CN114250091A - 生物质气化单元及人造天然气生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质气化单元，包括安装在地面的定日聚光镜阵列，还包括一个设置在地面高处的生物质气化反应炉，生物质气化反应炉在生物质颗粒气化时以太阳能和部分生物质颗粒自燃烧作为热源共同供热。本发明还公开了一种采用了上述生物质气化单元的人造天然气生产系统。本发明能够更加高效稳定地实现两种可再生能源为原料制备人造天然气，具有天然气产生效率高，质量好，天然气制备过程中热损失小，能量利用率高的优点。

Description

生物质气化单元及人造天然气生产系统

本申请为申请号202011269080.2，申请日2020-11-13的《一种太阳能生物质混合气体制备天然气的方法》专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及人造天然气制备技术领域，具体涉及一种生物质气化单元及其人造天然气生产系统。

背景技术

天然气是一种以甲烷为主要成分的优质气体能源，其主要成分为甲烷CH₄，含量通常可达95%，次要成分含有少量的氢气和一氧化碳以及微量的其它杂质。现有天然气主要通过地下气田开采获得，但地下气田属于不可再生能源，随着地下资源的逐渐开发完毕以及人们对环保意识的提升，为了得到更多的可再生优质气体能源，缓解能源短缺，人们开始研究人造天然气技术。

CN201010117625.8曾公开了一种高浓度一氧化碳烟气制取人造天然气的方法，能够利用一氧化碳烟气制取人造天然气。CN200610032075.3公开了人造天然气的一种制造方法，选择了沼气作为原料来生产人造天然气，采用熔点沸点差异、化学吸收等方法将沼气中的二氧化碳分离出来，剩下的气体就是甲烷含量很高的人造天然气。上述发明技术均可一定程度缓解天然气供需矛盾。但存在生产天然气质量较低且生产效率不高的缺陷。

CN201010533832.1公开了一种利用秸秆气制备合成天然气的方法，将常规的秸秆气加压，加热后，输入到一氧化碳和氢气的转化器，在镍系催化剂的作用下进行反应，得到主要成份为甲烷、二氧化碳、水及杂质成分的转化混合气；再经过冷却、气液分离及净化处理后获得甲烷含量大于95%的合成天然气。该发明能够利用秸秆气制备天然气，但结构气需要预先制备，然后生产时需要再次加压加热等步骤，故仍然存在效率低下的缺陷。

CN201510314276.1一种秸秆两相发酵制备生物天然气的方法，但该方法需要对秸秆进行两相发酵再酸化处理，仍然存在效率低下的缺陷。CN106433828A公开了一种秸秆气化制备天然气的方法，包括下述步骤：来自生物质气化反应的粗合成气首先进入装有活性炭基脱硫剂的脱焦油塔，脱除合成气中焦油组分后进入缓冲罐缓存，然后压缩增压后送至变换反应器进行耐硫变换反应，得到的变换气进入COS水解塔内，将合成气中的COS水解成H₂S和CO₂；脱除COS的变换气换热后进入H2S吸收塔内，与NHD贫液逆流接触，洗涤出变换气中的CO₂和H₂S；进入脱硫槽内进行精脱硫，然后进入甲烷化反应器，得到粗天然气；粗天然气换热后进入CO₂吸收塔内脱碳，脱碳后的天然气从CO₂吸收塔顶部排出，回收余热后压缩成天然气成品。该方法步骤繁多，仍然存在转化效率低下的缺陷。

另外，现有的上述专利技术均没有公开秸秆怎样实现气化的内容。常规方法为直接将秸秆送入到高温的气化炉中加热气化，这种常规的秸秆气化技术存在需要耗费大量能源的缺陷。同时，上述专利技术在对秸秆气化后制备天然气过程中的热利用率较低，热损失较大。

故如何提供一种能够更加高效稳定地实现秸秆气化，天然气产生效率高，质量好，天然气制备过程中热损失小，能量利用率高的人工天然气的制备方法，成为本领域技术人员有待进一步考虑解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够更加高效稳定地实现生物质原料（主要指秸秆颗粒原料）气化，天然气产生效率高，质量好，天然气制备过程中热损失小，能量利用率高的太阳能生物质混合气化制备天然气的方法，以及一种生物质气化单元及其人造天然气生产系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种太阳能生物质混合气化制备天然气的方法，将预制好的生物质颗粒原料送入生物质气化反应炉中气化，生成含有一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷、水和焦油灰分杂质的混合气体，再将混合气体去除焦油灰分杂质和二氧化碳后送入甲烷化反应单元中反应生成甲烷，其特征在于，生物质颗粒气化时以太阳能和部分生物质颗粒自燃烧作为热源共同供热。

