通，以用于接收脱除灰分的粗合成气；冷凝器7还具有冷凝介质入口(供空气进入冷凝器7)、冷凝介质出口(供热空气排出冷凝器7)、液态水出口(供液态水排出冷凝器7)和合成气出口(供合成气排出冷凝器7)，冷凝器7的合成气出口作为粗合成气净化设备的合成气出口。
当然，本实用新型的粗合成气净化设备不局限于上述先除尘器8后冷凝器7的方案，例如，冷凝器7也可位于除尘器8的上游而先进行水蒸气的脱除、再进行灰分的脱除，此时除尘器8可选择布袋除尘器。具体地，在此情况下，粗合成气净化设备包括布袋除尘器(即除尘器8)和冷凝器7，冷凝器7具有粗合成气入口、冷凝介质入口、液态水出口、冷凝介质出口和粗合成气出口，冷凝器7的粗合成气入口作为粗合成气净化设备的粗合成气入口，除尘器8具有与冷凝器7的粗合成气出口连通的粗合成气入口，还具有合成气出口，除尘器8的合成气出口作为粗合成气净化设备的合成气出口。
当然，粗合成气净化设备可以是任何可以脱除粗合成气中的灰分和水蒸气的一个分离设备或多个分离设备的组合，并且灰分和水蒸气的脱除顺序不限制。其中优选地，粗合成气净化设备以将水蒸气转化为液态水的方式将水蒸气脱除，以循环利用液态水，当然，在其他实施例中，也可采用吸附的方式去除水蒸气。
进一步，在本实施例中，合成气储存器6，合成气储存器6与粗合成气净化设备的合成气出口(在本实施例中为冷凝器7的合成气出口)连通。
进一步，在本实施例中，热解反应器11为移动床热解反应器，热解反应器11能够至少承受300-800℃的反应温度。热解反应器11的顶端设有载氧体入口，该载氧体入口与第一分离器10的载氧体出口连通，以接收释氧后的载氧体颗粒；热解反应器11的顶端设有固体燃料入口，用于注入固体燃料，在本实施例中，固体燃料的粒径为50-150μm，固体燃料为煤、生物质、石油焦、油页岩、生活垃圾中的一种或多种组合；热解反应器11的的顶部侧壁设有粗热解气出口，热解反应器11中生成的粗热解气在热解反应器11中向上运动自粗热解气出口排出；热解反应器11的底端设有固体混合物出口，释氧后的载氧体颗粒和半焦形成固体混合物从固体混合物出口排出。热解反应器11底部还设有卸料口。
当然，本实用新型不局限于此，在其他实施例中，热解反应器11可以选择现有任何类型，只要能够供固体燃料在释氧后的载氧体颗粒的作用下进行热解反应即可。
进一步，在本实施例中，还设置给料装置(图中未示出)，给料装置为螺旋给料机，其出料口与热解反应器11的固体燃料入口连通，以输出半焦。设置自动给料装置可提高整体系统的自动化程度，保证固体燃料持续均匀地加入热解反应器11。
进一步，在本实施例中，热解气净化设备具有粗热解气入口、热解气出口、焦油出口和液态水出口。热解气净化设备的粗热解气入口与热解反应器11的粗热解气出口连通，以接收粗热解气。热解气净化设备可选自本领域技术人员公知的装置，例如，热解气净化设备可为一个能够同时执行脱油(焦油)和脱水(水蒸气)操作的装置；或者，热解气净化设备可包含两个依次连接的装置，前一装置先执行脱油操作，后一装置再执行脱水操作；或者，热解气净化设备可包含两个依次连接的装置，前一装置先执行脱水操作，后一装置再执行脱油操作。而无论热解气净化设备的具体结构如何，其都具有粗热解气入口、热解气出口、焦油出口和液态水出口。优选地，热解气净化设备无论是何设备，其脱水的方式都是将水蒸气变为液态水，以用于实现水循环利用、零排放。
进一步，在本实施例中，粗热解气储存器17与粗热解气净化设备1616的热解气出口连通，以接收热解气并储存。
进一步，在本实施例中，第二分离器12为固固分离器，优选为筛分器。第二分离器12的顶端设有固体混合物入口，第二分离器12的固体混合物入口与热解反应器11的固体混合物出口连通，用于接收半焦和释氧后的载氧体颗粒混合形成的固体混合物；第二分离器12的底端设有用于导出释氧后的载氧体颗粒的载氧体出口和用于导出半焦的半焦出口，第二分离器12的半焦出口与气化反应器14的半焦入口连通，以将固体燃料热解后形成的半焦送入气化反应器14中继续气化形成合成气。
