一种低温等离子体煤或生物质气化系统和方法与流程

[0001]
本发明属于脉冲功率与放电等离子体领域以及等离子体煤或生物质气化领域，具体涉及一种低温等离子体煤或生物质气化系统和方法。


背景技术：

[0002]
我国是一个以化石能源为主、贫油、少气、富煤的国家，以煤炭为主的能源体系将会在未来继续维持很长的时间，但由使用煤炭引发的碳排放量高等问题，对生态环境产生了巨大压力。目前欧洲多个国家都已开展脱煤计划，环境问题得到了显著改善，可以预见我国最终也会走上煤炭清洁高效利用的道路。当前的洁净煤技术主要是煤气化技术，主要包括传统气化炉、气流床煤气化技术和等离子体煤气化技术。传统的煤气化技术流程长、能耗高，气化过程中会造成环境污染；等离子体煤气化技术目前主要聚焦于热等离子体煤气化技术，气化效率高，但是放电产生的等离子体体积小、处理煤量低、能耗高、电极损耗严重、寿命短、成本高等问题仍无法避免，阻碍了等离子体煤气化技术的工业应用。
[0003]
生物质能在世界能源供应中超过10％，位于煤炭、石油和天然气之后，是四大能源之一。在太阳能、风能和生物质能等可再生能源中，生物质能在其它能源供给不足时可予以辅助。目前，由于化石能源渐趋枯竭，发展生物质能已成为许多国家的重要发展战略。从环境效益上看，利用生物质能可以实现co2的零排放，从根本上解决能源消耗带来的温室效应，并且不会遗留有害物质或改变自然界的生态平衡，对今后人类的生存和长远发展具有重要意义。目前传统生物质气化技术面临着焦油含量高、二次污染、经济效益等问题，而等离子体生物质气化目前主流研究是在5000k左右的高温等离子体气化，与高温等离子体煤气化相比具有类似的缺陷，如产生等离子体的电力消耗高，投资成本大，生成的等离子体区域体积小等问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种低温等离子体煤或生物质气化系统和方法，以克服现有技术的不足。
[0005]
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006]
一种低温等离子体煤或生物质气化系统，包括气化反应器、旋风分离器、进料器和等离子体发生装置，进料器的出料口端与气化反应器的进料口连通，气化反应器的进料口连接有工作气体装置和蒸气发生器，等离子体发生装置的等离子体发生端设置于气化反应器的内腔，旋风分离器的进料口连接于气化反应器的出料口，旋风分离器的出料口连接有废渣收集器，旋风分离器的出气口连接有冷却管，冷却管的出口连接有储气瓶。
[0007]
进一步的，气化反应器采用低温等离子气化反应器，气化反应器内设有与加热器。
[0008]
进一步的，工作气体装置采用工作气体气瓶，工作气体装置与气化反应器的进料口依次连接有减压阀和质量流量控制器，工作气体气瓶的出气口与减压阀高压端相连。
[0009]
进一步的，蒸气发生器与气化反应器的进料口之间设有质量流量控制器，进料器
上端设有进料口。
[0010]
进一步的，等离子体发生装置采用辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电或射频低温等离子体放电；高压电源采用直流高压电源、交流高压电源或者重复频率脉冲高压电源；等离子体发生装置的电极结构采用针-板电极、多针-板电极、多针-圆筒电极、针-针电极、板-板电极、同轴圆柱电极或线-圆柱电极，采用间隙放电或者沿面放电。
[0011]
进一步的，还包括示波器，示波器包括高压电压测量探头和电流测量线圈，等离子体发生装置连接有高压电源，高压电压测量探头和电流测量线圈连接于高压电源。
[0012]
进一步的，冷却管的出口与储气瓶之间串联有质量流量控制器和动力泵，动力泵的出口连接有与储气瓶并联的气相色谱仪。
[0013]
进一步的，气相色谱仪与动力泵的出口之间设有气体阀门，动力泵的出口与储气瓶之间设有压缩机，压缩机与储气瓶之间设有气体阀门。
