CN115261079B - 一种制备合成气的循环流化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种制备合成气的循环流化装置及方法，循环流化塔包括第一反应器和循环传热器，第一反应器内壁水平设有塔板，塔板下方为热解反应器，上方为气化反应器；循环传热器上端安装防脱罩，与循环传热器开口留有间距，热解反应器下端安装螺旋进料器，聚光镜阵列间隔排布，抛物面聚光镜固定在气化反应器正上方，气化反应器上端与净化器入口连通。将热载体送入热解反应器，通入水蒸气，热载体循环流化，热载体吸收太阳光热量后升温，使热解和气化反应器达到反应温度；将颗粒送入热解反应器热解，挥发出挥发分，后生成半焦，进入气化反应器气化反应，生成氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的合成气，通过第一出气管输送到净化器。

Description

一种制备合成气的循环流化装置及方法
技术领域
本发明属于生物质能源领域，具体涉及一种制备合成气的循环流化装置及方法。
背景技术
确保能源供给是现代社会与经济发展的先决条件。化石燃料的开采、燃烧及利用排放了大量废气，污染了大气，近十几年来，地球大气层中的大气成分己有很大的变化：空气中的CO2增加了25％，氮氧化物和硫氧化物含量大大增加。
为了解决人们面临的能源危机和环境污染问题，应大力发展新能源和可再生能源。生物质能是一种清洁利用的能源，具有可储存、运输、再生、转换等特点，并较少的受到自然条件的制约。随着人们对环境以及能源利用等方面的日益关注，人们深刻认识到煤、石油、天然气等化石能源的资源有限性和环境污染问题，而生物质能作为一项可再生的清洁能源体现了很大的优越性。随着城镇化进程的不断加快，城市生活垃圾产生量逐年递增，对自然环境和人体健康造成破坏，且现有的处理方式如垃圾填埋、垃圾焚烧等都会对环境有较大污染，发展新的生活垃圾处理方式为当下亟需解决的重要问题之一。城市生活垃圾气化处理是实现生活垃圾减量化、无害化和资源化的有效手段之一，具有广阔的发展前景。
目前生物质气化及生活垃圾气化还存在诸多问题，如适宜的气化温度较高，因此能耗过大；产品气热值低、H:C比例低，不能满足发电、合成化工原料及制氢等需求；产品气中焦油、灰含量过高，需要进行除焦油、除尘操作，而且成本过高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种制备合成气的循环流化装置及方法，实现了基于太阳能集热和自供热对生物质/生活垃圾的气化。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种制备合成气的循环流化装置，包括循环流化塔、净化器和太阳能聚光加热系统：
所述的循环流化塔包括相互连通且垂直设置的第一反应器和循环传热器，第一反应器中沿第一反应器的内壁水平设置有塔板，第一反应器中塔板下方的区域为热解反应器，塔板中开设有孔径小于原料粒径且大于热载体粒径的气孔，第一反应器中塔板上方的区域为气化反应器；循环传热器的上端为开口设置，循环传热器的上端安装有防脱罩，防脱罩深入循环传热器且防脱罩上端的内壁与循环传热器的开口留有间距，原料通过生物质、城市生活垃圾或任意质量比的生物质/城市生活垃圾粉碎后制成；
所述热解反应器的下端一侧安装有螺旋进料器，太阳能聚光加热系统设置在太阳直射区域，包括若干个聚光镜阵列和一个抛物面聚光镜，若干个聚光镜阵列间隔排布，抛物面聚光镜固定在气化反应器的正上方，气化反应器上端一侧通过第一出气管与净化器的入口连通。
优选的，所述的防脱罩包括平滑连接且竖直分布的圆柱段和减缩段，减缩段位于下方，减缩段的底部上下倾斜设置，减缩段与循环传热器上端对应的外壁密封固定连接，圆柱段和循环传热器上端之间的环形区域安装有圆柱型的限位罩，限位罩开口朝下，限位罩和循环传热器上端之间固定有若干周向分布的水平连接杆，限位罩、减缩段与循环传热器上端的外壁形成热载体的垂直通道，减缩段的底部形成热载体的下滑通道。
进一步，还包括容积式汽水换热器，第一出气管与容积式汽水换热器的第一入口连通，容积式汽水换热器的第一出口通过气路输送管道与净化器的入口连通；
