CN104862010B - 一种基于槽‑塔结合聚光方式的太阳能气化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于槽‑塔结合聚光方式的太阳能气化系统，包括中温槽式太阳能热解吸收反应器、高温回转式太阳能气化反应器、旋风分离器、余热回收器、气体净化装置、定日镜场和双曲面反射镜。该系统采用了不同类型的太阳能聚光装置及反应器依次独立完成固体燃料的热解和气化反应，首先利用中温槽式太阳能热解吸收反应器实现固体燃料的热解反应获得焦油和焦炭，进而使用定日镜场和双曲面反射镜获取高聚光比太阳能，并利用高温回转式太阳能气化反应器完成焦油裂解和焦炭气化等反应。利用本发明，实现了生物质的高效气化，并降低了聚光气化过程的不可逆损失，减少了气化合成气中的焦油含量。

Description

一种基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统
技术领域
本发明涉及多种能源互补利用的技术领域，尤其是一种基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，以利用太阳能实现固体碳氢燃料高效气化。
背景技术
为应对高速的经济发展和社会进步，能源需求量逐年增大，为此煤炭、石油和天然气等化石燃料被大量消耗，同时也造成了严重的环境污染，这将阻碍未来经济社会的可持续发展。
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。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。
为应对未来高速增长的能源需求量和亟待解决的环境污染问题，需对现有的能源利用技术进行改进，以提高能源利用效率并实现能源的清洁利用，同时我们还需关注太阳能和生物质能清洁可再生能源，完善这些可再生能源的利用技术并大力提高可再生能源所占的份额，也成为各国科研工作的研究重点之一。
太阳能作为一种清洁的可再生能源，以辐射的形式投射至地球表面，是人类可以利用的最丰富的能源，具有一些普通能源无法比拟的优点，如清洁、资源量巨大等。在非洲北部和我国西部等地区都有着非常丰富的太阳能资源，基于太阳能光热转化技术的太阳能热发电站目前已进入商业运行阶段。太阳能热发电技术根据聚光方式的不同可分为线聚光和点聚光，其中抛物槽式和线性菲涅尔集热装置采用的是太阳能线聚光技术，其聚光比相对较低，所能达到的集热温度也相应较低；而碟式和塔式集热装置采用的是太阳能点聚光技术，双轴跟踪，聚光比高，最高集热温度能超过1000℃。
相对而言，生物质与太阳能和风能等可再生能源不同，生物质是一种可再生的物质能源，能够更好地替代现有的化石能源，以更好地迎合社会需求。太阳能通过光合作用生成生物质，因此生物质能在某种程度可看作是太阳能的某种特殊形式，同时通过光合作用固碳，也实现了碳元素的循环利用。我国作为一个农业大国，有着丰富的生物质资源，2009年中国的生物质秸秆年产量为8.42亿吨，其中可收集利用量达到6.86亿吨，利用前景非常广阔。
目前生物质作能源用途的利用技术手段主要包括燃烧、热解和气化，其中通过气化可生产出富含H2和CO的合成气，能够与高效的燃气发电技术相结合以构成整体生物质气化燃气—蒸汽联合循环系统(BIGCC)，或者配置多联产利用系统可将合成气更加高效地转化为甲醇等液体燃料。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，也利用的产生热量来维持气化反应器内较高的反应温度，同时水蒸气和产生的CO2将与生物质发生还原反应，最后生成H2和CO等成分。这种反应体系比较简单，气化反应所需要的热量是通过燃烧生物质来提供的，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。
针对常规生物质气化技术的不足，相关研究机构及学者提出了利用太阳能驱动生物质进行气化的高温太阳能热化学利用技术，直接利用高温聚光太阳能产生的高温热量来驱动并提供生物质气化所需要的反应热，这种利用方式不仅可以规避常规生物质气化方式的诸多缺陷，同时也将太阳能转化高品质且更容易存储的化学能，由此还能拓展太阳能的利用途径。
利用太阳能驱动的生物质气化主要包括生物质的干燥、热解和气化三部分，同时生物质热解所需要的热源温度较低，热解反应温度区间为250～450℃。虽然可利用点聚光技术提供气化反应所需要850℃左右的热能，但该技术的对材料的要求非常苛刻，投资成本较大。同时利用较高温度的热源先驱动生物质的热解反应，将导致严重的能的品位不对口，使得系统的不可逆损失增大。与此同时，与常规生物质气化技术类似，现有的太阳能—生物质气化所得到的合成气中的焦油含量也会偏高，这将严重影响气化装置的正常运转，也会增大合成气净化装置的负担，同时也威胁到后续合成气利用系统的安全运行。由此本发明通过改进已有的太阳能-生物质气化方式，以提高可再生能源的利用效率，并降低设备成本，以促进该技术的推广应用。