[0014]
低温等离子体煤或生物质气化方法，包括以下步骤：
[0015]
s1，向等离子体发生装置中输入恒定的工作气体对气化反应器进行洗瓶后，在气化反应器中发生放电产生等离子体，使等离子体充满气化反应器容腔；
[0016]
s2，利用工作气体携带待气化的煤粉或生物质进入气化反应器中，在通入煤粉或生物质的同时持续在气化反应器中发生放电产生等离子体，实现待气化的煤粉或生物质的气化，从气化反应器的出口收集气化产品。
[0017]
进一步的，在煤粉或生物质中加入催化剂，或者在工作气体中加入催化剂，或者利用气相沉积技术将催化剂附着在电极或介质表面，或者通过直接向气化反应器中加入催化剂。
[0018]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0019]
本发明一种低温等离子体煤或生物质气化系统，采用气化反应器、旋风分离器、进料器和等离子体发生装置，利用进料器向气化反应器送入待气化的煤或生物质，通过将等离子体发生装置的等离子体发生端设置于气化反应器的内腔，在气化反应器内形成等离子体，然后通过与气化反应器的进料口连接的工作气体装置和蒸气发生器作为煤或生物质的载体送入，煤粉、生物质和工作气体分子中的化学键被放电产生的高能粒子打断，发生裂解，形成活性粒子、离子、分子团，最终得到可用的产物气体，完成煤和生物质气化，然后通过旋风分离器的出气口连接的冷却管冷却后收集，本装置结构简单，能量利用效率高，在低温等离子体气化时，能量大多用于加速自由电子上，等离子体的宏观温度很低，避免了能量的散失。
[0020]
采用工作气体载入，可以显著地增加等离子体产生区域的体积，显著增加煤粉或生物质与等离子体反应的速率和效率。
[0021]
进一步的，采用纳秒前沿的高压重频脉冲电源，高的重复频率可以成比例的提高放电能量，产生更多的活性电子和离子，提高反应能力；高的重复频率意味着上一次放电产生的活性成分可以促进下一次的放电和反应，更有效率；短脉冲放电可以有效避免放电转变为电弧，并增加放电区域的体积。
[0022]
进一步的，采用介质阻挡放电，由于介质板的存在，可以避免电极烧蚀导致的电极寿命短的问题。
[0023]
本发明一种低温等离子体煤或生物质气化方法，通过向等离子体发生装置中输入
恒定的工作气体对气化反应器进行洗瓶后，在气化反应器中发生放电产生等离子体，使等离子体充满气化反应器容腔；利用工作气体携带待气化的煤粉或生物质进入气化反应器中，在通入煤粉或生物质的同时持续在气化反应器中发生放电产生等离子体，实现待气化的煤粉或生物质的气化，从气化反应器的出口收集气化产品，本方法可以适用于多种原料煤以及各种生物质，本发明提出的方法相较于原料受限的传统煤气化方法，可以用于低等级的煤和各种生物质，适用范围更广。
[0024]
进一步的，通过加入催化剂提高反应速率和效率。在煤粉或者生物质中加入催化剂，或者利用某些工作气体充当催化剂，或者利用气相沉积技术将催化剂加在电极或介质上，也可以在反应过程中通过反应容器加入催化剂来提高反应的速率和效率，由于催化剂并不消耗能量，因此可以在加快反应的同时减少能量的损失。
附图说明
[0025]
图1为本发明方法的过程示意图：
[0026]
图中标号：1、工作气体气瓶；2、蒸气发生器；3、减压阀；4、质量流量控制器；5、进料器；6、进料口；7、气化反应器；8、加热器；9、示波器；91、高压电压测量探头；92、电流测量线圈；10、高压电源；11、气体阀门；12、气相色谱仪；13、储气瓶；14、压缩机；15、动力泵；16、冷却管；17、旋风分离器；18、废渣收集器。
具体实施方式
[0027]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施案例，对本发明进一步详细说明。
[0028]