这样，生物质颗粒气化反应利用了太阳能和自燃烧作为热源，无需额外的热源需求，更好地节省了能源，得到节能减耗的效果。

进一步地，所述以太阳能和部分生物质颗粒自燃烧作为热源共同供热，是指在地表太阳直射区域设置太阳能反射系统，依靠太阳能反射系统将太阳光反射并集中照射到生物质气化反应炉供热，同时检测太阳光反射强度，依靠预设的比例，控制分配输送到生物质气化反应炉中的生物质颗粒原料的一部分直接进行燃烧，利用燃烧产生热量和太阳光反射热量共同对生物质气化反应炉供热并保证其反应温度稳定。

这样，不仅仅充分利用太阳能和生物质颗粒自身燃烧作为热源，而且通过控制生物质颗粒燃烧比例能够很好地缓解太阳能波动性对系统稳定性的影响。使其能够更加高效稳定地实现生物质原料的气化。实施时，可以根据事先计算和试验验证得到具体的燃烧原料控制比例和太阳光反射强度大小的对应关系，然后根据该预先确定的对应关系实现具体控制过程。

进一步地，所述生物质颗粒为秸秆粉碎制得的秸秆颗粒。

这样，采用秸秆为原料，可以实现农业作物秸秆的废物利用，达到变废为宝的效果。而且农业秸秆来源广泛，利用实现工业化生产。

进一步地，气化反应温度为800-1000℃。

该反应温度能够很好地保证生物质颗粒的气化反应效果，保证输出混合气体的稳定性。

进一步地，本方法采用以下的人造天然气生产系统实现，所述人造天然气生产系统，包括依靠气路输送管道依次连接的生物质气化单元、焦油灰分去除装置、二氧化碳去除装置、甲烷化反应单元和变压吸附分离器。

这样各部分硬件装置可以采用现有的装置集成得到，便于生产应用。

进一步地，所述生物质气化单元包括安装在地面的定日聚光镜阵列，定日聚光镜阵列和控制中心相连构成太阳能反射系统，还包括一个设置在地面高处的生物质气化反应炉，生物质气化反应炉包括一个底座，底座上安装有一个反应炉体，反应炉体一侧外侧壁上位于定日聚光镜阵列反射太阳光汇聚点位置设置有一个聚光太阳能腔体接受器，聚光太阳能腔体接受器用于接收反射太阳光照射能量，反应炉体的炉膛顶部设置有用于外接水蒸气及二氧化碳输入管道的反应炉气态原料输入口以及用于外接生物质原料输入管道的反应炉固态原料输入口，反应炉体的炉膛底部还设置有热化学产物出口，热化学产物出口外接气路输送管道；所述生物质气化反应炉还包括一个安装在底座上的生物质燃烧炉，生物质燃烧炉顶部设置有用于输入生物质原料的燃烧炉固态原料输入口，燃烧炉固态原料输入口通过一个安装有分流控制阀的分流管道和生物质原料输入管道相接，分流控制阀和控制中心相连，生物质燃烧炉上还连接设置有燃烧用空气输入管道，生物质颗粒燃烧炉底部还连接设置有烟气管道，烟气管道和包裹设置在反应炉体外表面的烟气加热夹层炉膛相连通，烟气加热夹层炉膛顶部设置有炉膛烟气外排管道。

这样，人造天然气生产系统使用时可以优先利用太阳能为热源，依靠控制定日聚光镜阵列反射太阳光为反应炉体集中供热，使其达到反应温度。输入到反应炉中的生物质颗粒原料和水蒸气及二氧化碳原料一起在高温下反应，生成含有一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷、水和焦油灰分杂质的混合气体，实现生物质颗粒的气化反应（该气化反应自身为现有技术）。同时，当太阳能不足时，可以通过分流控制阀和分流管道输送部分原料到生物质燃烧炉内燃烧，依靠燃烧产生的高温烟气输入到反应炉体外表面的烟气加热夹层炉膛中实现对反应炉体的补充供热，保证反应炉体反应温度能够满足需求。这样混合气化的方式，既实现了太阳能向化学能的转换利用，又弥补了太阳能稳定性差的缺陷，保证了系统的稳定运行和连续性产能。同时，生物质颗粒燃烧室单独设置在一个独立的生物质燃烧炉中，利用产生的高温烟气再输入到反应炉外周的夹层进行供热，能够保证生物质燃烧部分供热能够得到更加稳定可靠的控制。更好地保证了反应炉内部反应的稳定性和可靠性。

进一步地，聚光太阳能腔体接受器往正对太阳光射入方向延伸设置，聚光太阳能腔体采用透明玻璃密封形成真空腔体，反应炉膛的迎光面采用具有加强光热吸收效果的选择性涂层，腔体内壁设置有光反射材料。

这样能够更好地将太阳能反射系统反射出的光线热量接收到并导入到反应炉体的炉膛中，保证太阳能的利用效率。

进一步地，聚光太阳能腔体接受器内设置有温度探头，温度探头和控制中心相连。

这样，可以更好地根据检测到的聚光太阳能腔体接受器内接收汇聚反射的太阳光后的实时温度，控制调整分流控制阀的开启大小，以控制通过分流管道进入到生物质燃烧炉内的生物质颗粒比例，以精确保证生物质燃烧炉燃烧供热的稳定性和可靠性。

