CN115340885B - 一种太阳能蓄热热解气化生物质系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太阳能蓄热热解气化生物质系统，包括堆积床气化反应模块、热解反应模块和反应堆芯，所述反应堆芯包括设置在物料间的埋管形式的潜热储热部件，可实现埋管形式的潜热储热部件与堆积床气化反应装置的集成设计、埋管形式的潜热储热部件与热解反应装置的集成设计以及日间气化、夜间热解的多联产系统设计。气化过程中，利用潜热材料相变温度区间狭窄的特性对气化反应温度进行调控，提高合成气组分选择性。高导热相变储热材料的高导热性能使埋管能够大幅度减少反应堆芯沿竖直方向上的传热热阻，提高太阳能‑化学能转化效率。由于潜热储热埋管的内部封装的高导热相变储热材料的蓄热性能可在太阳能瞬时间歇期间维持反应温度，使装置连续运行并维持反应温度，从而提高合成气品质。
Description
技术领域
本发明涉及新能源利用技术领域，具体而言，涉及一种太阳能蓄热热解气化生物质系统。
背景技术
能源消耗量随着经济发展而与日俱增，长久以来，世界能源形势严峻。煤炭等传统能源日渐消耗以及燃烧产生环境污染已然成为人类生存和发展世界性问题。生物质能分布广泛、可再生、清洁无污染，可替代传统能源。
在生物质各项现有技术中，生物质燃烧自热供能热解、气化反应是一种生物质能常用利用方式，但其利用率低并且自热燃烧排放依旧会造成一定的污染。利用太阳能对生物质进行气化反应虽然能够避免物料消耗以及燃烧排放污染，但是太阳能热源瞬时性波动会导致生物质热解反应不稳定、产物分布不均匀。另一方面，聚光太阳能热源具有局部高能流密度与单向输入的特点，容易引起装置局部高温危害安全性并加剧反应过程中的温度梯度现象。
堆积床反应装置是常用的生物质热化学反应装置，这种装置具有结构简单、原料适应性强、安全可靠的优点，但是现行堆积床反应装置在太阳能气化过程中存在床层热阻大，反应装置内部温度难以有效控制在最佳反应区间、对太阳能间歇抵抗能力不足、挥发分影响装置运行效果等问题。
为了解决太阳能热源波动导致生物质热解、气化反应的反应效率低以及产物分布不均匀；堆积床内部热阻与单向高能流的聚光太阳能热源输入所引起的反应效率、产物质量下降；以及潜热储热对温度调控过程中所累积高品位热能消纳的技术问题。本发明提供了一种基于潜热集成的太阳能气化热解多联产系统，该系统能够使气化反应稳定可控，避免热源波动而导致的热化学反应产物分布不均、反应效率低，且能够利用日间气化过程中潜热储热埋管存储的热量在夜间对新批次物料进行热解反应预处理，提高太阳能-化学能转化效率与系统热效率。夜间热解过程生产热解气、热解油等副产品的同时，可将反应堆芯中留存热解碳作为气化原料，可有效降低气化过程中挥发分对合成气品质、反应器运行的不利影响。
发明内容
本发明提供一种太阳能蓄热热解气化生物质系统，包括堆积床气化反应模块、热解反应模块和反应堆芯。所述反应堆芯包括设置在物料间的埋管形式的潜热储热部件。埋管形式的潜热储热部件与堆积床气化反应装置的集成设计可由反应堆芯和堆积床气化反应模块装配。埋管形式的潜热储热部件与热解反应装置的集成设计可由从堆积床气化反应模块中脱离后的反应堆芯与热解反应模块装配。日间气化，夜间热解的多联产系统设计，日间可由反应堆芯与堆积床气化反应模块装配，夜间可由从堆积床气化反应模块中脱离后的反应堆芯与热解反应模块装配而成。
所述堆积床气化反应模块外部包括气化装置隔热顶盖、气化装置隔热侧壁、隔热侧壁间设置隔热材料填充、气化装置隔热底板、气化装置连接法兰，内部包括设置在隔热顶盖上的CPC透镜、辐射吸收板、设置在隔热侧壁上的气体出口。作为优选的隔热材料选Al2O3。
所述反应堆芯包括物料、设置在物料间的埋管形式的潜热储热部件、设置在反应堆芯底部的载气/气化剂入口和风帽、反应堆芯连接法兰，反应堆芯底板、反应堆芯侧壁。进一步的，所述埋管形式的潜热储热部件包括设置在物料间的潜热储热埋管、设置在潜热储热埋管顶部用于固定的埋管支架，潜热储热埋管底部与反应堆芯底板紧固连接，顶端设置埋管支架连接各潜热储热埋管与反应堆芯侧壁以加固潜热储热埋管。进一步的，所述潜热储热埋管内部包括相变储热材料和多孔介质导热骨架。
