CN111690426A - 纤维素类生物质制备合成气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维素类生物质制备合成气装置，包括用于产生对生物质粉末进行处理的旋转电弧的旋转电弧炬和与旋转电弧炬连通且用于旋转电弧炬处理后的生物质粉末的重整反应的重整反应器。本发明的纤维素类生物质制备合成气装置，可以提高生物质气化效率和燃气品味，整体体积小，可以消除焦油。

Description

纤维素类生物质制备合成气装置
技术领域
本发明属于生物质能源化工技术领域，具体地说，本发明涉及一种纤维素类生物质制备合成气装置。
背景技术
纤维素类生物质能源是一种清洁、可再生的能源，产量可观，具有替代化石能源获得化学品和燃料的能力，如何高效利用纤维素类生物质能源正受到人们越来越多的关注。目前纤维素类生物质的利用技术有生物质成型燃料技术，生物质沼气发酵技术，生物质热解液化或气化技术等。其中，生物质气化制备合成气技术可将生物质转化为具有高附加值的燃料和化学品，更具有发展和应用潜力。常规生物质气化技术存在的主要问题是装置不易小型化、燃气品位低、焦油处理困难等，限制了生物质气化技术的发展和应用，从而影响纤维素类生物质能源的利用率。
等离子体不仅具有高温度高化学活性的特点，在生物质气化技术中得到研究和应用。公开号为CN102226091A的专利文献公开了一种生物质热解气化制合成气的装置，该装置是应用热等离子体射流热解气化生物质粉料，虽然可以彻底消除焦油，但热等离子体消耗电能大，导致生物质气化效率低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种纤维素类生物质制备合成气装置，目的是提高生物质气化效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：纤维素类生物质制备合成气装置，包括用于产生对生物质粉末进行处理的旋转电弧的旋转电弧炬和与旋转电弧炬连通且用于旋转电弧炬处理后的生物质粉末的重整反应的重整反应器。
所述旋转电弧炬包括阴极、阳极和与阳极连接的喷嘴，阳极与大地相连，阴极与高压电弧电源连接，用于产生旋转电弧。
所述阴极和阳极均为圆筒状结构，阴极位于阳极的中心处且阴极和阳极为同轴设置，阴极用于接收由纤维素类生物质粉末喂料机供给的生物质粉末，阳极与所述重整反应器连通。
所述喷嘴具有让所述阴极的端部插入的容置腔，该容置腔为圆锥形腔体，喷嘴与阴极和阳极为同轴设置，用于通过阴极输入的高压电弧起电而产生所述旋转电弧。
所述旋转电弧炬还包括用于向所述阳极与所述阴极之间形成的腔体中提供气体的气体注入部以及设置于阳极与阴极之间的绝缘件，绝缘件与所述喷嘴为相对布置。
经所述气体注入部向所述阳极与所述阴极之间的腔体中引入的空气总量为纤维素类生物质完全燃烧时所需空气量的0.1-0.9倍。
所述重整反应器包括外筒体、设置于外筒体内部的第一内筒体和设置于第一内筒体内部的第二内筒体，第二内筒体与所述旋转电弧炬连通且用于将旋转电弧炬处理后的生物质粉末引导至第一内筒体中。
所述外筒体、第一内筒体和第二内筒体为同轴设置，第二内筒体的第一端与所述旋转电弧炬连接，第二内筒体的第二端位于第一内筒体中，第二内筒体的第一端和第二端均设置开口，第一内筒体的第一端与外筒体连接且第一内筒体的第一端为封闭端，第一内筒体的第二端设置开口，第一内筒体的内腔体与第二内筒体的内腔体和外筒体的内腔体连通。
所述第一内筒体通过支撑杆与所述外筒体连接。
所述的纤维素类生物质制备合成气装置还包括与所述外筒体连接的上法兰盘、所述旋转电弧炬连接的下法兰盘以及设置在上法兰盘和下法兰盘之间的密封圈，上法兰盘具有让所述第二内筒体穿过的避让孔。
