CN113444536B - 太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统与方法 - Google Patents
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Abstract
太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统和方法。系统包括热解与气化反应单元、太阳能供热单元和油气净化分离单元；太阳能供热单元包括槽式太阳能熔盐加热单元和塔式太阳能生物质灰载热体加热单元；热解与气化反应单元包括下落床热解反应段和流化床气化反应段；下落床热解反应段设有进料口、载气入口、螺旋导热管、热解产物出口；螺旋导热管的入口端和出口端分别位于下落床热解反应段的上部侧壁和下部侧壁；流化床气化反应段设有循环生物质灰载热体入口、排灰口、气化剂入口和气体出口；油气净化分离单元包括气液分离器，连通至气体出口。该系统和方法能够利用太阳能集热达到的高温作为生物质热解和气化的热源。
Description
技术领域
本发明属于清洁能源利用领域，具体涉及太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统与方法。
背景技术
能源是人类社会发展进步的物质基础和重要保障。目前，我国能源消费结构中煤、石油等不可再生能源占主导地位。随着能源的过度消耗以及不可再生能源利用过程中造成的环境问题日益突出，迫切需要开发利用可再生能源替代传统化石能源，逐步增大可再生能源在能源消费中的占比。
生物质由于其种类繁多、储量丰富且分布广泛的特点，受到了研究者的广泛关注。生物质经热解气化分级转化不仅可以制备生物质焦油，而且还可以得到富氢合成气，从生物质焦油中能够分离提取轻质芳烃、酚类化合物以及其它高附加值化学品，而富氢合成气则可用于合成下游化学品。在生物质热解气化实际操作过程中，通常需要引入空气与部分生物质发生燃烧反应放热为热解和气化反应供热，这不仅造成了能源的浪费，还增加了CO2的排放。
太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，尤其我国西部地区，日照时间长，太阳能资源十分丰富。如何利用太阳能集热达到的高温作为生物质热解和气化的热源，实现生物质和太阳能这两种可再生能源的充分发掘和有机结合，是一个难题。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统，该系统结构简单，能够利用太阳能集热达到的高温作为生物质热解和气化的热源，可实现生物质和太阳能这两种可再生能源的充分发掘和有机结合；
本发明的第二个目的在于提供一种利用前述系统进行生物质分级转化联产油气的方法，该方法能够利用太阳能集热达到的高温作为生物质热解和气化的热源，可实现生物质和太阳能这两种可再生能源的充分发掘和有机结合。
为实现本发明的第一个目的，采用以下的技术方案：
一种太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统，所述系统包括热解与气化反应单元、太阳能供热单元和油气净化分离单元；其中，
所述太阳能供热单元包括槽式太阳能熔盐加热单元和塔式太阳能生物质灰载热体加热单元；所述槽式太阳能熔盐加热单元用于利用太阳能加热熔盐以使其作为载热体；所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元用于利用太阳能加热生物质灰以使其作为载热体；
所述热解与气化反应单元包括下落床热解反应段和流化床气化反应段；
所述下落床热解反应段的顶部设有进料口，用于生物质颗粒进料；所述进料口的旁侧设有载气入口，用于通入载气以带动生物质颗粒进料；所述下落床热解反应段的内部设有螺旋导热管；
所述螺旋导热管的入口端位于所述下落床热解反应段的上部侧壁，且与所述槽式太阳能熔盐加热单元的熔盐出料端相连通，用于通入加热后的熔盐以对进料至所述下落床热解反应段内的生物质颗粒进行加热热解，得到半焦和热解挥发分；
所述螺旋导热管的出口端位于所述下落床热解反应段的下部侧壁，且连通至所述槽式太阳能熔盐加热单元的熔盐入料端，用于将降温后的熔盐循环至所述槽式太阳能熔盐加热单元进行循环加热；
所述下落床热解反应段的底部设有倾斜的热解产物出口，所述热解产物出口连通至所述流化床气化反应段的上部，用于将来自所述下落床热解反应段的半焦和热解挥发分进料至所述流化床气化反应段内；
所述流化床气化反应段的底部设有气化剂入口，用于输入气化剂；
所述流化床气化反应段的中部侧壁上设有循环生物质灰载热体入口，且与所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元的生物质灰出料端相连通，用于通入加热后的生物质灰作为载热体，以对来自所述下落床热解反应段的半焦进行加热气化，得到气化气；