发明内容
(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基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，以实现生物质的高效气化，并降低聚光气化过程的不可逆损失，以及减少气化合成气中的焦油含量。通过该系统也能够适用于煤炭等其他碳氢固体燃料。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，该系统包括中温槽式太阳能热解吸收反应器1、高温回转式太阳能气化反应器2、旋风分离器3、余热回收器4、气体净化装置5、定日镜场6和双曲面反射镜7，其中：
固体碳氢燃料a被送至中温槽式太阳能热解吸收反应器1，温度为450℃以下的中温太阳能驱动该中温槽式太阳能热解吸收反应器1内的固体碳氢燃料a进行热解反应，产生含有焦油、焦炭和烷烃气体的混合产物b，该混合产物b被送入高温回转式太阳能气化反应器2；其中，固体碳氢燃料a至少包含生物质或煤炭；在高温回转式太阳能气化反应器2中，利用定日镜场6和双曲面反射镜7获取高温聚光太阳能加热混合产物b，并驱动混合产物b中的焦油和焦炭分别发生裂解和气化反应，产生富含H2和CO的高温合成气c，该高温合成气c被送至旋风分离器3中，借助离心力分离出灰分f后得到的高温合成气c’被送至余热回收器4中；
在余热回收器4中，该高温合成气c’中的显热将水e加热至高温水蒸气e’，高温水蒸气e’被送至高温回转式太阳能气化反应器2中作为气化剂参与气化反应；
降温后的高温合成气c’被送至气体净化装置5进行深度净化处理。
上述方案中，所述中温槽式太阳能热解吸收反应器1用于聚焦获得450℃以下的中温太阳能，并完成固体碳氢燃料的热解反应。所述中温槽式太阳能热解吸收反应器1还包括旋转推进装置，用以保证固体燃料的顺畅流动。所述固体碳氢燃料a至少包含生物质或煤炭。
上述方案中，所述高温回转式太阳能气化反应器2为回转式气化反应装置，其顶部具有入射光线孔，高温聚光太阳能透过该入射光线孔进入该高温回转式太阳能气化反应器2的内部，加热反应物，借助该高温回转式太阳能气化反应器2的回转式转动，改善气化反应特性。
上述方案中，所述定日镜场6和所述双曲面反射镜7用于聚焦并获得高温太阳能。所述定日镜场6包括呈阵列布置的多个定日镜，该多个定日镜收集太阳能并将其聚焦至双曲面反射镜7以获取高温聚光太阳能，该高温聚焦太阳能由双曲面反射镜7反射并投射至高温回转式太阳能气化反应器2中。
上述方案中，所述旋风分离器3用于分离气化合成气中的固定颗粒，该固定颗粒至少包括灰分；所述余热回收器4用于回收高温合成气c’的显热；所述气体净化装置5用于净化处理合成气，以满足后续设备的要求。
上述方案中，所述高温合成气c’具有较高的温度，在余热回收器4中利用该高温合成气c’中的显热加热水e产生高温水蒸气e’，该高温水蒸气e’一部分用作气化剂直接送至高温回转式太阳能气化反应器2中，另一部分作为固体燃料的推进气流送至中温槽式太阳能热解吸收反应器1中。
(三)有益效果
1、本发明提供的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，基于“温度对口，梯级利用”的能源利用机理，借助槽式和塔式这两种不同的太阳能集热装置来依次为生物质的热解和气化提供与之匹配的热能，由此能够优化系统的热能利用效率，降低系统的不可逆损失，并减少设备的初投资。
2、本发明提供的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，针对生物质热解反应温度较低(250～450℃)这一特点，首先利用低聚光比的槽式太阳能聚光集热装置提供450℃以下的中温热能，用以预热生物质，并驱动生物质发生热解反应，实现了太阳能能的优化利用，而非直接使用与气化反应匹配的热能来提供此阶段的反应热，因此减少了此反应段热能的不可逆损失量。
3、本发明提供的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，利用低聚光比太阳能集热装置完成了生物质的预热和热解过程，由此可将高聚光比的塔式集热装置将产生的高温热能全部作为生物质的气化反应热，不仅实现了高温聚光热能与生物质气化反应热能的品位匹配，以提高热能的利用效率，而且高温段的热能需求量也会有所减少，这将降低系统整体的投资。
