CN109355108B - 一种合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统 - Google Patents

一种合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于多种可再生能源互补利用技术领域，并公开了一种合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统，该系统包括配料装置、太阳能聚光集热装置、高温太阳能流化床气化反应器及飞溅冷凝器，并利用聚光太阳能作为热源驱动生物质高温气化和金属氧化物还原，得到高品位合成气和金属单质。本发明还公开了该系统相应的方法。通过本发明，能高效利用聚光太阳能装置产生的高温热能，使得生物质的气化反应和金属氧化物的还原反应相互促进，从而获取高品位的合成气和高纯度的金属单质，本系统结构紧凑、操作工艺简单、设备维护成本低、太阳能利用率高，所制备的合成气无焦油、品位高，同时所得的金属单质纯度高、成本低。

Description

一种合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统
技术领域
本发明属于多种可再生能源互补利用技术领域，更具体地，涉及一种合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统。
背景技术
在全球气候变暖和能源危机的背景下，积极开发和利用可再生能源已成为中国实现能源可持续发展的必然选择。太阳能和生物质能都是广泛可用的可再生资源。但太阳能能量密度低、分散性强、不稳定、不连续。如何以较低成本合理利用和储存太阳能是全世界共同面临的重要问题。生物质能是另外一种可再生能源，更是唯一的可再生碳源。目前生物质能消耗占世界总能耗的14％，仅次于石油、煤炭和天然气，位居第4位。我国拥有丰富的生物质能，能源化利用潜力大，据测算，我国理论生物质能资源为50亿吨左右标准煤，是目前中国总能耗的2倍左右。
太阳能和生物质能可以在太阳能热化学过程中结合以生产碳中性太阳能燃料，例如氢气，合成气和衍生的合成烃燃料。太阳能热化学过程包括利用聚光太阳能作为热源来驱动高温化学反应，如聚光太阳能生物质气化，碳热金属氧化物还原。所谓聚光太阳能气化技术，是通过聚光器提高太阳的入射强度，可提供约2000℃的高温，在氧化氛围里，驱动含碳物料发生高温气化反应，生成热值高、焦油含量低的高品位合成气。碳热还原是使用碳作为还原剂还原金属氧化物以降低反应温度。此外，气态和固态碳质原料均可用作与金属氧化物反应的还原剂。ZnO的分解温度约为2000℃，用碳作还原剂可以降低到950℃左右。这意味着反应在反应温度下产生气态的Zn，因为Zn沸点为907℃(Zn熔点为419℃)。当焦炭作为还原剂和能量来源时，1kg ZnO在1500K的碳热还原所需理论热量为3000kJ，同时至少排放了0.7kg CO2。实际上由于传热效率低下，排放量要远远高于理论值。利用聚焦太阳能的高温热量可以减少耗能，降低污染物的排放。基于此，我们设计了将聚光太阳能生物质气化和ZnO还原的耦合反应工艺，其中ZnO为生物质气化反应提供氧源，生物质热解过程生成的焦炭和挥发分作为ZnO的还原剂。在这种同时实现高品位合成气制备及金属冶炼的生物质-太阳能热化学利用系统中，证明了连续进料的太阳能反应器中联合生产锌和合成气的可行性。由组合的ZnO碳热还原和生物质气化(分子式假设为C6H9O4)组成的吸热化学反应可以根据方程式1来编写。
2ZnO(s)+C6H9O4(s)→2Zn(g)+6CO(g)+4.5H2(g)ΔH°＝1.28MJ/mol
当在生物质气化反应中使用固体ZnO作为氧化剂代替H2O/CO2时，与炭的反应(固-固反应)对应于ZnO碳热还原：
ZnO(s)+C→Zn(g)+COΔH°＝370.4KJ/mol