所述流化床气化反应段的底部还设有侧向的排灰口，且连通至所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元的生物质灰入料端，用于将降温后的生物质灰循环至所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元进行循环加热；
所述流化床气化反应段的上部侧壁还设置有气体出口，用于输出热解挥发分和气化气；
所述油气净化分离单元包括气液分离器，所述气液分离器连通至所述气体出口，用于对自所述气体出口输出的热解挥发分和气化气进行气液分离，得到焦油和合成气，所述合成气包括CO和H2。
本发明的系统，能够利用太阳能集热达到的高温作为生物质热解和气化的热源，进而实现生物质和太阳能这两种可再生能源的充分发掘和有机结合，实现了节能减排，有利于我国能源结构的优化以及生态环境的可持续发展。
优选地，所述螺旋导热管上还设置有螺旋翅片，所述螺旋翅片螺旋缠绕设置于所述螺旋导热管的外壁上；优选所述螺旋翅片上分布有散热凸块；优选所述散热凸块为半球形结构。
优选地，所述螺旋导热管的管径d与节距t的比值d/t为1:(1-12)；优选所述螺旋导热管的管径d与其中螺旋圈的外径D的比值d/D为1:(4-50)。
优选地，所述螺旋导热管的管径d为4-16cm；优选所述螺旋导热管的节距t为10-50cm；优选所述螺旋导热管中螺旋圈的外径D为60-200cm；优选所述螺旋导热管的圈数n为10-20。
优选地，所述系统还包括废热回收单元；
所述废热回收单元包括第一换热器；所述第一换热器的熔盐进料端连通至所述螺旋导热管的出口端，所述第一换热器的冷却介质出口端连接至所述气化剂入口，用于利用来自所述螺旋导热管的熔盐对作为冷却介质的水进行换热升温，生成水蒸气以作为气化剂进料至所述流化床气化反应段；和/或
所述废热回收单元包括第二换热器；所述第二换热器的生物质灰进料端连通至所述排灰口，所述第二换热器的冷却介质出口端连接至所述气化剂入口，用于利用来自所述流化床气化反应段的生物质灰对作为冷却介质的水进行换热升温，生成水蒸气以作为气化剂进料至所述流化床气化反应段。
本发明通过废热回收单元，充分利用了经槽式太阳能熔盐加热单元加热后的熔盐中的能量，回收了热解反应未完全利用的那部分能量，即充分利用了太阳能；本发明通过废热回收单元，充分利用了经塔式太阳能生物质灰载热体加热单元加热后的生物质灰中的能量，回收了气化反应未完全利用的那部分能量，即充分利用了太阳能。
优选地，所述油气净化分离单元还包括旋风除尘器，且其进料端连通至所述气体出口，出料端连通至所述气液分离器的进料口，用于对进入所述气液分离器之前的热解挥发分和气化气进行净化除尘，有利于得到品质较高的焦油和合成气。
优选地，所述流化床气化反应段的底部还设有气化剂分布板，所述气化剂分布板设置于所述气化剂入口的内侧，用于对通入的气化剂进行均布，从而提高气化反应的效率。
为实现本发明的第二个目的，采用以下的技术方案：
一种利用前述系统进行生物质分级转化联产油气的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将熔盐输送所述太阳能供热单元中进行加热，得到加热后的熔盐；
(2)生物质颗粒在载气带动下进料至所述下落床热解反应段，同时将经所述槽式太阳能熔盐加热单元加热后的熔盐作为载热体输入至位于所述下落床热解反应段内的所述螺旋导热管中，以对进料至下落床热解反应段内的生物质颗粒进行热解，生成半焦和热解挥发分；
(3)步骤(2)所得半焦和热解挥发分经所述热解产物出口输入所述流化床气化反应段；同时将经所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元加热后的生物质灰作为载热体输入至所述流化床气化反应段内，将气化剂经气化剂入口输入所述流化床气化反应段内，以在气化剂的作用对进料至所述流化床气化反应段内的半焦进行加热气化，得到气化气；
(4)步骤(3)所得气化气与经所述热解产物出口输入至所述流化床气化反应段内的热解挥发分一起经位于所述流化床气化反应段上部的气体出口输出至所述油气净化分离单元进行气液分离，得到焦油和合成气。
本发明的方法，能够利用太阳能集热达到的高温作为生物质热解和气化的热源，进而实现生物质和太阳能这两种可再生能源的充分发掘和有机结合，有利于我国能源结构的优化以及生态环境的可持续发展。
优选地，所述方法还包括用于废热回收的步骤(4)，将经所述螺旋导热管中所述出口端输出的熔盐输入所述第一换热器中与作为冷却介质的水进行换热降温以加热作为冷却介质的水，产生水蒸气以作为气化剂用于所述流化床气化反应段中。
本发明的方法，通过所述第一换热器充分利用了经槽式太阳能熔盐加热单元加热后的熔盐中的能量，回收了热解反应未完全利用的那部分能量，即充分利用了太阳能。
优选地，经所述第一换热器换热降温后的熔盐循环输入所述槽式太阳能熔盐加热单元中进行循环加热。
本发明的方法，可以通过所述槽式太阳能熔盐加热单元循环利用太阳能。