进一步地，反应炉体上端中部位置设置有一个尖端向下的锥形壳体，锥形壳体内部下端开口形成反应炉固态原料输入口，锥形壳体内部沿轴线方向设置有转轴，转轴上安装有螺旋叶片，螺旋叶片外侧和锥形壳体内壁相邻设置使其外侧轮廓整体呈锥形，转轴和一个送料电机相连，锥形壳体上端和生物质原料输入管道相接。

这样，反应炉体上端生物质颗粒原料在送料时，依靠送料电机控制转轴带动螺旋叶片旋转，将物料颗粒输送到反应炉体的炉膛中。独特的送料结构使得送料时物料颗粒能够抵御炉膛内部反应产生的压强，能够更加精确稳定地控制生物质颗粒物料在高压状态下实现连续且均匀的送料，保证反应炉体内部实现连续反应，有利于实现工业化连续生产。

作为优化，所述焦油灰分去除装置为一个旋流除尘器。

旋流除尘器自身为成熟现有技术，采用离心式物理分离的方式，用于此处可以很好地实现混合气体中焦油和灰分的去除，同时保证其余成分的稳定性。具体实施时，也可以采用其他现有的焦油去除设备去除焦油。

作为优化，所述二氧化碳去除装置，包括一个整体呈封闭状态的二氧化碳去除用容置体，二氧化碳去除用容置体内盛置有氢氧化钙溶液，二氧化碳去除用容置体输入端的通道直接连通到氢氧化钙溶液液面下方，二氧化碳去除用容置体位于液面的上方设置出气口外接用于输出的气路输送管道。

这样，使用时混合气体通过氢氧化钙溶液可以方便快捷地实现混合气体中二氧化碳的去除，使其和氢氧化钙反应生成碳酸钙，同时混合气体通过氢氧化钙溶液后使得夹杂的水蒸气部分能够被吸纳走，避免对后续步骤流程的影响。

作为优化，在二氧化碳去除装置和甲烷化反应单元之间的气路输送管道上还通过一个分流阀连接设置有一根转化反应用旁通管道，转化反应用旁通管道连接有一个水煤气转化反应器，水煤气转化反应器的外壳上设置有一个和转化反应用旁通管道相连的混合气体输入端，一个和水蒸汽输送管道相连的水蒸气输入端以及一个和转化反应输出管道相连的输出端，转化反应输出管道另一端和转化反应用旁通管道与甲烷化反应单元之间的气路输送管道相连，水煤气转化反应器内部还设置有用于促进一氧化碳和水反应生成二氧化碳和氢气的催化剂，所述进入分流阀之前的气路输送管道上还设置有氢气检测探头，氢气检测探头和控制中心相连，控制中心和分流阀相连。

这样，可以通过氢气探头检测气路输送管道中氢气含量，当检测到氢气含量比例较低时，能够通过分流阀控制一部分混合气体输入到水煤气转化反应器中，使其和水蒸汽输送管道输入的水蒸气反应，将一部分一氧化碳转换生成氢气，提高混合气体中氢气的含量比例，进而保证后续甲烷化反应是氢气和一氧化碳各自含量的匹配程度，最大程度地提高后续甲烷化反应的效率。

进一步地，在生物质气化单元和焦油灰分去除装置之间的气路输送管道上还串联设置有一个容积式汽水换热器，容积式汽水换热器具有一个和冷却水管道相接的冷却水输入端，还具有一个水蒸气输出端，水蒸气输出端分流出两个水蒸气输送管道，其中一个水蒸气输送管道和一个二氧化碳输送管道汇合后连接到反应炉体的水蒸气及二氧化碳输入管道，另一个水蒸气输送管道连接到所述水煤气转化反应器的外壳上。

这样，利用了冷却水和刚刚从生物质气化反应炉反应输送出的混合气体换热，降低混合气体的温度，有利于后续焦油灰分去除装置的稳定工作，提高对焦油及灰分的去除效果；同时利用刚刚输出混合气体的高温余热，将冷却水汽化形成水蒸气，再分别供给生物质气化反应炉以及水煤气转化反应器作为反应原料使用，实现了热量和水资源的合理循环利用。极大地提高了系统整体的能量和资源利用效率。

进一步地，所述甲烷化反应单元包括依次串联设置的一级甲烷化反应器、一级热回收换热器、二级甲烷化反应器、二级热回收换热器、三级甲烷化反应器和三级热回收换热器，三级热回收换热器的气体出口通过气路输送管道连接到所述变压吸附分离器。