本发明的纤维素类生物质制备合成气装置，可以提高生物质气化效率和燃气品味，整体体积小，可以消除焦油。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是本发明纤维素类生物质制备合成气装置的剖视图；
图中标记为：1、进气转接件；2、阴极；3、绝缘件；4、阳极；5、下法兰盘；6、螺母；7、螺栓；8、第二内筒体；9、喷嘴；10、密封圈；11、外筒体； 12、气体注入部；13、第一内筒体。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
需要说明的是，在下述的实施方式中，所述的“第一”和“第二”并不代表结构和/或功能上的绝对区分关系，也不代表先后的执行顺序，而仅仅是为了描述的方便。
如图1所示，本发明提供了一种纤维素类生物质制备合成气装置，包括用于产生对生物质粉末进行处理的旋转电弧的旋转电弧炬和与旋转电弧炬连通且用于旋转电弧炬处理后的生物质粉末的重整反应的重整反应器。
具体地说，本发明的纤维素类生物质制备合成气装置的原理是：纤维素类生物质颗粒原料在非平衡态等离子体高温、高能、高化学活性的环境中发生裂解和不完全燃烧并释放出热量，在不完全燃烧提供的热量下发生一氧化碳、二氧化和水蒸汽之间的水蒸汽重整和自热重整，从而制备合成气。
如图1所示，旋转电弧炬包括阴极2、阳极4和与阳极4连接的喷嘴9，阳极4与大地相连，阴极2与高压电弧电源电连接，用于产生旋转电弧。阴极2 和阳极4均为圆筒状结构，阴极2位于阳极4的中心处且阴极2和阳极4为同轴设置，阴极2用于接收由纤维素类生物质粉末喂料机供给的生物质粉末，喷嘴9与重整反应器连通。阴极2的两端均设置有开口，阴极2的一端与进气转接件1连接，进气转接件1用于连接纤维素类生物质粉末喂料机，纤维素类生物质粉末喂料机通过气管与进气转接件1连接，气流会将从纤维素类生物质粉末喂料机输出的生物质粉末颗粒送入到阴极2中，从而进入到旋转电弧炬和重整反应器中。阳极4的内直径大于阴极2的外直径，阳极4的长度小于阴极2 的长度，阳极4的内直径与阴极2的外直径之差大于10mm，以防止阳极4和阴极2发生击穿放电。
如图1所示，喷嘴9用于将位于阳极4与阴极2之间形成的腔体中的生物质粉末引导至重整反应器中，喷嘴9具有让阴极2的端部插入的容置腔，该容置腔为圆锥形腔体，喷嘴9为圆环形结构，喷嘴9与阴极2和阳极4为同轴设置，用于通过阴极2输入的高压电弧起电而产生旋转电弧。喷嘴9与阳极4固定连接，容置腔为从喷嘴9的面朝绝缘件3的端面中心处开始朝向喷嘴9内部延伸形成的腔体，容置腔具有一个大径端和一个小径端，容置腔的大径端位于喷嘴9的端面上，容置腔的小径端位于喷嘴9的内部，容置腔的大径端和小径端为容置腔的轴向上的相对两端，容置腔的大径端的直径大于小径端的直径，阴极2的一端插入容置腔中，容置腔的大径端的直径大于阴极2的外直径，容置腔的小径端的直径小于阴极2的外直径，阴极2与容置腔中的内壁面之间具有间隙，容置腔和阳极4与阴极2之间形成的腔体相连通，容置腔的大径端的直径与阳极4的内直径大小相同。容置腔与阴极2为同轴设置，重整反应器与喷嘴9的容置腔相连通。
如图1所示，旋转电弧炬还包括用于向阳极4与阴极2之间形成的腔体中提供气体的气体注入部12以及设置于阳极4与阴极2之间的绝缘件3，绝缘件 3与喷嘴9为相对布置。气体注入部12为在阳极4上设置的进气孔，进气孔与阳极4的内腔体相连通，经气体注入部12引入的空气的流动方向与阳极4相切。该进气孔为圆孔，进气孔的轴线与阳极4的轴线在空间上相垂直。气体注入部 12用于电弧放电时供给气体，经气体注入部12切向进入的空气通过阳极4与阴极2之间的腔体时，有旋转的分量，可以推动阴极2与阳极4之间的放电电弧旋转，从而可以产生旋转电弧。
作为优选的，经气体注入部12向阳极4与阴极2之间的腔体中引入的空气总量为纤维素类生物质完全燃烧时所需空气量的0.1-0.9倍。