进一步，在本实施例中，氧化反应器13为流化床氧化反应器，氧化反应器13可承受的反应温度为400-1000℃。氧化反应器13的顶端设有载氧体入口，该载氧体入口与粗合成气净化设备的载氧体出口连通，供释氧后的载氧体颗粒进入；氧化反应器13的底端设有含氧气体入口，供含氧气体进入，含氧气体中氧气的体积浓度为5-21％，优选空气或含氧的工业烟气，冷凝器7的冷凝介质出口与氧化反应器13的含氧气体入口连通，以将冷凝器7中产生的热空气作为含氧气体送入氧化反应器13中使用；氧化反应器13的上部侧壁设有气固混合物出口，供贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒形成的气固混合物输出。氧化反应器13底部还设有卸料口。
进一步，在本实施例中，第三分离器15为气固分离器，优选为旋风分离器。第三分离器15的侧壁上设有气固混合物入口，该气固混合物入口与氧化反应器13的气固混合物出口连通，以接收贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒形成的气固混合物；第三分离器15的顶端设有贫氧气体出口，供分离出的贫氧气体排出；第三分离器15的底端设有载氧体颗粒出口，该载氧体出口与气化反应器14的载氧体入口连通，以将氧化后的载氧体颗粒送入至气化反应器14中继续参加气化反应。
进一步，在本实施例中，换热器5具有供热气体入口、废气出口、连通在供热气体入口和废气出口之间的第一流体通道、液态水入口、水蒸气出口、连通在液态水入口和水蒸气出口之间的第二流体通道，第一流体通道和第二流体通道之间能够进行热交换，进而在第一流体通道中流动的贫氧气体为在第二流体通道中流动的液态水供热，液态水在流动过程中逐渐变为水蒸气。供热气体入口与第三分离器15的贫氧气体出口连通，以接收贫氧气体作为供热气体；废气出口在本实施例中与大气连通，当然还可与下游工艺设备连通；液态水入口与粗合成气净化设备中的冷凝器7的液态水出口和粗热解气净化设备16的液态水出口连通，以同时接收粗合成气净化设备和粗热解气净化设备16所生成的液态水；水蒸气出口与气化反应器14的水蒸气入口连通，以将水蒸气送入至气化反应器14参与气化反应。
由此，可理解，在本实施例中，氧化反应器13中形成的贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒因氧化反应器13的自身结构原因而以混合物的形式排出氧化反应器13，此时采用第三分离器15对贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒进行分离。而在其他实施例中，氧化反应器13可选用直接将贫氧气体和氧化后的载氧体颗粒分别输出的结构类型，相应地可省略第三分离器15。
例如，氧化反应器13为移动床氧化反应器，该氧化反应器13具有载氧体入口、含氧气体入口、载氧体出口和贫氧气体出口，氧化反应器13的载氧体入口设于氧化反应器13的顶端且与第二分离器12的载氧体出口连通，氧化反应器13的含氧气体入口设于其底端；氧化反应器13的载氧体出口设于其底部侧壁并与气化反应器14的载氧体入口连通，以将氧化后的载氧体颗粒直接送入气化反应器14，优选地，氧化反应器13的载氧体出口高于气化反应器14的载氧体入口，二者采用倾斜直管连接，以有利于载氧体颗粒顺利进入气化反应器14中；氧化反应器13的贫氧气体出口设于其顶部侧壁上。相应地，在氧化反应器13的载氧体出口与气化反应器14的载氧体入口连通而不经过第三分离器15的情况下(即上述省略第三分离器15的情况下)，换热器5的供热气体入口与氧化反应器13的贫氧气体出口连通。
更进一步，还可设置供热管线(图中未示出)，该供热管线与换热器5的供热气体入口和第三分离器15的贫氧气体出口(在设置第三分离器15的情况下)/氧化反应器13的贫氧气体出口之间连接的管线连通，工业烟气与贫氧气体混合后一起进入换热器5的供热气体入口。当然，本实用新型不局限于此，供热管线与输送贫氧气体的管线也可分别与供热气体入口连通形成二者并联的结构。