所述热解反应模块包括，热解装置隔热顶盖、热解装置隔热侧壁、热解装置隔热底板、热解装置连接法兰，设置在顶部的进料口、设置在隔热侧壁上的气体出口。
如图1所示，埋管形式的潜热储热部件与堆积床气化反应装置的集成设计可实现日间气化的系统设计，在日间，反应堆芯与堆积床气化反应模块装配，外部由气化装置隔热顶盖、气化装置隔热侧壁、气化装置隔热底板封装，将堆积床气化装置连接法兰与反应堆芯连接法兰通过连接紧固件连接，从而实现反应堆芯与堆积床气化反应模块装配。
日间运行过程中太阳辐射(塔式二次聚光，聚光集热方式为常用方式，不在本发明范围内)由堆积床气化反应模块顶部入射，经CPC透镜散射后，较为均匀地被吸收板吸收。作为优选的，吸收板材料选SiC涂层石墨，吸收太阳辐射并将其转换为红外辐射后，向下方反应堆芯投射，为气化反应提供所需能量。
所述反应堆芯内所装物料部分为系统夜间热解生物质所产生的碳产物，部分为与堆积床气化反应模块装配前填满的生物质原料。
气化过程中，反应堆芯内的潜热储热埋管和物料同时吸收经由堆积床气化反应模块吸收板投射的辐射热能，由反应堆芯底部载气/气化剂入口通入载气与气化剂为气化反应提供除物料以外的必要反应物，气化剂与载气由底部载气/气化剂入口上方的风帽向堆芯内部均匀散布，物料与气化剂反应所生成的合成气由堆积床气化反应模块隔热侧壁上的气体出口流出。作为优选的，载气为已制取的合成气或惰性气体，气化剂优选气态H2O。
所述潜热储热埋管的内部封装相变储热材料，其顶部设置多孔介质导热骨架，多孔介质导热骨架间隙为真空状态，为相变储热材料由固相转变为液相时预留体积膨胀空间。导热骨架的高导热性能可充分减少相变介质在固相时顶部真空区域的热阻。潜热储热埋管底部与反应堆芯底板紧固连接，顶端设置埋管支架连接各潜热储热埋管与反应堆芯侧壁以加固潜热储热埋管、防止潜热储热埋管受损与变形。
作为优选的，相变储热材料优选相变温度区间850-1000℃范围内的高导热固液相变材料。更进一步的，本发明中所采用的高导热相变储热材料为Si(56)-44Mg，相变点946℃左右。用于封装多孔介质导热骨架与潜热储热埋管的埋管支架与潜热储热埋管外壁的材料优选SiC。
潜热储热埋管在日间气化有两个作用：1、潜热储热埋管的内部封装的高导热相变储热材料温度区间狭窄，潜热储热埋管在气化反应过程中承担温度调控作用，相较于现有技术中常规设计而言能够将气化反应温度向相变温度区间调控偏移。2、高导热相变储热材料的高导热性能使埋管能够大幅度减少反应堆芯沿竖直方向上的传热热阻，提高太阳能-化学能转化效率。3、由于潜热储热埋管的内部封装的高导热相变储热材料的蓄热性能可在太阳能瞬时间歇期间维持反应温度，使装置连续运行并维持反应温度，从而提高合成气品质。
埋管形式的潜热储热部件与热解反应装置的集成设计与夜间热解的系统设计，如图2所示，夜间，反应堆芯从堆积床气化反应模块中脱离后与热解反应模块装配。外部由热解装置隔热顶盖、热解装置隔热侧壁、热解装置隔热底板封装，将热解装置连接法兰与反应堆芯连接法兰通过连接紧固件连接。热解反应模块顶部开有数个进料口，生物质原料从进料口进入反应堆芯。
潜热储热埋管在夜间热解有两个作用：1、利用日间存储于所述潜热储热埋管的热能进行热解反应。热解反应后的挥发分与热解气由热解反应模块隔热侧壁上的气体出口流出，热解后的残留的碳产物留存于反应堆芯的原料内，作为日间气化反应原料的一部分并为气化反应提供催化作用。2、潜热储热埋管随热解反应进行不断热量释放、温度逐渐下降，当热能品位下降至一定程度后，装置内部热解反应近乎停止，此时利用埋管内部显热余热对新加入的生物质原料进行烘焙预热处理。
物料颗粒在热解后体积缩小，因此夜间可多次进料以调整气化过程所需碳产物与生物质原料之比，作为优选的，所选生物质原料为烘干后的山毛榉木材颗粒。
