CN109575962A - 一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，它包括生物质进料单元、烘焙预处理单元、裂解反应单元和产物收集处理单元。在太阳照射下，太阳能真空集热管和裂解反应球分别经过线聚焦和点聚焦的方式达到高温状态；生物质被螺旋输送器推入烘焙腔进行烘焙预处理，烘焙预处理后的产物在惰性气体带动下进入裂解反应球进行快速热裂解，固体产物被惰性气体带出裂解反应球，通过气固分离器实现气固分离，可凝性气体产物在冷凝箱被冷凝为液体燃料─生物柴油，不可凝性气体经干燥过滤器处理后进入储气罐。本发明完全利用太阳能对生物质烘焙预处理和裂解反应供热，节约了转化成本，减少了能源消耗，同时获得了能量密度高、稳定性好的生物柴油。
Description
技术领域
本发明涉及生物质能源技术领域，具体是一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置。
背景技术
生物质是人类最早用来获取能源的物质，利用历史悠久。生物质能是目前唯一可转化为液体燃料的可再生能源，也是唯一可替代化石能源的含碳可再生能源。生物质能的高效开发利用，对于解决我国能源、生态环境问题具有十分重要的意义。
已有研究证明，生物质烘焙预处理可以解决生物质储存、运输、破碎等方面的问题，提高生物质原料品质，并对其后续利用产生积极影响。裂解是实现生物质液化的主要技术，是将生物质在无氧或低氧环境下，通过外部加热至400℃以上温度，生物质内的有机物质转化为气相的挥发分和固相的残留炭；挥发分经过后续冷凝，形成的液体产物生物柴油不仅能直接作为燃料使用,还可以提炼成化工原料；固相的残留炭在隔绝氧气的条件下继续冷却至室温则可以获得生物质焦炭。裂解是一种将生物质废弃物“变废为宝”的重要工艺，是解决我国化石能源不足问题的有效途径，是生物质开发利用最具有商业化发展前景的产业。
然而生物质的烘焙预处理和裂解是个消耗热量的过程，通常需要投入大量较昂贵的燃料以维持设备运转，因此其成本较高，阻碍了大规模的产业化应用进程。
发明内容
本发明的目的是解决上述背景技术中提出的问题，提出一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明所涉及的生物质烘焙及裂解热源均来自于太阳能，显著减少生物质烘焙及裂解过程中的能耗。
2.本发明所涉及的生物质烘焙及裂解热源来自于太阳能，生产过程没有废物排放，所以生物质烘焙及裂解过程不会造成环境污染,是环境友好型的生物质处理技术。
3.本发明所涉及的生物质烘焙腔具备相变储热层，能够有效缓解太阳辐射变化对烘焙腔温度场的影响。
本发明的技术方案是：
一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，包括生物质进料单元（1）、烘焙预处理单元（2）、裂解反应单元（3）和产物收集处理单元（4），其中，生物质进料单元（1）由惰性气体气罐（11）、电动机（12）、物料及载气供给仓（13）和螺旋输送器（14）组成；烘焙预处理单元（2）包括太阳能真空集热管（21）、线性聚光反射板（22）、真空层（23）、相变储热层（24）和烘焙腔（25）；裂解反应单元（3）包括球形反射面（31）、真空透光层（32）和裂解反应球（33）；产物收集处理单元（4）包括气固分离器（41）、冷凝箱（42）、挥发分管道（43）、不可凝挥发分管道（44）、干燥过滤器（45）和储气罐（46）；
一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置其特征还在于：惰性气体气罐（11）出口连接物料及载气供给仓（13）进口，物料及载气供给仓（13）下方设置螺旋输送器（14），螺旋输送器（14）左侧连接电动机（12）；太阳能真空集热管（21）设置在线性聚光反射板（22）聚焦轴线上，烘焙腔（25）设置螺旋输送器（14），相变储热层（24）内部填充相变材料，相变储热层（24）外表面具有太阳能选择性吸收涂层；球形反射面（31）采用双层结构，真空透光层（32）设置内外两层透光玻璃，且两层透光玻璃之间的中空部分抽真空，裂解反应球（33）设置在球形反射面（31）的聚焦点上，内部设置多孔介质骨架，外表面具有太阳能选择性吸收涂层；气固分离器（41）进口与裂解反应单元（3）管道出口相连，出口通过挥发分管道（43）与冷凝箱（42）进口相连，冷凝箱（42）出口通过不可凝挥发分管道（44）与干燥过滤器（45）进口相连，干燥过滤器（45）出口与储气罐（46）连接，从而构成了完整的反应装置。