如图1所示，一种低温等离子体煤或生物质气化系统，包括气化反应器7、旋风分离器17、进料器5和等离子体发生装置，进料器5的出料口端与气化反应器7的进料口连通，气化反应器7的进料口连接有工作气体装置和蒸气发生器2，等离子体发生装置的等离子体发生端设置于气化反应器7的内腔，旋风分离器17的进料口连接于气化反应器7的出料口，旋风分离器17的出料口连接有废渣收集器18，旋风分离器17的出气口连接有冷却管16，冷却管16连接有储气瓶13。
[0029]
气化反应器7采用低温等离子气化反应器。工作气体装置采用工作气体气瓶1，工作气体装置与气化反应器7的进料口依次连接有减压阀3和质量流量控制器4，工作气体气瓶1的出气口与减压阀3高压端相连。
[0030]
蒸气发生器2与气化反应器7的进料口之间设有质量流量控制器，用于控制蒸汽进入气化反应器7内的气流量。
[0031]
进料器5上端设有进料口6，进料口6用于放置进料，进料包括煤粉或生物质。
[0032]
等离子体发生装置连接于高压电源10，等离子体发生装置多种放电形式产生，采用辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电或射频低温等离子体放电。高压电源采用直流高压电源、交流高压电源或者重复频率脉冲高压电源。等离子体发生装置的电极结构采用针-板电极、多针-板电极、多针-圆筒电极、针-针电极、板-板电极、同轴圆柱电极或线-圆柱电极，采用间隙放电或者沿面放电。
[0033]
采用介质阻挡放电时，介质板构成单介质层、双介质层或悬空介质层平行板结构，
或者构成单介质层、双介质层或悬空介质层圆柱型结构；介质板材料采用陶瓷、石英玻璃或普通玻璃。采用介质阻挡放电或射频低温等离子体放电，可以避免电极烧蚀导致电极寿命短的问题。采用的煤粉或生物质的粒度为30-10微米。
[0034]
具体的，如图1所示，气化反应器7内设有与加热器8，用于对气化反应器7内反应温度进行控制调节。还包括示波器9，示波器9包括高压电压测量探头91和电流测量线圈92，高压电压测量探头91和电流测量线圈92连接于高压电源10。
[0035]
具体的，冷却管16的出口与储气瓶13之间串联有质量流量控制器4和动力泵15，动力泵15的出口连接有与储气瓶13并联的气相色谱仪12；气相色谱仪12与动力泵15的出口之间设有气体阀门11，动力泵15的出口与储气瓶13之间设有压缩机14，压缩机14与储气瓶13之间设有气体阀门。
[0036]
气化反应器7的废渣出口设有废渣收集器。
[0037]
一种低温等离子体煤或生物质气化方法，包括以下步骤：
[0038]
s1，打开工作气体气瓶和蒸气发生器，利用质量流量控制器分别控制工作气体气瓶和蒸气发生器中气体输出的流速；
[0039]
所述工作气体装置中存储的工作气体采用空气、富氧空气、惰性气体、氮气、二氧化碳、水蒸气、氨气中的一种或者几种混合气体；
[0040]
具体的，通过调整工作气体气瓶进气速度和泵抽速调整反应容器内的气压；
[0041]
s2，将等离子体发生装置接入气化反应器，在反应器中发生放电产生等离子体，使等离子体充满气化反应器容腔；
[0042]
在反应器中产生等离子体时通过加热器加热，提高反应速度。加热可以通过燃烧煤、可燃气体或生物质，或者电加热、微波加热提高反应容器或者腔室的温度，从而提高处理速度及效率；
[0043]
s3，打开进料器，将煤粉或生物质通过进料器送入气化反应器中，煤粉或生物质被工作气体和蒸汽携带吹入气化反应器中，煤粉、生物质和工作气体分子中的化学键被放电产生的高能粒子打断，发生裂解，形成活性粒子、离子、分子团，最终重组得到可用的产物气体，完成煤和生物质气化。
[0044]
具体的，在煤粉或生物质中加入催化剂，或者在工作气体中加入催化剂，或者利用气相沉积技术将催化剂附着在电极或介质表面，或者通过直接向气化反应器中加入催化剂来提高反应的速率和效率。
