CN110734787B - 一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器。太阳能可调聚光集热器将光线反射至透明腔体，水箱中冷水在液位差作用下进入吸热盘管，经吸热蒸发后变为水蒸气，水蒸气进入蒸汽分配器，流经蒸汽分配器后进入双反应管；同时将废弃物物料及固体热载体按设定比例混合从第一端口进入各反应管内，在下落过程中与水蒸气发生剧烈热解气化反应，生成气化气和焦炭，气化气、焦炭和固体热载体从第二端口排出。采用本发明能够避免因供能所致的废弃物原料消耗，提高原料有效利用率，从而解决气体燃料生产过程中耗能过大、生产成本高等难题。

Description

一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器
技术领域
本发明涉及可再生能源利用领域，特别是涉及一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器。
背景技术
为缓解由化石燃料消耗所导致的日益严重的环境污染和能源危机，开发诸如农林废弃物、废塑料、生活垃圾、污泥、废电路板等可燃固体废弃物的能量回收与再利用有着重要意义。这些废弃物有着不低的碳含量和较高的能量密度。固体废弃物传统处理方法如填埋和焚烧，不仅对环境有着极大的危害，同时也是对资源极大的浪费。因此，将这些可燃固体废弃物加工转化为清洁能源，对保护生态环境和缓解能源问题有着积极意义。可燃固体废弃物热解气化技术是一种非常有前景的热化学转化技术，可将低品质的废弃物转化为富含CO和H2的高品质燃气，不仅可借助燃气—蒸汽联合循环机组加以高效利用，还可以作为原料气用于生产甲醇和二甲醚等化工产品，与现有的相关应用实现无缝接轨。
气化反应器是可燃固体废弃物热解气化技术的核心部件。目前已开发的气化反应器主要有固定床反应器、流化床反应器和气流床反应器等。上述反应器具有原料适应性强、碳转化率高等优点，但存在着以下问题：1)反应器主要采取自供热方式提供热解气化反应所需热量，热能大都通过废弃物燃烧来获得，需消耗20％以上的废弃物原料来维持热解气化运行所需的能量，降低了原料有效利用率，增加了气体燃料的生产成本，同时造成了新的污染；2)气化采用空气作为气化剂，致使产气中N2和CO2含量偏高，产气为低热值燃气，热值通常在4-6MJ/m3范围内，燃气品质和可利用性差，限制了其应用范围；3)反应器因供热造成了大量空气引入反应体系，通入的氮气流入后续气体冷凝净化工序，大大增加了冷却能耗，同时降低了焦油收集效率，致使气体燃料中焦油含量偏高；4)反应器内壁会有较多废弃物原料或焦炭附着，影响传热传质效果，降低了气化反应效率，为反应器维护增加了难度及生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，采用可调聚光太阳能集热技术联合循环热载体加热法有效解决废弃物热解气化过程所需热量要求，能够避免因供能所致的废弃物原料消耗，提高原料有效利用率，从而解决气体燃料生产过程中耗能过大、生产成本高等难题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，包括：太阳能可调聚光集热器、透明腔体、反应管、吸热盘管、蒸汽分配器和水箱；
所述太阳能可调聚光集热器用于接收来自太阳的光线，并将所述光线反射至所述透明腔体，所述透明腔体内部设置所述反应管、所述吸热盘管、所述蒸汽分配器和所述水箱；
所述透明腔体中心处对称设置两个所述反应管，所述透明腔体的上部中心处设置第一端口，下部中心处设置第二端口，所述反应管包括依次互通的第一段反应管、第二段反应管和第三段反应管，两个所述第一段反应管的上端口与所述第一端口互通，两个所述第三段反应管的下端口与所述第二端口互通；