这样，通过串联的多级甲烷化反应器反应，更加充分地保证甲烷化反应的充分程度，保证原料的利用效率。甲烷化反应器自身为成熟的现有装置，具体结构不在此详述。

进一步地，变压吸附分离器具有一个甲烷气体出口和一个剩余气体出口，剩余气体出口通过剩余气体输送管道连接到一个燃气轮机发电系统，燃气轮机发电系统包括一个发电用燃烧室、一个空压机和一个发电用燃气轮机，剩余气体输送管道连接到发电用燃烧室作为燃料气源，空压机出口通过管道连接到发电用燃烧室作为助燃气源，发电用燃烧室的燃烧气体输出口通过管道连接到发电用燃气轮机供其发电；

发电用燃气轮机的废气输出端通过管道连接到一个余热蒸汽回收锅炉作为水源汽化用热源，所述一级热回收换热器、二级热回收换热器和三级热回收换热器各自的换热冷却水输出端通过管道连接到余热蒸汽回收锅炉作为水源并实现汽化，余热蒸汽回收锅炉的水蒸气输出端通过管道连接到一个汽轮机发电系统，汽轮机发电系统包括一个和余热蒸汽回收锅炉相接并用于发电的蒸汽轮机；

进一步地，蒸汽轮机的水蒸汽输出端通过管道和一个冷凝器相接，冷凝器通过循环管道和一个冷却塔相接构成水冷却循环，冷凝器还通过水回流管道和容积式汽水换热器、一级热回收换热器、二级热回收换热器和/或三级热回收换热器相接作为水源；

进一步地，进入所述甲烷化反应单元之前的气路输送管道上还连接有一根具有开关阀的直接燃烧用旁通管道，直接燃烧用旁通管道另一端连接到变压吸附分离器和燃气轮机发电系统之间的剩余气体输送管道相连。

这样，常规的人造天然气（甲烷）生产技术中，在变压吸附分离器吸附分离出人造天然气后，部分未反应完的含氢气和一氧化碳的剩余气体通常是采用循环回到前面甲烷化反应器之前循环反应利用；这样长期循环后，混合气体中不利于甲烷化反应的成分会越积越多，故降低了甲烷化反应器自身的反应效率。本申请中取消了常规的剩余气体回流循环反应的方式，首先采用了多级甲烷化反应器串联的方式，保证了混合气体甲烷化反应自身的充分完成。其次对于剩余气体中含有的氢气和一氧化碳，采用燃烧后依靠燃气轮机和蒸汽轮机实现二级发电利用的方式，既实现了对剩余气体热值的充分利用，又避免了长期回流累积不利成分导致甲烷化反应效率降低的缺陷。同时通过管路将各处局部结构设备的水管连接端连接成网，即保证了水资源对各局部换热设备所需换热介质的提供，又依靠水作为换热介质，辅助实现各设备之间的热值转移，提高系统的热值利用效率，同时还实现了冷却水在系统中的闭环式整体大循环使用，加大地降低了系统生产对水资源的需求和损耗。另外，直接燃烧用旁通管道的设置，使得系统可以根据需要在产出人造天然气和直接产出电能之间切换。例如，当甲烷化费用器需要检修或者更换时，混合气体就可以直接切换输送用于燃烧发电，能够保证整体系统的持续生产。

进一步地，余热蒸汽回收锅炉的废气输出端通过废气管道和净化装置相连后，连接到二氧化碳输入管道作为生物质气化单元的二氧化碳气源。

这样，余热蒸汽回收锅炉的废气被净化装置净化掉灰分等有害成分后，剩下的二氧化碳气体可以部分回流到生物质气化单元作为二氧化碳气源。进一步实现了整体资源的循环利用，降低生产成本。

综上所述，本发明能够更加高效稳定地实现生物质原料的气化以制备人造天然气，具有天然气产生效率高，质量好，天然气制备过程中热损失小，能量利用率高的优点。

附图说明

图1为本发明实施时采用的人造天然气生产系统的整体结构示意图。

图2为图1的人造天然气生产系统中单独生物质气化反应炉部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：一种太阳能生物质混合气化制备天然气的方法，将预制好的生物质颗粒原料送入生物质气化反应炉中气化，生成含有一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷、水和焦油灰分杂质的混合气体，再将混合气体去除焦油灰分杂质和二氧化碳后送入甲烷化反应单元中反应生成甲烷，其特点在于，生物质颗粒气化时以太阳能和部分生物质颗粒自身燃烧作为热源共同供热。

这样，生物质颗粒气化反应利用了太阳能和自身燃烧作为热源，无需额外的热源需求，更好地节省了能源，得到节能减耗的效果。

其中，所述以太阳能和部分生物质颗粒自身燃烧作为热源共同供热，是指在地表太阳直射区域设置太阳能反射系统，依靠太阳能反射系统将太阳光反射并集中照射到生物质气化反应炉供热，同时检测太阳光反射强度，依靠预设的比例，控制分配输送到生物质气化反应炉中的生物质颗粒原料的一部分直接进行燃烧，利用燃烧产生热量和太阳光反射热量共同对生物质气化反应炉供热并保证其反应温度稳定。