优选地，所述方法还包括用于废热回收的步骤(5)，将经所述排灰口排出的生物质灰输入所述第二换热器中与作为冷却介质的水进行换热降温以加热作为冷却介质的水，产生水蒸气以作为气化剂用于所述流化床气化反应段中。
本发明的方法，通过废热回收单元，充分利用了经塔式太阳能生物质灰载热体加热单元加热后的生物质灰中的能量，回收了气化反应未完全利用的那部分能量，即充分利用了太阳能。
优选地，经所述第二换热器换热降温后的生物质灰循环输入所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元中进行循环加热。
本发明的方法，可以通过所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元循环利用太阳能。
优选地，步骤(1)中，经所述槽式太阳能熔盐加热单元加热后的熔盐的温度为400-560℃，比如420℃、440℃、460℃、480℃、500℃、520℃和540℃。
优选地，步骤(1)中，热解反应的反应温度为320-500℃，比如350℃、375℃、400℃、425℃、450℃和475℃。
优选地，步骤(2)中，经所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元加热后的生物质灰的温度为900-1100℃，比如925℃、950℃、975℃、1000℃、1025℃、1050℃和1075℃。
优选地，步骤(2)中，气化反应的反应温度为800-1000℃，比如825℃、850℃、875℃、900℃、925℃、950℃和975℃。
本发明的有益效果在于：
本发明的太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统和方法，能够利用太阳能集热达到的高温作为生物质热解和气化的热源，进而实现生物质和太阳能这两种可再生能源的充分发掘和有机结合，有利于我国能源结构的优化以及生态环境的可持续发展。
附图说明
图1为本发明的太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统在一种实施方式中的结构示意图；
图2是图1所示系统中螺旋导热管的局部结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其效果做进一步说明。以下实施方式仅用于说明本发明的内容，发明并不仅限于下述实施方式或实施例。应用本发明的构思对本发明进行的简单改变都在本发明要求保护的范围内。
如图1所示，本发明的太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统，包括热解与气化反应单元、太阳能供热单元和油气净化分离单元；其中，
所述太阳能供热单元包括槽式太阳能熔盐加热单元18和塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19；所述槽式太阳能熔盐加热单元18用于利用太阳能加热熔盐以使其作为载热体；所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19用于利用太阳能加热生物质灰以使其作为载热体；
所述热解与气化反应单元包括下落床热解反应段3和流化床气化反应段8；
所述下落床热解反应段3的顶部设有进料口1，用于生物质颗粒进料；所述进料口1的旁侧设有载气入口2，用于通入载气以带动生物质颗粒进料；所述下落床热解反应段3的内部设有螺旋导热管5；
所述螺旋导热管5的入口端4位于所述下落床热解反应段3的上部侧壁，且与所述槽式太阳能熔盐加热单元18的熔盐出料端相连通，用于通入加热后的熔盐以对进料至所述下落床热解反应段3内的生物质颗粒进行加热热解，得到半焦和热解挥发分；本领域技术人员理解，热解挥发分包括气态的焦油和H2、CO、以及CH4等气体；
所述螺旋导热管5的出口端6位于所述下落床热解反应段3的下部侧壁，且连通至所述槽式太阳能熔盐加热单元18的熔盐入料端，用于将降温后的熔盐循环至所述槽式太阳能熔盐加热单元18进行循环加热；
所述下落床热解反应段3的底部设有倾斜的热解产物出口7，所述热解产物出口7连通至所述流化床气化反应段8的上部，用于将来自所述下落床热解反应段3的半焦和热解挥发分进料至所述流化床气化反应段8内；
所述流化床气化反应段8的底部设有气化剂入口10，用于输入气化剂；
所述流化床气化反应段8的中部侧壁上设有循环生物质灰载热体入口9，且与所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19的生物质灰出料端相连通，用于通入加热后的生物质灰作为载热体，以对来自所述下落床热解反应段3的半焦进行加热气化，得到气化气；本领域技术人员理解，气化气是CO和H2的混合物；
