一种光热直接加热生物质制合成气系统

1.本发明涉及能源利用技术领域，具体而言，涉及一种光热直接加热生物质制合成气系统。


背景技术：

2.我国地域广阔、生物质资源丰富，生物质的合理利用能够改善我国能源结构，有效减少对传统化石能源的依赖，实现多能互补。西部地区丰富的太阳能资源和生物质能分布为发展生物质耦合光热制氢提供了基础，生物质耦合光热制氢的基本原理为利用光热技术提供能量促进生物质的气化，进而产生出富氢合成气，为下游工业生产提原料。目前我国的生物质能源利用率很低，造成了太多的能源浪费，如果能妥善处理，不仅能够节约能源，创造效益，还能减少环境污染。
3.目前光热技术已在发电领域实现了商业化运营，并取得了不错的效益，例如常规槽式光热发电系统，以及cn201821037848.1提供的一种光热发电装置均涉及太阳能光热发电技术，即利用太阳能收集设备收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的；而光热技术在热化学反应方面的应用还有欠缺，现有的技术还未见工程实施案例。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光热直接加热生物质制合成气系统，利用光热技术产生的能量作为生物质气化所需能量来源，能有效降低能量消耗，提高资源利用率。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种光热直接加热生物质制合成气系统，包括：
6.光热气化单元，所述光热气化单元外围周向环绕分布用于将太阳光反射至所述光热气化单元的镜面阵列，所述光热气化单元外壁设有光热吸收元件窗口，以及光热气化单元内腔设置有集热板以及集热板上的物料分散装置，生物质由光热气化单元进入并经过物料分散装置后下落；太阳光通过所述光热吸收元件窗口投射至所述集热板上，以用于加热经过物料分散装置的生物质；
7.自热汽化单元，其与所述光热气化单元连通，包括气化剂入口以及合成气出口，经过所述物料分散装置的生物质下落进入自热汽化单元与其内的气化剂反应，生成合成气；
8.其中，所述物料分散装置包括分散固定在所述集热板上的多个三角锥型构件，相邻的三角锥型构件形成空隙以供生物质通过；所述集热板的至少一侧与所述光热气化单元内壁连接，并采取与下料方向一致的方向固定于所述光热气化单元内腔，使得生物质经三角锥型构件分散后下落。
9.根据本发明的系统，在具体的实施方案中，所述光热吸收元件窗口选择为透明耐高温材料，例如透明石英玻璃，所述集热板的材料选择为耐高温材料，例如耐高温陶瓷。
10.根据本发明的系统，优选地，所述集热板的相对两侧分别固定于光热气化单元内壁。文中所述与下料方向一致可以理解为由上至下的物料下落方向。集热板上布置物料分散装置，太阳光通过光热气化单元外壁的透明石英玻璃投射至带有物料分散装置的集热板上，生物质颗粒进入光热气化单元在下落过程中受到不同部位布置的三角锥型构件影响进而改变下落路径，实现均匀分布。
11.根据本发明的系统，所述集热板上设置多个点位以固定安放各个三角锥型构件。优选地，一个点位固定设置一个三角锥型构件，相邻点位之间的间隔距离为3
‑
6cm，优选5cm；另外，所述三角锥型构件由两块板状元件连接呈夹角为40
‑
50度组成，优选45度；三角锥型构件的上述参数设置即保证了生物质物料颗粒能够及时下落，又能够防止物料堵塞。
12.根据本发明的系统，所述生物质的颗粒粒径为30
‑
100μm，例如选自30μm，40μm，50μm，60μm，70μm，80μm，90μm及100μm中的一种或多种粒径；优选40
‑
80μm，更优选50μm。优选的上述粒径的生物质颗粒经上述优选参数设置的三角锥型构件分散后，保证了生物质物料颗粒能够及时下落，最大程度地避免了生物质颗粒在三角锥型构件中的停留。
13.根据本发明的系统，吸收太阳光的热量后，所述光热气化单元内腔温度可至700℃
‑
900℃，例如800℃；并且可设置生物质颗粒在光热气化单元内的加热时间为5s
‑
10s左右，即其在光热气化单元内的下落时间，可通过设置光热气化单元的高度来控制下落时间。
14.根据本发明的系统，所述镜面阵列可选择为聚焦型凹槽镜面。
15.根据本发明的系统，优选地，在所述光热气化单元顶部设置生物质入料口，在具体的实施方案中，可设置螺杆输送机构将生物质颗粒输送至光热气化单元顶部，本领域技术人员知悉，该螺杆输送机构为常规设备，根据需求完成物料的输送，不再赘述。
16.根据本发明的系统，所述气化剂入口设置在自热汽化单元的底部，优选为气化剂喷射口。
17.根据本发明的系统，所述合成气出口设置在自热汽化单元的中部，以供产生的合成气排出。
18.根据本发明的系统，所述自热汽化单元还设置有排渣口，优选在自热汽化单元底部，以供生物质颗粒气化中形成的灰分排出。