容积式汽水换热器的第二入口与冷却水管道连通，容积式汽水换热器的第二出口与水蒸气输出管道连通，水蒸气输出管道的第一出口连接在热解反应器的底部。
进一步，所述的气路输送管道上安装有连接到循环传热器的合成气输出管道，合成气输出管道和气路输送管道的连接处安装有电动三通法兰球阀，防脱罩上端一侧开设有第二出气管；
所述气孔的孔径为0.5～2mm，塔板上未开孔的区域设置有若干个孔径为4～8mm的遮孔，每个遮孔的斜上方均固定有遮孔片，遮孔片的直径与遮孔的孔径相同，遮孔片与塔板的上表面成40°～75°的夹角。
再进一步，所述的热解反应器和循环传热器通过第一管路连通，气化反应器和循环传热器通过第二管路连通；
所述第一管路包括依次连通且为一体结构的第一水平段、第一垂直下降段、第二水平段、垂直上升段和倾斜段，第一水平段的一端与热解反应器的下端连通，第一垂直下降段和垂直上升段的长度相同，倾斜段的末端与循环传热器的下端连通，倾斜段的末端低于第一水平段，水蒸气输出管道的第二出口连接在第二水平段中；
所述第二管路包括依次连通且为一体结构的第三水平段、第二垂直下降段和第四水平段，第三水平段的一端与气化反应器的上端连通，第三水平段与气化反应器连通的一端横截面为直角梯形，直角梯形短腰位于上方，直角梯形长腰位于下方且斜向上分布，第四水平段与防脱罩减缩段的底部最下端连通，水蒸气输出管道的第三出口连接在第四水平段中。
优选的，还包括分别包裹在气化反应器和热解反应器外壁的电加热套，电加热套为相互连接的高温电热丝和热电偶，热电偶的外部由内到外依次包裹有隔热材料和金属外壳。
一种制备合成气的循环流化方法，基于上述任意一项所述的制备合成气的循环流化装置，包括如下步骤：
步骤1，通过螺旋进料器，将粒径小于气孔的热载体送入热解反应器中，在热解反应器中向上通入流速为0.25～2kg/h的水蒸气，热载体达到鼓泡状态并在防脱罩的作用下依次在热解反应器、循环传热器、气化反应器和塔板形成的逆时针闭环中循环流化，热载体在气化反应器中吸收抛物面聚光镜聚焦的太阳光热量后升温，使热解反应器和气化反应器达到原料对应的反应温度；
步骤2，将生物质、城市生活垃圾或任意质量比的生物质/城市生活垃圾先粉碎，之后制成粒径为1～10mm的颗粒，将所述颗粒通过螺旋进料器送入热解反应器中，所述颗粒在热解反应器中进行热解反应，先挥发出挥发分，之后生成半焦，通过气孔进入气化反应器，在水蒸气的参与下气化反应，生成氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的合成气；
步骤3，合成气通过第一出气管输送到净化器中。
优选的，步骤3中所述的合成气先通过第一出气管输送到容积式汽水换热器中，冷却水管道中的冷却水在容积式汽水换热器中，利用间壁式换热吸收合成气的余热，冷却水变为中低压水蒸气，降温后的合成气通过气路输送管道输送到净化器中，形成新的步骤；
当中低压水蒸气达到稳定状态后，关闭步骤1所述的水蒸气，通过水蒸气输出管道将中低压水蒸气的流速控制为0.25～2kg/h后输出至热解反应器中，之后按如下过程循环：
中低压水蒸气继续使热载体达到鼓泡状态并进行逆时针闭环循环流化，使热解反应器和气化反应器达到原料对应的反应温度，颗粒按照步骤2所述的过程，生成氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的合成气，合成气按照新的步骤3进行处理。
进一步，根据颗粒热解反应和气化反应所需的总热量，通过计算机控制电动三通法兰球阀的开度，将输送到净化器的一部分合成气向循环传热器中输送，循环传热器中的合成气进行燃烧，燃烧产生的热量加热热载体，热载体循环至气化反应器和热解反应器中对步骤排出；
中低压水蒸气通过水蒸气输出管道分别接入在第二水平段和第四水平段中，在第一管路和第二管路中分别形成一道气墙。