所述流化床气化反应段8的底部还设有侧向的排灰口12，且连通至所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19的生物质灰入料端，用于将降温后的生物质灰循环至所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19进行循环加热；
所述流化床气化反应段8的上部侧壁还设置有气体出口13，用于输出热解挥发分和气化气；
所述油气净化分离单元包括气液分离器15，所述气液分离器15连通至所述气体出口13，用于对自所述气体出口13输出的热解挥发分和气化气进行气液分离，得到焦油和合成气，所述合成气包括CO和H2。
本领域技术人员理解，生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。它包括植物、动物和微生物。本申请中，生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。生物质的特点包括可再生性、低污染性和广泛分布性。生物质经燃烧等过程后剩余的物质称为生物质灰。
本领域技术人员理解，热解挥发分和气化气经所述气液分离器15气液分离后，自其底部得到液态的焦油，自其顶部或上部得到合成气。
本发明中，载气为CO和H2的混合物，在一种实施方式中，所述载气为来自所述气液分离器15的合成气，以避免后续生成合成气后还要进行气体分离。在一种实施方式中，载气中CO和H2的体积比为0.3-3，比如0.5、1、1.5、2和2.5。
本领域技术人员了解，生物质直接气化时生成H2、CO、以及CH4等气体，而得不到焦油产品。
本发明的系统，能够利用太阳能集热达到的高温作为生物质热解和气化的热源，进而实现生物质和太阳能这两种可再生能源的充分发掘和有机结合，实现了节能减排，有利于我国能源结构的优化以及生态环境的可持续发展；同时，本发明的系统，避免了对生物质进行直接气化，而是对其先进行热解，然后对热解产生的半焦进行气化，实现了对生物质的分级转化，从而在得到合成气的同时，还能够得到焦油产品，实现了油气产品的联产；而螺旋导热管的设置，有利于实现流化床热解炉内温度的均匀分布，提高热解效率和能量利用率。
在一种实施方式中，所述槽式太阳能熔盐加热单元18包括抛物型槽式反射器和吸热器，所述抛物型槽式反射器用于将太阳能聚集到所述吸热器进行聚光集热，所述吸热器用于加热熔盐以使其作为载热体。
在一种实施方式中，所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19包括定日镜场和集热塔，所述集热塔的顶部设有吸热器，所述定日镜场用于跟踪太阳以将其辐射的太阳光反射至所述吸热器进行聚光集热，所述吸热器用于加热生物质灰以使其作为载热体。
在一种实施方式中，所述螺旋导热管5上还设置有螺旋翅片51，所述螺旋翅片51螺旋缠绕设置于所述螺旋导热管5的外壁上，用于促进输入至所述螺旋导热管5内的熔盐向所述下落床热解反应段3内散热。
在一种实施方式中，所述螺旋翅片51的宽度为4-12cm，比如5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm和11cm；优选所述螺旋翅片51的节距为6-20cm，比如8cm、10cm、12cm、14cm、16cm和18cm，以有利于散热。
在一种实施方式中，所述螺旋翅片51上分布有散热凸块52，用于促进输入至所述螺旋导热管5内的熔盐向所述下落床热解反应段3内散热；优选所述散热凸块52在所述螺旋翅片51上均匀分布；优选所述散热凸块52在所述螺旋翅片51上的分布密度为200-600个/m2，比如225个/m2、250个/m2、300个/m2、350个/m2、400个/m2、425个/m2、450个/m2、475个/m2、500个/m2、525个/m2、550个/m2和575个/m2；优选所述散热凸块52为半球形结构，且其直径为0.5-2cm，比如0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.1cm、1.2cm、1.3cm、1.4cm、1.5cm、1.6cm、1.7cm、1.8cm和1.9cm。
在一种实施方式中，所述螺旋导热管5的管径d与节距t的比值d/t为1:(1-12)，比如1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10和1:11；优选所述螺旋导热管5的管径d与其中螺旋圈的外径D的比值d/D为1:(4-50)，比如1:6、1:10、1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40和1:45。
在一种实施方式中，所述螺旋导热管5的管径d为4-16cm，比如6cm、8cm、10cm、12cm、14cm和15cm；优选所述螺旋导热管5的节距t为10-50cm，比如15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm和45cm；优选所述螺旋导热管5中螺旋圈的外径D为60-200cm，比如80cm、100cm、120cm、140cm、160cm和180cm；优选所述螺旋导热管5的圈数n为10-20，比如12、14、16和18。