本发明所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其工作原理在于：生物质原料从物料及载气供给仓（13）进入到螺旋输送器（14），电动机（12）带动螺旋输送器（14）转动，通过调节电动机（12）的频率来控制螺旋输送器（14）的转速，从而将生物质原料连续不断地送入烘焙腔（25）进行烘焙预处理，温度范围为200～300℃，同时，惰性气体从惰性气体气罐（11）经物料及载气供给仓（13）输送至烘焙腔（25）；太阳能真空集热管（21）接收到来自于线性聚光反射板（22）反射的太阳光，太阳光透过真空层（23）在具有太阳能选择性吸收涂层的相变储热层（24）外表面进行光热转换，并将热量传递至相变储热层（24）内部的相变材料，通过相变材料的相变向烘焙腔（25）传递热量，完成生物质原料的烘焙预处理；烘焙预处理后的产物被惰性气体吹入到裂解反应球（33）中进行快速热裂解反应，太阳光穿过真空透光层（32），一部分直接照射到裂解反应球（33），其它部分通过球形反射面（31）聚焦到裂解反应球（33），太阳光被裂解反应球（33）外表面的选择性吸收涂层吸收并完成光热转换，大粒径固体产物无法通过裂解反应球（33）内的多孔介质骨架，继续滞留在裂解反应球（33）内，直至充分反应，粒径减小到一定程度，被惰性气体带出裂解反应球（33），进入气固分离器（41）实现气固分离；固体产物被气固分离器（41）收集，气体产物通过挥发分管道（43）进入到冷凝箱（42）中，可凝性气体在冷凝箱（42）中冷凝为液体产物，不可凝性气体经过不可凝挥发分管道（44）进入干燥过滤器（45），处理后进入储气罐（46）。
进一步，本发明专利所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的生物质进料单元（1）中惰性气体气罐（11）中的惰性气体既是烘焙预处理和裂解反应的保护气，也是裂解反应的载气，氮气可以作为该惰性气体。
进一步，本发明专利所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的烘焙预处理单元（2）中相变储热层（24）利用相变材料的相变吸热和放热保证烘焙腔（25）温度的相对恒定，减小太阳辐射变化的影响。
进一步，本发明专利所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的裂解反应单元（3）中球形反射面（31）采用双层结构，外层结构采用真空层或保温层，保持裂解反应球（33）的高温状态。
进一步，本发明专利所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的裂解反应单元（3）中真空透光层（32）设置内外两层透光玻璃，两玻璃中间夹层抽取真空状态，保持裂解反应球（33）的高温状态。
进一步，本发明专利所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的裂解反应单元（3）中裂解反应球（33）内部设置多孔介质骨架，为防止未充分反应的物料被载气带走，以保证裂解反应的充分性；裂解反应球（33）设置在球形反射面（31）聚焦点上，以保证太阳光接收的充分性；裂解反应球(33)外表面具有太阳能选择性吸收涂层，用来提高光热转换效率，保证裂解反应球（33）的高温环境。
进一步，本发明专利所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的烘焙预处理单元（2）、裂解反应单元（3）中所有的管道外表面设置保温层，防止反应过程中反应产物的冷凝；产物收集处理单元（4）中气固分离器（41）进出口管道外设置保温层，防止气体产物冷凝。
附图说明
图1是基于太阳能供热的生物质裂解液化装置工艺流程图。
图2是基于太阳能供热的生物质裂解液化装置结构示意图。
图3是烘焙预处理单元装置的结构图。
图4是裂解反应单元装置的三视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：
