CN108219852A - 微波热解生物质的气化反应装置及其制气方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波热解生物质的气化反应装置及其制气方法，装置包括依次连接的进料单元、微波热解单元以及输气单元，所述微波热解单元包括若干纵向排布并能够独立控制温度的微波发生器，所述输气单元包括依次连接的除尘机构和气体输出机构。方法包括步骤：(1)将生物质原料通过进料单元送入微波热解单元进行连续加热直至气化；(2)气化后产生的燃气在输气单元中净化并输出。本发明的气化反应装置生物质气化率高，碳转化率高，得到合成气产品品质高，能够满足合成液体燃料的要求；省去了现有的装置中各反应器间复杂的管路设计，显著降低装置的热损耗，结合微波加热的低能耗高效率，具有很好的工业应用前景。

Description

微波热解生物质的气化反应装置及其制气方法
技术领域
本发明涉及生物质热解气化装置，尤其涉及一种基于微波加热的生物质制气装置及方法。
背景技术
随着石油等化石燃料的迅速减少，生物质能迅速崛起，得到研究学者青睐，生物质热解液体产物生物油作为一种极有可能替代化石燃料的液体能源得到广泛关注，对可持续发展战略和生态环境保护都具重要意义，同时它的经济效益也将随着燃油市场价格的上升而越来越显著。我国生物质热解制取生物油技术起步较晚，微波热解生物质技术尤为不成熟。由微波加热原理可知微波热解生物质具有速度快、加热均匀、节省能源、产物利用率高等优点，如微波热解所产生的焦炭具有较大比表面积，吸附性能好，气体产物中含有更高的氢气和合成气成分，可以合成液体燃料或化工产品生物油产率更高，成分较为简单，经处理后可做燃料油使用或者提取高附加值的化学品，对于缓解能源紧缺现状具有重要意义。
目前生物质气化技术按照采用的气化介质分为空气气化、富氧气化、空气-水蒸气气化和水蒸气气化四种方法，使用的反应器包括固定床上吸式和下吸式、鼓泡床、流化床、外内循环流化床、喷动床、气流床等。相比于煤气化，生物质气化技术尚有一些核心技术没有解决，首先是气化产物摩尔比偏低，还达不到合成气的要求；其次气化效率偏低，而且大量气化介质的使用，燃气被稀释，热值降低；再次，缺乏适宜的焦油脱除方法，虽然在气化过程中通入空气氧气等氧化介质发生燃烧反应虽然能解决焦油脱除的问题，但焦油更多被转化成，实际上碳有效转化率降低。
究其原因，这种传统的由外向内的热传导作用机制导致了热解反应的不可控。一般认为，较大颗粒毫米级的热解反应不由可控的化学效应主导，而是以热的传导使生物质发生多次裂解，而生物质组成的差异性更是加剧了热解反应产物组成复杂多变。
微波加热是一种截然不同的方式，它不需要外部热源，也不是由表及里的热传导，而是向被加热物料内部辐射微波电磁场，推动其偶极子运动，使其相互碰撞、摩擦而生热。微波加热是在不同深度同时产生热，这种“体加热”，不仅使加热更快速，而且更均匀，大大改善了加热的质量。与传统的热裂解相比，微波裂解产生的气体组成具有独特的优势。现有微波热解技术尚不成熟，仍处于实验研究阶段，大部分采用间歇式的操作方式。间歇式操作模式反应效率低，不适于工业化的大规模应用。同时由于微波热解反应需要在高温下进行，而现有技术中均采用可以耐高温的石英玻璃作为反应器材质。但在连续操作条件下由于反应器可能会出现各种异常状况，如进料堵塞反应器，需要外力对物料进行疏通，这样在实际操作过程中很容易造成反应器破碎。在连续微波反应器的报道中，有采用管式或传输带式加热的方式，但所用加热管材料要么为聚四氟乙烯等不能耐高温的材料，要么虽然反应器可以耐高温，但反应为开放式体系，不能用于密闭的生物质热解中。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种微波热解生物质的气化反应装置及其制气方法，该气化反应装置解决了现有的制气装置反应效率低、且不适于工业化的大规模应用的问题，同时解决了不能用于密闭的生物质热解的问题；该制气方法步骤简单，易操作。