19.根据本发明的系统，所述自热汽化单元为固定床反应器，经光热加热后的生物质颗粒下落与下方喷射的气化剂混合反应，此时为下落床反应，部分未反应的颗粒继续进入自热气化单元底部以固定床模式继续进行反应，最终生成的合成气经合成气出口排出。
20.本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
21.本发明通过光热气化单元外壁的光热吸收元件窗口接受镜面反射的太阳能量并传递给其内部，生物质颗粒进入光热气化单元内的物料分散装置进行分散并被加热至高温，此时生物质颗粒可与下方进入的气化剂混合反应，进行初步气化，接着，高温生物质颗粒继续下落与自热气化单元中的气化剂反应，产生的热量促进生物质颗粒的继续反应，产生合成气从气化炉溢出，而反应后的颗粒落入气化炉底部，在气化过程中形成灰分排出。
22.但是太阳能是一种不稳定的能源，如何保证气化的稳定输出是本发明的关键。本发明自热气化单元能够保证工况的连续性运行，当镜场能量强度不足时，例如光照不足或夜晚，可通过自热气化单元中气化剂与生物质反应过程中的放热来供能，实现连续运转，保证系统的稳定性。
23.而且，生物质颗粒进入光热气化单元在下落过程中受到不同部位布置的三角锥型构件影响进而改变下落路径以及起到缓冲作用，实现了均匀分布进而均匀吸收热量，保证了生物质温度的均一性。
24.综上，本发明系统可实现太阳能与生物质能的综合高效利用，且具有多种优势：利用光热技术产生的能量可作为生物质气化所需能量来源，能有效降低气化能量消耗，提高资源利用率；且能量来源清洁，减少了生物质气化的能耗；其次是生物质气化炉内温度分布更均衡，无需再次设置换热装置，而常规的气化炉需设置，而正是由于本发明中物料分散装置的设置，生物质物料下落过程中受到缓冲，分布较为均匀，可形成类似的均匀反应区域，不会产生高温反应区，因此无需设置换热装置。
附图说明
25.图1为一种实施方式中的光热直接加热生物质制合成气系统结构示意图；
26.图2为图1的侧视图。
27.图3为图1系统的气化原理图。
28.图4a为物料分散装置的结构正视图。
29.图4b为物料分散装置的结构侧视图。
30.图中标记如下，1
‑
光热气化单元，1.1
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光热吸收元件窗口，1.2
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集热板，1.3
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三角锥型构件，2
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自热气化单元，2.1
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气化剂入口，2.2
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合成气出口，3
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料仓，4
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螺杆传输机构，5
‑
生物质入料口。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
33.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
35.图1和图2示意了一种实施方式中的光热直接加热生物质制合成气系统，包括：
36.光热气化单元1，所述光热气化单元1外围周向环绕分布用于将太阳光反射至所述吸热器上的镜面阵列(未示意出)，所述光热气化单元外壁设有光热吸收元件窗口1.1，以及
光热气化单元内腔设置有集热板1.2以及集热板上的物料分散装置，生物质由光热气化单元1进入并经过物料分散装置后下落；太阳光通过所述光热吸收元件窗口1.1投射至所述集热板1.2上，以用于加热经过物料分散装置的生物质颗粒；
37.自热汽化单元2，其与所述光热气化单元1连通，并位于其下方，包括气化剂入口2.1以及合成气出口2.2，经过所述物料分散装置的生物质下落进入自热汽化单元2与其内的气化剂反应，生成合成气；
38.其中，所述物料分散装置包括分散固定在所述集热板1.2上的多个三角锥型构件1.3，相邻的三角锥型构件1.3形成空隙以供生物质通过；所述集热板1.2的至少一侧与所述光热气化单元内壁连接，并采取与下料方向一致的方向固定于所述光热气化单元内腔，使得生物质经三角锥型构件分散后下落。