本领域技术人员理解，所述螺旋导热管5的结构与弹簧类似，其管径d指的是用于介质通过的导热管的管径，其节距t指的是相邻两个螺旋圈之间的间距，其圈数n指的是其中螺旋圈的数量。
所述螺旋导热管5的上述设置，有利于作为载热体的熔盐顺利匀速或匀加速通过，从而有利于输入至所述螺旋导热管5内的熔盐与进料至所述下落床热解反应段3内的生物质颗粒之间的换热，同时进一步提高所述下落床热解反应段3内温度的均匀性，使作为载热体的熔盐对输入下落床热解反应段3内的生物质颗粒均匀充分热解，提高热解效率和能量利用率。
在一种实施方式中，所述流化床气化反应段8的上部内壁上设置有导流挡板20，所述导流挡板20为弧形板，且其外弧面朝向所述气体出口13设置，其一条直边固定于所述流化床气化反应段8的上部内壁上，且位于所述热解产物出口7的出口端上沿及以上位置，用于引导经所述热解产物出口7输出的半焦和热解挥发分进入所述流化床气化反应段8，防止其中的半焦被气流夹带而自气体出口13离开所述流化床气化反应段8。
在一种实施方式中，所述导流挡板20所对应的圆心角为75-90°，比如80°和85°；优选所述导流挡板20所对应的半径为0.6-1.0m，比如0.7m、0.8m和0.9m。
在一种实施方式中，所述系统还包括废热回收单元；
所述废热回收单元包括第一换热器16；所述第一换热器16的熔盐进料端连通至所述螺旋导热管5的出口端6，所述第一换热器16的冷却介质出口端连接至所述气化剂入口10，用于利用来自所述螺旋导热管5的熔盐对作为冷却介质的水进行换热升温，生成水蒸气以作为气化剂进料至所述流化床气化反应段8；和/或
所述废热回收单元包括第二换热器17；所述第二换热器17的生物质灰进料端连通至所述排灰口12，所述第二换热器17的冷却介质出口端连接至所述气化剂入口10，用于利用来自所述流化床气化反应段8的生物质灰对作为冷却介质的水进行换热升温，生成水蒸气以作为气化剂进料至所述流化床气化反应段8。
本发明通过废热回收单元，充分利用了经槽式太阳能熔盐加热单元18加热后的熔盐中的能量，回收利用了热解反应未完全利用的那部分能量，即充分利用了太阳能；本发明通过废热回收单元，充分利用了经塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19加热后的生物质灰中的能量，回收利用了气化反应未完全利用的那部分能量，即充分利用了太阳能。
在一种实施方式中，所述油气净化分离单元还包括旋风除尘器14，且其进料端连通至所述气体出口13，出料端连通至所述气液分离器15的进料口，用于对进入所述气液分离器15之前的热解挥发分和气化气进行净化除尘，有利于除去其中的飞灰，得到品质较高的焦油和合成气。
在一种实施方式中，所述流化床气化反应段8的底部还设有气化剂分布板11，所述气化剂分布板11设置于所述气化剂入口10的内侧，用于对通入的气化剂进行均布，从而提高气化反应的效率。在一种实施方式中，如图1所示，本发明的太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统，运行过程如下：
(1)将熔盐输送所述槽式太阳能熔盐加热单元18中进行加热，得到加热后的熔盐；
(2)载气通过载气入口2通入所述下落床热解反应段3，生物质颗粒在载气带动下通过进料口1进料至所述下落床热解反应段3，同时经所述槽式太阳能熔盐加热单元18加热后的熔盐作为载热体经入口端4输入至位于所述下落床热解反应段3内的所述螺旋导热管5中，以对进料至下落床热解反应段3内的生物质颗粒进行热解，生成半焦和热解挥发分；
(3)对生物质颗粒进行热解后的熔盐经出口端6输出至第一换热器16，与作为冷却介质的水进行换热降温，并对水加热生成水蒸气；
(4)换热降温后的熔盐自第一换热器16循环至所述槽式太阳能熔盐加热单元18中进行循环加热；
(5)生成的水蒸气自气化剂入口10输入所述流化床气化反应段8内；
(6)步骤(2)所得半焦和热解挥发分经所述热解产物出口7输入所述流化床气化反应段8；同时将经所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19加热后的生物质灰作为载热体经循环生物质灰载热体入口9输入至所述流化床气化反应段8内，将气化剂自气化剂入口10输入所述流化床气化反应段8内，以在气化剂的作用对进料至所述流化床气化反应段8内的半焦进行加热气化，得到气化气；
(7)对半焦进行气化后的生物质灰经排灰口12输出至第二换热器17，与作为冷却介质的水进行换热降温，并对水加热生成水蒸气；
(8)换热降温后的生物质灰自第二换热器17循环至所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19中进行循环加热；