传统的聚焦太阳能驱动生物质气化技术，使用蒸汽或者CO2为氧化剂进行生物质气化，只能制备单一的合成气产品，且合成气里含有部分焦油，影响后续使用。使用ZnO代替蒸汽(或CO2)进行生物质气化，可以为生物质提供廉价氧源，同时生物质气化过程中ZnO被还原为Zn的强烈吸热反应使得单位摩尔质量的焓变更大，意味着更多的间歇性太阳能以化学能的方式储存下来。聚光太阳能驱动生物质气化及金属氧化物还原的高温热化学利用技术不仅实现了将不稳定不连续的太阳能转化成高品质的可长期稳定存储的化学能(合成气和Zn)，而且有助于实现能量的高效利用并拓展太阳能的利用途径。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统，其中通过控制金属氧化物和生物质的原料输入比例，并高效利用聚光太阳能装置产生的高温热能驱动生物质高温气化和金属氧化物还原，从而获取高品位的合成气和高纯度的金属单质，本系统结构紧凑、操作工艺简单、设备维护成本低、太阳能利用率高，所制备的合成气无焦油、品位高，同时所得的金属单质纯度高、成本低。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发提出了一种合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统，
该系统包括配料装置、高温太阳能流化床气化反应器、飞溅冷凝器及太阳能聚光集热装置；其中，
所述配料装置包括生物质配料单元和金属氧化物配料单元，其中，生物质配料单元和金属氧化物配料单元两者的出口合并，然与所述高温太阳能流化床气化反应器的入口连接，用于将干燥生物质a’和金属氧化物b按照一定比例混合，并将形成的混合物c输送至该高温太阳能流化床气化反应器中；
所述高温太阳能流化床气化反应器的上侧对应布置有所述太阳能聚光集热装置，用于将太阳能聚焦且获得1200℃以上的高温热能，由此驱动所述混合物c在所述高温太阳能流化床气化反应器内部同时进行气化反应及金属氧化物还原反应；
所述飞溅冷凝器的一端与所述高温太阳能流化床气化反应器出口相连，用于将所述气化反应以及金属氧化物还原反应所得产物d执行冷凝分离，由此输出已经彼此分离的粗气化合成气f和单质金属e。
进一步的，所述飞溅冷凝器的另一端设有气化余热锅炉，所述气化余热锅炉的一侧设有进水孔，以降低所述粗气化合成气f的温度得到低温粗气化合成气g，并将所述粗气化合成气f释放出来的热量加热水用于工业生产。
进一步的，所述气化余热锅炉的出口端设有旋风分离器，分离出灰分i,得到高品位气化合成气j。
进一步的，高温太阳能聚光集热装置包括定日镜场、双曲面反射镜及复合抛物面聚光器，所述双曲面反射镜设于所述定日镜场的聚光处，并将太阳光反射至所述复合抛物面聚光器处。
进一步的，所述生物质配料单元包括太阳能分段槽式干燥器，所述太阳能分段槽式干燥器的出口与所述金属氧化物配料单元出口合并。
进一步的，所述生物质配料单元包括螺旋送料器，所述金属氧化物配料单元包括螺旋送料器，所述螺旋送料器的入口与所述太阳能分段槽式干燥器的出口连接，所述螺旋送料器的出口与所述金属氧化物配料单元出口合并，所述螺旋送料器的出口与所述生物质配料单元出口合并。
进一步的，所述高温太阳能流化床气化反应器的一侧设有挡板结构。
进一步的，所述金属氧化物b为ZnO。
按照本发明的另一方面，提供了合成气制备及金属冶炼的太阳能气化生物质系统方法，具体包括如下步骤：
S1:生物质原料a经太阳能分段槽式干燥器干燥预热后得到干燥生物质a’，干燥生物质a’与金属氧化物b分别通过螺旋送料器b后以一定比例混合后送入高温太阳能气化反应器中；
S2:所述高温太阳能流化床气化反应器中的干燥生物质a’发生气化反应生成粗气化合成气，同时，金属氧化物b发生还原反应生成气态金属；
S3:将S2得到的产物d送入所述飞溅冷凝器中冷凝，得到粗气化合成气f和液态金属e，并将液态金属e送至储锌罐6中储存；
S4:将粗气化合成气f送入气化余热锅炉中并利用粗气化合成气f释放出的显热加热水h用于工业生产，得到低温粗气化合成气g；
S5:将低温粗气化合成气g送至所述旋风分离器8中，分离出灰分i，最终得到高品位气化合成气j；并引出一部分高品位气化合成气j送入所述高温太阳能流化床气化反应器3中，促使高温太阳能流化床气化反应器(3)内的反应物形成流化态。