所述反应管中心处设置所述吸热盘管，所述吸热盘管的入口端与所述水箱的出口端连接，所述吸热盘管的出口端与所述蒸汽分配器的入口端连接，所述蒸汽分配器的出口端与所述反应管的入口端连接；所述水箱中冷水在液位差作用下进入所述吸热盘管，经吸热蒸发后变为水蒸气，水蒸气进入所述蒸汽分配器，流经所述蒸汽分配器后进入各所述反应管；同时将废弃物物料及固体热载体按设定比例混合从所述第一端口进入各所述反应管内，在下落过程中与所述水蒸气发生剧烈热解气化反应，生成气化气和焦炭，所述气化气、所述焦炭和所述固体热载体从所述第二端口排出。
可选的，各所述反应管的所述第一段反应管与所述第二段反应管之间的角度为钝角α，所述第二段反应管和所述第三段反应管之间的角度为钝角β，其中α＝β。
可选的，两个所述反应管的所述第一段反应管上对称设置一个反应管蒸汽入口。
可选的，所述吸热盘管采用螺旋铜制吸热盘管，所述螺旋铜制吸热盘管的一端为吸热盘管冷水入口，另一端为吸热盘管蒸汽出口，所述吸热盘管冷水入口与所述水箱连接，所述吸热盘管蒸汽出口与所述蒸汽分配器连接，所述吸热盘管蒸汽出口处设置截止阀。
可选的，所述蒸汽分配器上设置稳流阀、排气阀、分配器蒸汽入口和分配器蒸汽出口，所述分配器蒸汽入口与所述吸热盘管蒸汽出口相连，所述分配器蒸汽出口与所述反应管蒸汽入口相连，所述稳流阀设置在所述分配器蒸汽出口处，所述稳流阀用于调节水蒸气流量大小，所述排气阀用于保证所述蒸汽分配器内气压不超过一定限度，起到保护蒸汽分配器的作用。
可选的，所述太阳能可调聚光集热器采用旋转抛物面镜聚光集热器、菲涅尔透镜聚光器、菲涅尔反射镜集热器或塔式集热器中的任意一种。
可选的，还包括：太阳能跟踪系统，所述太阳能跟踪系统设置在所述太阳能可调聚光集热器上。
可选的，还包括：单向阀，所述单向阀设置在所述透明腔体的外壳上，所述单向阀用于通过真空泵将透明腔体内气体抽吸出来，确保透明腔体内部呈真空状态。
可选的，所述第一端口处设置废弃物物料/固体热载体流量控制阀。
可选的，所述固体热载体采用氧化铝蓄热球、氧化锆蓄热球、氮化硅蓄热球、碳化硅蓄热球、刚玉莫来石质蓄热球或耐高温钢球中的任意一种。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，采用可调聚光太阳能集热技术联合循环热载体加热法可有效解决废弃物热解气化过程所需热量要求，避免了因供能所致的废弃物原料消耗，提高了原料有效利用率，解决了气体燃料生产过程中耗能过大、生产成本高等难题。另外，气化系统使用自身产生的水蒸气作为气化剂，且无需空气的引入，可产出中高热值燃气，热值提高至10MJ/m3以上，燃气品质高、H2含量大，尤其是其较高的H2/CO比例是常规气化技术所不具备的，燃气可利用性明显提高，为其下游高端利用创造了条件，可有效解决常规热解气化技术所引起的不足问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明聚光集热型分流双管式热解气化反应器组成结构图；
图2为本发明吸热盘管结构示意图；
图3为本发明蒸汽分配器结构示意图；
图4为本发明水箱结构示意图。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，采用可调聚光太阳能集热技术联合循环热载体加热法有效解决废弃物热解气化过程所需热量要求，能够避免因供能所致的废弃物原料消耗，提高原料有效利用率，从而解决气体燃料生产过程中耗能过大、生产成本高等难题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明聚光集热型分流双管式热解气化反应器组成结构图；图2为本发明吸热盘管结构示意图；图3为本发明蒸汽分配器结构示意图；图4为本发明水箱结构示意图。参见图1-图4，一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器包括：太阳能可调聚光集热器1、透明腔体2、反应管3、吸热盘管4、蒸汽分配器5和水箱6；
太阳能可调聚光集热器1用于接收来自太阳10的光线，并将光线反射至透明腔体2，透明腔体2内部设置反应管3、吸热盘管4、蒸汽分配器5和水箱6；