再进一步，当中低压水蒸气不稳定时，热电偶检测到热解反应器、气化反应器或热解反应器和气化反应器的温度低于颗粒的反应温度，数控系统控制高温电热丝升温，加热对应的反应器外壁，热量传导至对应反应器的内腔中，当对应的反应器达到反应温度后自动停止。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种制备合成气的循环流化装置，将循环流化塔设计为相互连通且垂直的第一反应器和循环传热器，这样一方面可以在第一反应器中，沿第一反应器内壁水平安装塔板，由于在具体制备合成气时，需要水蒸气作为载气和气化反应的气化剂，因此首先在下方发生热解反应，基于此，塔板下方的区域为热解反应器，塔板上方的区域为气化反应器，塔板中开设的气孔孔径小于原料粒径，这样通过热解反应器下端一侧安装的螺旋进料器，颗粒进入热解反应器时不能通过塔板进入气化反应器，颗粒粒径随反应进行逐渐减少，生成半焦后可以通过塔板的气孔进入气化反应器并在水蒸气的参与下气化反应，生成氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的合成气；另一方面，加之循环传热器的上端开口，且安装有防脱罩，用于为颗粒提供热量的热载体可以在水蒸气的作用下依次在热解反应器、循环传热器、气化反应器和塔板形成的逆时针闭环中循环流化。将太阳能聚光加热系统设置在太阳直射区域，这样若干个间隔排布的聚光镜阵列能吸收到太阳能，抛物面聚光镜固定在气化反应器的正上方，光镜阵列便可将太阳光反射至抛物面聚光镜上，抛物面聚光镜将太阳光聚焦为太阳光点，透过气化反应器直接照射热载体，热载体进而可将热量传递给原料，气化反应器上端一侧通过第一出气管与净化器的入口连通，这样产生的合成气可以通过第一出气管输送到净化器中，能实现基于太阳能集热对生物质、城市生活垃圾或生物质/生活垃圾的气化，能耗较少，产品气热值高，焦油和灰含量较低、H:C比例高，能满足发电、合成化工原料及制氢等需求。
本发明一种制备合成气的循环流化方法，通过螺旋进料器可将粒径小于气孔的热载体送入热解反应器中，之后在热解反应器中向上通入流速为0.25～2kg/h的水蒸气，可使水蒸气带动热载体达到鼓泡状态，在防脱罩的作用下，热载体可依次在热解反应器、循环传热器、气化反应器和塔板中形成的逆时针闭环中循环流化，热载体在气化反应器中可吸收抛物面聚光镜聚焦的太阳光热量后升温，使热解反应器和气化反应器达到原料对应的反应温度；之后将生物质、城市生活垃圾或任意质量比的生物质/城市生活垃圾粉碎制成粒径为1～10mm的颗粒，通过螺旋进料器送入热解反应器中，颗粒可在热解反应器中进行热解反应，先挥发出挥发分，颗粒粒径随反应进行逐渐减少，之后生成半焦后通过气孔进入气化反应器，半焦具有多孔结构，可以吸附热解反应产生的焦油，且半焦中含有碱金属和碱土金属元素，如K2O、CaO、Na2CO3和MgCO3，在高温下可分解为离子形态K+、Ca2+、Na+和Mg2+，可作为催化剂对焦油进一步进行催化裂化反应，因此可提升气化效率和碳转化率，降低合成气中焦油的含量。在水蒸气的参与下颗粒可继续进行气化反应，生成氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的合成气，合成气通过第一出气管可输送到净化器中，分离其中的灰渣等小而轻的杂质，便于之后进行储存。本发明实现了基于太阳能集热对生物质、城市生活垃圾或生物质/生活垃圾的气化，能耗较少，产品气热值高，焦油和灰含量较低、H:C比例高，能满足发电、合成化工原料及制氢等需求。
附图说明
图1为本发明所述的循环流化装置结构示意图。
图2为图1中循环流化塔的结构示意图。
图3为本发明实施例1所述原料制得的合成气中气体组成与相应原料直接气化的气体组成对比图。
图4为图2中塔板的俯视图。
图5为图2中塔板的主视图。
图中：2-容积式汽水换热器，3-净化器，5-合成气储罐，6-电动三通法兰球阀，7-螺旋进料器，8-塔板，9-电加热套，11-气化反应器，12-循环传热器，13-热解反应器，14-防脱罩，15-第一出气管，16-第二出气管，17-限位罩，41-聚光镜阵列，42-抛物面聚光镜，61-气孔，62-遮孔，63-遮孔片。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种通过生物质和/或城市生活垃圾制备合成气的循环流化装置，如图1所示，包括循环流化塔、净化器3、容积式汽水换热器2、太阳能聚光加热系统和合成气储罐5。结合图2，循环流化塔包括相互连通的第一反应器和循环传热器12。第一反应器的高度中心沿第一反应器的内壁水平安装有塔板8，第一反应器被塔板8分隔成位于下方的热解反应器13和上方的气化反应器11。