本发明提出的埋管形式的潜热储热部件与堆积床气化反应装置的集成设计可以解决如下技术问题：1、由于潜热储热埋管的内部封装的高导热相变储热材料的蓄热性能可在太阳能瞬时间歇期间维持反应温度，使装置连续运行并维持反应温度，从而提高合成气品质；2.潜热储热埋管强化了装置内部竖直方向的传热能力，使气化过程中太阳能-化学能转化效率相较于常规装置大幅度提升；3.气化过程中，利用潜热材料相变温度区间狭窄的特性对气化反应温度进行调控，提高合成气组分选择性。
同时，本发明提出的日间气化，夜间热解的多联产系统设计，可以解决如下技术问题：1、使气化过程中存储与潜热埋管中的热量能够在夜间有效释放，恢复日间对气化反应温度调控能力，并进一步提高太阳能-化学能转化效率与系统热效率。2.夜间热解过程生产热解气、热解油等副产品的同时，可将反应堆芯中留存热解焦作为气化原料并对气化反应产生催化作用。
附图说明
图1为埋管形式的潜热储热部件与堆积床气化反应装置的集成设计图，其中：(a)为堆积床气化反应模块与反应堆芯剖面设计图；(b)为反应堆芯剖面设计图及堆积床气化反应模块与反应堆芯装配三维剖面示意图，装配图中堆积床气化反应模块隐藏隔热层；(c)为埋管形式的潜热储热部件的局部放大图。
图2为埋管形式的潜热储热部件与热解反应装置的集成设计图，其中：(a)为反应堆芯与热解反应模块剖面设计图；(b)为热解反应模块与反应堆芯装配三维剖面示意图，装配图中热解反应模块隐藏隔热层。
图3(a)为实施例1与对比例1系统运行气化过程合成气生成速率，(b)为实施例1夜间热解过程产碳速率，其中：图3(a)合成气生成速率包括实施例装置日间运行过程中合成气生成速率随时间变化曲线与相同条件下无潜热埋管常规反应装置的合成气生成速率随时间变化曲线；图3(b)为实施例1夜间热解过程中第1500s时刻第一次进料，第8000s时刻第二次进料。
具体实施方式
实施例1
所述的太阳能蓄热热解气化生物质系统，包括堆积床气化反应模块、热解反应模块和反应堆芯，可实现埋管形式的潜热储热部件与堆积床气化反应装置的集成设计、埋管形式的潜热储热部件与热解反应装置的集成设计以及日间气化，夜间热解的多联产系统设计。埋管形式的潜热储热部件与堆积床气化反应装置的集成设计可由堆积床反应堆芯和气化反应模块装配而成。埋管形式的潜热储热部件与热解反应装置的集成设计，可由从日间堆积床气化反应模块中脱离后的反应堆芯与热解反应模块装配。日间气化，夜间热解的多联产系统设计，日间可由堆积床反应堆芯与气化反应模块装配，夜间可由从日间堆积床气化反应模块中脱离后的反应堆芯与热解反应模块装配而成。
所述堆积床气化反应模块1外部包括气化装置隔热顶盖101、气化装置隔热侧壁102、隔热侧壁102间设置隔热材料填充、气化装置隔热底板103、气化装置连接法兰104，内部包括设置在隔热顶盖101上的CPC透镜105、辐射吸收板106、设置在隔热侧壁102上的气体出口107。
所述反应堆芯2包括物料201、设置在物料间的埋管形式的潜热储热部件211、设置在反应堆芯底部的载气/气化剂入口204和风帽205、反应堆芯连接法兰206，反应堆芯底板209、反应堆芯侧壁210。其中所述埋管形式的潜热储热部件211包括设置在物料201间的潜热储热埋管202、设置在潜热储热埋管顶202部用于固定的埋管支架203，潜热储热埋管202底部与反应堆芯底板206紧固连接，顶端设置埋管支架203连接各潜热储热埋管202与反应堆芯侧壁210以加固潜热储热埋管202。所述潜热储热埋管202内部包括相变储热材料207和多孔介质导热骨架208。
所述热解反应模块3包括，热解装置隔热顶盖301、热解装置隔热侧壁302、热解装置隔热底板303、热解装置连接法兰304，设置在顶部的进料口305、设置在隔热侧壁上的气体出口306。
设定条件：所述反应堆芯2腔体纵深30cm，潜热材料容积与物料容积之比为0.19:1，投射在反应堆芯顶部截面的辐射能量密度为0.53MW/m2。
所述的埋管形式的潜热储热部件与堆积床气化反应装置的集成设计结合日间气化的系统设计，在日间，反应堆芯2与堆积床气化反应模块1装配，外部由气化装置隔热顶盖101、气化装置隔热侧壁102、气化装置隔热底板103封装，将气化装置连接法兰104与反应堆芯连接法兰206通过连接紧固件连接，从而实现反应堆芯2与堆积床气化反应模块1装配。作为优选的隔热材料选Al2O3。