请参阅图1～4，惰性气体气罐（11）中充有一定体积的惰性气体，如氮气、氩气，物料及载气供给仓（13）中放置一定质量的生物质原料，惰性气体气罐（11）出口连接物料及载气供给仓（13）进口，物料及载气供给仓（13）下方设置螺旋输送器（14），螺旋输送器（14）左侧连接电动机（12）；太阳能真空集热管（21）设置在线性聚光反射板（22）聚焦轴线上，线性聚光反射板（22）利用线性聚焦的方式将太阳光聚焦到太阳能真空集热管（21）上，其主要形式有抛物面槽式、线性菲涅尔式，其目的是保证太阳能真空集热管（21）轴向温度的均匀性，烘焙腔（25）设置螺旋输送器（14），相变储热层（24）内部填充相变材料，如二元硝酸熔融盐40%KNO3+60%NaNO3，相变储热层（24）外表面具有太阳能选择性吸收涂层，目的是吸收来自于线性聚光反射板（22）的反射光，完成光热转换；球形反射面（31）采用双层结构，内层为反射镜，外层采用保温层或者把双层之间设置真空夹层，目的是减少裂解反应球（33）向外部的散热，保证裂解反应球（33）的高温环境；真空透光层（32）设置内外两层透光玻璃，两透光玻璃之间的中空部分抽真空，裂解反应球（33）设置在球形反射面（31）的聚焦点上，内部设置多孔介质骨架，多孔介质骨架可用泡沫金属，多孔介质骨架作用有两个：一是增加烘焙预处理产物通过裂解反应球（33）的阻力，从而增加反应时间，二是限定裂解产物的通过粒径，保证充分反应；气固分离器（41）进口与裂解反应单元（3）管道出口相连，出口通过挥发分管道（43）与冷凝箱（42）进口相连，冷凝箱（42）出口通过不可凝挥发分管道（44）与干燥过滤器（45）进口相连，干燥过滤器（45）出口与储气罐（46）连接，从而构成了完整的反应装置。
具体实施过程如下：首先调整烘焙预处理单元（2）和裂解反应单元（3）的朝向和倾斜角度，放置在面向太阳，接收阳光最佳的位置；照射一定时间，烘焙腔（25）温度达到200～300℃，打开惰性气体气罐（11），设置一定的出气压力，同时将初步破碎的秸秆、木材等生物质原料放入物料及载气供给仓（13）；打开电动机（12），调节好电动机（12）频率，螺旋输送器（14）以一定速度转动，生物质原料被螺旋输送器（14）输送到烘焙腔（25），进行烘焙预处理反应；烘焙预处理后的产物在惰性气体的带动下，进入到裂解反应球（33）进行裂解反应，裂解的固体产物粒径逐渐减小，直至通过裂解反应球（33）内部的多孔介质骨架，被惰性气体吹入气固分离器（41），固体产物被气固分离器（41）收集，气体产物通过挥发分管道（43）进入到冷凝箱（42）中，可凝性气体产物在冷凝箱（42）中冷凝为液体产物，不可凝性气体经过不可凝挥发分管道（44）进入干燥过滤器（45），处理后进入储气罐（46）。
所述的惰性气体气罐（11）中的惰性气体即是烘焙预处理和裂解反应的保护气，也是裂解反应的载气。
所述的线性聚光反射板（22）采用线性聚光的方式将太阳光反射到太阳能真空集热管（21）上，也可以采用其他形式的线性聚光反射板替代。
所述的相变储热层（24）中的相变材料通过相变的吸热和放热维持烘焙腔（25）温度的相对恒定，抵制外部太阳辐射的变化，也可以用其他相变材料替代。
所述的球形反射面（31）采用点聚焦的方式将太阳光反射到裂解反应球（33），创造裂解反应球（33）内的高温裂解环境，也可以用其他形式的点聚焦反射面。
所述的裂解反应球（33）中的多孔介质骨架用于增加反应时间，限定产物粒径，也可以用其他多孔介质替代。
所述的干燥过滤器（45）中采用变色硅胶作为干燥材料，脱脂棉作为过滤材料。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，包括生物质进料单元（1）、烘焙预处理单元（2）、裂解反应单元（3）和产物收集处理单元（4），其中，生物质进料单元（1）由惰性气体气罐（11）、电动机（12）、物料及载气供给仓（13）和螺旋输送器（14）组成；烘焙预处理单元（2）包括太阳能真空集热管（21）、线性聚光反射板（22）、真空层（23）、相变储热层（24）和烘焙腔（25）；裂解反应单元（3）包括球形反射面（31）、真空透光层（32）和裂解反应球（33）；产物收集处理单元（4）包括气固分离器（41）、冷凝箱（42）、挥发分管道（43）、不可凝挥发分管道（44）、干燥过滤器（45）和储气罐（46）；其结构特征还在于：