循环传热器12的上端留有开口，循环传热器12上端安装防脱罩14，防脱罩14深入循环传热器12且内壁与循环传热器12的开口留有间距。气化反应器11最上方的出口通过第一出气管15与容积式汽水换热器2左侧的第一入口相通，容积式汽水换热器2右侧的第一出口通过气路输送管道与净化器3的入口相通，该气路输送管道上安装有连接到循环传热器12的合成气输出管道，合成气输出管道和气路输送管道的连接处安装有电动三通法兰球阀6，通过电动三通法兰球阀6进行开度控制，净化器3的第一出口与合成气储罐5的入口相通，净化器3下表面的第二出口可排出灰渣等小而轻的杂质。容积式汽水换热器2上方的第二入口与冷却水管道相通，容积式汽水换热器2下方的第二出口与水蒸气输出管道相连通，水蒸气输出管道的出口分别连接在热解反应器13的底部，当需要燃烧合成气作为辅助热源时，容积式汽水换热器2下方的另外两个出口分别连接在热解反应器13下段与循环传热器12的连接处、气化反应器11上段与循环传热器12的连接处。容积式汽水换热器2利用间壁式换热吸收合成气余热，将冷却水变为中低压水蒸气，并通过水蒸气输出管道输出至热解反应器13中，以及热解反应器13和气化反应器11的外侧入口。合成气由此造成的温度降低有利于下一步通过净化器3分离其中的灰渣等小而轻的杂质，最后储存在合成气储罐5中。水蒸气具体通入热解反应器13下段与循环传热器12的连接处、气化反应器11上段与循环传热器12的连接处，通过通入一定压力的水蒸气形成一道气墙，可防止循环传热器12中的空气分别进入热解反应器13和气化反应器11中，影响合成气成分的准确分析。
具体地，热解反应器13和循环传热器12通过第一管路连通，气化反应器11和循环传热器12通过第二管路连通。第一管路包括一体结构的第一水平段、第一垂直下降段、第二水平段、垂直上升段和倾斜段，第一水平段、第一垂直下降段、第二水平段、垂直上升段和倾斜段依次连通，第一水平段的一端与热解反应器13的下端连通，第一垂直下降段和垂直上升段的长度相同，倾斜段的末端与循环传热器12的下端连通，倾斜段的末端低于第一水平段，因此水蒸气输出管道的第二个出口可以连接在第二水平段中。第二管路包括一体结构的第三水平段、第二垂直下降段和第四水平段，第三水平段、第二垂直下降段和第四水平段依次连通，第三水平段的一端与气化反应器11的上端连通，第三水平段与气化反应器11连通的一端横截面为直角梯形，直角梯形的短腰位于上方，直角梯形的长腰则位于下方且斜向上分布，第四水平段与防脱罩14的最下端连通，因此水蒸气输出管道的第三个出口连接在第四水平段中。
如图2所示，防脱罩14属于异形结构，包括平滑连接且竖直分布的圆柱段和减缩段，图2仅仅只是展示了防脱罩14一种具体结构的轮廓，防脱罩14减缩段位于下方，底部上下倾斜设置，减缩段与循环传热器12上端对应的外壁需要密封固定连接，圆柱段和循环传热器12上端之间的环形区域安装有圆柱型的限位罩17，限位罩17开口朝下，限位罩17和循环传热器12上端之间焊接有若干周向且水平分布的钢管，限位罩17、减缩段与循环传热器12上端的外壁形成了热载体的垂直通道，减缩段的底部则形成热载体的下滑通道，第四水平段与防脱罩14减缩段的底部最下端连通，这样热载体自下而上从循环传热器12中出来之后首先在限位罩17的作用下顺着垂直通道向下流动，再顺着下滑通道进入第四水平段，进而进入气化反应器11中。
净化器3具体为旋风分离除尘器，它是一种利用气固混合物在做高速旋转时所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的干式气固分离设备。热解反应器13下端远离循环传热器12的一侧设置有一个现有的螺旋进料器7。旋风分离除尘器和螺旋进料器7均为市场上直接购买得到。螺旋进料器7由一个尖端向下的锥形壳体、转轴和一个送料电机组成，锥形壳体上部开口形成颗粒入口，锥形壳体内底部沿水平轴线方向设置有转轴，转轴上安装有螺旋叶片，送料电机和转轴相连。
塔板8的结构如图4和图5所示，气孔61孔径为0.5～2mm，开孔率为4％～15％，在塔板中心和四角随机布局成五块，每块由若干个气孔61间隔排列，塔板8上未开孔的区域设置有若干个遮孔62，遮孔62的孔径为4～8mm。遮孔片63的直径与遮孔62的孔径相同，固定在遮孔62的斜上方，与塔板8的上表面成40°～75°的夹角。