日间运行过程中太阳辐射(塔式二次聚光，聚光集热方式为常用方式，不在本发明范围内)由堆积床气化反应模块1顶部入射，经CPC透镜105散射后，较为均匀地被吸收板106吸收。作为优选的，吸收板106材料选SiC涂层石墨，吸收太阳辐射并将其转换为红外辐射后，向下方反应堆芯2投射，为气化反应提供所需能量。
所述反应堆芯2内所装物料201部分为系统夜间热解生物质所产生的碳产物，部分为与气化反应模块装配前填满的生物质原料。
气化过程中，反应堆芯2内的潜热储热埋管202和物料201同时吸收经由气化反应模块吸收板106投射的辐射热能，由反应堆芯2底部载气/气化剂入口204通入载气与气化剂为气化反应提供除物料201以外的必要反应物，气化剂与载气由底部载气/气化剂入口204上方的风帽205向堆芯2内部均匀散布，物料201与气化剂反应所生成的合成气由气化反应模块隔热侧壁上的气体出口107流出。作为优选的，载气为已制取的合成气或惰性气体，气化剂优选气态H2O。
所述潜热储热埋管202的内部封装相变储热材料207，其顶部设置多孔介质导热骨架208，多孔介质导热骨架间隙为真空状态。作为优选的，相变储热材料207优选相变温度区间850-1000℃范围内的高导热固液相变材料。实施例1中所采用的高导热相变储热材料207为Si(56)-44Mg，相变点946℃左右。用于封装多孔介质导热骨架208与潜热储热埋管202的埋管支架203与潜热储热埋管202外壁的材料优选SiC。
所述的埋管形式的潜热储热部件与热解反应装置的集成设计结合夜间热解的系统设计，如图2所示，夜间，反应堆芯2从堆积床气化反应模块1中脱离后与热解反应模块3装配，外部由热解装置隔热顶盖301、热解装置隔热侧壁302、热解装置隔热底板303封装，将热解装置连接法兰304与反应堆芯连接法兰206通过连接紧固件连接，从而实现反应堆芯2与热解反应模块3装配。利用热解反应模块3顶部开有数个进料口305，生物质原料从进料口305进入反应堆芯2。
利用日间存储于所述潜热储热埋管202的热能进行热解反应。热解反应后的挥发分与热解气由热解反应模块隔热侧壁上的气体出口306流出，热解后的残留的碳产物留存于反应堆芯的物料201内，作为日间气化反应原料的一部分并为气化反应提供催化作用。潜热储热埋管202随热解反应进行不断热量释放、温度逐渐下降，当热能品位下降至一定程度后，装置内部热解反应近乎停止，此时利用潜热储热埋管202内部显热余热对新加入的生物质原料进行烘焙预热处理。
物料201颗粒在热解后体积缩小，因此夜间可多次进料以调整气化过程所需碳产物与生物质原料之比，作为优选的，所选生物质原料为烘干后的山毛榉木材颗粒。
对比例1
对比例1与实施例1相比，其他反应条件一致，区别仅在于对比例1使用现有技术中无潜热储热埋管的常用反应堆芯。由于无潜热储热埋管，夜间便不能利用日间存储于所述潜热储热埋管的热能进行热解反应，同时也不能利用埋管内部显热余热对新加入的生物质原料进行烘焙预热处理。
图3(a)为合成气生成速率包括实施例1装置日间运行过程中合成气生成速率随时间变化曲线与相同条件下对比例1无潜热埋管常规反应装置的合成气生成速率随时间变化曲线。图3(b)为实施例1夜间热解过程中第1500s时刻第一次进料以及第8000s时刻第二次进料时生物碳生产速率。
在相同条件下，相较于对比例1中无埋管的常规气化反应装置，实施例1日间气化过程合成气生产速率显著提升，其峰值速率接近现有技术中的无埋管的常规气化反应装置合成气生产速率2倍。相同时间与太阳能投入下，更多的热量转化为合成气的化学能，表明在部分热能储存于潜热埋管的前提下，潜热埋管的高导热性能依旧有效提高了气化过程太阳能-化学能转化效率。在夜间热解过程与烘焙预处理对埋管内热能有效回收后，实施例1对系统热效率的提升效果则更为显著。
Claims (6)