(9)生成的水蒸气自气化剂入口10输入所述流化床气化反应段8内；
(10)步骤(6)所得气化气与经所述热解产物出口7输入至所述流化床气化反应段8内的热解挥发分一起经位于所述流化床气化反应段8上部的气体出口13输出至所述油气净化分离单元中的旋风除尘器14进行净化除尘，然后输送至气液分离器15进行气液分离，得到焦油和合成气。
本发明的系统，不仅充分利用了可再生能源-太阳能，避免了其他能源的使用和投入，同时还能联产油气，具有极大的工业价值。
本发明还提供一种利用前述系统进行生物质分级转化联产油气的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将熔盐输送至所述槽式太阳能熔盐加热单元18中进行加热，得到加热后的熔盐；
(2)生物质颗粒在载气带动下进料至所述下落床热解反应段3，同时将经所述槽式太阳能熔盐加热单元18加热后的熔盐作为载热体输入至位于所述下落床热解反应段3内的所述螺旋导热管5中，以对进料至下落床热解反应段3内的生物质颗粒进行热解，生成半焦和热解挥发分；
(3)步骤(2)所得半焦和热解挥发分经所述热解产物出口7输入所述流化床气化反应段8；同时将经所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19加热后的生物质灰作为载热体输入至所述流化床气化反应段8内，将气化剂经气化剂入口10输入所述流化床气化反应段8内，以在气化剂的作用对进料至所述流化床气化反应段8内的半焦进行加热气化，得到气化气；
(4)步骤(3)所得气化气与经所述热解产物出口7输入至所述流化床气化反应段8内的热解挥发分一起经位于所述流化床气化反应段8上部的气体出口13输出至所述油气净化分离单元进行气液分离，得到焦油和合成气。
本发明的方法，能够利用太阳能集热达到的高温作为生物质热解和气化的热源，进而实现生物质和太阳能这两种可再生能源的充分发掘和有机结合，有利于我国能源结构的优化以及生态环境的可持续发展；同时，本发明的方法，避免了对生物质进行直接气化，而是对其先进行热解，然后对热解产生的半焦进行气化，实现了对生物质的分级转化，从而能够得到焦油产品，实现了油气产品的联产。
在一种实施方式中，所述方法还包括用于废热回收的步骤(4)，将经所述螺旋导热管5中所述出口端6输出的熔盐输入所述第一换热器16中与作为冷却介质的水进行换热降温以加热作为冷却介质的水，产生水蒸气以作为气化剂用于所述流化床气化反应段8中。
本发明的方法，通过所述第一换热器16充分利用了经槽式太阳能熔盐加热单元18加热后的熔盐中的能量，回收了热解反应未完全利用的那部分能量，即充分利用了太阳能。
在一种实施方式中，经所述第一换热器16换热降温后的熔盐循环输入所述槽式太阳能熔盐加热单元18中进行循环加热。
本发明的方法，可以通过所述槽式太阳能熔盐加热单元18循环利用太阳能。
在一种实施方式中，所述方法还包括用于废热回收的步骤(5)，将经所述排灰口12排出的生物质灰输入所述第二换热器17中与作为冷却介质的水进行换热降温以加热作为冷却介质的水，产生水蒸气以作为气化剂用于所述流化床气化反应段8中。
本发明的方法，通过废热回收单元，充分利用了经塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19加热后的生物质灰中的能量，回收了气化反应未完全利用的那部分能量，即充分利用了太阳能。
在一种实施方式中，经所述第二换热器17换热降温后的生物质灰循环输入所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19中进行循环加热。
本发明的方法，可以通过所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19循环利用太阳能。
在一种实施方式中，步骤(1)中，经所述槽式太阳能熔盐加热单元18加热后的熔盐的温度为400-560℃，比如425℃、450℃、475℃、500℃、525℃和550℃。
本领域技术人员理解，经所述槽式太阳能熔盐加热单元18加热后的熔盐的温度决定于熔盐种类、太阳辐射度、辐射时间等因素，使用二元熔盐NaNO3和KNO3在标况下能够加热至400-560℃。
在一种实施方式中，步骤(1)中，热解反应的反应温度为320-500℃，比如330℃、350℃、375℃、400℃、425℃、450℃和475℃。
在一种实施方式中，步骤(2)中，经所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19加热后的生物质灰的温度为900-1100℃，比如925℃、950℃、975℃、1000℃、1025℃、1050℃和1075℃。
本领域技术人员理解，经所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元19加热后的生物质灰的温度决定于太阳辐射度、辐射时间等因素，在标况下能够加热至900-1100℃。