在地表太阳直射区域设置太阳能聚光加热系统，太阳能聚光加热系统由若干个聚光镜阵列41和一个抛物面聚光镜42组成，若干个聚光镜阵列41间隔排布，可以形成弧形，图1中的结构只是一个示意，每个聚光镜阵列41均设置有相应的支撑柱，保证均能吸收到太阳能，抛物面聚光镜42固定在气化反应器11的正上方。气化反应器11的顶部通过透明玻璃密封，形成透明视窗，玻璃的材质为Al2O3，因为太阳光的温度一般超过1500℃，石英不能耐受此温度，气化反应器11和热解反应器13的材质为任一耐高温合金，如FeCrAl合金。聚光镜阵列41将太阳光反射至抛物面聚光镜42上，由抛物面聚光镜42将太阳光聚焦为太阳光点，即太阳光所形成的一个点，之后太阳光点透过气化反应器11顶部的透明视窗直接照射循环流化塔中的热载体，热载体进而可将热量传递给颗粒状的原料。
电加热套9为现有的，包裹在气化反应器11和热解反应器13的外壁，位置如图1所示，气化反应器11和热解反应器13外壁的剩余区域包裹隔热材料，电加热套9为相互连接的高温电热丝和热电偶，在靠近每个反应器外壁处均设置有6～10组高温电热丝，用于加热对应的反应器。热电偶用于检测对应的反应器表面温度，热电偶的外部由内到外依次包裹有隔热材料硅酸铝和金属外壳，由现有的数控系统控制。
本发明一种通过生物质和/或城市生活垃圾制备合成气的循环流化方法，具体按照如下过程进行：
步骤1：通过螺旋进料器7中转轴的转动，螺旋叶片将热载体先送入热解反应器13的底部，热载体的材质为石英砂、Al2O3或负载有CaO的Al2O3，粒径均为200～1000μm，小于气孔61的孔径。其中，Al2O3负载CaO的用量可以为Al2O3质量的20％，负载量可以调节，均为现有，具体的现有方法为将Al2O3颗粒加入去离子水和Ca(NO3)2混合的溶液中，边加入边搅拌使其浸渍均匀，拿出后室温静置2h后于80℃烘干12h，再放入马弗炉600～850℃焙烧5h。
同时向上通入其他途径得到的外源水蒸气，水蒸气输出到热解反应器13中作为载气及之后参与气化反应的气化剂，再调节水蒸气的流速为0.25～2kg/h，测量气化反应器11和热解反应器13内的压力，使压差达到100～150mbar，此时热载体便达到鼓泡状态，热载体最初在气化反应器11中吸收抛物面聚光镜42聚焦的太阳光热量后开始升温，由于热载体密度较大，在有水蒸气向上吹的条件下也能通过塔板8向下坠，热载体在循环流化塔中并在防脱罩14的作用下依次在热解反应器13、循环传热器12、气化反应器11和塔板8形成的逆时针闭环中循环流化，不损失，直到反应结束再取出。热载体循环起来并且使热解反应器13达到400～600℃、气化反应器11达到850～1050℃。
螺旋进料器7为可拆卸组件，当需要将热载体取出时，首先从热解反应器13下端拆除螺旋进料器7，关闭第一出气管15和第二出气管16，之后利用水蒸气将热载体从热解反应器13中吹出。
步骤2：将生物质、城市生活垃圾或任意质量比的生物质/城市生活垃圾先粉碎，后制成粒径为1～10mm的颗粒，保证具体颗粒的粒径大于气孔61的孔径，这样颗粒刚进入热解反应器13时不能通过塔板8。通过螺旋进料器7中转轴的转动，螺旋叶片将颗粒送入热解反应器13底部，螺旋进料器进料量为0.5～3kg/h，进料量过少，颗粒不能及时转移走热载体的热量，导致第一反应器内温度越来越高，会损坏气化反应器11和热解反应器13，时间过长就会延伸至循环传热器12，若进料量过多，会导致热载体温度下降过快，增加能耗，并且减少反应效率。
颗粒在热解反应器13中，于400～600℃热解反应一段时间，挥发出挥发分，颗粒粒径随反应进行逐渐减少；生成半焦后可以通过塔板8的气孔61进入气化反应器11并于850～1050℃，在水蒸气的参与下气化反应，生成氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的合成气。合成气先通过第一出气管15输送到容积式汽水换热器2中，再通过气路输送管道输送到净化器3中，净化器3排出灰渣等小而轻的杂质，最终将净化后的合成气存储在合成气储罐5中。半焦具有多孔结构，可以吸附热解反应产生的焦油，且半焦中含有碱金属和碱土金属元素，如K2O、CaO、Na2CO3和MgCO3，在高温下分解为离子形态K+、Ca2+、Na+和Mg2+，可作为催化剂，对焦油进一步进行催化裂化反应，因此可提升气化效率和碳转化率，降低合成气中焦油的含量。颗粒不断地依次进行热解反应和气化反应，当热载体再次从气化反应器11流动到热解反应器13时，其自身的温度为450～650℃，因此这些热量可对新进入的颗粒进行加热，便于它们进行热解反应。