技术方案：本发明的微波热解生物质的气化反应装置，包括依次连接的进料单元、微波热解单元以及输气单元。
所述进料单元包括螺旋加料器和料仓，料仓通过星型阀门与微波热解单元连接。
所述微波热解单元包括若干纵向排布并能够独立控制温度的微波发生器。
所述输气单元包括依次连接的除尘机构和气体输出机构。
气化反应装置采用石英玻璃作为反应器材料，同时采用金属管线及法兰连接的方式进行连接，既保障了反应器的强度，同时很好地解决了反应器的密封问题。
所述微波热解单元通过若干微波发生器分为依次连接的能够对原料进行脱水和活化的预热区、对脱水和活化后的原料进行热解的热解区、对热解后的产物进行气化的气化区和对气化后的产物进行重整并能够提高碳转化率的重整区。
微波发生器功率0-25kW线性可调，通过波导传至微波反应腔体中，微波反应腔体可为微波多模谐振腔或单模谐振腔，可根据需要分别使用两个不同的谐振腔，操作灵活，降低生产成本。
微波发生器器壁设置一定数量的石英玻璃窗口，每个窗口对应一个微波发生器，单个微波发生器的功率为500W-2000W，根据反应器的容积等情况设置具体的窗口数量，一般设置4-16个，保证反应器内的功率密度在0.1*105-10*105
W/m3。
微波热解反应器采用纵向固定床，根据床层温度区间，共分为预热区、热解区、气化区和重整区。预热区的温度120-260℃、热解区的温度260-600℃、气化区的温度600-800℃、重整区的温度为800-1200℃。每个区的温度由所对应的微波发生器控制，为了避免因温度控制导致的生物质受热不均甚至存在夹生的问题，本发明中所有微波控温机构皆采用连续功率调节以保证物料全时吸收微波而加热。
所述热解区和气化区均能够通过进气口通入水蒸气和空气，且水蒸气和空气通过至少两级热交换器与所述微波热解单元连接并能够与其产生的混合气体进行换热。
其中，所述微波热解单元的反应段下部设有氮气入口，以便用氮气吹扫保持无氧环境，生物质中混入按重比为0-5％的吸波介质，吸波介质可使用SiC增强传热，粒径在0.1-1mm之间。使用碱性金属盐作为催化剂，以使得产物中气化物增多。
本发明提供的微波生物质热解连续反应装置，实现了生物质热解的连续反应，微波热解反应器气体入口，介于热解区和气化区之间，主要通入水蒸气参与联合重整、焦油裂解、半焦转化等反应。
所述重整区设有能够排出渣体的排渣器，排渣器为螺旋排渣器。螺旋排渣器设置在微波热解单元的底部，位于重整区内，从而大大提高了生物质热解的反应速率，螺旋排渣器根据重整区内反应料堆积情况控制排渣速率，在确保物料充分反应的同时，提高整个系统的生物质处理量。
所述除尘机构包括与所述微波热解单元连接的排灰罐、设于所述排灰罐底部的排灰口，排灰口设有螺旋排灰器。
所述气体输出机构包括与所述排灰罐连接的输气管道、设于所述输气管道内的旋风分离器。输气管道为气体提升管，并设有气体泵。所述旋风分离器通过星型阀门与气体提升管连接，且内设有能够去除焦炭和灰分的炉蓖。针对生物质气化过程中存在的焦油难以脱除的问题，采用外部气体提升管设计，对可能携带焦油的气体在旋风除尘器以及气体过滤器内进行去除。
微波热解单元产生的气体进入旋风分离器进行气固分离，去除其中固体颗粒。经旋风分离后，气体进入冷凝器冷凝，可冷凝气体冷凝后形成液体生物油，采用油罐收集不可凝气体为富含H2、CO、CH4的高热值气体，采用储气罐收集。微波热解单元的冷凝器可选用循环冷却水冷却，也可选用液氮、干冰、冰水混合物等方式冷凝。
所述输气管道与排灰罐连接的一端设有气体过滤器。气体过滤器与旋风分离器的组合应用，有利于降低提升管内固体颗粒浓度和进一步降低焦油含量，避免提升管长期使用存在管路堵塞的问题。
所述输气管道的另一端通过气体分布板与预热区连接，并能够与预料区内的物料进行热交换。通过气体与固体传热即能使得无聊达到较高温度，无需额外能源加热，提高了整个系统的能源利用效率。