这样，不仅仅充分利用太阳能和生物质颗粒自身燃烧作为热源，而且通过控制生物质颗粒燃烧比例能够很好地缓解太阳能波动性对系统稳定性的影响。使其能够更加高效稳定地实现生物质原料的气化。实施时，可以根据事先计算和试验验证得到具体的燃烧原料控制比例和太阳光反射强度大小的对应关系，然后根据该预先确定的对应关系实现具体控制过程。

其中，所述生物质颗粒为秸秆粉碎制得的秸秆颗粒。

这样，采用秸秆为原料，可以实现农业作物秸秆的废物利用，达到变废为宝的效果。而且农业秸秆来源广泛，利用实现工业化生产。

其中，气化反应温度为800-1000℃。

该反应温度能够很好地保证生物质颗粒的气化反应效果，保证输出混合气体的稳定性。

本具体实施方式中，本方法采用图1-图2（图中箭头表示流体流动方向）所示的人造天然气生产系统实现，所述人造天然气生产系统，包括依靠气路输送管道依次连接的生物质气化单元、焦油灰分去除装置5、二氧化碳去除装置6、甲烷化反应单元和变压吸附分离器14。

这样各部分硬件装置可以采用现有的装置集成得到，便于生产应用。

其中，所述生物质气化单元包括安装在地面的定日聚光镜阵列1，定日聚光镜阵列1和控制中心（图中未显示）相连构成太阳能反射系统，还包括一个采用一个高塔2支撑设置在地面高处的生物质气化反应炉3，生物质气化反应炉3包括一个底座31，底座31上安装有一个反应炉体32，反应炉体32一侧外侧壁上位于定日聚光镜阵列反射太阳光汇聚点位置设置有一个聚光太阳能腔体接受器33，聚光太阳能腔体接受器33用于接收反射太阳光照射能量，反应炉体32的炉膛顶部设置有用于外接水蒸气及二氧化碳输入管道34的反应炉气态原料输入口以及用于外接生物质原料输入管道35的反应炉固态原料输入口，反应炉体32的炉膛底部还设置有热化学产物出口，热化学产物出口外接气路输送管道36；所述生物质气化反应炉还包括一个安装在底座上的生物质燃烧炉37，生物质燃烧炉顶部设置有用于输入生物质原料的燃烧炉固态原料输入口38，燃烧炉固态原料输入口通过一个安装有分流控制阀39的分流管道和生物质原料输入管道35相接，分流控制阀39和控制中心相连，生物质燃烧炉上还连接设置有燃烧用空气输入管道40，生物质颗粒燃烧炉底部还连接设置有烟气管道41，烟气管道41和包裹设置在反应炉体外表面的烟气加热夹层炉膛相连通42，烟气加热夹层炉膛顶部设置有炉膛烟气外排管道43。

这样，人造天然气生产系统使用时可以优先利用太阳能为热源，依靠控制定日聚光镜阵列反射太阳光为反应炉体集中供热，使其达到反应温度。输入到反应炉中的生物质颗粒原料和水蒸气及二氧化碳原料一起在高温下反应，生成含有一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷、水和焦油灰分杂质的混合气体，实现生物质颗粒的气化反应（该气化反应自身为现有技术）。同时，当太阳能不足时，可以通过分流控制阀和分流管道输送部分原料到生物质燃烧炉内燃烧，依靠燃烧产生的高温烟气输入到反应炉体外表面的烟气加热夹层炉膛中实现对反应炉体的补充供热，保证反应炉体反应温度能够满足需求。这样混合气化的方式，既实现了太阳能向化学能的转换利用，又弥补了太阳能稳定性差的缺陷，保证了系统的稳定运行和连续性产能。同时，生物质颗粒燃烧室单独设置在一个独立的生物质燃烧炉中，利用产生的高温烟气再输入到反应炉外周的夹层进行供热，能够保证生物质燃烧部分供热能够得到更加稳定可靠的控制。更好地保证了反应炉内部反应的稳定性和可靠性。

其中，聚光太阳能腔体接受器33往正对太阳光射入方向延伸设置，聚光太阳能腔体采用透明玻璃密封形成真空腔体，反应炉膛的迎光面采用具有加强光热吸收效果的选择性涂层，腔体内壁设置有光反射材料。

这样能够更好地将太阳能反射系统反射出的光线热量接收到并导入到反应炉体的炉膛中，保证太阳能的利用效率。

其中，聚光太阳能腔体接受器33内设置有温度探头（图中未显示），温度探头和控制中心相连。

这样，可以更好地根据检测到的聚光太阳能腔体接受器内接收汇聚反射的太阳光后的实时温度，控制调整分流控制阀的开启大小，以控制通过分流管道进入到生物质燃烧炉内的生物质颗粒比例，以精确保证生物质燃烧炉燃烧供热的稳定性和可靠性。

其中，反应炉体上端中部位置设置有一个尖端向下的锥形壳体44，锥形壳体44内部下端开口形成反应炉固态原料输入口，锥形壳体44内部沿轴线方向设置有转轴，转轴上安装有螺旋叶片，螺旋叶片外侧和锥形壳体44内壁相邻设置使其外侧轮廓整体呈锥形，转轴和一个送料电机（图中未示出）相连，锥形壳体上端和生物质原料输入管道35相接。