步骤3：等到容积式汽水换热器2下方的水蒸气输出管道可以出来稳定的水蒸气后，冷却水管道中的冷却水在容积式汽水换热器2中，利用间壁式换热吸收合成气的余热，将冷却水变为中低压水蒸气，并通过水蒸气输出管道将中低压水蒸气的流速控制为0.25～2kg/h后输出至热解反应器13中，容积式汽水换热器2流出的水蒸气便从热解反应器13的最底部进入热解反应器13，此时再关闭外源水蒸气，剩余过程不变。当需要燃烧合成气作为辅助热源时，容积式汽水换热器2下方的另外两个出口则分别连接在第二水平段和第四水平段中。
热解反应和气化反应最初由太阳能聚光加热系统产生的太阳能作为热源，随着反应的持续进行，需要燃烧合成气或电加热为辅助热源，作为另一部分热源，提供所有颗粒两个反应所需的热量，并使反应温度稳定。这样，在进行热解反应及气化反应时，不需要其他热源来提供能量，可以选择将全部的合成气输出到净化器3中，此时另一部分热源来自于电加热。
依靠太阳能聚光加热系统将太阳光反射并集中照射到气化反应器11顶部供热，同时检测太阳的能量密度。当使用自燃烧合成气作为辅助热源时，在具体实施时，通过工程经验式计算生成的合成气的热值，就可以得到消耗1m3合成气可以产生多少热量，再通过计算，通过计算机控制电动三通法兰球阀6的开度，将输送到净化器3的合成气按比例向循环传热器12中输送，这些合成气在循环传热器12中进行燃烧，燃烧产生热量加热热载体，热载体循环至气化反应器11和热解反应器13依次给气化反应和热解反应供给热量，利用燃烧产生的热量加热和太阳光反射热量共同对热解反应器13和气化反应器11供热并保证原料达到相应的反应温度并保持稳定，由于防脱罩14上端一侧开设有第二出气管16，这样产生的废烟气先从限位罩17中流出，再向上流动，通过第二出气管16排出。
当使用电加热作为辅助热源时，在具体实施时，计算机控制电动三通法兰球阀6关闭，控制电加热套9分段加热热解反应器13和气化反应器11。当中低压水蒸气不稳定时，当热电偶检测到热解反应器13、气化反应器11或热解反应器13和气化反应器11温度低于对应反应器的反应温度，数控系统会控制高温电热丝升温加热对应的反应器外壁，并将热量传导至对应反应器的内腔中，当达到热解反应器13和气化反应器11的反应温度后自动停止，这样往复进行，直到反应结束。
通过检测太阳光点的能量密度，根据公式1计算出合成气的低位热值：
LHVg＝126.36CO+107.98H2+358.18CH4
其低位热值单位为KJ/m3，通过公式1可计算出每m3合成气燃烧产生的热量，这是一个理论值，实际上会比理论值偏小，根据实际数值调整自燃烧合成气具体的比例，并且需要知道颗粒的比热容，颗粒比热容cp为1620J/。通过玉米秸秆的比热容及质量可以计算得到将所有玉米秸秆升到800℃所需的热量，再通过合成气组成计算玉米秸秆进入后反应所需的热量，之后通过公式1和太阳光点能量密度计算出所需合成气体积，然后通过计算机调控电动三通法兰球阀6将一定量合成气通入循环传热器12内进行燃烧供热。
例：玉米秸秆进料量为3kg/h，太阳光点能量密度为8MW/m2，光点面积0.0002m2，其太阳光点能量为5.76MJ/h，每小时对应的3kg玉米秸秆升温至气化温度800℃所需能量可利用下式计算：
Q＝Cp×m×(t2-t1)
Cp为玉米秸秆比热容，m为玉米秸秆质量，t1、t2为起始及最终温度，计算得到3kg玉米秸秆从20℃升温至800℃所需能量为3.79MJ。
气化得到的气体体积、合成气比例、合成气热值如下表1：
表1气化得到的气体体积、合成气比例、合成气热值
根据合成气各组分量计算每小时主要气化反应消耗能量，如表2：
表2每小时主要气化反应消耗的能量
主要气化反应 ΔH 消耗能量(MJ)
C+H2O→CO+H2 135.766 9.23
CO+H2O→CO2+H2 -34.116 -1.39
C+2H2→CH4 -89.449 -2.14