进一步的，所述S2得到的产物d的温度为1000℃-1100℃，所述S3中所述冷凝温度为800℃-900℃。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过控制金属氧化物和生物质的原料输入比例，然后充分利用高温太阳能聚光集热装置获取的1200℃以上的高温热能用以驱动生物质进行气化反应以及金属氧化物还原反应，同时，生物质的气化反应和金属氧化物的还原反应相互促进，从而获取高品位的合成气和高纯度的金属单质，从而有效提高整体的集热性能和热能利用效率，不仅实现了将不稳定不连续的太阳能转化成高品质的可长期稳定存储的化学能，同时本系统结构紧凑、操作工艺简单、设备维护成本低、太阳能利用率高，所制备的合成气无焦油、品位高，同时所得的金属单质纯度高、成本低。
2.本发明提供的合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统，利用高聚光比的太阳能驱动生物质高温气化，同时利用高温太阳能作为热源，生物质作为还原剂将ZnO还原成Zn，提高单位质量生物质的反应产物产出率，所制备的合成气无焦油，品位高，还能有效减少二氧化碳排放，减少了反应产物的污染，为反应产物的后续处理和收集储存提供便利，同时又可以将太阳能以化学能储存起来，同时更实现了Zn的低耗能和清洁炼制，降低冶炼成本。
3.本发明提供的合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统，粗气化合成气f释放出的显热用来加热水h，在降低粗气化合成气的温度的同时能将水h转变为水蒸汽h’，应用于工业蒸汽，提高能源的利用率。
附图说明
图1是依照本发明实施例的合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统的结构示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-太阳能分段槽式干燥器、2-螺旋送料器、3-高温太阳能流化床气化反应器、4-复合抛物面聚光器、5-飞溅冷凝器、6-储锌罐、7-气化余热锅炉、8-旋风分离器、9-定日镜场、10-双曲面反射镜；a-生物质、a’-干燥生物质、b-ZnO、c-生物质及ZnO混合物、d-气态Zn和粗气化合成气、e-液态Zn、f-粗气化合成气、g-低温粗气化合成气、h-水、h’-水蒸气、i-灰分、j-高品位气化合成气。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统，该系统包括配料装置、高温太阳能流化床气化反应器、飞溅冷凝器及太阳能聚光集热装置；其中，所述配料装置包括生物质配料单元和金属氧化物配料单元，其中，生物质配料单元和金属氧化物配料单元两者的出口合并，然与所述高温太阳能流化床气化反应器3的入口连接，用于将干燥生物质a’和金属氧化物b按照一定比例混合，并将形成的混合物c输送至该高温太阳能流化床气化反应器3中；高温太阳能流化床气化反应器3的上侧对应布置有所述太阳能聚光集热装置，用于将太阳能聚焦且获得1200℃以上的高温热能，由此驱动混合物c在所述高温太阳能流化床气化反应器内部同时进行气化反应及金属氧化物还原反应；飞溅冷凝器5的一端与所述高温太阳能流化床气化反应器3出口相连，用于将所述气化反应以及金属氧化物还原反应所得产物d执行冷凝分离，由此输出已经彼此分离的粗气化合成气f和单质金属e。
具体而言，生物质及ZnO混合物c与高温太阳能流化床气化反应器3的入口相连，高温太阳能流化床气化反应器3的出口与飞溅冷凝器5的入口连接。飞溅冷凝器5的气体产物出口与气化余热锅炉7高温侧的入口连接，飞溅冷凝器5的液体产物出口与储锌罐6的入口相连，气化余热锅炉7高温一侧的出口与旋风分离器8的入口连接。水h与气化余热锅炉7低温侧入口连接，水蒸汽h’与气化余热锅炉7低温侧出口连接。其中：
生物质原料a经太阳能分段槽式干燥器1干燥预热后得到的干燥生物质a’，a’与ZnO b分别通过螺旋送料器2后以一定比例混合后送入高温太阳能气化反应器3中，气化温度为1200℃以上，高温太阳能流化床气化反应器3中的生物质a发生气化反应生成粗气化合成气，同时，ZnO b发生还原反应生成气态Zn。高温太阳能气化反应器3生成的反应产物d中含有气态Zn和粗气化合成气，反应产物d的温度为1000℃-1100℃；反应产物d送入飞溅冷凝器5中，1000℃-1100℃的气态Zn和粗气化合成气d被冷凝到800℃-900℃，此时气态Zn变成液态Zn e，并送至储锌罐6中储存。粗气化合成气f送入气化余热锅炉7中。