在所述装置的壳体上设有多个温度检测元件，在所述壳体顶端的出气口处设有燃气监控器，温度检测元件和燃气监控器分别与控制系统单独连接。为保证安全，燃气监控器对产生的气体的压力进行检测，并将采集到的数据传送给控制系统，如果压力过高，控制系统控制警报装置报警，并控制进料输送装置停止工作，暂停入料，待压力降低后，再重新进行工作。
基于上述气化反应装置的制气方法，包括以下步骤：
(1)将生物质原料通过进料单元送入微波热解单元内进行连续加热直至气化；
(2)微波热解单元产生的混合气体与热交换器内的空气和水进行换热，换热后的空气和水送至微波热解单元内；
(3)换热后的混合气体经除尘、净化后输出，以供给工业利用或民用。
有益效果：1、本发明的气化反应装置生物质气化率高，碳转化率高，得到合成气产品品质高，能够满足合成液体燃料的要求；2、在一个反应器内实现了生物质的热解、气化和重整等反应过程，省去了现有的装置中各反应器间复杂的管路设计，显著降低装置的热损耗，结合微波加热的低能耗高效率，具有很好的工业应用前景；3、能够保障反应器的强度，同时很好地解决了反应器的密封问题；4、操作灵活，降低生产成本；5、气体过滤器与旋风分离器的组合应用，有利于降低提升管内固体颗粒浓度和焦油含量，避免提升管长期使用存在管路堵塞的问题；6、提高了整个系统的能源利用效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的工作步骤的原理流程图。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明一实施例所述的微波热解生物质的气化反应装置，包括依次连接的进料单元1、微波热解单元2以及输气单元3，采用金属管线及法兰连接的方式进行连接。
进料单元1包括螺旋加料器11和料仓12，料仓12通过星型阀门与微波热解单元2连接。
微波热解单元2包括若干纵向排布并能够独立控制温度的微波发生器21，根据床层温度区间，共分为预热区22、热解区23、气化区24和重整区25。预热区22的温度120-260℃、热解区23的温度260-600℃、气化区24的温度600-800℃、重整区25的温度为800-1200℃。
微波发生器21功率0-25kW线性可调，通过波导传至微波反应腔体中，微波反应腔体可为微波多模谐振腔或单模谐振腔，微波发生器21器壁设置一定数量的石英玻璃窗口，每个窗口对应一个微波发生器，单个微波发生器的功率为500W-2000W，根据反应器的容积等情况设置具体的窗口数量，一般设置4-16个，保证反应器内的功率密度在0.1*105-10*105W/m3。
热解区23和气化区24均能够通过进气口26通入水蒸气和空气，且水蒸气和空气通过至少两级热交换器与微波热解单元2连接并能够与其产生的混合气体进行换热。
微波热解单元2的反应段下部设有氮气入口，生物质中混入按重比为0-5％的吸波介质，吸波介质可使用SiC增强传热，粒径在0.1-1mm之间。使用碱性金属盐作为催化剂。
重整区25设有能够排出渣体的排渣器27，排渣器27为螺旋排渣器。
输气单元3包括依次连接的除尘机构31和气体输出机构32，除尘机构31包括与微波热解单元2连接的排灰罐311、设于排灰罐311底部的排灰口312，排灰口312设有螺旋排灰器。
气体输出机构32包括与排灰罐311连接的输气管道321、设于输气管道321内的旋风分离器322。输气管道321为气体提升管，并设有气体泵325。旋风分离器322通过星型阀门与气体提升管连接，且内设有能够去除焦炭和灰分的炉蓖323。
输气管道321与排灰罐311连接的一端设有气体过滤器324、另一端通过气体分布板4与预热区22连接，并能够与预料区22内的物料进行热交换，并通过预热区的气体出口326排出。