透明腔体2中心处对称设置两个反应管3，透明腔体2的上部中心处设置第一端口7，下部中心处设置第二端口8，反应管3包括依次互通的第一段反应管31、第二段反应管32和第三段反应管33，两个第一段反应管31的上端口与第一端口7互通，两个第三段反应管32的下端口与第二端口8互通；
反应管3中心处设置吸热盘管4，吸热盘管4的入口端与水箱6的出口端连接，吸热盘管4的出口端与蒸汽分配器5的入口端连接，蒸汽分配器5的出口端与反应管3的入口端连接；水箱6中冷水在液位差作用下从冷水出口62进入吸热盘管4，经吸热蒸发后变为水蒸气，水蒸气进入蒸汽分配器5，流经蒸汽分配器5后进入各反应管3；同时将废弃物物料及固体热载体按设定比例混合从第一端口7进入各反应管3内，在下落过程中与水蒸气发生剧烈热解气化反应，生成气化气和焦炭，气化气、焦炭和固体热载体从第二端口8排出。
各反应管3的第一段反应管31与第二段反应管32之间的角度为钝角α，第二段反应管32和第三段反应管33之间的角度为钝角β，其中α＝β。两个反应管3的第一段反应管31上对称设置一个反应管蒸汽入口9。
吸热盘管4采用螺旋铜制吸热盘管，吸热盘管4的一端为吸热盘管冷水入口41，另一端为吸热盘管蒸汽出口42，吸热盘管冷水入口41与水箱6连接，吸热盘管蒸汽出口42与蒸汽分配器5连接，吸热盘管蒸汽出口42处设置截止阀43。截止阀43用于保证吸热盘管4内气压不超过一定限度。水箱6内部装有水位控制阀61，保证吸热盘管4内的水位在一定范围内，防止出现干烧现象。
蒸汽分配器5上设置稳流阀51、排气阀52、分配器蒸汽入口53和分配器蒸汽出口54，分配器蒸汽入口53与吸热盘管蒸汽出口42相连，分配器蒸汽出口54与反应管蒸汽入口9相连，稳流阀51设置在分配器蒸汽出口54处，稳流阀51用于调节水蒸气流量大小，排气阀52用于保证蒸汽分配器5内气压不超过一定限度，起到保护蒸汽分配器5的作用。
太阳能可调聚光集热器1采用旋转抛物面镜聚光集热器、菲涅尔透镜聚光器、菲涅尔反射镜集热器或塔式集热器中的任意一种。
聚光集热型分流双管式热解气化反应器还包括：太阳能跟踪系统(图中未示出)和单向阀11，太阳能跟踪系统设置在太阳能可调聚光集热器1上。单向阀11设置在透明腔体2的外壳上，单向阀11用于通过真空泵将透明腔体2内气体抽吸出来，确保透明腔体2内部呈真空状态，最大程度降低了内部对流和导热损失。
第一端口7处设置废弃物物料/固体热载体流量控制阀(图中未示出)。固体热载体采用氧化铝蓄热球、氧化锆蓄热球、氮化硅蓄热球、碳化硅蓄热球、刚玉莫来石质蓄热球或耐高温钢球中的任意一种。热载体硬度远大于废弃物原料硬度。
废弃物物料是指农林废弃物、废塑料、生活垃圾、污泥、废电路板等废弃物的一种或两种及以上的组合。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1)采用可调聚光太阳能集热技术联合循环热载体法实现了热解反应系统的能量自给，通过热载体直接加热与太阳能聚光加热相结合方式实现了废弃物快速热解气化，提高了能量利用效率，同时避免了传统方式通过消耗废弃物原料来维持热解气化反应所需的能量，原料有效利用率提升了20％以上。另外，可调聚光太阳能集热技术实现了气化反应过程所需水蒸气的有效补给，以系统自身产生的水蒸气作为气化剂，无需空气的引入，可产出中高热值燃气，热值提高至10MJ/m3以上。
2)通过调节热载体流量控制阀和太阳能可调聚光集热器，可以控制热载体流量和太阳能聚光强度，实现热解气化反应温度的精确可控。蒸汽分配器的稳流阀起到调节水蒸气流量大小的作用，通过改变水蒸气/废弃物的质量流量比，达到有效控制燃气可燃成分比重和H2/CO配比的目标。
3)反应管结构形式实现了固体热载体与废弃物颗粒充分混合与有效接触，提高了传热传质效率，消除了热应力对系统的影响；再加之聚光集热型分流双管式热解气化反应器透明腔体内部呈真空状态，最大程度降低了内部对流和导热损失，使得反应管内温度场波动很小，保证了气化产气成分的稳定。