进一步，在本实施例中，气化反应器14的水蒸气入口与换热器5的水蒸气出口通过第一管线4连通，蒸汽储存器1通过第二管线2与第一管线4连通，在第二管线2上设有控制阀3，控制阀3至少能够在使第二管线2沿从第一管线4朝向蒸汽储存器1的方向单向导通的储存状态和使第二管线2沿从蒸汽储存器1朝向第一管线4的方向单向导通的释放状态之间切换。由此，当控制阀3处于储存状态时，从换热器5排出的水蒸气的一部分经过第一管线4直接进入气化反应器14，另一部分经过第二管线2(包括经过调整控制阀3)进入蒸汽储存器1；当控制阀3处于释放状态时，从换热器5排出的水蒸气全部直接进入气化反应器14，同时蒸汽储存器1中的水蒸气经过第二管线2(包括经过调整控制阀3)进入第一管线4并继而进入气化反应器14。因此，可通过调整控制阀3的状态，调整是否从蒸汽储存器1中向气化反应器14中补给水蒸气，进而控制水蒸气的注入量，由此控制气化反应获得的水蒸气和氧气的含量比。
在本实施例的系统中，上述的“连通”可以是两个部件直接连接而导通，也可以是两个部件通过管线连通，并且在管线上也可以设置其他部件，只要是能实现相应物料的传输即可。并且，本实施例中的分离器和分离设备等行使分离功能的装置的设置，均是基于其上游设备本身是否具有气固分离功能、固固分离、固液分离等分离功能而确定，因此，在执行主要工艺步骤的设备(气化、热解、氧化设备)选用不同类型时，本领域技术人员可以删除上述实施例中的行使分离功能的装置，或在上述实施例中添加行使分离功能的装置。
本实施例的系统应用的固体燃料热解气化的方法，包括如下步骤：
S1、半焦、载氧体颗粒和水蒸气在气化反应器14中、在高温下进行气化反应，生成粗合成气和释氧后的载氧体颗粒，粗合成气和释氧后的载氧体颗粒经过第一分离器10分离后分别送入粗合成气净化设备和热解反应器11。
S2、粗合成气净化设备将粗合成气与冷凝介质(在本实施例中为空气)换热，粗合成气中的水蒸气变为液态水脱离粗合成气并形成热空气，并且粗合成气净化设备脱除粗合成气中的灰分。由此，粗合成气净化设备去除粗合成气中的水蒸气和灰分，形成合成气，送至合成气储存器6储存。
S3、在热解反应器11中，释氧后的载氧体颗粒作为固体载热体，固体燃料在该固体载热体的作用下热解生成半焦和粗热解气，所生成的半焦和释氧后的载氧体颗粒经过第二分离器12分离后分别送至气化反应器14和氧化反应器13，半焦送至气化反应器14以送入步骤S1中使用，所生成的粗热解气送至粗热解气净化设备16。
S4、粗热解气净化设备16去除粗热解气中的焦油和水蒸气，形成热解气，送至粗热解气储存器17中储存。其中，粗热解气净化设备16将粗热解气中的水蒸气变为液态水脱离粗热解气。
S5、步骤S3使用后的释氧后的载氧体颗粒与含氧气体在氧化反应器13中、在高温下进行氧化反应，生成被氧化的载氧体颗粒和贫氧气体，被氧化后的载氧体颗粒送至气化反应器14中以送入步骤S1中使用。其中，含氧气体采用步骤S2中形成的热空气。
S6、步骤S2生成的液态水和步骤S4生成的液态水与步骤S5生成的贫氧气体进行换热，形成水蒸气，将所形成的水蒸气至少部分地送入气化反应器14中以送入步骤S1中使用。
可理解，上述步骤并非仅执行1次，而是在工艺过程中持续进行的。
优选地，在步骤S6中，将所形成的水蒸气的一部分直接送入步骤S1使用，另一部分送入蒸汽储存器1并可随时从蒸汽储存器1获取水蒸气送入步骤S1中使用，以控制步骤S1中使用的水蒸气的量。
优选地，在步骤S1中，载氧体颗粒为铁基载氧体颗粒、铜基载氧体颗粒、锰基载氧体颗粒和镍基载氧体颗粒中的一种或多种复合形成的复合载氧体颗粒，或者载氧体颗粒为矿石颗粒、冶金渣颗粒或矿渣颗粒。
优选地，在步骤S1中，载氧体颗粒的粒径为200-1000μm。
优选地，在步骤S1中，气化反应的反应温度为750-1200℃。
优选地，在步骤S3中，固体燃料为煤、生物质、石油焦、油页岩、生活垃圾中的一种或多种组合。