惰性气体气罐（11）出口连接物料及载气供给仓（13）进口，物料及载气供给仓（13）下方设置螺旋输送器（14），螺旋输送器（14）左侧连接电动机（12）；太阳能真空集热管（21）设置在线性聚光反射板（22）聚焦轴线上，烘焙腔（25）设置螺旋输送器（14），相变储热层（24）内部填充相变材料，相变储热层（24）外表面具有太阳能选择性吸收涂层；球形反射面（31）采用双层结构，真空透光层（32）设置内外两层透光玻璃，且两层透光玻璃之间的中空部分抽真空，裂解反应球（33）设置在球形反射面（31）的聚焦点上，内部设置多孔介质骨架，外表面具有太阳能选择性吸收涂层；气固分离器（41）进口与裂解反应单元（3）管道出口相连，出口通过挥发分管道（43）与冷凝箱（42）进口相连，冷凝箱（42）出口通过不可凝挥发分管道（44）与干燥过滤器（45）进口相连，干燥过滤器（45）出口与储气罐（46）连接，从而构成了完整的反应装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其工作原理在于：生物质原料从物料及载气供给仓（13）进入到螺旋输送器（14），电动机（12）带动螺旋输送器（14）转动，通过调节电动机（12）的频率来控制螺旋输送器（14）的转速，从而将生物质原料连续不断地送入烘焙腔（25）进行烘焙预处理，温度范围为200～300℃，同时，惰性气体从惰性气体气罐（11）经物料及载气供给仓（13）输送至烘焙腔（25）；太阳能真空集热管（21）接收到来自于线性聚光反射板（22）反射的太阳光，太阳光透过真空层（23）在具有太阳能选择性吸收涂层的相变储热层（24）外表面进行光热转换，并将热量传递至相变储热层（24）内部的相变材料，通过相变材料的相变向烘焙腔（25）传递热量，完成生物质原料的烘焙预处理；烘焙预处理后的产物被惰性气体吹入到裂解反应球（33）中进行快速热裂解反应，太阳光穿过真空透光层（32），一部分直接照射到裂解反应球（33），其它部分通过球形反射面（31）聚焦到裂解反应球（33），太阳光被裂解反应球（33）外表面的选择性吸收涂层吸收并完成光热转换，大粒径固体产物无法通过裂解反应球（33）内的多孔介质骨架，继续滞留在裂解反应球（33）内，直至充分反应，粒径减小到一定程度，被惰性气体带出裂解反应球（33），进入气固分离器（41）实现气固分离；固体产物被气固分离器（41）收集，气体产物通过挥发分管道（43）进入到冷凝箱（42）中，可凝性气体在冷凝箱（42）中冷凝为液体产物，不可凝性气体经过不可凝挥发分管道（44）进入干燥过滤器（45），处理后进入储气罐（46）。
3.根据权利要求1和2所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的生物质进料单元（1）中惰性气体气罐（11）中的惰性气体既是烘焙预处理和裂解反应的保护气，也是裂解反应的载气，氮气可以作为该惰性气体。
4.根据权利要求1和2所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的烘焙预处理单元（2）中相变储热层（24）利用相变材料的相变吸热和放热保证烘焙腔（25）温度的相对恒定，减小太阳辐射变化的影响。
5.根据权利要求1和2所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的裂解反应单元（3）中球形反射面（31）采用双层结构，外层结构采用真空层或保温层，以保持裂解反应球（33）的高温状态。
6.根据权利要求1和2所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的裂解反应单元（3）中真空透光层（32）设置内外两层透光玻璃，两玻璃中间夹层抽取真空状态，以保持裂解反应球（33）的高温状态。
7.根据权利要求1和2所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的裂解反应单元（3）中裂解反应球（33）内部设置多孔介质骨架，为防止未充分反应的物料被载气带走，以保证裂解反应的充分性；裂解反应球（33）设置在球形反射面（31）聚焦点上，以保证太阳光接收的充分性；裂解反应球(33)外表面具有太阳能选择性吸收涂层，用来提高光热转换效率，保证裂解反应球（33）的高温环境。
8.根据权利要求1和2所述的一种基于太阳能供热的生物质裂解液化装置，其特征在于，所述的烘焙预处理单元（2）、裂解反应单元（3）中所有的管道外表面设置保温层，防止反应过程中反应产物的冷凝；产物收集处理单元（4）中气固分离器（41）进出口管道外设置保温层，防止气体产物冷凝。
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