39.较佳地，本实施例光热吸收元件窗口1.1的材料为透明石英玻璃，集热板1.2的材料为耐高温陶瓷。
40.较佳地，在一具体的示例中，所述集热板1.2的相对两侧分别固定于光热气化单元1内壁，即图示左、右两侧。集热板1.2上布置物料分散装置，太阳光通过光热气化单元外壁的透明石英玻璃投射至带有物料分散装置的集热板1.2上，生物质颗粒进入光热气化单元1在下落过程中受到不同部位布置的三角锥型构件1.3影响进而改变下落路径，实现均匀分布。
41.较佳地，在一具体的示例中，如图4a和4b所示，图4a为从太阳光直射口观察到的示意图，图4b为从侧面观察的集热板与三角锥型构件的示意图；所述集热板上设置多个点位以固定安放各个三角锥型构件。一个点位固定设置一个三角锥型构件，相邻点位之间的间隔距离为3
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6cm，例如5cm；另外，所述三角锥型构件由两块板状元件连接呈夹角为40
‑
50度组成，例如45度；三角锥型构件的上述参数设置即保证了生物质物料颗粒能够及时下落，又能够防止物料堵塞。
42.在一具体的示例中，在所述光热气化单元顶部设置生物质入料口5，根据生物质料仓3的位置，可设置螺杆输送机构4将生物质颗粒输送至光热气化单元顶部。
43.较佳地，所述生物质的颗粒粒径为30
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100μm，例如在多个示例中可具体选择30μm，40μm，50μm，60μm，70μm，80μm，90μm及100μm中的一种或多种粒径的生物质颗粒；优选40
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60μm，更优选50μm。
44.在一具体的示例中，吸收太阳光的热量后，所述光热气化单元内腔温度为700℃
‑
900℃，例如可根据镜面阵列系统提供的光能调控至光热气化单元内腔温度为800℃左右。并且可设置生物质颗粒在光热气化单元内的加热时间为5s
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10s左右，即其在光热气化单元内的下落时间。例如：现有的镜面阵列能够根据太阳角度及辐照度改变镜面角度，从而改进镜面反射能力，保证能量处于稳定状态，并通过集热板后的温度传感器反馈实时调控。
45.在一具体的示例中，所述气化剂入口2.1设置在自热汽化单元2的底部，优选为气化剂喷射口，且在其它示例中，可在不同位置设置多个气化剂入口。所述合成气出口设置在自热汽化单元的中部，以供产生的合成气排出。
46.在一具体的示例中，所述自热汽化单元2还设置有排渣口(未示意出，为常规设置)，优选在自热汽化单元2底部，以供生物质颗粒气化中形成的灰分排出。
47.较佳地，所述自热汽化单元2为固定床反应器，气化剂可选自水蒸气、二氧化碳与
氧气中的一种或多种混合。
48.本实施方式使用时，经光热加热后的生物质颗粒下落与下方喷射的气化剂混合反应，此时为下落床反应，部分未反应的颗粒继续进入自热气化单元底部以固定床模式继续进行反应，最终生成的合成气经合成气出口排出。图3为图1系统的气化原理图。
49.以具体生产为例，将100kg用量的生物质颗粒(粒径为50
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80μm)由光热气化单元顶部加入，在光热气化单元1中将生物质颗粒加热至800℃，生物质颗粒通过光热气化单元的时间为5s，在自热气化单元2中通入8.3kmol用量的气化剂(水蒸气或者二氧化碳)，可将生物质气化，生物质颗粒气化率为80％。
50.而采用常规的气化炉(固定床反应器)，将相同用量100kg及粒径50
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80μm的生物质颗粒气化，在本发明示例基础上，还需要加入30kg的氧气，生物质颗粒气化率仅为60％。
51.并且，通过本发明生产示例发现，当相邻点位之间的间隔距离设置为5cm、三角锥型构件由两块板状元件连接呈夹角为45度组成时，当上述粒径为50
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80μm的生物质颗粒经该三角锥型构件分散后，保证了生物质物料颗粒能够及时下落，最大程度地避免了生物质颗粒在三角锥型构件中的停留。
52.本发明系统采用装置为常规结构，本领域技术人员根据其功能即可获悉其具体结构，例如：固定床反应器，螺杆输送机构，镜面阵列等。本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。