1.一种太阳能蓄热热解气化生物质系统，包括堆积床气化反应模块（1）、反应堆芯（2）和热解反应模块（3），其特征在于：所述反应堆芯（2）包括物料（201）、设置在物料（201）间的埋管形式的潜热储热部件（211）、设置在反应堆芯底部的载气/气化剂入口（204）和风帽（205）、反应堆芯连接法兰（206）、反应堆芯底板（209）、反应堆芯侧壁（210）；所述埋管形式的潜热储热部件（211）包括设置在物料间的潜热储热埋管（202），设置在潜热储热埋管顶部用于固定的埋管支架（203）；潜热储热埋管（202）底部与反应堆芯底板（209）紧固连接，顶端设置的埋管支架（203）用于连接各潜热储热埋管（202）与反应堆芯侧壁（210）；埋管支架（203）与潜热储热埋管（202）外壁的材料为SiC；所述潜热储热埋管（202）内部包括相变储热材料（207）和多孔介质导热骨架（208）；所述埋管形式的潜热储热部件（211）与堆积床气化反应模块（1）的集成设计由反应堆芯（2）和堆积床气化反应模块（1）装配完成日间气化的设计，外部由气化装置隔热顶盖（101）、气化装置隔热侧壁（102）、气化装置隔热底板（103）封装，将气化装置连接法兰（104）与反应堆芯连接法兰（206）通过连接紧固件连接；所述埋管形式的潜热储热部件（211）与热解反应模块（3）的集成设计完成夜间热解的设计，由从日间堆积床气化反应模块中脱离后的反应堆芯（2）与热解反应模块（3）装配，外部由热解装置隔热顶盖（301）、热解装置隔热侧壁（302）、热解装置隔热底板（303）封装，将热解装置连接法兰（304）与反应堆芯连接法兰（206）通过连接紧固件连接。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热热解气化生物质系统，其特征在于：所述多孔介质导热骨架（208）间隙为真空状态，所述相变储热材料（207）为相变温度区间850-1000℃范围内的高导热相变储热材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种太阳能蓄热热解气化生物质系统的使用的方法，其特征在于：在日间气化过程为：
（A）运行过程中太阳辐射由堆积床气化反应模块（1）顶部入射，经CPC透镜（105）散射后，均匀地被吸收板（106）吸收，吸收板（106）材料为SiC涂层石墨，吸收太阳辐射并将其转换为红外辐射后，向下方反应堆芯（2）投射；
（B）气化过程中，反应堆芯（2）内的潜热储热埋管（202）和物料（201）同时吸收经由堆积床气化反应模块吸收板（106）投射的辐射热能，由反应堆芯（2）底部载气/气化剂入口（204）通入载气与气化剂为气化反应提供除物料（201）以外的反应物，气化剂与载气由底部载气/气化剂入口（204）上方的风帽（205）向反应堆芯（2）内部均匀散布，物料（201）与气化剂反应所生成的合成气由堆积床气化反应模块隔热侧壁上的气体出口（107）流出，载气为已制取的合成气或惰性气体，气化剂为气态H2O。
4.根据权利要求1或2所述的一种太阳能蓄热热解气化生物质系统的使用方法，其特征在于：在夜间热解过程为：
（A）利用热解反应模块（3）顶部开有数个进料口（305），生物质原料从进料口（305）进入反应堆芯（2）；
（B）利用日间存储于所述潜热储热埋管（202）的热能进行热解反应，热解反应后的挥发分与热解气由热解反应模块隔热侧壁上的气体出口（306）流出，热解后的残留的碳产物留存于反应堆芯的物料（201）内；
（C）利用潜热储热埋管（202）内部显热余热对新加入的生物质原料进行烘焙预热处理。
5.根据权利要求1或2所述的一种太阳能蓄热热解气化生物质系统的使用方法，其特征在于：所述反应堆芯（2）内所装物料（201）部分为太阳能蓄热热解气化生物质系统在夜间热解生物质所产生的碳产物，部分为与堆积床气化反应模块装配前填满的生物质原料。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能蓄热热解气化生物质系统的使用方法，其特征在于：夜间可多次进料以调整气化过程所需碳产物与生物质原料之比，所选生物质原料为烘干后的山毛榉木材颗粒。
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