4)反应管内的固体热载体具有强化多相流动、传热传质以及清洁反应管内壁的作用，有效避免焦炭颗粒粘附在反应管内壁上，提高了气化转化效率。固体热载体依靠重力下落后再机械提升，实现了往复循环利用。其中，反应管内加入热载体时，反应管内壁清洁效率为95％以上，而传统不加热载体时，反应管清洁效率不足60％，会影响传热效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，其特征在于，包括：太阳能可调聚光集热器、透明腔体、反应管、吸热盘管、蒸汽分配器和水箱；
所述太阳能可调聚光集热器用于接收来自太阳的光线，并将所述光线反射至所述透明腔体，所述透明腔体内部设置所述反应管、所述吸热盘管、所述蒸汽分配器和所述水箱；
所述透明腔体中心处对称设置两个所述反应管，所述透明腔体的上部中心处设置第一端口，下部中心处设置第二端口，所述反应管包括依次互通的第一段反应管、第二段反应管和第三段反应管，两个所述第一段反应管的上端口与所述第一端口互通，两个所述第三段反应管的下端口与所述第二端口互通；
所述反应管中心处设置所述吸热盘管，所述吸热盘管的入口端与所述水箱的出口端连接，所述吸热盘管的出口端与所述蒸汽分配器的入口端连接，所述蒸汽分配器的出口端与所述反应管的入口端连接；所述水箱中冷水在液位差作用下进入所述吸热盘管，经吸热蒸发后变为水蒸气，水蒸气进入所述蒸汽分配器，流经所述蒸汽分配器后进入各所述反应管；同时将废弃物物料及固体热载体按设定比例混合从所述第一端口进入各所述反应管内，在下落过程中与所述水蒸气发生剧烈热解气化反应，生成气化气和焦炭，所述气化气、所述焦炭和所述固体热载体从所述第二端口排出；
所述吸热盘管采用螺旋铜制吸热盘管，所述螺旋铜制吸热盘管的一端为吸热盘管冷水入口，另一端为吸热盘管蒸汽出口，所述吸热盘管冷水入口与所述水箱连接，所述吸热盘管蒸汽出口与所述蒸汽分配器连接，所述吸热盘管蒸汽出口处设置截止阀；
所述蒸汽分配器上设置稳流阀、排气阀、分配器蒸汽入口和分配器蒸汽出口，所述分配器蒸汽入口与所述吸热盘管蒸汽出口相连，所述分配器蒸汽出口与所述反应管蒸汽入口相连，所述稳流阀设置在所述分配器蒸汽出口处，所述稳流阀用于调节水蒸气流量大小，所述排气阀用于保证所述蒸汽分配器内气压不超过一定限度，起到保护蒸汽分配器的作用；
所述反应器还包括单向阀，所述单向阀设置在所述透明腔体的外壳上，所述单向阀用于通过真空泵将透明腔体内气体抽吸出来，确保透明腔体内部呈真空状态；
所述第一端口处设置废弃物物料/固体热载体流量控制阀。
2.根据权利要求1所述的一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，其特征在于，各所述反应管的所述第一段反应管与所述第二段反应管之间的角度为钝角α，所述第二段反应管和所述第三段反应管之间的角度为钝角β，其中α＝β。
3.根据权利要求1所述的一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，其特征在于，两个所述反应管的所述第一段反应管上对称设置一个反应管蒸汽入口。
4.根据权利要求1所述的一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，其特征在于，所述太阳能可调聚光集热器采用旋转抛物面镜聚光集热器、菲涅尔透镜聚光器、菲涅尔反射镜集热器或塔式集热器中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，其特征在于，还包括：太阳能跟踪系统，所述太阳能跟踪系统设置在所述太阳能可调聚光集热器上。
6.根据权利要求1所述的一种聚光集热型分流双管式热解气化反应器，其特征在于，所述固体热载体采用氧化铝蓄热球、氧化锆蓄热球、氮化硅蓄热球、碳化硅蓄热球、刚玉莫来石质蓄热球或耐高温钢球中的任意一种。
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