在装置的壳体上设有多个温度检测元件，在壳体顶端的出气口处设有燃气监控器，温度检测元件和燃气监控器分别与控制系统单独连接。
本发明工作原理如下：
生物质原料通过螺旋加料器11送入料仓12内，然后开启星型阀门，原料通过重力作用下落到微波热解单元2，微波热解单元2充满原料后开启微波发生器21，设置预热区22、热解区23、气化区24和重整区25的温度分别为160℃、550℃、700℃和1000℃。
当反应器达到设置温度后，首先原料在预热区22进行脱水和活化；然后进入热解区23反应；接着气液固产物在气化区24开始气化，同时控制水蒸气从进气口26通入，在水蒸气作用下部分固体半焦发生气化反应，部分焦油发生裂解反应；将上述产物和水蒸气送入重整区25进行重整反应、处理，重点对气体中碳氢化合物和CO2进行合成气的转化反应，同时通过水煤气变换反应和焦油裂解反应进一步降低固液含量，提高生物碳转化率；重整气体与部分焦炭、灰分送入排灰罐，而部分焦炭被螺旋排渣器排出反应器且可重复使用。排灰罐311内的焦炭和灰分通过螺旋排灰器排出，排灰罐311内的气体通过气体过滤器进入外置的旋风分离器322，由旋风分离器322产生的的焦炭和灰分通过炉蓖323去除，吸取气体的动力由气体泵325提供，脱除掉大部分的焦炭和灰分后进入气体提升管，从气体提升管放出的气体通过气体分布板4进入预热区22，并与预料区22内新鲜生物质热交换和吸附作用后得到高品质的合成气产品，之后通过气体出口326释放。

Claims (10)

1.一种微波热解生物质的气化反应装置，其特征在于：包括依次连接的进料单元(1)、微波热解单元(2)以及输气单元(3)，
所述微波热解单元(2)包括若干纵向排布并能够独立控制温度的微波发生器(21)；
所述输气单元(3)包括依次连接的除尘机构(31)和气体输出机构(32)。
2.根据权利要求1所述的气化反应装置，其特征在于：所述微波热解单元(2)通过若干微波发生器分为依次连接的能够对原料进行脱水和活化的预热区(22)、对脱水和活化后的原料进行热解的热解区(23)、对热解后的产物进行气化的气化区(24)和对气化后的产物进行重整并能够提高碳转化率的重整区(25)。
3.根据权利要求2所述的气化反应装置，其特征在于：所述热解区(23)和气化区(24)均能够通过进气口(26)通入水蒸气和空气，且水蒸气和空气通过至少两级热交换器与所述微波热解单元(2)连接并能够与其产生的混合气体进行换热。
4.根据权利要求2所述的气化反应装置，其特征在于：所述重整区(25)设有能够排出渣体的排渣器(27)。
5.根据权利要求1所述的气化反应装置，其特征在于：所述除尘机构(31)包括与所述微波热解单元(2)连接的排灰罐(311)、设于所述排灰罐(311)底部的排灰口(312)。
6.根据权利要求1所述的气化反应装置，其特征在于：所述气体输出机构(32)包括与所述除尘机构(31)连接的输气管道(321)、设于所述输气管道(321)内的旋风分离器(322)。
7.根据权利要求6所述的气化反应装置，其特征在于：所述旋风分离器(322)内设有能够去除焦炭和灰分的炉蓖(323)。
8.根据权利要求6所述的气化反应装置，其特征在于：所述输气管道(321)与所述除尘机构(31)连接的一端设有气体过滤器(324)。
9.根据权利要求8所述的气化反应装置，其特征在于：所述输气管道(321)的另一端通过气体分布板(4)与预热区(22)连接，并能够与预料区(22)内的物料进行热交换。
10.根据权利要求1-9任一所述的气化反应装置的制气方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将生物质原料通过进料单元(1)送入微波热解单元(2)进行连续加热直至气化；
(2)气化后产生的燃气在输气单元(3)中净化并输出。
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