这样，反应炉体上端生物质颗粒原料在送料时，依靠送料电机控制转轴带动螺旋叶片旋转，将物料颗粒输送到反应炉体的炉膛中。独特的送料结构使得送料时物料颗粒能够抵御炉膛内部反应产生的压强，能够更加精确稳定地控制生物质颗粒物料在高压状态下实现连续且均匀的送料，保证反应炉体内部实现连续反应，有利于实现工业化连续生产。

其中，所述焦油灰分去除装置5为一个旋流除尘器。

旋流除尘器自身为成熟现有技术，采用离心式物理分离的方式，用于此处可以很好地实现混合气体中焦油和灰分的去除，同时保证其余成分的稳定性。具体实施时，也可以采用其他现有的焦油去除设备去除焦油。

其中，所述二氧化碳去除装置6，包括一个整体呈封闭状态的二氧化碳去除用容置体，二氧化碳去除用容置体内盛置有氢氧化钙溶液，二氧化碳去除用容置体输入端的通道直接连通到氢氧化钙溶液液面下方，二氧化碳去除用容置体位于液面的上方设置出气口外接用于输出的气路输送管道。

这样，使用时混合气体通过氢氧化钙溶液可以方便快捷地实现混合气体中二氧化碳的去除，使其和氢氧化钙反应生成碳酸钙，同时混合气体通过氢氧化钙溶液后使得夹杂的水蒸气部分能够被吸纳走，避免对后续步骤流程的影响。

其中，在二氧化碳去除装置6和甲烷化反应单元之间的气路输送管道上还通过一个分流阀（图中未显示）连接设置有一根转化反应用旁通管道71，转化反应用旁通管道连接有一个水煤气转化反应器7，水煤气转化反应器7的外壳上设置有一个和转化反应用旁通管道71相连的混合气体输入端，一个和水蒸汽输送管道72相连的水蒸气输入端以及一个和转化反应输出管道73相连的输出端，转化反应输出管道73另一端和转化反应用旁通管道与甲烷化反应单元之间的气路输送管道相连，水煤气转化反应器7内部还设置有用于促进一氧化碳和水反应生成二氧化碳和氢气的铜-锌-镁金属氧化物催化剂，所述进入分流阀之前的气路输送管道上还设置有氢气检测探头（图中未显示），氢气检测探头和控制中心相连，控制中心和分流阀相连。

这样，可以通过氢气探头检测气路输送管道中氢气含量，当检测到氢气含量比例较低时，能够通过分流阀控制一部分混合气体输入到水煤气转化反应器中，使其和水蒸汽输送管道输入的水蒸气反应，将一部分一氧化碳转换生成氢气，提高混合气体中氢气的含量比例，进而保证后续甲烷化反应是氢气和一氧化碳各自含量的匹配程度，最大程度地提高后续甲烷化反应的效率。

其中，在生物质气化单元和焦油灰分去除装置5之间的气路输送管道上还串联设置有一个容积式汽水换热器4，容积式汽水换热器4具有一个和冷却水管道411相接的冷却水输入端，还具有一个水蒸气输出端，水蒸气输出端分流出两个水蒸气输送管道，其中一个水蒸气输送管道和一个二氧化碳输送管道412汇合后连接到反应炉体的水蒸气及二氧化碳输入管道，另一个水蒸气输送管道连接到所述水煤气转化反应器7的外壳上。

这样，利用了冷却水和刚刚从生物质气化反应炉反应输送出的混合气体换热，降低混合气体的温度，有利于后续焦油灰分去除装置的稳定工作，提高对焦油及灰分的去除效果；同时利用刚刚输出混合气体的高温余热，将冷却水汽化形成水蒸气，再分别供给生物质气化反应炉以及水煤气转化反应器作为反应原料使用，实现了热量和水资源的合理循环利用。极大地提高了系统整体的能量和资源利用效率。

其中，所述甲烷化反应单元包括依次串联设置的一级甲烷化反应器8、一级热回收换热器9、二级甲烷化反应器10、二级热回收换热器11、三级甲烷化反应器12和三级热回收换热器13，三级热回收换热器13的气体出口通过气路输送管道连接到所述变压吸附分离器14。

这样，通过串联的多级甲烷化反应器反应，更加充分地保证甲烷化反应的充分程度，保证原料的利用效率。甲烷化反应器自身为成熟的现有装置，具体结构不在此详述。

其中，变压吸附分离器14具有一个甲烷气体出口141和一个剩余气体出口，剩余气体出口通过剩余气体输送管道连接到一个燃气轮机发电系统，燃气轮机发电系统包括一个发电用燃烧室16、一个空压机15和一个发电用燃气轮机17，剩余气体输送管道连接到发电用燃烧室16作为燃料气源，空压机15出口通过管道连接到发电用燃烧室作为助燃气源，发电用燃烧室16的燃烧气体输出口通过管道连接到发电用燃气轮机17供其发电；