在气化余热锅炉7中，利用800℃-900℃的粗气化合成气f释放出的显热用来加热水h，将水h转变为水蒸汽h’，应用于工业蒸汽，同时粗气化合成气f经降温变为低温粗气化合成气g，送入旋风分离器8中。
低温粗气化合成气g在旋风分离器8中，分离出灰分i，最终得到高品位气化合成气j；并引出一部分高品位气化合成气j从高温太阳能流化床气化反应器3的底部送入高温太阳能流化床气化反应器3，促使高温太阳能流化床气化反应器3内的反应物形成流化态。
图1中，高温太阳能是利用定日镜场9和双曲面反射镜10聚焦获得，并借助双曲面反射镜10直接向下投射至高温太阳能流化床气化反应器3中，在所述高温太阳能流化床气化反应器3中，聚焦的高温太阳能经复合抛物面聚光器4再次聚焦，生物质和ZnO反应生成气态Zn和粗气化合成气d，气态Zn和粗气化合成气d经飞溅冷凝器分离出液态Zn e，低温粗气化合成气g经旋风分离器8分离出灰分i，最终得到单质Zn和高品位气化合成气。在本发明的优选实施例中，定日镜场9为多个且绕双曲面反射镜10周围呈阵列布置，保证经定日镜场9反射的太阳光恰好照射到双曲面反射镜10上，并经双曲面反射镜10反射至复合抛物面聚光器4上，以实现对太阳能的高效利用。
同时，高温太阳能流化床气化反应器3中进一步设置有气流推进和旋转推进装置，以保证生物质和ZnO在其内部的顺畅流动。高温太阳能流化床气化反应器3采用流化床技术，并在反应腔室中部设置挡板结构，从底部引入高品位气化合成气j促使在高温太阳能流化床气化反应器3形成流化状态。高温太阳能流化床气化反应器3进一步充分利用所投入气态反应物的高速动能，在高温太阳能流化床气化反应器3内部形成涡旋流场，加速反应物的扰动，提高动力学反应性能。
进一步地，该系统可根据需求调整生物质与ZnO的进料配比，进而使得目标产物的H2与CO的配比不同，从而能够更好地满足下游设备的需求，拓展该系统的应用范围。
进一步地，该系统可根据需求调整聚焦太阳能辐射强度达到不同的预定气化反应温度获得多种类型的气体产物，由此获得运输燃料、提取氢气、制备化工制品等多种用途，优选的，气化反应温度为1200℃-1500℃。
本发明的工作流程如下：生物质原料a经太阳能分段槽式干燥器1干燥预热后得到的干燥生物质a’与ZnO b通过螺旋送料器2以一定比例混合后送入高温太阳能气化反应器3中，利用高温太阳能气化反应器3聚焦获得1200℃以上的高温太阳能，并驱动反应器内的生物质发生气化反应，ZnO发生还原反应，反应产生的产物d中含有气态Zn和粗气化合成气；反应产物d送入飞溅冷凝器5中，气态Zn被冷凝为液态Zn e，并送至储锌罐6中储存；粗气化合成气f送入气化余热锅炉7中回收显热并降低气体产物的温度，经降温的低温粗气化合成气g直接送入旋风分离器8中分离出灰分i，最终得到高品位气化合成气j；并引出一部分高品位气化合成气j从高温太阳能流化床气化反应器3的底部送入高温太阳能流化床气化反应器3，促使高温太阳能流化床气化反应器3内的反应物形成流化态；利用定日镜场9收集太阳能并聚焦至双曲面反射镜10以获取高温太阳能，高温太阳能再由双曲面反射镜10反射并投射至高温太阳能流化床气化反应器3中。
综上，本发明通过控制金属氧化物和生物质的原料输入比例，然后充分利用太阳能聚光集热装置获取的1200℃以上的高温热能以驱动生物质的气化反应和金属氧化物的还原反应，同时，生物质的气化反应和金属氧化物的还原反应相互促进，从而获取高品位的合成气和高纯度的金属单质，从而有效提高整体的集热性能和热能利用效率，不仅实现了将不稳定不连续的太阳能转化成高品质的可长期稳定存储的化学能，同时本系统结构紧凑、操作工艺简单、设备维护成本低、太阳能利用率高，所制备的合成气无焦油、品位高，同时所得的金属单质纯度高、成本低。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质系统，其特征在于，该系统包括配料装置、高温太阳能流化床气化反应器(3)、飞溅冷凝器(5)及太阳能聚光集热装置；其中，