[0045]
反应产生的部分废渣从气化反应器底部落入废渣收集器，部分废渣随着产物气体进入旋风分离器。废渣被收集后可以应用在建筑材料等方面。产物气体通过压缩机收集利用。
[0046]
气化反应器的外壳设有冷却装置，用于气化反应器的冷却，冷却装置采用螺旋盘绕于气化反应器外侧的冷却管，通过冷却液体冷却，保证气化反应器外壳保持较低的温度，反应产物可以经过冷却器冷却，经过冷却的反应产物便于收集。冷却器产生的余热可用于发电、制备反应所需的水蒸气或者提供热水，实现余热的回收利用。
[0047]
通过示波器记录放电的电压、电流波形和反应容器内的气压、温度，以及利用光谱和气相色谱仪分析气体生成物的种类和含量，可以监控反应器的工作状态。
[0048]
气化反应器可以进行不同气压下的反应，气化反应器内的绝对气压从0到0.5mpa
可调。
[0049]
本实施例的具体步骤如下：
[0050]
1、实施例开始前，对高压电源10、低温等离子体气化反应器7、真空泵15、外界加热器8、示波器9、气体色谱仪12进行检查，保证设备正常使用。
[0051]
2、对气化反应器7进行洗气工作，在气化反应器中产生低温等离子体，不少于5min，5min后认为洗气进行完毕，并保持真空泵继续工作，保持气化反应器内气压在较低水平，本实施例中反应的气压保持在1000pa。
[0052]
3、打开示波器9，连接高压电压测量探头91和电流测量线圈92，打开高压电源10。本实施例中，高压电源10采用纳秒脉冲的高压重频脉冲电源。在反应器内观测到有大面积均匀的等离子体产生，同时示波器9上电压电流波形曲线趋于稳定后，打开煤粉进料器5，利用工作气体作为载气，将煤粉携带吹入反应容器内；
[0053]
4、煤粉在气化反应器7中被气化，本发明提出的低温等离子体煤气化技术，可以控制反应容器的的温度保证在室温附近，大大提高了使用的安全性和可靠性，同时温度适宜可以大大增长反应系统的寿命，节约成本；
[0054]
5、煤粉在反应器中被气化的时候，根据实时的产气速率的大小，开启加热器8，并调整到适宜的温度，加速反应的进行；
[0055]
6、打开第一个气体阀门11，利用气相色谱仪12检测产品气体，检测完成后关闭第一个阀门11，打开空气压缩机14并打开第二个气体阀门11，将产品气体收集在储气罐13中；
[0056]
7、反应结束后收集在废渣收集器18中的废渣。
[0057]
本实施例最终得到的产物气体结果为：在放电间距为9mm的间距下，得到了37.3％的h2、1.99％的ch4和60.28％的co；在放电间距为14mm的情况下，得到了25.08％的h2、6.81％的ch4和68.11％的co；在工作气体为氮气的情况下，得到了25.08％的h2、6.81％的ch4和68.11％的co；在反应气体为氦气的情况下，得到了69.19％的h2、1.96％的ch4和28.85％的co；在反应气体为空气的情况下，得到了85.09％的h2、0.89％的ch4和14.02％的co；在煤粉中加入水的情况下，得到了29.27％的h2、6.62％的ch4和64.11％的co。
[0058]
本发明提出的低温等离子体新型煤和生物质气化方法打破了传统煤和生物质气化和高温煤和生物质气化技术的常规技术手段，利用低温等离子体进行煤和生物质气化处理，显著提高了能量的利用效率，同时大大的提高了反应系统的寿命、安全性和可靠性，同时扩大了原料的适用范围，为合理利用煤和生物质资源、实现煤的清洁高效利用和生物质的回收再利用开拓了新途径。
[0059]
上述实施例仅示例性说明本发明的技术方法、装置以及其功效，优选的实施例并没有详尽叙述所有的细节，也没有叙述所有的本发明提及的低温等离子体煤气化的处理方法及装置。以上实施例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。