发电用燃气轮机17的废气输出端通过管道连接到一个余热蒸汽回收锅炉18作为水源汽化用热源，所述一级热回收换热器9、二级热回收换热器11和三级热回收换热器13各自的换热冷却水输出端通过管道连接到余热蒸汽回收锅炉18作为水源并实现汽化，余热蒸汽回收锅炉18的水蒸气输出端通过管道连接到一个汽轮机发电系统，汽轮机发电系统包括一个和余热蒸汽回收锅炉相接并用于发电的蒸汽轮机19。

其中，蒸汽轮机19的水蒸汽输出端通过管道和一个冷凝器20相接，冷凝器20通过循环管道和一个冷却塔21相接构成水冷却循环，冷凝器20还通过水回流管道23和容积式汽水换热器4、一级热回收换热器9、二级热回收换热器11和/或三级热回收换热器13相接作为水源。

其中，进入所述甲烷化反应单元之前的气路输送管道上还连接有一根具有开关阀的直接燃烧用旁通管道24，直接燃烧用旁通管道24另一端连接到变压吸附分离器和燃气轮机发电系统之间的剩余气体输送管道相连。

这样，常规的人造天然气（甲烷）生产技术中，在变压吸附分离器吸附分离出人造天然气后，部分未反应完的含氢气和一氧化碳的剩余气体通常是采用循环回到前面甲烷化反应器之前循环反应利用；这样长期循环后，混合气体中不利于甲烷化反应的成分会越积越多，故降低了甲烷化反应器自身的反应效率。本申请中取消了常规的剩余气体回流循环反应的方式，首先采用了多级甲烷化反应器串联的方式，保证了混合气体甲烷化反应自身的充分完成。其次对于剩余气体中含有的氢气和一氧化碳，采用燃烧后依靠燃气轮机和蒸汽轮机实现二级发电利用的方式，既实现了对剩余气体热值的充分利用，又避免了长期回流累积不利成分导致甲烷化反应效率降低的缺陷。同时通过管路将各处局部结构设备的水管连接端连接成网，即保证了水资源对各局部换热设备所需换热介质的提供，又依靠水作为换热介质，辅助实现各设备之间的热值转移，提高系统的热值利用效率，同时还实现了冷却水在系统中的闭环式整体大循环使用，加大地降低了系统生产对水资源的需求和损耗。另外，直接燃烧用旁通管道的设置，使得系统可以根据需要在产出人造天然气和直接产出电能之间切换。例如，当甲烷化费用器需要检修或者更换时，混合气体就可以直接切换输送用于燃烧发电，能够保证整体系统的持续生产。

其中，余热蒸汽回收锅炉18的废气输出端通过废气管道25和净化装置相连后，连接到二氧化碳输入管道作为生物质气化单元的二氧化碳气源。

这样，余热蒸汽回收锅炉的废气被净化装置净化掉灰分等有害成分后，剩下的二氧化碳气体可以部分回流到生物质气化单元作为二氧化碳气源。进一步实现了整体资源的循环利用，减少CO₂排放，实现能源-环境共同友好发展，降低生产成本。

Claims (10)

1.一种生物质气化单元，包括安装在地面的定日聚光镜阵列，定日聚光镜阵列和控制中心相连构成太阳能反射系统，还包括一个设置在地面高处的生物质气化反应炉，生物质气化反应炉包括一个底座，底座上安装有一个反应炉体，反应炉体一侧外侧壁上位于定日聚光镜阵列反射太阳光汇聚点位置设置有一个聚光太阳能腔体接受器，聚光太阳能腔体接受器用于接收反射太阳光照射能量，反应炉体的炉膛顶部设置有用于外接水蒸气及二氧化碳输入管道的反应炉气态原料输入口以及用于外接生物质原料输入管道的反应炉固态原料输入口，反应炉体的炉膛底部还设置有热化学产物出口，热化学产物出口外接气路输送管道；其特征在于，所述生物质气化反应炉还包括一个安装在底座上的生物质燃烧炉，生物质燃烧炉顶部设置有用于输入生物质原料的燃烧炉固态原料输入口，燃烧炉固态原料输入口通过一个安装有分流控制阀的分流管道和生物质原料输入管道相接，分流控制阀和控制中心相连，生物质燃烧炉上还连接设置有燃烧用空气输入管道，生物质颗粒燃烧炉底部还连接设置有烟气管道，烟气管道和包裹设置在反应炉体外表面的烟气加热夹层炉膛相连通，烟气加热夹层炉膛顶部设置有炉膛烟气外排管道。

2.如权利要求1所述的生物质气化单元，其特征在于，聚光太阳能腔体接受器往正对太阳光射入方向延伸设置，聚光太阳能腔体采用透明玻璃密封形成真空腔体，反应炉膛的迎光面采用具有加强光热吸收效果的选择性涂层，腔体内壁设置有光反射材料。