所述配料装置包括生物质配料单元和金属氧化物配料单元，其中，生物质配料单元和金属氧化物配料单元两者的出口合并，后与所述高温太阳能流化床气化反应器(3)的入口连接，用于将干燥生物质(a’)和金属氧化物(b)按照一定比例混合，并将形成的混合物(c)输送至该高温太阳能流化床气化反应器(3)中；
所述高温太阳能流化床气化反应器(3)的上侧对应布置有所述太阳能聚光集热装置，用于将太阳能聚焦且获得1200℃以上的高温热能，由此驱动所述混合物(c)在所述高温太阳能流化床气化反应器(3)内部同时进行气化反应及金属氧化物还原反应；
所述飞溅冷凝器(5)的一端与所述高温太阳能流化床气化反应器(3)出口相连，用于将所述气化反应以及金属氧化物还原反应所得产物(d)执行冷凝分离，由此输出已经彼此分离的粗气化合成气(f)和单质金属(e)。
2.根据权利要求1所述的聚光太阳能气化生物质系统，其特征在于，所述飞溅冷凝器(5)的另一端设有气化余热锅炉(7)，所述气化余热锅炉(7)的侧部设有进水孔，用于降低所述粗气化合成气(f)的温度来得到低温粗气化合成气(g)，同时将所述粗气化合成气(f)释放出来的热量加热水用于工业生产。
3.根据权利要求2所述的聚光太阳能气化生物质系统，其特征在于，所述气化余热锅炉(7)的出口端设有旋风分离器(8)，分离出灰分(i),得到高品位气化合成气(j)。
4.根据权利要求1或2所述的聚光太阳能气化生物质系统，其特征在于，太阳能聚光集热装置包括定日镜场(9)、双曲面反射镜(10)及复合抛物面聚光器(4)，所述双曲面反射镜(10)设于所述定日镜场(9)的聚光处，并将太阳光反射至所述复合抛物面聚光器(4)处。
5.根据权利要求3所述的聚光太阳能气化生物质系统，其特征在于，所述生物质配料单元包括太阳能分段槽式干燥器(1)，所述太阳能分段槽式干燥器(1)的出口与所述金属氧化物配料单元出口合并。
6.根据权利要求5所述的聚光太阳能气化生物质系统，其特征在于，所述生物质配料单元包括螺旋送料器一，所述金属氧化物配料单元包括螺旋送料器二，所述螺旋送料器一的入口与所述太阳能分段槽式干燥器(1)的出口连接，所述螺旋送料器二的出口与所述金属氧化物配料单元出口合并，所述螺旋送料器一与螺旋送料器二的出口与所述生物质配料单元出口合并。
7.根据权利要求1所述的聚光太阳能气化生物质系统，其特征在于，所述高温太阳能流化床气化反应器(3)的一侧设有挡板结构。
8.根据权利要求1所述的聚光太阳能气化生物质系统，其特征在于，所述金属氧化物(b)为ZnO。
9.一种合成气制备及金属冶炼的聚光太阳能气化生物质方法，其特征在于，应用如权利要求6所述的聚光太阳能气化生物质系统实现，具体包括如下步骤：
S1:生物质原料(a)经太阳能分段槽式干燥器(1)干燥预热后得到干燥生物质(a’)，所述干燥生物质(a’)与金属氧化物(b)分别通过螺旋送料器一与螺旋送料器二后以一定比例混合后送入高温太阳能气化反应器(3)中；
S2:所述高温太阳能流化床气化反应器(3)中的干燥生物质(a’)发生气化反应生成粗气化合成气，同时，金属氧化物(b)发生还原反应生成气态金属；
S3:将S2得到的产物(d)送入所述飞溅冷凝器(5)中冷凝，得到粗气化合成气(f)和液态金属(e)，并将液态金属(e)送至储锌罐(6)中储存；
S4:将粗气化合成气(f)送入气化余热锅炉(7)中并利用粗气化合成气(f)释放出的显热加热水(h)用于工业生产，得到低温粗气化合成气(g)；
S5:将低温粗气化合成气(g)送至所述旋风分离器(8)中，分离出灰分(i)，最终得到高品位气化合成气(j)；并引出一部分高品位气化合成气(j)送入所述高温太阳能流化床气化反应器(3)中，促使高温太阳能流化床气化反应器(3)内的反应物形成流化态。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述S2得到的产物(d)的温度为1000℃-1100℃，所述S3中冷凝的温度为800℃-900℃。
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