优选地，在步骤S3中，固体燃料的粒径为50-150μm。
优选地，在步骤S3中，热解反应的反应温度为300-800℃；
优选地，在步骤S5中，含氧气体中氧气的体积浓度为5％-21％。
优选地，在步骤S5中，氧化反应的反应温度为400-1000℃。
综上，半焦、载氧体颗粒和水蒸气进行气化反应，载氧体颗粒失氧后作为固体热载体和催化剂参与固体燃料的热解反应，然后再使释氧后的载氧体颗粒与含氧气体反应而实现氧化再生，由此载氧体颗粒在气化反应、热解反应和氧化反应之间循环，将热解和气化工艺耦合在一起，这种热解气化方法成本低、能耗低。同时，因合成气中无氮气，所以生成的合成气中可燃气体浓度高、合成气热值高；因载氧体颗粒起到了催化焦油裂解的作用，而减少粗热解气中焦油的含量，提高热解气的产量。
并且，通过控制气化反应中水蒸气的注入量，可控制合成气中H2和CO的比例，为最终获得的合成气用于合成乙醇、甲醇等多种化学品提供不同要求的H2和CO的比例。本方法能够将一部分生产中获得的水蒸气送入蒸汽储存器1，也可随时从蒸汽储存器1获取水蒸气送入气化反应，以调节合成气中的H2和CO的比例。由此，本方法能够适用于不同的目标化学品的制备并且实现这种适用的方法极为简便，大大节约了成本，提高了生产效率。
并且，本实施例的方法实现了热量在气化反应、热解反应和氧化反应之间的传递，整体工艺能量利用效率更高。具体而言，贫氧气体带有的热量用于生成水蒸气供应给气化反应，释氧后的载氧体颗粒先将热量供应给热解反应，又将热量用于生成贫氧气体，在载氧体颗粒循环使用的同时，也形成了能量的循环，降低了能耗，能量利用率高。进一步，气化反应生成粗合成气所携带的热量为空气加热，形成的热空气参加氧化反应。综上，从整体而言，整体系统的热量在气化反应、热解反应、氧化反应之间循环利用，降低了能耗，能量利用率高。
并且，粗合成气净化过程和粗热解气净化过程中产生的液态水经过换热形成水蒸气作为气化反应的载气，整个工艺实现废水的零排放，更加环保。此外，降温后的贫氧气体排入大气，也有利于环保。
并且，载氧体颗粒在生产过程中循环利用，节约了原料，载氧体使用效率高。
综合上述描述，本实施例提供的方法，工艺流程简单，创新性地通过载氧体颗粒的连续运用将固体燃料的热解和气化耦合在一起，同时制备高热值合成气以及高产量的热解气，并且各反应相互耦合实现了热量以及水资源的循环利用，具有重要的节能减排现实意义。
当然，本实用新型的方法不局限于采用实施例一所示出的系统，只要能够完成上述步骤S1至步骤S6即可。并且，需强调的是，虽然在方法中以S1-S6进行了排序，但不构成对步骤先后顺序的限定，除非后步骤必须利用先步骤的产物或者本领域技术人员公知的需要先步骤先执行的情况，否则并不局限于上述实施例所列出的顺序，并且结合上述详细描述可知，一些步骤同时进行最为有益，例如步骤S2和步骤S4。
当然，上述实施例的系统和方法中，粗合成气净化设备和粗热解气净化设备16中，可只有一个将水蒸气变为液态水，相应地，在步骤S6中，液态水来源于步骤S2或步骤S4。
可理解，在上述实施例的系统和方法中，在生产刚刚启动时，需要先向气化反应器14中注入载氧体颗粒、水蒸气和半焦，并向氧化反应器13中注入的含氧气体(空气)，载氧体颗粒、水蒸气、半焦和含氧气体(空气)均是外来的。但当生产稳定后，向气化反应器14中注入的载氧体颗粒和水蒸气以及向氧化反应器13中注入的含氧气体(空气)均是在系统中循环使用的，并且半焦会由注入的固体燃料生成而无需外加注入系统。
可理解，在上述方法中，是以载氧体颗粒的释氧(参与气化)-参与热解-得氧为线索进行的步骤描述，而如果以固体燃料为线索描述，则应按照先热解后气化的顺序以步骤S3为开始进行描述。应强调的是，无论是怎样描述本实用新型，其所要保护的内容核心均是用载氧体颗粒将固体燃料的热解反应和气化反应耦合在一起，而不应以描述方式对本实用新型进行限制性解释。
以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。