3.如权利要求1所述的生物质气化单元，其特征在于，聚光太阳能腔体接受器内设置有温度探头，温度探头和控制中心相连。

4.如权利要求1所述的生物质气化单元，其特征在于，反应炉体上端中部位置设置有一个尖端向下的锥形壳体，锥形壳体内部下端开口形成反应炉固态原料输入口，锥形壳体内部沿轴线方向设置有转轴，转轴上安装有螺旋叶片，螺旋叶片外侧和锥形壳体内壁相邻设置使其外侧轮廓整体呈锥形，转轴和一个送料电机相连，锥形壳体上端和生物质原料输入管道相接。

5.一种人造天然气生产系统，包括依靠气路输送管道依次连接的生物质气化单元、焦油灰分去除装置、二氧化碳去除装置、甲烷化反应单元和变压吸附分离器；其特征在于，生物质气化单元为如权利要求1-4任一权利要求所述的生物质气化单元。

6.如权利要求5所述的人造天然气生产系统，其特征在于，所述焦油灰分去除装置为一个旋流除尘器；

所述二氧化碳去除装置，包括一个整体呈封闭状态的二氧化碳去除用容置体，二氧化碳去除用容置体内盛置有氢氧化钙溶液，二氧化碳去除用容置体输入端的通道直接连通到氢氧化钙溶液液面下方，二氧化碳去除用容置体位于液面的上方设置出气口外接用于输出的气路输送管道；

在二氧化碳去除装置和甲烷化反应单元之间的气路输送管道上还通过一个分流阀连接设置有一根转化反应用旁通管道，转化反应用旁通管道连接有一个水煤气转化反应器，水煤气转化反应器的外壳上设置有一个和转化反应用旁通管道相连的混合气体输入端，一个和水蒸汽输送管道相连的水蒸气输入端以及一个和转化反应输出管道相连的输出端，转化反应输出管道另一端和转化反应用旁通管道与甲烷化反应单元之间的气路输送管道相连，水煤气转化反应器内部还充满有用于促进一氧化碳和水反应生成二氧化碳和氢气的催化剂，所述进入分流阀之前的气路输送管道上还设置有氢气检测探头，氢气检测探头和控制中心相连，控制中心和分流阀相连。

7.如权利要求6所述的人造天然气生产系统，其特征在于，在生物质气化单元和焦油灰分去除装置之间的气路输送管道上还串联设置有一个容积式汽水换热器，容积式汽水换热器具有一个和冷却水管道相接的冷却水输入端，还具有一个水蒸气输出端，水蒸气输出端分流出两个水蒸气输送管道，其中一个水蒸气输送管道和一个二氧化碳输送管道汇合后连接到反应炉体的水蒸气及二氧化碳输入管道，另一个水蒸气输送管道连接到所述水煤气转化反应器的外壳上。

8.如权利要求6所述的人造天然气生产系统，其特征在于，所述甲烷化反应单元包括依次串联设置的一级甲烷化反应器、一级热回收换热器、二级甲烷化反应器、二级热回收换热器、三级甲烷化反应器和三级热回收换热器，三级热回收换热器的气体出口通过气路输送管道连接到所述变压吸附分离器。

9.如权利要求8所述的人造天然气生产系统，其特征在于，变压吸附分离器具有一个甲烷气体出口和一个剩余气体出口，剩余气体出口通过剩余气体输送管道连接到一个燃气轮机发电系统，燃气轮机发电系统包括一个发电用燃烧室、一个空压机和一个发电用燃气轮机，剩余气体输送管道连接到发电用燃烧室作为燃料气源，空压机出口通过管道连接到发电用燃烧室作为助燃气源，发电用燃烧室的燃烧气体输出口通过管道连接到气轮机供其发电。

10.如权利要求9所述的人造天然气生产系统，其特征在于，发电用燃气轮机的废气输出端通过管道连接到一个余热蒸汽回收锅炉作为水源汽化用热源，所述一级热回收换热器、二级热回收换热器和三级热回收换热器各自的换热冷却水输出端通过管道连接到余热蒸汽回收锅炉作为水源并实现汽化，余热蒸汽回收锅炉的水蒸气输出端通过管道连接到一个汽轮机发电系统，汽轮机发电系统包括一个和余热蒸汽回收锅炉相接并用于发电的蒸汽轮机；

蒸汽轮机的水蒸汽输出端通过管道和一个冷凝器相接，冷凝器通过循环管道和一个冷却塔相接构成水冷却循环，冷凝器还通过水回流管道和容积式汽水换热器、一级热回收换热器、二级热回收换热器和/或三级热回收换热器相接作为水源；

进入所述甲烷化反应单元之前的气路输送管道上还连接有一根具有开关阀的直接燃烧用旁通管道，直接燃烧用旁通管道另一端连接到变压吸附分离器和燃气轮机发电系统之间的剩余气体输送管道相连。

Images