如图1所示，绝缘件3将阴极2和阳极4绝缘，绝缘件3的高度应小于阳极4的高度，绝缘件3用于阴极2的支撑及绝缘，绝缘件3采用绝缘材料制成，优选采用聚四氟乙烯制成，绝缘件3为圆环形结构且绝缘件3与阴极2为同轴设置，阴极2从绝缘件3的中心孔穿过，绝缘件3位于阴极2的两端之间，阳极4的一端与绝缘件3固定连接，阳极4的另一端与喷嘴9连接。
如图1所示，重整反应器包括外筒体11、设置于外筒体11内部的第一内筒体13和设置于第一内筒体13内部的第二内筒体8，第二内筒体8与旋转电弧炬连通且用于将旋转电弧炬处理后的生物质粉末引导至第一内筒体13中。外筒体 11、第一内筒体13和第二内筒体8均为内部中空的圆柱体，外筒体11、第一内筒体13和第二内筒体8为同轴设置，外筒体11的内直径大于第一内筒体13的外直径，第一内筒体13的内直径与第二内筒体8的外直径。第二内筒体8的第一端与旋转电弧炬连接，第二内筒体8的第二端位于第一内筒体13中，第二内筒体8的第一端和第二端为第二内筒体8的轴向上的相对两端，第二内筒体8 的第一端和第二端均设置圆形的开口。第二内筒体8与喷嘴9和阴极2为同轴设置，第二内筒体8的中心孔与阴极2的中心孔相连通。第一内筒体13的第一端与外筒体11连接且第一内筒体13的第一端为封闭端，第一内筒体13的第二端设置圆形的开口，第一内筒体13的内腔体与第二内筒体8的内腔体和外筒体 11的内腔体连通，第一内筒体13的第一端和第二端为第一内筒体13的轴向上的相对两端。在气流的带动下，阳极4的内腔体中的经过等离子体处理的生物质粉末经喷嘴9进入第二内筒体8的内腔体中，最后进入外筒体11的内腔体中。
如图1所示，第一内筒体13通过支撑杆与外筒体11连接，支撑杆的一端与第一内筒体13固定连接，支撑杆的另一端与外筒体11固定连接，支撑杆设置多个。
如图1所示，本发明的纤维素类生物质制备合成气装置还包括与外筒体11 连接的上法兰盘、旋转电弧炬连接的下法兰盘5以及设置在上法兰盘和下法兰盘5之间的密封圈10，上法兰盘具有让第二内筒体8穿过的避让孔。上法兰盘位于下法兰盘5的上方，上法兰盘和下法兰盘5是通过由螺栓7和螺母6构成的紧固件相连接，上法兰盘和下法兰盘5具有让螺栓7穿过的螺栓孔。上法兰盘与外筒体11的一端固定连接，下法兰盘5与喷嘴9固定连接，避让孔为在上法兰盘的中心处贯穿设置的通孔，上法兰盘将外筒体11的端部开口封闭。密封圈10夹在上法兰盘与下法兰盘5之间，用于上法兰盘与下法兰盘5之间的密封，第二内筒体8的第一端与喷嘴9固定连接，第二内筒体8依次穿过下法兰盘5、密封圈10和上法兰盘，密封圈10包围第二内筒体8。
阴极2通过导线与高压电弧电源连接，高压电弧电源包括一个接地端和一个高压电极端，接地端与大地相连，高压电极端与阴极2连接。纤维素类生物质粉末喂料机与阴极2联通，纤维素类生物质粉末喂料机用于均匀连续的输送 20-80目生物质粉末。
高压电弧电源通电工作后输出高压电，阴极2与喷嘴9之间发生击穿放电，在切向气流的作用下形成旋转电弧等离子体；通过阴极2进入到旋转电弧炬中的生物质粉末在气流的带动下穿过等离子体；生物质粉末在空气等离子体高温、高能、高化学活性的环境中发生热解、氧化等过程；随后，经过等离子体处理的生物质粉末颗粒通过喷嘴9喷入到第二内筒体8中；热解、氧化的生物质粉末挥发出可燃气体、二氧化碳、水蒸气等；同时由于空气不足，导致不充分燃烧，释放出一氧化碳等；生物质粉末的不充分燃烧释放出一定热量，随一氧化碳、二氧化碳、水蒸气进入到第一内筒体13和外筒体11中，并发生自热重整和水蒸气重整的反应。重整反应器的三层筒结构有利于增长重整反应时间，同时也减少热量流失。生物质粉末燃烧后的灰分沉降在重整重整反应器的底部，重整得到的合成气从排气口排出并收集，排气口设置在外筒体11的上端。