需要说明的是表1中12.39MJ/m3是通过将合成气比例直接带入公式1中计算得到的，则每小时需要能量为3.79+9.23-1.39-2.14＝9.49MJ，减去太阳光点提供的能量至少还需3.73MJ，因此每小时至少需要燃烧0.3m3合成气提供剩余能量。
生物质具体可以为玉米秸秆。城市生活垃圾需要去除玻璃、沙土等不可燃组分。
实施例1
原料为生物质/城市生活垃圾颗粒，分别对应玉米秸秆和城市生活垃圾，其中生活垃圾组成为：织物2.1％，纸张和竹木25％，厨余57.8％，塑料15.1％，其质量比例为1：1，粒径为5mm，热载体为石英砂，粒径为750μm，螺旋进料器进料量为1kg/h。
热解温度为500℃，气化温度为850℃。
热解反应过程为：
生物质/城市生活垃圾→半焦+焦油+挥发分
气化反应过程为：
C+H2O→CO+H2；
C+CO2→2CO；
C+2H2→CH4；
CH4+H2O→CO+3H2；
CO+H2O→CO2+H2；
塔板开孔率为8％，气孔61孔径为1mm，遮孔62孔径为4mm，遮孔62上遮遮片63角度为45°，得到的主要气体组成与直接气化气体组成对比如图3所示，其中的气体含量单位为mmol.gsample -1。通过实施例1与采用相同原料进行普通气化的结果进行对比，实施例1得到更多的H2、CO和CH4，其中H2产率增长了42.84％，CO产率增长了7.22％，CH4产率增长了312.55％；且碳转化率和气化效率得到明显提高。普通气化为固定床气化，也就是将相同材质、质量的生物质放置在管式炉中，通入水蒸气作为载气，在相同气化温度下进行气化反应。

Claims (4)

1.一种制备合成气的循环流化方法，其特征在于，基于制备合成气的循环流化装置，其特征在于，所述循环流化装置包括循环流化塔、净化器(3)和太阳能聚光加热系统：
所述的循环流化塔包括相互连通且垂直设置的第一反应器和循环传热器(12)，第一反应器中沿第一反应器的内壁水平设置有塔板(8)，第一反应器中塔板(8)下方的区域为热解反应器(13)，塔板(8)中开设有孔径小于原料粒径且大于热载体粒径的气孔(61)，第一反应器中塔板(8)上方的区域为气化反应器(11)；循环传热器(12)的上端为开口设置，循环传热器(12)的上端安装有防脱罩(14)，防脱罩(14)深入循环传热器(12)且防脱罩(14)上端的内壁与循环传热器(12)的开口留有间距，原料通过生物质、城市生活垃圾或任意质量比的生物质/城市生活垃圾粉碎后制成；
所述热解反应器(13)的下端一侧安装有螺旋进料器(7)，太阳能聚光加热系统设置在太阳直射区域，包括若干个聚光镜阵列(41)和一个抛物面聚光镜(42)，若干个聚光镜阵列(41)间隔排布，抛物面聚光镜(42)固定在气化反应器(11)的正上方，气化反应器(11)上端一侧通过第一出气管(15)与净化器(3)的入口连通；
所述的防脱罩(14)包括平滑连接且竖直分布的圆柱段和减缩段，减缩段位于下方，减缩段的底部上下倾斜设置，减缩段与循环传热器(12)上端对应的外壁密封固定连接，圆柱段和循环传热器(12)上端之间的环形区域安装有圆柱型的限位罩(17)，限位罩(17)开口朝下，限位罩(17)和循环传热器(12)上端之间固定有若干周向分布的水平连接杆，限位罩(17)、减缩段与循环传热器(12)上端的外壁形成热载体的垂直通道，减缩段的底部形成热载体的下滑通道；
还包括容积式汽水换热器(2)，第一出气管(15)与容积式汽水换热器(2)的第一入口连通，容积式汽水换热器(2)的第一出口通过气路输送管道与净化器(3)的入口连通；
容积式汽水换热器(2)的第二入口与冷却水管道连通，容积式汽水换热器(2)的第二出口与水蒸气输出管道连通，水蒸气输出管道的第一出口连接在热解反应器(13)的底部；
所述的气路输送管道上安装有连接到循环传热器(12)的合成气输出管道，合成气输出管道和气路输送管道的连接处安装有电动三通法兰球阀(6)，防脱罩(14)上端一侧开设有第二出气管(16)；
所述气孔(61)的孔径为0.5～2mm，塔板(8)上未开孔的区域设置有若干个孔径为4～8mm的遮孔(62)，每个遮孔(62)的斜上方均固定有遮孔片(63)，遮孔片(63)的直径与遮孔(62)的孔径相同，遮孔片(63)与塔板(8)的上表面成40°～75°的夹角；