在一种实施方式中，步骤(2)中，气化反应的反应温度为800-1000℃，比如825℃、850℃、875℃、900℃、925℃、950℃和975℃。
本发明的方法，不仅充分利用了可再生能源-太阳能，避免了其他能源的使用和投入，同时还能联产油气，具有极大的工业价值。
利用本发明方法和如图1所示的系统对生物质进行分级转化处理时，生物质的处理量为1吨时，节省能源约0.18吨标准煤，按照市场价格为550元/吨计算，节省能源投入99元；生成焦油0.25-0.30吨，按照市场价格为2500元/吨计算，所生成焦油的经济价值为625-750元；生成合成气800-1200m3，按照市场价格为1.35元/m3计算，所生成合成气的经济价值为1080-1620元；即，生物质的处理量为1吨时，所产生的总经济价值为1804-2469元；而每天对生物质的处理量为60-120吨/天，利用利用本发明方法和如图1所示的系统对生物质进行分级转化处理时，每天创造的经济价值为10.824-29.628万元；每年创造的经济价值高达约1亿元。
Claims (18)
1.一种太阳能供热的生物质分级转化联产油气的系统，其特征在于，所述系统包括热解与气化反应单元、太阳能供热单元和油气净化分离单元；其中，
所述太阳能供热单元包括槽式太阳能熔盐加热单元(18)和塔式太阳能生物质灰载热体加热单元(19)；所述槽式太阳能熔盐加热单元(18)用于利用太阳能加热熔盐以使其作为载热体；所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元(19)用于利用太阳能加热生物质灰以使其作为载热体；
所述热解与气化反应单元包括下落床热解反应段(3)和流化床气化反应段(8)；
所述下落床热解反应段(3)的顶部设有进料口(1)，用于生物质颗粒进料；所述进料口(1)的旁侧设有载气入口(2)，用于通入载气以带动生物质颗粒进料；所述下落床热解反应段(3)的内部设有螺旋导热管(5)；
所述螺旋导热管(5)的入口端(4)位于所述下落床热解反应段(3)的上部侧壁，且与所述槽式太阳能熔盐加热单元(18)的熔盐出料端相连通，用于通入加热后的熔盐以对进料至所述下落床热解反应段(3)内的生物质颗粒进行加热热解，得到半焦和热解挥发分；
所述螺旋导热管(5)的出口端(6)位于所述下落床热解反应段(3)的下部侧壁，且连通至所述槽式太阳能熔盐加热单元(18)的熔盐入料端，用于将降温后的熔盐循环至所述槽式太阳能熔盐加热单元(18)进行循环加热；
所述下落床热解反应段(3)的底部设有倾斜的热解产物出口(7)，所述热解产物出口(7)连通至所述流化床气化反应段(8)的上部，用于将来自所述下落床热解反应段(3)的半焦和热解挥发分进料至所述流化床气化反应段(8)内；
所述流化床气化反应段(8)的底部设有气化剂入口(10)，用于输入气化剂；
所述流化床气化反应段(8)的中部侧壁上设有循环生物质灰载热体入口(9)，且与所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元(19)的生物质灰出料端相连通，用于通入加热后的生物质灰作为载热体，以对来自所述下落床热解反应段(3)的半焦进行加热气化，得到气化气；
所述流化床气化反应段(8)的底部还设有侧向的排灰口(12)，且连通至所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元(19)的生物质灰入料端，用于将降温后的生物质灰循环至所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元(19)进行循环加热；
所述流化床气化反应段(8)的上部侧壁还设置有气体出口(13)，用于输出热解挥发分和气化气；
所述油气净化分离单元包括气液分离器(15)，所述气液分离器(15)连通至所述气体出口(13)，用于对自所述气体出口(13)输出的热解挥发分和气化气进行气液分离，得到焦油和合成气，所述合成气包括CO和H2。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述螺旋导热管(5)上还设置有螺旋翅片(51)，所述螺旋翅片(51)螺旋缠绕设置于所述螺旋导热管(5)的外壁上。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述螺旋翅片(51)上分布有散热凸块(52)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述散热凸块(52)为半球形结构。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述螺旋导热管(5)的管径d与节距t的比值d/t为1:(1-12)。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述螺旋导热管(5)的管径d与其中螺旋圈的外径D的比值d/D为1:(4-50)。