4、本发明提供的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，生物质首先热解生成焦油和残炭等，而后再借助高温气化反应装置继续完成气化反应，在适宜的高温反应条件下，焦油更容易分解，与现有的生物质气化方式相比，合成气中的焦油含量会大幅降低，这将有助于实现生物质气化反应及合成气后续的利用系统的稳定运行。
5、本发明提供的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，利用气化反应设备的回转式运动，能够改善反应物的传热传质特性，因此能够提高气化反应速率。
6、本发明提供的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，气化部分采用回转式的反应装置，能够保证反应器壁面均匀受热，由此能够降低反应器的热应力，并延长气化反应装置的使用寿命。
附图说明
图1为依据本发明实施例的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统的结构示意图；
附图标记为：1-中温槽式太阳能热解吸收反应器、2-高温回转式太阳能气化反应器、3-旋风分离器、4-余热回收器、5-气体净化装置、6-定日镜场和7-双曲面反射镜；a-生物质或煤炭等固体碳氢燃料、b-焦油、焦炭和烷烃类气体的混合物、c-高温气化合成气、c’-经除灰后的高温气化合成气、d-经冷却净化后的合成气、e-水、e’-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。
本发明提供的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，采用了不同的太阳能聚光装置及反应器类型依次独立完成固体燃料的热解和气化反应，首先利用中温槽式太阳能热解吸收反应器1实现固体燃料的热解反应获得焦油和焦炭，进而使用定日镜场6和双曲面反射镜7获取高聚光比太阳能，并利用高温回转式太阳能气化反应器2完成焦油裂解和焦炭气化等反应。
如图1所示，图1为依据本发明实施例的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统的结构示意图，该系统包括中温槽式太阳能热解吸收反应器1、高温回转式太阳能气化反应器2、旋风分离器3、余热回收器4、气体净化装置5、定日镜场6和双曲面反射镜7，其中：
生物质或煤炭等固体碳氢燃料a被送至中温槽式太阳能热解吸收反应器1，温度为450℃以下的中温太阳能驱动该中温槽式太阳能热解吸收反应器1内的固体碳氢燃料a进行热解反应，产生含有焦油、焦炭和烷烃气体的混合产物b，该混合产物b被送入高温回转式太阳能气化反应器2；
在高温回转式太阳能气化反应器2中，利用定日镜场6和双曲面反射镜7获取高温聚光太阳能加热混合产物b，并驱动混合产物b中的焦油和焦炭分别发生裂解和气化反应，产生富含H2和CO的高温合成气c，该高温合成气c被送至旋风分离器3中，借助离心力分离出灰分f后得到的高温合成气c’被送至余热回收器4中；
在余热回收器4中，该高温合成气c’中的显热将水e加热至高温水蒸气e’，高温水蒸气e’被送至高温回转式太阳能气化反应器2中作为气化剂参与气化反应；
降温后的高温合成气c’被送至气体净化装置5进行深度净化处理。
其中，中温槽式太阳能热解吸收反应器1用于聚焦获得450℃以下的中温太阳能，并完成固体碳氢燃料的热解反应。进一步地，中温槽式太阳能热解吸收反应器1还包括旋转推进装置，用以保证固体燃料的顺畅流动。
高温回转式太阳能气化反应器2为回转式气化反应装置，其顶部具有入射光线孔，高温聚光太阳能透过该入射光线孔进入该高温回转式太阳能气化反应器2的内部，加热反应物，借助该高温回转式太阳能气化反应器2的回转式转动，改善气化反应特性。
定日镜场6和双曲面反射镜7用于聚焦并获得高温太阳能。定日镜场6包括呈阵列布置的多个定日镜，该多个定日镜收集太阳能并将其聚焦至双曲面反射镜7以获取高温聚光太阳能，该高温聚焦太阳能由双曲面反射镜7反射并投射至高温回转式太阳能气化反应器2中。
旋风分离器3用于分离高温气化合成气c中的灰分等固定颗粒；余热回收器4用于回收合成气c’的显热；气体净化装置5用于净化处理合成气以满足后续设备的要求。高温合成气c’具有较高的温度，在余热回收器4中利用该高温合成气c’中的显热加热水e产生高温水蒸气e’，该高温水蒸气e’一部分用作气化剂直接送至高温回转式太阳能气化反应器2中，另一部分作为固体燃料的推进气流送至中温槽式太阳能热解吸收反应器1中。
在图1中，生物质或煤炭等固体碳氢燃料a与中温槽式太阳能热解吸收反应器1的入口连接，中温槽式太阳能热解吸收反应器1的出口与高温回转式太阳能气化反应器2的入口连接，高温回转式太阳能气化反应器2的出口经由余热回收器4高温侧与气体净化装置5的入口相连。水c’经由余热回收器4的低温侧分别与中温槽式太阳能热解吸收反应器1的入口和高温回转式太阳能气化反应器2的入口连接。