上述结构的纤维素类生物质制备合成气装置，具有以下的优点：
1、本发明应用非平衡态电弧等离子体高温、高能、高化学活性的特性，结合纤维素类生物质自热重整，大幅提高了固体生物质燃料重整制备合成气的效率；
2、本发明采用的非平衡态空气电弧等离子体具有活性高的特点，有助于抑制焦油的产生；
3、本发明装置可实现小体积搭建，不仅适用于纤维素类生物质分布分散性的特点，同时可根据不同应用场合搭建不同体积的装置。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：包括用于产生对生物质粉末进行处理的旋转电弧的旋转电弧炬和与旋转电弧炬连通且用于旋转电弧炬处理后的生物质粉末的重整反应的重整反应器。
2.根据权利要求1所述的纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：所述旋转电弧炬包括阴极、阳极和与阳极连接的喷嘴，阳极与大地相连，阴极与高压电弧电源连接，用于产生旋转电弧。
3.根据权利要球2所述的纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：所述阴极和阳极均为圆筒状结构，阴极位于阳极的中心处且阴极和阳极为同轴设置，阴极用于接收由纤维素类生物质粉末喂料机供给的生物质粉末，阳极与所述重整反应器连通。
4.根据权利要求3所述的纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：所述喷嘴具有让所述阴极的端部插入的容置腔，该容置腔为圆锥形腔体，喷嘴与阴极和阳极为同轴设置，用于通过阴极输入的高压电弧起电而产生所述旋转电弧。
5.根据权利要求2至4任一所述的纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：所述旋转电弧炬还包括用于向所述阳极与所述阴极之间形成的腔体中提供气体的气体注入部以及设置于阳极与阴极之间的绝缘件，绝缘件与所述喷嘴为相对布置。
6.根据权利要求5所述的纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：经所述气体注入部向所述阳极与所述阴极之间的腔体中引入的空气总量为纤维素类生物质完全燃烧时所需空气量的0.1-0.9倍。
7.根据权利要求1至6任一所述的纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：所述重整反应器包括外筒体、设置于外筒体内部的第一内筒体和设置于第一内筒体内部的第二内筒体，第二内筒体与所述旋转电弧炬连通且用于将旋转电弧炬处理后的生物质粉末引导至第一内筒体中。
8.根据权利要求7所述的纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：所述外筒体、第一内筒体和第二内筒体为同轴设置，第二内筒体的第一端与所述旋转电弧炬连接，第二内筒体的第二端位于第一内筒体中，第二内筒体的第一端和第二端均设置开口，第一内筒体的第一端与外筒体连接且第一内筒体的第一端为封闭端，第一内筒体的第二端设置开口，第一内筒体的内腔体与第二内筒体的内腔体和外筒体的内腔体连通。
9.根据权利要求8所述的纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：所述第一内筒体通过支撑杆与所述外筒体连接。
10.根据权利要求6至9任一所述的纤维素类生物质制备合成气装置，其特征在于：还包括与所述外筒体连接的上法兰盘、所述旋转电弧炬连接的下法兰盘以及设置在上法兰盘和下法兰盘之间的密封圈，上法兰盘具有让所述第二内筒体穿过的避让孔。
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