7.根据权利要求1-4和6中任一项所述的系统，其特征在于，所述螺旋导热管(5)的管径d为4-16cm。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述螺旋导热管(5)的节距t为10-50cm。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述螺旋导热管(5)中螺旋圈的外径D为60-200cm。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述螺旋导热管(5)的圈数n为10-20。
11.根据权利要求1-4、6和8-10中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括废热回收单元；
所述废热回收单元包括第一换热器(16)；所述第一换热器(16)的熔盐进料端连通至所述螺旋导热管(5)的出口端(6)，所述第一换热器(16)的冷却介质出口端连接至所述气化剂入口(10)，用于利用来自所述螺旋导热管(5)的熔盐对作为冷却介质的水进行换热升温，生成水蒸气以作为气化剂进料至所述流化床气化反应段(8)；和/或
所述废热回收单元包括第二换热器(17)；所述第二换热器(17)的生物质灰进料端连通至所述排灰口(12)，所述第二换热器(17)的冷却介质出口端连接至所述气化剂入口(10)，用于利用来自所述流化床气化反应段(8)的生物质灰对作为冷却介质的水进行换热升温，生成水蒸气以作为气化剂进料至所述流化床气化反应段(8)。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述油气净化分离单元还包括旋风除尘器(14)，且其进料端连通至所述气体出口(13)，出料端连通至所述气液分离器(15)的进料口，用于对进入所述气液分离器(15)之前的热解挥发分和气化气进行净化除尘。
13.根据权利要求1-4、6、8-10和12中任一项所述的系统，其特征在于，所述流化床气化反应段(8)的底部还设有气化剂分布板(11)，所述气化剂分布板(11)设置于所述气化剂入口(10)的内侧，用于对通入的气化剂进行均布。
14.一种利用权利要求1-13中任一项所述系统进行生物质分级转化联产油气的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将熔盐输送所述太阳能供热单元中进行加热，得到加热后的熔盐；
(2)生物质颗粒在载气带动下进料至所述下落床热解反应段(3)，同时将经所述槽式太阳能熔盐加热单元(18)加热后的熔盐作为载热体输入至位于所述下落床热解反应段(3)内的所述螺旋导热管(5)中，以对进料至下落床热解反应段(3)内的生物质颗粒进行热解，生成半焦和热解挥发分；
(3)步骤(2)所得半焦和热解挥发分经所述热解产物出口(7)输入所述流化床气化反应段(8)；同时将经所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元(19)加热后的生物质灰作为载热体输入至所述流化床气化反应段(8)内，将气化剂经气化剂入口(10)输入所述流化床气化反应段(8)内，以在气化剂的作用对进料至所述流化床气化反应段(8)内的半焦进行加热气化，得到气化气；
(4)步骤(3)所得气化气与经所述热解产物出口(7)输入至所述流化床气化反应段(8)内的热解挥发分一起经位于所述流化床气化反应段(8)上部的气体出口(13)输出至所述油气净化分离单元进行气液分离，得到焦油和合成气。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用于废热回收的步骤(4)，将经所述螺旋导热管(5)中所述出口端(6)输出的熔盐输入所述第一换热器(16)中与作为冷却介质的水进行换热降温以加热作为冷却介质的水，产生水蒸气以作为气化剂用于所述流化床气化反应段(8)中。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，经所述第一换热器(16)换热降温后的熔盐循环输入所述槽式太阳能熔盐加热单元(18)中进行循环加热。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用于废热回收的步骤(5)，将经所述排灰口(12)排出的生物质灰输入所述第二换热器(17)中与作为冷却介质的水进行换热降温以加热作为冷却介质的水，产生水蒸气以作为气化剂用于所述流化床气化反应段(8)中。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，经所述第二换热器(17)换热降温后的生物质灰循环输入所述塔式太阳能生物质灰载热体加热单元(19)中进行循环加热。
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