图1所示的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统的具体流程为：生物质或煤炭等固体碳氢燃料a送至中温槽式太阳能热解吸收反应器1，利用中温槽式太阳能热解吸收反应器1获取温度为450℃以下的中温太阳能驱动该反应器内的固体燃料发生热解反应，反应产生焦油、焦炭和烷烃气体，反应生成的混合产物b送入高温回转式太阳能气化反应器2；定日镜场6用于收集太阳能并聚焦至双曲面反射镜7以获取高温聚焦太阳能，高温聚焦太阳能再由双曲面反射镜7反射并投射至高温回转式太阳能气化反应器中2，用以提供气化反应所需要的高温热量；在高温回转式太阳能气化反应器2中，焦油和焦炭分别受热发生裂解和气化反应，并产生富含H2和CO的合成气c，；反应产生的气体产物送至旋风分离器中3，借助离心力分离出反应产生的灰分f，并将较为纯净的合成气c’送至余热回收器4中，利用高温气体显热将水e加热至高温水蒸气e’，水蒸气e’将送至高温回转式太阳能气化反应器中2，作为气化剂参与气化反应；气化产生的合成气c’具有较高的温度，在余热回收器4中利用这部分显热生产高温高压蒸汽e’，一部分用作气化剂直接送至高温回转式太阳能气化反应器2中，另一部分作为固体燃料的推进气流送至中温槽式太阳能热解吸收反应器1中；降温后的合成气c’送至气体净化装置5进行深度净化处理。
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。

Claims (4)

1.一种基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，其特征在于，该系统包括中温槽式太阳能热解吸收反应器(1)、高温回转式太阳能气化反应器(2)、旋风分离器(3)、余热回收器(4)、气体净化装置(5)、定日镜场(6)和双曲面反射镜(7)，其中：
固体碳氢燃料(a)被送至中温槽式太阳能热解吸收反应器(1)，温度为450℃以下的中温太阳能驱动该中温槽式太阳能热解吸收反应器(1)内的固体碳氢燃料(a)进行热解反应，产生含有焦油、焦炭和烷烃气体的混合产物(b)，该混合产物(b)被送入高温回转式太阳能气化反应器(2)；
所述高温回转式太阳能气化反应器(2)为回转式气化反应装置，其顶部具有入射光线孔，高温聚光太阳能透过该入射光线孔进入该高温回转式太阳能气化反应器(2)的内部，加热反应物，借助该高温回转式太阳能气化反应器(2)的回转式运动，改善气化反应动力学特性；在高温回转式太阳能气化反应器(2)中，利用定日镜场(6)和双曲面反射镜(7)获取高温聚光太阳能加热混合产物(b)，并驱动混合产物(b)中的焦油和焦炭分别发生裂解和气化反应，产生富含H2和CO的高温粗合成气(c)，该高温粗合成气(c)被送至旋风分离器(3)中，借助离心力分离出灰分(f)后得到的高温合成气(c’)被送至余热回收器(4)；
在余热回收器(4)中，利用高温合成气(c’)中的显热将水(e)加热至高温水蒸气(e’)，高温水蒸气(e’)被送至高温回转式太阳能气化反应器(2)中作为气化剂参与气化反应；
降温后的高温合成气(c’)被送至气体净化装置(5)进行深度净化处理；
其中，所述中温槽式太阳能热解吸收反应器(1)用于聚焦获得450℃以下的中温太阳能，并完成固体碳氢燃料的热解反应。
2.根据权利要求1所述的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，其特征在于，所述中温槽式太阳能热解吸收反应器(1)还包括旋转推进给料装置，用以保证固体燃料的顺畅流动。
3.根据权利要求1所述的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，其特征在于，所述定日镜场(6)包括呈阵列布置的多个定日镜，该多个定日镜收集太阳能并将其聚焦至双曲面反射镜(7)以获取高温聚光太阳能，该高温聚焦太阳能由双曲面反射镜(7)反射并投射至高温回转式太阳能气化反应器(2)中。
4.根据权利要求1所述的基于槽-塔结合聚光方式的太阳能气化系统，其特征在于，所述高温合成气(c’)具有较高的温度，在余热回收器(4)中利用该高温合成气(c’)中的显热加热水(e)产生高温水蒸气(e’)，该高温水蒸气(e’)一部分用作气化剂直接送至高温回转式太阳能气化反应器(2)中，另一部分作为固体燃料的推进气流送至中温槽式太阳能热解吸收反应器(1)中。
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