所述的热解反应器(13)和循环传热器(12)通过第一管路连通，气化反应器(11)和循环传热器(12)通过第二管路连通；
所述第一管路包括依次连通且为一体结构的第一水平段、第一垂直下降段、第二水平段、垂直上升段和倾斜段，第一水平段的一端与热解反应器(13)的下端连通，第一垂直下降段和垂直上升段的长度相同，倾斜段的末端与循环传热器(12)的下端连通，倾斜段的末端低于第一水平段，水蒸气输出管道的第二出口连接在第二水平段中；
所述第二管路包括依次连通且为一体结构的第三水平段、第二垂直下降段和第四水平段，第三水平段的一端与气化反应器(11)的上端连通，第三水平段与气化反应器(11)连通的一端横截面为直角梯形，直角梯形短腰位于上方，直角梯形长腰位于下方且斜向上分布，第四水平段与防脱罩(14)减缩段的底部最下端连通，水蒸气输出管道的第三出口连接在第四水平段中；
还包括分别包裹在气化反应器(11)和热解反应器(13)外壁的电加热套(9)，电加热套(9)为相互连接的高温电热丝和热电偶，热电偶的外部由内到外依次包裹有隔热材料和金属外壳；
具体包括如下步骤：
步骤1，通过螺旋进料器(7)，将粒径小于气孔(61)的热载体送入热解反应器(13)中，在热解反应器(13)中向上通入流速为0.25～2kg/h的水蒸气，热载体达到鼓泡状态并在防脱罩(14)的作用下依次在热解反应器(13)、循环传热器(12)、气化反应器(11)和塔板(8)形成的逆时针闭环中循环流化，热载体在气化反应器(11)中吸收抛物面聚光镜(42)聚焦的太阳光热量后升温，使热解反应器(13)和气化反应器(11)达到原料对应的反应温度；
步骤2，将生物质、城市生活垃圾或任意质量比的生物质/城市生活垃圾先粉碎，之后制成粒径为1～10mm的颗粒，将所述颗粒通过螺旋进料器(7)送入热解反应器(13)中，所述颗粒在热解反应器(13)中进行热解反应，先挥发出挥发分，之后生成半焦，通过气孔(61)进入气化反应器(11)，在水蒸气的参与下气化反应，生成氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的合成气；
步骤3，合成气通过第一出气管(15)输送到净化器(3)中。
2.根据权利要求1所述的制备合成气的循环流化方法，其特征在于，步骤3中所述的合成气先通过第一出气管(15)输送到容积式汽水换热器(2)中，冷却水管道中的冷却水在容积式汽水换热器(2)中，利用间壁式换热吸收合成气的余热，冷却水变为中低压水蒸气，降温后的合成气通过气路输送管道输送到净化器(3)中，形成新的步骤3；
当中低压水蒸气达到稳定状态后，关闭步骤1所述的水蒸气，通过水蒸气输出管道将中低压水蒸气的流速控制为0.25～2kg/h后输出至热解反应器(13)中，之后按如下过程循环：
中低压水蒸气继续使热载体达到鼓泡状态并进行逆时针闭环循环流化，使热解反应器(13)和气化反应器(11)达到原料对应的反应温度，颗粒按照步骤2所述的过程，生成氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的合成气，合成气按照新的步骤3进行处理。
3.根据权利要求2所述的制备合成气的循环流化方法，其特征在于，根据颗粒热解反应和气化反应所需的总热量，通过计算机控制电动三通法兰球阀(6)的开度，将输送到净化器(3)的一部分合成气向循环传热器(12)中输送，循环传热器(12)中的合成气进行燃烧，燃烧产生的热量加热热载体，热载体循环至气化反应器(11)和热解反应器(13)中对步骤2所述的颗粒进行进一步的补充加热，产生的废烟气通过第二出气管(16)排出；
中低压水蒸气通过水蒸气输出管道分别接入在第二水平段和第四水平段中，在第一管路和第二管路中分别形成一道气墙。
4.根据权利要求2所述的制备合成气的循环流化方法，其特征在于，当中低压水蒸气不稳定时，热电偶检测到热解反应器(13)、气化反应器(11)或热解反应器(13)和气化反应器(11)的温度低于颗粒的反应温度，数控系统控制高温电热丝升温，加热对应的反应器外壁，热量传导至对应反应器的内腔中，当对应的反应器达到反应温度后自动停止。
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